25.17: Reacciones de oxidación

El ácido benzoico es ampliamente utilizado como conservante de alimentos, ya sea como el ácido carboxílico o como la sal benzoato de sodio. Este compuesto es más efectivo cuando se agrega a alimentos ácidos como jugos de frutas y refrescos. La principal fuente industrial de ácido benzoico es la oxidación parcial del tolueno con oxígeno. El proceso es económico y ambientalmente benigno.

Reacciones de oxidación

La oxidación se puede definir como la adición de oxígeno a una molécula, o la eliminación de hidrógeno de una molécula. Cuando un alcano se calienta en presencia de un catalizador apropiado, se puede oxidar al alqueno correspondiente en una reacción llamada reacción de deshidrogenación. Dos átomos de hidrógeno se eliminan en el proceso. El alqueno se puede oxidar adicionalmente a un alquino mediante la eliminación de dos átomos de hidrógeno más:

\[\text{oxidation:} \: \: \ce{CH_3CH_3} \overset{\ce{-H_2}}{\rightarrow} \ce{CH_2=CH_2} \overset{\ce{-H_2}}{\rightarrow} \ce{CH \equiv CH}\nonumber \]

Las reacciones son reversibles, por lo que un alquino puede reducirse primero a un alqueno y luego a un alcano:

\[\text{reduction:} \: \: \ce{CH \equiv CH} \overset{\ce{_H_2}}{\rightarrow} \ce{CH_2=CH_2} \overset{\ce{+H_2}}{\rightarrow} \ce{CH_3CH_3}\nonumber \]

El alcano es la forma más reducida de un hidrocarburo, mientras que el alquino es la forma más oxidada.

Las reacciones de oxidación en la química orgánica a menudo implican la adición de oxígeno a un compuesto, lo que cambia el grupo funcional particular de ese compuesto. La siguiente secuencia muestra cómo el metano se puede oxidar primero a metanol, luego a metanal, luego a ácido metanoico y finalmente a dióxido de carbono.

\[\begin{array}{ccccccccc} \ce{CH_4} & \overset{\text{gain of oxygen}}{\longrightarrow} & \ce{CH_3OH} & \overset{\text{loss of hydrogen}}{\longrightarrow} & \ce{CH_2O} & \overset{\text{gain of oxygen}}{\longrightarrow} & \ce{HCOOH} & \overset{\text{loss of hydrogen}}{\longrightarrow} & \ce{CO_2} \\ \text{methane} & & \text{methanol} & & \text{methanal} & & \text{methanoic acid} & & \text{carbon dioxide} \end{array}\nonumber \]

Cada paso en el proceso es una ganancia de oxígeno o una pérdida de hidrógeno. Cada paso también libera energía, lo que explica por qué la combustión completa de alcanos a dióxido de carbono es una reacción extremadamente exotérmica.

La oxidación de un alcohol puede producir ya sea un aldehído o una cetona. El etanol se puede oxidar en el laboratorio a través de un proceso de calentamiento combinado con la adición de un agente oxidante como el ion dicromato, que cataliza la reacción en una solución ácida. La reacción produce el aldehído etanal (acetaldehído).

\[\ce{CH_3CH_2OH} \underset{\ce{H^+}}{\overset{\ce{Cr_2O_7^{2-}}}{\rightarrow}} \ce{CH_3CHO}\nonumber \]

Cuando el alcohol a oxidar es un alcohol secundario, el producto de oxidación es una cetona en lugar de un aldehído. La oxidación del alcohol secundario más simple, el 2-propanol, produce propanona.

\[\ce{CH_3CHOCH_3} \underset{\ce{H^+}}{\overset{\ce{Cr_2O_7^{2-}}}{\rightarrow}} \ce{CH_3COCH_3}\nonumber \]

Los alcoholes terciarios no se pueden oxidar de esta manera, debido a que el carbono al que está unido el grupo hidroxilo no tiene otro átomo de hidrógeno unido a él.

Cuando un alcohol primario se oxida a un aldehído, la reacción es difícil de detener porque el aldehído se oxida fácilmente más al ácido carboxílico correspondiente. La oxidación del etanal produce ácido etanoico (acético).

\[\ce{CH_3CHO} \underset{\ce{H^+}}{\overset{\ce{Cr_2O_7^{2-}}}{\rightarrow}} \ce{CH_3COOH}\nonumber \]

Las bebidas que contienen etanol, como el vino, son susceptibles a dicha oxidación si se mantienen durante largos períodos de tiempo después de haber sido abiertas y expuestas al aire. El vino que se ha oxidado tendrá un desagradable sabor vinegario debido a la producción de ácido acético.

A diferencia de los aldehídos, las cetonas son resistentes a la oxidación adicional porque el grupo carbonilo se encuentra en la mitad de la cadena carbonada, por lo que la cetona no se puede convertir en un ácido carboxílico.

Resumen

• La oxidación se puede definir como la adición de oxígeno a una molécula, o la eliminación de hidrógeno de una molécula.
• Los alcoholes primarios pueden oxidarse a aldehídos y luego oxidarse adicionalmente a ácidos carboxílicos.
• Cuando el alcohol a oxidar es un alcohol secundario, el producto de oxidación es una cetona en lugar de un aldehído.
• Los alcoholes terciarios no se pueden oxidar.