9.3. Окисление спиртов и их производных

9.3.1. Образование альдегидов и кетонов (дегидрирование)

Большинство студентов в начале изучения органической химии узнают, что окисление первичных спиртов приводит к образованию альдегидов и затем карбоновых кислот; окисление вторичных спиртов дает кетоны, а третичные спирты устойчивы к окислению до тех пор, пока условия станут достаточно жесткими для осуществления разрыва связи Соответствующие реакции, приводимые как примеры в элементарных курсах, на деле неселективны, если использовать такие реагенты, как горячий подкисленный раствор перманганата калия или горячую хромовую смесь. Поэтому была проделана большая работа по созданию методов селективного окисления спиртов в карбонильные соединения.

Превращение спиртов в карбонильные соединения формально является дегидрированием, поэтому могут быть применены все три метода, описанные в разд. 9.1.1.

9.3.1.1. Метод замещения — отщепления

Этот метод наиболее распространен, по крайней мере в лабораторной практике.

Для окисления вторичных спиртов в кетоны чаще всего применяют окислители, содержащие хром (VI). Часто реакция идет через хромовый эфир, например:

Хромсодержащие частицы, получающиеся на этой, первой стадии [производное хрома (IV)], не являются конечным продуктом. Дальнейшая сложная последовательность окислительно-восстановительных стадий (детали которых нас здесь не интересуют) приводит в конце концов к образованию соли хрома (III),

а общее стехиометрическое уравнение этой реакции имеет следующий вид:

или

или

Известно много вариантов окислительных реакций такого типа. Если спирт не содержит других функциональных групп, способных окисляться, и не чувствителен к действию кислот, то наиболее подходящим окислителем является водный раствор хромовой кислоты в серной кислоте или уксусной кислоте, например:

Селективное окисление спиртов, содержащих двойную или тройную связь, можно (провести используя реагент Джонса [водный раствор оксида хрома (VI) и серной кислоты в строго стехиометрических количествах]. При этом спирт, растворенный в ацетоне, титруется реагентом при комнатной или более низкой температуре. При таких условиях селективно окисляется только спиртовая группа, например:

Аналогично

Если применение этого метода осложняется чувствительностью спирта к кислотам, в качестве окислителя может быть выбран оксид хрома (VI) в пиридине. Комплекс оксида хрома с пиридином может быть выделен и растворен в другом

органическом растворителе, например дихлормегане.

(См. синтез кортизона, разд. 14.6)

Среди новейших реагентов (хрома (VI) есть пригодные для проведения окисления в органических растворителях: пиридинийхлорохромат сокращенное название ПХХ) получается из оксида хрома (VI), водной и пиридина; пиридинийдихромат сокращенное название получается из оксида хрома (VI), пиридина и воды. Приведем примеры применения этих окислителей:

Окисление первичных сйиртов в альдегиды требует тщательного контроля условий проведения реакции, чтобы предотвратить дальнейшее, окисление с образованием карбоновых

кислот. Тем не менее для такого окисления часто применяют реагенты на основе хрома (VI). В классическом методе синтеза низших алифатических альдегидов используются их мзкие температуры кипения, и продукты окисления отгоняются по мере да образования, например:

В случае менее летучих альдегидов оказалось возможным получать хорошие выходы при строгом контроле за временем и температурой реакции, например:

В других случаях (особенно при окислении аллильных или бензильных структур) можно успешно применять хромовый ангидрид в пиридине:

Реагенты, сокращенно названные выше и наиболее широко используют для проведения такого типа реакций окисления, например:

Аналогично

Аналогично

Другой полезный путь окисления спиртов в альдегиды и кетоны — использование в качестве окислителя

диметилсульфоксида. В принципе реакция идет по следующей схеме [реакция (9.23)]:

например:

Показанные в последних примерах превращения спирта в галогенид или -толуолсульфонат вводят в синтез дополнительную стадию, причем с использованием неселективных реагентов. Для многостадийных синтезов предпочтительно одностадийное селективное окисление: это достигается переводом диметилсульфоксида (слабого нуклеофила) в сильный

(см. скан)

электрофил, который может реагировать непосредственно со спиртами. Подобную активацию диметилсульфоксида чаще всего проводят с помощью -дициклогексилкарбодиимида реакция (9.24а)]. Возможно также использование триокоида серы в виде комплекса с пиридином и уксусного ангидрида [реакции (9.24б) и (9.24в)]:

Ниже приведен ряд примеров:

Аналогично

9.3.1.2. Метод переноса гидрид-иона

Наиболее важным среди этих методов является окисление по Оппенауэру [реакция (9.25)], в ходе (которого вторичный спирт окисляется до кетона при действии другого кетона (обычно ацетона или циклогексанона) в присутствии алкоксида (алкоголята) алюминия (обычно изопропилата или трет-бутилокоида):

Эта реакция является прямой противоположностью реакции восстановления Меервейна — Понндорфа — Верлея [разд. 8.4.3.1, реакция (8.7)]. Она включает депротонирование спирта, находящегося в равновесии с алкоксидом, с последующим переносом гидрид-иона к кетону:

Равновесие (9.25) обычно смещено вправо за счет использования большого избытка акцептора гидрида

Благодаря высокой селективности процесса окисление по Оппенауэру имеет исключительное значение в синтезе стероидов. Однако эта реакция протекает в сильнощелочной среде, и в ходе ее -ненасыщенные спирты переходят в -ненасыщенные кетаны, в основном через сопряженный енолят-ион, например:

Вторым процессом с переносом гидрид-иона является реакция Соммле. В этом методе галогенид (обычно бензильный) вводят в реакцию с гексаметилентетрамином, а получающуюся соль подвергают гидролизу присутствии амина [реакция (9.26)]:

Как и реакции Оггпенауэра, равновесие можно сместить, добавляя избыток гексаметилентетрамина (т. е. избыток

Выходы альдегидов в этом случае приемлемы, но метод не имеет очевидных преимуществ по сравнению с описанным в разд. 9.3.1.1 диметилсульфоксидным методом:

Аналогично

9.3.1.3. Другие методы

Методы каталитического дегидрирования спиртов имеют важное промышленное значение, но у них нет каких-либо преимуществ перед другими лабораторными методами, описанными в предыдущих разделах. Поэтому они не будут нами обсуждаться. Заслуживает внимания окисление аллильных и бензильных спиртов с помощью оксида марганца (IV). Это гетерогенная реакция, детали ее механизма неизвестны; в частности, успех зависит и от свежести используемого оксида. Если оксид свежеприготовлен, то можно достичь хороших выходов и селективности окисления, например: