Цепочки окисления органических веществ
Цепочки окисления органических веществ составляют по функциональным группам и по числу атомов углерода. Главная логика такова: первичный спирт окисляется до альдегида, затем до карбоновой кислоты; вторичный спирт — до кетона, а углеводород может сначала превратиться в спирт или альдегид.
Основная логика цепочки
Сначала определите, какая функциональная группа уже есть в исходном веществе и какая должна появиться в следующем. В школьных задачах чаще всего встречаются спирты, альдегиды, карбоновые кислоты и углеводороды. Затем проверьте число атомов углерода: при обычном окислении углеродный скелет не изменяется.
В школьной органической химии окислением считают присоединение атомов кислорода, отщепление атомов водорода или увеличение степени окисления углерода. Восстановление — обратные изменения: удаление кислорода или присоединение водорода.
| Исходное вещество | Продукт окисления | Что меняется |
|---|---|---|
| Первичный спирт \(R\!-\!CH_2OH\) | Альдегид \(R\!-\!CHO\) | Отщепляются два атома водорода |
| Альдегид \(R\!-\!CHO\) | Карбоновая кислота \(R\!-\!COOH\) | Присоединяется атом кислорода |
| Вторичный спирт \(R\!-\!CHOH\!-\!R'\) | Кетон \(R\!-\!CO\!-\!R'\) | Отщепляются два атома водорода |
| Алкен | Двухатомный спирт или продукты глубокого окисления | Присоединяется кислород, возможен разрыв двойной связи |
При последовательном окислении первичного спирта в альдегид и кислоту число атомов углерода обычно сохраняется. Поэтому из этанола получают этаналь и этановую кислоту, а из пропан-1-ола — пропаналь и пропановую кислоту.
Для превращения углеводорода в спирт важно определить тип углеводорода. Алкены гидратируются с образованием спиртов, а алканы могут замещать атом водорода на гидроксильную группу через галогенопроизводное. В экзаменационных цепочках условия реакции могут быть скрыты, поэтому название вещества и его формула должны согласовываться с каждым переходом.
Спирты, альдегиды и кислоты
Первичные спирты имеют группу \(\mathrm{-CH_2OH}\) у концевого атома углерода. При мягком окислении они превращаются в альдегиды. Если окислитель взят в избытке или реакцию проводят дальше, альдегид окисляется до карбоновой кислоты. Подробная схема и признаки этой реакции разобраны на странице окисления спиртов.
Альдегидная группа \(\mathrm{-CHO}\) легко окисляется до карбоксильной группы \(\mathrm{-COOH}\). Поэтому качественные реакции альдегидов одновременно являются качественными ОВР альдегидов: альдегид — восстановитель, а ионы металла в окислителе восстанавливаются.
Для первичного спирта: \(R\!-\!CH_2OH \rightarrow R\!-\!CHO \rightarrow R\!-\!COOH\). Для вторичного спирта: \(R\!-\!CHOH\!-\!R' \rightarrow R\!-\!CO\!-\!R'\). Третичные спирты в школьных условиях обычно не окисляются мягкими окислителями.
Какое вещество получится при окислении пропаналя в избытке окислителя?
Этиленгликоль в цепочках превращений
Этиленгликоль, или этан-1,2-диол, имеет две гидроксильные группы: \(\mathrm{HOCH_2CH_2OH}\). Каждая из них может окисляться по правилам первичного спирта. Поэтому сначала возможно образование гидроксиальдегида, затем диальдегида, а при дальнейшем окислении — гидроксикислоты и дикарбоновой кислоты.
В заданиях схему могут записать словами: «\(X \rightarrow Y \rightarrow\) этиленгликоль». Тогда нужно рассуждать справа налево. Этиленгликоль получают гидратацией этена в два этапа через 1,2-дибромэтан или окислением этена подходящим окислителем. Если же этиленгликоль стоит слева от стрелки, проверяют последовательное окисление двух групп \(\mathrm{-CH_2OH}\).
Формула \(\mathrm{HOCH_2CH_2OH}\) содержит два атома углерода и две гидроксильные группы. В цепочке это подсказывает, что предшественником может быть этен \(\mathrm{CH_2{=}CH_2}\), а продуктами окисления — соединения с двумя функциональными группами.
Алгоритм решения цепочки
- Выпишите формулу каждого известного вещества и выделите функциональную группу.
- Сосчитайте атомы углерода слева и справа от стрелки.
- Определите тип превращения: окисление спирта, окисление альдегида, гидратация алкена, замещение или восстановление.
- Вставьте промежуточное вещество, сохраняя углеродный скелет и меняя только необходимую функциональную группу.
- Подберите реагент и проверьте баланс атомов и зарядов в уравнении.
Дана цепочка: \(X \rightarrow \mathrm{CH_3CH_2OH} \rightarrow Y \rightarrow \mathrm{CH_3COOH}\). Определим \(X\) и \(Y\).
Таким образом, ответ: \(X\) — этен, \(Y\) — этаналь. Важно не назвать \(Y\) этановом кислотой: она уже стоит следующим веществом в цепочке.
1. Путают первичный и вторичный спирт: первичный даёт альдегид, вторичный — кетон. 2. Считают, что при любом окислении меняется число атомов углерода. 3. Записывают этиленгликоль как одноатомный спирт. 4. Называют продукт окисления альдегида спиртом. 5. Не учитывают, что избыток окислителя переводит альдегид в кислоту. 6. Подбирают реагент до того, как установили формулу вещества.
Самопроверка
Проверьте цепочки
Главное
- Первичный спирт окисляется по схеме \(R\!-\!CH_2OH \rightarrow R\!-\!CHO \rightarrow R\!-\!COOH\).
- Вторичный спирт при окислении даёт кетон; третичные спирты мягко не окисляются.
- При обычном окислении углеродный скелет сохраняется.
- Этиленгликоль содержит две группы \(\mathrm{-OH}\), поэтому может окисляться последовательно по каждой из них.
- Решая цепочку, сначала определяйте функциональные группы и число атомов углерода, а затем подбирайте реагенты.