Oxidación de Alcanos, Alquenos y Alquinos

En general los conceptos precisos que se tienen de oxidación y reducción en la química inorgánica, son igualmente válidos en química orgánica, no obstante, los mismos no pueden trasladarse mecánicamente al campo de la química orgánica, debido a la naturaleza covalente y/o polar de los enlaces predominantes en esta última.

Sin embargo, se han desarrollado conceptos alternativos y/o complementarios adecuados a la química orgánica sobre la oxidación y la reducción, los cuales pueden resumirse en los siguientes términos:

• Las reacciones que originan nuevos enlaces, generalmente con el hidrógeno o los metales, deben de entenderse y tomarse como reducciones.
• La abstracción de hidrógeno de una molécula, para formar enlaces múltiples ó para producir nuevos enlaces entre el carbono y elementos más electronegativos que éste, tales como halógenos, oxígeno, nitrógeno y azufre, se toman como oxidaciones

Por otro lado, todas las reacciones de oxidación y reducción, debe sobreentenderse que se hallan comprendidas dentro de los grupos de reacción grandes, tales como: Adición, Sustitución, Eliminación, etc.

En consecuencia, se puede afirmar que todos los agentes oxidantes aplicados en la química inorgánica, son también útiles en química orgánica, bajo condiciones adecuadas de control, para evitar la destrucción de la molécula. Los sistemas de oxidación más comunes, comprenden las siguientes alternativas:

• Pirólisis catalítica
• Reactivos basado en un metal: Reactivos de cromo, manganeso, estaño, Hierro, Rutenio y otros metales.
• Reactivos basados en no metales: Dimetil sulfóxido (DMSO) activado, peróxidos y perácidos, oxígeno/ozono y otros.
• Epoxidaciones

1. Formación de enlaces múltiples C-C.

Las reacciones de deshidrogenación se llevan a cabo haciendo pasar vapor del sustrato, que normalmente son alcanos, cicloalcanos, alquenos y ciclooalquenos, sobre el lecho caliente de un catalizador sólido específicamente preparado.

Los alcanos que contienen cadenas de seis o más átomos de carbono, sufren deshidrociclación, que los convierte en aromáticos. Un ejemplo es la producción comercial del tolueno.

En algunas estructuras no es necesario el uso de catalizadores. Así una diarilcetona que contenga un grupo metilo o metileno en posición orto respecto al carbonilo, cuando es calentada a temperaturas altas se cicla, esta formación de compuestos polinucleados se conoce como reacción de Elbs.

2. Formación de enlaces C – O

Los compuestos orgánicos que contienen enlaces C – O, forman una serie continua con respecto al nivel de oxidación, como puede verse a continuación:

Una oxidación completa de un compuesto orgánico, que sólo contiene C e H, es sinónimo de la combustión de dicho compuesto, y esto produce en todos los casos CO₂y H₂O. La oxidación de los hidrocarburos en aire a bajas temperaturas, son difíciles de controlar, debido a que las mismas son reacciones de radicales libres, estas oxidaciones son selectivas en las posiciones adyacentes a los dobles enlaces. Algunos ejemplos útiles son los siguientes:

Por otro lado, la facilidad de oxidación de los anillos aromáticos varía considerablemente, en el caso de los arenos que contienen grupos alquílicos, los mismos son fáciles de ser oxidados a ácidos carboxílicos y si los grupos alquilo son ramificados, unidos al anillo bencénico, como el caso del cumeno, la oxidación con el oxígeno del aire forma fenoles y como subproducto acetona (Es muy frecuente el error de proponer como producto de oxidación del cumeno al ácido benzoico, lo cual es totalmente incorrecto). En el caso del t-butilbenceno, sencillamente no ocurre la oxidación del alquilo.

La facilidad de oxidación de los anillos aromáticos varía considerablemente, así, en condiciones drásticas el benceno se oxida a anhídrido maleico, mientras que uno de los anillos del naftaleno lo hace mucho más rápidamente y el antraceno se oxida con mucha facilidad a 9,10 – antraquinona.

Las cadenas laterales alquílicas en el benceno, pueden ser oxidadas por algunos reactivos específicos sin causar gran degradación del esqueleto carbonado.

Un ejemplo de este tipo de reacciones lo constituye la reacción de Etard, en la que un grupo metilo se oxida a aldehído con cloruro de cromilo.

El método más conveniente para la introducción de un grupo hidroxilo alcohólico en posición alfa en un núcleo aromático es el que utiliza la bromación de la cadena lateral seguido de hidrólisis básica.

La N–bromosuccinimida (NBS), puede generar desplazamientos de los dobles enlaces, generando preferentemente estructuras alílicas

Las reacciones de oxidación de dobles enlaces presentan importancia en síntesis y en reacciones de degradación. Las siguientes son las reacciones de mayor significación:

• Adición de H₂SO₄ e hidrólisis. Este método es uno de más clásicos, el ácido sulfúrico, no debe ser concentrado y tampoco muy diluído.

• Oximercuración–Desmercuración. Los alquenos reaccionan con acetato mercúrico en una mezcla de tetrahidrofurano (THF) y agua, para producir compuestos hidroxialquilmercúricos.

Estos compuestos pueden reducirse a alcoholes tratándolos con borohidruro de sodio (NaBH₄).

La oximercuración - desmercuración es altamente regioespecífica. La orientación neta de la adición del –OH del agua, se realiza de acuerdo con la regla de Markovnikov.

En esta reacción rara vez se producen rearreglos del esqueleto carbonado. Ejem.

Cuando la reacción de mercuración–desmercuración se lleva a cabo en disolvente nucleofílicos distintos al THF – H₂O, se produce una solvólisis. Si el solvente es alcohol, se formarán éteres.

Si los alcoholes que se utilizan como sustratos son terciarios, el acetato de mercurio se sustituye por el trifluoroacetato mercúrico, Hg(OOCCF₃)_2.

• Hidroboración – Oxidación. La adición de las especies OH- e H+ provenientes del agua, a un doble enlace, también se lleva a cabo en el laboratorio, mediante el uso de hidruro de boro (BH₃)₂, llamado comúnmente como DIBORANO.

Las reacciones de Hidroboración son regioespecíficas y el resultado neto de la Hidroboración-oxidación es una aparente adición anti-Markovnikov del agua al doble enlace, formando los alcoholes menos sustitutídos.

• Hidroboración de Cicloolefinas. La hidroboración de cicloolefinas con altos rendimientos, se consigue utilizando el boro hidruro de cinc, Zn(BH₄)₂, para formar diversos productos, dependiendo del reactivo que se haga uso, en la segunda etapa del proceso. Aldrichimica Acta Vol. 31, Nº 1 1998.

Las aplicaciones sintéticas de esta reacción resultan ser muy útiles, como puede verse en los siguientes ejemplos:

• Reacción de Prevost: Ag(PhCO₂)₂I₂. Esta reacción permite acetilar uno de loa átomos de arbono que forma el doble enlace e hidroxilar el otro átomo de carbono, con una esterepquímica cis. Se utiliza I₂ como catalizador

• Hidroxilación con AlH₃/TiCl₄/O₂. El hidruro de aluminio se utiliza junto al tetracloruro de titanio y oxígeno molecular, para hidroxilar las olefinas, en una reacción similar a la hidroboración.

• Cis-dihidroxilación. Los métodos para obtener los isómeros cis, son los siguientes:

  • Permanganato de potasio neutro: KMnO₄/H₂O

producto cis

• Tetróxido de Osmio: OsO₄

Uso de óxido de amina terciaria como catalizador (NMO: N-Metilmorfolina-N-óxido) TL1976, 1973.

Estereoselectividad de la reacción:

La cis-hidroxilación con OsO₄, es favorecida o se produce preferentemente en los enlaces C = C, más ricos en electrones

• Grupos que dirigen la dihidroxilación. La presencia de ciertos grupos, como los –OH, -CONHR, sulfóxidos, nitros y sulfoximinas, en cierto modo direccionan la posición espacial de los grupos –OH, que se adicionan al enlace olefínico. En general estos grupos, hacen que los -OH que se adicionan, lo hagan en el mismo plano que ellos se encuentran, originando de este modo un estereoisómero predecible. Chem. Rev. 1993, 93, 1307.

  • Efecto de los hidroxilo

En cambio si el grupo –OH, es sustituído por TMSO, Los –OH, que se adicionan al doble enlace lo hacen exclusivamente en otro plano.

• Trans - Dihidroxilación

  • Peroxidación e hidrólisis. La trans – dihidroxilación ocurre en dos etapas, primero la olefina se oxida con un perácido, para formar un epóxido que luego es abierto por una simple hidrólisis ácida

Esta reacción se ha aplicado a los hidroxi – alfa, beta- insaturado ésteres y otros sustratos como los alquinos. Cuando la reacción se realiza a escala de laboratorio, la reacción es conocida como la oxidación de Wacker-Tsuji:

Una oxidación del tipo Wacker, ocurre cuando se oxida un alquino interno, para producir 1,2 – dicetonas, usando oxígeno molecular. W. REn, Y. Xia, S. J, Ji, Y. Zhang, X. Wan, J. Zhao. Org. Lett., 2009, 11, 1841 – 1844.

Esta reacción también permite una oxifuncionalización eficiente y conveniente de olefinas terminales como lo reportan. T. Mitsudome, T. Umetani, N. NOsaka, K. MOri, T. MIzugaki, K. Ebitani, K. Kaneda. Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 481 -485.

Las olefinas terminales, pueden ser oxidadas, con una mezcla de gases de CO/H_2, sales de de Co(II) como catalizador y la apliación de presión a una temperatura un poco mayor a los 110ºC.

• Oxidación destructiva

• Ozonólisis

• Ruptura oxidativa de olefinas para producir cetonas y/o aldehídos

• Escisión de dioles (ruptura del glicol)

Dos reactivos, ácido metaperiódico (o ácido periódico) y el tetraacetato de plomo rompen los 1,2 dioles suavemente para formar compuestos de carbonilo.El mecanismo de estas reacciones, no están del todo esclarecidos y continúan en discusión. Mientras unos proponen la formación de ésteres cíclicos como compuestos intermedios; otros proponen mecanismos heterolíticos no cíclicos.

Por otro lado estos reactivos se complementan, ya que el tetraacetato de plomo es soluble en disolventes orgánicos y el ácido periódico (o metaperiódico) lo es en agua.

• Epoxidación de alquenos. Una reacción común de formación de epóxidos, comprende la reacción de un alqueno con cloro acuoso, seguido por el tratamiento con una base, otro procedimiento, consiste en poner en equilibrio un alqueno con el oxígeno del aire, catalizado por plata metálica.

Sin embargo en la mayoría de las síntesis de laboratorio se utilizan peroxiácidos, como el ácido peroxibenzoico y el ácido m-cloroperoxibenzoico (MCPBA o m-CPBA).

La adición del oxígeno del perácido, tiene una geometría anti, por lo cual al hidrolizarse un epóxido se forman dioles anti.

• Epoxidación electrofílica con Dimetildioxirano (DMDO). El DMDO es un oxidante fuertemente electrófilo. La oxidación ocurre en condiciones suaves con sustratos olefínicos ricos en electrones (nucleófilos). Se utiliza normalmente la acetona.como disolvente.

Preparación del DMDO:

• Epoxidación nucleofílica. Este tipo de epoxidación requiere de sustratos olefínicos conjugados con grupos atractores de electrones, que logran generar que el carbono beta (β) al grupo atractor tenga una carga parcialmente positiva (electrófilo), que orienta la formación del epóxido.

• Epoxidación de alcoholes alílicos. La epoxidación de Sharpless, presenta alta regioselectividad en los alcoholes alílicos y homoalílicos y no epoxida los dobles enlaces aislados y la epoxidación ocurre estéreo selectivamente respecto a la cantidad de alcohol.

El catalizador en la reacción puede ser cualquiera de los siguientes compuestos: VO(acac)₂; Mo(CO)₆; Ti(OiPr)₄y el oxidante puede ser una de los peroxiácidos siguientes: ^tBuOOH; PhC(CH₃)₂OOH. (Comprehensive Organic Synthesis1991,vol 7, 389 - 438). También se puede revisar estas epoxidaciones en: Chem. Rev.1989, 89, 431. Aldrichimica Acta1979,12, 63.

Un estudio comparativo de la acción de los catalizadores (Synthesis1986, 89 Org. React. 1996, 48, 1-299), puede verse en el siguiente cuadro:

Otra variante de esta reacción se presenta con un nuevo sistema catalizadorpara la epoxidaciónasimétricade alcoholesalílicos,la misma se ha desarrolladoconalta enantioselectividadpara olefinasZ.La carga de catalizadores cerca de 1 mol%,las temperaturas de reacciónalrededor de 0° C ó a temperatura ambiente duranteun tiempo más corto, se hace uso de una solución acuosade terc-butilohidroperóxido(TBHP) anhidrocomo oxidanteaquiral.(W. Zhang, A. Basak, Y. Kosugi, Y. Hoshino, H. Yamamoto, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, 4389-4391).

Tabla No. 01. Resúmen de reacciones de epoxidación a partir de olefinas

(Tomado de Burkhard König, Institut für Organische)

Otras reacciones de epoxidación, toman en cuenta a los aldehidos y cetonas como sustratos, que reacción con iluros de azufre, para producir epóxidos. Igualmente la condensación de Darzens, forma epóxidos,

Apertura del anillo de epoxi-alcoholes:

El dirhodio(II) caprolactamato,cataliza efectivamentela oxidaciónalílicade una variedad deolefinas yenonascon terc-butilo como oxidanteterminal.La reacciónes totalmenteselectiva, tolerante alaire y humedad, y se puede realizarcontan sólo el 0,1% en moles de catalizadoren cuestión de minutos. (A. E. Lurain, A. Maestri, A. R. Kelli, P. J. Carroll, P. J. Walsh, J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 13622-13623).

Los sustratos que son enantiomeros sufren una oxidacióncompletacon la retencióndeconfiguración del enantiomero. (B. W. Michel, A. M. Camelio, C. N. Cornell, M. S. Sigman, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 6076-6077).

R: alquil, aril o CH(OPG)R’

Otro sistema catalizador de ruptura oxidaiva de alquenos, lo forman las sales de oro (I) y neocuproine con tert-butilhidroperóxido (TBHP) como agente oxidante, para formar aldehidos y/o cetonas como productos. (D. Xing, B. Guan, G. Cai, Z. Fang, L. Yang, Z. Shi, Org. Lett., 2006, 8, 693-696.)

Ocurre lo anteriormente señalado cuando se cataliza la hidratación con sales mercúricas en medio ácido y con el hidroborano Idiborano) en medio de un oxidante suave y una base, respectivamente.

Si el alquino es interno y no simétrico, se formará una mezcla de cetonas. También es posible hidratar un alquino, con borohidruro de cinc y H₂O₂/OH-, para formar alcoholes:

Producto	t(h)	%	Producto	t(h)	%
	24	75		24	55*
	48	59		24	30*
	72	85		24	60*
	48	57		24	65*

• Formación de hemiacetales en presencia de SiO₂ y R”OH

Tabla. Nº 02. Oxidación de alquinos con (NH₄)₂S₂O₈