14.5: Стан окислення спиртів та суміжних функціональних груп
- Page ID
- 23477
Вступ
Ви, безсумнівно, вже знайомі із загальною ідеєю окислення та відновлення: ви дізналися в загальній хімії, що коли з'єднання або атом окислюються, він втрачає електрони, а коли він зменшується, він отримує електрони. Ви також знаєте, що реакції окислення та відновлення відбуваються парами: якщо один вид окислюється, інший повинен бути зменшений одночасно - таким чином термін «окислювально-відновна реакція».
Більшість окислювально-відновних реакцій, які ви бачили раніше в загальній хімії, ймовірно, включали потік електронів від одного металу до іншого, наприклад, реакція між іоном міді в розчині та металевим цинком:
\[Cu^{+2}_{(aq)} + Zn_{(s)} \rightarrow Cu_{(s)} + Zn^{+2}_{(aq)} \tag{16.1.1}\]
В органічній хімії окислювально-відновні реакції виглядають трохи інакше. Електрони в органічній окислювально-відновної реакції часто переносяться у вигляді іона гідриду - протона і двох електронів. Оскільки вони відбуваються в поєднанні з перенесенням протона, їх зазвичай називають реакціями гідрування та дегідрування: гідрид плюс протон додає до молекули водню (H 2). Будьте обережні - не плутайте терміни гідрування та дегідрування з гідратацією та зневодненням - останні стосуються посилення та втрати молекули води (і не є окислювально-відновними реакціями), тоді як перші відносяться до посилення і втрата молекули водню.
Окислення та відновлення - погляд на органічну хімію
Коли атом вуглецю в органічній сполуці втрачає зв'язок з воднем і отримує новий зв'язок з гетероатомом (або з іншим вуглецем), ми говоримо, що сполука була дегідрогенізована або окислена. Дуже поширеним біохімічним прикладом є окислення спирту до кетону або альдегіду:
Коли атом вуглецю втрачає зв'язок з воднем і отримує зв'язок з гетероатомом (або з іншим атомом вуглецю), це вважається окислювальним процесом, оскільки водень з усіх елементів є найменш електронегативним. Таким чином, в процесі дегідрування атом вуглецю зазнає загальної втрати електронної щільності - і втрата електронів відбувається окислення.
І навпаки, коли атом вуглецю в органічній сполуці отримує зв'язок з воднем і втрачає зв'язок з гетероатомом (або з іншим атомом вуглецю), ми говоримо, що сполука була гідрогенізована або відновлена. Наприклад, гідрування кетону до алкоголю є загальним зворотним дегідруванням алкоголю, показаним вище. Нижче проілюстрована ще одна поширена можливість - гідрування (відновлення) алкену до алкану.
Гідрування призводить до підвищення щільності електронів на атомах вуглецю (атомах), і, таким чином, ми вважаємо процес відновлення органічної молекули.
Зверніть увагу, що ні гідрування, ні дегідрування не передбачає посилення або втрати атома кисню. Реакції, які включають посилення або втрату одного або декількох атомів кисню, зазвичай називають реакціями «оксигенази» та «редуктази».
Здебільшого, говорячи про окислювально-відновні реакції в органічній хімії, ми маємо справу з невеликим набором дуже впізнаваних функціональних групових перетворень. Тому дуже варто ознайомитися з ідеєю «ступенів окислення» стосовно органічних функціональних груп. Порівнюючи відносну кількість зв'язків з атомами водню, ми можемо впорядкувати знайомі функціональні групи за ступенем окислення. Ми візьмемо серію одиничних вуглецевих сполук як приклад. Метан, з чотирма вуглецево-водневими зв'язками, сильно знижується. Далі в серії йде метанол (на один менше вуглецево-водневий зв'язок, ще один вуглець-кисневий зв'язок), за яким слідують формальдегід, форміат і, нарешті, вуглекислий газ на високо окисленому кінці групи.
Ця закономірність справедлива для відповідних функціональних груп на органічних молекулах з двома або більше атомами вуглецю:
Алкани сильно знижені, тоді як спирти - а також алкени, ефіри, аміни, сульфіди та фосфатні ефіри - на одну сходинку вгору за шкалою окислення, а потім альдегіди/кетони/іміни та епоксиди, і, нарешті, похідні карбонової кислоти (вуглекислий газ, у верхній частині списку окислення, специфічний для одиничний вуглецевий ряд).
Зверніть увагу, що в серії двовуглецевих сполук вище етанол і етен вважаються в однаковому ступені окислення. Ви вже знаєте, що спирти та алкени перетворюються шляхом додавання або усунення води. Коли спирт зневоднюється з утворенням алкену, один з двох вуглеців втрачає зв'язок C-H і отримує зв'язок C-C і, таким чином, окислюється. Однак інший вуглець втрачає зв'язок C-O і отримує зв'язок C-C, і, таким чином, вважається зменшеним. В цілому, отже, немає змін до ступеня окислення молекули.
Ви повинні навчитися розпізнавати, коли реакція передбачає зміну ступеня окислення в органічному реагенті. Дивлячись на наступне перетворення, наприклад, ви повинні мати можливість швидко розпізнати, що це окислення: функціональна група алкоголю перетворюється в кетон, який є однією сходинкою вгору по сходах окислення.
Так само ця наступна реакція передбачає перетворення похідного карбонової кислоти (тіоефіру) спочатку в альдегід, потім до спирту: це подвійне відновлення, оскільки субстрат втрачає два зв'язку з гетероатомами і отримує два зв'язку з воднями.
Реакція перенесення ацилу (наприклад, перетворення ацилфосфату в амід) не вважається окислювально-відновною реакцією - ступінь окислення органічної молекули не змінюється, оскільки субстрат перетворюється на продукт, оскільки зв'язок з одним гетероатомом (кисень) просто торгувався на зв'язок з іншим гетероатомом (азотом).
Важливо вміти розпізнавати, коли органічна молекула окислюється або відновлюється, оскільки ця інформація говорить вам шукати участь відповідного окислювально-відновного агента, який відновлюється або окислюється - пам'ятайте, окислення та відновлення завжди відбуваються в тандемі! Незабаром ми детально дізнаємося про найважливіші біохімічні та лабораторні окислювально-відновні засоби.
Вправи
10. Вкажіть, чи є наступні реакції окисленням [O], скороченням [H], гідратацією або зневодненням.
- Відповідь
-
10.
а) скорочення
б) гідратація
в) окислення
г) зневоднення