مکانیسم های اکسیداسیون الکل، رمزگشایی

پست امروز به طور خلاصه: بسیاری از اکسیداسیون الکل ها ممکن است کمی مرموز به نظر برسند، اما اساساً از طریق مکانیسم E2 تجلیل شده انجام می شود. بسیاری از اکسیدان ها با چسباندن یک گروه خروجی خوب به اکسیژن کار می کنند که به دنبال آن حذف می شود.

فهرست مطالب

E2: مرحله کلیدی آشنا در قلب (تقریبا) تمام واکنش های اکسیداسیون
اکسیدان ها اساساً معرف های فانتزی برای اتصال گروه های ترک به اکسیژن هستند
در مورد اکسیداسیون آلدهیدها به کربوکسیلیک اسیدها چطور؟ (اسپویل: بله، آن هم)
چرا کتون ها بیشتر اکسید نمی شوند؟
خلاصه:  مکانیسم‌های اکسیداسیون الکل
یادداشت
(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر
1. E2: مرحله کلیدی آشنا در قلب (تقریبا) تمام واکنش های اکسیداسیون الکل

زمانی که در حال یادگیری شیمی آلی بودم، به یاد می‌آورم که معرف‌های واکنش‌های اکسیداسیون کاملاً از میدان چپ خارج می‌شوند.

KMnO4، K2Cr2O7، PCC، CrO3، Swern، Dess-Martin ? صبر کن. این معرف ها از کجا آمده اند؟ چطورکار می کنند؟ چرا کروم؟ مکانیسم چیست؟

در دوره من، جزئیات این واکنش ها کاملاً محو شد. “نگران مکانیسم نباشید! زمانی برای گذر از این موضوع وجود ندارد! ” مربی گفت. من با این تصور باقی ماندم که چیزی عمیقاً مرموز در مورد اکسیداسیون الکل وجود دارد.

فقط بعداً فهمیدم که اصلاً مرموز نیست. در واقع مکانیسم کلیدی بسیار آشناست.

بگذارید منظورم را به شما نشان دهم.

در اینجا واکنشی است که قبلاً دیده بودیم. حذف آلکیل هالیدها برای ایجاد آلکن از طریق مکانیسم E2. پایه هیدروژن را حذف می کند، C-H را می شکنیم، C-C (π) را تشکیل می دهیم و C-LG را می شکنیم. نتیجه یک آلکن است.

حالا یک واکنش E2 کمی متفاوت را تصور کنید، به جز واکنشی که گروه خروجی خوب روی اکسیژن است. ما فعلاً آن را به عنوان “LG” مبهم می گذاریم.

تماشا کردن!

ببینید چگونه C-H را می‌شکنیم، C-O (π) را تشکیل می‌دهیم و O-LG را می‌شکنیم و در این فرآیند یک پیوند C-O π جدید تشکیل می‌دهیم. از آنجایی که ما یک پیوند C-O جدید به قیمت پیوند C-H تشکیل داده‌ایم، اکسیداسیون رخ داده است.

باور کنید یا نه، اکثر واکنش های اکسیداسیون الکل ها دقیقاً به همین ترتیب انجام می شود!

[توجه زیر: استثنا (KMnO4]

ای کاش وقتی داشتم شیمی آلی یاد می گرفتم این را می دانستم، زیرا اکسیداسیون الکل را بسیار مرموزتر می کرد.

2. اکسیدان ها اساساً فقط معرف های فانتزی برای اتصال “گروه های ترک” خوب به طور مستقیم به اکسیژن هستند.

ممکن است بگویید صبر کنید. احتمالاً نمی تواند به این سادگی باشد. چرا ما انواع مختلفی از عوامل اکسید کننده داریم؟ و چرا مکانیسم‌ها (مثلاً مانند اکسیداسیون جونز در اینجا) اینقدر پیچیده به نظر می‌رسند؟

بله، مراحل زیادی در یک واکنش اکسیداسیون معمولی وجود دارد. با این حال، بیشتر این مراحل شامل موارد زیر است:

– فعال کردن اکسیدان (مانند اکسیداسیون سورن، که در آن اگزالیل کلرید DMSO را به یک گونه گوگرد الکتروفیل تبدیل می کند، یا در اکسیداسیون کرومات، که در آن اسید قوی کرومات (مانند K2Cr2O7) را به اکسیدان فعال [H2CrO4] تبدیل می کند.

– هماهنگی الکل با اکسیدان و به دنبال آن انتقال(های) پروتون (که در مکانیسم اکثر اکسیدان های کروم و دس مارتین پریودینان دیده می شود).

این مراحل البته مهم هستند، اما فقط در نقش حمایتی. اگر قیاس را معذورید، آنها فقط پیش بازی هستند که قبل از رویداد اصلی هستند.

تأثیر این مراحل اولیه صرفاً نصب یک گروه خروجی خوب بر روی اکسیژن است. آن «گروه خوب ترک» می تواند اشکال مختلفی داشته باشد. در اینجا با هر اکسیدان به رنگ سبز نشان داده شده است. البته عوامل اکسید کننده الکل ها بسیار بسیار بیشتر از مواردی است که نشان داده شده است، اما تقریباً همه آنها اساساً یکسان عمل می کنند.

درمان هر یک از این بسترها با پایه سپس منجر به شکستن C-H، تشکیل C-O (π) و شکستن O-LG می شود.

هر یک از این “گروه های ترک” جفت الکترون را از پیوند به اکسیژن می پذیرد و در این فرآیند حالت اکسیداسیون آن را 2 کاهش می دهد. [به یاد داشته باشید – اکسیدان کاهش می یابد،  سوبسترا اکسید می شود]

3. در مورد اکسیداسیون آلدهیدها به اسیدهای کربوکسیلیک چطور؟

بنابراین اگر اکسیداسیون الکل ها به آلدهیدها و کتون ها اساساً یک واکنش E2 باشد، چگونه اکسیداسیون آلدئیدها را به اسیدهای کربوکسیلیک توضیح دهیم؟

ببینید، با توجه به آنچه که اخیراً نشان دادیم، ممکن است در ابتدا فکر کنید که چیزی شبیه به این کار می کند:

در واقع این چیزی نیست که اتفاق می افتد. [چرا که نه؟ کربن آلدهید یک الکتروفیل خوب است و هر گونه ای که به اندازه کافی پایه C-H را حذف کند، به احتمال زیاد به آلدئید C اضافه می شود.

در واقع همان فرآیندی را دنبال می کند که در مورد الکل ها وجود دارد! با این حال، یک ترفند وجود دارد.

یک عنصر گم شده وجود دارد که در نمودار بالا ذکر نشده است. اب.

اتفاقی که می افتد این است که آب به آلدهید اضافه می کند و هیدرات تشکیل می دهد. [اگر این ناآشنا به نظر می رسد، تغییرات زیادی از این نوع مکانیسم را در فصل آینده خود در مورد آلدئیدها و کتون ها خواهید دید. این یک پیش نمایش مخفیانه است]

اکنون، اکسیدان به یکی از گروه های هیدروکسیل هیدرات متصل می شود. تجسم E2 از اینجا بسیار ساده تر است.

این همچنین به توضیح یکی از مشاهدات کلیدی که به صورت مماس در آخرین پست انجام دادم کمک می کند. معرف CrO3/pyridine (معرف کالینز) الکل های اولیه را به آلدئید اکسید می کند و در آنجا متوقف می شود.

با این حال، اگر آب وجود داشته باشد، این اکسیداسیون به اسیدهای کربوکسیلیک می رسد. این به این دلیل است که آب با آلدئید هیدرات تشکیل می دهد و امکان اکسیداسیون بیشتر را فراهم می کند.

بدون هیدرات، بدون اکسیداسیون بیشتر.

4. چرا کتون ها بیشتر اکسید نمی شوند؟

این همچنین توضیح می دهد که چرا کتون ها بیشتر اکسید نمی شوند. هیچ هیدروژنی وجود ندارد که بتوان آن را در یک فرآیند نوع E2 که منجر به پیوند دوگانه جدید می‌شود حذف کرد!

این شبیه به سوال قدیمی است که چرا این آلکیل هالید (در زیر) تحت حذف قرار نمی گیرد. هیچ هیدروژنی روی کربن «بتا» (یعنی روی کربن مجاور کربن حامل گروه خروجی خوب) وجود ندارد که بتوان آن را حذف کرد، بنابراین هیچ حذفی اتفاق نمی‌افتد.

همین امر را می توان در مورد اینکه چرا الکل های سوم اکسید نمی شوند نیز گفت.

5. خلاصه: مکانیسم های اکسیداسیون الکل

بنابراین نکته نهایی برای اکسیداسیون الکل به شرح زیر است.

تقریباً هر واکنش اکسیداسیون الکلی که با آن مواجه می‌شوید یک مرحله کلیدی دارد: پروتون‌زدایی شبیه E2 از C-H که منجر به تشکیل یک پیوند جدید C-O pi و شکستن یک گروه خروجی گذرا می‌شود.
آلدهیدها پس از تشکیل هیدرات به اسیدهای کربوکسیلیک اکسید می شوند.
کتون ها بیشتر اکسید نمی شوند زیرا هیچ پیوند C-H وجود ندارد که بتواند شکسته شود که منجر به پیوند C-O pi جدید شود.
بعدی چیست؟

در پست بعدی به چیز کاملاً متفاوتی خواهیم رفت: واکنش های درون مولکولی الکل ها، موضوعی همیشگی از امتحانات شیمی آلی.

پست بعدی – واکنش های درون مولکولی الکل ها و اترها
یادداشت

استثنای اصلی که با آن مواجه خواهید شد KMnO4 است که احتمالاً از طریق یک مکانیسم نوع انتزاعی/بازگشت داخلی C-H و پس از فروپاشی هیدرات برای ایجاد کربونیل جدید انجام می شود. این مکانیسم دقیقاً در کتاب‌های درسی مقدماتی ذکر شده است، بنابراین احتمالاً «نیازی» به دانستن این موضوع ندارید، مگر اینکه به طور استثنایی در مورد شیمی آلی کنجکاو باشید. [بازگشت به پست]

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر

دس مارتین پریودینان:

یک تری استوکسی پریودینان 12-I-5 مفید (Dess-Martin periodinane) برای اکسیداسیون انتخابی الکل های اولیه یا ثانویه و انواع گونه های 12-I-5 مرتبط.
دانیل بی دس و جی سی مارتین
مجله انجمن شیمی آمریکا 1991، 113 (19)، 7277-7287
DOI: 1021/ja00019a027
اکسیداسیون کاربینول های جایگزین شده با فلوروآلکیل توسط معرف Dess-Martin
راسل جی. لیندرمن و دیوید ام. گریوز
مجله شیمی آلی 1989، 54 (3)، 661-668
DOI: 10.1021/jo00264a029
شماره 1 توسط توسعه دهندگان “Dess-Martin Periodinane” به نام “Dess-Martin Periodinane” است، یک ترکیب با ظرفیت I(V) که به عنوان یک اکسید کننده ملایم در سنتز آلی استفاده گسترده ای پیدا کرده است. پروفسور جی سی مارتین بیشتر دوران حرفه ای خود را در دانشگاه ایلینویز اوربانا شامپین گذراند و کار خود را در دانشگاه واندربیلت به پایان رساند. او در طول زندگی حرفه‌ای خود کمک زیادی به درک ما از شیمی گروه اصلی پر ظرفیتی کرد و بسیاری از ترکیبات S(IV)، S(VI)، Br(III)، I(III)، I(V) و I(VII) را تهیه کرد. ، درمیان دیگران. Ref #2 دامنه زیرلایه را به الکل های فلوئوردار گسترش می دهد و استفاده از فلوئور همچنین مطالعات مکانیکی اکسیداسیون را از طریق 19F NMR امکان پذیر می کند. اکسیداسیون Swern:
ساختار محصول واکنش دی متیل سولفوکسید- اگزالیل کلرید. اکسیداسیون الکل های هتروآروماتیک و متنوع به ترکیبات کربونیل
مانکوزو، ای.جی. براونفین، دی.اس. سورن، دی.
J. Org. شیمی. 1979، 44 (23): 4148-4150
DOI: 10.1021/jo01337a028
مکانیسم های اکسیداسیون دی متیل سولفوکسید
کرت تورسل
نامه های چهار وجهی 1966 7 (37), 4445-4451
DOI: 1016/S0040-4039(00)70057-8
این مقالات در مورد چیزی است که امروزه معمولاً به نام توسعه‌دهنده آن، دانیل سورن، “اکسیداسیون سورن” نامیده می‌شود. این روش نسبتا ملایم است و از DMSO، یک حلال رایج، به عنوان اکسیدان استفاده می کند. با این حال، این همچنین منجر به تشکیل دی متیل سولفید (که به طور معروف بدبو است) به عنوان محصول واکنش، یکی از ویژگی های قابل توجه آن می شود. اکسیداسیون کوری-کیم:
روش جدید و بسیار موثر برای اکسیداسیون الکل های اولیه و ثانویه به ترکیبات کربونیل
E. J. Corey; سی یو کیم
مجله انجمن شیمی آمریکا 1972، 94 (21): 7586-7587
DOI: 10.1021/ja00776a056.
روشی برای اکسیداسیون ثانیه، ترت-1،2-دیول به α-هیدروکسی کتون بدون شکاف کربن-کربن
E. J. Corey; سی یو کیم
نامه های چهار وجهی 1974، 15 (3): 287-290
DOI:10.1016/S0040-4039(01)82195-X
این مقالات توسط پروفسور E. J. Corey (هاروارد) برنده جایزه نوبل در مورد توسعه چیزی است که اکنون به عنوان اکسیداسیون “کوری-کیم” شناخته می شود. این بسیار شبیه به اکسیداسیون سورن است که از DMSO به عنوان اکسیدان استفاده می شود، با این تفاوت که در اینجا NCS (N-chlorosuccinimide) به جای اگزالیل کلرید استفاده می شود. مزیت این روش این است که می توان از دمای بالای 25- درجه سانتیگراد استفاده کرد و عیب آن این است که نمی توان از بسترهای حساس به کلرزنی توسط NCS استفاده کرد. اکسیداسیون KMnO4:
اکسیداسیون با دی اکسید منگنز
P. Papadopoulos، A. Jarrar، و C. H. Issidorides
مجله شیمی آلی 1966، 31 (2)، 615-616
DOI: 10.1021/jo01340a520
همانطور که این مقاله نشان می دهد، MnO2 همچنین می تواند برای اکسیداسیون الکل های ثانویه استفاده شود.
سنتز یک بخش دپسی پپتیدی مدل از Luzopeptins (BBM 928)، p