12.7: Agentes Oxidantes
La oxidación en laboratorio de un alcohol para formar un aldehído o cetona es mecánicamente diferente de las oxidaciones bioquímicas con NAD(P)+ que vimos anteriormente en este capítulo. El cuadro general de las oxidaciones de laboratorio se ilustra a continuación. Esencialmente, lo que sucede es que el hidróxido de hidrógeno del alcohol se reemplaza por un grupo saliente (X en la figura de abajo).
Luego, una base puede abstraer el protón unido al carbono alcohol, lo que resulta en la eliminación del grupo X saliente y la formación de un nuevo doble enlace carbono-oxígeno. Como se puede ver al observar de cerca este mecanismo general, los alcoholes terciarios no se pueden oxidar de esta manera, ¡no hay hidrógeno que abstraer en el paso final!
Un método común para oxidar alcoholes secundarios a cetonas utiliza ácido crómico (H2CrO4) como agente oxidante. El ácido crómico, también conocido como reactivo Jones, se prepara agregando trióxido de cromo (CrO3) al ácido sulfúrico acuoso.
A continuación se muestra un mecanismo para la oxidación del ácido crómico de una cetona.
Tenga en cuenta que el reactivo de cromo ha perdido dos enlaces al oxígeno en esta reacción, y por lo tanto se ha reducido (debe haberse reducido, ¡es el agente oxidante!).
Las cetonas no son oxidadas por el ácido crómico, por lo que la reacción se detiene en la etapa de cetona. En contraste, los alcoholes primarios son oxidados por el ácido crómico primero a aldehídos, luego directamente a ácidos carboxílicos.
En realidad, es la forma hidruro del aldehído la que se oxida (recordemos de la sección 11.3 que los aldehídos en solución acuosa existen en equilibrio rápido con sus formas hidratadas).
Uno de los grupos hidroxilo del hidrato ataca al ácido crómico, y la reacción procede esencialmente como se muestra para la oxidación de un alcohol secundario.
En algunas condiciones, el ácido crómico incluso oxidará un carbono en la posición bencílica a un ácido carboxílico (observe que un enlace carbono-carbono se rompe en esta transformación).
A continuación se examinan otros agentes oxidantes comunes.
El clorocromato de piridinio (PCC) y las reacciones de oxidación de Swern son útiles para oxidar alcoholes primarios a aldehídos. No se produce una mayor oxidación del aldehído a la etapa de ácido carboxílico con estos reactivos, porque las reacciones se llevan a cabo en disolventes orgánicos anhidros (sin agua), como el diclorometano, y por lo tanto la forma hidratada del aldehído no es capaz de formarse.
La oxidación de Swern utiliza dimetilsulfóxido y cloruro de oxalilo, seguido de la adición de una base como la trietilamina. La especie oxidante real en esta reacción es el ion dimetilclorosulfonio, que se forma a partir de dimetilsulfóxido y cloruro de oxalilo.
Se le pedirá que proponga un mecanismo para estas reacciones al final del capítulo problemas.
El clorocromato de piridinio se genera combinando trióxido de cromo, ácido clorhídrico y piridina.
Las condiciones de oxidación PCC y Swern también se pueden usar para oxidar alcoholes secundarios a cetonas.
El ion de plata, Ag (I), se usa a menudo para oxidar aldehídos a ácido carboxílico. Dos condiciones de reacción comunes son:
El conjunto de reactivos en estas últimas condiciones de reacción se conoce comúnmente como reactivo de Tollens.
Los alquenos son oxidados a cis-1,2-dioles por tetróxido de osmio (OsO4). La especificidad estereoscópica se debe a la formación de un éster intermedio osmate cíclico. El tetróxido de osmio se utiliza en cantidades catalíticas y se regenera mediante N-metilmorfolina-N-óxido.
los compuestos de cis-1,2-diol se pueden oxidar a dialdehídos (o dicetonas, dependiendo de la sustitución del diol inicial) utilizando ácido periódico:
Los alquenos también se pueden oxidar mediante tratamiento con ozono, O3. En la ozonólisis, el doble enlace carbono-carbono se rompe y los carbonos alquénicos se convierten en aldehídos:
Se agrega sulfuro de dimetilo o zinc en la etapa de preparación de la reacción para reducir el peróxido de hidrógeno, que se forma en la reacción, al agua.
Alternativamente, se puede agregar peróxido de hidrógeno y base acuosa en el estudio para obtener ácidos carboxílicos:
El permanganato de potasio (KMnO4) es otro agente oxidante muy potente que oxidará alcoholes primarios y aldehídos a ácidos carboxílicos. KMnO4 también es útil para la escisión oxidativa de alquenos a cetonas y ácidos carboxílicos:
Por último, los alquenos pueden oxidarse a epóxidos utilizando un “peroxiácido” como el ácido m-cloroperoxibenzoico. Observe la presencia de un tercer oxígeno en el grupo funcional de peroxiácidos.
El mecanismo es similar al de la epoxidación biológica catalizada por la escualeno epoxidasa (sección 16.10 A), con los electrones π en el enlace doble alqueno atacando el oxígeno ‘externo’ del peroxiácido y rompiendo el enlace reactivo de peróxido de O-O.
La epoxidación no catalizada de un alqueno asimétrico generalmente da lugar a dos productos de epóxido diastereomérico, con el epóxido que se agrega desde arriba o por debajo del plano del alqueno.
Química Orgánica Con Énfasis Biológico por Tim Soderberg (Universidad de Minnesota, Morris)
