Spis treści Budowa i nomenklatura alkoholi.

Spis treści
1 Budowa i nomenklatura alkoholi.
2 Właściwości chemiczne alkoholi.
3 Otrzymywanie alkoholi.
Budowa i nomenklatura alkoholi.
Alkoholami nazywamy związki organiczne o wzorze ogólnym ROH, czyli substancje w których jeden
lub więcej atomów wodoru w węglowodorze zostało zastąpione grupą —OH (wodorotlenową,
hydroksylową). Wzór alkoholi można również wyprowadzić od cząsteczki wody. W tym ujęciu jeden
z atomów wodoru w wodzie jest zastąpiony resztą węglowodorową. Wiązanie pojedyncze węgiel-tlen
w alkoholach jest spolaryzowane, ponieważ tlen jest bardziej elektroujemny niż węgiel.
Analogicznie jak dla fluorowcopochodnych istnieją alkohole o różnej rzędowości:
Alkohol pierwszorzędowy Alkohol drugorzędowy Alkohol trzeciorzędowy
Poniżej, Rys. Figure 1. podaje właściwości fizyczne wybranych alkoholi niskocząsteczkowych.
Figure 1: Właściwości fizyczne wybranych alkoholi.
Nazwa (rzędowość)
Wzór
T. wrz., [°C] Gęstość, [g/cm3] Rozp. [g/100 g wody]
metanol (I)
CH3OH
64,5
0,793
∞
etanol (I)
CH3CH2OH
78,3
0,789
∞
propan-1-ol (I)
CH3CH2CH2OH
97
0,804
∞
propan-2-ol (II)
(CH3)2CHOH
82,5
0,789
∞
butan-1-ol (I)
CH3(CH2)2CH2OH 118
0,810
7,9
butan-2-ol (II)
CH3CHOHCH2CH3 99,5
0,806
12,5
2-metylopropan-1-ol (I)
(CH3)2CHCH2OH
108
0,802
10,0
83
0,789
∞
2-metylopropan-2-ol (III) (CH3)3COH
cyklopentanol (II)
C5H9OH
140
0,949
∞
cykloheksanol (II)
C6H11OH
161,5
0,962
3,6
Analizując dane zawarte w tej tabeli zauważamy:
1. Nazwy systematyczne alkoholi tworzymy dodając do nazwy macierzystego węglowodoru (tzn.
takiego, w którym atom wodoru zastąpiony jest grupą OH) końcówkę -ol. Pozostałe reguły
nazewnictwa systematycznego są takie same jak dla związków omówionych dotychczas
(węglowodory, fluorowcopochodne). A więc systematyczna nazwa ogólna alkoholi to alkanole.
W hierarchii ważności podstawników grupa hydroksylowa ma pierwszeństwo przed dotychczas
poznanymi grupami funkcyjnymi. Na przykład gdy w łańcuchu węglowym występuje podwójne
wiązanie, to atomy węgla numeruje się tak, aby grupa hydroksylowa znajdowała się przy
atomie o niższym lokancie. Obecność kilku grup hydroksylowych w jednej cząsteczce zaznacza
się końcówkami -diol, -triol itd. Dalsze przykłady budowy i nazw alkoholi podane są na Rys.
Figure 2. Oprócz nazw systematycznych równolegle egzystują nazwy opisowe np. alkohol
etylowy, alkohol benzylowy, alkohol allilowy, alkohol tert-butylowy. W niektórych nazwach
alkoholi trzecio- i drugorzędowych zachował się rdzeń "karbinol" oznaczający pochodną
metanolu, np. trifenylokarbinol.
2. Alkohole są lżejsze od wody, a wszystkie homologi o małych cząsteczkach rozpuszczają się
dobrze w wodzie.
3. Atom tlenu w alkoholach ma dwie wolne pary elektronowe. Elektrony te mogą brać udział w
tworzeniu wiązań wodorowych, oddziałując z protonami z innych cząsteczek zawierających
spolaryzowane wiązanie z udziałem atomu wodoru (np. O—H, N—H). Zdolność tworzenia
wiązań wodorowych przez alkohole powoduje, że wykazują one stosunkowo wysoką
temperaturę wrzenia w porównaniu z innymi związkami organicznymi o zbliżonej masie
cząsteczkowej (np. propan o m.cz. 44 wrze w temp. –42°C, podczas gdy etanol o zbliżonej
m.cz. = 46 ma temperaturę wrzenia 78,3 °C). Również tworzenie wiązań wodorowych
międzycząsteczkowych leży u podstaw dużej rozpuszczalności alkoholi w wodzie.
C6H5CH2OH
2-chloroetanol
but-3-en-2-ol
prop-2-en-1-ol
(alkohol allilowy)
etano-1,2-diol (glikol etylenowy)
propano-1,2,3,-triol
(glicerol, gliceryna)
cis-cyklopentano-1,2-diol
fenylometanol
C6H5CH2CH2OH
(alkohol benzylowy)
2-fenyloetanol
mentol
2-metylpropan-2-ol (alkohol tertbutylowy)
trifenylokarbinol
2,2-dihydroksymetylo-1,3-propanodiol
(pentaerytrytol)
Figure 2: Przykłady budowy i nazwy niektórych alkoholi.
Właściwości chemiczne alkoholi.
Alkohole należą do znanych od dawna związków chemicznych i wykorzystywane są często jako
substraty do otrzymywania innych, bardziej skomplikowanych związków. Znajdują też zastosowanie
jako rozpuszczalniki w laboratorium, w artykułach gospodarstwa domowego i w przemyśle.
Reaktywność alkoholi obejmuje możliwość rozerwania wiązań O—H, C—O oraz C—H. Przykłady
reakcji alkoholi podaje poniższy Rys. Figure 3.
1. 2ROH + 2Na —→ 2RO-Na+ + H2(↔)
2. 2ROH + Mg —→ (RO)2Mg + H2(↔)
3. ROH + HNO3 —→ RONO2 + H2O
4.
5. ROH + HX —→ RX + H2O
H2SO4 st., 180°C
CH3CH2OH ———————→ H2C=CH2 + H2O
H2SO4 st., 140°C
2CH3CH2OH ———————→ CH3CH2OH2CH3 + H2O
8.
9.
10.
Figure 3: Przykłady reakcji alkoholi
Reakcje 1 i 2 na powyższym schemacie ilustrują kwasowe właściwości atomu wodoru w grupie
hydroksylowej (proton jako akceptor elektronu z atomu metalu). A więc w tych przypadkach reakcje
obejmują rozerwanie wiązania O—H w alkoholu.
Reakcje 3 i 4 to przykłady otrzymywania estrów. W pkt. 3 jest to reakcja alkoholu z kwasem
azotowym (kwasem nieorganicznym), a w pkt. 4 analogiczna reakcja z kwasem karboksylowym.
Takie reakcje estryfikacji następują na ogół z rozerwaniem wiązania O—H w alkoholu. A więc w
cząsteczkach estrów atomy tlenu związane z resztą R i R2, odpowiednio w pkt. 3 i 4, pochodzą z
alkoholu, a atomy tlenu pochodzące z kwasów znajdują się w cząsteczkach wody. Dokładniej z
mechanizmem reakcji estryfikacji zapoznamy się w rozdziale o kwasach karboksylowych.
Pkt. 5 podaje reakcję odwrotną do pokazanej w poprzednim rozdziale (Rys 4., synteza alkoholi, X =
Cl, Br, I). Należy tu dodać, że w chemii organicznej większość reakcji jest odwracalna. W zależności
od warunków eksperymentalnych równowaga może być przesuwana w jedną lub w drugą stronę.
Reakcja pokazana w pkt.5 następuje według mechanizmu substytucji nukleofilowej, a rozerwaniu
ulega wiązanie C—O.
Reakcje w pkt. 6 i 7 to następne przykłady konkurencyjności reakcji eliminacji i substytucji
nukleofilowej. Pod działaniem stężonego kwasu siarkowego w podwyższonej temperaturze głównym
produktem przemiany alkoholu jest alken czyli produkt eliminacji. Rozerwaniu w tym przypadku
ulegają zarówno wiązanie C—O jak i C—H przy sąsiednim atomie węgla. Jako dygresję, należy
wspomnieć, że reakcja odwrotna do podanej w pkt. 6 (i częściej wykorzystywana w przemyśle
chemicznym) była już pokazana wcześniej na Rys. 4. Reakcja w pkt. 7 to otrzymywanie eterów. W
warunkach podobnych do podanych w pkt. 6, pod działaniem stężonego kwasu siarkowego, ale w
niższej temperaturze alkohol ulega reakcji substytucji nukleofilowej (czynnikiem nukleofilowym jest
druga cząsteczka alkoholu).
Następna reakcja podana w pkt. 8 pokazuje aktywność alkoholi względem grupy karbonylowej (C=O,
patrz. rozdziały o aldehydach i związkach wielofunkcyjnych). Jest to reakcja tworzenia hemiacetali
(półacetali) z aldehydów i niektórych ketonów. Reakcja następuje z rozerwaniem wiązania O—H. Jej
mechanizm będzie zreferowany później.
Pkt. 9 pokazuje możliwość utleniania alkoholu pierwszorzędowego do aldehydu, lub dalej do kwasu
karboksylowego. Mechanizmy reakcji utleniania są raczej skomplikowane, zależne od zastosowanego
czynnika utleniającego. W przypadku tworzenia aldehydu z alkoholu rozerwaniu ulega wiązanie
O—H i C—H przy węglu związanym z tlenem.
Pkt. 10 pokazuje analogiczną reakcję utleniania, ale z alkoholem drugorzędowym. Produktem w tym
przypadku jest odpowiedni keton. Nie ma możliwości dalszego utleniania do kwasu karboksylowego
(o ile nie stosuje się ostrych warunków utleniania). Alkohole trzeciorzędowe takiej reakcji utleniania
nie ulegają.
Otrzymywanie alkoholi.
Ogólną przemysłową metodą otrzymywania alkoholi jest reakcja przyłączania wody do alkenów.
Metanol uzyskuje się w dużych ilościach z surowców nieorganicznych według następującego
schematu:
CO + 2H2 → CH3OH
Wiele jednak alkoholi można otrzymywać z produktów naturalnych. Najdawniej opanowaną przez
człowieka technologią produkcji alkoholu etylowego jest fermentacja skrobii lub innych bogatych w
cukry surowców (miód, winogrona i inne owoce). W mniejszych ilościach podczas procesu
fermentacji alkoholowej tworzą się też alkohole pierwszorzędowe o dłuższych łańcuchach
węglowych, które można wyodrębnić z tzw. fuzli czyli pozostałości po oddestylowaniu frakcji
zawierającej etanol. Można też wspomnieć o otrzymywaniu glicerolu z surowców tłuszczowych przy
okazji produkcji mydła, czy metanolu jako produktu tzw. suchej destylacji drewna.
Warto wiedzieć, że alkohole wykazują właściwości trujące dla organizmów żywych. Stosunkowo
najmniej trujący jest alkohol etylowy, który od dawna jest używany jako składnik napojów (piwo,
wino, wódki).
Etanol uzyskiwany podczas oczyszczania na drodze destylacji tworzy z wodą mieszaninę
azeotropową, która zawiera 4% wody (wagowo). Taki produkt nosi komercyjną nazwę spirytusu. Do
celów chemicznych używany jest również etanol odwodniony (specjalnymi metodami), zawierający
tylko śladowe ilości wody, np. 0,02 %.