Окислительно-восстановительные реакции в органической химии

Алканы могут подвергаться полному окислению (горению), при котором образуются углекислый газ и вода:

${\displaystyle {{\ce {CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + Q}}}}$.

И каталитическому окислению, в результате которого могут образовываться спирт, альдегид или карбоновая кислота (в зависимости от условий):

${\displaystyle {{\ce {2CH4 + O2 ->2CH3OH}}}}$.

В таком случае происходит разрыв только некоторых связей C-C и С-H. Обязательным условием протекания реакции является наличие катализатора^[1].

В результате окисления алкенов происходит разрыв связи C=C и образуются кислородсодержащие соединения.

• Мягкое окисление

Протекает в холодном водном растворе перманганата калия. В результате образуются двухатомные спирты:

${\displaystyle {{\ce {CH2=CH2 + [O] + H2O -> HO-CH2-CH2-OH.}}}}$ Этилен реагирует с окислителем при низкой температуре, с образованием этиленгликоля. Водный раствор перманганата обесцвечивается, что является качественной реакцией на двойную связь.

• Жёсткое окисление

Осуществляется при нагревании с подкислённым раствором перманганата калия. В результате происходит полный разрыв двойной связи. В зависимости от строения алкена образуются: углекислый газ (первичные атомы), карбоновая кислота (вторичные атомы переходят в карбоксильную группу) и кетон (третичные атомы переходят в карбонильную группу).

Процесс окисления алкинов приводит к образованию карбоновых кислот, их солей или углекислого газа. Протекает при различных окислителях, например перманганат или дихромат калия.

Окисление ароматических углеводородов обычно проводится при высокой температуре и в присутствии катализаторов. Окислителями выступают: перманганат калия, оксиды хрома, азотная кислота и др. Продуктами реакции окисления ароматических углеводородов являются карбоновые кислоты или их соли.

Например, при окислении толуола раствором перманганатом калия в кислой среде образуется бензойная кислота.

Особенности процессов заключаются в следующем:

• Процесс присоединения водорода по кратной связи.
• Алкены восстанавливаются до алканов.
• В реакции используются катализаторы:
• ${\displaystyle {{\ce {CH2=CH2 + H2 -> CH3-CH3}}}}$.
• Восстановление алкинов протекает с получение алкенов.
• Катализаторы восстановления: никель, палладий, платина.

В результате реакции карбоновые кислоты восстанавливаются до первичных спиртов. При каталитическом гидрировании используются катализаторы никель, палладий, платина:

${\displaystyle {{\ce {R-COOH + H2 -> R-CH2OH + H2O}}}}$.

Восстановление алюмогидридом лития:

.${\displaystyle {{\ce {R-COOH + LiAlH4 -> R-CH2OH + H2O}}}}$^[2].

Нитрогруппа (NO₂) органического соединения восстанавливается до аминогруппы (NH₂)^[3]:

${\displaystyle {{\ce {R-NO2 + 6[H] -> R-NH2 + 2H2O}}}}$^[4].

⚠️Подсказка для ЕГЭ/ОГЭ

Для успешной сдачи ЕГЭ по теме «Окислительно-восстановительные реакции в органической химии» необходимо четко усвоить, что степень окисления углерода в органических соединениях рассчитывается по формальным правилам (исходя из электроотрицательности атомов), и именно её изменение (увеличение – окисление, уменьшение – восстановление) определяет ОВР-сущность процессов, а не перенос электронов в явном виде, как в неорганике.

Ключевые окислители для органики в ЕГЭ – это KMnO₄ (в разных средах: нейтральной/слабощелочной – до MnO₂, в кислой – до Mn²⁺, в сильнощелочной – до MnO₄²⁻), K₂Cr₂O₇ (в кислой среде – до Cr³⁺), CuO (при нагревании – до Cu), O₂ (горение и каталитическое окисление), а также аммиачный раствор Ag₂O и Cu(OH)₂ для альдегидов. Обязательно запомните основные продукты окисления для разных классов: алканы – сначала спирты, затем альдегиды/кетоны, потом кислоты, а при жестком окислении – CO₂ и H₂O (горение); алкены, алкины и арены с боковыми цепями разрушаются по кратной связи или кольцу (при окислении KMnO₄, например, толуол → бензойная кислота, этилен → CO₂ и H₂O или гликоль в нейтральной среде); первичные спирты → альдегиды → карбоновые кислоты, вторичные → кетоны, третичные устойчивы к мягкому окислению, но сгорают до CO₂ и H₂O; альдегиды – легко окисляются до кислот (качественные реакции – Ag₂O, Cu(OH)₂), а для кетонов окисление только жесткое (разрыв С–С связей). Отдельно выделяйте реакции диспропорционирования (например, для альдегидов в реакции Канниццаро) и реакции восстановления (гидрирование кратных связей, карбонильных соединений до спиртов, нитросоединений до аминов).

В заданиях части 2 вас могут попросить составить ОВР с участием органического вещества, определить окислитель и восстановитель (при этом всегда помните: сам органический субстрат – восстановитель, а неокисленный фрагмент переходит в продукт), уравнять реакцию методом электронного баланса, или распознать, какое вещество окисляется, а какое восстанавливается в цепочке превращений.

Ключевые правила: для подбора коэффициентов в органической ОВР удобно использовать метод полуреакций или метод электронного баланса, записывая для углерода изменение степени окисления . Систематизируйте через триаду «тип органического соединения → окислитель (среда) → основной продукт окисления/восстановления», обязательно выучите жесткое и мягкое окисление алкенов (правило Вагнера) и условия проведения реакций.