Budowa, nazewnictwo i właściwości alkoholi jednowodorotlenowych
1)Budowa alkoholi.
2)Szereg homologiczny alkoholi.
3)Rzędowość alkoholi.
4)Właściwości fizyczne alkoholi (metanol i etanol).
5)Właściwości chemiczne alkoholi.
Alkohole zawierające jedną grupę hydroksylową nazywamy jednowodorotlenkami (monohydroksylowymi), dwie grupy –OH dwuwodorotlenkiem (dihydroksylowymi).
Ad.1) Budowa alkoholi.
Zastępując atomy wodoru grupami –OH w cząsteczkach alkanów lub grupach alkilowych alkenów, alkinów i węglowodorów aromatycznych, otrzymujemy wzory najróżniejszych alkoholi.
Patrząc na budowę szkieletu węglowego alkoholi można podzielić je na trzy grupy:
- alkohole nasycone, będące pochodnymi alkanów (alkanole);
- alkohole nienasycone, będące pochodnymi Alenów i alkinów;
- alkohole aromatyczne, będące pochodnymi homologów benzenu i innych związków aromatycznych.
Co do nazewnictwa alkoholi w tym wypadku dopisuje się na końcówkę „-ol”, która oznacza obecność grupy hydroksylowej i podając w razie potrzeby położenie tej grupy w cząsteczce.
Ad2) Szereg homologiczny alkoholi.
Najprostszą z grup alkoholowych budowę cząsteczek mają monohydorksylowe pochodne alkanów – alkanole. Podobnie jak alkany tworzą one szereg homologiczny:
CH4 metan CH3-OH metanol
C2H6 etan C2H5-OH etanol
C3H8 propan C3H7-OH propanol
. .
. .
. .
CnH2n+2 alkan CnH2n+1 alkanol
Wśród alkoholi występuje zjawisko izomerii konstytucyjnej, poczynając od propanolu. Izomeryczne alkohole mogą różnić się położeniem grupy hydroksylowej lub budową szkieletu węglowego, albo obiema cechami naraz. Izomery komplikują znaczenie porównywania właściwości fizycznych i chemicznych kolejnych członów szeregu homologicznego alkoholi. Aby te właściwości uchwycić podobieństwa i różnice między homologami, należy ograniczyć porównanie homologów o podobnej budowie. Najlepiej porównuje się je z tzw. alkoholami normalnymi, których cząsteczki zbudowane są z prostych łańcuchów węglowych z grupą –OH na końcu.
Nazwa Wzór strukturalny uproszczony Temp. topn. [OC] Temp.
wrz.
[OC] Gęstość
[g/cm3] Rozpuszcz.
w wodzie
[g/100gH2O]
Metanol
Etanol
1-propanol
1-butanol
1-pentanol
1-heksanol
1-heptanol
1-oktanol
1-nonanol
1-dekanol CH3-OH
CH3-CH2-OH
CH3-CH2-CH2-OH
CH3-CH2-CH2-CH2-OH
CH3-(CH2)3-CH2-OH
CH3-(CH2)4-CH2-OH
CH3-(CH2)5-CH2-OH
CH3-(CH2)6-CH2-OH
CH3-(CH2)7-CH2-OH
CH3-(CH2)8-CH2-OH -97
-114
-126
-80
-79
-52
-34
-17
-5
7 65
78
97
118
137
157
176
194
215
230 0,792
0,789
0,804
0,810
0,814
0,821
0,822
0,825
0,827
0,829 ∞
∞
∞
7,9
2,4
0,6
0,1
0,05
Nierozp.
Nierozp.
Ad3) Rzędność alkoholi.
Grupa hydroksylowa -OH może być związana z pierwszorzędowym, drugorzędowym i trzeciorzędowym atomem węgla. Oznacza to, że może ona leżeć na końcach łańcucha węglowego, w jego środku lub też na rozgałęzieniach łańcucha. Mówimy wtedy o alkoholach odpowiednio I-rzędowych, II-rzędowych i III-rzędowych. Podział alkoholi według rzędności uzasadniony jest ich właściwościami. Jednym słowem mówiąc alkohole tej samej rzędności mają podobne właściwości chemiczne, odmienne od właściwości alkoholi o innej rzędności. Najszybciej reagują alkohole III-rzędowe, najwolniej I-rzędowe.
Ad4) Właściwości fizyczne alkoholi (metanol i etanol).
Alkohol metylowy CH3OH jest cieczą o charakterystycznym zapachu, dość lotną, o gęstości nieco mniejszej od wody. Miesza się z woda bez ograniczeń. Metanol na powietrzu spala się do dwutlenku węgla i wody jasnoniebieskim płomieniem:
2CH3OH + 3O2 ====> 2CO2 + 4H2O
Do lat dwudziestych XX wieku metanol otrzymywało się wyłącznie w procesie suchej destylacji drewna. Obecnie otrzymuje się go w wyniku katalicznego uwodorowania tlenku węgla(II) zgonie z równaniem:
CO + 2 H2 ====> CH3OH
Metanol stosuje się do produkcji farb i otrzymywania formaliny. Jest alkoholem silnie trującym.
Metanol jest substancją silnie toksyczną. Spożycie mniejszej dawki metanolu czyli ok. 15cm3 powoduje u człowieka ślepotę, a ok. 30cm3 śmierć.
Alkohol etylowy CH3CH2OH jest bezbarwną cieczą charakterystycznym zapachu, jest bardziej lotną cieczą od wody. W powietrzu spala się podobnie jak metanol. Bardzo dobrze miesza się w wodzie, rozpuszczalność w wodzie zawdzięcza strukturze cząsteczek, która ma silna grupę polarną –OH. Ta budowa cząsteczek etanolu ułatwia mu mieszanie się z wieloma rozpuszczalnikami polarnymi. Etylem może reagować z sodem podobnie jak z wodą lecz ta reakcja zachodzi mniej energicznie:
2CH3CH2OH + 2Na ====> 2CH3CH2ONa + H2
Po reakcji alkoholu z sodem powstaje alkoholan nazywany etanolanem sodu.
Etanolan sodu to białe ciało stałe, dobrze rozpuszczalne w wodzie. Odczyn wodnego roztworu jest zasadowy, podczas rozpuszczania w wodzie reaguje on zgodnie z równaniem:
CH3CH2ONa + H2O ====> CH3CH2OH + NaOH
Etanol można otrzymywać tak jak każdy alkohol, czyli w wyniku addycji wody do etanolu lub substancji chlorowca w chloroetanie. Na skalę spożywczą etanol można otrzymać również przy pomocy fermentacji. Fermentacja polega na złożonym procesie przetwarzania w alkoholu pewnych cukrów zawartych w roślinach. Do przetworzenia cukru w alkoholach wymagane są drożdże, będące źródłem enzymów katalizujących cały proces. Do fermentacji można poddać cukry wydzielane z owoców, ziemniaków, kukurydzy i zboża. Jak otrzymujemy etanol z ziemniaków, zboża lub kukurydzy, należy w pierwszej części procesu przetworzyć skrobię zawartą w omawianych produktach w cukier prosty, czyli w glukozę, a później przeprowadzić fermentację drożdżową.
Proces przetworzenia skrobi w cukier prosty:
C6H12O6 ====> 2C2H5OH + 2CO2
W celu otrzymania alkoholu o większej ilości niż 14% należy destylacji. Czysty destylat zawiera ok. 5% wody, dzięki czemu alkohol i woda tworzą przy tym mieszaninę azeotropową, czyli tak zwaną mieszaninę alkoholu z drobną ilością wody. W tym przypadku woda jest najbardziej lotnym składnikiem ogrzewania etanolu i wody. Skład gazowy azeotropu jak zawsze taki sam, dlatego nie można takiego destylatu zatężyć w wyniku ponownej destylacji. Jak chcemy usuną resztki wody z alkoholu, to musimy dodać różne substancje higroskopijne wchłaniające wodę.
Ad5) Właściwości chemiczne alkoholi.
Analizując budowę cząsteczki alkoholu, możemy zwrócić uwagę, które wiązania są najsilniej spolaryzowane. Wiązania węgiel-tlen i wodór-tlen są silnie spolaryzowane w stronę atomu tlenu:
Podczas reakcji z alkoholami te wiązania powinny ulec zerwaniu. W rzeczywiści możemy te reakcje alkoholowe podzielić na grupy:
- reakcja polegająca na zerwaniu wiązania C – O,
- reakcja polegająca na zerwaniu wiązania O – H.
Do reakcji w której zostają zerwane wiązania węgiel-tlen, zaliczamy eliminacje wody z cząsteczki alkoholu:
Reakcja dehydratacji
Polega na rozerwaniu wiązań węgiel-tlen i może towarzyszyć reakcji alkoholi z chlorowcowodorami. Alkohole reagują z HCl, HBr i HI, tworzą one produkty reakcji odpowiedni chlorowcopochodnym:
Reakcja alkoholu z metalicznym sodem powoduje zerwanie się wiązania wodór tlen.
Alkoholany są solami stworzonym podczas reakcji alkoholu z aktywnymi metalami, lecz dla alkoholi w których znajduje się większa liczba atomów węgla taka reakcja jest bardzo ciężka do przeprowadzenia. Przykład jest podany na podstawie propan-2-olu :
Wyższe alkohole też reagują z sodem, lecz szybkość tych reakcji zachodzi o wiele wolniej i zmniejsza się w miarę wzrostu długości łańcucha węglowego alkoholu. Należy zwrócić uwagę ze atomy wodoru w cząsteczce alkoholu jest tak bardzo związany z atomem tlenu, ze alkohole nie łączą się z zasadami.