Даний матеріал може бути складений в освоєнні при самостійному навчанні, зважаючи на великий обсяг інформації, багатьох нюансів, всіляких АЛЕ та ЯКЩО. Читати уважно!

Про що саме йтиметься?

Крім повного окиснення (горіння), для деяких класів органічних сполук характерні реакції неповного окиснення, при цьому вони перетворюються на інші класи.

Існують специфічні окислювачі для кожних класів: CuO (для спиртів), Cu (OH) 2 та OH (для альдегідів) та інші.

Але є два класичні окислювачі, які, якщо так можна висловитися, універсальні для багатьох класів.

Це перманганат калію – KMnO4. І біхромат (дихромат) калію - K2Cr2O7. Ці речовини є сильними окислювачами за рахунок марганцю в ступені окислення +7 і хрому в ступені окислення +6 відповідно.

Реакції з цими окислювачами зустрічаються досить часто, проте немає цілісного керівництва, за яким принципом вибирати продукти таких реакцій.

Насправді діє дуже багато чинників, які впливають перебіг реакції (температура, середовище, концентрація реагентів тощо.). Часто виходить суміш продуктів. Тому передбачити продукт, який утворюється, практично неможливо.

А для ЄДІ це не годиться: там не можна написати «може бути чи так, чи ось так, чи інакше, чи суміш продуктів». Там потрібна конкретика.

Укладачі завдань вклали певну логіку, певний принцип яким слід писати певний продукт. На жаль, вони ні з ким не поділились.

Це питання в більшості посібників досить слизько обходиться стороною: як приклад наведено дві-три реакції.

Представляю у цій статті те, що можна назвати результатами дослідження-аналізу завдань ЄДІ. Логіка та принципи складання реакцій окислення перманганатом і дихроматом розгадана досить з високою точністю (відповідно до стандартів ЄДІ). Про все по порядку.

Визначення ступеня окиснення.

Перше, коли маємо справу з окислювально-відновними реакціями, завжди є окислювач та відновник.

Окислювачем є марганець у перманганаті або хром у дихроматі, відновником – атоми в органіці (а саме – атоми вуглецю).

Мало визначити продукти, реакція має бути зрівняна. Для вирівнювання зазвичай використовують метод електронного балансу. Для застосування цього методу необхідно визначити ступені окислення відновників та окислювачів до та після реакції.

У неорганічних речовин ступеня окиснення вміємо з 9 класу:

А от в органіці, мабуть, у 9 класі не визначали. Тому, перш ніж навчитися писати ОВР в органічної хімії, потрібно навчитися визначати ступінь окислення вуглецю в органічних речовинах. Робиться це трохи інакше, інакше ніж у неорганічній хімії.

У вуглецю максимальна міра окислення +4, мінімальна -4. І може виявляти будь-яку ступінь окислення цього проміжку: -4, -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3, +4.

Для початку слід згадати, що таке ступінь окислення.

Ступінь окислення – це умовний заряд, що виникає на атомі, при припущенні, що електронні пари зміщуються повністю у бік більш негативного атома.

Тому ступінь окислення визначається числом зміщених електронних пар: якщо вона зміщується до даного атома, то він набуває надлишкового мінус(-) заряду, якщо від атома, то він набуває надлишкового плюс(+) заряду. У принципі, це вся теорія, яку потрібно знати, для визначення ступеня окислення атома вуглецю.

Для визначення ступеня окислення конкретного атома вуглецю в з'єднанні нам потрібно розглянути КОЖНИЙ його зв'язок і подивитися в яку сторону зміщуватиметься електронна пара і який надлишковий заряд (+ або -) буде від цього виникати на атомі вуглецю.

Розберемо конкретні приклади:

Біля вуглецю три зв'язки з воднем. Вуглець і водень – хто більш електронегативний? Вуглець, отже, за цими трьома зв'язками електронна пара зміщуватиметься у бік вуглецю. Вуглець забирає у кожного водню за одним негативним зарядом: виходить -3

Четвертий зв'язок із хлором. Вуглець і хлор – хто більш електронегативний? Хлор, отже, у зв'язку з цим електронна пара зміщуватиметься у бік хлору. У вуглецю утворюється один позитивний заряд +1.

Потім потрібно просто скласти: -3 + 1 = -2. Ступінь окиснення цього атома вуглецю: -2.

Визначимо ступінь окислення кожного атома вуглецю:

У вуглецю три зв'язки з воднем. Вуглець і водень – хто більш електронегативний? Вуглець, отже, за цими трьома зв'язками електронна пара зміщуватиметься у бік вуглецю. Вуглець забирає у кожного водню за одним негативним зарядом: виходить -3

І ще один зв'язок із іншим вуглецем. Вуглець та інший вуглець - їх електронегативності рівні, тому зміщення електронної пари не відбувається (зв'язок не полярний).

Цей атом має два зв'язки з одним атомом кисню, і ще один зв'язок з іншим атомом кисню (у складі групи OH). Більше електронегативні атоми кисню по трьох зв'язках відтягують він електронну пару у вуглецю, у вуглецю утворюється заряд +3.

Четвертим зв'язком вуглець пов'язаний з іншим вуглецем, як ми вже казали, тому електронна пара не зміщується.

Двома зв'язками вуглець пов'язані з атомами водню. Вуглець, як електровід'ємний відтягує собі по одній парі електронів по кожному зв'язку з воднем, набуває заряд -2.

Подвійний зв'язок вуглецю пов'язаний з атомом кисню. Більше електронегативний кисень відтягує на себе по кожному зв'язку одну електронну пару. Разом виходить у вуглецю відтягується дві електронні пари. Вуглець набуває заряду +2.

Разом виходить +2-2 = 0.

Визначимо ступінь окислення цього атома вуглецю:

Потрійний зв'язок з електронегативнішим азотом – дає вуглецю заряд +3, у зв'язку з вуглецем зміщення електронної пари не відбувається.

Окислення перманганатом.

Що буде з перманаганатом?

Окисно-відновна реакція з перманганатом може протікати у різних середовищах (нейтральна, лужна, кисла). І від середовища залежить, як саме протікатиме реакція, і які при цьому утворюються продукти.

Тому може йти за трьома напрямками:

Перманганат, будучи окислювачем, відновлюється. Ось продукти його відновлення:

1. Кисле середовище.

Середовище підкислюють сірчаною кислотою (H 2 SO 4). Марганець відновлюється до ступеня окиснення +2. І продукти відновлення будуть:

KMnO 4 + H 2 SO 4 → MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O

1. Лужне середовище.

Для створення лужного середовища додають концентровану луг (KOH). Марганець відновлюється до ступеня окиснення +6. Продукти відновлення

KMnO 4 + KOH → K 2 MnO 4 + H 2 O

1. Нейтральне середовище(і слаболужна).

У нейтральному середовищі крім перманганату в реакцію також вступає вода (яку ми пишемо в лівій частині рівняння), марганець буде відновлюватися до +4 (MnO 2), продукти відновлення будуть:

KMnO 4 + H 2 O → MnO 2 + KOH

А в слаболужному середовищі (у присутності розчину KOH невисокої концентрації):

KMnO 4 + KOH → MnO 2 + H 2 O

Що буде з органікою?

Перше, що потрібно засвоїти – все починається зі спирту! Це початкова стадія окиснення. Окисленню піддається той вуглець, якого приєднана гидроксильная група.

При окисленні атом вуглецю «набуває» зв'язку з киснем. Тому, коли записують схему реакції окиснення, над стрілкою пишуть [O]:

Первинний спирт окислюється спочатку до альдегіду, потім до карбонової кислоти:

Окислення вторинного спирту обривається на другій стадії. Оскільки вуглець знаходиться в центрі, утворюється кетон, а чи не альдегід (атом вуглецю в кетонної групі вже фізично неспроможна утворити зв'язок з гидроксильной групою):

Кетони, третинні спиртиі карбонові кислотидалі вже не окислюються:

Процес окислення ступінчастий – доки є куди окислятися і є для цього всі умови – реакція йде. Все закінчується продуктом, який у цих умовах не окислюється: третинний спирт, кетон чи кислота.

Варто відзначити стадії окиснення метанолу. Спочатку він окислюється до відповідного альдегіду, потім до відповідної кислоти:

Особливістю цього продукту (мурашиної кислоти) є те, що вуглець у карбоксильній групі пов'язаний з воднем, і якщо придивитися, то можна помітити, що це ні що інше як альдегідна група:

А альдегідна група, як ми з'ясували раніше, окислюється далі до карбоксильної:

Дізналися отриману речовину? Його брутто-формула H2CO3. Це вугільна кислота, яка розпадається на вуглекислий газ та воду:

H 2 CO 3 → H 2 O + CO 2

Тому метанол, мурашиний альдегід та мурашина кислота (за рахунок альдегідної групи) окислюються до вуглекислого газу.

М'яке окиснення.

М'яке окиснення – це окислення без сильного нагрівання в нейтральному або слаболужному середовищі (над реакцією пишуть 0 ° або 20 °) .

Важливо пам'ятати, що спирти у м'яких умовах не окислюються. Тому якщо вони утворюються, то на них окиснення і зупиняється. Які речовини вступатимуть у реакцію м'якого окиснення?

1. Що містять подвійний зв'язок C=C (Реакція Вагнера).

При цьому π-зв'язок розривається і на зв'язки, що звільнилися, «сідає» по гідроксильній групі. Виходить двоатомний спирт:

Напишемо реакцію м'якого окиснення етилену (етену). Запишемо вихідні речовини та передбачимо продукти. При цьому H 2 O і КOH поки не пишемо: вони можуть бути як у правій частині рівняння, так і в лівій. І відразу визначаємо ступеня окислення речовин, що беруть участь у ОВР:

Складемо електронний баланс (маємо на увазі, що відновника два – два атоми вуглецю, окислюються вони окремо):

Розставимо коефіцієнти:

Наприкінці треба дописати відсутні продукти (H 2 O і KOH). Справа не вистачає калію – отже луг буде праворуч. Ставимо коефіцієнт перед нею. Зліва бракує водню, отже, вода ліворуч. Ставимо перед нею коефіцієнт:

Зробимо те саме з пропіленом (пропеном):

Часто підсовують циклоалкен. Хай він вас не збентежить. Це звичайний вуглеводень з подвійним зв'язком:

Де б не був цей подвійний зв'язок, окислення йтиме однаково:

1. Що містять альдегідну групу.

Альдегідна група більш реакційна (легше вступає в реакції), ніж спиртова. Тому альдегідна окислюватиметься. До кислоти:

Розглянемо з прикладу ацетальдегіду (етаналю). Запишемо реагенти та продукти та розставимо ступеня окислення. Складемо баланс і поставимо коефіцієнти перед відновником та окислювачем:

У нейтральному середовищі та слаболужний перебіг реакції буде трохи різним.

У нейтральному середовищі, як ми пам'ятаємо при цьому в лівій частині рівняння пишемо воду, а в правій частині рівняння луг (утворюється в ході реакції):

При цьому в одній суміші виявляються поряд кислота та луг. Відбувається нейтралізація.

Вони не можуть існувати поряд і реагують, утворюється сіль:

При цьому якщо ми подивимося на коефіцієнти в рівнянні, то зрозуміємо, що кислоти 3 молячи, а луги 2 молячи. 2 моля лугу може нейтралізувати тільки 2 моля кислоти (утворюється 2 моля солі). А одна моль кислоти залишається. Тому кінцеве рівняння буде таким:

У слаболужному середовищі луг у надлишку – її додають до реакції, тому нейтралізується вся кислота:

Схожа ситуація виникає при окисненні метаналю. Він, як ми пам'ятаємо, окислюється до вуглекислого газу:

Потрібно мати на увазі, що оксид вуглецю (IV) CO 2 кислотний. І реагуватиме із лугом. І оскільки вугільна двоосновна кислота, може утворюватися як кисла сіль, так і середня. Це залежить від співвідношення між лугом та вуглекислим газом:

Якщо луг відноситься до вуглекислого газу як 2:1, то буде середня сіль:

Або ж лугу може бути значно більше (більше, ніж удвічі). Якщо її більше ніж удвічі, то залишатиметься залишок лугу:

3KOH + CO 2 → K 2 CO 3 + H 2 O + KOH

Таке буде виникати в лужному середовищі (де луги надлишок, тому що вона додана в реакційну суміш до реакції) або в нейтральному середовищі, коли луги утворюється багато.

Але якщо луг відноситься до вуглекислого газу як 1:1, то буде кисла сіль:

KOH + CO 2 → KHCO 3

Якщо вуглекислого газу більше, ніж потрібно, він залишається в надлишку:

KOH + 2CO 2 → KHCO 3 + CO 2

Таке буде у нейтральному середовищі, якщо луги утворюється мало.

Запишемо вихідні речовини, продукти, складемо баланс, проставимо ступеня окислення перед окислювачем, відновником та продуктами, які з них утворюються:

У нейтральному середовищі праворуч утворюватиметься луг (4KOH):

Тепер треба зрозуміти, що ж утворюватиметься при взаємодії трьох молей CO 2 і чотирьох молів лугу.

3CO 2 + 4KOH → 3KHCO 3 + KOH

KHCO 3 + KOH → K 2 CO 3 + H 2 O

Тому виходить ось так:

3CO 2 + 4KOH → 2KHCO 3 + K 2 CO 3 + H 2 O

Тому в правій частині рівняння пишемо два молі гідрокарбонату та один моль карбонату:

А в слаболужному середовищі таких проблем немає: через те, що луги надлишок, утворюватиметься середня сіль:

Те саме буде при окисленні альдегіду щавлевої кислоти:

Як і в попередньому прикладі, утворюється двоосновна кислота, і за рівнянням має вийти 4 моля лугу (бо 4 моля перманганату).

У нейтральному середовищі знову-таки, всього лугу не вистачить на повну нейтралізацію всієї кислоти.

Три моля лугу йде на утворення кислої солі, один моль лугу залишається:

3HOOC-COOH + 4KOH → 3KOOC-COOH + KOH

І цей один моль лугу йде на взаємодію з одним молем кислої солі:

KOOC-COOH + KOH → KOOC-COOK + H 2 O

Виходить ось так:

3HOOC-COOH + 4KOH → 2KOOC-COOH + KOOC-COOK + H 2 O

Кінцеве рівняння:

У слаболужному середовищі утворюється середня сіль через надлишок лугу:

1. Ті, що містять потрійний зв'язокC≡ C.

Пам'ятаєте, що було при м'якому окисненні з'єднань з подвійним зв'язком? Якщо не пам'ятаєте, то перегорніть назад – згадайте.

π-зв'язок рветься, на атоми вуглецю прикріплюється гідроксильною групою. Тут той самий принцип. Тільки варто пам'ятати, що у потрійному зв'язку є два π-зв'язки. Спочатку це відбувається по першому π-зв'язку:

Потім по іншому π-зв'язку:

Структура, в якій один атом вуглецю має дві гідроксильні групи, вкрай нестійка. Коли в хімії щось не стійке, воно прагне, щоби щось «відвалилося». Відвалюється вода, ось так:

Виходить карбонільна група.

Розглянемо приклади:

Етин (ацетилен). Розглянемо стадії окиснення цієї речовини:

Відщеплення води:

Як і в попередньому прикладі, в одній реакційній суміші кислота та луг. Відбувається нейтралізація - утворюється сіль. Як видно з коефіцієнта перед перманганатом лугу буде 8 молей, тобто цілком вистачає для нейтралізації кислоти. Кінцеве рівняння:

Розглянемо окислення бутину-2:

Відщеплення води:

Тут кислоти не утворюється, тому морочитися над нейтралізацією не треба.

Рівняння реакції:

Ці відмінності (між окисленням вуглецю з краю та посередині ланцюга) яскраво демонструються на прикладі пентину:

Відщеплення води:

Виходить речовина цікавої будови:

Альдегідна група продовжує окислюватися:

Запишемо вихідні речовини, продукти, визначимо ступеня окислення, складемо баланс, проставимо коефіцієнти перед окислювачем та відновником:

Луги повинні утворюватися 2 моля (оскільки коефіцієнт перед перманганатом 2), отже, вся кислота нейтралізується:

Жорстке окислення.

Жорстке окислення - це окислення в кислий, сильнолужнийсередовище. А також, у нейтральною (або слаболужною), але при нагріванні.

У кислому середовищі також іноді нагрівають. Але щоб жорстке окислення пішло над кислому середовищі, нагрівання – обов'язкова умова.

Які речовини будуть зазнавати жорсткого окислення? (Спочатку розберемо тільки в кислому середовищі - а потім доповнимо нюансами, які виникають при окисленні в сильнолужному і нейтральному або слаболужному (при нагріванні) середовищі).

При жорсткому окисленні процес іде максимально. Поки що є, що окислюватися – окислення йде.

1. Спирти. Альдегіди.

Розглянемо окислення етанолу. Поступово він окислюється до кислоти:

Записуємо рівняння. Записуємо вихідні речовини, продукти ОВР, проставляємо ступені окислення, складаємо баланс. Зрівнюємо реакцію:

Якщо реакцію проводити при температурі кипіння альдегіду, коли він утворюватиметься, то випаровуватиметься (відлітатиме) з реакційної суміші, не встигаючи окислюватися далі. Того ж ефекту можна досягти в дуже щадних умовах (слабке нагрівання). У цьому випадку як продукт пишемо альдегід:

Розглянемо окислення вторинного спирту з прикладу пропанолу-2. Як було зазначено, окислення обривається другого етапі (освіта карбонильного сполуки). Так як утворюється кетон, що не окислюється. Рівняння реакції:

Окислення альдегідів розглянемо на прикметі етаналю. Він також окислюється до кислоти:

Рівняння реакції:

Метаналь і метанол, як було зазначено раніше, окислюються до вуглекислого газу:

Метаналь:

1. Що містять кратні зв'язки.

При цьому відбувається розрив ланцюга з кратного зв'язку. І атоми, які утворювали її, піддаються окисленню (набувають зв'язку з киснем). Окислюються наскільки це можливо.

При розриві подвійного зв'язку з уривків утворюються карбонільні сполуки (у схемі нижче: з одного уривка – альдегід, з іншого – кетон)

Розберемо окислення пентена-2:

Окислення «уривків»:

Виходить, що утворюється дві кислоти. Запишемо вихідні речовини та продукти. Визначимо ступеня окиснення в атомів, які її змінюють, складемо баланс, зрівняємо реакцію:

Складаючи електронний баланс, маємо на увазі, що відновника два – два атоми вуглецю, окислюються вони окремо:

Не завжди утворюватиметься кислота. Розберемо, наприклад, окислення 2-метилбутена:

Рівняння реакції:

Абсолютно той самий принцип при окисленні сполук з потрійним зв'язком (тільки окислення йде відразу з утворенням кислоти, без проміжного утворення альдегіду):

Рівняння реакції:

Коли кратна зв'язок розташована рівно посередині, виходить не два продукти, а один. Так як «уривки» однакові і окислюються вони до однакових продуктів:

Рівняння реакції:

1. Двічі коронована кислота.

Є одна кислота, у якої карбоксильні групи (корони) з'єднані одна з одною:

Це щавлева кислота. Дві корони поруч важко уживаються. Вона звичайно стійка у звичайних умовах. Але через те, що в ній дві карбоксильні групи з'єднані одна з одною, вона менш стійка, ніж інші карбонові кислоти.

І тому за особливо жорстких умов вона може бути окислена. Відбувається розрив зв'язку між «двома коронами»:

Рівняння реакції:

1. Гомологи бензолу (та їх похідні).

Сам бензол не окислюється, тому що ароматичність робить цю структуру дуже стійкою.

А ось його гомологи окислюються. При цьому теж відбувається розрив ланцюга, головне знати, де саме. Діють деякі принципи:

1. Бензольна каблучка сама не руйнується, і залишається цілою до кінця, розрив зв'язку відбувається в радикалі.
2. Окислюється атом, безпосередньо пов'язаний із бензольним кільцем. Якщо після нього вуглецевий ланцюг у радикалі триває, то розрив буде після нього.

Розберемо окиснення метилбензолу. Там окислюється один атом вуглецю в радикалі:

Рівняння реакції:

Розберемо окислення ізобутілбензолу:

Рівняння реакції:

Розберемо окислення втор-бутилбензолу:

Рівняння реакції:

При окисленні гомологів бензолу (і похідних гомологів) з декількома радикалами утворюються двох-трьох- і більше основні ароматичні кислоти. Наприклад, окислення 1,2-диметилбензолу:

Похідні гомологів бензолу (у яких у бензольного кільця є не вуглеводневі радикали), окислюються так само. Інша функціональна група у бензольного кільця не заважає:

Проміжний підсумок. Алгоритм «як записати реакцію жорсткого окислення перманганатом у кислому середовищі»:

1. Записати вихідні речовини (органіка + KMnO 4 + H 2 SO 4).
2. Записати продукти окислення органіки (окислятимуться сполуки, що містять спиртову, альдегідну групи, кратні зв'язки, а також гомологи бензолу).
3. Записати продукт відновлення перманганату (MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O).
4. Визначити ступеня окиснення в учасників ОВР. Скласти баланс. Проставити коефіцієнти у окислювача та відновника, а також у речовин, які з них утворюються.
5. Потім рекомендовано порахувати скільки сульфат-аніонів у правій частині рівняння, відповідно до цього поставити коефіцієнт перед сірчаною кислотою зліва.
6. Наприкінці поставити коефіцієнт перед водою.

Жорстке окислення в сильнолужному середовищі та нейтральному або слаболужному (при нагріванні) середовищі.

Ці реакції зустрічаються набагато рідше. Можна сміливо сказати, що такі реакції – це екзотика. І як належить будь-яким екзотичним реакціям, ці виявилися найсуперечливішими.

Жорстке окислення воно і в Африці жорстке, тому органіка окислюється так само, як і в кислому середовищі.

Окремо реакції кожного класу розбирати не будемо, оскільки загальний принцип вже викладено раніше. Розберемо лише нюанси.

Сильнолужне середовище :

У сильнолужному середовищі перманганат відновлюється до рівня окислення +6 (манганат калію):

KMnO 4 + KOH → K 2 MnO 4 .

У сильнолужному середовищі лугу завжди надлишок, тому проходитиме повна нейтралізація: якщо утвориться вуглекислий газ – буде карбонат, якщо утвориться кислота – буде сіль (якщо кислота багатоосновна – середня сіль).

Наприклад, окислення пропіна:

Окислення етилбензолу:

Слаболужне або нейтральне середовище при нагріванні :

Тут також необхідно завжди враховувати можливість нейтралізації.

Якщо окислення протікає в нейтральному середовищі і утворюється кислотна сполука (кислота або вуглекислий газ), то луг, що утворюється, буде нейтралізувати цю кислотну сполуку. Але не завжди лугу вистачить на повну нейтралізацію кислоти.

При окисленні альдегідів, наприклад, її не вистачає (окислення протікатиме так само, як і в м'яких умовах – температура просто прискорить реакцію). Тому утворюється і сіль, і кислота (що залишилася грубо кажучи в надлишку).

Ми це обговорювали, коли розбирали м'яке окиснення альдегідів.

Тому якщо у вас утворюється кислота в нейтральному середовищі, потрібно уважно подивитися чи вистачить її на нейтралізацію всієї кислоти. Особливу увагу слід приділити нейтралізації багатоосновних кислот.

У слаболужному середовищі через достатню кількість лугу утворюються лише середні солі, оскільки луги надлишок.

Як правило, луги при окисленні в нейтральному середовищі цілком вистачає. І рівняння реакції що у нейтральній, що у слаболужному середовищі будуть однакові.

Наприклад розберемо окислення етилбензолу:

Луги цілком вистачає на повну нейтралізацію отриманих кислотних сполук, навіть зайвої залишиться:

Витрачається 3 моля лугу – 1 залишається.

Кінцеве рівняння:

Ця реакція в нейтральному та слаболужному середовищі йтиме однаково (у слаболужному середовищі зліва лугу немає, але це не означає, що її немає, просто вона в реакцію не вступає).

Окисно-відновні реакції за участю дихромату (біхромату) калію.

Біхромат не має такого великого розмаїття реакцій окислення органіки в ЄДІ.

Окислення біхроматом проводиться зазвичай лише у кислому середовищі. У цьому хром відновлюється до +3. Продукти відновлення:

Окислення буде твердим. Реакція буде схожа на окислення перманганатом. Окислятимуться ті самі речовини, що окислюються перманганатом у кислому середовищі, утворюватимуться ті самі продукти.

Розберемо деякі реакції.

Розглянемо окиснення спирту. Якщо проводити окислення при температурі кипіння альдегіду, то він йтиме їх реакційної суміші, не піддаючись окисленню:

В іншому випадку, спирт може бути окислений безпосередньо до кислоти.

Альдегід, отриманий під час попередньої реакції, можна «зловити», і змусити його окислюватися до кислоти:

Окислення циклогексанолу. Циклогексанол є вторинним спиртом, тому утворюється кетон:

Якщо важко визначити ступені окислення атомів вуглецю за такою формулою, на чернетці можна розписати:

Рівняння реакції:

Розглянемо окислення циклопентена.

Подвійний зв'язок рветься (цикл розмикається), атоми, які її утворювали, окислюються до максимуму (в даному випадку, до карбоксильної групи):

Деякі особливості окислення в ЄДІ, з якими ми зовсім згодні.

Ті «правила», принципи та реакції, які будуть розглянуті у цьому розділі, ми вважаємо не зовсім коректними. Вони суперечать не лише реальному стану справ (хімії як науці), а й внутрішній логіці шкільної програми та ЄДІ зокрема.

Проте ми змушені дати цей матеріал саме в тому вигляді, який вимагає ЄДІ.

Йтиметься саме про Жорстке окислення.

Пам'ятаєте, як окислюються гомологи бензолу та їх вироблені у жорстких умовах? Радикали все обриваються – утворюються карбоксильні групи. Уривки піддаються окисленню вже «самостійно»:

Так от, якщо раптом радикалі з'являється гідроксильна група, або кратний зв'язок, треба забути, що там є кільце бензольне. Реакція піде ТІЛЬКИ за цією функціональною групою (або кратним зв'язком).

Функціональна група і кратний зв'язок головніше бензольного кільця.

Розберемо окислення кожної речовини:

Перша речовина:

Потрібно не зважати на те, що є бензольне кільце. З погляду ЄДІ – це лише вторинний спирт. Вторинні спирти окислюються до кетонів, а кетони далі не окислюються:

Нехай ця речовина у нас окислюватиметься біхроматом:

Друга речовина:

Ця речовина окислюється просто як з'єднання з подвійним зв'язком (на бензольне кільце не звертаємо увагу):

Нехай воно окислюватиметься в нейтральному перманганаті при нагріванні:

Луги, що утворилася, вистачає на повну нейтралізацію вуглекислого газу:

2KOH + CO 2 → K 2 CO 3 + H 2 O

Підсумкове рівняння:

Окислення третьої речовини:

Нехай окислення протікатиме перманганатом калію в кислому середовищі:

Окислення четвертої речовини:

Воно нехай окислюється в сильнолужному середовищі. Рівняння реакції буде:

Ну і насамкінець, ось так окислюється вінілбензол:

А окислюється він до бензойної кислоти, треба мати на увазі, що за логікою ЄДІ він так окислюється не тому, що він – похідне бензолу. А тому, що він містить подвійний зв'язок.

Висновок.

Це все, що потрібно знати про окисно-відновні реакції за участю перманганату і біхромату в органіці.

Не дивуйтеся якщо деякі моменти викладені в даній статті, ви чуєте вперше. Як було зазначено, тема ця дуже велика і суперечлива. І незважаючи на це, чомусь їй приділяється вкрай мало уваги.

Як ви, можливо, переконалися, що двома-трьома реакціями не пояснити всіх закономірностей цих реакцій. Тут потрібен комплексний підхід та докладне пояснення всіх моментів. На жаль у підручниках та на інтернет ресурсах тема розкрита не повністю, або не розкрита зовсім.

Я постарався усунути ці недоробки та недоліки та розглянути цю тему повністю, а не частково. Сподіваюся, це мені вдалося.

Дякую Вам за увагу, всього Вам гарного! Успіхів у освоєнні хімічної науки та складання іспитів!

Складання рівнянь окисно-відновних реакцій за участю органічних речовин

Узв'язку з запровадженням як єдиної форми підсумкової атестації випускників середньої школи єдиного державного іспиту (ЄДІ) та переходом старшої школи на профільне навчання дедалі більшої актуальності набуває підготовка старшокласників до виконання найбільш “дорогих” у бальному відношенні завдань частини “С” тесту ЄДІ з хімії. Попри те що, що п'ять завдань частини “З” вважаються різними: хімічні властивості неорганічних речовин, ланцюжка перетворень органічних сполук, розрахункові завдання, – всі вони у тому мірою пов'язані саме з окислювально-відновними реакціями (ОВР). Якщо засвоєно основні знання теорії ОВР, можна правильно виконати перше і друге завдання повністю, а третє – частково. На наш погляд, значна частина успіху при виконанні частини С полягає саме в цьому. Досвід показує, що якщо, вивчаючи неорганічну хімію, учні досить добре справляються із завданнями написання рівнянь ОВР, то аналогічні завдання з органічної хімії викликають у них великі труднощі. Тому протягом вивчення всього курсу органічної хімії у профільних класах ми намагаємося сформувати у старшокласників навички складання рівнянь ОВР.

При вивченні порівняльної характеристики неорганічних та органічних сполук ми знайомимо учнів з використанням ступеня окислення (в.о.) (в органічній хімії насамперед вуглецю) та способами її визначення:

1) обчислення середньої с. вуглецю в молекулі органічної речовини;

2) визначення с.о. кожного атома вуглецю.

Уточнюємо, у яких випадках краще використовувати той чи інший спосіб.

Статтю опубліковано за підтримки компанії "ГЕО-Інжиніринг", що представляє на ринку продукцію під брендом "ProfKresla". Сфера діяльності компанії - виробництво, продаж та встановлення крісел та стільців для різних залів. Високий професіоналізм співробітників та власні виробничі потужності дозволяють швидко та якісно реалізовувати проекти будь-якого ступеня складності. Всю продукцію під брендом "ProfKresla", будь то Театральні крісла, сидіння для залів очікування або стільці для навчальних закладів, відрізняють сучасний та ергономічний дизайн, а також висока зносостійкість, міцність та комфорт. З величезного асортименту продукції, представленого в каталозі на сайті profkresla.ru, Ви завжди зможете підібрати моделі, що найкраще відповідають корпоративному стилю, прийнятому у Вашій компанії. Якщо ж у Вас все ж таки виникнуть труднощі з вибором, то фахівці компанії завжди готові дати консультацію, допомогти визначитися з моделлю, після чого підготувати проект, на місці зробити всі необхідні виміри та встановлення.

ПУ вивченні теми “Алкани” показуємо, що процеси окислення, горіння, галогенування, нітрування, дегідрування, розкладання відносяться до окислювально-відновних процесів. При написанні рівнянь реакцій горіння та розкладання органічних речовин краще використовувати середнє значення с. вуглецю. Наприклад:

Звертаємо увагу на першу половину електронного балансу: атом вуглецю в дробовому значенні с.о. знаменник дорівнює 4, тому розрахунок передачі електронів ведемо за цим коефіцієнтом.

В інших випадках щодо теми “Алкани” визначаємо значення с.о. кожного атома вуглецю в поєднанні, звертаючи при цьому увагу учнів на послідовність заміщення атомів водню у первинних, вторинних, третинних атомів вуглецю:

Таким чином, ми підводимо учнів до висновку, що на початку протікає процес заміщення у третинних, потім – у вторинних, і, в останню чергу – у первинних атомів вуглецю.

При вивченні теми “Алкени” розглядаємо процеси окислення залежно від будови алкену та середовища протікання реакції.

При окисленні алкенів концентрованим розчином перманганату калію KMnO 4 в кислому середовищі (жорстке окислення) відбувається розрив - і зв'язків з утворенням карбонових кислот, кетонів і оксиду вуглецю (IV). Ця реакція використовується визначення положення подвійного зв'язку.

Якщо подвійний зв'язок знаходиться на кінці молекули (наприклад, у бутена-1), то одним із продуктів окислення є мурашина кислота, що легко окислюється до вуглекислого газу та води:

Наголошуємо, що якщо в молекулі алкену атом вуглецю при подвійному зв'язку містить два вуглецеві заступники (наприклад, в молекулі 2-метилбутена-2), то при його окисленні відбувається утворення кетону, тому що перетворення такого атома в атом карбоксильної групи неможливе без розриву C-C-зв'язку, щодо стійкого в цих умовах:

Уточнюємо, що якщо молекула алкену симетрична і подвійний зв'язок міститься всередині молекули, то при окисленні утворюється тільки одна кислота:

Повідомляємо, що особливістю окислення алкенів, в яких атоми вуглецю при подвійному зв'язку містять по два вуглецеві радикали, є утворення двох кетонів:

Розглядаючи окислення алкенів у нейтральному чи слаболужному середовищах, акцентуємо увагу старшокласників на тому, що в таких умовах окислення супроводжується утворенням діолів (двохатомних спиртів), причому гідроксильні групи приєднуються до тих атомів вуглецю, між якими існував подвійний зв'язок:

Уаналогічному плані розглядаємо окислення ацетилену та його гомологів залежно від того, в якому середовищі протікає процес. Так, уточнюємо, що в кислому середовищі процес окислення супроводжується утворенням карбонових кислот:

Реакція використовується для визначення будови алкінів за продуктами окиснення:

У нейтральному та слаболужному середовищах окислення ацетилену супроводжується утворенням відповідних оксалатів (солей щавлевої кислоти), а окислення гомологів – розривом потрійного зв'язку та утворенням солей карбонових кислот:

УУсі правила відпрацьовуються з учнями на конкретних прикладах, що призводить до кращого засвоєння ними теоретичного матеріалу. Тому щодо окислення аренів у різних середовищах учні можуть самостійно висловити припущення, що у кислому середовищі слід очікувати утворення кислот, а лужної – солей. Вчителю залишиться лише уточнити, які продукти реакції утворюються залежно від будівлі відповідного арена.

Показуємо на прикладах, що гомологи бензолу з одним бічним ланцюгом (незалежно від його довжини) окислюються сильним окислювачем до бензойної кислоти по-вуглецевому атому. Гомологи бензолу при нагріванні окислюються перманганатом калію в нейтральному середовищі з утворенням солей калієвих ароматичних кислот.

5C 6 H 5 –CH 3 + 6KMnO 4 + 9H 2 SO 4 = 5C 6 H 5 COOH + 6MnSO 4 + 3K 2 SO 4 + 14H 2 O,

5C 6 H 5 –C 2 H 5 + 12KMnO 4 + 18H 2 SO 4 = 5C 6 H 5 COOH + 5CO 2 + 12MnSO 4 + 6K 2 SO 4 + 28H 2 O,

C 6 H 5 -CH 3 + 2KMnO 4 = C 6 H 5 COOK + 2MnO 2 + KOH + H 2 O.

Наголошуємо, що якщо в молекулі арена кілька бічних ланцюгів, то в кислому середовищі кожен з них окислюється по a-вуглецевому атому до карбоксильної групи, в результаті чого утворюються багатоосновні ароматичні кислоти:

Подержані навички складання рівнянь ОВР для вуглеводнів дозволяють використовувати їх при вивченні розділу “Кисневмісні сполуки”.

Так, щодо теми “Спирти” учні самостійно становлять рівняння окислення спиртів, використовуючи такі правила:

1) первинні спирти окислюються до альдегідів

3CH 3 -CH 2 OH + K 2 Cr 2 O 7 + 4H 2 SO 4 = 3CH 3 -CHO + K 2 SO 4 + Cr 2 (SO 4) 3 + 7H 2 O;

2) вторинні спирти окислюються до кетонів

3) для третинних спиртів реакція окиснення не характерна.

З метою підготовки до ЄДІ вчителеві доцільно дати додаткові відомості до зазначених властивостей, що, безперечно, буде корисним для учнів.

При окисленні метанолу підкисленим розчином перманганату калію або дихромату калію утворюється CO 2 первинні спирти при окисленні в залежності від умов протікання реакції можуть утворити не тільки альдегіди, але і кислоти. Наприклад, окислення етанолу дихроматом калію на холоді закінчується утворенням оцтової кислоти, а при нагріванні – ацетальдегіду:

3CH 3 -CH 2 OH + 2K 2 Cr 2 O 7 + 8H 2 SO 4 = 3CH 3 -COOH + 2K 2 SO 4 + 2Cr 2 (SO 4) 3 + 11H 2 O,

3CH 3 -CH 2 OH + K 2 Cr 2 O 7 + 4H 2 SO 4 3CH 3 -CHO + K 2 SO 4 + Cr 2 (SO 4) 3 + 7H 2 O.

Знову нагадаємо учням про вплив середовища на продукти реакцій окислення спиртів, а саме: гарячий нейтральний розчин KMnO 4 окислює метанол до карбонату калію, інші спирти – до солей відповідних карбонових кислот:

При вивченні теми "Альдегіди та кетони" акцентуємо увагу учнів на тому, що альдегіди легше, ніж спирти, окислюються у відповідні карбонові кислоти не тільки під дією сильних окислювачів (кисень повітря, підкислені розчини KMnO 4 і K 2 Cr 2 O 7) і під дією слабких (аміачний розчин оксиду срібла або гідроксиду міді(II)):

5CH 3 -CHO + 2KMnO 4 + 3H 2 SO 4 = 5CH 3 -COOH + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 3H 2 O,

3CH 3 -CHO + K 2 Cr 2 O 7 + 4H 2 SO 4 = 3CH 3 -COOH + Cr 2 (SO 4) 3 + K 2 SO 4 + 4H 2 O,

CH 3 -CHO + 2OH CH 3 -COONH 4 + 2Ag + 3NH 3 + H 2 O.

Особливу увагу приділяємо окисленню метаналю розчином аміачним оксиду срібла, т.к. у цьому випадку утворюється карбонат амонію, а не мурашина кислота:

HCHО + 4OH = (NH 4) 2 CO 3 + 4Ag + 6NH 3 + 2H 2 O.

Як показує наш багаторічний досвід, запропонована методика навчання старшокласників складання рівнянь ОВР за участю органічних речовин підвищує їхній підсумковий результат ЄДІ з хімії на кілька балів.

Окислення алкенів перманганатом калію в лужному середовищі при нагріванні (жорсткі умови) призводить до руйнування їх вуглецевого скелета за місцем подвійного зв'язку. При цьому залежно від числа алкільних груп, пов'язаних з вінільным фрагментом, можуть бути отримані дві карбонові кислоти, кислота і кетон або два кетони:

Упр.11.Який продукт утворюються при окисленні циклогексену (а) розведеним розчином перманганату калію на холоді та (б) концентрованим розчином перманганату калію з подальшим підкисленням.

Упр.12.Які продукти утворюються з 1,2-диметилциклогексена при його (а) каталітичному гідруванні, (б) окисленні розведеним розчином перманганату калію на холоді, (в) озонуванні з подальшим відновлювальним розщепленням.

6.5. Окислення етилену в ацетальдегід

Окислення етилену киснем повітря в присутності хлоридів паладію (II) та міді (II) призводить до утворення ацетальдегіду ( Вакер-процес):

(63)

етаналь (ацетальдегід)

6.6. Хлорокисління етилену

Вінілхлорид отримують хлорокисленням етилену:

6.7. Окислювальний амоноліз

Окислення вуглеводнів киснем повітря у присутності аміаку призводить до перетворення метильної групи на ціаногрупу. Таке окиснення називається окисним амонолізом. Окислювальним амоноліз пропілену отримують акрилонітрил.

акрилонітрил

Окислювальним амонолізом метану одержують синильну кислоту:

(66)

7. Гідроформілювання алкенів (Оксосинтез)

При температурі від 30 до 250 про З тиску 100-400 атм. у присутності дикобальтоктакарбонілу алкени приєднують водень та монооксид вуглецю з утворенням альдегідів. Зазвичай виходить суміш ізомерів:

Механізм:

1. Відщеплення ліганду

2. Приєднання етилену

3. Використання етилену

4. Приєднання ліганду

5. Використання СО

6. Окислювальне приєднання водню

7. Відновне відщеплення пропаналю

8. Приєднання карбенів та карбеноїдів

Останні роки велика увага в органічній хімії приділяється сполукам двовалентного вуглецю – карбенам. Більшість карбенів нестійкі і відразу після їх утворення реагують з іншими сполуками.

8.1. Будова карбенів

Незаміщений карбен:СН 2 , також званий метиленом, може перебувати в синглетній або триплетній формі. У синглетної формі карбена два незв'язуючих електрони зі спареними спинами знаходяться на одній орбіталі, у той час як у триплетной формі два неспарені електрони з паралельними спинами знаходяться на двох орбіталях однакової енергії. Різні електронні зміни синглетних і триплетних карбенів знаходять свій відбиток як і різної геометрії цих частинок, і у різної хімічної активності. Двовалентний атом вуглецю синглетного карбена знаходиться в sp 2 -гібридному стані, обидва електрони розташовані на sp 2 -гібридної орбіталі (ВЗМО), а р-орбіталь (НСМО) - вільна. Триплетний карбен характеризується sp-гібридизацією двовалентного вуглецю; при цьому два неспарені електрони розташовуються на двох р-орбіталях, тобто триплетний карбен є бірадикалом. Кут Н-С-Н для синглетного метилену, згідно з спектральними даними, дорівнює 102-105 0 а для триплетного метилену цей кут збільшується до 135140 o . Це відповідає вищій стабільності триплетного метилену. Згідно з даними квантовомеханічних розрахунків триплетний метилен дійсно на 10 ккал/моль стабільніший за синглетний метилен.

Проте заступники викликають зміну відносної стабільності цих двох форм карбенів. Для диалкілкарбенів триплетна форма також стабільніша за синглетну, але для дигалокарбенів. : CHal 2 і інших карбенів із заступниками, що містять неподілену пару електронів, основним станом є синглетне. Валентний кут С1-С-С1 для дихлоркарбену, рівний 106 o добре узгоджується з синглетної формою. Вища стабільність синглетної форми дигалокарбенів проти триплетной, очевидно, обумовлена ​​її стабілізацією з допомогою неподіленої пари електронів гетероатома

Така стабілізація триплетної форми дигалокарбенів неможлива. Згідно з даними квантовомеханічного розрахунку, енергія синглет – триплетного переходу для дихлоркарбену становить 13,5 Ккал/моль.

А. Дихлоркарбен

Для генерування дигалокарбенів розроблені методи, що ґрунтуються на реакції -елімінування галогеноводороду з тригалогенометанів під дією сильних основ. Цей метод історично був першим, за допомогою якого як інтермедіат був генерований перший з карбенів - дихлоркарбен (Дж. Хайн 1950). При взаємодії із сильними основами з хлороформу (рКа хлороформу становить ~16), бромоформу (рКа = 9) та інших тригалогенометанів утворюється аніон, який стабілізується за рахунок відщеплення галогенід-іону з утворенням дигалокарбену. Дією на хлороформ сильних основ одержують дихлоркарбен:

дихлоркарбен

Як основу можна використовувати також літійорганічні сполуки в індиферентному апротонному середовищі. Тоді нижче -100 0 С можна зафіксувати утворення трихлорметиллітію як інтермедіат.

За допомогою таких сильних основ, як RLi, можна генерувати карпени з 1,1-дигалогенпохідних

В останні роки для генерування дигалокарбенів замість н-бутиллітію широко використовують як основу біс(триметилсиліл)амід натрію.

При цьому виділяється хімічно інертний силазан [біс(триметилсиліл)амід]. Біс(триметилсиліл)амід натрію, на відміну від н-бутиллітію, можна виділяти в інертній атмосфері у сухому вигляді. Насправді частіше використовують його ефірні розчини, які можна зберігати при кімнатній температурі протягом тривалого часу.

Дихлоркарбен може бути також генерований при термічному декарбоксилюванні сухого трихлорацетату натрію:

Один із найдоступніших сучасних методів генерування дихлоркарбену з хлороформу під дією гідроксиду натрію в умовах міжфазного каталізу буде докладно розглянутий пізніше.

Дихлоркарбен приєднується до алкенів, даючи дихлорциклопропани. Приєднання відбувається стереоспецифічно - конфігурація вихідного алкену зберігається і в продукті реакції - циклопропан:

(69)

транс-2-бутен транс-1,2-диметил-3,3-

дихлорциклопропан

(70)

цис-2-бутен ціз-1,2-диметил-3,3-

дихлорциклопропан

(71)

7,7-дихлорбіциклогептан

При відновленні 1,1-дигалогенциклопропанів під дією літію в mpem-бутилового спирту, цинку в оцтовій кислоті або натрію в рідкому аміаку обидва атоми галогену заміщуються на водень. Це один із загальних методів отримання похідних циклопропану.

біциклогептан

Упр. 11.Завершіть реакції:

(Z)-3-метил-2-пентен метиленциклогексан

Відповідь

Б. Метілен

Метилен може бути отриманий розкладанням діазометану. Діазометан є відносно нестійкою речовиною, що розкладається при опроміненні на азот і метилен.

(73)

діазометан

Метилен:СН 2 при фотолізі діазометану утворюється у менш стабільній синглетній формі. Синглетний метилен в умовах реакції в результаті зіткнень з молекулами діазометану або азоту швидко втрачає енергію і перетворюється на стабільніший триплетний метилен.

Для синглетного карбена характерно синхронне приєднання до подвійного зв'язку алкену з повним збереженням геометрії при подвійному зв'язку (реакція циклоприєднання). Приєднання синглетної форми карбена по подвійному зв'язку відбувається таким чином строго стереоспецифічно.

В. Реакція Сіммонса-Сміта

Ефективний та експериментально дуже простий спосіб перетворення алкенів у похідні циклопропану заснований на реакції алкенів з йодистим метиленом та сплавом цинку та міді. Ця реакція була відкрита в 1958 р. Сіммонсом і Смітом і відразу ж завоювала широку популярність у синтезі похідних циклопропанів. Активною частинкою в цій реакції є не карбен : СН 2 , а карбеноїд - йодид йодметилцинку IZnCH 2 I, що утворюється при взаємодії йодистого метилену та цинк-мідної пари.

дііодметан іодометилцинкіодид

(Реактив Сіммонса-Сміта)

(75)

Реакція проходить за таким механізмом:

Реакція Сіммонса-Сміта є дуже зручним методом перетворення алкенів на циклопропани.

Упр. 12.Завершіть реакції:

Відповідь

(76)

метиленциклопентан спірогептан

(77)

стирол циклопропілбензол

У завданнях категорії С3 ЄДІ особливі проблеми викликають реакції окиснення органічних речовин перманганатом калію KMnO 4 в кислому середовищі, що протікають з розривом вуглецевого ланцюжка. Наприклад, реакція окислення пропіна, що протікає відповідно до рівняння:

CH 3 – CH = CH 2 + KMnO4 + H 2 SO 4 → CH 3 COOH + CO 2 + MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O.

Щоб розставити коефіцієнти в складних рівняннях окислювально-відновних реакцій, подібних до цієї, стандартна методика пропонує скласти електронний баланс, але після чергової спроби стає очевидно, що цього недостатньо. Корінь проблеми полягає в тому, що коефіцієнт перед окислювачем, взятий з електронного балансу, необхідно замінити. Ця стаття пропонує два способи, які дозволяють вибрати правильний коефіцієнт перед окислювачем, щоб нарешті зрівняти всі елементи. Спосіб підстановкидля заміни коефіцієнта перед окислювачем більше підходить тим, хто здатний довго і ретельно вважати, оскільки розстановка коефіцієнтів цим способом може виявитися тривалою (в даному прикладі знадобилося 4 спроби). Спосіб підстановки застосовується спільно з методом "ТАБЛИЦЯ", який також докладно у цій статті. Спосіб "алгебраїчний"дозволяє не менш просто і надійно, але набагато швидше замінити коефіцієнт перед окислювачем KMnO 4порівняно зі способом підстановки, однак має вужчу область застосування. Спосіб "алгебраїчний" може бути використаний тільки для заміни коефіцієнта перед окислювачем KMnO 4в рівняннях реакцій окиснення органічних речовин, що протікають із розривом вуглецевого ланцюжка.

Завантажити:

Попередній перегляд:

Щоб користуватися попереднім переглядом, створіть собі обліковий запис Google і увійдіть до нього: https://accounts.google.com

За темою: методичні розробки, презентації та конспекти

Розміщення коефіцієнтів у хімічних рівняннях

Викладач, будучи головною дійовою особою в організації пізнавальної діяльності учнів, постійно перебуває у пошуку шляхів підвищення ефективності навчання. Організація ефективного навчання.

Санкт-Петербурзький Державний Технологічний Інститут

(Технічний університет)

Кафедра органічної хімії Факультет 4

Група 476

Курсова робота

Окислення алкенів

Студентка………………………………………Ритина А.І.

Викладач………………………………... Пітерська Ю.Л.

Санкт-Петербург

Вступ

1.Епоксидування (реакція Н.А. Прилежаєва, 1909 р.)

2.Гідроксилювання

2.1анти-Гідроксилювання

2.2син-Гідроксилювання

3.Окислювальне розщеплення алкенів

4.Озоноліз

5. Окислення алкенів у присутності солей паладію

Висновок

Список використаних джерел

Вступ

Окислення - одне з найважливіших і поширених перетворень органічних сполук.

Під окисленням в органічній хімії розуміють процеси, що призводять до збіднення сполуки воднем або збагачення його киснем. При цьому відбувається відібрання від молекули електронів. Відповідно під відновленням розуміють відрив від органічної молекули кисню або приєднання до неї водню.

В окислювально-відновних реакціях окислювачами є сполуки, що мають велику спорідненість до електрону (електрофіли), а відновниками – сполуки, що мають схильність до віддачі електронів (нуклеофіли). Легкість окислення сполуки зростає разом із зростанням його нуклеофільності.

При окисленні органічних сполук, зазвичай, повної передачі електронів і відповідно зміни валентності атомів вуглецю немає. Тому поняття ступеня окислення – умовного заряду атома в молекулі, обчисленого, з припущення, що молекула складається з іонів – носить лише умовний, формальний характер.

При складанні рівнянь окислювально-відновних реакцій необхідно визначити відновник, окислювач і число електронів, що віддаються і приймаються. Як правило, коефіцієнти підбирають, використовуючи метод електронно-іонного балансу (метод напівреакцій).

У цьому методі розглядають перехід електронів від одних атомів або іонів до інших з урахуванням характеру середовища (кисле, лужне або нейтральне), в якому протікає реакція. Для зрівнювання числа атомів кисню та водню вводять або молекули води та протони (якщо середовище кисле), або молекули води та гідроксид-іони (якщо середовище лужне).

Таким чином, при написанні напівреакцій відновлення та окислення потрібно виходити зі складу іонів, що дійсно є в розчині. Речовини малодисоціюючі, погано розчинні або такі, що виділяються у вигляді газу, слід писати в молекулярній формі.

Як приклад розглянемо процес окислення етилену розведеним водяним розчином перманганату калію (реакція Вагнера). У ході цієї реакції етилен окислюється до етиленгліколю, а перманганат калію відновлюється до діоксиду марганцю. За місцем подвійного зв'язку приєднуються два гідроксили:

3С 2 H 4 + 2KMnO 4 +4H 2 O→ 3C 2 H 6 O 2 + 2MnO 2 +2KOH

Напівреакція відновлення: MnO 4 + 2H 2 O + 3 e→ MnO 2 + 4OH ¯ 2

Напівреакція окислення: С 2 H 4 + 2OH − − 2 e → C 2 H 6 O 2 3

Остаточно маємо в іонному вигляді:

2MnO 4 + 4H 2 O + 3C 2 H 4 + 6OH → 2MnO 2 + 8OH + 3C 2 H 6 O 2

Після проведення необхідних скорочень подібних членів записуємо рівняння в молекулярному вигляді:

3C 2 H 4 + 2KMnO 4 + 4 H 2 O = 3C 2 H 6 O 2 + 2MnO 2 + 2KOH.

Характеристика деяких окислювачів

Кисень

Кисень повітря знаходить широке застосування в технологічних процесах, оскільки є найдешевшим окислювачем. Але окислення киснем повітря пов'язане з труднощами, пов'язаними з контролем процесу, що протікає у різних напрямках. Окислення зазвичай проводять за високої температури у присутності каталізаторів.

Озон

Озон O 3 застосовують для отримання альдегідів та кетонів, якщо їх важко отримати іншими способами. Найчастіше озон застосовують для встановлення структури ненасичених сполук. Отримують озон при дії тихого електричного розряду на кисень. Однією з істотних переваг озонування, порівняно з хлоруванням, є відсутність токсинів після обробки.

Перманганат калію

Перманганат калію – найчастіше застосовуваний окислювач. Реактив розчинний у воді (6.0% при 20ºС), а також у метанолі, ацетоні та оцтовій кислоті. Для окислення застосовують водні (іноді ацетонові) розчини KMnO 4 в нейтральному, кислому або лужному середовищі. При проведенні процесу в нейтральному середовищі реакційну масу додають солі магнію, алюмінію або пропускають вуглекислий газ для нейтралізації виділяється під час реакції гідроксиду калію. Реакцію окислення KMnO 4 у кислому середовищі найчастіше ведуть у присутності сірчаної кислоти. Лужну середу при окисленні створює утворюється під час реакції KOH, або його спочатку додають реакційну масу. У слаболужному та нейтральному середовищах KMnO 4 окислює за рівнянням:

KMnO 4 + 3 e+ 2H 2 O = K + + MnO 2 + 4OH ¯

у кислому середовищі:

KMnO 4 + 5 e+ 8H + = K + + Mn 2+ + 4H 2 O

Перманганат калію використовується для одержання 1,2-діолів з алкенів, при окисненні первинних спиртів, альдегідів і алкіларенів до карбонових кислот, а також для окисного розщеплення вуглецевого скелета за кратними зв'язками.

Насправді зазвичай використовується досить великий надлишок (понад 100%) KMnO 4 . Це тим, що у звичайних умовах KMnO 4 частково розкладається на діоксид марганцю з виділенням O 2 . Розкладається концентрованою H 2 SO 4 при нагріванні у присутності відновників із вибухом; суміші калію перманганату з органічними речовинами також вибухові.

Надкислоти

Пероцтову та пермурашину кислоти отримують реакцією 25-90%-ного пероксиду водню з відповідною карбоновою кислотою за наступною реакцією:

RCOOH + H 2 O 2 = RCOOOH + H 2 O

У разі оцтової кислоти ця рівновага встановлюється відносно повільно, і для прискорення утворення перкислоти зазвичай каталізатора додають сірчану кислоту. Мурашина кислота досить сильна як така, щоб забезпечити швидке встановлення рівноваги.

Пертрифтороцтова кислота, одержувана в суміші з трифтороцтової кислотою реакцією трифтороцтового ангідриду з 90%-ним пероксидом водню, ще сильніший окислювач. Аналогічним чином з оцтового ангідриду та пероксиду водню можна отримати пероцтову кислоту.

Особливою популярністю користується тверда м-хлорпербензойна кислота, оскільки вона відносно безпечна у користуванні, досить стабільна і може зберігатися тривалий час.

Окислення відбувається за рахунок виділяється атома кисню:

RCOOOH = RCOOH + [O]

Надкислоти застосовують для одержання епоксидів з алкенів, а також лактонів з аліциклічних кетонів.

Перекис водню

Пероксид водню – безбарвна рідина, змішується з водою, етанолом та діетиловим ефіром. 30%-ний розчин H 2 O 2 називається пергідролем. Висококонцентрований препарат може реагувати на органічні речовини з вибухом. При зберіганні розкладається на кисень та воду. Стійкість пероксиду водню збільшується з розведенням. Для окислення застосовують водні розчини різної концентрації (від 3 до 90%) у нейтральному, кислому чи лужному середовищах.

H 2 O 2 = H 2 O + [O]

Дія цього реагенту на α,β-ненасичені карбонільні сполуки в лужному середовищі одержують відповідні епоксиальдегіди і кетони, окисленням карбонових кислот у кислому середовищі синтезують надкислоти. 30% розчин H 2 O 2 в оцтовій кислоті окислює алкени в 1,2-діоли. Пероксид водню застосовують: для отримання органічних та неорганічних пероксидів, перборату та перкарбонату Na; як окислювач у ракетних паливах; при отриманні епоксидів, гідрохінону, пірокатехіну, етиленгліколю, гліцерину, прискорювачів вулканізації групи тиураму та ін; для відбілювання олій, жирів, хутра, шкіри, текстильних матеріалів, паперу; для очищення германієвих та кремнієвих напівпровідникових матеріалів; як дезінфікуючий засіб для знешкодження побутових та індустріальних стічних вод; в медицині; як джерело Про 2 у підводних човнах; Н 2 О 2 входить до складу реактиву Фентона (Fe 2 ++ Н 2 О 2), який використовують як джерело вільних радикалів ВІН в органічному синтезі.

Тетраоксиди рутенію та осмію

Тетраоксид осмію OsO 4 – порошок від білого до блідо-жовтого кольору з т.пл. 40.6ºС; т. кіп. 131.2ºС. Виганяється вже при кімнатній температурі, розчинний у воді (7.47 г 100 мл при 25ºС), ССl 4 (250 г 100 г розчинника при 20ºС). У присутності органічних сполук чорніє внаслідок відновлення OsO 2 .

RuO 4 є золотисто-жовті призми з т. пл. 25.4ºС, помітно виганяється при кімнатній температурі. Помірно розчинний у воді (2.03 г 100 мл при 20ºС), дуже добре розчинний у CCl 4 . Більш сильний окислювач, ніж OsO 4 . Вище за 100ºС вибухає. Як і тетраоксид осмію має велику токсичність і високу вартість.

Дані окислювачі застосовуються для окислення алкенів α-гліколі в м'яких умовах.