GL_11_Спирты (О.А. Реутов, А.Л. Курц, К.П. Бутин - Органическая химия в 4-х томах (Word)), страница 6

Среди огромного числа разнообразных окислителей для окис­ления спиртов наиболее широкое применение нашли реагенты на основе переходных металлов - производные хрома (VI), мар­ганца (VII) и марганца (IV).

Самостоятельную и наиболее сложную проблему при окис­лении первичных спиртов до альдегидов составляет дальнейшее окисление альдегидов до карбоновых кислот. Для предотвраще­ния этой реакции в качестве окислителя используют комплексы хромового ангидрида с третичными аминами, которые уменьша­ют окислительную способность хромового ангидрида и делают окисление более селективным. Для селективного окисления пер­вичных спиртов до альдегидов в настоящее время лучшими реа­гентами являются комплекс СrО₃ с двумя молями пиридина: CrO₃^.2C₅H₅N (реагент Саррета-Коллинза) и хлорхромат пиридиния СrO₃Сl^-С₅Н₅N⁺Н (реагент Кори) в хлористом метилене. Ком­плекс CrO₃^.2C₅H₅N красного цвета получается при медленном введении оксида хрома (VI) к пиридину при 10-15 °С. Оранже­вый хлорхромат пиридиния получается при добавлении пириди­на к раствору СrО₃ в 20%-й соляной кислоте. Оба этих реагента растворимы в CH₂CI₂ или СНСl₃:

Оба реагента обеспечивают очень высокие выходы альдеги­дов, однако хлорхромат пиридиния имеет важное преимущество в том отношении, что этот реагент не затрагивает двойную или тройную связь и поэтому особенно эффективен для получения ненасыщенных альдегидов.

Для получения -ненасыщенных альдегидов окислением замещенных аллильных спиртов универсальным окислителем яв­ляется оксид марганца (IV) МnО₂ (табл. 11.3). Активность этого реагента зависит от способа его получения. Наилучшие резуль­таты достигаются с оксидом марганца (IV), полученным при окислении сульфата марганца перманганатом калия в слабощелочной среде. Этот реагент окисляет в петролейном эфире или хлорис­том метилене ненасыщенные спирты с одной или несколькими двойными или тройными связями без изомеризации и перегруп­пировки, что с успехом используется в синтезе природных со­единений.

Таблица 11.3

Окисление первичных спиртов до альдегидов комплексом оксида хрома (VI) с пиридином СrО₃ ^. 2C₅H₅N, хлорхроматом пиридиния и оксидом марганца (IV)

1)

2)

3)

4)

5)

6)

7)

8)

9)

10)

11)

12)

13)

Комплексы хромового ангидрида с пиридином эффективны и для окисления вторичных спиртов до кетонов с выходами, при­ближающимися к количественному:

Чаще всего, однако, для окисления вторичных спиртов до кетонов в качестве окислителя используют реагент Джонса - раствор строго рассчитанного количества СrО₃ в водной сер­ной кислоте. При этом спирт, растворенный в ацетоне, как бы «титруется» этим реагентом при 0-25 ^oС. Преимущество метода состоит в том, что окисляемое вещество находится в растворе в ацетоне, и реакционная смесь разделяется на две фазы: ниж­нюю, содержащую соли хрома (III), и верхнюю, содержащую продукты реакции. Другое важное достоинство реагента Джон­са состоит в том, что вторичные спирты, содержащие двойную или тройную связь, быстро окисляются до кетонов без затрагивания кратных связей:

Первичные спирты окисляются реагентом Джонса до карбоновых кислот. Альдегиды, несомненно, образуются в качестве про­межуточных продуктов, но они быстро окисляются под действи­ем этого окислителя:

Механизм окисления спиртов под действием хромового ан­гидрида и хромовой кислоты подробно изучен. Эта реакция вклю­чает несколько стадий. В первой стадии из спирта и СrО₃ обра­зуется сложный эфир хромовой кислоты. Во второй, ключевой стадии происходит окислительно-восстановительное элиминирование, приводящее к образованию альдегида или кетона и час­тицы, содержащей Cr(IV). При окислении дейтерированного СН₃СD(ОH)СН₃ и недейтерированного пропанола-2 наблюдается кинетический изотопный эффект k_H/k_D=7. Столь значительный первичный кинетический изотопный эффект показывает, что эли­минирование является наиболее медленной стадией, определяю­щей скорость всего процесса. Последующие стадии, приводящие к образованию соединений хрома (III), все еще остаются пред­метом интенсивных исследований и дискуссий:

Установлено, что частицы, содержащие хром (IV), также прини­мают участие в окислении спирта, но по радикальному механиз­му, который, по-видимому, также включает несколько стадий:

Эта схема показывает, насколько сложен в действительности механизм окисления спиртов с помощью комплексов хромо­вого ангидрида или под действием водного раствора хромо­вой кислоты. Окисление под действием соединений Cr(IV) можно полностью подавить с помощью солей, содержащих ионы Mn(II) или Ce(III), которые окисляются Cr(IV). Ката­литические количества Ce(IV) также подавляют это побочную реакцию, поскольку Ce(IV) катализирует диспропорционирование Cr(IV) на Cr(III) и Cr(VI):

Для третичных спиртов, не содержащих атома водорода при карбинольном углероде, эфиры хромовой кислоты могут быть выделены:

Раствор хромового ангидрида в трет-бутиловом спирте также используется для окисления первичных и вторичных спиртов. Раствор хромового ангидрида в уксусной кислоте, представляю­щий собой на самом деле смешанный ангидрид уксусной и хро­мовой кислот СН₃СООСrО₃Н, нередко употребляется в качестве эффективного окислителя вторичных спиртов до кетонов:

Механизм дальнейшего окисления альдегида до карбоновой кислоты по существу аналогичен механизму окисления спиртов. В водной среде альдегид находится в равновесии с геминальным 1,1-диолом, который образует сложный эфир с хромовым ангид­ридом. Элиминирование НСгО₃^- из этого сложного эфира при­водит к карбоновой кислоте:

Поэтому, для того чтобы избежать дальнейшего окисления альде­гида, окисление первичных спиртов следует проводить в апротонной среде при полном отсутствии влаги. Этому условию в пол­ной мере удовлетворяют реагенты Коллинза и Кори, для кото­рых в качестве растворителя используют тщательно обезвоженный хлористый метилен.

Среди множества других соединений переходных металлов лишь немногие нашли применение в синтетической практике для окисления спиртов. Перманганат калия иногда используется для окисления в кислой среде первичных спиртов до карбоновых кислот, а вторичных спиртов - до кетонов. Мягким окислите­лем первичных спиртов в альдегиды оказался карбонат серебра на цеолите. Этот дорогостоящий реагент употребляется при стереоселективном мягком окислении лабильных циклопропил- и циклобутилкарбинолов:

В отдельных и очень редких случаях в качестве дешевого окис­лителя используют азотную кислоту. При этом и первичные и вторичные спирты окисляются до карбоновых кислот:

Вторичные спирты первоначально окисляются до кетонов, которые далее окисляются с деструкцией углеродного скелета. Классическим примером служит промышленное окисление циклогексанола 50%-ной азотной кислотой до адипиновой кислоты:

В последние тридцать лет разработан целый ряд эффективных методов окисления первичных и вторичных спиртов с помощью ДМСО или комплексов ДМСО с каким-нибудь электрофильным агентом.

Тозилаты первичных спиртов, также как и бензилтозилаты, окисляются в альдегиды при нагревании в ДМСО в течение 10-30 минут при 120-150 ^оС в присутствии гидрокарбоната натрия или слабого основания.

ДМСО в этой реакции исполняет роль нуклеофильного агента, который замещает тозилоксигруппу по обычному S_N2 механизму с образованием алкиксисульфониевых солей. Катион алкоксисульфония далее подвергается окислительно-восстановительному элиминированию по механизму, аналогичному для окислительно-восстановительного разложения сложных эфиров хромовой кислоты. Гидрокарбонат или карбонат-ион является основанием в этой Е2 реакции элиминирования, приводящей к альдегиду и диметилсульфиду. В качестве примеров приведем получение гептаналя и п-бромбензальдегида.

Вместо алкилтозилатов можно использовать первичные алкилгалогениды, которые также окисляются ДМСО при 150 -180 ^оС по совершенно аналогичному механизму. Это окисление первичного спирта в альдегид требует еще одной дополнительной стадии превращения спирта в тозилат или галогенид, нередко с использованием неселективных реагентов. Для многостадийных синтезов сложных соединений такой путь часто неприемлем, и должен быть заменен одностадийным селективным окислением. Это достигается превращением слабого нуклеофильного агента ДМСО в сильный электрофильный агент, который непосредственно реагирует с первичными и вторичными спиртами в очень мягких условиях при 0 ^оС и ниже. Необходимую активацию ДМСО проводят с помощью серного ангидрида, трифторуксусного ангидрида, N-хлорсукцинимида или N,N-диметилциклогексилкарбодиимида C₆H₁₁N=C=NC₆H₁₁. Во всех случаях в качестве реакционноспособного интермедиата образуется активированная алкоксисульфониевая соль, которая далее подвергается внутримолекулярной окислительно-восстановительной фрагментации по механизму, аналогичному для описанного выше окислительно-восстановительного разложения сложных эфиров хромовой кислоты.

Для окисления первичных и вторичных спиртов до альдегидов и кетонов в мягких условиях эффективен комплекс ДМСО с SO₃, образующийся при взаимодействии пиридинсульфотриоксида с ДМСО.