Oxidation

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Oxidationsreaktionen in der organischen Chemie

Eine der Grundlagen der organischen Chemie sind die Oxidationsreaktionen. Als Hochschullehrer möchte ich, dass ihr nicht nur die Mechanismen kennt, sondern auch versteht, wie diese Reaktionen an verschiedenen funktionellen Gruppen angewendet werden und welche Oxidationsmittel dabei eine Rolle spielen.

Ozonolyse von Alkenen

Beginnen wir mit einer besonders prüfungsrelevanten Reaktion: der Ozonolyse.

Überblick über die Ozonolyse1

Ihr habt bereits gelernt, dass Ozon (O3) ein starkes Oxidationsmittel ist, welches Alkene an der Doppelbindung spaltet und zu Aldehyden oder Ketonen umsetzt. Diese Reaktion findet in zwei Schritten statt:

  1. Die Bildung von Primärozonid und dessen Umlagerung zu Sekundärozonid.
  2. Die Aufarbeitung des Sekundärozonids mit einem Reduktionsmittel wie Zink in Essigsäure (Zn/AcOH) oder Dimethylsulfid (DMS), um die Ozonide zu den Carbonylverbindungen umzusetzen.

Reaktionsmechanismus der Ozonolyse2
Besonders wichtig für das IMPP

Die bei der Ozonolyse von Alkenen entstehenden Produkte und deren korrekte Aufarbeitung sind ein häufiger Prüfungspunkt. Achtet darauf, dass Ozonide bei unsachgemäßer Handhabung zu explosiven Stoffen zerfallen können!

Reaktionen und Oxidationsmittel

Es ist wichtig, dass ihr die verschiedenen Oxidationsmittel und ihre spezifischen Anwendungsbereiche kennt:

  • Osmiumtetroxid (OsO4) führt zur Dihydroxylierung von Alkenen, und nicht zur Epoxidbildung.
  • Kaliumpermanganat (KMnO4) kann bei Aromaten mit Seitenketten bis zur Carbonsäure oxidieren. In basischem Milieu entstehen aus Alkenen vicinale Diole, die durch Malaprade-Spaltung weiter zu Aldehyden umgesetzt werden können.
  • Chromtrioxid (CrO3) verwendet man meist zusammen mit Schwefelsäure für die Oxidation von Alkoholen zu Ketonen oder Carbonsäuren.
  • Kupfersulfat (CuSO4) kann für die Oxidation eines Alkohols zu einem Keton eingesetzt werden, wie beim Benzoin zum 1,2-Diketon.

Oxidation von Alkoholen

Die Oxidation von Alkoholen ist ebenfalls ein wichtiges Prüfungsthema. Hier müsst ihr beachten:

  • Primäre Alkohole lassen sich mit geeigneten Oxidationsmitteln, wie dem Jones-Reagenz (Chromtrioxid/Schwefelsäure), zu Carbonsäuren oxidieren.
  • Sekundäre Alkohole werden zu Ketonen oxidiert, ohne dass eine Weiteroxidation stattfindet.

Speziellere Oxidationsreaktionen

  • Bei der Periodat-Spaltung werden Diolstrukturen zu Carbonylverbindungen umgesetzt.
  • Pyridiniumchlorochromat (PCC) wird genutzt, um primäre Alkohole zu Aldehyden zu oxidieren.

Nichthäufige, aber bedeutsame Oxidationsprozesse

  • Autoxidation beschreibt Oxidationsprozesse, die lediglich durch atmosphärischen Sauerstoff stattfinden, z.B. Oxidation von Benzaldehyd zu Benzoesäure.
  • Bei der Haloform-Reaktion wird eine Methylketon-Gruppe zu einer Carbonsäure oxidativ abgebaut.

Ausschluss von Oxidationsmechanismen

Nicht alle Reaktionen in der organischen Chemie beinhalten Oxidationsmechanismen. Bei einigen Reaktionen, wie radikalischen Substitutionen oder bei der Betrachtung von Hydrierungswärmen, spielt die Oxidation keine Rolle.

IMPP-Favoriten

Das IMPP fragt besonders gerne nach der Oxidation von primären Alkoholen zu Aldehyden mittels PCC und der Oxidation von sekundären Alkoholen zu Ketonen. Kennt die Reaktionsbedingungen und Produkte!

Zusammenfassung

  • Ozonolyse: Ozon spaltet Alkene zu Carbonylverbindungen; Aldehyde entstehen bei terminalen, Ketone bei internen Doppelbindungen.
  • Dihydroxylierung: Behandlung von Alkenen mit Osmiumtetroxid fügt der Doppelbindung zwei Hydroxyl-Gruppen zu, ohne Epoxide zu bilden.
  • KMnO4-Oxidation: Kaliumpermanganat oxidiert Seitenketten von Aromaten zu Carbonsäuren, wobei die Benzylposition zu einer Carboxylgruppe umgesetzt wird.
  • Alkoholoxidation: Sekundäre Alkohole werden zu Ketonen und primäre Alkohole zu Aldehyden oder Carbonsäuren oxidiert; häufig eingesetzte Oxidationsmittel beinhalten Chromtrioxid (CrO3), Jones-Reagenz oder Pyridiniumchlorochromat (PCC).
  • Periodat-Spaltung: Bei der Oxidation von vicinalen Diolen mit Periodaten werden die C-C-Bindungen zwischen den Hydroxylgruppen gespalten, wobei zwei Carbonylverbindungen entstehen.
  • Autoxidation: Oxidation durch molekularen Sauerstoff kann, wie im Falle von Benzaldehyd, zur Bildung von Peroxybenzoesäure führen.
  • Haloform-Reaktion: Eine spezifische Oxidation von Methylketonen, bei der die Methylgruppe zu einer Carboxylgruppe umgesetzt wird.

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Footnotes

  1. Credits Überblick über die Ozonolyse Grafik: MAtheDA, Ozonolyse Übersicht, CC BY-SA 3.0↩︎

  2. Credits Reaktionsmechanismus der Ozonolyse Grafik: Jü, Ozonolysis Mechanism V4, CC BY-SA 4.0↩︎