Alkohole in der Chemie

Alkohole sind Alkane mit einer Hydroxygruppe. Diese besteht aus einem an ein Kohlenstoffatom gebundenen -OH – Rest. Um Alkohole von anderen Substanzen mit -OH-Gruppe zu unterscheiden, ist festgelegt, dass das betreffende Kohlenstoffatom nur einfache Bindungen zu anderen Kohlenstoff – oder Wasserstoffatomen besitzt. Das klammert unter anderem Enole (Verbindungen der Form R1-CR3=CR3-OH) aus, da die Hydroxygruppe in diesen Verbindungen schwach sauer und daher anders als bei Alkoholen reagier

Nomenklatur

Die Bezeichnung Alkohol stammt aus dem Arabischen (al-kuḥl) und bezeichnete dort ursprünglich Substanzen, die durch Destillation erzeugt werden. Mit der Zeit wurde der Begriff aber nur noch spezifisch für den Trinkalkohol verwendet. In der modernen Chemie steht Alkohol für die gesamte Stoffgruppe der Alkohole.

Einfache Alkohole werden nach dem Namen des n-Alkangrundkörpers + die Endung -ol benannt. Hydroxy-Methan heißt demnach Methanol, mit zwei Kohlenstoffatomen ist die Verbindung Ethanol, es folgen Propanol (3 C), Butanol (4 C), Pentanol (5 C) und so weiter.

Einteilung und Systematik

Je nachdem, ob die Hydroxygruppe am Ende einer Kohlenwasserstoffkette hängt oder nicht, unterscheidet man primäre oder sekundäre Alkohole. Das heißt, bei primären Alkoholen ist das Kohlenstoffatom mit Bindung zur Hydroxygruppe noch mit mindestens zwei Wasserstoffatomen verbunden. Ist es nur ein Wasserstoffatom, spricht man von sekundären Alkoholen. Ist die Kohlenwasserstoffkette sogar verzweigt und der Bindungskohlenstoff der Hydroxygruppe trägt keine Wasserstoffbindung, handelt es sich um einen tertiären Alkohol.
Primäre Alkohole: Hydroxygruppe gebunden an primäres Kohlenstoffatom (R1CH2-OH)
Sekundäre Alkohole: Hydroxygruppe gebunden an sekundäres Kohlenstoffatom (R1R2CH-OH)
Tertiäre Alkohole: Hydroxygruppe gebunden an tertiäres Kohlenstoffatom (R1R2R3C-OH)

Zur Benennung der Verbindung bildet man genau wie bei Alkanen die längste mögliche Kohlenwasserstoffkette und betrachtet Verzweigungen und die Hydroxygruppe als Substitutenten (funktionelle Gruppen), deren Position im Molekül durch die Nummer des Kohlenstoffatoms gekennzeichnet ist, an den es gebunden ist. Dabei wird so gezählt, dass die Hydroxygruppe die niedrigstmögliche Position erhält. In der Reihenfolge des Namens werden zuerst Alkylreste und erst am Ende die Hydroxygruppe aufgeführt.

Der Trivialname Isopropanol bezeichnet eine Verbindung, die z.B. häufig in Desinfektionsmitteln verwendet wird. Der korrekte systematische Name lautet 2-Propanol. Ein Beispiel für einen tertiären Alkohol ist tert-Butanol mit dem systematischen Namen 2-Methyl-2-Propanol.

Eine weitere Unterteilung erfolgt anhand der Zahl der Hydroxygruppen einer Verbindung, die mit griechischen Zahlensilbe (di-, tri-, tetra- usw.) vor der -ol – Endung aufgeführt werden. Man spricht auch von Wertigkeit. Einwertige Alkohole haben wir bereits beschrieben, ein Beispiel für einen zweiwertigen Alkohol ist Ethylenglykol (Ethan-1,2-diol; Verwendung als Lösungsmittel, Kühlmittel und Frostschutzmittel). Der dreiwertige Alkohol Propan-1,2,3-triol (Trivialname Glycerin) ist ein wichtiger Baustein der Biochemie, der z.B. in Fetten vorkommt und wegen seiner wasserbindenden (hydrophilen) Eigenschaften z.B. in Kosmetika und Medikamenten eine Rolle spielt.

Schmelz- und Siedepunkte

Der Schmelz- und der Siedepunkt dieser Verbindungen hängt von Wechselwirkungen zwischen den Molekülen ab. Neben den von Alkanen bereits bekannten Van-der-Waals-Wechselwirkungen spielen nun auch elektrostatische Anziehungskräfte zwischen den freien Elektronenpaaren des Sauerstoffs (negativ) der OH-Gruppe eines Moleküls und dem Wasserstoffatom (positiv) der OH-Gruppe eines anderen Moleküls eine Rolle. Durch die Elektronegativität des Sauerstoffs ist der OH-Wasserstoff partiell positiv geladen und ermöglicht diese Form der Interaktion, die als Wasserstoffbrückenbindung bezeichnet wird.

 

Diese zusätzlichen Anziehungskräfte sorgen dafür, dass für die Trennung der Moleküle mehr Energie notwendig ist, sodass die Schmelz- und Siedepunkte im Vergleich zu den korrespondierenden Alkanen wesentlich höher liegen. Viele Alkohole, deren Alkanform bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmig sind, sind unter diesen Bedingungen flüssig. Höherwertige Alkohole haben aufgrund der steigenden Zahl möglicher Wasserstoffbrückenbindungen auch höhere Schmelz- und Siedetemperaturen.

 

Darüber hinaus steigen Schmelz- und Siedetemperatur wie bei den Alkanen mit steigender Länge der Kohlenwasserstoffkette.

Löslichkeit und Hydrophilie

Durch die Fähigkeit, Wasserstoffbrücken zu bilden, sind Alkohole mit niedrigem Kohlenstoffanteil gut in polaren Lösungsmitteln löslich. Die OH-Gruppe stellt eine Art polaren “Kopf” dar, an dem ein unpolarer “Schwanz” hängt (der Alkylrest).

Kurzkettige Verbindungen dieser Klasse sind daher hydrophil und zum Teil sogar hygroskopisch. Das heißt, sie ziehen Wasser z.B. auch aus dem Wasserdampfanteil der Luft an. Aus diesem Grund ist z.B. Ethanol, der längere Zeit mit Raumluft in Verbindung kommt, nie zu 100 % rein – er enthält immer einen gewissen Anteil Wasser (i.d.R. 3 %). Für Reaktionen, bei denen dieser Wassergehalt störend wirkt, muss er deshalb aufwändig getrocknet werden.

Bei längerkettigen Verbindungen überwiegen dagegen die hydrophoben Eigenheiten des Alkylrests. Bis zum Propanol sind die kurzkettigen Alkohole gut in Wasser löslich, bei steigender Zahl der Kohlenstoffatome sinkt die Hydrophilie, damit steigt die Löslichkeit in unpolaren Lösungsmitteln wie Hexan oder Benzol. Höherwertige Alkohole sind aufgrund der größeren Zahl polarer OH-Gruppen besser wasserlöslich als einfache.

 

Die Fähigkeit von Wasser, Alkohole zu lösen, sinkt mit steigender Menge von im Wasser gelösten anorganischen Salzen. Auf diese Weise kann man in wässrigen Lösungen den Alkoholanteil abtrennen, d.h. eine Phasentrennung hervorrufen, indem man ihn “aussalzt”. Das nutzt man zum Beispiel bei der Seifenherstellung. Dort bleibt nach dem Verseifen der Fettsäuren Glycerin übrig, dass sich bei Zusage von Natriumchlorid als neue Phase abtrennt.

Darstellung (Herstellung)

In biologischen Prozessen sind Alkohole häufig als Gärungsprodukte von Bakterien oder Hefepilzen zu finden. So war die Produktion von Ethanol eine der ersten biotechnologischen Synthesen. Dabei wurden gezielt Bedingungen geschaffen, unter denen Zuckerstoffe unter Luftausschluss durch Mikroorganismen zu Ethanol umgesetzt werden (Bierbrauprozess). Als Nebenprodukte dieser Gärung entstehen auch als “Fuselalkohole” bezeichnete Stoffe wie n-Propanol oder Isobutanol, die aber unerwünscht und bei Genuss weniger verträglich sind.

Chemische Verfahren zur Alkoholproduktion sind z.B. die Hydratisierung von Alkenen (R-CH=CH2 + H2O → R-CH2-OH), die katalytische Reduktion von Carbonylverbindungen (R1R2C=O + H2 + (Kat) → R1R2C-OH + (Kat)) oder die Hydrierung von Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid zu Methanol.

Verwendung

Neben der Verwendung des Ethanols als Genussmittel sind viele Alkohole wichtige Lösungsmittel. Darüber hinaus verfügen niedrigkettige Alkohole in ausreichend hoher Konzentration über eine desinfizierende Wirkung, weil sie Proteine in der Zellwand von Bakterien und Pilzen zerstören. Die Anwesenheit von Wasser ist für das Eindringen des Desinfektionsmittels in die Zellen der Mikroorganismen wichtig, sodass Konzentrationen von 70 bis 80 % empfohlen werden. Außerdem spielen Verbindungen wie Methanol, Isopropanol und tert-Butanol eine wichtige Rolle als Ausgangsbausteine in chemischen Reaktionen.