Расстановка коэффициентов в окислительно-восстановительных реакциях органической химии

В органическом соединении для каждого атома углерода СО вычисляется отдельно. Существует несколько способов вычисления СО углерода. Один из них - с помощью структурной формулы вещества. СО любого атома углерода равна алгебраической сумме всех его связей с более электроотрицательным элементом (Cl, O, S, N, и др.), учитываемых со знаком «+», и связей с атомами водорода (или другого более электроположительного элемента), учитываемых со знаком «-». Связи с соседними атомами углерода не учитываются. При этом алгебраическая сумма всех положительных и отрицательных степеней окисления должна быть равна нулю.

Например. этанол H Н С_№1: -2 + 1 = -1 С_№2: -1*3 = -3

Н – С ^-3 – C ^-1 - O – H

H Н

пропановая кислота

C_№1: +1*3 = +3 С_№2: -1*2 = -2 С_№3: -1*3 = -3

Н О

С^-3Н₃ – С ^-2 – С⁺³

Н ОН

Глюкоза

C_№1: -1 + 2 = +1 С_№2-5: -1 +1 = 0 С_№6: -1*2 + 1 = -1

H H H H H О

H - С^-1 – С⁰– С⁰– С⁰ – С⁰ – С⁺¹

OH OH OH OH OH Н

Для составления уравнений окислительно- восстановительных реакций используют как метод электронного баланса, так и метод полуреакций (электронно - ионный метод). Рассмотрим несколько примеров окислительно- восстановительных реакций с участием органических веществ. Коэффициенты в уравнении реакции будем расставлять методом электронного баланса.

Пример1

СН₂^-2 = СН₂ ^-2+ КMn⁺⁷O₄ + H₂O-> HO-CH₂^-1-CH₂^-1-OH + Mn⁺⁴O₂ + KOH

3 2C^-2 - 2*1e^- ->2 C^-1

2 Mn⁺⁷ +3e^- -> Mn⁺⁴

3СН₂ = СН₂ + 2КMnO₄ + 4H₂O = 3HO-CH₂-CH₂-OH + 2MnO₂ + 2KOH

Пример 2

СН₂^-2= СН^-1 – СН₂ – СН₃+ КMn⁺⁷O₄ + H₂SO₄ -> C₂H₅C⁺³OOH + C⁺⁴O₂ + Mn⁺²SO₄ + K₂SO₄ + H₂O

C^-2 – 6e^- -> C⁺⁴ 1

C^-1 – 4e^- -> C⁺³ 10

Mn⁺⁷ +5e^- -> Mn⁺² 2

СН₂ = СН – СН₂ – СН₃+ 2КMnO₄ + 3H₂SO₄ = C₂H₅COOH + CO₂ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 4H₂O

При написании подобных уравнений необходимо помнить, до каких классов могут окисляться исходные вещества.

Алкены в нейтральной и щелочной среде окисляются до двухатомных спиртов. В кислотной среде образуется карбоновая кислота. Но жёсткое окисление алкенов сопровождается полным разрывом двойной связи с образованием карбоновой кислоты и(или) оксида углеродаIV, что зависит от места положения двойной связи.

5СН₃ – СН = СН – СН₃+ 8КMnO₄ + 12H₂SO₄ = 10CH₃COOH + 8MnSO₄ + 4K₂SO₄ + 12H₂O

Алкины. Этин в нейтральной и щелочной среде окисляется перманганатом калия до оксалата калия.

3С₂Н₂ + 8КMnO₄ = 3КООС-СООК + 8MnO₂ +2KOН + 2H₂O

При окислении гомологов этина подкисленным раствором перманганата калия происходит разрыв тройной связи с образованием карбоновых кислот.

5С₂Н₅-С≡С-СН₃+ 6КMnO₄ + 9H₂SO₄ = 5C₂H₅COOH+5CH₃COOH+6MnSO₄ +3K₂SO₄ +4H₂O

Гомологи бензола окисляются сильными окислителями в кислой среде при нагревании до бензойной кислоты.

Толуол 5С₆Н₅-СН₃+ 6КMnO₄ + 9H₂SO₄ = 5C₆H₅COOH + 6MnSO₄ +3K₂SO₄ + 14H₂O

Состав второго продукта окисления зависит от длины боковой цепи. Например:

Этилбензол 5С₆Н₅-С₂Н₅ + 12КMnO₄ + 18H₂SO₄ = 5C₆H₅COOH +5CО₂+ 12MnSO₄ + 6K₂SO₄ + 28H₂O

Стирол 3C₆H₅-CH=CH₂+2KMnO₄+4H₂O =>3C₆H₅-CH(OH)-CH₂(OH) + 2MnO₂+2KOH в нейтральной среде

или C₂H₅ CH=СН₂ +2KMnO₄ +3H₂SO₄ => C₂H₅COOH+2MnSO₄+ K₂SO₄+ СО₂ +4H₂O в кислой среде

Первичные и вторичные спирты, имеющие атомы водорода при атоме углерода, несущем функциональную группу, окисляются легко: первые – до альдегидов, вторые до кетонов. При этом структура углеродного скелета исходного спирта сохраняется. Если окисление происходит в жёстких условиях, то реакция происходит с образованием соответствующих кислот. Третичные спирты, в молекулах которых нет атома водорода при атоме углерода, содержащем группу -ОН, в обычных условиях не окисляются. В жестких условиях (при действии сильных окислителей и при высоких температурах) они могут быть окислены до смеси низкомолекулярных карбоновых кислот, т.е. происходит деструкция углеродного скелета.

метанол 5CH₃OH+2КMnO₄+3H₂SO₄=>5HCНО+2MnSO₄+K₂SO₄+8H₂O

или 5CH₃OH+4KMnO₄+6H₂SO₄=>5HCOOH+4MnSO₄+2K₂SO₄+11H₂O

этанол 5C₂H₅OH+2KMnO₄+3H₂SO₄=>5CH₃СНО +2MnSO₄+K₂SO₄+8H₂O

или 5C₂H₅OH+4KMnO₄+6H₂SO₄=>5CH₃COOH+4MnSO₄+2K₂SO₄+11H₂O

Альдегиды окисляются до соответствующих кислот

метаналь 5H-CНО +2KMnO₄+3H₂SO₄=>5HCOOH+2MnSO₄+K₂SO₄+3H₂O

или 5H-CНО +4KMnO₄+6H₂SO₄=>5СО₂ +4MnSO₄+2K₂SO₄+11H₂O

этаналь 5CH₃-CНО+2KMnO₄+3H₂SO₄=>5CH₃СOOH+2MnSO₄+K₂SO₄+3H₂O

Кетоны окисляются в жестких условиях с разрывом углерод-углеродной связи между углеродом карбонильной группы и соседним атомом углерода, при этом образуются две карбоновые кислоты с соответствующим числом атомов углерода (единственное исключение, если соседний атом углерода первичный тогда первоначально образующаяся муравьиная кислота окисляется до угольной кислоты, которая разлагается на СО₂и воду - например ацетон окисляется до уксусной кислоты, СО₂и воды). В случае несимметричных кетонов образуется смесь карбоновых кислот, так как возможен разрыв с обоих концов от карбонильной группы - например, при окислении бутанона при разрыве между атомами углерода С₂ и С₁ образуются пропановая кислота и СО₂, а при разрыве между атомами С₂ и С₃ образуются две молекулы уксусной кислоты.

(CH₃)₂C =О + Na₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ -> HCOOH+CH₃COOH + Сr₂(SO₄)₃+ Na₂SO₄+4H₂O

Большая часть химических процессов, изучаемых в курсе органической химии, относится к реакциям ОВР. При этом на характер получающихся веществ оказывает влияние, во-первых, класс исходного вещества; во-вторых, строение исходного вещества; и в-третьих, среда раствора, в которой проводится реакция.