Alkohole

Wichtige Vertreter

NameStruk­tur­for­mel
Methanol (Methylalkohol)
Ethanol (Ethylalkohol)
Ethan-1,2-diol (Glycol)
Propan-1,2,3-triol (Glycerin)
Phenol (Hydroxybenzen)
Wich­ti­ge Ver­tre­ter der Alko­ho­le.

Struktur und Eigenschaften

Alko­ho­le zeich­nen sich durch das Vor­han­den­sein min­des­tens einer Hydro­xy­grup­pe (-OH) aus. Unver­zweig­te Alko­ho­le mit einer Hydro­xy­grup­pe bil­den eine homo­lo­ge Rei­he, in denen sich die phy­si­ka­li­schen Eigen­schaf­ten, wie Schmelz- und Sie­de­punk­te gesetz­mä­ßig ändern.

Siedetemperaturen der n-Alkane und n-Alkanole

Sie­de­tem­pe­ra­tu­ren der n-Alka­ne und n-Alka­no­le.

Wie die Abbil­dung zeigt, sind die Sie­de­tem­pe­ra­tu­ren wesent­lich höher als die der Alka­ne. Bei den Alka­nen wer­den ledig­lich die rela­tiv schwa­chen Van-der-Waals-Kräf­te wirk­sam. Zwi­schen den Alko­hol­mo­le­kü­len wir­ken wesent­lich stär­ke­re Kräf­te, was durch die Aus­bil­dung der Was­ser­stoff­brü­cken­bin­dun­gen an den Hydro­xy­grup­pen bedingt wird.

Dar­auf ist auch die gute Was­ser­lös­lich­keit der Alko­ho­le zurück­zu­füh­ren. Bei den län­ger­ket­ti­gen Alko­ho­len domi­nie­ren aller­dings die Alkyl­res­te und die Was­ser­lös­lich­keit nimmt ab. So ist Pen­ta­nol bereits sehr schlecht in Was­ser lös­lich.

Isomerie und Nomenklatur

Im Namen der Alko­ho­le wird die Stel­lung der Hydro­xy­grup­pe ange­ge­ben. Schaeu­en wir uns hier­zu die Iso­me­ren des Buta­nols an.

NameStruk­tur­for­mel
1-Butanol (primär)
2-Butanol (sekundär)
2-Methyl-1-propanol (primär)
2-Methyl-2-propanol (tertiär)
Iso­me­re Buta­nole

Die vier iso­me­ren Buta­nole unter­schei­den sich in der Anord­nung der Koh­len­stoff­ato­me und der Hydro­xy­grup­pen, haben aber alle die iden­ti­sche Sum­men­for­mel \(\ce{C4H10O}\).

Zu unter­schei­den sind pri­mä­re, sekun­dä­re und ter­tiä­re Alko­ho­le, je nach­dem ob die Koh­len­stoff­ato­me, die die Hydro­xy­grup­pen tra­gen pri­mä­re, sekun­dä­re oder ter­tiä­re Koh­len­stoff­ato­me sind. Pri­mä­re Koh­len­stoff­ato­me sind mit einem ande­ren Koh­len­stoff­atom ver­bun­den. Sekun­dä­re Koh­len­stoff­ato­me haben zwei benach­bar­te Koh­len­stoff­ato­me und ter­tiä­re Koh­len­stoff­ato­me haben drei Koh­len­stoff-Nach­barn.

Mehrwertige Alkohole

Sub­stan­zen mit meh­re­ren Hydro­xy­grup­pen wer­den als mehr­wer­ti­ge Alko­ho­le bezeich­net und so gibt es Dio­le (z.B. Ethan-1,2-diol), Trio­le (z.B. Gly­ce­rin) usw. Glu­co­se z.B. ver­fügt sogar über fünf Hydro­xy­grup­pen.

Dio­le mit zwei Hydro­xy­grup­pen an einem Koh­len­stoff­atom, z.B. Ethan-1,1-Diol, wer­den als gemi­na­le Dio­le bezeich­net. Gemäß der Erlen­mey­er-Regel sind sie sehr insta­bil. Eine Aus­nah­me von die­ser Regel bil­det Chlor­al­hy­drat (2,2,2-Trichlor-1,1-ethandiol). Es kommt als Schlaf­mit­tel zum Ein­satz, ist aber nicht ganz unge­fähr­lich. So soll Mari­lyn Mon­roe an einer Über­do­sis ver­stor­ben sein.

NameStruk­tur­for­mel
Ethan-1,2-diol (Glycol)
Propan-1,2,3-triol (Glycerin)
1,2,3,4,5-Pentahydroxyhexanal (Glucose)
Ethan-1,1-Diol
2,2,2-Trichlor-1,1-ethandiol (Chloralhydrat)
Mehr­wer­ti­ge Alko­ho­le

Reaktionen der Alkohole

Oxidation

Wie alle orga­ni­schen Stof­fe las­sen sich Alko­ho­le voll­stän­dig oxi­die­ren und es ent­ste­hen Koh­len­stoff­di­oxid und Was­ser.

$$
\ce{CH3CH2OH + 3 O2 -> 2 CO2 + 3 H2O}
$$

Mit mil­den Oxi­da­ti­ons­mit­teln wie Kali­um­per­man­ga­nat wer­den Alko­ho­le nicht voll­stän­dig oxi­diert, die star­ken Koh­len­stoff­bin­dun­gen wer­den also nicht gelöst, aber es ent­ste­hen Koh­len­stoff­ver­bin­dun­gen mit einer höhe­ren Oxi­da­ti­ons­stu­fe. Hier­für kom­men Alde­hyde (R-CHO), Keto­ne (R1-CO-R2) und Car­bon­säu­ren in Fra­ge (R-COOH). Wir spre­chen auch von einer par­ti­el­len Oxi­da­ti­on.

Oxidationsmöglichkeiten der Alkohole

Oxi­da­ti­ons­mög­lich­kei­ten der Alko­ho­le.

Wir wol­len uns hier­zu ein Expe­ri­ment anschau­en:

Versuch: Reduktion von Ethanol mit Kupfer(II)-oxid

Auf­bau:

Durch­füh­rung:
Ein Kup­fer­strei­fen (oder alter­na­tiv 1-Cent-Stück) wird in der Bren­ner­flam­me erhitzt, bis er eine schwar­ze Far­be annimmt.
Dann wird er in einen Erlen­mey­er­kol­ben mit Etha­nol gege­ben.
An die Mün­dung des Erlen­mey­er­kol­bens wird ein mit Schiff­scher Reagenz getränk­ter Wat­te­bausch gehal­ten.
Beob­ach­tung:
Nach dem Ein­tau­chen in Etha­nol nimmt der Kup­fer­strei­fen wie­der die ursprüng­li­che rote Far­be an. Die Schiff­sche Reagenz färbt sich vio­lett.
Deu­tung:
Beim Erhit­zen des Kup­fer­strei­fens bil­det sich an des­sen Ober­flä­che Kupfer(II)-oxid (CuO).
$$
\ce{2 Cu + O2 -> 2 CuO}
$$
Das noch hei­ße Kupfer(II)-oxid reagiert mit dem Etha­nol, wobei das schwar­ze Oxid zu metal­li­schem Kup­fer redu­ziert wird.
Etha­nol wird zu Ethanal oxi­diert, wes­halb der Alde­hyd­nach­weis mit der Schiff­schen Pro­be posi­tiv aus­fällt.

$$
\begin{align*}
\text{Ox: } & \ce{CH3-\overset{-I}{C}H2OH ->CH3-\overset{+I}{C}HO + 2 e- + 2 H+ } \quad \big \vert \cdot 1\\
\text{Red: }  & \ce{\overset{II}{Cu}O + 2e- +2 H+ -> \overset{0}{Cu} + H2O } \quad \big \vert \cdot 1\\ \\
\text{Redox: } & \ce{CH3-CH2OH + CuO + 2 e- +2 H+ -> CH3-CHO + 2 e- + 2 H+ + Cu + H2O }\\
& \ce{CH3-CH2OH + CuO -> CH3-CHO + Cu + H2O}
\end{align*}
$$

Als Oxi­da­ti­ons­mit­tel in Lösung wird häu­fig Kali­um­per­man­ga­nat ein­ge­setzt. Die Lösun­gen wer­den her­ge­stellt, indem nur eini­ge Kris­tal­le Kali­um­per­man­ga­nat in Was­ser gelöst wer­den. Anschlie­ßend wird mit Schwe­fel­säu­re ange­säu­ert. Wir wol­len uns anse­hen, wie pri­mä­re, sekun­dä­re und ter­tiä­re Alko­ho­le auf die Zuga­be von schwe­fel­saurer Per­man­ga­nat-Lösung reagie­ren.

Versuch: Reaktion verschiedener Butanole mit Kaliumpermanganat-Lösungen

Auf­bau


Durch­füh­rung
Es wird eine Per­man­ga­nat-Lösung her­ge­stellt, indem weni­ge Kris­tal­le in Was­ser gelöst wer­den. Zu die vio­let­ten Lösung wird Schwe­fel­säu­re gege­ben und geschüt­telt. Die Lösung wird auf drei Reagenz­glä­ser A, B und C ver­teilt.
In Reagenz­glas A wird Butan-1-ol, in Reagenz­glas B Butan-2-ol und in Reagenz­glas C 2-Methyl-2-pro­pa­nol getropft und anschlie­ßend geschüt­telt.
Die Reagenz­glä­ser wer­den in ein mit Was­ser gefüll­tes Becher­glas gege­ben und es wird erhitzt.
Beob­ach­tung
Bei den Reagenz­glä­sern A und B kommt es zu einer Ent­fär­bung, wäh­rend im Reagenz­glas C nach län­ge­rem Erhit­zen eine Braun­fär­bung zu beob­ach­ten ist.
Deu­tung
Pri­mä­re und sekun­dä­re Alko­ho­le las­sen sich mit Kali­um­per­man­ga­nat oxi­die­ren. (Die Braun­fär­bung beim 2-Methyl-pro­pan-2-ol ist auf eine Neben­re­ak­ti­on des Per­man­ga­nats zurück­zu­füh­ren.)
1. Reak­ti­on von Butan-1-ol \(\ce{C3H7-CH2OH}\) zu But­anal \(\ce{C3H7-CHO}\):

$$
\begin{align*}
\text{Ox: } & \ce{C3H7-\overset{-I}{C}H2OH -> C3H7-\overset{+I}{C}HO + 2e- + 2 H+} \\
\text{Red: } & \ce{\overset{VII}{Mn}O4- + 5 e- + 8 H+ -> \overset{II}{Mn}^{2+} + 4 H2O} \\ \\
\text{Redox: } & \ce{5 C3H7-CH2OH + 2 MnO4- + 10 e- + 16 H+ -> 5 C3H7-CHO + 10 e- + 10 H+ + 2 Mn^{2+} + 8 H2O} \\
& \ce{5 C3H7-CH2OH + 2 MnO4- + 6 H+ -> 5 C3H7-CHO + 2 Mn^{2+} + 8 H2O }
\end{align*}
$$

2. Reak­ti­on von Butan-2-ol \(\ce{CH3-CHOH-C2H5}\) zu But­a­non \(\ce{CH3-CO-C2H5}\):

$$
\begin{align*}
\text{Ox: } & \ce{CH3-\overset{0}{C}HOH-C2H5 -> CH3-\overset{II}{C}O-C2H5 + 2e- + 2 H+} \\
\text{Red: } & \ce{\overset{VII}{Mn}O4- + 5 e- + 8 H+ -> \overset{II}{Mn}^{2+} + 4 H2O} \\ \\
\text{Redox: } & \ce{5 CH3-CHOH-C2H5 + 2 MnO4- + 10 e- + 16 H+ -> 5 CH3-CO-C2H5 + 10 e- + 10 H+ + 2 Mn^{2+} + 8 H2O} \\
& \ce{5 R1-CHOH-R2 + 2 MnO4- + 6 H+ -> 5 R1-CO-R2 + 2 Mn^{2+} + 8 H2O }
\end{align*}
$$

Veresterung

Car­bon­säu­ren reagie­ren mit Alko­ho­len zu Estern, wobei Was­ser abge­spal­ten wird. Als Kata­ly­sa­tor kommt hier­bei kon­zen­trier­te Schwe­fel­säu­re zum Ein­satz.

Ver­such: Her­stel­lung eines Esters

Auf­bau

Durch­füh­rung

In ein Reagenz­glas wer­den 2mL Etha­nol, 2mL Ethan­säu­re und 1mL kon­zen­trier­te Essig­säu­re gege­ben.
Nach dem Schüt­teln wird indi­rekt im Was­ser­bad erhitzt, wobei die Was­ser­tem­pe­ra­tur nicht mehr als 78°C, der Sie­de­tem­pe­ra­tur von Etha­nol, betra­gen soll­te.

Beob­ach­tung

Nach eini­ger Zeit ist ein Geruch nach Alles­kle­ber bemerk­bar.

Deu­tung

Es ist Ethan­säu­re­ethyl­es­ter (Ethyl­etha­no­at) ent­stan­den.

Die Schwe­fel­säu­re hat dabei die Funk­ti­on eines Kata­ly­sa­tors. Der­ar­ti­ge Sub­stan­zen beschleu­ni­gen die Reak­ti­on, indem die Akti­vie­rungs­en­er­gie her­ab­ge­setzt wird. Nach Ende der Reak­ti­on lie­gen Kata­ly­sa­to­ren unver­än­dert vor.

$$
\ce{CH3-COOH + HO-CH2-CH3 -> CH3-CO-O-CH2-CH3 + H2O}
$$

Alkoholatbildung

Ver­such: Reak­ti­on von Natri­um mit Was­ser und mit Etha­nol

Auf­bau

Reak­ti­on mit Was­ser:

Etha­nol­a­ti­on.

Reak­ti­on mit Etha­nol:

Durch­füh­rung

Reak­ti­on mit Was­ser (Leh­rer-Demons­tra­ti­ons­ver­such, Abzug!). In eine mit Was­ser und eini­gen Trop­fen Phe­nol­ph­thalein gefüll­te pneu­ma­ti­sche Wan­ne wer­den klei­ne Papier­schiff­chen gebracht. Auf die schwim­men­den Schif­fe wer­den klei­ne Stück­chen Natri­um gebracht.

Reak­ti­on mit Etha­nol. In ein mit Etha­nol gefüll­tes Reagenz­glas mit Ablei­tung wird Natri­um gebracht. Das Reagenz­glas wird mit einem Stop­fen ver­schlos­sen und das ent­ste­hen­de Gas wird pneu­ma­tisch in einem Reagenz­glas auf­ge­fan­gen. Mit dem Gas wird die Knall­gas­pro­be durch­ge­führt. Nach been­de­ter Reak­ti­on mit dem Natri­um wird zu dem Reagenz­glas etwas Was­ser und Phe­nol­ph­thalein gege­ben.

Beob­ach­tung

Reak­ti­on mit Was­ser. Natri­um reagiert hef­tig mit Was­ser. Die Schif­fe ent­zün­den sich und das Natri­um kann noch hef­ti­ger reagie­ren. Das Phe­nol­ph­thalein färbt sich rot. (Das ist das Blut der gefal­le­nen See­leu­te).

Reak­ti­on mit Etha­nol. Die Knall­gas­pro­be ist posi­tiv und auch hier färbt sich das Phe­nol­ph­thalein rot.

Deu­tung

Durch die Hydro­xy­grup­pe reagie­ren Alko­ho­le ähn­lich wie Was­ser. So reagie­ren bei­de mit Natri­um, wobei die Reak­ti­on bei Was­ser wesent­lich hef­ti­ger aus­fällt.
$$
\begin{align*}
\text{Wasser: } & \ce{2 Na + 2 H2O -> 2 Na+ + 2 OH- + H2 }\\ \\
\text{Ethanol: } & \ce{Na + CH3-CH2OH -> Na+ + CH3-CH2O- + H2 }
\end{align*}
$$
Bei der Reak­ti­on von Natri­um mit Was­ser ent­ste­hen Hydr­o­xi­d­io­nen, die mit Phe­nol­ph­thalein oder Uni­ver­sal­in­di­ka­tor nach­ge­wie­sen wer­den kön­nen. Reagiert indes­sen Etha­nol, so ent­ste­hen Etha­nolat-Ionen: Auch die­se reagie­ren alka­lisch.

Etha­nolat-Ion.

In bei­den Fäl­len ent­steht Was­ser­stoff, das in der See­schlacht die Schif­fe ent­zün­det und bei der Reak­ti­on mit Etha­nol mit­tels Knall­gas­pro­be nach­ge­wie­sen wird.

Eliminierung

Erhitzt man glei­che Volu­mi­na von Etha­nol und kon­zen­trier­ter Schwe­fel­säu­re auf 160°C, so ent­steht ein Gas, das Brom­was­ser ent­färbt. Die Baey­er-Pro­be ver­läuft eben­falls posi­tiv.

Etha­nol wird eli­mi­niert. Wie bei jeder Eli­mi­nie­rung wird die Mehr­fach­bin­dung auf­ge­löst und als Neben­pro­dukt ent­steht hier Was­ser. Man spricht des­halb auch von einer Dehy­dra­ti­sie­rung.

$$
\ce{CH3-CH2OH ->[H2SO4] H2C=CH2 + H2O}
$$

Auf die­se Art lässt sich auch Etha­nol aus Ethen und Was­ser her­stel­len.

Herstellung

Etha­nol kann durch Gärung her­ge­stellt wer­den. Dabei wer­den Ein­fach­zu­cker wie Glu­co­se zu Etha­nol ver­go­ren.
$$
\ce{C6H12O6 -> 2 C2H5OH + 2 CO2}
$$
Aller­dings ist eine Kon­zen­tra­ti­on an Etha­nol über 15% nicht mög­lich, da das Zell­gift Etha­nol Bak­te­ri­en und Hefen tötet. Daher wird das Reak­ti­ons­ge­misch anschlie­ßend destil­liert, wenn man kei­nen Wein haben möch­te.