Alkohole: Eigenschaften, Herstellung & Reaktionsmechanismen

Alkohole: Definition und Eigenschaften

Alkohole sind Hydroxylderivate der Alkane. Ihre funktionelle Gruppe ist die Hydroxylgruppe (-OH), die mit ihrem polaren Charakter die Eigenschaften und das Reaktionsverhalten dieser Stoffe maßgeblich bestimmt. Alkohole bilden eine homologe Reihe.

Alkoholische Gärung

Die alkoholische Gärung ist ein biochemischer Prozess zur Energiegewinnung. Dabei werden Kohlenhydrate (z.B. Glucose) unter anoxischen Bedingungen zu Ethanol und Kohlenstoffdioxid (CO₂) abgebaut. Dieser Prozess wird unter anderem zur Herstellung von Bier genutzt.

Physikalische Eigenschaften: Aggregatzustand und Siedepunkt

Alkohole weisen im Vergleich zu Alkanen ähnlicher Molmasse höhere Siede- und Schmelztemperaturen auf. Kurzkettige Alkohole sind bei Raumtemperatur farblose Flüssigkeiten.

Dies liegt an den intermolekularen Kräften:

• Van-der-Waals-Kräfte: Geringe elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den unpolaren Teilen der Moleküle. Obwohl keine echten Bindungen, erfordert ihre Überwindung Energie.
• Wasserstoffbrückenbindungen: Diese entstehen zwischen den polaren Ethanolmolekülen. Der partiell positiv geladene Wasserstoff der OH-Gruppe wird elektrostatisch vom Sauerstoffatom eines benachbarten Moleküls angezogen.

Einfluss der Kettenlänge und Anzahl der OH-Gruppen:

• Je länger die Kohlenstoffkette, desto höher die Siedetemperatur, da mehr Energie benötigt wird, um die Moleküle voneinander zu trennen (verstärkte Van-der-Waals-Kräfte).
• Je mehr Hydroxylgruppen (-OH) ein Alkohol besitzt, desto stärker sind die Wasserstoffbrückenbindungen, was zu höheren Siede- und Schmelztemperaturen führt.

Löslichkeit von Alkoholen

Die Löslichkeit von Alkoholen in Wasser hängt stark von der Länge der Kohlenstoffkette und der Anzahl der Hydroxylgruppen ab.

• Kurzkettige Alkohole wie Methanol und Propanol sind gut in Wasser löslich, da die polaren OH-Gruppen Wasserstoffbrückenbindungen mit Wassermolekülen eingehen können.
• Je mehr OH-Gruppen ein Alkohol besitzt, desto besser ist seine Wasserlöslichkeit.
• Längerkettige Alkohole wie Butanol sind aufgrund des größeren unpolaren Kohlenwasserstoffrests nur noch schlecht oder gar nicht in Wasser löslich (bilden Emulsionen oder Suspensionen).
• Cetylalkohol (ein langkettiger Alkohol) ist ein Feststoff und in Wasser unlöslich (bildet Suspensionen).

Nukleophile Substitution (SN1 und SN2)

SN1-Mechanismus (monomolekulare Substitution)

Der SN1-Mechanismus ist eine monomolekulare Substitution, bei der im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt nur ein Teilchen beteiligt ist.

Merkmale des SN1-Mechanismus:

• Zweischrittiger Prozess: Zuerst erfolgt die Dissoziation der Abgangsgruppe, wodurch ein Carbokation entsteht. Im zweiten Schritt greift das Nukleophil an.
• Stereochemie: Die Anordnung der Substituenten am Kohlenstoffatom bleibt im ersten Schritt erhalten, kann aber im zweiten Schritt zu einem racemischen Gemisch führen, wenn das Carbokation planar ist.
• Geschwindigkeitsbestimmender Schritt (GBS): Die Bildung des Carbokations.
• Dissoziativer Mechanismus: Das Molekül zerfällt zunächst in zwei Teile.
• Stabilität des Carbokations: Die Stabilität des Carbokations ist entscheidend für die Reaktionsgeschwindigkeit.
  • Elektronenschiebende Gruppen (z.B. Alkylgruppen wie Methyl, Ethyl, Propyl) stabilisieren das Carbokation durch ihren +I-Effekt (induktiver Effekt). Je mehr elektronenschiebende Gruppen vorhanden sind, desto stabiler ist der Übergangszustand und desto schneller verläuft die SN1-Reaktion (z.B. tertiäre Carbokationen sind am stabilsten).
  • Elektronenziehende Gruppen (z.B. Halogene, OH-Gruppen) destabilisieren das Carbokation und verlangsamen die SN1-Reaktion.

SN2-Mechanismus (bimolekulare Substitution)

Der SN2-Mechanismus ist eine bimolekulare Substitution, bei der im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt zwei Teilchen beteiligt sind (Nukleophil und Substrat).

Merkmale des SN2-Mechanismus:

• Einschrittiger Prozess: Der Angriff des Nukleophils und das Verlassen der Abgangsgruppe erfolgen gleichzeitig über einen Übergangszustand.
• Stereochemie: Die Anordnung der Substituenten am Kohlenstoffatom ändert sich (Walden-Inversion).
• Geschwindigkeitsbestimmender Schritt (GBS): Der gleichzeitige Angriff des Nukleophils und das Verlassen der Abgangsgruppe.
• Assoziativer Mechanismus: Nukleophil und Substrat bilden einen gemeinsamen Übergangszustand.
• Übergangszustand: Es bildet sich ein pentakoordinierter Übergangszustand (quasi 5 Bindungen am Kohlenstoffatom).
• Sterische Hinderung: Große, raumerfüllende Substituenten am Kohlenstoffatom erschweren den Angriff des Nukleophils und verlangsamen die SN2-Reaktion erheblich (z.B. tertiäre Alkylhalogenide reagieren kaum über SN2).
• Elektronegativität: Die Stärke des Nukleophils und die Abgangsgruppe beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit.

Induktiver Effekt (+I- und -I-Effekt)

Der induktive Effekt beschreibt die Verschiebung von Elektronenpaaren innerhalb einer σ-Bindung aufgrund der unterschiedlichen Elektronegativität der beteiligten Atome.

• +I-Effekt (elektronenschiebend): Gruppen, die Elektronen in Richtung des Reaktionszentrums schieben (z.B. Alkylgruppen). Dies stabilisiert positive Ladungen (Carbokationen).
• -I-Effekt (elektronenziehend): Gruppen, die Elektronen vom Reaktionszentrum wegziehen (z.B. Halogene, Hydroxylgruppen). Dies destabilisiert positive Ladungen.

Beispiele für SN1/SN2-Reaktivität

• Tertiäre Alkylhalogenide (z.B. tert-Butyl-): Bevorzugen SN1-Reaktionen aufgrund der hohen Stabilität des tertiären Carbokations und der starken sterischen Hinderung für SN2.
• Primäre Alkylhalogenide (z.B. Ethyl-): Bevorzugen SN2-Reaktionen, da die sterische Hinderung gering ist und primäre Carbokationen instabil sind.
• Sekundäre Alkylhalogenide (z.B. Propyl-): Können sowohl SN1- als auch SN2-Reaktionen eingehen, abhängig von den Reaktionsbedingungen (Lösungsmittel, Nukleophil).