Alkohol (kemi)

Den här artikeln handlar om klassen av kemiska föreningar. För alkoholen som finns i alkoholhaltiga drycker, se Etanol . För annan användning, se Alkohol (disambiguation) .

Ball-and-stick-modell av en alkoholmolekyl ( R ₃ COH ). De röda och vita kulorna representerar hydroxylgruppen ( −OH ). De tre "R" står för kolsubstituenter eller väteatomer.

Bindningsvinkeln mellan en hydroxylgrupp ( −OH ) och en kedja av kolatomer (R) med två ensamma par på en syreatom

Inom kemi är en alkohol en typ av organisk förening som bär minst en funktionell hydroxylgrupp ( −OH ) bunden till en mättad kolatom. Alkoholer sträcker sig från det enkla, som metanol och etanol, till komplexa, som sackaros och kolesterol . Närvaron av en OH-grupp modifierar kraftigt egenskaperna hos kolväten, vilket ger hydrofila (vattenälskande) egenskaper. OH-gruppen tillhandahåller ett ställe där många reaktioner kan inträffa.

Historia

Vinets brandfarliga karaktär var redan känd för forntida naturfilosofer som Aristoteles (384–322 f.Kr.), Theophrastus ( ca. 371–287 f.Kr.) och Plinius den äldre (23/24–79 f.Kr.). Detta ledde dock inte omedelbart till isoleringen av alkohol, även trots utvecklingen av mer avancerade destillationstekniker i det romerska Egypten på andra och tredje århundradet . Ett viktigt erkännande, som först hittades i en av de skrifter som tillskrivs Jābir ibn Ḥayyān (800-talet e.Kr.), var att genom att tillsätta salt till kokande vin, vilket ökar vinets relativa flyktighet , kan brännbarheten hos de resulterande ångorna förbättras. Destilleringen av vin är intygad i arabiska verk som tillskrivs al-Kindī ( ca 801–873 e.Kr.) och till al-Fārābī ( ca 872–950 ), och i den 28:e boken av al-Zahrāwīs (latin: Abulcasis) , 936–1013) Kitāb al-Taṣrīf (senare översatt till latin som Liber servatoris ). I det tolfte århundradet, recept för produktion av aqua ardens ("bränna vatten", dvs alkohol) genom att destillera vin med salt började dyka upp i ett antal latinska verk, och i slutet av 1200-talet hade det blivit ett allmänt känt ämne bland västeuropeiska kemister.

Taddeo Alderottis (1223–1296) verk beskriver en metod för att koncentrera alkohol som involverar upprepad fraktionerad destillation genom en vattenkyld destillation, genom vilken en alkoholrenhet på 90 % kunde erhållas. Etanolens medicinska egenskaper studerades av Arnald av Villanova (1240–1311 e.Kr.) och Johannes av Rupescissa ( ca 1310–1366 ), av vilka den senare ansåg det som ett livbevarande ämne som kan förebygga alla sjukdomar (aqua vitae) eller "livets vatten", även kallad av Johannes kvintessensen av vin).

Nomenklatur

Etymologi

Ordet "alkohol" kommer från arabiskan kohl ( arabiska : الكحل , romaniserad : al-kuḥl ), ett puder som används som eyeliner. Den första delen av ordet ( al- ) är den arabiska bestämda artikeln , motsvarande den på engelska. Den andra delen av ordet ( kuḥl ) har flera antecedent i semitiska språk , som slutligen härrör från akkadiskan 𒎎𒋆𒁉𒍣𒁕 (guḫlum), som betyder stibnit eller antimon .

, användes termen alkohol ursprungligen för det mycket fina pulvret som producerades genom sublimering av det naturliga mineralet stibnit för att bilda antimontrisulfid Sb ₂ S ₃ . Det ansågs vara essensen eller "anden" av detta mineral. Det användes som ett antiseptiskt medel , eyeliner och kosmetika . Senare utvidgades betydelsen av alkohol till destillerade ämnen i allmänhet och inskränktes sedan igen till etanol, när "sprit" var en synonym för starksprit .

Bartholomew Traheron , i sin 1543 översättning av Johannes av Vigo , introducerar ordet som en term som används av "barbariska" författare för "fint pulver". Vigo skrev: "de barbariska aukturerna använder alkohol, eller (som jag finner det ibland wryten) alkofoll, för moost fin poudre."

1657 Lexicon Chymicum , av William Johnson uttrycker ordet som "antimonium sive stiebium." I förlängningen kom ordet att hänvisa till vilken vätska som helst som erhållits genom destillation, inklusive "alkohol av vin", den destillerade essensen av vin. Libavius ​​i Alchymia (1594) syftar på "vini alcohol vel vinum alcalisatum". Johnson (1657) uttrycker alkohol vini som "quando omnis superfluitas vini a vino separatur, ita ut accensum ardeat donec totum consumatur, nihilque fæcum aut phlegmatis in fundo remaneat." Ordets betydelse blev begränsad till "vinsprit" (den kemikalie som idag kallas etanol ) på 1700-talet och utvidgades till klassen av ämnen så kallade "alkoholer" i modern kemi efter 1850.

Termen etanol uppfanns 1892 och blandade " etan " med "-ol"-ändelsen av "alkohol", som generaliserades som en libfix .

Termen alkohol refererade ursprungligen till den primära alkoholen etanol (etylalkohol), som används som drog och är den huvudsakliga alkoholen som finns i alkoholhaltiga drycker .

Suffixet -ol förekommer i International Union of Pure and Applied Chemistry ( IUPAC) kemiska namn på alla ämnen där hydroxylgruppen är den funktionella gruppen med högst prioritet. När en högre prioriterad grupp finns i föreningen används prefixet hydroxi- i dess IUPAC-namn. Suffixet -ol i icke-IUPAC-namn (som paracetamol eller kolesterol ) indikerar också vanligtvis att ämnet är en alkohol. Men vissa föreningar som innehåller hydroxylfunktionella grupper har triviala namn som inte innehåller suffixet -ol eller prefixet hydroxi- , t.ex. sockerarterna glukos och sackaros .

Systematiska namn

IUPAC-nomenklaturen används i vetenskapliga publikationer och där exakt identifiering av ämnet är viktigt. Vid namngivning av enkla alkoholer förlorar namnet på alkankedjan det terminala e och lägger till suffixet -ol , t.ex. som i "etanol" från alkankedjans namn "etan". Vid behov indikeras hydroxylgruppens position med en siffra mellan alkannamnet och -ol : propan-1-ol för CH ₃ CH ₂ CH ₂ OH , propan-2-ol för CH3CH (OH _{) CH3} . CH3C (O) _{CH2OH )} Om en högre prioriterad grupp är närvarande (såsom en aldehyd , keton eller karboxylsyra ) används prefixet hydroxi- , t.ex. som i 1- hydroxi -2-propanon ( . Föreningar som har mer än en hydroxigrupp kallas polyoler . De namnges med suffixen -diol, -triol, etc., efter en lista över positionsnumren för hydroxylgrupperna, som i propan-1,2-diol för _CH3CH (OH)CH2OH ₍ propylenglykol).

Exempel alkoholer och representationer

Strukturformel	Skelettformel	Föredraget IUPAC-namn	Andra systematiska namn	Vanliga namn	Grad
CH3 - CH2 - CH2 - OH		propan-1-ol	1-propanol; n- propylalkohol	propanol	primär
		propan-2-ol	2-propanol	isopropylalkohol; isopropanol	sekundär
		cyklohexanol			sekundär
		2-metylpropan-1-ol	2-metyl-l-propanol	isobutylalkohol; isobutanol	primär
		tert -amylalkohol	2-metylbutan-2-ol; 2-metyl-2-butanol	TAA	tertiär

I de fall där hydroxigruppen är bunden till ett sp2- ^kol på en aromatisk ring , klassificeras molekylen separat som en fenol och namnges med hjälp av IUPAC-reglerna för namngivning av fenoler. Fenoler har distinkta egenskaper och klassificeras inte som alkoholer.

Vanliga namn

I andra mindre formella sammanhang kallas en alkohol ofta med namnet på motsvarande alkylgrupp följt av ordet "alkohol", t.ex. metylalkohol , etylalkohol . Propylalkohol kan vara n- propylalkohol eller isopropylalkohol , beroende på om hydroxylgruppen är bunden till änd- eller mittkolet på den raka propankedjan . Som beskrivs under systematisk namngivning, om en annan grupp på molekylen har prioritet, indikeras alkoholdelen ofta med prefixet "hydroxi-".

I den arkaiska nomenklaturen kan alkoholer namnges som derivat av metanol med "-karbinol" som ändelse. Till exempel (CH3 ₎ 3COH _benämnas . trimetylkarbinol

Primär, sekundär och tertiär

Alkoholer klassificeras sedan i primära, sekundära ( sek- , s- ) och tertiära ( tert- , t- ), baserat på antalet kolatomer kopplade till kolatomen som bär den hydroxylfunktionella gruppen . (Respektive numeriska förkortningar 1°, 2° och 3° används ibland i informella sammanhang.) De primära alkoholerna har allmänna formler RCH ₂ OH . Den enklaste primära alkoholen är metanol ( CH ₃ OH ), för vilken R=H, och nästa är etanol, för vilken R=CH ₃ , metylgruppen . Sekundära alkoholer är de av formen RR'CHOH, den enklaste av dessa är 2-propanol ( R=R'=CH3 ₎ . För de tertiära alkoholerna är den allmänna formen RR'R"COH. Det enklaste exemplet är tert-butanol (2-metylpropan-2-ol), för vilken var och en av R, R' och R" _är CH3 . I dessa förkortningar representerar R, R' och R" substituenter , alkyl eller andra bundna, vanligtvis organiska grupper.

Exempel

Typ	Formel	IUPAC -namn	Vanligt namn
Envärda alkoholer	CH3OH _ _	Metanol	Träsprit
	C2H5OH _ _ _ _	Etanol	Alkohol
	C3H7OH _ _ _ _	Propan-2-ol	Isopropylalkohol, tvättsprit
	C4H9OH _ _ _ _	Butan-1-ol	Butanol, Butylalkohol
	C5H11OH _ _ _ _	Pentan-1-ol	Pentanol, Amylalkohol
	C16H33OH _ _ _ _	Hexadekan-1-ol	Cetylalkohol
Flervärda alkoholer	C2H4 ( OH ) 2 _	Etan-1,2-diol	Etylenglykol
	C3H6 ( OH ) 2 _	Propan-1,2-diol	Propylenglykol
	C3H5 ( OH ) 3 _	Propan-1,2,3-triol	Glycerol
	C4H6 ( OH ) 4 _	Butan-1,2,3,4-tetraol	Erythritol , Threitol
	C5H7 ( OH ) 5 _	Pentan-1,2,3,4,5-pentol	Xylitol
	C6H8 ( OH ) 6 _	hexan-1,2,3,4,5,6-hexol	Mannitol , Sorbitol
	C7H9 ( OH ) 7 _	Heptan-1,2,3,4,5,6,7-heptol	Volemitol
Omättade alifatiska alkoholer	C3H5OH _ _ _ _	Prop-2-en-1-ol	Allylalkohol
	C10H17OH _ _ _ _	3,7-dimetylokta-2,6-dien-1-ol	Geraniol
	C3H3OH _ _ _ _	Prop-2-yn-1-ol	Propargyl alkohol
Alicykliska alkoholer	C6H6 ( OH ) 6 _	Cyklohexan-1,2,3,4,5,6-hexol	Inositol
	C10H19OH _ _ _ _	5-metyl-2-(propan-2-yl)cyklohexan-1-ol	Mentol

Ansökningar

Totalt registrerad alkoholkonsumtion per capita (15+), i liter ren etanol

Alkoholer har en lång historia av otaliga användningsområden. För enkla monoalkoholer, som är i fokus i denna artikel, är följande de viktigaste industriella alkoholerna:

• metanol, främst för framställning av formaldehyd och som bränsletillsats
• etanol, främst för alkoholhaltiga drycker, bränsletillsats, lösningsmedel
• 1-propanol, 1-butanol och isobutylalkohol för användning som lösningsmedel och prekursor till lösningsmedel
• C6–C11 alkoholer som används för mjukgörare , t.ex. i polyvinylklorid
• fettalkohol (C12–C18), prekursorer till tvättmedel

Metanol är den vanligaste industriella alkoholen, med cirka 12 miljoner ton/år producerad 1980. Den sammanlagda kapaciteten för de övriga alkoholerna är ungefär densamma, fördelade ungefär lika.

Giftighet

Huvudartiklar: Etanol och metanol

Med avseende på akut toxicitet har enkla alkoholer låg akut toxicitet . Doser på flera milliliter tolereras. För pentanoler , hexanoler , oktanoler och längre alkoholer varierar LD50 från 2–5 g/kg (råttor, orala). Etanol är mindre akut giftigt. Alla alkoholer är milda hudirriterande.

Metanolens (och etylenglykol ) metabolism påverkas av närvaron av etanol, som har en högre affinitet för leveralkoholdehydrogenas . På detta sätt kommer metanol att utsöndras intakt i urinen.

Fysikaliska egenskaper

I allmänhet gör hydroxylgruppen alkoholer polära . Dessa grupper kan bilda vätebindningar till varandra och till de flesta andra föreningar. På grund av närvaron av de polära OH-alkoholerna är de mer vattenlösliga än enkla kolväten. Metanol, etanol och propanol är blandbara i vatten. Butanol , med en fyrkolskedja, är måttligt löslig.

På grund av vätebindning tenderar alkoholer att ha högre kokpunkter än jämförbara kolväten och etrar . Kokpunkten för alkoholetanolen är 78,29 °C, jämfört med 69 °C för kolvätet hexan och 34,6 °C för dietyleter .

Förekomst i naturen

Enkla alkoholer finns i stor utsträckning i naturen. Etanol är den mest framträdande eftersom det är produkten av jäsning, en viktig energiproducerande väg. Andra enkla alkoholer, främst fuselalkoholer , bildas endast i spårmängder. Mer komplexa alkoholer är dock genomträngande, vilket manifesteras i sockerarter, vissa aminosyror och fettsyror.

Produktion

Hydroxylering

Många alkoholer framställs genom hydroxylering , dvs installation av en hydroxylgrupp med användning av syre eller relaterad oxidant. Hydroxylering är det sätt på vilket kroppen bearbetar många gifter och omvandlar lipofila föreningar till hydrofila derivat som utsöndras lättare. Enzymer som kallas hydroxylaser och oxidaser underlättar dessa omvandlingar.

Många industriella alkoholer, såsom cyklohexanol för framställning av nylon , produceras genom hydroxylering.

Ziegler- och oxoprocesser

I Ziegler-processen framställs linjära alkoholer av eten och trietylaluminium följt av oxidation och hydrolys. En idealiserad syntes av 1-oktanol visas:

${\ce {Al(C2H5)3 + 9 C2H4 -> Al(C8H17)3}}$

${\ce {Al(C8H17)3 + 3O + 3 H2O -> 3 HOC8H17 + Al(OH)3}}$

Processen genererar en rad alkoholer som separeras genom destillation .

Många högre alkoholer produceras genom hydroformylering av alkener följt av hydrogenering. När den appliceras på en terminal alken, som är vanligt, erhåller man vanligtvis en linjär alkohol:

${\ce {RCH=CH2 + H2 + CO -> RCH2CH2CHO}}$

${\ce {RCH2CH2CHO + 3 H2 -> RCH2CH2CH2OH}}$

Sådana processer ger fettalkoholer , som är användbara för rengöringsmedel.

Hydreringsreaktioner

Vissa lågmolekylära alkoholer av industriell betydelse framställs genom tillsats av vatten till alkener. Etanol, isopropanol, 2-butanol och tert-butanol framställs med denna allmänna metod. Två implementeringar används, de direkta och indirekta metoderna. Den direkta metoden undviker bildningen av stabila mellanprodukter, vanligtvis med användning av sura katalysatorer. I den indirekta metoden omvandlas alkenen till sulfatestern, som därefter hydrolyseras. Den direkta hydratiseringen med etylen ( etylenhydratisering ) eller andra alkener från sprickbildning av fraktioner av destillerad råolja .

Hydrering används också industriellt för att framställa diolen etylenglykol från etylenoxid .

Jäsning

Etanol erhålls genom fermentering av glukos (som ofta erhålls från stärkelse ) i närvaro av jäst. Koldioxid samgenereras. Liksom etanol butanol framställas genom jäsningsprocesser. Saccharomyces- jäst är känd för att producera dessa högre alkoholer vid temperaturer över 75 °F (24 °C). Bakterien Clostridium acetobutylicum kan livnära sig på cellulosa (även en alkohol) för att producera butanol i industriell skala.

Utbyte

Primära alkylhalider reagerar med vattenhaltig NaOH eller KOH till alkoholer i nukleofil alifatisk substitution . (Sekundära och speciellt tertiära alkylhalider ger istället eliminerings(alken)produkten). Grignard-reagenser reagerar med karbonylgrupper till sekundära och tertiära alkoholer. Relaterade reaktioner är Barbier-reaktionen och Nozaki-Hiyama-reaktionen .

Minskning

Aldehyder eller ketoner reduceras med natriumborhydrid eller litiumaluminiumhydrid (efter en sur upparbetning) . En annan reduktion med aluminiumisopropylater är Meerwein-Ponndorf-Verley-reduktionen . Noyori asymmetrisk hydrering är den asymmetriska reduktionen av β-keto-estrar.

Hydrolys

Alkener deltar i en syrakatalyserad hydratiseringsreaktion med användning av koncentrerad svavelsyra som en katalysator som vanligtvis ger sekundära eller tertiära alkoholer. Bildandet av en sekundär alkohol via alkenreduktion och hydratisering visas till höger:

Hydroboration -oxidation och oxymercuration-reduktion av alkener är mer tillförlitliga vid organisk syntes. Alkener reagerar med N-bromsuccinimid och vatten i en halohydrinbildningsreaktion . Aminer kan omvandlas till diazoniumsalter , som sedan hydrolyseras.

Reaktioner

Deprotonering

Med vattenhaltiga p K _a -värden runt 16–19 är de i allmänhet något svagare syror än vatten . Med starka baser som natriumhydrid eller natrium bildar de salter som kallas alkoxider , med den allmänna formeln RO ⁻ M ⁺ (där R är en alkyl och M är en metall ).

${\ce {2 R-OH + 2 NaH -> 2 RO-Na + 2 H2}}$

${\ce {2 R-OH + 2 Na -> 2 RO-Na + H2}}$

Alkoholernas surhetsgrad påverkas starkt av solvatisering . I gasfasen är alkoholer surare än i vatten. I DMSO har alkoholer (och vatten) ap _Ka på cirka 29–32. Som en konsekvens är alkoxider (och hydroxid) kraftfulla baser och nukleofiler (t.ex. för Williamson-etersyntesen) i detta lösningsmedel. I synnerhet RO ^- eller HO ^- i DMSO användas för att generera signifikanta jämviktskoncentrationer av acetylidjoner genom deprotonering av alkyner (se Favorskii-reaktion) .

Nukleofil substitution

Tertiära alkoholer reagerar med saltsyra för att producera tertiär alkylklorid . Primära och sekundära alkoholer omvandlas till motsvarande klorider med hjälp av tionylklorid och olika fosforkloridreagenser.

Primära och sekundära alkoholer omvandlas likaledes till alkylbromider fosfortribromid , till exempel:

${\ce {3 R-OH + PBr3 -> 3 RBr + H3PO3}}$

I Barton-McCombie-deoxygeneringen deoxygeneras en alkohol till en alkan med tributyltennhydrid eller ett trimetylboran -vattenkomplex i en radikalsubstitutionsreaktion .

Uttorkning

Samtidigt har syreatomen ensamma par av obundna elektroner som gör den svagt basisk i närvaro av starka syror som svavelsyra . Till exempel med metanol:

Vid behandling med starka syror genomgår alkoholer E1- elimineringsreaktionen för att producera alkener . Reaktionen följer i allmänhet Zaitsevs regel , som säger att den mest stabila (vanligtvis den mest substituerade) alkenen bildas. Tertiära alkoholer elimineras lätt vid strax över rumstemperatur, men primära alkoholer kräver en högre temperatur.

Detta är ett diagram över syrakatalyserad uttorkning av etanol för att producera eten :

En mer kontrollerad elimineringsreaktion kräver bildandet av xantatestern.

Protonolys

Tertiära alkoholer reagerar med starka syror för att generera karbokater. Reaktionen är relaterad till deras dehydratisering, t.ex. isobuten från tert-butylalkohol. En speciell typ av dehydreringsreaktion involverar trifenylmetanol och särskilt dess aminsubstituerade derivat. När de behandlas med syra förlorar dessa alkoholer vatten för att ge stabila karbokater, som är kommersiella färgämnen.

Framställning av kristallviolett genom protonolys av den tertiära alkoholen.

Förestring

Alkohol och karboxylsyror reagerar i den så kallade Fischer-förestringen . Reaktionen kräver vanligtvis en katalysator , såsom koncentrerad svavelsyra:

${\ce {R-OH + R'-CO2H -> R'-CO2R + H2O}}$

Andra typer av ester framställs på liknande sätt – till exempel framställs tosyl (tosylate) estrar genom reaktion av alkoholen med p- toluensulfonylklorid i pyridin.

Oxidation

Huvudartikel: Alkoholoxidation

Primära alkoholer ( R−CH ₂ OH ) kan oxideras antingen till aldehyder ( R−CHO ) eller till karboxylsyror ( R−CO ₂ H ). Oxidationen av sekundära alkoholer ( R ¹ R ² CH−OH ) slutar normalt vid ketonsteget ( R ¹ R ² C=O ). Tertiära alkoholer ( R ¹ R ² R ³ C−OH ) är resistenta mot oxidation.

Den direkta oxidationen av primära alkoholer till karboxylsyror sker normalt via motsvarande aldehyd, som omvandlas via ett aldehydhydrat ( R−CH(OH) ₂ ) genom reaktion med vatten innan det kan oxideras ytterligare till karboxylsyran.

Mekanism för oxidation av primära alkoholer till karboxylsyror via aldehyder och aldehydhydrater

Reagens användbara för omvandling av primära alkoholer till aldehyder är normalt också lämpliga för oxidation av sekundära alkoholer till ketoner . Dessa inkluderar Collins reagens och Dess-Martin periodinane . Den direkta oxidationen av primära alkoholer till karboxylsyror kan utföras med hjälp av kaliumpermanganat eller Jones-reagenset .

Se även

• Enol
• Etanolbränsle
• Fettalkohol
• Index över alkoholrelaterade artiklar
• Lista över alkoholer
• Lucas test
• Polyol
• Rengöringssprit
• Sockeralkohol
• Transförestring

Allmänna referenser

•   Metcalf, Allan A. (1999). Världen i så många ord . Houghton Mifflin. ISBN 0-395-95920-9 .