I semplici alcoli primari e secondari allo stato gassoso, perdono idrogeno quando esposti ad una superficie di rame calda. Questa deidrogenazione catalitica, produce aldeidi (come mostrato appresso) e chetoni, e dal momento che l'atomo di carbonio legato all'ossigeno è ossidato, tali conversioni da alcoli a carbonile vengono generalmente chiamate reazioni di ossidazione. Le deidrogenazioni allo stato gassoso di questo tipo sono importanti nella fabbricazione di composti chimici, ma trovano scarso utilizzo nei laboratori di ricerca. In questi ultimi, invece, le reazioni di ossidazione sono realizzate in soluzione, utilizzando reazioni in cui l'idrogeno ossidrilico è sostituito da un atomo o da un gruppo che venga eliminato senza difficoltà insieme con l'idrogeno alfa. La decomposizione degli ipocloriti alchilici primari, esposta in precedenza, è un esempio di tale reazione.
RCH2–OH + Cu riscaldato RCH=O + H2
RCH2–O–Cl + base RCH=O + H–Cl
I reagenti generalmente più utili per l'ossidazione degli alcoli primari e secondari sono i derivati dell'acido cromico. Due di tali ossidanti sono il reagente di Jones (una soluzione di dicromato di sodio in soluzione acquosa di acido solforico) ed il clorocromato di piridonio, C5H5NH(+)CrO3Cl(–), comunemente denominato con il suo acronimo PPC ed utilizzato in soluzione di cloruro di metilene. In ogni caso, un estere del substrato alcolico si ritiene che sia un intermedio che subisce una eliminazione E2-simile che conduce ad un prodotto carbonilico. Lo stato di ossidazione del carbonio aumenta di 2 unità, mentre quello del cromo diminuisce di 3 unità (si riduce). Dal momento che i reagenti cromici sono di colore rosso-arancione scuro (stato di ossidazione VI) ed i composti del cromo III sono normalmente verdi, l'avanzamento di queste ossidazioni è facilmente osservabile. Infatti, questa è la trasformazione chimica su cui si basa il test del contenuto alcolico del respiro (alcotest). Le equazioni che seguono illustrano alcune ossidazioni degli alcoli, utilizzanti i due reagenti qui definiti. L'ossidazione con il reagente PCC converte gli alcoli primari in aldeidi; invece, il reagente di Jones prosegue l'ossidazione fino a produrre l'acido carbossilico, come mostrato nella seconda reazione. I meccanismi di reazione di queste trasformazioni sono visualizzabili cliccando sul pulsante "Mostra meccanismo". Per i primi due meccanismi di reazione, il diagramma mostra anche gli stati di ossidazione del carbonio (numeri arabi in blu) e del cromo (numeri romani). La base generica (B:) usata in questi meccanismi può essere una qualunque, dall'acqua alla piridina, a seconda della specifica reazione.
Dovrebbero essere ovvie due esigenze strutturali necessarie all'ossidazione per ottenere prodotti carbonilici: 1. L'atomo di carbonio legato all'ossigeno deve possedere anche un atomo d'idrogeno. Gli alcoli terziari (R3C–OH) non possono essere ossidati con questo metodo. 2. L'atomo di ossigeno deve essere legato ad un atomo d'idrogeno affinché si formi un estere cromico intermedio (o altro idoneo gruppo di partenza). Gli eteri (R–O–R) non possono essere ossidati con questo metodo.
La quarta reazione illustra l'impossibilità degli alcoli terziari a sottoporsi ad ossidazione. Il secondo meccanismo di reazione spiega il motivo per cui gli alcoli primari subiscono ulteriore ossidazione con il reagente di Jones. Il sistema con solvente acquoso utilizzato con questo reagente permette l'idratazione (addizione di acqua) al gruppo carbonilico dell'aldeide. L'idrato risultante (struttura mostrata sotto l'aldeide) verifica entrambe le condizioni stabilite prima, per cui esso verrà ulteriormente ossidato dallo stesso meccanismo riguardante l'estere cromico. L'acqua non è presente quando viene usato il reagente PCC, per cui l'ossidazione si ferma allo stadio di formazione dell'aldeide. Un altro agente ossidante cromico, simile al PCC, è il dicromato di piridonio, (C5H5NH(+) )2 Cr2O7(–2), conosciuto con l'acronimo PDC. Entrambi i PCC ed il PDC, sono solidi cristallini di colore arancione, solubili in molti solventi organici. Poiché il PDC è meno acido del PCC, esso viene spesso utilizzato per ossidare gli alcoli sensibili agli acidi. In soluzione di cloruro di metilene, il PDC ossida gli alcoli primari e secondari, approssimativamte nello stesso modo del PCC, ma molto più lentamente. Tuttavia, in soluzione satura di DMF, gli alcoli primari vengono ossidati ad acidi carbossilici. In entrambi i solventi, gli alcoli allilici sono ossidati efficientemente, dando enali ed enoni, rispettivamente.
Altri reagenti Esistono molte opzioni, leggere e selettive, al reagente di Jones ed al PCC, per l'ossidazione degli alcoli primari e secondari. Per saperne di più cliccare qui.
I composti in cui un gruppo ossidrile è legato ad un anello aromatico sono denominati fenoli. Il comportamento chimico dei fenoli è, per alcuni aspetti, diverso da quello degli alcoli, per cui risulta pratico utilizzare similitudini ma come gruppo con caratteristiche distinte. Una simile differenza in reattività è stata osservata confrontando gli alogenuri arilici, come il bromobenzene, con gli alogenuri alchilici, come il bromuro di butile ed il cloruro di tert-butile. Da qui, le reazioni di sostituzione e di eliminazione erano comuni per gli alogenuri alchilici, ma rare per gli alogenuri arilici. Questa distinzione si conferma quando si confrontano alcoli e fenoli, per cui, per tutti i fini pratici, non avviene la sostituzione e/o l'eliminazione del gruppo ossidrilico fenolico.
D'altra parte, la sostituzione dell'atomo d'idrogeno dell'ossidrile è perfino più facile con i fenoli che sono all'incirca un milione di volte più acidi degli alcoli equivalenti. Questa acidità dei fenoli è ulteriormente esaltata dalla repulsione elettronica operata dai sostituenti orto e para del gruppo ossidrilico, come mostrato nel diagramma che segue. Il cicloesanolo è mostrato quale riferimento, in alto a sinistra. E' degno di nota che l'influenza di un sostituente azotato è di oltre dieci volte più forte in posizione para che in quella meta, a dispetto del fatto che quest'ultima posizione è più vicina al gruppo ossidrilico. L'aggiunta di ulteriori gruppi dell'azoto hanno una influenza supplementare se sono in posizione orto o para. Il composto tri-azotato mostrato in basso a destra è un acido molto forte, chiamato acido picrico.
Perché il fenolo è un acido molto più forte del cicloesanolo? Per rispondere a questa domanda dobbiamo studiare il modo in cui un sostituente dell'ossigeno interagisce con l'anello benzenico. Come sottolineato nelle nostre discussioni precedenti riguardanti le reazioni di sostituzione elettrofila aromatica, un sostituente dell'ossigeno esalta la reattività dell'anello e favorisce l'attacco elettrofilo in posizione orto e para. E' stato proposto che la delocalizzazione di risonanza di una coppia di elettroni di non-legame dell'ossigeno, nel sistema elettronico π dell'anello aromatico, fosse responsabile di questo effetto del sostituente. Le formule che illustrano tale delocalizzazione elettronica saranno visualizzabili cliccando sul pulsante "Strutture di risonanza", posto al di sotto delle formule precedenti. Un simile insieme di strutture di risonanza della base coniugata, costituita dall'anione fenolato, appare sotto le strutture dei fenoli. La stabilizzazione di risonanza di questi due insiemi di strutture è molto differente. Un importante principio di risonanza asserisce che la separazione di carica riduce l'importanza attribuita agli usuali contribuenti all'ibridizzazione di risonanza e riduce la stabilità complessiva. Le strutture contribuenti all'ibrido del fenolo, soffrono tutte di separazione di carica, il cui risultato è la stabilizzazione molto modesta di questo composto. D'altra parte, l'anione fenolato è già caricato, ed i contribuenti canonici agiscono per disperdere la carica, avendo come risultato una sostanziale stabilizzazione di questa specie. Le basi coniugate degli alcoli semplici non sono stabilizzati dalla delocalizzazione di carica, per cui l'acidità di questi composti è simile a quella dell'acqua. Un diagramma di energia che mostra l'effetto della risonanza sull'acidità del cicloesanolo e del fenolo, è mostrato a destra. Dal momento che la stabilizzazione di risonanza del fenolato è molto più grande del fenolo stesso, l'acidità del fenolo rispetto al cicloesanolo risulta accresciuta. Prove a supporto che la carica negativa del fenolato è delocalizzata sugli atomi di carbonio orto e para dell'anello benzenico, provengono dall'influenza dei sostituenti che accettano elettroni da queste posizioni. La stabilizzazione di risonanza aggiuntiva fornita dai sostituenti azotati sarà visualizzabile cliccando sul pulsante "Strutture di risonanza" una seconda volta. Si possono osservare ciclicamente queste illustrazioni premendo il pulsante ripetutamente.
Come con gli alcoli, l'idrogeno ossidrilico fenolico è abbastanza facile da rimpiazzare con altri sostituenti. Per esempio, il fenolo reagisce agevolmente con l'anidride acetica per formare acetato di fenile. Allo stesso modo, l'anione fenolato è un efficace nucleofilo nelle reazioni SN2, come illustrato dal secondo esempio seguente.
C6H5–O(–) Na(+) + CH3CH2CH3–Br C6H5–O–CH2CH2CH3 + NaBr
La facilità con cui l'anello aromatico dei fenoli e degli eteri fenolici subisce sostituzione elettrofila è stata già sottolineata. Nel diagramma che segue, sono mostrati due esempi. Il primo illustra la sintesi di Friedel-Crafts del conservante per alimenti detto BHT dal para-cresolo. La seconda reazione è interessante in quanto dimostra ulteriormente la delocalizzazione di carica che avviene nell'anione fenolato. Il biossido di carbonio è un elettrofilo debole e normalmente non reagisce con composti aromatici; tuttavia, la concentrazione di carica negativa sull'anello del fenolato permette la reazione di carbossilazione mostrata nella seconda fase. Il sale di sodio dell'acido salicilico è il principale prodotto, e la preferenza per la sostituzione in posizione orto rispecchia l'influenza del catione sodio. Questa è chiamata reazione di Kolbe-Schmidt, utile per la preparazione dell'aspirina, come illustra l'ultimo stadio.
I fenoli sono abbastanza facili da ossidare, nonostante l'assenza di un atomo d'idrogeno su carbonio che reca l'ossidrile. Tra i colorati prodotti dell'ossidazione del fenolo mediante acido cromico, vi è il composto dicarbonilico para-benzochinone (conosciuto anche come 1,4-benzochinone o, semplicemente, chinone); è noto anche un isomero orto. Questi composti sono facilmente ridotti ai loro analoghi diidrossibenzeni, ed è da questi composti che si preparano meglio i chinoni. Notare che i meta-chinoni aventi strutture simili, non esistono. Gli equilibri redox tra i diidrossibenzeni, costituiti da idrochinone e piroctechina, ed i composti della loro ossidazione, i benzochinoni, sono ottenuti tanto facilmente che si preferiscono, generalmente, ossidanti più leggeri del cromato (reattivo di Jones). Uno di tali ossidanti è il sale di Fremy, mostrato sulla destra. Per la reazione inversa, si possono utilizzare agenti riducenti (ad es., NaBH4) oltre al cloruro stannoso. La posizione dell'equilibrio redox chinone- idrochinone è proporzionale al quadrato della concentrazione idrogenionica, come mostrato dalle seguenti semi reazioni (gli elettroni sono colorati in blu). Il potenziale di elettrodo di questa interconversione può essere quindi utilizzato per la misurazione del pH delle soluzioni.
Sebbene l'ossidazione con acido cromico dei fenoli aventi una posizione para non sostituita dia come prodotto del para-chinone, la reazione è complessa e non è utilizzabile per le sintesi. Si è scoperto che la salcomina, un complesso del cobalto, si lega, in soluzione, all'ossigeno in modo reversibile e catalizza l'ossidazione di vari fenoli sostituiti per dare i para-chinoni corrispondenti. La struttura della salcomina ed un esempio di questa reazione, sono mostrati nell'equazione che seguente.
I seguenti problemi riguardano molti aspetti della chimica degli alcoli e dei fenoli. Le prime tre domande si riferiscono alla nomenclatura degli alcoli. La quarta esamina le reazioni dell'isobutanolo. La quinta domanda si focalizza sui prodotti carbonilici di molte reazioni degli alcoli. La sesta esplora le molte correlazioni delle funzioni alcoliche con altre classi di composti. La sesta chiede di disegnare il prodotto di una reazione scelta tra 48 combinazioni possibili di alcoli e reagenti.
Gli eteri sono composti che hanno due gruppi alchilici o arilici legati ad un atomo di ossigeno, come nella formula R1–O–R2. Il gruppo funzionale degli eteri non ha un caratteristico suffisso della nomenclatura IUPAC, per cui è necessario designarlo come un sostituente. Per ottenere ciò, ai comuni sostituenti alcossidi sono dati nomi derivati dai loro componenti alchilici, come mostrato dalla tabella in basso a destra. Esempi di nomenclatura degli eteri sono forniti a sinistra. Agli eteri semplici sono dati nomi comuni in cui i gruppi alchilici legati all'ossigeno sono denominati in ordine alfabetico, seguiti dalla parola "etere". L'esempio in alto a sinistra, mostra in blu il nome comune sotto il nome IUPAC. Molti eteri semplici sono simmetrici, i quanto i due sostituenti alchilici sono gli stessi. Questi sono chiamati "eteri dialchilici". Esempi sono: CH3CH2OCH2CH3, dietil etere (qualche volta semplicemente etere), e CH3OCH2CH2OCH3, etilen glicol dimetil etere (glyme).
Gli analoghi degli eteri dello zolfo (R–S–R') sono denominati solfuri. Per esempio, (CH3)3C–S–CH3 è tert-butil metil solfuro. I solfuri sono chimicamente più reattivi degli eteri, rispecchiando la più elevata nucleofilia dello zolfo rispetto all'ossigeno.
Gli eteri vengono preparati usualmente dagli alcoli o dalle loro basi coniugate. Una importante metodologia, conosciuta con il nome di sintesi degli eteri di Williamson, procede attraverso una reazione SN2 di un alcossido nucleofilo con un alogenuro alchilico. Le reazioni 1 e 2 che seguono, sono due esempi di questo procedimento. Quando si applica ad un etere asimmetrico, come in questo caso, sono possibili due differenti combinazioni di reagenti. Una di queste risulta generalmente migliore dell'altra. Dal momento che gli anioni alcossidi sono basi forti, si deve sempre prendere in considerazione l'eventualità che avvenga una reazione di eliminazione E2, in competizione con la SN2. Ricordando i fattori che favoriscono la sostituzione sulla eliminazione, occorrerebbe scegliere preferenzialmente un alogenuro alchilico primario come reagente, tutte le volte che sia possibile. Perciò, la reazione 1 fornisce benzil-isopropil-etere come prodotto migliore e più pulito della reazione 2, che genera una considerevole quantità di prodotti di eliminazione.
Un seconda sintesi generale degli eteri, l'alcossimercurazione, viene realizzata dopo la reazione di ossimercurazione. Le reazioni 3 e 4 sono esempi di questo procedimento a due stadi. Notare che l'alcool reagente è usato come solvente, ed il trifluoroacetato di mercurio (II) viene utilizzato preferenzialmente rispetto all'acetato (l'anione trifluoroacetato è un nucleofilo più povero dell'acetato). Il meccanismo di alcossimercurazione è simile a quello dell'ossimercurazione, con una iniziale anti-addizione delle specie mercuriche e dell'alcool, seguita da una demercurazione riduttiva.
La disidratazione catalizzata da acidi di piccoli alcoli primari, costituisce un metodo particolarmente adatto alla preparazione di eteri simmetrici. Come mostrato nelle seguenti due equazioni, il successo di questo procedimento dipende dalla temperatura. Da 110º a 130 ºC, avviene una reazione SN2 dell'acido coniugato dell'alcool che realizza come prodotto un etere. A temperature più elevate, (oltre 150 ºC) avviene una eliminazione E2.
Gli eteri sono largamente utilizzati come solventi per una varietà di composti organici e di reazioni, suggerendo che essi stessi sono relativamente poco reattivi. Per la precisione, Con l'eccezione degli alcani, dei cicloalcani e dei fluorocarburi, gli eteri sono probabilmente i meno reattivi tra quelli appartenenti ad una comune classe di composti organici. La natura inerte degli eteri rispetto agli alcoli è dovuta indubbiamente all'assenza del legame reattivo O-H. La più comune reazione degli eteri è la scissione del legame C-O mediante acidi forti. Questo può avvenire attraverso meccanismi SN1 o E1, per gruppi alchilici terziari, o mediante un meccanismo SN2, per gruppi alchilici primari. Alcuni esempi sono mostrati nel diagramma seguente. L'acido coniugato degli eteri è un intermedio in tutte queste reazioni, proprio come gli acidi coniugati erano intermedi in alcune reazioni degli alcoli.
Le prime due reazioni procedono attraverso una sequenza di stadi SN2 in cui lo ione ioduro o bromuro rimuove un alcool, nel primo stadio, e quindi converte l'acido coniugato dell'alcool in un alogenuro alchilico, nel secondo stadio. Dal momento che le reazioni SN2 sono favorite nelle posizioni meno impedite, il gruppo metilico nell'esempio 1 è scisso per primo. Il gruppo alchilico secondario nell'esempio 3 è probabilmente scisso da un meccanismo SN2, ma non si può escludere in alternativa anche il meccanismo SN1. Il fenolo formato in questa reazione non reagisce ulteriormente, poiché le reazioni SN2, SN1 ed E1 non hanno luogo sugli anelli aromatici. L'ultimo esempio mostra la scissione di un gruppo alchilico terziario mediante un acido forte. Gli acidi aventi basi coniugate scarsamente nucleofile, vengono spesso scelti per questi scopi, per cui vengono favoriti i prodotti E1. La reazione qui mostrata (4) è l'inversa della preparazione del tert-butile, descritta precedentemente. Gli eteri in cui l'ossigeno è legato a gruppi alchilici primari e secondari sono soggetti a formazione di perossidi in presenza di aria (ossigeno gassoso). Questa reazione presenta un pericolo aggiuntivo a causa dell'uso di questi solventi infiammabili, poiché i perossidi si decompongono in maniera esplosiva se riscaldati o agitati. Il meccanismo della formazione dei perossidi si pensa sia dovuto alla loro natura di radicali liberi (notare che l'ossigeno molecolare possiede due elettroni spaiati).
Gli eteri come gruppi protettivi A causa della loro stabilità chimica, gli eteri possono essere utilizzati per proteggere le funzioni ossidriliche da reazioni indesiderate. Per saperne di più su questo argomento cliccare qui
Gli epossidi (ossirani) sono eteri ciclici a tre membri, facilmente preparabili dagli alcheni per reazione con peracidi. A causa della forte tensione angolare in questo piccolo anello, gli epossidi subiscono la scissione del legame C-O, catalizzata da base, più facilmente degli eteri costituiti da anelli più grandi. Tra i seguenti esempi, il primo rappresenta un caso ordinario eccetto per il fatto che la reazione avviene sotto condizioni più miti e più rapidamente delle scissioni degli altri eteri. Il secondo ed il terzo esempio mostrano chiaramente l'eccezionale reattività degli epossidi, in quanto gli eteri senza tensioni angolari, presenti come solventi o nello stesso reagente, non reagiscono. La soluzione acida acquosa utilizzata per eseguire la terza reazione, che segue la scissione dell'ossido di etilene con il reattivo di Grignard, semplicemente neutralizza il sale di magnesio dell'alcool prodotto.
Epoxides (oxiranes) are three-membered cyclic ethers that are easily prepared from alkenes by reaction with peracids. Because of the large angle strain in this small ring, epoxides undergo acid and base-catalyzed C–O bond cleavage more easily than do larger ring ethers. Among the following examples, the first is unexceptional except for the fact that it occurs under milder conditions and more rapidly than other ether cleavages. The second and third examples clearly show the exceptional reactivity of epoxides, since unstrained ethers present in the same reactant or as solvent do not react. The aqueous acid used to work up the third reaction, following the Grignard reagent cleavage of the ethylene oxide, simply neutralizes the magnesium salt of the alcohol product.
Analoghi dello zolfo di alcoli ed eteri Lo zolfo si trova sotto all'ossigeno nella tavole periodica. Per osservare alcuni esempi di composti solforganici e della loro chimica cliccare qui
Sono forniti due problemi riguardanti le reazioni degli eteri.