Alkohole: Eigenschaften und Reaktionsmechanismen

Alkohole

Hydroxyderivate der Alkane; funktionelle Gruppe: -OH (Charakter: polar; bestimmt die Eigenschaften der Stoffe und das Reaktionsverhalten). Bilden eine homologe Reihe. Alkoholische Gärung (Destillation): Herstellung von Bier; Energiegewinn: Biochemischer Prozess, bei dem Kohlenhydrate (Glucose) unter anoxischen Bedingungen zu Ethanol und CO2 abgebaut werden.

Aggregatzustand und Siede-/Schmelztemperatur

Farblose Flüssigkeiten; höhere Siede- und oft höhere Schmelztemperaturen im Vergleich zu entsprechenden Alkanen. Van-der-Waals-Kräfte (Wechselwirkungen zwischen den schwachen elektrostatischen Feldern unpolarer Moleküle) wirken zusätzlich zu Wasserstoffbrücken. Für Ethanol und andere kurze Alkohole sind Wasserstoffbrücken entscheidend: Zwischen den polaren Molekülen bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen. Das positivierte Wasserstoffatom der OH-Gruppe wird vom Sauerstoffatom des Nachbarmoleküls (negativ) elektrostatisch angezogen.

Je länger die Alkylkette, desto höher die Siedetemperatur — es wird mehr Energie benötigt, um die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen zu überwinden. Je mehr OH-Gruppen ein Molekül besitzt, desto stärker sind die intermolekularen Wechselwirkungen und desto fester / höher der Schmelzpunkt. Aufgrund der Polarität der OH-Gruppe halten die Ketten stärker zusammen.

Löslichkeit

• Methanol: gut löslich (dipoles Molekül)
• Propanol: löslich
• Butanol: bildet häufig Emulsionen, löst sich weniger gut in Wasser (der Rest ist unpolar)
• Cetylalkohol: oft als Suspension; feste Stoffe können schwimmen

Allgemein gilt: Je mehr OH-Gruppen (polare Gruppen), desto besser die Löslichkeit in Wasser.

Nukleophile Substitution — SN1

• SN1: unimolekulare (monomolekulare) Substitution; am geschwindigkeitsbestimmenden Schritt ist nur das Substrat beteiligt.
• Verläuft in zwei Schritten; Zwischenstufe ist ein Carbokation.
• Konsequenz: Bildung eines planares Carbokations; die Anordnung der Substituenten kann sich ändern (Racemisierung möglich bei chiralen Zentren).
• RG-[EG] (Hinweis auf die Reaktionsnotation aus dem Originaltext).
• Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt hauptsächlich vom Substrat (A) ab — je stabiler das Carbokation, desto schneller verläuft die Reaktion.
• Mechanismus: dissoziativ / Dissoziation (Bindung geht auseinander).
• Sterische und elektronische Effekte: M, L, Q — raumfüllende Substituenten (sterische Effekte) und e- schiebende Gruppen (Elektronenschiebung, +I) stabilisieren das Carbokation; e- ziehende Gruppen (Elektronenziehende, -I) destabilisieren es.

Nukleophile Substitution — SN2

• SN2: bimolekulare Substitution; im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt sind zwei Teilchen beteiligt (Substrat und Nukleophil).
• Führt zu Inversion der Konfiguration am stereogenen C-Atom (Walikon-Inversion).
• RG-[EG] - [AG] (Hinweis auf die Reaktionsnotation aus dem Originaltext).
• Assoziativ / Assoziation: Substrat und Nukleophil nähern sich; es entsteht ein 5-zentrierter Übergangszustand (pentakoordinater Charakter), daher spricht man von einer 5-Zentren-Bindung im Übergangszustand.
• Sterische Hinderung verringert die Reaktionsgeschwindigkeit deutlich — je mehr Platzbedarf (sterische Hinderung) um das angreifende C-Atom, desto schwieriger der SN2-Angriff.
• Beispiele: tert-Butyl-Substrate sind wegen starker sterischer Hinderung für SN2 ungeeignet (SN1 begünstigt aufgrund stabiler Carbokationen und +I-Effekt). Sekundäre Substrate können sowohl SN2 als auch SN1 zeigen; primäre Substrate bevorzugen typischerweise SN2 (SN1 ist hier unwahrscheinlich).

Induktiver Effekt

Induktiver Effekt: Elektronenverschiebungen entlang sigma-Bindungen infolge von Polarität. Man unterscheidet e- ziehende Effekte (-I) und e- schiebende Effekte (+I). Diese Effekte beeinflussen die Stabilität von Carbokationen, die Reaktivität und die Polarität von Bindungen.