Was ist ein Alkohol? Einteilung
Ein Alkohol hat eine –OH-Gruppe (Hydroxylgruppe) an einem Kohlenstoff, der nur Einfachbindungen hat (ein sp³-Kohlenstoff). Allgemeine Formel: R–OH.
Nach der Zahl der –OH-Gruppen: einwertig (eine –OH, z. B. Ethanol), zweiwertig (zwei, z. B. Ethan-1,2-diol, das Glykol im Frostschutzmittel) und dreiwertig (drei, z. B. Glycerin).
Nach dem Kohlenstoff, der –OH trägt (dem Carbinol-Kohlenstoff): Zähle, wie viele andere Kohlenstoffatome daran hängen.
- Primär (1°): ein Kohlenstoff – z. B. Ethanol CH₃CH₂OH.
- Sekundär (2°): zwei Kohlenstoffe – z. B. Propan-2-ol (CH₃)₂CHOH.
- Tertiär (3°): drei Kohlenstoffe – z. B. 2-Methylpropan-2-ol (CH₃)₃COH.
Sonderfälle: allylische Alkohole (–OH am Kohlenstoff neben einer C=C-Bindung) und benzylische Alkohole (–OH am Kohlenstoff neben einem Benzolring). Sitzt –OH an einem C=C-Kohlenstoff, ist es ein vinylischer Alkohol (instabil), und sitzt es direkt am Ring, ist es ein Phenol – eine andere Stoffklasse.
Nomenklatur: Alkohole benennen
Trivialnamen: Alkylgruppe + 'alkohol' (Methylalkohol, Isopropylalkohol). IUPAC-Namen entstehen in vier Schritten:
- Wähle die längste Kette, die den C–OH-Kohlenstoff enthält.
- Nummeriere die Kette von dem Ende, das –OH die kleinste Nummer gibt.
- Streiche das End-'e' des Alkans und hänge 'ol' an: Propan → Propan-1-ol oder Propan-2-ol.
- Füge Seitenketten mit ihren Nummern in alphabetischer Reihenfolge hinzu: 2-Methylpropan-2-ol.
Mehr als eine –OH-Gruppe: Das 'e' bleibt, dazu kommt diol, triol – Ethan-1,2-diol, Propan-1,2,3-triol (Glycerin). Ringalkohole: Cyclohexanol.
Aufbau
Das O im Alkohol hat zwei Bindungen und zwei freie Elektronenpaare. Der C–O–H-Winkel beträgt etwa 109° – etwas weniger als beim idealen Tetraeder, weil die freien Elektronenpaare die Bindungen zusammendrücken.
Herstellung von Alkoholen
1. Aus Alkenen
Säurekatalysierte Hydratisierung: Alken + Wasser mit H⁺. H geht an den Kohlenstoff, der schon mehr H-Atome hat; OH geht an den anderen (Markownikow-Regel). Propen → Propan-2-ol. Die Schritte: (i) H⁺ addiert sich an C=C und ein Carbokation entsteht, (ii) Wasser greift das Carbokation an, (iii) ein H⁺ wird abgegeben.
Hydroborierung–Oxidation: Alken + Diboran (B₂H₆), dann H₂O₂ / NaOH. OH landet am Kohlenstoff mit mehr H-Atomen (sieht aus wie anti-Markownikow). Propen → Propan-1-ol.
2. Reduktion von Carbonylverbindungen
Aldehyde → 1°-Alkohole; Ketone → 2°-Alkohole (H₂ mit Pd/Ni, oder NaBH₄, oder LiAlH₄). Carbonsäuren brauchen das starke LiAlH₄, um 1°-Alkohole zu bilden; in der Industrie macht man aus Säuren zuerst Ester und reduziert diese mit H₂.
3. Aus Grignard-Verbindungen
RMgX addiert sich an eine C=O-Gruppe, und Wasser liefert dann den Alkohol. Methanal (HCHO) → 1°; jeder andere Aldehyd → 2°; ein Keton → 3°. Die neue C–C-Bindung erlaubt es, eine längere Kohlenstoffkette aufzubauen.
Physikalische Eigenschaften
Siedepunkt: viel höher als bei Alkanen, Halogenalkanen und Ethern ähnlicher Masse, wegen der Wasserstoffbrücken zwischen den Molekülen. Der Siedepunkt steigt mit der Kettenlänge und sinkt bei Verzweigung (weniger Berührungsfläche).
Löslichkeit: Kleine Alkohole (Methanol, Ethanol, Propanol) mischen sich in jedem Verhältnis mit Wasser, weil sie Wasserstoffbrücken zu Wasser bilden. Je länger die Kohlenstoffkette (der fettige Teil), desto geringer die Löslichkeit.
Chemische Reaktionen der Alkohole
A. Die O–H-Bindung bricht (Alkohol als schwache Säure)
Mit Na oder K: 2R–OH + 2Na → 2R–O⁻Na⁺ + H₂. Reihenfolge der Acidität: 1° > 2° > 3° (Alkylgruppen schieben Elektronen zum O). Alkohole sind schwächere Säuren als Wasser. Veresterung: R–OH + R′COOH ⇌ R′COOR + H₂O (Säurekatalysator; Wasser entfernen, damit die Reaktion weiterläuft). Auch Säurechloride und Anhydride bilden Ester.
B. Die C–O-Bindung bricht
Mit HX: R–OH + HX → R–X + H₂O. Reaktivität 3° > 2° > 1°. Lucas-Test (konz. HCl + wasserfreies ZnCl₂): 3° wird sofort trüb, 2° nach etwa 5 Minuten, 1° bleibt bei Raumtemperatur klar. Auch PCl₃, PCl₅ und SOCl₂ liefern Alkylhalogenide.
Dehydratisierung (konz. H₂SO₄ oder H₃PO₄, Erhitzen): Ethanol bei 443 K → Ethen. Leichtigkeit: 3° > 2° > 1°, weil der Weg über ein Carbokation bei 3° am leichtesten ist.
C. Oxidation
1° → Aldehyd (PCC oder heißes Cu bei 573 K) → Carbonsäure (starkes KMnO₄ / angesäuertes K₂Cr₂O₇). 2° → Keton. 3°-Alkohole widerstehen der normalen Oxidation; heißes Cu macht daraus Alkene.
Wirtschaftlich wichtige Alkohole
Methanol (Holzgeist): früher durch Erhitzen von Holz gewonnen; heute aus CO + 2H₂ an einem ZnO–Cr₂O₃-Katalysator bei 573–673 K und 200–300 atm. Verwendet als Lösungsmittel, zur Herstellung von Formaldehyd und als Brennstoff. Sehr giftig: kleine Mengen machen blind, große führen zum Tod.
Ethanol: entsteht durch Gärung von Zucker aus Melasse, Trauben oder Getreide. Die Hefe-Enzyme Invertase (Saccharose → Glucose + Fructose) und Zymase (Glucose → Ethanol + CO₂) leisten die Arbeit, ohne Luft. Verwendet in Desinfektionsmitteln, Medikamenten, Getränken und als Benzinzusatz. Ethanol für die Industrie wird vergällt (untrinkbar gemacht), indem man etwas Kupfersulfat und Pyridin zusetzt.
Wichtige Formeln und Definitionen
- Allgemeine Formel eines gesättigten einwertigen Alkohols: CₙH₂ₙ₊₁OH
- Hydratisierung: CH₃CH=CH₂ + H₂O (H⁺) → CH₃CH(OH)CH₃
- Hydroborierung–Oxidation: CH₃CH=CH₂ → (B₂H₆; H₂O₂/OH⁻) → CH₃CH₂CH₂OH
- 2R–OH + 2Na → 2R–ONa + H₂
- Geschwindigkeit beim Lucas-Test: 3° > 2° > 1°
- Dehydratisierung: C₂H₅OH (konz. H₂SO₄, 443 K) → CH₂=CH₂ + H₂O
- Oxidation: 1° → Aldehyd → Säure; 2° → Keton; 3° → keine normale Oxidation
- Grignard: HCHO → 1°, RCHO → 2°, R₂CO → 3°-Alkohol
Gelöste Beispiele
1. Ordne (CH₃)₂CH–OH, CH₃CH₂CH₂OH und (CH₃)₃C–OH ein.
Schritt 1: Finde den Kohlenstoff, der –OH trägt. Schritt 2: Zähle die Kohlenstoffe, die daran hängen. (CH₃)₂CH–OH: 2 Kohlenstoffe → sekundär. CH₃CH₂CH₂OH: 1 Kohlenstoff → primär. (CH₃)₃C–OH: 3 Kohlenstoffe → tertiär.
2. Gib den IUPAC-Namen von CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃ an.
Längste Kette = 4 Kohlenstoffe (Butan). Von links nummeriert hat –OH die Position 2; von rechts wäre es 3, also wählen wir 2. Name: Butan-2-ol.
3. Benenne (CH₃)₂CH–CH₂–CH₂OH.
Längste Kette mit dem C–OH-Kohlenstoff = 4 C. Vom –OH-Ende nummerieren: C1 trägt OH, die CH₃-Seitengruppe sitzt an C3. Name: 3-Methylbutan-1-ol.
4. Welcher Alkohol entsteht aus Propen durch (a) säurekatalysierte Hydratisierung, (b) Hydroborierung–Oxidation?
(a) H⁺ addiert sich an das endständige CH₂, sodass das stabilere sekundäre Carbokation an C2 entsteht; Wasser greift es an → Propan-2-ol. (b) Bor geht an das endständige Kohlenstoffatom, dann ersetzt H₂O₂/OH⁻ das B durch OH → Propan-1-ol.
5. Welches Grignard-Reagenz und welche Carbonylverbindung liefern 2-Methylpropan-2-ol?
Das Produkt ist ein 3°-Alkohol, also brauchen wir ein Keton. (CH₃)₃C–OH hat drei CH₃-Gruppen am Carbinol-Kohlenstoff: Nimm Propanon (CH₃)₂C=O + CH₃MgBr, dann Wasser. CH₃ addiert sich an den C=O-Kohlenstoff und O wird zu OH.
6. Drei unbeschriftete Flaschen enthalten Butan-1-ol, Butan-2-ol und 2-Methylpropan-2-ol. Wie unterscheidest du sie?
Gib bei Raumtemperatur zu jeder Probe Lucas-Reagenz (konz. HCl + ZnCl₂). Sofort trüb → 2-Methylpropan-2-ol (3°). Nach etwa 5 Minuten trüb → Butan-2-ol (2°). Bleibt klar → Butan-1-ol (1°). Die Trübung ist das unlösliche Alkylchlorid.
Häufige Fehler
- Bei der Einteilung in 1°/2°/3° die H-Atome statt der Kohlenstoffatome am C–OH-Kohlenstoff zählen.
- Eine Verbindung mit –OH am Benzolring Alkohol nennen – das ist ein Phenol. Benzylalkohol (C₆H₅CH₂OH) ist ein Alkohol, weil OH am CH₂ sitzt.
- Sagen, 3°-Alkohole seien am sauersten. Es ist umgekehrt: Acidität 1° > 2° > 3°, aber Reaktivität mit HX und leichte Dehydratisierung gelten 3° > 2° > 1°.
- Die Produkte aus Propen verwechseln: Säurehydratisierung gibt Propan-2-ol; Hydroborierung–Oxidation gibt Propan-1-ol.