Eigenschaften und Isomerie der Alkanole

Alkanole ($$C_nH_{2n+1}OH$$), sind Stoffe mit mindestens einer Hydroxygruppe und einem gesättigten Alkylrest. Wenn Alkanole nur eine $$OH$$-Gruppe besitzen, nennst Du sie sind einwertig. Sie können auch mehr als eine Hydroxygruppe besitzen, aber leiten sich immer von einem Alkan ab. Hätte die Verbindung eine Doppelbindung und eine Hydroxygruppe, würdest Du sie als Alkenol bzw. Enol bezeichnen, mit einer Dreifachbindung Alkinol. Alkohol ist der Überbegriff für Alkanole, Alkenole und Alkinole.  Die homologe Reihe der einwertigen Alkanole ergibt sich durch eine Verlängerung um je eine $$CH_2$$​-Gruppe. Zur Benennung wird an den Namen des Alkans ein -$$ol$$​ gehängt. Hier siehst Du die homologe Reihe der Alkanole:

Wie Du in der Tabelle erkennen kannst, nehmen die Siedetemperaturen mit der Länge der Alkylkette zu. Dasselbe gilt für die Zähflüssigkeit der Alkanole. Das liegt daran, dass die Moleküloberfläche grösser ist und somit die zwischenmolekularen Kräfte stärker sind.

Wasserstoffbrückenbindungen

Die polare Natur der Hydroxylgruppe ermöglicht es kleineren Alkoholmolekülen, in Wasser löslich zu sein. Zwischen der Hydroxylgruppe eines Alkohols und den Wassermolekülen bilden sich Wasserstoffbrücken. Auch untereinander können Alkohole über die Hydroxylgruppen Wasserstoffbrückenbindungen bilden. Das Vorhandensein von Wasserstoffbrücken erklärt ihre geringe Flüchtigkeit im Vergleich zu ähnlich grossen organischen Verbindungen, wie z.B. Alkanen. Auf der Abbildung kannst Du die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Alkoholen und Wassermolekülen erkennen.

Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Alkoholen und zwischen Wassermolekülen.

Eigenschaften der Alkanole

Alkanole mit kurzen Alkylketten mischen sich mit Wasser unbegrenzt. Die Löslichkeit in Wasser nimmt mit zunehmender Kettenlänge eines Alkohols ab, da grössere Alkohole hauptsächlich aus einer unpolaren Kohlenstoffkette bestehen. Der unpolare Alkylrest kann mit seiner Umgebung nur über schwache Van-der-Waals-Kräfte in Wechselwirkungen treten. Zudem werden durch die langen Alkylketten auch die starken Wasserstoffbrücken unterbrochen.

Alkanole brennen an der Luft. Der Flammpunkt steigt dabei mit der Länge der Alkylkette. Methanol ist zum Beispiel leicht entzündlich, Dodecan-1-ol nicht. Bei der Verbrennung von Alkanolen entstehen nur Kohlenstoffdioxid und Wasser.

Isomerie

In der homologen Reihe der Alkanole findest Du ganz viele Isomere. Zur Erinnerung: Isomere sind Verbindungen, deren Summenformel identisch ist, aber die verschiedene Strukturformeln haben. Eine Änderung der Position der Hydroxygruppe eines Alkanols führt zur Entstehung eines isomeren Alkanols, dies wird Stellungsisomer genannt. Verzweigte Alkanole sind Konstitutionsisomere von unverzweigten Alkanolen.

Hier siehst Du ein Beispiel für die Stellungsisomere des Pentanols:

​Namensgebung

Du beginnst, in dem Du den Stammnamen der Verbindung ermittelst, dafür suchst Du die längste Kohlenstoffkette. Danach ermittelst Du die Position der $$OH$$-Gruppe. Die Position der Hydroxygruppe wird im Namen über die Position des Kohlenstoffatoms festgelegt, an das sie gebunden ist. Du nummerierst die C-Atome so, dass das $$C$$​-Atom mit der $$OH$$​-Gruppe die kleinstmögliche Zahl erhält. Zum Schluss bestimmst Du die Anzahl und Position aller anderen Substituenten (zum Beispiel Alkylgruppen).

Hier sind zwei Beispiele:

Butan-2-ol

4-Methylpentan-2-ol

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Polyole

Alkohole mit mehreren $$OH$$-Gruppen werden als mehrwertige Alkohole (Polyole) bezeichnet. Jedes Kohlenstoffatom trägt dabei maximal eine Hydroxygruppe. Durch die grössere Anzahl an $$OH$$​-Gruppen werden mehr Wasserstoffbrücken ausgebildet, wodurch es zu stärkeren zwischenmolekularen Kräften zwischen den Molekülen kommt. Das führt dazu, dass ihre Siedetemperatur deutlich höher ist, als die der einwertigen Alkohole. Durch die starken Wechselwirkungen kommt es auch zu einer grösseren Viskosität als bei vergleichbaren einwertigen Alkoholen. Auch die Löslichkeit in Wasser ist viel grösser, durch die wasseranziehende (hygroskopische) Wirkung. 

Klassifizierung von Alkanolen

Alkohole sind Moleküle mit der funktionellen Gruppe $$-OH$$ und können als primäre, sekundäre oder tertiäre Alkohole klassifiziert werden. Sie haben die allgemeine Formel $$C_nH_{2n+1}OH$$. Ein primärer Alkohol ist mit nur einer Alkylgruppe verbunden, ein sekundärer Alkohol mit 2 und ein tertiärer Alkohol mit drei Alkylgruppen.

1. Primärer Alkohol; 2. sekundärer Alkohol; 3. tertiärer Alkohol; R = Alkylgruppe

Reaktionen von Alkoholen

Alkohole können als Ausgangsmolekül für verschiedene Reaktionen dienen, um ein Produkt mit der gewünschten funktionellen Gruppe zu bilden. Hier sind ein paar Beispiele angeführt.

Chloralkane

Alkohole können mit Phosphorpentachlorid oder Salzsäure reagieren und Chloralkane bilden.

Reaktion mit Phosphorpentachlorid

$$ROH \space + PCl_5 \rightarrow RCl \space+ \space HCl \space+ \space POCl_3$$

Beispiel

$$Ethanol \space + Phosphorpentachlorid \rightarrow Chlorethan \space+ \space Chlorwasserstoff \space+ \space Phosphorchlorid\\C_2H_5OH \space + PCl_5 \rightarrow C_2H_5Cl \space+ \space HCl \space+ \space POCl_3$$

Reaktion mit Chlorwasserstoffsäure

$$ROH \space + \ HCl \rightarrow RCl \ + \ H_2O$$

Beispiel

$$Propanol \space + \ Salzsäure \rightarrow Chloropropan \ + \ Wasser\\ C_3H_7OH \space + \ HCl \rightarrow C_3H_7Cl \ + \ H_2O$$

Bromalkane

Alkohole können in einer zweistufigen Substitutionsreaktion mit Bromidionen in Gegenwart eines sauren Katalysators, wie z.B. $$50 \%$$ konzentrierter Schwefelsäure, zu Bromalkanen umgesetzt werden. Die Bromionen reagieren mit der Schwefelsäure zu Bromwasserstoff, der wiederum mit dem Alkohol zu einem Bromalkan reagiert.

$$ROH \xrightarrow {Br^-, \ 50\% \ k.H_2SO_4} RBr \ + \ H_2O$$

Beispiel

Im Folgenden findest Du ein Beispiel für einen Reaktionsmechanismus mit Ethanol.

Erstens reagiert Kaliumbromid, das eine Quelle für Bromidionen ist, mit Schwefelsäure.

$$Kaliumbromid\ + Schwefelsäure \rightarrow Wasserstoffbromid \ + Kaliumsulfat \\2KBr \ + H_2SO_4 \rightarrow 2HBr \ + \ K_2SO_4$$

Der gebildete Bromwasserstoff reagiert dann mit Ethanol.

$$Ethanol \ + \ Bromwasserstoff\rightarrow Bromethan \ + \ Wasser \\C_2H_5OH \ + \ HBr \rightarrow C_2H_5Br \ + \ H_2O$$

Iodoalkane

Alkohole reagieren mit Phosphortriiodid zu Iodalkan. Phosphortriiodid wird an Ort und Stelle hergestellt, wenn das Reaktionsgemisch aus rotem Phosphor, Iod und dem Alkohol unter Rückfluss gehalten wird.

$$3 \,ROH \space + \ PI_3 \rightarrow 3 \,RI \ + \ H_3PO_3 \\$$

Beispiel

$$Ethanol \ + Phosphortrijodid \rightarrow Jodethan \ + \ Phosphorsäure\\3 \, C_2H_5OH \ + \ PI_3 \rightarrow 3 \,C_2H_5I \ + \ H_3PO_3 \\$$

Dehydratisierung

Alkene können aus Alkoholen durch Dehydratisierung in Gegenwart eines sauren Katalysators, wie konzentrierter Schwefelsäure, hergestellt werden. Polymere können mit Alkohol als Ausgangsstoff hergestellt werden, da er eine erneuerbare Ressource ist.

$$Alkohol \xrightarrow {c.H_2SO_4} Alken \ + \ Wasser$$

Beispiel

$$Ethanol \xrightarrow{c.H_2SO_4} Ethen \ + \ Wasser \\C_2H_5OH \xrightarrow{c.H_2SO_4} C_2H_4 \ + \ H_2O$$

In der folgenden Abbildung siehst Du den Mechanismus für die Dehydratisierung von Ethanol:

Bei der Dehydratisierung von unsymmetrischen Alkoholen kann ein Gemisch von Produkten ergeben, darunter E/Z-Isomere.

Beispiel

Butan-$$2$$-ol dehydratisiert zu einem Gemisch aus Alkenen, einschliesslich E/Z-Isomeren.

1. But-1-en; 2. E-But-2-en; Z-But-2-en