12.7: Agenti ossidanti
L’ossidazione di laboratorio di un alcool per formare un’aldeide o chetone è meccanicamente diversa dalle ossidazioni biochimiche con NAD(P)+ che abbiamo visto in precedenza in questo capitolo. Il quadro generale delle ossidazioni di laboratorio è illustrato di seguito. Essenzialmente ciò che accade è che l’idrossido idrogeno dell’alcool viene sostituito da un gruppo di partenza (X nella figura seguente).
Quindi, una base può astrarre il protone legato al carbonio alcolico, il che si traduce nell’eliminazione del gruppo di partenza X e nella formazione di un nuovo doppio legame carbonio-ossigeno. Come puoi vedere osservando da vicino questo meccanismo generale, gli alcoli terziari non possono essere ossidati in questo modo-non c’è idrogeno da astrarre nella fase finale!
Un metodo comune per ossidare gli alcoli secondari ai chetoni utilizza l’acido cromico (H2CrO4) come agente ossidante. L’acido cromico, noto anche come reagente di Jones, viene preparato aggiungendo triossido di cromo (CrO3) all’acido solforico acquoso.
Un meccanismo per l’ossidazione dell’acido cromico di un chetone è mostrato di seguito.
Si noti che il reagente al cromo ha perso due legami con l’ossigeno in questa reazione, e quindi è stato ridotto (deve essere stato ridotto – è l’agente ossidante!).
I chetoni non sono ossidati dall’acido cromico, quindi la reazione si ferma allo stadio chetonico. Al contrario, gli alcoli primari vengono ossidati dall’acido cromico prima in aldeidi, quindi direttamente in acidi carbossilici.
In realtà è la forma di idruro dell’aldeide che viene ossidata (ricordiamo dalla sezione 11.3 che le aldeidi in soluzione acquosa esistono in rapido equilibrio con le loro forme idrate).
Uno dei gruppi idrossilici dell’idrato attacca l’acido cromico e la reazione procede essenzialmente come mostrato per l’ossidazione di un alcol secondario.
In alcune condizioni, l’acido cromico ossida anche un carbonio in posizione benzilica in un acido carbossilico (si noti che un legame carbonio-carbonio è rotto in questa trasformazione).
Un certo numero di altri agenti ossidanti comuni sono discussi di seguito.
Il clorocromato di piridinio (PCC) e le reazioni di ossidazione di Swern sono utili per ossidare gli alcoli primari in aldeidi. Ulteriore ossidazione dell’aldeide allo stadio acido carbossilico non si verifica con questi reagenti, perché le reazioni vengono effettuate in solventi organici anidri (privi di acqua) come il diclorometano, e quindi la forma idrata dell’aldeide non è in grado di formarsi.
L’ossidazione di Swern utilizza dimetilsolfossido e cloruro di ossalile, seguito dall’aggiunta di una base come la trietilammina. L’attuale specie ossidante in questa reazione è lo dim dimetilclorosolfonio, che si forma dal dimetilsolfossido e dal cloruro di ossalile.
Vi verrà chiesto di proporre un meccanismo per queste reazioni alla fine del capitolo problemi.
Il clorocromato di piridinio viene generato combinando triossido di cromo, acido cloridrico e piridina.
Le condizioni di ossidazione PCC e Swern possono essere utilizzate anche per ossidare gli alcoli secondari in chetoni.
Lo ion d’argento, Ag (I), è usato spesso per ossidare le aldeidi ad acido carbossilico. Due condizioni di reazione comuni sono:
L’insieme dei reagenti in queste ultime condizioni di reazione è comunemente noto come reagente “Tollens”.
Gli alcheni sono ossidati a cis-1,2-dioli dal tetrossido di osmio (OsO4). La stereospecificità è dovuta alla formazione di un intermedio di estere osmate ciclico. Il tetrossido di osmio viene utilizzato in quantità catalitiche e viene rigenerato da N-metilmorfolina-N-ossido.
i composti cis-1,2-diolo possono essere ossidati in dialdeidi (o dichetoni, a seconda della sostituzione del diolo iniziale) usando acido periodico:
Gli alcheni possono anche essere ossidati mediante trattamento con ozono, O3. Nell’ozonolisi, il doppio legame carbonio-carbonio viene scisso e i carboni alchenici vengono convertiti in aldeidi:
Dimetil solfuro o zinco viene aggiunto nella fase di work-up della reazione al fine di ridurre il perossido di idrogeno, che si forma nella reazione, all’acqua.
In alternativa, il perossido di idrogeno e la base acquosa possono essere aggiunti nel workup per ottenere acidi carbossilici:
Il permanganato di potassio (KMnO4) è un altro agente ossidante molto potente che ossida gli alcoli primari e le aldeidi agli acidi carbossilici. KMnO4 è anche utile per la scissione ossidativa di alcheni a chetoni e acidi carbossilici:
Infine, gli alcheni possono essere ossidati in epossidi utilizzando un “perossiacido” come l’acido m-cloroperossibenzoico. Si noti la presenza di un terzo ossigeno nel gruppo funzionale perossiacido.
Il meccanismo è simile a quello dell’epossidazione biologica catalizzata dalla squalene epossidasi (sezione 16.10 A), con gli elettroni π nel doppio legame alchenico che attaccano l’ossigeno “esterno” del perossiacido e scindono il legame reattivo O-O perossido.
L’epossidazione Uncatalyzed di un alchene asimmetrico provoca generalmente due prodotti diossido diastereomerico, con l’epossido che aggiunge dall’alto o sotto il piano dell’alchene.
Chimica organica con enfasi biologica di Tim Soderberg (Università del Minnesota, Morris)
