Alkohole - budowa i klasyfikacja

Alkohole to związki organiczne zawierające grupę hydroksylową $-OH$ połączoną z atomem węgla. Ich ogólny wzór to R-OH, gdzie R oznacza łańcuch węglowodorowy. Znajomość klasyfikacji alkoholi jest podstawą zrozumienia ich chemii.

Alkohole dzielimy ze względu na budowę na nasycone (np. metanol CH₃OH, etanol CH₃CH₂OH), nienasycone $np. but-3-en-1-ol$ oraz cykliczne i aromatyczne (np. cykloheksanol). Tworząc nazwę systematyczną alkoholu, dodajemy końcówkę "-ol" do nazwy węglowodoru i podajemy numer atomu węgla z grupą OH.

Podział ze względu na liczbę grup -OH obejmuje alkohole monohydroksylowe (jedna grupa OH), dihydroksylowe (dwie grupy OH, np. glikol) oraz polihydroksylowe (trzy lub więcej grup OH, np. glicerol). Ważny jest również podział ze względu na rzędowość: alkohole I-rzędowe (grupa OH przy węglu połączonym z jednym atomem węgla), II-rzędowe (grupa OH przy węglu połączonym z dwoma atomami węgla) i III-rzędowe.

⚠️ Pamiętaj! Numeracja łańcucha w alkoholach zawsze zaczyna się od tej strony, gdzie grupa OH jest bliżej. Grupa OH jest ważniejsza od położenia wiązań wielokrotnych i podstawników.

Właściwości alkoholi monohydroksylowych

Właściwości fizyczne alkoholi zmieniają się wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego. Alkohole od C₁ do C₇ są cieczami, a powyżej C₁₁ to ciała stałe. Wraz ze wzrostem łańcucha rosną temperatury wrzenia i topnienia oraz gęstość, a maleje rozpuszczalność w wodzie.

Pomiędzy cząsteczkami alkoholi występują wiązania wodorowe, co jest przyczyną zjawiska kontrakcji - zmniejszenia objętości mieszaniny alkohol-woda w porównaniu do sumy objętości składników. Wodne roztwory alkoholi mają odczyn obojętny.

Pod względem właściwości chemicznych alkohole wykazują interesujące reakcje:

• Spalają się do CO₂ i H₂O $np. CH₃CH₂OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O$
• Reagują z aktywnymi metalami, tworząc alkoholany $np. 2CH₃OH + 2Na → 2CH₃ONa + H₂$
• Z fluorowcowodorami tworzą fluorowcopochodne $CH₃CH₂OH + HCl → CH₃CH₂Cl + H₂O$
• Ulegają reakcji eliminacji wody (dehydratacji)
• Alkohole I-rzędowe utleniają się do aldehydów, a wobec silnych utleniaczy do kwasów karboksylowych
• Alkohole II-rzędowe utleniają się do ketonów
• Alkohole III-rzędowe nie ulegają utlenianiu

💡 Ciekawostka: Aby odróżnić alkohole o różnej rzędowości, wykonuje się próbę Lucasa. W przypadku alkoholu III-rzędowego nastąpi natychmiastowe zmętnienie, II-rzędowego - po kilku minutach, a I-rzędowego - brak zmian.

Alkohole polihydroksylowe i fenole

Alkohole polihydroksylowe, takie jak glikol $etano-1,2-diol$ i gliceryna $propano-1,2,3-triol$ to kleiste, bezbarwne ciecze dobrze rozpuszczalne w wodzie. Mają wyższe temperatury wrzenia i topnienia niż ich monohydroksylowe odpowiedniki. Wraz ze wzrostem liczby grup OH maleje ich toksyczność.

Polihydroksylowe alkohole reagują z aktywnymi metalami (np. glikol z sodem tworzy glikolan disodu) oraz z fluorowcowodorami. Aby odróżnić alkohole polihydroksylowe od monohydroksylowych, przeprowadza się reakcję ze świeżo strąconym Cu(OH)₂ - niebieski osad rozpuszcza się, dając szafirowy roztwór.

Fenole to związki, w których grupa -OH jest bezpośrednio połączona z pierścieniem aromatycznym. Ich ogólny wzór to Ar-OH. Najważniejszym przedstawicielem jest fenol (benzenol). W nazewnictwie dodajemy końcówkę "-ol" do nazwy odpowiedniego arenu.

Fenole wykazują silniejsze właściwości kwasowe niż alkohole ze względu na obecność pierścienia aromatycznego. Reagują z zasadami, tworząc fenolany $np. C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O$. Jako związki aromatyczne ulegają też reakcjom charakterystycznym dla arenów - odbarwiają wodę bromową i ulegają nitrowaniu.

🔍 Wskazówka: Im więcej grup OH w alkoholu, tym silniejsze są jego właściwości kwasowe. Fenole mają silniejsze właściwości kwasowe niż alkohole ze względu na stabilizację anionu przez pierścień aromatyczny.

Fenole - budowa i właściwości

Fenol (C₆H₅OH) to substancja stała, krystaliczna i bezbarwna, która pod wpływem tlenu brunatnieje. Ma charakterystyczny zapach i jest słabo rozpuszczalny w zimnej wodzie. Jest związkiem toksycznym o właściwościach żrących.

Wodny roztwór fenolu ma odczyn kwasowy, ponieważ fenol ulega dysocjacji elektrolitycznej. Jest słabym kwasem, ale silniejszym od alkoholi dzięki obecności pierścienia aromatycznego, który stabilizuje powstały anion. Reaguje z aktywnymi metalami i zasadami, tworząc fenolany $np. C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O$.

Fenol jako związek aromatyczny wykazuje reakcje charakterystyczne dla arenów:

• Odbarwia wodę bromową, tworząc 2,4,6-tribromofenol $C₆H₅OH + 3Br₂ → C₆H₂Br₃OH + 3HBr$
• Ulega nitrowaniu, tworząc nitrofenole $np. C₆H₅OH + HNO₃ (stęż.) → C₆H₂(NO₂)₃OH + H₂O$

Aby wykryć fenol, dodaje się roztwór chlorku żelaza(III) - pojawia się charakterystyczne fioletowe zabarwienie pochodzące od powstającego związku kompleksowego.

Fenol można otrzymać na kilka sposobów:

• Z halogenopochodnych arenów w reakcji z zasadami
• Metodą kumenową (reakcja benzenu z propenem, a następnie utlenianie)

⚠️ Ważne: Fenol jest związkiem toksycznym, powodującym oparzenia skóry. Podczas pracy z nim należy zachować szczególną ostrożność i stosować odpowiednie środki ochrony.

Fluorowcopochodne węglowodorów

Fluorowcopochodne to związki powstałe przez zastąpienie atomu wodoru w cząsteczce węglowodoru atomem fluorowca (F, Cl, Br, I). Ich wzór ogólny to R-X lub Ar-X, gdzie X to atom fluorowca. Nazwy tworzymy, traktując atomy fluorowców jak podstawniki.

Związki te wykazują różne rodzaje izomerii: położenia podstawnika, łańcuchową, wiązaniową, cis-trans i Z-E. Można je otrzymać przez substytucję cząsteczek fluorowców do alkanów i arenów lub przez addycję do alkenów i alkinów.

Większość fluorowcopochodnych to niepalne ciecze, nierozpuszczalne w wodzie. Ich temperatury wrzenia rosną ze wzrostem długości łańcucha węglowego i masy atomowej fluorowca. Reaktywność fluorowcopochodnych zależy od różnicy elektroujemności między atomem fluorowca a atomem węgla.

Ważne reakcje fluorowcopochodnych:

• Reagują z zasadami, tworząc alkohole $CH₃CH₂Cl + KOH → CH₃CH₂OH + KCl$
• W środowisku alkoholowym zachodzi reakcja eliminacji $CH₃CH₂Cl + KOH → CH₂=CH₂ + KCl + H₂O$
• Reagują z sodem metodą Wurtza
• Z magnezem tworzą związki Grignarda $CH₃CH₂Br + Mg → CH₃CH₂MgBr$
• Ulegają reakcjom polimeryzacji, dając np. teflon czy PVC

💡 Ciekawostka: Związki Grignarda (np. CH₃CH₂MgBr) są niezwykle ważnymi reagentami w syntezie organicznej, umożliwiającymi tworzenie nowych wiązań węgiel-węgiel.

Aldehydy

Aldehydy to związki zawierające grupę aldehydową $-CHO$ połączoną z ogniwem węglowodorowym alifatycznym lub aromatycznym. Dzielimy je na alifatyczne (np. metanal HCHO, etanal CH₃CHO), aromatyczne (np. benzenokarboaldehyd) i cykliczne.

Nazwy aldehydów tworzy się, dodając końcówkę "-al" do nazwy odpowiedniego węglowodoru. Numeracja zawsze zaczyna się od grupy aldehydowej, która jest ważniejsza od podstawników i wiązań. W przypadku aldehydów cyklicznych i aromatycznych grupa -CHO jest traktowana jako podstawnik i oznaczana jako "karboaldehyd".

Metanal (formaldehyd) w warunkach normalnych jest gazem o ostrym zapachu, dobrze rozpuszczalnym w wodzie. Jego 40% roztwór wodny to formalina. Pozostałe aldehydy są cieczami o malejącej rozpuszczalności w wodzie wraz ze wzrostem długości łańcucha.

Aldehydy wykazują właściwości redukujące - utleniają się do kwasów karboksylowych. Można to potwierdzić:

• Próbą Trommera - powstaje ceglastoczerwony osad Cu₂O
• Próbą Tollensa - tworzy się "lustro srebrowe"

Inne ważne reakcje aldehydów:

• Redukcja wodorem do alkoholi I-rzędowych
• Polimeryzacja (np. formaldehyd tworzy poliformaldehyd)
• Kondensacja aldolowa $np. etanal tworzy 3-hydroksybutanal$
• Reakcje z alkoholami tworzące hemiacetale

🔍 Wskazówka: Aldehydy można łatwo odróżnić od ketonów, ponieważ tylko aldehydy dają pozytywny wynik w próbie Tollensa (lustro srebrowe) i próbie Trommera (czerwony osad Cu₂O).

Ketony

Ketony to związki zawierające grupę karbonylową $C=O$ połączoną z dwoma podstawnikami węglowodorowymi. Dzielimy je na dialifatyczne $np. propanon - aceton$, alifatyczno-aromatyczne (np. keton fenylometylowy) i diaromatyczne (np. keton difenylowy).

Nazwy systematyczne ketonów dialifatycznych i cyklicznych tworzymy, dodając końcówkę "-on" do nazwy odpowiedniego węglowodoru. Dla ketonów alifatyczno-aromatycznych i diaromatycznych używamy nazw dwóch rodników w kolejności alfabetycznej.

Aceton (propanon) to bezbarwna ciecz o charakterystycznym zapachu, będąca doskonałym rozpuszczalnikiem. Roztwór wodny acetonu ma odczyn obojętny. Wraz ze wzrostem długości łańcucha węglowego rośnie temperatura wrzenia i topnienia ketonów.

W przeciwieństwie do aldehydów, ketony nie wykazują właściwości redukujących. Mogą jednak:

• Utleniać się do mieszaniny dwóch kwasów karboksylowych wobec silnych utleniaczy
• Redukować się wodorem do alkoholi II-rzędowych
• Reagować z alkoholami

Aby wykryć grupę metyloketonową $-COCH₃$, przeprowadza się próbę jodoformową - reakcję z jodem w środowisku zasadowym. Produktem jest żółty osad jodoformu (CHI₃).

💡 Ciekawostka: Aceton występuje naturalnie w organizmie człowieka. Podczas głodzenia lub w przypadku cukrzycy organizm produkuje ketony (w tym aceton) jako alternatywne źródło energii, co może prowadzić do charakterystycznego zapachu z ust.