Alkohole (arabisch الكحول, DMG al-kuḥūl, oder الغول / al-ġawl: das Allerfeinste, reine Substanz, eigentlich: feines Antimonpulver) sind chemische Verbindungen, die eine oder mehrere an aliphatische Kohlenstoffatome gebundene Hydroxygruppen (–O–H) haben.[1] Alkohole, die sich von den Alkanen ableiten, werden Alkanole genannt. Um eine klare Abgrenzung der Alkohole von Halbacetalen oder Carbonsäuren sicherzustellen, kann man ergänzen, dass das Kohlenstoffatom (sp3-hybridisiert, siehe auch Enole) mit der Hydroxygruppe nur noch mit Kohlenstoff- oder Wasserstoffatomen gebunden sein darf.
Ist die Hydroxygruppe an ein Kohlenstoffatom gebunden, das Teil eines aromatischen Ringes ist, so werden die Verbindungen als Phenole bezeichnet.[2] Sie zählen nicht zu den Alkoholen,[3][4] da diese Hydroxygruppen analog einer Carboxygruppe sauer regieren.
Der Name einfacher Alkohole ergibt sich als Zusammensetzung aus dem Namen des ursprünglichen Alkans und der Endung „-ol“ . Zusätzlich wird die Position der OH-Gruppe durch eine vorangestellte Zahl verdeutlicht, zum Beispiel Propan-2-ol . Eine veraltete, bis 1957 gültige Bezeichnung für Alkohole ist – nach einem Vorschlag von Hermann Kolbe – Carbinole.[5]
Die Gruppe wird nach verschiedenen Kriterien (Zahl der Nichtwasserstoffnachbarn, Wertigkeit, Vorhandensein von Doppel-/Dreifachbindungen und Kettenlänge) eingeteilt.
Man unterscheidet Alkohole nach der Zahl der Nichtwasserstoffnachbarn des Kohlenstoffatoms, an welchem sich die Hydroxygruppe befindet. Bei primären Alkoholen trägt es zwei, bei sekundären ein und bei tertiären kein Wasserstoffatom. Ein Sonderfall ist das Methanol, das neben der Hydroxygruppe drei Wasserstoffatome am Kohlenstoffatom trägt.
Ist mehr als eine Hydroxygruppe in einem Alkoholmolekül vorhanden, wird deren Anzahl durch Einfügen einer der Anzahl der Hydroxygruppen entsprechenden griechischen Silbe (-di-, -tri- usw.) vor der Endung -ol angegeben und man spricht von mehrwertigen Alkoholen. Ein Alkandiol ist das Ethan-1,2-diol (Trivialname Ethylenglycol), ein Alkantriol das Propan-1,2,3-triol (Trivialname Glycerin). Die Zahl vor der Endung -ol gibt die Position der funktionellen Gruppe(n) an. Dies gilt auch für einwertige Alkohole, zum Beispiel Propan-2-ol (Trivialname Isopropanol).
In Bezug auf das Vorhandensein von Doppel- bzw. Dreifachbindungen unterscheidet man Alkanole, Alkenole und Alkinole sowie den Spezialfall der meist instabilen Enole.
Über die Kettenlänge werden Alkohole ebenfalls unterschieden. Die Bezeichnung Fettalkohole verwendet man für Alkohole mit endständiger primärer –OH-Gruppe mit gerader Kette und einer Länge von sechs (Hexanol) bis hin zu 22 (Behenylalkohol) Kohlenstoffatomen.[6] Sie werden meist durch Reduktion der –COOH-Gruppe aus Fettsäuren gewonnen. Die höheren primären Alkohole mit 24 bis 36 Kohlenstoffatome bezeichnet man als Wachsalkohole.[7]
In allen aliphatischen Alkoholen ist die Hydroxygruppe an ein sp3-hybridisiertes Kohlenstoffatom (C-Atom mit 4 Substituenten) gebunden. Ein Spezialfall sind die meist instabilen Enole, bei denen die Hydroxygruppe an ein sp2-hybridisiertes Kohlenstoffatom gebunden ist.
Niedrigmolekulare Alkohole sind Flüssigkeiten, die einen charakteristischen Geruch und einen brennenden Geschmack besitzen. Höhere Alkohole sind meist feste Verbindungen mit nur schwach ausgeprägtem Geruch. Aufgrund von intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen besitzen die Alkohole im Vergleich zu Kohlenwasserstoffen gleicher Molekülmasse relativ hohe Schmelz- und Siedepunkte.[8] Wichtigstes gemeinsames Merkmal der Alkohole ist die Hydrophilie. Diese Eigenschaft nimmt mit zunehmender Länge des Alkylrestes ab und mit der Anzahl der Hydroxygruppen zu. Besonders die kurzkettigen Alkohole werden aufgrund ihres amphiphilen Charakters oft als Lösungsmittel verwendet.
Sauerstoff ist elektronegativer als Wasserstoff und Kohlenstoff, d. h., er zieht Elektronen stärker an als diese. Das führt zu einer unsymmetrischen Verteilung der Elektronen entlang der C–O–H-Bindung , man spricht von einer polaren Bindung, es bildet sich ein molekularer Dipol aus. Diese Dipole können untereinander Wasserstoffbrückenbindungen ausbilden, die die Anziehung der einzelnen Moleküle untereinander drastisch verstärken. Dies führt für Alkohole zu relativ hohen Siedepunkten gegenüber den um eine Methyleneinheit verlängerten Homologen ihrer Stammverbindung, die eine annähernd gleiche molarer Masse besitzen. So hat beispielsweise das unpolare Ethan (C2H6) (M = 30) einen Siedepunkt von −89 °C, während Methanol (CH3OH) (M = 32) diesen erst bei 65 °C erreicht.
Zusammenfassend:
Die OH-Gruppe ist ebenfalls in der Lage, Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser einzugehen. Sie erhöht damit die Hydrophilie, die Wasserlöslichkeit, der Verbindung. Organische Alkylreste selbst sind nicht wasserlöslich, also hydrophob. Die Wasserlöslichkeit sinkt daher mit der Größe des organischen Anteils und steigt mit der Zahl der Hydroxygruppen. Die Propanole und tert.-Butanol sind bei Raumtemperatur noch in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar, alle langkettigeren Alkohole lösen sich nur noch in zunehmend kleinen Mengen. Größere Mengen gelöster anorganischer Salze können auch bei den kurzkettigen Alkoholen eine Phasentrennung bewirken („Salzfracht“).
Zusammenfassend:
Der pKs-Wert (Säurestärke) von Alkoholen liegt bei etwa 15. Sie reagieren somit in wässriger Lösung näherungsweise neutral. Es ist möglich, sie mit einer starken Base zu deprotonieren. Die deprotonierte Form eines Alkohols heißt Alkoholat. Die Acidität von Alkoholen nimmt in der Reihe von Methanol über primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole ab. Ebenso ist es möglich, sie in gewissem Umfang mit starken Säuren zu protonieren:
Industriell werden Alkoholate durch Umsetzung der entsprechenden Alkohole mit elementarem Natrium hergestellt:
Im IR-Spektrum von Alkoholen ist deutlich die breite Bande der O–H-Valenzschwingung im Bereich von 3200–3650 cm−1 zu erkennen. Die Breite des Peaks wird durch Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekülen verursacht und ist in Spektren von wasserfreien Alkoholen in einem engeren Bereich von 3620–3650 cm−1 zu finden.
Unterhalb von 140 °C bildet sich der Ester der Schwefelsäure.
Bei etwa 140 °C findet die Kondensationsreaktion zu einem Ether statt.
Oberhalb von 170 °C werden primäre Alkohole zu Alkenen dehydratisiert. (Eliminierung)
Die Selenoxid-Eliminierung ist eine milde Variante der Eliminierung.
Mit Carbonsäuren reagieren Alkohole unter Wasserabgabe zu Estern, diese Reaktion wird auch Veresterung genannt. Diese Reaktion wird durch Säuren katalysiert.
Primäre Alkohole lassen sich zu Aldehyden und Carbonsäuren, sekundäre Alkohole zu Ketonen oxidieren. Tertiäre Alkohole lassen sich nicht weiter oxidieren, es sei denn unter Zerstörung des Kohlenstoffgerüsts.
Oxidation von Alkoholen | ||||
Alkohol | primär | sekundär | tertiär | |
Oxidationsprodukt I | Aldehyd | Keton | keine Reaktion | |
Oxidationsprodukt II | Carbonsäure | keine Reaktion | – |
Beispiel: Oxidationsprodukte der strukturisomeren Butanole | ||||
Butanol | ||||
Name | Butan-1-ol | Butan-2-ol | 2-Methylpropan-2-ol | |
Oxidationsprodukt I | keine Reaktion | |||
Name | Butanal (Butyraldehyd) | Butanon (Methylethylketon) | – | |
Oxidationsprodukt II | keine Reaktion | – | ||
Name | Butansäure (Buttersäure) | – | – | |
Die funktionellen Gruppen sind blau markiert. |
Zur Oxidation von primären Alkoholen zur Carbonsäure können Chrom(VI)-haltige Oxidationsmittel eingesetzt werden, wie sie z. B. bei der Jones-Oxidation Anwendung finden. Als chromfreies, weniger giftiges Reagenz steht wässriges Rutheniumtetroxid zur Verfügung.
Die Oxidation eines primären Alkohols kann unter Verwendung bestimmter Chrom(VI)-Verbindungen wie dem Collins-Reagenz auch nur bis zur Stufe des Aldehyds erfolgen. Entscheidend ist, dass wasserfreie Lösungsmittel eingesetzt werden. Ist kein Wasser anwesend, kann keine Hydratisierung zum geminalen Diol des Aldehyds (Aldehydhydrate) stattfinden.[9]
Da lösliche Chromate sehr giftig sind, sowie karzinogene und mutagene Eigenschaften besitzen, wurden alternative Methoden zur Oxidation von Alkoholen entwickelt. Eine häufig zur Anwendung kommende Methode ist die Swern-Oxidation mit aktiviertem Dimethylsulfoxid.[10] Fast alle Methoden eignen sich ebenfalls für die Oxidation sekundärer Alkohole zu Ketonen. Die folgende Aufzählung liefert eine Übersicht der wichtigsten Methoden.
Oxidation zur Carbonsäure/zum Keton:
Oxidation zum Aldehyd/zum Keton:
Mit Aldehyden reagieren Alkohole in Gegenwart saurer Katalysatoren zu Halbacetalen bzw. Acetalen.
Viele Alkohole sind wichtige Lösungsmittel, die sowohl in der Industrie, als auch im Haushalt eingesetzt werden; die mengenmäßig wichtigsten sind Methanol, Ethanol, 2-Propanol und n-Butanol. Im Jahr 2011 wurden weltweit etwa 6,4 Mio. Tonnen dieser alkoholischen Lösungsmittel nachgefragt.[11]
Wenn man zu einer flüssigen Alkoholprobe Natrium hinzufügt, so entsteht Wasserstoff, welches man mit der Knallgasprobe nachweisen kann. Diese Methode gilt zwar als Alkoholnachweis, ist jedoch nicht eindeutig, da alle ausreichend protischen Substanzen, zum Beispiel Carbonsäuren, anorganische Säuren oder Wasser, die gleiche Reaktion eingehen.
Der Umsatz von Alkoholen mit Dichromaten in schwefelsaurer Lösung ist geeignet, um Alkohole quantitativ nachzuweisen und wurde früher in den Alcotest-Röhrchen eingesetzt:
Das Nachweisprinzip beruht auf dem Farbumschlag von gelb-orange (saure Dichromatlösung) nach grün (Chrom(III)-Ionen) und kann spektralphotometrisch gemessen werden.[12]
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Umsetzung mit Ammoniumcer(IV)-nitrat. Hierbei wird eine konzentrierte Lösung von Ammoniumcer(IV)-nitrat mit einer verdünnten Lösung der unbekannten Substanz versetzt. Enthält die unbekannte Substanz Alkohol-Gruppen, färbt sich das Gemisch rot (manchmal auch grün). Enthält die Substanz Phenole, fällt ein brauner Niederschlag aus. Der Grund für diese Farbreaktion ist eine Komplexbildung, genauer gesagt eine Ligandensubstitution, bei der ein Alkohol/Phenol mit dem Sauerstoffatom am Cer(IV) koordiniert. Durch die Veränderung der Ligandensphäre verändert sich die Farbe des Cer(IV) von hellgelb zu rot/grün/braun. Leicht oxidierbare Alkohole/Phenole können einen negativen Nachweis ergeben, indem sie das Cer(IV) zu Cer(III) reduzieren.
Der Nachweis des Substitutionsgrades eines Alkohols, also ob es sich dabei um einen primären, sekundären oder tertiären Alkohol handelt, erfolgt über nucleophile Substitution der OH-Gruppe gegen Chlorid durch die Lucas-Probe. Die Substitution hat zur Folge, dass sich die entstehende Substanz nicht mehr in Wasser löst und damit eine eigene Phase ausbildet. Dabei ist die Geschwindigkeit dieser Phasenbildung entscheidend:
Voraussetzung für diesen Test ist, dass sich der ursprüngliche Alkohol in Wasser löst. Auch darf keine andere unter den Reaktionsbedingungen substituierbare Gruppe vorliegen.
Die eindeutige Identifizierung eines unbekannten Alkohols erfolgt entweder spektroskopisch oder durch Synthese eines charakteristischen Derivates, das einen Schmelzpunkt hat, der von den Schmelzpunkten gleicher Derivate ähnlicher Alkohole gut zu unterscheiden ist. Oftmals werden sie über Ester der 4-Nitrobenzoesäure oder der 3,5-Dinitrobenzoesäure identifiziert. Hierzu wird die zu analysierende Substanz in Gegenwart geringer Mengen Schwefelsäure umgesetzt. Die Schmelzpunkte dieser Derivate sind in der Regel scharf.
Nachweis von Propan-2-ol (Isopropanol) als Derivat der 4-Nitrobenzoesäure: 4-Nitrobenzoesäure-2-propylester (Smp.: 100,5 °C[13]) |
Nachweis von Propan-2-ol (Isopropanol) als Derivat der 3,5-Dinitrobenzoesäure: 3,5-Dinitrobenzoesäure-2-propylester (Smp.: 123 °C[13]) |
Die Derivate der 3,5-Dinitrobenzoesäure besitzen in der Regel höhere Schmelzpunkte als die der 4-Nitrobenzoesäure .[13] Sie werden dann bevorzugt gewählt, wenn der Schmelzpunkt mit der 4-Nitrobenzoesäure zu niedrig ist und keine genaue Bestimmung mehr möglich wird.
Homologe Reihe der einwertigen, primären, linearen, unverzweigten Alkohole | ||||||
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C-Atome: Doppelbindungen | Molare Masse in g·mol−1 | Systematischer Name | Trivialname | Schmelzpunkt in °C | Siedetemperatur in °C | Löslichkeit in g·l−1 |
1: 0 | 32,0 | Methanol | Holzgeist, Methylalkohol | −97,8 | 64,7[14] | ∞ |
2: 0 | 46,1 | Ethanol | Alkohol, Ethylalkohol, Weingeist | −114,1 | 78,3[14] | ∞ |
3: 0 | 60,1 | Propan-1-ol | n-Propylalkohol | −126,2 | 97,2[14] | ∞ |
4: 0 | 74,1 | Butan-1-ol | n-Butylalkohol | −89,3 | 117,3[14] | 79 |
5: 0 | 88,2 | Pentan-1-ol | n-Amylalkohol | −78,2 | 138[15] | 23 |
6: 0 | 102,2 | Hexan-1-ol | n-Hexylalkohol | −48,6 | 157,5[16] | 6 |
7: 0 | 116,2 | Heptan-1-ol | −34,0 | 176[17] | 2 | |
8: 0 | 130,2 | Octan-1-ol | −14,9 | 194,5[16] | 0,5 | |
9: 0 | 144,3 | Nonan-1-ol | −6 [18] | 214–216 [19] | 0 | |
10: 0 | 158,3 | Decan-1-ol | 7 [20] | 228[17] | 0 | |
11: 0 | 172,3 | Undecan-1-ol | 15,9[21] | 243[21] | 0 | |
12: 0 | 186,3 | Dodecan-1-ol | Laurylalkohol | 24 | 259[17] | 0 |
13: 0 | 200,4 | Tridecan-1-ol | 31,7[22] | 274[22] | 0 | |
14: 0 | 214,4 | Tetradecan-1-ol | Myristylalkohol | 39−40[23] | 289 | 0 |
15: 0 | 228,4 | Pentadecan-1-ol | 44 | 270 | 0 | |
16: 0 | 242,4 | Hexadecan-1-ol | Cetylalkohol | 50[24] | 344[24] | 0 |
… | ||||||
18: 0 | 270,5 | Octadecan-1-ol | Stearylalkohol | 56–59[25] | 336 | 0 |
… | ||||||
26: 0 | 382,7 | Hexacosan-1-ol | Cerylalkohol | 79–81 | 240 (13 Pa) | 0 |
… | ||||||
30: 0 | 438,8 | Triacontan-1-ol | Myricylalkohol | 88[26] | 0 | |
einwertige Alkohole: sekundär und tertiär, primär mit verzweigten Ketten | ||||||
Anzahl der C-Atome | Molare Masse in g·mol−1 | Systematischer Name | Trivialname | Schmelzpunkt in °C | Siedetemperatur in °C | Löslichkeit in g·l−1 |
3 | 60,1 | Propan-2-ol | Isopropylalkohol, Isopropanol | −88,5 | 82,3[14] | ∞ |
4 | 74,1 | Butan-2-ol | Sekundärer Butylalkohol | −114,7 | 99,5[27] | 125 |
4 | 74,1 | 2-Methylpropan-1-ol | Isobutylalkohol | −108 | 108[28] | 100 |
4 | 74,1 | 2-Methylpropan-2-ol | Tertiärer Butylalkohol, Trimethylcarbinol | 25,5[29] | 82,3[29] | ∞ |
5 | 88,2 | Pentan-2-ol | sek-n-Amylalkohol | −50 | 118,9[30] | 166 |
5 | 88,2 | Pentan-3-ol | Diethylcarbinol | −8 | 116,1[31] | 55 (30 °C) |
5 | 88,2 | 2-Methylbutan-1-ol | −70 | 129[32] | 36 | |
5 | 88,2 | 3-Methylbutan-1-ol | Isoamylalkohol | −117 | 130,8 | 20 |
5 | 88,2 | 2-Methylbutan-2-ol | −8,4 | 102[27] | ||
5 | 88,2 | 3-Methylbutan-2-ol | 112,9[27] | |||
5 | 83,2 | 2,2-Dimethylpropan-1-ol | neo-Pentylalkohol, tertiärer Amylalkohol | −12 | 102 | 125 |
mehrwertige Alkohole | ||||||
Anzahl der C-Atome | Molare Masse in g·mol−1 | Systematischer Name | Trivialname | Schmelzpunkt in °C | Siedetemperatur in °C | Löslichkeit in g·l−1 |
2 | 62,1 | Ethan-1,2-diol | Ethylenglycol, 1,2-Glycol | −15,6 | 197,2[14] | ∞ |
3 | 76 | Propan-1,2-diol | Propylenglycol | −68 | 188 | ∞ |
3 | 76 | Propan-1,3-diol | Trimethylenglycol | −32 | 215 | ∞ |
4 | 90 | Butan-1,2-diol | 1,2-Butylenglycol | −114 | 192 | ∞ |
4 | 90 | Butan-1,3-diol | 1,3-Butylenglycol | < −50 | 207,5 | ∞ |
4 | 90 | Butan-1,4-diol | Tetramethylenglycol | 16 | 230 | ∞ |
4 | 90 | Butan-2,3-diol | 2,3-Butylenglycol | 34 (meso) | 183 (meso) | ∞ |
5 | 104 | Pentan-1,5-diol | Pentamethylenglycol | −16 | 241 | ∞ |
6 | 118 | Hexan-1,6-diol | Hexamethylenglycol | 39–42 | 253–260 | 5000 |
8 | 146 | Octan-1,8-diol | Octamethylenglycol | 58–61 | 171–173 (27 hPa) | |
9 | 160 | Nonan-1,9-diol | Nonamethylenglycol | 45–46 | 288 | 9 |
10 | 174 | Decan-1,10-diol | Decamethylenglycol | 72 | 297 | 0,7 |
3 | 104 | Propan-1,2,3-triol | Glycerin, Glycerol | 18 | 290 | ∞ |
weitere Alkohole | ||||||
Anzahl der C-Atome | Molare Masse in g·mol−1 | Systematischer Name | Trivialname | Schmelzpunkt in °C | Siedetemperatur in °C | Löslichkeit in g·l−1 |
5 | 86,13 | Cyclopentanol | −19 | 141 | 13 [33] | |
6 | 100,2 | Cyclohexanol | 25,2 | 161,5[14] | 36 | |
3: 1 | 58 | Prop-2-en-1-ol | Allylalkohol | −129 | 97 | ∞ |
4: 1 | 71 | But-2-en-1-ol | Crotylalkohol | −30 | 118 | 166 |
7 | 108,14 | Phenylmethanol, (Hydroxymethyl)benzol | Benzylalkohol | −15 | 205,4[14] | 39 |
8 | 122,14 | 1-Phenylethan-1-ol, (1-Hydroxyethyl)benzol (C6H5CH(OH)CH3) | α-Phenylethylalkohol | 21 | 205 | 0 |
8 | 122,14 | 2-Phenylethan-1-ol, (2-Hydroxyethyl)benzol (C6H5CH2CH2OH) | β-Phenylethylalkohol | −27 | 221 | 16 |
13 | 184,23 | Diphenylmethanol (C6H5)2CHOH | Diphenyltricarbinol, Benzhydrol | 69 | 298 | 0 |
19 | 260,33 | Triphenylmethanol (C6H5)3COH | Triphenylcarbinol | 162,5 | >360 | 0 |
Zum Vergleich das Phenol und Alkohole mit ähnlichen molaren Massen | ||||||
Anzahl der C-Atome | Molare Masse in g·mol−1 | Systematischer Name | Trivialname | Schmelzpunkt in °C | Siedetemperatur in °C | Löslichkeit in g·l−1 |
6 | 94,1 | Phenol | Carbolsäure, Benzenol | 41 | 181,7[14] | 84 |
5 | 88,2 | Pentan-1-ol | n-Amylalkohol | −78,2 | 128,0 | 23 |
6 | 102,2 | Hexan-1-ol | n-Hexylalkohol | −48,6 | 157,1 | 6 |
5 | 86,13 | Cyclopentanol | −19 | 141 | 13 | |
6 | 100,2 | Cyclohexanol | 25,2 | 161,5[14] | 36 |
Bei einzelnen Werten kann es in der Literatur zu Abweichungen kommen.