Alkanole

Alkanole oder Alkohole sind Alkane mit einer oder mehr  Hydroxyl-Gruppen, sprich Verbindungen aus Kohlen-, Wasser-  und Sauerstoff. Sie sind Hydroxyderivate der Alkane und werden auch allgemein als Alkohole bezeichnet.  Einwertige Alkohole können durch folgende Formel beschrieben werden:

Die Benennung der Alkohol erfolgt nach den Regeln der IUPAC mit der Abkürzung –ol und der jeweiligen Position.

Ethanol - Propanol - Butanol

Entsprechend der Muttersubstanz, den Alkanen, bilden auch die Alkanole eine homologe Reihe: Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Pentanol, Hexanol, Heptanol usw. Es sollte beachtet werden, dass ab 3 Kohlenstoffatome, sprich Propanol, sich das Phänomen der Isomerie zeigt. (Konstitutionsisomere: Verschiedene räumliche Anordnungen, bei gleicher Summenformel)

Wertigkeit der Alkohole und Kohlenstoff-Partner-Konstellation

Je nach dem wie viele Hydroxylgruppen an einem Molekül zu finden sind, spricht man von einwertigen, zweiwertigen und dreiwertigen Alkoholen, mehrwertigen Alkoholen.

Jedoch sei in diesem Zusammenhang erwähnt, dass an einem C-Atom aus elektronegativen Gründen nicht mehr als eine Hydroxylgruppe bei Normbedingungen vorhanden sein kann.

• Einwertig: 1 OH-Gruppe
• Zweiwertig: 2 OH-Gruppen
• Dreiwertig: 3 OH-Gruppen
• Mehrwertig: > 3 OH-Gruppen

Des Weiteren beschreibt man die Stellung der OH-Gruppe im Verhältnis zu den restlichen Gruppen des C-Atoms im Alkanol mit primär, sekundär und tertiär; diese unterscheiden sich dann auch wesentlich in ihrem Reaktionsverhalten:

• Primär: R – CH2 – OH, ein Rest und zwei Wasserstoffatome
• Sekundär: R2 – CH – OH, zwei Reste und ein Wasserstoffatom
• Tertiär: R3 – C –OH, drei Reste, kein Wasserstoffatom

Zu ihren chemischen Eigenschaften und dem Aggregatzustand muss folgendes erwähnt werden:

• OH-Gruppe weißt einen polaren Charakter auf, bringt diesen ins Molekül ein, es bilden sich Ladungsverhältnisse aus.
  • Je größer der Rest ist, desto weniger Einfluss hat die OH-Gruppe auf das gesamte Molekül. Je kleiner der Rest ist, desto mehr Einfluss besitzt die OH-Gruppe.

• Aggregatzustand: Bis zu einer Kohlenstoffkette von 10 C-Atomen sind die Alkohole flüssig, darüber sind diese fest.

• Wasserlöslichkeit: Die OH-Gruppe gibt durch ihre Polarität die Fähigkeit der Wasserlöslichkeit, die sogenannte Hydrophilie, wobei dieser erneut mit zunehmender Länge des Restes abnimmt: Kurzkettige Alkohole lösen sich besser in Wasser als langkettige. Lipohilie nimmt mit langkettigem Rest zu, Hydrophilie ab, und umgekehrt.

• Amphoterer Charakter: Alkohole verhalten sich gegenüber starken Brönsted-Säuren und -Basen amphoter. Alkohole sind weniger sauer und weniger basisch  als  Wasser  und  dementsprechend  besitzen sie die  konjugierende  Säuren (R-OH2+) und Basen (R-O-). [Alkoholate: Die Anionen werden allgemein auch als Alkanolat bezeichnet. Die Bildung erfolgt am leichtesten über die Reaktion des Alkohols mit einem Alkalimetall:             2 C3H7OH + 2 Na → 2 C3H7O-Na (Alkanolat, Alkalialkanolat) + H2]

• Schmelz- und Siedetemperatur: Die OH-Gruppe befähigt die Moleküle zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zueinander, sprich dabei zieht der negativ polarisierte Sauerstoff des einen Alkohol-Moleküls das positiv polarisierte Wasserstoffatom eines anderen Alkohol-Moleküls an. Dies führt zu einem enormen „Zusammenhalt“ und wirkt sich dadurch auf Schmelz- und Siedepunkt aus. Diese liegt wesentlich höher, weil diese Art der Bindung überwunden werden muss.
  • Die Siedetemperatur ist bei geradkettigen Alkanolen wesentlich höher als bei den entsprechenden Alkanen.

• Brennbarkeit: Kurzkettige Alkanole sind leichter entzündbar als langkettige. Es erfolgt im Rahmen der Verbrennung, sprich Energiezufuhr, eine zu meist vollständige Umsetzung mit Sauerstoff zu Wasser und Kohlenstoffdioxid: C₃H₇OH + 4 O₂→ 3 CO₂+ 4 H₂O

• Reaktivität: Generell lassen sich primäre und sekundäre Alkohole gegenüber tertiären Alkoholen leicht oxidieren, das bedeutet Elektronenaufnahme (meist mit Protonen verbunden). Eine Oxidation geht bekannterweise immer mit einer Reduktion einher, die sogenannte Redoxreaktion findet statt. Oxidationsmittel ist dabei z.B Kupferoxid

Oxidationszahlen und die Oxidation von Alkoholen

Eine Oxidation ist allgemein betrachtet eine Elektronenabgabe, diese geht immer mit einer Elektronenaufnahme (Reduktion) eines anderen Reaktionspartners einher, was deswegen auch als Redoxreaktion bezeichnet wird. Beispiele für Redoxreaktionen sind folgende:

Primärer Alkohol wird zu einem Aldehyd oxidiert

C₃H₇OH +  CuO →  C₂H₅-C(O)-H +  H₂O + Cu

Reduktion: Elektronenabgabe, C₃H₇OH  → C₂H₅-C(O)-H + 2H⁺ + 2e^-

Oxidation: Elektronenaufnahme, Cu²⁺ + 2 e^- → Cu

Sekundärer Alkohol wird zu einem Keton oxidiert

H₃C–CH(OH)–C₃H +  CuO →  H₃C–C(O)–C₃H  +  H₂O + Cu

Reduktion: Elektronenabgabe, H₃C–CH(OH)–C3H → H₃C–C(O)–C₃H  + 2e^- + 2H⁺

Oxidation: Elektronenaufnahme, Cu²⁺ + 2 e^- → Cu

Oxidation eines tertiären Alkohols

Tertiärer Alkohol kann nur durch Verbrennung zu Kohlenstoff und Wasser oxidiert werden. Welches der Reaktionspartner oxidiert und reduziert wird,  kann man mit Hilfe von Oxidationszahlen bestimmen.

Oxidationszahlen (OXZ)

Die Oxidationszahlen stellen Ladungen oder fiktive Ladungen da; diese werden den Atomen einer Verbindung nach bestimmten Regeln zugewiesen werden. Diese Regeln lauten wie folgt:

1. Ein einzelnes Atom oder ein Element hat die Oxidationszahl: 0
2. Bei einem einatomigen Ion entspricht die OXZ seiner Ladung.
3. Die Summer der OXZ aller Atome eines Moleküls (vielatomiges Ion) ist Null.
4. Fluor hat in allen Verbindungen die OXZ -I.
5. Sauerstoff hat in allen Verbindungen die OXZ –II, Ausnahme bei O-O-Verbindungen, dann –I, wie bei Wasserstoffperoxid.
6. Wasserstoff hat in allen Nichtmetall-Verbindungen die Oxidationszahl + I, in Metallhydriden jedoch –I.
7. Nichtmetall-Verbindungen  ist die OXZ des elektronegativeren Atoms negativ, des anderen positiv.
8. Abnahme der OXZ entspricht einer Reduktion = Organik: Hydrierung: Aufnahme von Protonen
9. Zunahme der OXZ entspricht der Oxidation in der Reaktion = Organik: Dehydrierung, Abgabe von Protonen

Alltägliches Anwendungsbeispiel:  Alkoholnachweis

Ein früher gebrauchter Alkoholtest zum Messen des Alkoholpegels über die Atemluft war die Reaktion mit Dichromat in einem Glasröhrchen mit dem Alkohol. Er wurde üblicherweise durch die Polizei im Verkehr eingesetzt.

Während des Testes (Hineinblasen der Luft über ein Röhrchen) wird das orangefarbene Dichromat reduziert und verändert seine Farbe zu grün, es verändert hierbei seine Oxidationsstufe von +VI auf +III (Abnahme der OXZ). Der Alkohol wird dabei zu einem Aldehyd, dann oft sogar zu einer Säure oxidiert (Erhöhung der OXZ). Dichromat ist ein enorm starkes Oxidationsmittel.

Reaktionsgleichung:

Oxidation:   CH₃-CH₂-OH →  CH₃-CHO + 2 e^-+ 2 H⁺                3x

Reduktion:  Cr₂O₇^2-+ 14 H⁺   + 6 e^-  →  2 Cr^₃++ 7 H₂O

Gesamt: 

3 CH₃-CH₂-OH + Cr₂O₇^2-  +14 H⁺ +6 e^- →  3 CH₃-CHO +6 e^-+ 6 H⁺  + 2 Cr³⁺+  7 H₂O

                  3 CH₃-CH₂-OH + Cr₂O₇^2- + 8 H⁺ →  3 CH₃-CHO + 2 Cr³⁺+ 7 H₂O

Reaktionen der Alkohole

Typische Reaktion: Nucleophile Substitution Sn-Reaktion

Diese ist eine typische Synthesereaktion für Alkanole. Es wird dabei in einem Molekül eine nucleophile-negative Gruppe  (Lewis-Base)  durch  eine  andere substituiert. Man unterscheidet dabei zwei Formen: Sn1 und Sn2.

Bei der S N 1-Reaktion wird zuerst die eine Gruppe abgespalten, dann die neue Gruppe angelagert; bei der S N 2- Reaktion verlaufen Anlagerung und Abspaltung parallel zueinander mit einem Übergangszustand. SN1 ist eine Reaktion erster Ordnung, dies bedeutet nur die Konzentration eines Eduktes sind an der Reaktionsgeschwindigkeit (RG) beteiligt, während bei der SN2-Reaktion eine zweiter Ordnung vorliegt und damit 2 Teilchen die RG wesentlich beeinflussen.

SN1-Reaktion = Synchron-Mechanismus

Es erfolgt die Abspaltung eines Halogenid-Ions unter Bildung eines Carbokation als Zwischenstufe. Der erste Reaktionsschritt ist monomolekular, und da er der langsamste und somit geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist, verläuft die Gesamtreaktion nach einem Geschwindigkeitsgesetz 1. Ordnung. Das Halogenalkan dissoziiert zu Ionen in einem Lösungsmittel. Polare, stark solvatisierende Lösungsmittel und tiefe Temperaturen fördern exotherme Ionenbildung und fördern so die Reaktion. Es bilden sich Kationen (Carbokation-Verbindung) und Anionen (Halogenid). Daraufhin erfolgt ein „Abfang“ der Kationen durch zugeführten anderen Nucleophile (Anionen).

Die Gewinnung von Alkohol aus Halogenalkanen in einem basischen Milieu erfolgt nach der SN1-Reaktion, Austausch des Halogenides durch ein Hydroxid-Ion.

SN2-Reaktion 

Die SN2- Reaktion erfolgt ähnlich der SN1, doch sie kennzeichnet sich vor allem dadurch, dass zwei Teilchen wesentlich die RG beeinflussen und sich ein kurzer Übergangszustand ausbildet. Generell findet diese Reaktion eher bei Alkanen statt, welche 3 oder 2 Wasserstoffatome zur Verfügung haben.

Synchrone nucleophile Substitution nach dem SN2-Mechanismus.

Das Nucleophil greift in diesem Beispiel an dem Halogenalkan an und geht dabei einen Übergangszustand mit fünf Substituenten am zentralen Kohlenstoffatom über. Hier findet ein Augenblick molekulare Schwingung (Mesomerie) statt. An beiden Seiten des gebildeten positiv geladenen C-Atoms liegt eine Elektronendichte vor; die Bindung klappt zu dem elektronegativeren Partner um (Nucleophil muss entsprechend zu dem Halogenid gewählt werden) und das Nu-tritt anstelle des X (Halogenides). Diese Instabilität der Bindung durch das gebildete Elektronensechstett ist ein weiteres Charakteristikum dieser Reaktion.

Einflussnahme durch Konzentrationsänderung:

• Verdopplung einer der Konzentrationen bewirkt eine doppelt so schnelle Reaktionsgeschwindigkeit, hängt von Alkylhalogenid und Nucleophil ab!
• Senken der Konzentration auf ein zehntel, Iod auf ein hundertstel folgt: Verlangsamung um den Faktor Tausend  (1/10 * 1/100)

Mehrwertige Alkanole

Mehrwertige Alkanole, oder auch Polyole genannt, sind Alkanderivate, die mehr als nur eine funktionelle OH-Gruppe besitzen. Diese beeinflusst alle Eigenschaften und sowie wesentlich das Reaktionsverhalten. Dieses Phänomen wird auch mit dem Begriff der Wertigkeit beschrieben.

Wertigkeit = Anzahl der OH-Gruppen im Molekül, z.B Diol = Zweiwertig, Triol = Treiwertige etc.

Eines der gängigsten Beispiele ist das Diol, Glykol, und das Glycerin, das Triol. Diese sollen im Folgenden näher beschrieben werden.

Glykol

Als das Glykol wird Ethan-1,2-diol bezeichnet, es beschreibt aber auch eine Substanzklasse, das der Diole, alle Stoffe, welche Derivate des Ethandiols darstellen und sich davon ableiten. Ein Beispiel wäre Ethylenglykol.

• Eigenschaften: Schmelzpunkt zwischen -10 bis -15 °C unter Wasser, Gemisch mit Wasser wesentlich tiefer.
• Verwendung: Kühl- und Frostschutzmitteln, sowie Enteisern, Nebelmaschinen, Additiv in Lacke, Farben und Reinigungsmittel
• Gefahrenbetrachtung: Süßer Beigeschmack, Punschen von Weinsorten, Glykolwein, tödlich bei über 1,4 ml, neurotoxische Wirkung.

Glycerin

Glycerin ist ein dreiwertiger Alkohol und in vielen Bereich von großer Bedeutung, es wird auch als Propan-1,2,3-triol.

• Verwendung und Vorkommen: Reinigungsmittel, Bestandteil von Fette und deren Derivaten im Körper, Acylglyceride