Le reazioni di ossidazione in chimica organica

Con il termine ossidazione si possono racchiudere 3 diversi processi e in particolare

1. Rimozione di un elettrone da un substrato
2. Rimozione di atomi di idrogeno da un substrato
3. Aggiunta di atomi di ossigeno ad un substrato 

Tuttavia, in chimica organica, è interessante vedere questa classe di reazioni come necessaria per cambiare il livello di ossidazione di una molecola. I composti organici vengono classificati anche in base al loro livello di ossidazione.

All’interno di uno stesso livello, le interconversioni sono semplici e non richiedono reattivi ossidanti o riducenti; tuttavia, nel caso sia necessario passare da un livello di ossidazione ad un altro sono necessarie le reazioni di ossidoriduzione.

In chimica organica, un’ossidazione può essere usata per migliorare la reattività di un substrato (quale la piridina), oppure per risolvere una miscela racemica nel caso si usi un ossidante chirale, oppure ancora per la sintesi vera e propria (come la creazione di CO alfa-beta insaturi con PhSeBr).

I reattivi che vengono usati sono moltissimi ed è difficile poterli menzionare tutti, tuttavia ci si potrebbe soffermare sull’ossidazione del legame C=C, arrivando all’impiego di metalli pesanti quali il Mn(VII) e Cr(VI).

L’ossidazione di un legame C=C prende il nome di epossidazione e può essere elettrofilica o nucleofilica a seconda del tipo di doppio legame.

Nel primo caso si utilizzano reagenti come i peracidi (mClPBA o acido peracetico) e il C=C è tipicamente olefinico, al limite con un OH allilico: lo stato di transizione è modello spiro-butterfly, cioè il peracido instaura un legame H con l’OH allilico e “attacca” il doppio legame con un angolo compreso tra 70 e 110°.

Nel secondo caso invece, il reattivo non è un peracido, bensì l’anione OOH^-, che viene generato da acqua ossigenata in presenza di soda. Questo anione è nucleofilo e attacca la posizione beta di un chetone alfa-beta insaturo, dopodichè viene eliminato OH^- a dare l’epossido.

Altri reagenti di ossidazione sono i diossirani, che vengono sintetizzati per reazione di chetoni come acetone o esafluoroacetone con ossidanti tipo caroato di potassio (l’acido di Caro è troppo esplosivo).

Con queste reazioni si generano inevitabilmente due enantiomeri poiché le facce delle olefine sono enantiotopiche: per favorire la formazione di un solo enantiomero sono state messe a punto delle epossidazioni enantioselettive.

L’epossidazione di Shi usa una molecola di fruttosio di cui vengono protetti 4 dei suoi 5 gruppi ossidrilici, il quinto viene ossidato con PCC a chetone. Il substrato viene così utilizzato come ausiliario chirale che a pH 10 mostra enormi enantioselettività.

L’epossidazione di Sharpless è una reazione di ossidazione di alcol allilici e avviene in DCM dry, atmosfera inerte, con tBuOOH in eccesso impiegato come donatore di O, Ti(OiPr)₄ come catalizzatore e tartrato in forma enantiomerica purissima. La reazioni porta a eccessi enantiomerici estremamente buoni ed una regola mnemonica permette di ricordare che se il substrato viene posizionato su un piano in modo che l’OH sia in basso a destra, l’O attacca da sopra con il (+)tartrato, da sotto con il (-)tartrato.

 

Altra epossidazione molto nota è quella di Jacobsen, che consiste nell’impiego di un Mn-SALEN che viene sintetizzato a partire da una cicloesildiammina con asse di simmetria C₂ che viene condensata con due salicilaldeidi a dare il legante. Mn(OAc)₂ è il precursore del centro metallico e il complesso viene poi ossidato con ipoclorito di sodio. La specie attiva è Mn=O. Anche in questo caso vi è una regola mnemonica per ricordare il risultato della reazione: posizionare l’olefina (meglio se trisostituita) in modo che l’H sia in basso a destra o, nel caso di olefine cis disostituite, il gruppo più large in alto a destra. L’ossidazione che usa il complesso con legante S,S attacca da sopra, R,R da sotto. Olefine trans o terminali reagiscono male o con poca enantioselettività.

Un’altra classe di ossidanti in chimica organica sono i sali di Mn(VII) e Cr(VI).

Il Mn(VII) è estremamente ossidante e molto versatile: in ambiente fortemente acido prende 5 elettroni, in presenza di acido fosforico prende 4 elettroni, in ambiente neutro/debolmente basico ne prende 3, per ossidoriduzione con solfito 2 e in ambiente fortemente basico solo 1.

In chimica organica viene prevalentemente impiegato come permanganato per le ossidazioni drastiche, come quella dei sostituenti di un anello benzenico: un metile viene facilmente ossidato ad acido carbossilico, ad esempio. Tuttavia l’impiego del permanganato di potassio è limitato dalla sua natura di sale che non lo rende solubile nei solventi organici; la soluzione potrebbe essere il 18-crown-6 che cattura il K⁺, che lascia quindi il MnO₄^- libero di svolgere la sua azione di ossidante, oppure un trasferimento di fase. Tuttavia nel caso in cui si usi il permanganato in ambiente fortemente basico, è possibile formare un'aldeide dal relativo alcol primario dato che in ambiente basico il Mn(VII) è un blando ossidante.

Il Cr(VI) è un ossidante estremamente potente che viene usato principalmente per l’ossidazione di alcoli in tre forme: Cr₂O₇^2-, PCC e CrO₃. É bene specificare che gli alcoli primari si ossidano ad aldeide e poi ad acido se siamo in ambiente acquoso, i secondari vanno a chetoni, i terziari non si ossidano perché non ci sono H sul C che regge l'OH. Il bicromato è estremamente reattivo ed ha un tipico colore rosso/arancione che in seguito a riduzione va a Cr(III) di un colore verde: viene usato per l’ossidazione di alcoli primari e secondari, tuttavia non si ferma a stati di ossidazione intermedi (CHO) ma prosegue fino a COOH. Questo è dovuto fondamentalmente all’ambiente acquoso che porta alla formazione di emiacetali delle aldeidi che sono facilmente ossidabili. Se l'alcol di partenza non è solubile in acqua si usa la procedura di Jones (CrO3 in acqua/acetone e gocce di oleum). 

Se volessi fermarmi a CHO, la soluzione arriva con il Pridinio CloroCromato (PCC) o il complesso py-CO3 che possono essere usati in DCM anidro e quindi si evita l’idratazione dell’aldeide. 

Il CrO₃ è noto come reattivo di Jones e viene spesso usato per reazioni di ossidazioni di alcol allilici a derivati a-b insaturi).

Una naturale evoluzione dei derivati del Cr, sono quelli del Ru(VII), ossia i perrutenati: questi sali, come il TPAP (tetra-n-propilossi perrutenato), hanno l’enorme vantaggio di poter essere usati cataliticamente, in presenza di N-metilmorfolina-N-ossido che ripristina il centro ossidante.

Altre reazioni di ossidazioni comunemente impiegate in laboratorio sono

1. Ossidazione di Dess-Martin: prevede l’utilizzo di un ossidante (reattivo di Dess-Martin che è un periodinano) a base di I. E`un ottimo metodo di ossidazione di alcoli primari ad aldeidi e secondari a chetoni che impiega un periodinano sintetizzato per ossidazione con bromato di potassio in ambiente acido o con OXONE dell’acido 2-iodo-benzoico. Si tratta di una reazione che richiede condizioni molto blande e con rese molto alte.
2. Ossidazione di Swern: metodo di ossidazione di alcoli primari ad aldeidi e secondari a chetoni che utilizza reazioni alquanto blande come DMSO, diossalilcloruro e trietilammina. È una reazione estremamente importante non solo per le condizioni blande in cui viene condotta, ma soprattutto per la compatibilità con la maggior parte dei gruppi funzionali.
3. Ossidazione di Oppenauer: è una reazione di ossidazione sufficientemente chemoselettiva per l’ossidazione di alcoli secondari a chetoni rispetto all’ossidazione dei primari ad aldeidi. La reazione usa un Al(iPrO)₃ a riflusso in solvente acetone e il complesso metallico viene ripristinato.

Altre procedure di ossidazione sono ad esempio l’osmilazione (sintesi di dioli syn da C=C), l’ozonolisi (rottura di un C=C a dare carbonili se si tratta in DMS, ad alcoli se i carbonili sono ridotti con NaBH4, ad acidi se ossidati con H2O2), periodiazione (rottura di un C=C con periodato a dare due carbonili) e altri ossidanti sono H2O2, O2, reattivo di Tollens.