Alkohole

aus ZUM-Wiki, dem Wiki für Lehr- und Lerninhalte auf ZUM.de
Version vom 13. Oktober 2011, 19:43 Uhr von Karl Kirst (Diskussion | Beiträge)

(Unterschied) ← Nächstältere Version | Aktuelle Version (Unterschied) | Nächstjüngere Version → (Unterschied)
Wechseln zu: Navigation, Suche

Einleitung

Homologe Reihe und Nomenklatur

Alkanole (Alkohole) sind Hydroxyderivate der Alkane. Ihre Namen werden aus dem Namen des entsprechenden Kohlenwasserstoffs durch Anhängen des Suffixes -ol gebildet. Funktionelle Gruppe der Alkanole ist die Hydroxylgruppe (OH-Gruppe), die mit ihrem ausgeprägt polaren Charakter die Eigenschaften und das Reaktionsverhalten der Stoffe in entscheidender Weise bestimmt. Auch die Alkanole bilden eine homologe Reihe, deren ersten Glieder sind:


Name Halbstrukturformel Methanol (Methylalkohol) CH3-OH Ethanol (Ethylalkohol) CH3-CH2-OH 1-Propanol (Propylalkohol) CH3-CH2-CH2-OH 1-Butanol (Butylalkohol) CH3-CH2-CH2-CH2-OH

Die ersten Glieder der homologen Reihe der Alkanole Die Molekülformeln dieser und der weiteren Alkanole lassen sich aus der allgemeinen Formel CnH2n+1OH für die Stoffklasse ableiten, wobei die Hydroxylgruppe ab Propanol endständig (1-Propanol oder auch Propan-1-ol) oder mittelständig (2-Propanol oder Propan-2-ol) sein kann, es tritt hier also das Phänomen der Isomerie auf. Neben einer solchen Klassifizierung der Alkanole nach der Stellung ihrer charakteristischen Gruppe (primäre, sekundäre und tertiäre Alkanole) ist die Einteilung nach der Anzahl der Hydroxylgruppen im Molekül von Bedeutung. Zunächst einmal sollen aber diejenigen Alkanole betrachtet werden, deren Moleküle nur eine Hydroxylgruppe besitzen. Sie werden als einwertige Alkanole bezeichnet. Allgemeine Eigenschaften

Aggregatzustand

Im Vergleich zu den entsprechenden Kohlenwasserstoffen besitzen die Alkanole wesentlich höhere Siede- bzw. Schmelzpunkte. Schon bei den ersten Gliedern in der homologen Reihe der Alkanole handelt es sich um farblose Flüssigkeiten, nicht um gasförmige Stoffe.

Alkane Alkanole Alkan Molekülmasse Siedepunkt Schmelzpunkt Alkanole Molekülm. Siedep. Schmelzp. Methan 16u -161oC -182oC Methanol 32u 65oC> -97oC Ethan 30u -88oC -183oC Ethanol 46u 78oC -115oC Propan 44u -42oC -190oC 1-Propanol 60u 97oC -126oC Butan 58u -1oC -135oC 1-Butanol 74u 118oC -90oC Pentan 72u 36oC -130oC 1-Pentanol 88u 138oC -78oC Hexan 86u 69oC -95oC 1-Hexanol 102u 157oC -52oC Dodecan 170u 216oC -10oC Dodecanol 186u 256oC -24oC Hexadecan 226u 287oC 18oC Hexadecanol 242u - 50oC Octadecan 254u 308oC >28oC Octadecanol 270u - 59oC Vergleich physikalischer Kenndaten von n-Alkanen und der von ihnen abgeleiteten Alkanole.


Die Ursache für den relativ hohen Siedepunkt des Ethanols und der anderen Alkanole liegt in der Möglichkeit zur Ausbildung von starken intermolekularen Wechselwirkungen zwischen den Alkanolmolekülen. Daher kostet es relativ viel Energie, ein Ethanolmolekül aus diesem Verband zu lösen und in die Gasphase zu überführen. Infolge der hohen Elektronegativität des Sauerstoffatoms ist die C-O-Bindung schwach, die O-H-Bindung sehr stark polarisiert. Aus diesem Grund können Wasserstoffbrücken zwischen den polaren Ethanolmolekülenausgebildet werden: Das positivierte Wasserstoffatom der OH-Gruppe wird durch das Sauerstoffatom des Nachbarmoleküls mit negativer Teilladung und freiem Elektronenpaar elektrostatisch angezogen, wodurch größere Molekülassoziationen entstehen. Die Wasserstoffbrückenbindungen sind als gestrichelte Linien dargestellt:


Ähnlich wie bei Wasser sind diese Molekülverbände im festen Zustand stabil, in der Flüssigkeit lösen und bilden sich die Wasserstoffbrücken ständig und in rascher Folge, in der Gasphase liegt Ethanol in Form von Einzelmolekülen, man sagt auch monomer vor. Ab Dodecanol handelt es sich bei den Alkoholen um wachsartige Feststoffe ("Fettalkohole"). Die Zunahme der Siede- und Schmelzpunkte innerhalb der homologen Reihe ist auf das steigende Molekulargewicht zurückzuführen und darauf, dass zwischen den immer länger werdenden Alkylresten die Möglichkeiten zur Ausbildung von van-der-Waals-Kräften zunehmen. Die mit der Moleküllänge steigenden bindenden Wechselwirkungen zwischen den unpolaren Alkylresten der Moleküle sind auch der Grund für die zunehmende Viskosität. Mit wachsendem Alkylrest ihrer Moleküle werden die Alkanole dementsprechend immer zähflüssiger.Isomere Alkanolmoleküle besitzen ein identisches Molekulargewicht, welches z.B. für die vier isomeren Butanole M(C4H10O) = 74g/mol beträgt. Die vier Flüssigkeiten besitzen allerdings deutlich unterschiedliche Siedepunkte:


Die lang gestreckten, unverzweigten Isomere besitzen gegenüber den verzweigten, in ihrer Raumgestalt eher "kugeligen" Isomeren den höheren Siedepunkt. Ursache hierfür ist wiederum die bessere Möglichkeit zur Ausbildung von van-der-Waals-Kräften zwischen den Alkylketten, denn linear gebaute, unverzweigte Moleküle besitzen eine größere Oberfläche zur Ausbildung dieser bindenden Wechselwirkungen. Besonders auffällig sind die hohen Siedepunkte der mehrwertigen Alkohole, zudem handelt es sich bei Ethandiol (= Glykol; Siedepunkt 197oC) und besonders bei Propantriol (= Glycerin; Siedepunkt 290oC) um viskose, also zähflüssige Substanzen. Der fünf\vertige Alkohol Xylit schließlich ist eine kristalline Substanz mit einem Schmelzpunkt von 61oC, der sechswertige Alkohol Sorbit besitzt einen Schmelzpunkt von 97oC. Diese Eigenschaften lassen auf starke intermolekulare Kräfte zwischen den Polyalkoholmolekülen schließen, und tatsächlich ermöglicht der Besitz von mehreren Hydroxylgruppen im Molekül die Ausbildung von mehr als nur einer Wasserstoffbrücke zu Nachbarmolekülen. Hoher Siedepunkt, erhöhte Viskosität und Feststoffcharakter können also mit der Häufung von Wasserstoff brückenbindungen zwischen den Molekülen erklärt werden. In der folgenden Moleküldarstellung ist die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen (gestrichelte Linien) zwischen Ethandiolmolekülen schematisch dargestellt: Löslichkeit



Auch das Lösungsverhalten der Alkohole wird weitgehend durch ihre funktionelle Gruppe, die polare Hydroxylgruppe bestimmt. So sind Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol und auch 2-Methyl-2-propanol in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar. Wie zwischen Wassermolekülen einerseits und Ethanolmolekülen andererseits, kann es auch zwischen Wasser und Ethanolmolekülen zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen kommen, wofür eine strukturelle Verwandtschaft die Ursache ist, denn Ethanol kann nicht nur als Hydroxylderivat des Ethans, sondern auch als Ethylderivat des Wassers betrachtet werden: Die Moleküle beider Stoffe sind gewinkelte Dipolmoleküle das Molekül des Ethanols ist sozusagen "wasserähnlich" gebaut. Im Folgenden ist die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen (gestrichelte Linien) zwischen den Wasser- und den Ethanolmolekülen schematisch dargestellt:



Beim Mischen von 50 ml Ethanol und 50 ml Wasser im Experiment erhält man eine Lösung mit einem Volumen von ca. 96 ml, also etwas weniger als die zu erwartenden 1 00 ml. Auch diese Volumenkontraktion beim Lösen von Alkohol in Wasser beruht auf der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Wasser- und den Ethanolmolekülen. Doch nicht nur die Hydroxylgruppe, auch der Ethylrest bestimmt das Lösungsverhalten des Ethanols. So mag es zunächst erstaunen, dass sich Ethanol nicht nur mit dem polaren Wasser, sondern auch mit unpolaren Kohlenwasserstoffen wie Hexan unbegrenzt mischen lässt. Erstaunlich ist dieses Phänomen, da Alkane wie etwa Benzin und Wasser sich bekanntlich nicht miteinander mischen lassen.


Legen wir die chemische Regel "Ähnliches löst sich in Ähnlichem" als Erklärung zugrunde, müssen wir schließen, dass Ethanol neben seinem polaren auch einen unpolaren Charakter besitzt, und tatsächlich erkennen wir im Ethanolmolekül neben dem polaren (Hydroxyl-) auch einen unpolaren (Ethyl-)Anteil. Aufgrund seiner polaren funktionellen Gruppe ist Ethanol daher hydrophil ("wasserfreundlich"), aufgrund seines Alkyliestes aber auch zugleich lipophil ("fettfreundlich") und daher mit Alkanen mischbar:


Lösungsverhalten von Ethanol: Erklärung aus dem Molekülbau.


Innerhalb der homologen Reihe der Alkanole nimmt die Löslichkeit in Wasser (Hydrophilie) ab, die Löslichkeit in unpolaren Kohlenwasserstoffen (Lipophilie) hingegen zu. Erklären lässt sich dieses Lösungsverhalten dadurch, dass mit wachsendem Alkylrest der Alkanole der lipophile (= hydrophobe) Anteil im Molekül größer wird und damit über die polare Hydroxylgruppe dominiert. Die festen, langkettigen "Fettalkohole" ("Wachsalkohole") wie Hexadecanol, CI6H33-OH sind in Wasser unlöslich, also vollständig hydrophob ("wasserfeindlich").


Alkanol Halbstrukturformel Löslichkeit Methanol CH3-OH in jedem Verhältnis Ethanol CH3-CH2-OH in jedem Verhältnis 1-Propanol CH3-CH2-CH2-OH in jedem Verhältnis 1-Butanol CH3-CH2-CH2-CH2-OH 7,9g 1-Pentanol CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-OH 2,3g 1-Hexanol CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-OH 0,6g 1-Heptanol CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-OH 0,2g 1-Octanol CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-OH 0,05g Löslichkeit von Alkoholen in Wasser


Vertreter

Ethanol

Der bedeutendste einwertige Alkohol ist Ethanol (auch: Ethylalkohol oder "Weingeist"). Diesen Alkohol kennen wir vor allem als Inhaltsstoff diverser alkoholischer Getränke wie Bier, Wein, Sekt, Sherry, Cognac, Wodka, Rum und Whiskey. Alkoholika enthalten Ethanol in sehr verschiedenen Konzentrationen. So sind in Bier ca. 5 Vol-%, in Wein ca. 10 Vol-%, in Likör ca. 30 Vol-%, und in Weinbrand ca. 40 Vol-% Ethanol enthalten. Hochprozentige alkoholische Getränke mit mehr als 50 Vol-% Alkoholgehalt sind brennbar; so können Speisen wie Früchte oder Eis zur Geschmacksverfeinerung z.B. mit Weinbrandübergossen und angezündet ("flambiert") werden. Auch der bekannte Brennspiritus ist hochprozentiger Alkohol, der allerdings durch Vergällen als Genussmittel unbrauchbar gemacht wird.

Die im Alltag gebräuchliche, wenn auch wenig exakte Bezeichnung "Alkohol" für den Ethanol, bzw. die Namengebung "Alkohole" für die gesamte chemische Stoffklasse der Alkanole hat ihre Wurzel im arabischen (arab. alcool: das Feine). Die Zubereitung von alkoholischen Getränke ist eine jahrtausendalte Kulturtechnik. So stellten die Sumerer bereits vor mehr als 5000 Jahren Bier her, die Germanen bereiteten aus Honig ihren Met (gegorener Honigsaft) und die Griechen und Römer gewannen Wein aus Traubensaft.

Ausgangsstoff für die Bereitung alkoholischer Getränke sind traubenzuckerhaltige Lösungen. Traubenzucker (Glucose) kommt im Saft der Weintrauben, aber auch in vielen anderen Fruchtsäften wie in Apfel-, Kitsch- oder Pflaumensaft vor. Einzellige Hefepilze sind in der Lage, Traubenzucker im anaeroben Milieu, d. h. unter Sauerstoffausschluss zu Alkohol und Kohlenstoffdioxid zu vergären. Für den Stoffwechselprozess der alkoholischen Gärung lässt sich die folgende Bilanzgleichung angeben:



Die Tatsache, dass auch stärkehaltige Pflanzenteile wie Gerste (bei der Bierherstellung) zur Bereitung alkoholischer Getränke geeignet sind, beruht darauf, dass Stärke enzymatisch zu Traubenzucker abgebaut werden kann. Das Enzym Diastase in keimender Gerste (Gerstenmalz) spaltet den Vielfachzucker Stärke in den Doppelzucker Maltose. Ein Enzym der Hefezellen, die Maltase, kann den Doppelzucker Maltose (Malzzucker) zum Einfachzucker Glucose (Traubenzucker) spalten. Der Gärvorgang lässt sich anhand der Kohlenstoffdioxid-Entwicklung verfolgen. Das Gärgefäß, z. B. für den gärenden Traubensaft, darf nicht fest verschlossen sein, denn durch den entstehenden Überdruck könnte es bersten. Bei der Verwendung von Bäckerhefe für die Bereitung von Brotteig läuft ebenfalls die alkoholische Gärung ab, der beim Brotbacken entstehende Alkohol verdampft allerdings während des Backvorgangs. Das entstehende Kohlenstoffdioxid lässt den Teig "aufgehen", es macht ihn damit locker. Dazu stellt man den Teig an einen warmen Ort, da in der Wärme die Stoffwechselprozesse der Hefezellen beschleunigt ablaufen.

Die Herstellung von hochprozentigen alkoholischen Getränken ist durch Gärung allein nicht möglich, denn die Hefepilze sterben bei einem Alkoholgehalt von ca. 15 Vol-% an einer von ihnen selbst verursachten Umweltvergiftung. Höhere Alkoholkonzentrationen wie im so genannten "Spiritus" erreicht man durch das "Brennen", ein Destillationsverfahren, das es z. B. ermöglicht, Branntwein aus Wein zu gewinnen. Der Alkoholgehalt im Destillat beträgt dabei maximal 96 %, die restlichen 4 % sind immer noch Wasser. Reinen, ..absoluten" Alkohol erhält man erst, wenn man den 96 %-igen Alkohol mit einem hygroskopischen (wasserentziehenden) Mittel wie Calciumoxid versetzt und anschließend nochmals destilliert.

Wird der Alkohol nicht zu Spirituosen weiterverarbeitet, so werden ihm häufig übelriechende, schwer abtrennbare Stoffe zugesetzt, die ihn ungenießbar machen („Vergällung“). Ethanol etwa wird so zu Brennspiritus, womit beim Verkauf die hohe Alkoholsteuer entfällt.

Für industrielle Zwecke wird Ethanol nicht biotechnisch - also durch Gärung zuckerhaltiger Säfte - sondern großtechnisch durch Addition von Wasser an den ungesättigten Kohlenwasserstoff Ethen synthetisiert. Diese Reaktion wird durch Schwefelsäure katalysiert :



Etwa 80% des in der Bundesrepublik erzeugten Ethanols gelangen in die Industrie und dienen somit nicht als Genussmittel. Ethanol ist ein wichtiges Lösungsmittel für Harze, Lacke und Farbstoffe z. B. in Filzschreibern. Er dient ferner zum Auflösen der Wirkstoffe in Arzneimitteln z. B. von Kräuterextrakten, als Reinigungs-, Desinfektions- und Konservierungsmittel, da er Bakterien und Pilze abzutöten vermag, sowie zur Herstellung von Kosmetika wie Rasierwasser, Mundwasser und Parfüm. In Thermometern kann blau oder rot gefärbter Ethanol außerdem das gefährliche Quecksilber ersetzen. Ethanol ist ein starkes Gift und zudem die wichtigste "Alltagsdroge" unserer Zivilisation. Alkoholkonsum stellt in Deutschland die Unfallursache Nr. 1 im Straßenverkehr dar. Der Genuss mäßiger Mengen alkoholischer Getränke hebt die Stimmung, bei größeren Alkoholmengen kommt es zu einem "Rausch" und schon bei 0,5 o/oo Blutalkoholgehalt ist das Unfallrisiko verdreifacht, da einerseits das Reaktionsvermögen ab- und anderseits die Risikobereitschaft zunimmt. Bei 1,5o/00 ist das Risiko für einen Unfall mit Personenschaden auf das 16-fache erhöht, der Verkehrsteilnehmer gilt als absolut fahruntüchtig. Auftretendes "Lallen" ist ein Symptom für die Störung des Sprachzentrums in der Großhirnrinde, "Torkeln" ein Anzeichen für eine gestörte Bewegungskoordination im Kleinhirn. Bei noch höheren Alkohol-Blutwerten kommt es zum ..Filmriss" (Gedächtnisverlust), bei 3 %. ist in der Regel das Stadium der absoluten Hilflosigkeit erreicht und es droht der Tod durch Atemstillstand oder Herzversagen (Koma).

Alkohol schädigt bei Dauerkonsum alle Organe. Besonders betroffen sind die Leber als Entgiftungszentrale, die Nieren, das Herz, der Magen, die Geschlechtsorgane und das Gehirn, wo sich Schädigungen in Konzentrations- und Gedächtnisstörungen äußern, da jeder Rausch mehrere Millionen Gehirnzellen zerstört. In besonderem Maße gefährdet in seiner Entwicklung ist auch der Embryo bei Alkoholmissbrauch der Mutter während der Schwangerschaft.

Da Alkohol eine Droge ist, macht er abhängig und führt schließlich zum Krankheitsbild "Alkoholismus", Der Alkoholkranke steht unter einem inneren Wiederholungszwang zum Konsum; er fühlt sich ohne die Wirkung der Droge verloren und leer (seelische oder psychische Abhängigkeit) und zeigt bei Alkoholentzug quälende Entzugserscheinungen wie Schweigausbrüche, Halluzinationen und Händezittern (körperliche oder physische Abhängigkeit). Alkoholsüchtige sind krank; nur eine Entziehungskur kann ihnen helfen, wobei die Patienten im Anschluss an den Entzog absolut abstinent ("trocken") bleiben müssen und lebenslang rückfallgefährdet sind: "Die Sucht schläft nur."

Methanol

Der am einfachsten gebaute Alkohol ist Methanol oder Methylalkohol (auch: "Holzgeist"). Methanol ist das Hydroxyderivat des Methans. Methanol ähnelt in Geruch und Geschmack dem Ethanol, doch ist dieses erste Glied der homologen Reihe der Alkohole ein viel stärkeres Gift. Die tödliche Dosis für einenErwachsenen wird zumeist mit 30-50 ml angegeben, es worden aber auch schon Todesfälle bei weit niedrigeren Mengen (5 ml) bekannt. Die Aufnahme von Methanol führt zu Gehirnschäden und Erblindung durch Schädigung der Sehnerven. Die Vergiftungssymptome wie Bauchkrämpfe, Schwindel, Übelkeit, Sehstörungen und Bewusstlosigkeit treten erst mit Verzögerung nach 15 bis 20 Stunden auf Methanol lässt sich von Ethanol im Labor mithilfe der Boraxprobe unterscheiden. Man gibt zu einigen Millilitern des Alkohols eine Spatelspitze Borax (Dinatriumtetraborat Na2B407) in ein Porzellanschälchen und entzündet die Probe. Bei Methanol zeigt sich eine typische grüne Flammenfärbung, bedingt durch einen leichtflüchtigen, brennbaren Borsäuretrimethylester, der unter diesen Bedingungen entsteht.

Methanol wird großtechnisch aus "Synthesegas" (Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff) hergestellt:



Methanol kann als Benzinzusatz oder sogar als Benzinersatz verwendet werden, wobei der Einsatz von Methanol in Verbrennungsmotoren weniger Schadstoffe freisetzt als der von Benzin.

Weitere primäre Alkanole

Wie bereits erwähnt, lassen sich nach der Stellung der Hydroxylgruppe im Molekül zwei isomere Propanole unterscheiden: 1-Propanol (Propylalkohol) mit einem Siedepunkt von 97 oC und 2-Propanol (Isopropylalkohol) mit einem Siedepunkt von 82 oC:


2-Propanol ist der einfachste Vertreter der sekundären Alkohole. Bei den Butanolen existieren bereits vier Isomere. Die homologe Reihe der Alkohole lässt sich fortsetzen mit:

·Butylalkohol(1-Butanol) CH3-CH2-CH2-CH2-OH (Siedepunkt:117 oC) und·Amylalkohol(1-Pentanol) CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-OH (Siedepunkt: 138 oC).

Feste Alkohole mit 12 bis 18 Kohlenstoffatomen werden aus Erdöl synthetisiert und sind wichtige Ausgangsstoffe für die künstlichen Tenside (Waschmittel). Wichtige Vertreter sind:

·Laurylalkohol(1-Dodecanol)CH3-(CH2)10-CH2-OH(Schmelzpunkt: 24oC) und ·Stearylalkohol(1-Octadecanol)CH3-(CH2)16-CH2-OH (Schmelzpunkt: 59 oC).


Sekundäre und tertiäre Alkanole

Eine wichtige Klassifizierung der Alkohole orientiert sich an der Stellung der Hydroxylgruppe innerhalb der Moleküle.


Bei primären Alkoholen ist die OH-Gruppe endständig. Das Kohlenstoffatom das die Hydroxylgruppe trägt, ist an nur ein weiteres Kohlenstoffatom gebunden. Kennzeichnende Atomgruppe primärer Alkohole ist daher die OH-Gruppe.




Bei sekundären Alkoholen ist das die Hydroxylgruppe tragende C-Atom an zwei weitere C-Atome gebunden. Sie besitzen die charakteristische Gruppierung


Mit 2-Propanol habt man den einfachsten Vertreter der sekundären Alkohole bereits kennengelernt.



Bei tertiären Alkoholen schließlich ist das die Hydroxylgruppe tragende C-Atom mit drei weiteren C- Atomen verknüpft. Vertreter dieser Klasse besitzen daher eine


Die vier genannten Beispiele besitzen alle die Summenformel C4H10O bei jeweils unterschiedlichem Molekülaufbau. Es handelt sich bei den vier Stoffen um die vier isomeren Butanole. Die Substanzen unterscheiden sich in ihren Siedepunkten und hinsichtlich ihrer Wasserlöslichkeit deutlich voneinander. Mehrwertige Alkanole

Neben der Klassifizierung der Alkanole nach der Stellung der Hydroxylgruppe im Molekül - also in primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole - ist die Einteilung nach der Anzahl der Hydroxylgruppen in ein-, zwei-, dreiwertige Alkanole bedeutsam:



Mehrwertige Alkanole, auch Polyole oder Polyalkohole genannt, tragen mehrere funktionelle OH-Gruppen, im Höchstfall so viele, wie Kohlenstoffatome im Molekül vorhanden sind.


Nach der Erlenmeyer-Regel sind Verbindungen mit mehr als einer Hydroxylgruppe an einem Kohlenstoffatom nicht stabil.


Ethandiol

Der einfachste zweiwertige Alkohol heißt 1,2-Ethan-diol, mit Trivialnamen auch Glykol bzw. Ethylenglykol. 1,1-Ethandiol wird als Frostschutzmittel in den Kühlflüssigkeiten von Kfz-Motoren eingesetzt, denn ein 1:1 -Gemisch aus Wasser und Glykol gefriert erst bei Temperaturen von -40 oC. Ethandiol lässt sich sehr kostengünstig aus Erben synthetisieren. Mittels Silber(1)-oxid als Katalysator kann Ethen durch Luftsauerstoff zu Ethylenoxid oxidiert werden. Ethylenoxid ist eine stark giftige Substanz, die sich im Tierversuch als eindeutig krebserregend erwiesen hat. Säurekatalysiert reagiert das Gas Ethylenoxid mit Wasser zu Ethandiol weiter:



Aus Ethandiol lässt sich ein sehr wichtiges Lösungsmittel, der cyclische Ether 1,4-Dioxan (Diethylenoxid) herstellen. In einer Kondensationsreaktion - also unter Wasserabspaltung - entsteht säurekatalysiert aus zwei Ethandiolmolekülen ein Sechsringmolekül mit zwei Sauerstoffatomen im Ring:


Propantriol

Der bedeutendste dreiwertige Alkohol heißt 1,2,3-Propantriol (mit Trivialnamen Glycerin bzw. Glycerol). Sein wenig gebräuchlicher deutscher Name ist "Ölsüß", der Bezug auf die Eigenschaften der sehr viskosen, farblosen, süßlig schmeckenden Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von 290 oC nimmt.

Glycerin ist eine wertvolle Verbindung, die äußerst vielseitig verwendet werden kann. Als Bestandteil der Triglyceridmoleküle, die pflanzliche und tierische Fette und Öle aufbauen, ist Glycerin in der Natur außerordentlich verbreitet. "Fette" sind Ester aus Glycerin und Fettsäuren. Kokosnussöl enthält mehr als 15 %, Palmöl, Sojaöl und Rindertalg enthalten jeweils ca. 10 % Glycerin.

Bei der Seifenherstellung aus natürlichen Fetten fällt Glycerin als kostbares Nebenprodukt an. Die technische Synthese von Glycerin geht vom Propengas aus, das in größeren Mengen beim Crackprozess in der Rohölverarbeitung anfällt. Aus der Umsetzung von Propen mit Chlor erhält man bevorzugt Allylchlorid (3-Chlor-1-propen):


Durch Addition von hypochloriger Säure (HOCl) an die Doppelbindung wird Allylchlorid in ein Produktgemisch aus 2,3-Dichlor-1-propanol (Glycerin-1,2-dichlorhydrin) und 1,2-Dichlor-2-propanol(Glycerin-1,3-dochlorhydrin) überführt:

Durch Umsetzung mit verdünnter Natronlauge kann dann die Reaktion zu Glycerin erfolgen:



Einige der vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten des Glycerins:

· Im Gemisch mit Wasser fungiert Glycerin als Frostschutzmittel, z.B. im Autokühler. · In der Herstellung von Nitroglycerin (Dynamit); hierzu wird Glycerin mit Nitriersäure, einem Gemisch aus konzentrierter Salpetersäure und konzentrierter Schwefelsäure umgesetzt. · Zusammen mit Dicarbonsäuren reagiert Glycerin zu Polyestern die hierzu zählenden Alkydharze finden Verwendiing bei der Produktion von Kunstharzlacken wie z. B. Autolacken. · Glycerin dient als Hautpflegemittel in kosmetischen Präparaten, · in der Pharmazie zur Herstellung von Salben und Zahnpasta, · in Nahrungsmitteln als zugelassener Zusatzstoff E 422 und · ist ein beliebtes Schmier-, Gleit- und Abdichtungsmittel.


Weitere mehrwertige Alkanole

Mit steigender Anzahl von Hydroxylgruppen verstärkt sich der süße Geschmack der Polyalkohole, eine Eigenschaft die bei Glykol (Ethandiol) schwach, bei Glycerin (Propantriol, "Ölsüß") schon deutlich ausgeprägt ist. Xylit, ein Pentanpentaol (audi Pentit genannt), besitzt nahezu die gleiche Süßkraft wie der so genannte "Rohr-" oder "Haushaltszucker", die Saccharose. Sorbit, ein Hexanhexaol (oder Hexit) besitzt ungefähr 50 % der Süßkraft von Saccharose, fördert die Bildung von Karies aber weniger stark als diese, da es von Kariesbakterien nicht zu organischen Säuren abgebaut werden kann. Polyhydroxyverbindungen wie Xylit und Sorbit, die keine Zucker sind, aufgrund ihrer hohen Süßkraft aber Verwendung als Zuckeraustauschstoffe ("Diabetikerzucker", Süßstoff) finden, werden auch Zuckeralkohole genannt. Sorbit kommt in hohen Konzentrationen (10 %) in den Früchten der Eberesche (Sorbus aucuparia), den "Vogelbeeren" vor und hat so seinen Namen erhalten. In geringen Mengen findet sich Sorbit aber auch in Äpfeln, Kirschen, Pflaumen und anderen Früchten.

Xylit besitzt eine recht hohe Lösungswärme, d.h. der Lösevorgang in Wasser verbraucht Energie, läuft also endotherm ab. Eine Tatsache, die man sich zu Nutze macht, wenn man diesen Zuckerersatzstoff in Eiskonfekt oder Eisbonbons einsetzt: Das Auflösen der kristallinen Substanz auf der Zunge hat einen spürbar kühlenden Effekt. Der Einsatz von Xylit in verzehrfertiger Nahrung - mit Ausnahme von Getränken ist bis zu einem Gewichtsanteil von 100 g/kg zulässig, es gibt aber Nahrungsmittel wie Kaugummi, Marzipan oder Nougat, für die eine solche Obergrenze nicht gilt.

Chemische Reaktionen

Mögliche Reaktion als Säure

Infolge der strukturellen Ähnlichkeit des Wasser- und des Ethanol-Dipolmoleküls erscheint es denkbar, dass das Alkoholmolekül als Säure, also als Protonendonator gegenüber dem Wassermolekül (Protonenakzeptor) fungieren könnte, ein Vorgang, der mit der Autoprotolyse des Wassers vergleichbar wäre:



Obwohl das Ethanolmolekül ein recht starker Dipol ist, findet die Reaktion



nicht in nennenswertem Umfang statt, wässrige Lösungen von Ethanol reagieren daher nicht sauer.

Reaktion mit Alkalimetallen

Eine Reaktion, die jener von Wasser entspricht, zeigt Ethanol bei Umsetzung mit starken Reduktionsmitteln (Elektronendonatoren) wie Natrium. Es reagiert wie Wasser mit Natrium unter Wasserstoffentwicklung und Salzbildung:



Ethanolate (allgemein: Alkoholate) sind nur unter Ausschluss von Feuchtig- keit beständig. Mit Wasser reagieren Alkoholate augenblicklich zum betreffen- den Alkohol und Hydroxid:


Reaktion mit Oxidationsmitteln

Hinsichtlich ihrer Reaktion mit oxidationsmitteln unterscheiden sich primäre, sekundäre und tertiäre Alkanole (Alkohole) grundlegend.



Oxidation kann als Elektronenabgabe definiert werden, ein Oxidationsmittel stellt somit einen Elektronenakzeptor dar


Bei organischen Verbindungen lässt sich eine Oxidation leicht erkennen, wenn man die Oxidationszahlen der Kohlenstoffatome im Molekül ermittelt.


Steigt die Oxidationszahl eines Kohlenstoffatoms, so entspricht dies einer Oxidation am entsprechenden Atom.


Die Oxidationszahl ist dabei eine formale, hypothetische ("gedachte") Ladungszahl. Um die Oxidationszahlen der Atome in organischen Molekülen zu ermitteln, denkt man sich die Moleküle aus Ionen aufgebaut und schlägt dazu bindende Elektronenpaare dem elektronegativeren Bindungspartner zu. Die Elektronegativität (EN) beschreibt allgemein das Vermögen eines Atoms, Bindungselektronen zu sich zu ziehen. Eine hohe Elektronegativität besitzen z.B.die Elemente Fluor, Chlor, Sauerstoff und Stickstoff:


Elektronegativität wichtiger Elemente Wasserstoff H - 2,1

Stickstoff N - 3,5 Fluor F - 4,0 Kohlenstoff C - 2,5 Schwefel S - 2,5 Chlor Cl - 3,0 Sauerstoff O - 3,5 Phosphor P - 2,1 Brom Br - 2,8

Das bindende Elektronenpaar einer C-H-Bindung wird also dem elektronegativeren Kohlenstoff, das einer C-O-Bindung dem elektronegativeren Sauerstoff zugeschlagen. Die auf diese Weise ermittelte Anzahl der den einzelnen Atomen zugeordneten Elektronen wird dann mit der "normalen" Anzahl der Außenelektronen des Atoms verglichen, die leicht anhand der Stellung des Elements im Periodensystem ermittelt werden kann, da sie der Hauptgruppennummer des Elements entspricht:


Anzahl der Außenelektronen Wasserstoff H - 1

Stickstoff N - 5 Fluor F - 7 Kohlenstoff C - 4 Schwefel S - 6 Chlor Cl - 7 Sauerstoff O - 6 Phosphor P - 5 Brom Br - 7

Da jedes Elektron eine negative Elementarladung trägt, gilt, dass ein Atom, das nach der Zuordnung der Bindungselektronen einen "Elektronenüberhang" hat, eine negative Oxidationszahl erhält, z.B. bei einem Elektron "zu viel" die Oxidationszahl-1, dass umgekehrt ein Atom mit "Elektronendefizit" eine positive Oxidationszahl erhält, z. B. bei zwei Elektronen "zu wenig" die Oxidationszahl +II. Dabei ist immer zu bedenken, dass die Oxidationszahl eine formale Ladungszahl darstellt und die Atome im Molekül dadurch nicht zu Ladungsträgern werden. Sind zwei gleichartige Atome an einer Bindung beteiligt, z. B. im Falle der C-C-, C= C- und C=C-Bindungen, so werden die bindenden Elektronen gleichmäßig zwischen ihnen aufgeteilt. Während Kohlenstoff (IV. Hauptgruppe) alle Oxidationszahlen von -IV, z.g. bei Methan CH4, bis +IV, z. B. bei Kohlenstoffdioxid CO2, annehmen kann, hat Wasserstoff in organischen Molekülen stets die Oxidationszahl +I und Sauerstoff in der Regel die Oxidationszahl -II (Ausnahme: Peroxide). Die Summe der Oxidationszahlen der Atome eines Moleküls muss null ergeben.

Wird das Ethanolmolekül an dem Kohlenstoff oxidiert, das bereits eine Hydroxylgruppe trägt, so entsteht ein instabiles Molekül mit zwei OH-Gruppen an einem Kohlenstoffatom, das nach der Erlenmeyer-Regel instabil ist und unter Wasserabspaltung reagiert:



Die Oxidationszahl des Kohlenstoffatoms Cl steigt von -1 auf +I, das entspricht einer formalen Abgabe von zwei Elektronen und stellt somit eine Oxidation dar. Reaktionsprodukt der Oxidation des Ethanols ist Ethanal, ein Vertreter der Stoff klasse der Alkanale (Aldehyde) Ethanol kann aber auch auf andere Weise in Ethanal überführt werden, nämlich durch den Einsatz von Wasserstoffakzeptoren wie dem Edelmetall Palladium, d.h. ohne dass Sauerstoff verfügbar sein müsste:




Hier werden dem Ethanolmolelcül gleichsam zwei Wasserstoffatome entzogen, wir sprechen in diesem Fall aber nicht von einer Oxidation, sondern von einer Dehydrierung.


Wird 2-Propanol, der einfachste sekundäre Alkohol, oxidiert, gelangen man zu einer weiteren neuen Stoff klasse:


Die Oxidationszahl des Kohlenstoffatoms C2 steigt von 0 auf +II, das entspricht einer formalen Abgabe von zwei Elektronen und stellt eine Oxidation dar. Reaktionsprodukt der Oxidation des 2-Propanol ist das Propanon (Trivialname: Aceton), ein Vertreter der Stoffklasse der Alkanone (= Ketone). Betrachtet man das Molekül des einfachsten tertiären Alkanols, des 2-Methyl2-propanols, so erkennt man, dass am Kohlenstoffatom, das die OH-Gruppe trägt, keine weitere oxidation erfolgen kann, ohne dass im Molekül eine C-CBindung zerstört wird:


Weiteres

Zusammenfassung

Aufgaben