Alkohole monohydroksylowe - budowa nazewnictwo i otrzymywanie - Alkohole, fenole, aldehydy i ketony

bg‑gold

Alkohole

Alkohole to związki, które zawierają grupę funkcyjną –OH, związaną z tetraedrycznym (w stanie hybrydyzacji $s p^{3}$ ) atomem węgla.

R193YLmOpGYxb1

Schemat budowy alkoholi. Model zbudowany jest z atomu węgla - czarna kulka połączonego z atomem tlenu - czerwona kulka. Atom węgla łączy się z atomem wodoru - mniejsza, biała kulka. W atomie węgla na dole są trzy wiązania pojedyncze. Zakreślono grupę hydroksylową OH. Atom węgla znajduje się w stanie hybrydyzacji s p 3 . — Atom węgla, do którego przyłączona jest grupa hydroksylowa (-OH), posiada hybrydyzację sp³.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

bg‑gold

Budowa i podział alkoholi

R‑OH to ogólny wzór alifatycznych alkoholi monohydroksylowych. Cząsteczka alkoholu zawiera hydrofilową grupę -OH i hydrofobową resztę węglowodorową -R (wyjątkiem jest metanol, który posiada grupę metylową $- {CH}_{3}$ ). Wśród alkoholi alifatycznych łańcuchowych możemy wyróżnić, np. alkohole monohydroksylowe, będące pochodnymi:

alkanów o wzorze ogólnym $C_{n} H_{2 n + 1} OH$ ;
alkenów o wzorze ogólnym $C_{n} H_{2 n - 1} OH$ ;
alkinów o wzorze ogólnym $C_{n} H_{2 n - 3} OH$ .

Alkohole można też traktować jako pochodne wody. W tym ujęciu zakładamy, że jeden z atomów wodoru w cząsteczce wody został zastąpiony grupą węglowodorową R.

R1AK7BqrqyajD1

Na ilustracji przedstawiono porównanie budowy wody i alkoholu. W cząsteczce wody pomiędzy atomami wodoru zaznaczono kąt 104,5 stopnia. Przy atomach wodoru zaznaczono 1/2 delta +, przy atomie tlenu delta -. Przy wiązaniu pomiędzy atomem tlenu a wodoru jest wartość 96 pikometrów. W cząsteczce metanolu zaznaczono kąt pomiędzy atomem węgla i atomem wodoru, wynosi on 108,9 stopnia. Przy atomie węgla zaznaczono delta +, przy atomie wodoru z grupy OH delta +, przy atomie tlenu z grupy OH delta -. Wiązanie pomiędzy atomem tlenu a atomem węgla w metanolu zaznaczono jako wiązanie atomowe słabo spolaryzowane, natomiast pomiędzy atomem tlenu a wodoru jako silnie spolaryzowane. Wiązanie pomiędzy atomem tlenu i atomem wodoru w cząsteczce wody oznaczono jako silnie spolaryzowane. — Porównanie budowy cząsteczki wody i metanolu. W alkoholu występuje wiązanie atomowe H-O silnie spolaryzowane i słabo spolaryzowane wiązanie C-O, z kolei w cząsteczce wody oba wiązania atomowe H-O są silnie spolaryzowane.
Źródło: GroMar Sp. z o.o, licencja: CC BY-SA 3.0.

Obecność silnie spolaryzowanego wiązania $O - H$ determinuje właściwości fizyczne i chemiczne alkoholi. Silna polaryzacja wiązania $O - H$ sprawia, że cząsteczki alkoholi są dipolami.

RjhTUDthpRupu

Na ilustracji jest cząsteczka alkoholu przedstawiona jako dipol. W grupie OH po lewej stronie zaznaczono delta plus, po prawej delta minus. Uproszczony model przedstawiony jest w postaci elipsy: po lewej stronie jest kolor niebieski oznaczony jako delta plus, po przeciwnej elipsa ma kolor jasnoczerwony - delta minus. — Model dipolu
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Alkohole są zróżnicowane pod względem budowy. Przykładowa klasyfikacja obejmuje te, które zawierają również reszty węglowodorowe o charakterze aromatycznym.

RMMLZ5bAhAyJm1

Schemat przedstawia przykładowy podział alkoholi ze względu na: rzędowość atomu węgla związanego z grupą -OH. Tu wyróżniamy: pierwszorzędowe, drugorzędowe i trzeciorzędowe. Podział ze względu na liczbę grup -OH w cząsteczce. Tu wyróżnia się: monohydroksylowe i polihydroksylowe. Podział ze względu na charakter reszty węglowodorowej w cząsteczce – wyróżnia się alkohole alifatyczne nasycone i nienasycone, o charakterze aromatycznym, cyklicznie nasycone i nienasycone. Na schemacie ukazano przykład w postaci wzorów półstrukturalnych do każdej podgrupy. — Klasyfikacja alkoholi
Źródło: GroMar Sp. z o.o. na podstawie M. Krzeczkowska, J. Loch, A. Mizera, Repetytorium chemia : Liceum - poziom podstawowy i rozszerzony, Wydawnictwo Szkolne PWN, Warszawa - Bielsko-Biała 2010., licencja: CC BY-SA 3.0.

Symulacja 1

Czy wiesz, jak zbudowane są alkohole? Zapoznaj się z przedstawioną poniżej symulacją interaktywną dotyczącą budowy alkoholi, a następnie rozwiąż ćwiczenia.

Czy wiesz jak zbudowane są alkohole? Zapoznaj się z opisem symulacji interaktywnej dotyczącej budowy alkoholi a następnie rozwiąż ćwiczenia.

R1LHTpU9V5YuR

Grafika interaktywna pt. „Jak zbudowane są alkohole?"
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Podpowiedźgreenwhite

Alkohole można podzielić między innymi ze względu na:

rzędowość atomu węgla związanego z grupą $- OH$ , np. pierwszo-, drugo-, trzeciorzędowy;
liczbę grup $- OH$ w cząsteczce, np. monohydroksylowy (alkohol zawierający jedną grupę hydroksylową ( $- OH$ ), polihydroksylowy (alkohol zawierający kilka grup hydroksylowych ( $- OH$ ).

Rzędowość alkoholi określa z iloma atomami węgla połączony jest atom węgla z przyłączoną grupą hydroksylową.

R1dkl4zM2stcZ

Ćwiczenie 1

R6qjitvjiOnQR

Ćwiczenie 2

R7dcEziDMlRwp

Ćwiczenie 3

bg‑gold

Nazewnictwo alkoholi

Budowa cząsteczek alkoholi decyduje o sposobie ich nazewnictwa, dlatego w tej części tematu omówione zostaną odpowiednie zasady. Zapoznaj się z poleceniem 1 i rozwiąż zawarte pod nim ćwiczenia.

Polecenie 1

Zapoznaj się z filmem samouczkiem. Czy wiesz, w jaki sposób tworzy się nazwy alkoholi w oparciu o ich wzór strukturalny?

REsecmmG6lrM01

Film samouczek pt. Jak należy tworzyć nazwy i wzory cząsteczek alkoholi?'
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 4

R6eTCmzvGhoTY

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 4

R1O0lsQfo8LwN

$C_{8} H_{11} F_{2} {Cl}_{2} Br$

Ćwiczenie 5

Podaj nazwy związków, których wzory podano poniżej.

Rn533rxLIIINa

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

RZLzDkmRg2h52

a) $5$ -etylidenodekan- $4$ -ol

b) $1$ -chlorocykloheksano- $1$ , $2$ -diol

c) $3$ -metylideno- $2$ -(propan- $2$ -ylo)cyklobutan- $1$ -ol

Ćwiczenie 5

R7g7jXppl4fKp

bg‑gold

Otrzymywanie alkoholi monohydroksylowych

Poniżej przedstawiono mapę obrazującą metody otrzymywania alkoholi, które zostaną omówione w dalszej części tego materiału.

R1GMaJkfDvLKv1

Mapa pojęć pt. Metody otrzymywania alkoholi

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Fermentacja alkoholowa

Jednym z najprostszych alkoholi, dobrze nam znanym, jest etanol ( $C_{2} H_{5} OH$ ). Można go otrzymać poprzez fermentację alkoholową skrobi, zawartą w ziemniakach lub innych bogatych w cukry (glukozę, sacharozę) surowców, np. owoców:

$C_{6} H_{12} O_{6} \overset{enzymy}{\to} 2 C_{2} H_{5} OH + 2 {CO}_{2}$

Sucha destylacja drewna

Metanol często otrzymuje się za pomocą pirolizy drewna (sucha destylacja). Polega to na rozkładzie drewna w warunkach beztlenowych poprzez ogrzewanie z zewnątrz do temperatury $500 ° C$ . Należy wyróżnić kilka etapów wykonywanej czynności. Niektóre z nich zostały przedstawione w tabeli poniżej.

Etap	Temperatura $[° C]$	Produkty
$1 .$	$< 170$	głównie woda
$2 .$	$170$ ‑ $270$	tlenek węgla( $IV$ ) i tlenek węgla( $II$ )
$3 .$	$270$ ‑ $280$	kwas octowy, metanol, smoła oraz węglowodory
$4 .$	$280$ ‑ $500$	węglowodory i wodór

Metody przemysłowe

Metanol w przemyśle syntezuje się przy użyciu mieszaniny wodoru cząsteczkowego $(H_{2})$ i tlenku węgla( $II$ ) $(CO)$ , czyli tzw. gazu syntezowego. Reakcja zachodzi przy użyciu katalizatora i pod wpływem działania wysokiej temperatury oraz ciśnienia.

$CO + 2 H_{2} \to {CH}_{3} OH$

Gaz syntezowy powstaje podczas reakcji węgla, gazu ziemnego lub lekkich węglowodorów (głównie metanu) z parą wodną w obecności katalizatorów. Katalityczna konwersja metanu parą wodną zachodzi zgodnie z poniższym równaniem reakcji:

${CH}_{4} + H_{2} O ⇄ CO + 3 H_{2}$

Addycja elektrofilowa alkenów

Poza tym w przemyśle na dużą skalę alkohole otrzymuje się w reakcji przyłączania wody do alkenów (addycja elektrofilowa do podwójnego wiązania). Dla przykładu, etanol otrzymuje się z etylenu (etenu) w bardzo kwaśnym środowisku:

${CH}_{2} = {CH}_{2} + H_{2} O \overset{H_{3} {PO}_{4}, 250 ° C}{\to} {CH}_{3} {CH}_{2} OH$

Oprócz powyższych specyficznych metod w laboratorium, stosuje się poniżej wymienione metody otrzymywania alkoholi.

Substytucja nukleofilowa halogenków alkilowych z mocnymi zasadami w środowisku wodnym

${CH}_{3} {CH}_{2} Cl + {OH}^{-} \overset{H_{2} O}{\to} C_{2} H_{5} OH + {Cl}^{-}$

Halogenki alkilowe są elektrofilami, zatem reagują z nukleofilami i zasadami. W powyższej reakcji substytucji nukleofilowej nukleofil ( ${OH}^{-}$ ) wypycha elektrony wiązania ( ${CH}_{2} - Cl$ ) w halogenku alkilowym w kierunku grupy opuszczającej ( ${Cl}^{-}$ ), co prowadzi do rozerwania wiązania i odejścia anionu chlorkowego. Reaktywność halogenków alkilowych zależy od właściwości grupy opuszczającej. Ogólnie najsłabsze zasady, czyli aniony najsilniejszych kwasów, są najlepszymi, najbardziej reaktywnymi grupami opuszczającymi. Szczególnie aktywne w tym procesie są bromo- i jodoalkany. Chloroalkany reagują stosunkowo trudno, natomiast fluoroalkany są bardzo mało reaktywne, ponieważ anion fluorkowy tworzy słabe kwasy.

Spróbuj przeprowadzić syntezę alkoholu w poniższym wirtualnym laboratorium, a następnie rozwiąż ćwiczenia.

Laboratorium 1

Przeprowadź doświadczenie w wirtualnym laboratorium chemicznym. Rozwiąż problem badawczy i zweryfikuj hipotezę. W formularzu zapisz również obserwacje, i wyniki, a następnie sformułuj wnioski. Określ typy zachodzących reakcji. Czy reakcja z azotanem( $V$ ) srebra( $I$ ) umożliwia potwierdzenie przebiegu reakcji chloroetanu oraz $1$ -chloropropanu z wodorotlenkiem sodu? Porównaj swoje obserwacje z zapisem równań reakcji dostępnych w e‑lekcji.

R1N4qqxqo3D5p

R1NNel2echuWn1

Wirtualne laboratorium pt. „Otrzymywanie alkoholi”

Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Sprawdź, czy Twoje obserwacje, wyniki i wnioski są podobne do poniższych.

Obserwacje:
Po dodaniu roztworu wodorotlenku sodu do probówki zawierającej 1‑chloropropan lub chloroetan można zaobserwować, że tworzą się dwie warstwy cieczy. W wyniku ogrzania probówki z $1$ -chloropropanem w łaźni wodnej oraz schłodzenia probówki zawierającej chloroetan w łaźni lodowej, z dwóch warstw cieczy tworzy się jedna. Dodanie wodnego roztworu azotanu( $V$ ) srebra( $I$ ) do obydwóch uzyskanych wcześniej roztworów prowadzi do wytrącenia się białego osadu.

Wyniki:
Reakcja $1$ -chloropropanu lub chloroetanu z wodorotlenkiem sodu to reakcja substytucji nukleofilowej, w wyniku której powstaje odpowiedni alkohol oraz chlorek sodu, $NaCl$ , który posiada budowę jonową. W przypadku chloroetanu otrzymanym alkoholem jest etanol, a w przypadku $1$ -chloropropanu – propan- $1$ -ol.

${CH}_{3} {CH}_{2} Cl + NaOH \to {CH}_{3} {CH}_{2} OH + NaCl$

${CH}_{3} {CH}_{2} {CH}_{2} Cl + NaOH \to {CH}_{3} {CH}_{2} {CH}_{2} OH + NaCl$

Dodanie azotanu( $V$ ) srebra( $I$ ) do produktów tych reakcji prowadzi wytrącenia się białego osadu nierozpuszczalnej soli $AgCl$ . Jest to reakcja strącania.

${AgNO}_{3} + NaCl \to AgCl ↓ + {NaNO}_{3}$

Wnioski:
Alkohole można otrzymywać z fluorowcoalkanów w reakcji substytucji nukleofilowej. Hipoteza została potwierdzona.

Zapoznaj się z opisem doświadczenia, a następnie rozwiąż zadania.

Analiza doświadczenia: Reakcje otrzymywania alkoholi.

Problem badawczy: Czy w reakcji halogenku alkilowego z wodorotlenkiem sodu można jako produkt otrzymać alkohol?

Hipoteza: W reakcji chlorku alkilowego z wodorotlenkiem sodu można otrzymać alkohol.

Sprzęt laboratoryjny:

probówki – podłużne naczynia szklane służące do przeprowadzania prostych reakcji chemicznych;
statyw – prostokątny sprzęt laboratoryjny z rzędami otworów, w których umieszczane są probówki;
drewniana łapa – rodzaj trzymaka służący do uchwycenia probówki lub małej kolby stożkowej;
łaźnia wodna – naczynie wypełnione wodą, służące do ogrzewania lub schładzania innych naczyń laboratoryjnych wraz z ich zawartością;
łaźnia lodowa – naczynie wypełnione lodem, służące do schładzania innych naczyń laboratoryjnych wraz z ich zawartością;
pipeta Pasteura – wąska rurka do pobierania i przenoszenia niewielkiej ilości cieczy przy pomocy ssawki.

Potrzebne odczynniki:

chloroetan; chloropropan; wodorotlenek sodu; azotan( $V$ ) srebra( $I$ ).

Przebieg doświadczenia:

Wybrano jeden z chlorków, dodano do probówki około dwa centymetry sześcienne.
Następnie dodano taką samą ilość $NaOH$ .
Probówkę z $1$ -chloropropanem ogrzano w łaźni wodnej, a probówkę z chloroetanem schłodzono w łaźni lodowej.
Do otrzymanego roztworu substancji dodano kilka kropli roztworu azotanu( $V$ ) srebra( $I$ ).

Obserwacje:

Po dodaniu roztworu wodorotlenku sodu do probówki zawierającej $1$ -chloropropan lub chloroetan zaobserwowano, że tworzą się dwie warstwy cieczy. W wyniku ogrzania probówki z $1$ -chloropropanem w łaźni wodnej oraz schłodzenia probówki zawierającej chloroetan w łaźni lodowej, z dwóch warstw cieczy tworzy się jedna. Dodanie wodnego roztworu azotanu( $V$ ) srebra( $I$ ) do obydwóch uzyskanych wcześniej roztworów prowadzi do wytrącenia się białego osadu.

Wyniki:

Reakcja $1$ -chloropropanu lub chloroetanu z wodorotlenkiem sodu to reakcja substytucji nukleofilowej, w wyniku której powstaje odpowiedni alkohol oraz chlorek sodu, $NaCl$ , który posiada budowę jonową. W przypadku chloroetanu otrzymanym alkoholem jest etanol, a w przypadku $1$ -chloropropanu – propan- $1$ -ol.

${CH}_{3} {CH}_{2} Cl + NaOH \to {CH}_{3} {CH}_{2} OH + NaCl$

${CH}_{3} {CH}_{2} {CH}_{2} Cl + NaOH \to {CH}_{3} {CH}_{2} {CH}_{2} OH + NaCl$

Dodanie azotanu( $V$ ) srebra( $I$ ) do produktów tych reakcji prowadzi wytrącenia się białego osadu nierozpuszczalnej soli $AgCl$ . Jest to reakcja strącania.

${AgNO}_{3} + NaCl \to AgCl ↓ + {NaNO}_{3}$

Wnioski:

Alkohole można otrzymywać z fluorowcoalkanów w reakcji substytucji nukleofilowej. Hipoteza została potwierdzona.

R2VH7BEAuMdPK

Ćwiczenie 6

RZOZU620Z4feJ

Ćwiczenie 7

211

Ćwiczenie 6

Narysuj wzory półstrukturalne produktów poniższych reakcji.

RCPmGSAu4sbX2

Ilustracja — Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Roi0eMZfVxKsx

Zapisz wzory produktów poniższych reakcji.

${({CH}_{3})}_{3} CBr + KOH \overset{H_{3} O^{+}}{\to}$
${CH}_{3} - CH = CH - {CH}_{3} + H_{2} O \overset{H_{3} O^{+}}{\to}$
$R Cl + NaOH \overset{H_{2} O}{\to}$
$Br - {CH}_{2} - {CH}_{2} - Br + 2 KOH \overset{H_{2} O}{\to}$

RwjyvEdt4Ydab

${({CH}_{3})}_{3} CBr + KOH \overset{H_{3} O^{+}}{\to} {({CH}_{3})}_{3} C — OH + KBr$
${CH}_{3} - CH = CH - {CH}_{3} + H_{2} O \overset{H_{3} O^{+}}{\to} {CH}_{3} - CH (OH) - {CH}_{2} - {CH}_{3}$
$R Cl + NaOH \overset{H_{2} O}{\to} R OH + NaCl$
$Br - {CH}_{2} - {CH}_{2} - Br + 2 KOH \overset{H_{2} O}{\to} HO - {CH}_{2} - {CH}_{2} - OH + 2 KBr$

Ćwiczenie 7

Zaproponuj wzory związków chemicznych, które można wykorzystać do syntezy poniższych alkoholi. Podaj nazwę zastosowanej metody oraz oceń, czy dany alkohol został otrzymany zgodnie z regułą Markownikowa – wyjaśnij dlaczego.

RsCEcMfbEO0ff

RBsAJaA1KdAMb

R19KxMHUZiu0J

${BH}_{3}$ , $NaOH$ , $H_{2} O_{2}$

Metoda: Hydroborowanie.

Produkt niezgodny z reguła Markownikowa.

RaOfV3batJK9o

$Hg {(OAc)}_{2}$ , $H_{2} O$ , ${NaBH}_{4}$

Metoda: Oksyrtęciowanie.

Produkt zgodny z reguła Markownikowa, ponieważ grupa $OH$ przyłączona jest do atomu węgla, połączonego z większą ilością podstawników/atomów.

Ćwiczenie 7

RBpLCkvgvik6g

Produkt niezgodny z regułą Markownikowa można uzyskać w wyniku hydroborowania, wykorzystując w tym celu ${BH}_{3}$ , $NaOH$ oraz $H_{2} O_{2}$ . Z kolei produkt zgodny z regułą Markownikowa powstaje w wyniku oksyrtęciowania z użyciem $Hg {(OAc)}_{2}$ , $H_{2} O$ oraz ${NaBH}_{4}$ .

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Fluorowcopochodne węglowodorów

Alkohole monohydroksylowe - właściwości

Alkohole monohydroksylowe - budowa nazewnictwo i otrzymywanie

Alkohole

Budowa i podział alkoholi

Nazewnictwo alkoholi

Otrzymywanie alkoholi monohydroksylowych

Fermentacja alkoholowa

Sucha destylacja drewna

Metody przemysłowe

Addycja elektrofilowa alkenów

Substytucja nukleofilowa halogenków alkilowych z mocnymi zasadami w środowisku wodnym

Notatnik