2.6 Phenole = Hydroxybenzole

Vorkommen:

2.6.1 Monohydroxybenzol = Phenol

a) Physikalische Eigenschaften

• Smp.: 40,9; Sdp.: 181,9 °C
• In Wasser nur mäßig löslich (bildet bei ZT eine Emulsion)
• Starkes Zellgift, durch Haut resorbiert

b) Chemische Eigenschaften

• Oxidiert an Luft leicht ⇨ rötliche Färbung
• Karbolsäure“: 2 %ige Säure; Desinfektion
• Im Gegensatz zu Ethanol sauer:

1. Phenol als schwache Säure
pKS = 9,95

Grenzformeln des Phenolations

2.6.3 Synthese

90% der Weltproduktion nach der Hock-Synthese

Wirtschaftliches Verfahren, da auch Aceton nutzbar ist.

siehe Heftaufschrieb

2.6.4 Verwendung

Herstellung von Kunststoffen (Polyamide, Phenoplasten, Phenolharzen und Polycarbonaten)

5 Alkanol, Alkohol

5.1 Ethanol, Trinkalkohol, Weingeist

5.1.1 Herstellung

Alkoholische Gärung:
Mikroorganismen (z.B. Hefe = Pilze) nutzen diesen Stoffwechselweg zur Energiegewinnung, wenn kein Sauerstoff vorhanden ist (= anaerobe Bedingungen). Dabei werden Kohlenhydrate (vor allem Glucose) mit Hilfe von Enzymen (Biokatalysatoren) in Kohlenstoffdioxid und Ethanol umgewandelt.

Zucker (Glucose) --(Hefe)-->  Ethanol + Kohlenstoffdioxid ΔH < 0

Ferner entstehen Glycerin, Methanol, „Fuselalkohole“ (= höhere Alkohole), Aldehyde, Ketone, organische Säuren und Ester.

Bei einem Volumenanteil von etwa 14% Ethanol stellen die meisten Hefen ihre Tätigkeit ein.

Problem: Wie kann höher konzentriertes Ethanol gewonnen werden?

Lösung:
Destillation: Ein Verfahren zur Trennung von Flüssigkeitsgemischen durch Verdampfen und anschließender Kondensation des Dampfes.

Vgl. AB .

5.1.2 Eigenschaften

a) physikalische

• farblose Flüssigkeit
• Siedetemperatur: +78°C
• Schmelztemperatur: -114°C
• Gute Mischbarkeit mit Wasser und Benzin (SE )

b) chemische

• brennbar

5.1.3 Formelermittlung von Ethanol

I. Qualitative Elementaranalyse

Versuch 1: Verbrennungsanalyse

• Ethanol verbrennt zu Wasser und Kohlenstoffdioxid;
• Nachweis von CO₂: Kalkwasser (weißer NS)
• Nachweis von H₂O: Watesmo-Papier wird blau

1. Ergebnis: Ethanol enthält somit zumindest C und H.

Versuch 2: Ethanol reagiert mit Magnesium - Sauerstoffnachweis

Durchführung: 

1. Aufbau siehe Abbildung
2. Zunächst wird das Magnesiumband zum Glühen gebracht
3. Danach verdampft man den Alkohol, der über das glühende Magnesiumband streicht. 

Beobachtung:

 Sobald Ethanol über das glühende Magnesiumband streicht glüht dieses heller auf und es bleibt ein kristalliner weißer Feststoff (Magnesiumoxid) übrig. 

Ergebnis:

• Ethanol enthält neben Kohlenwasserstoff und Wasserstoff noch Sauerstoff. 

II. Molekülmassenbestimmung (Verdampfungsmethode)

Hinweis: Dieser Versuch nur bei ausreichender Zeit durchgeführt. Nicht wundern, falls ihr das nicht im Heft stehen habt (dann kommt es auch in der Klausur nicht dran). 

{slider title="Molmassenbestimmung nur bei viel Zeit" open="false" class="icon"}

Versuch: Molmassenbestimmung von Ethanol

In den Erlenmeyerkolben werden 0,1 ml Ethanol eingespritzt. Auf der vergrößerten Oberfläche der Glasperlen wird das Ethanol leicht verdampft. Das entsprechende Gasvolumen kann am Kolbenprober abgelesen werden.
Auswertung:
0,1 ml Ethanol haben bei Standardbedingungen (SATP)* (25°C) ein Dampfvolumen von 43 ml.
0,1 ml Ethanol haben bei Normalbedinungen (0°C) ein Dampfvolumen von 37,8 ml.

Eingesetzte Masse Ethanol: über Dichte:

ρ = Dichte

m = Masse

V = Volumen

Rechnung:

37,8 ml Ethanol (NB) haben die Masse 0,079 g: ρ = m/V = 0,079 g/37,8 ml = 0,0021 g/ml

Über das molare Gasvolumen bei Normalbedingung Vm (Gas) = 22,4 L kann man die Molmasse berechnen. 

1 mol Ethanoldampf unter NB haben die Masse: 

M(Ethanol) = (0,079 g * 22 400 ml)/37,8 ml = 46,8 g    (Dreisatz)

{/sliders}

Literaturwert: M(Ethanol) = 46 g/mol.

_______________

* SATP-Bedingungen (Standard Ambient Temperature and Pressure)

III. Quantitative Elementaranalyse

46g Ethanol ergeben bei der Verbrennung 88 g CO₂ und 54 g H₂O

• in 2 mol CO₂ sind 2 mol C (24g) enthalten
• in 3 mol H₂O sind 6 mol H (6g) enthalten

46 g Ethanol enthalten somit 2 mol C (24g) und 6 mol H (6g) und 1 mol (16g). 
Atomzahlverhältnis im Ethanol: C : H : O = 2 : 6 : 1
Verhältnisformel: C₂H₆O₁
Molekülformel: C₂H₆O (Molekülmasse = 46u)

IV. Ermittlung der Strukturformel von C₂H₆O
Zwei Möglichkeiten:

Struktur a		Struktur b
Hier hat das Wasserstoffatom eine Sonderstellung, da es durch die polare Atombindung mit Sauerstoffatom stark positiviert ist		Alle Wasserstoffatome sind gleich gebunden. Sie sind nicht (oder kaum) positiviert
	ZMK
Hoher Siedepunkt:  Wasserstoffbrückenbindung Dipol-Dipol-Wechselwirkung van-der-Waals-Kräfte		"Normaler" Siedepunkt (bei Zimmertemperatur gasförmig):  nur van-der-Waals-Kräfte
Ethanol könnte (wie Wasser) als schwache Säure reagieren.

Wichtig: Ethanol und Dimethylether sind Derivate (Abkömmlinge) des Wassers.

Beide Strukturen leiten sich vom Wasser ab, jedoch ist Struktur a wasserähnlicher. 

R1 = - C₂H₅ (Ethylrest)
R2 = - CH₃ (Methylrest)
Siedepunkt: Struktur a +78°C und Struktur b -25°C

Um herauszufinden, welche dieser Strukturen auf Ethanol zutrifft bitte nächste Seite anschauen. 

5.1.4 Versuch: Ethanol + Alkalimetall

Versuch: Ein Stück Lithium ( SE ) wird auf Ethanol, Benzin und Wasser gegeben. Alternativ kann man die Experimente auch mit Natrium als Lehrerversuch durchführen. Die Reaktionsgleichungen sind mit dem Alkalimetall Natrium formuliert. Für Lithium gilt es analog. 

Bei Wasser ist der Aufbau etwas komplizierter: 

Beobachtung: Gasentwicklung; das entstehende Gas ist brennbar; Natrium „verschwindet“; die neu entstandene Lösung leitet den elektrischen Strom; dampft man die Lösung ein, entsteht ein weißer Feststoff.

Ergebnis: 
Ethanol (Struktur a) reagiert mit Natrium unter Wasserstoffbildung. Struktur b (Dimethylether) würde so nicht reagieren, da sich kein Proton abspalten kann. Somit besitzt Ethanol die Strukturformel:

1. Natrium + Wasser

a) Teilchengleichung (mit Strukturformeln)

b) Reaktionsgleichung

2. Natrium + Ethanol

Man kann Ethanol ja als Derivate (=Abkömmlinge) von Wasser betrachten. Wasser hat ein Sauerstoff-Atom und zwei Wasserstoff-Atome; Ethanol hat ein Sauerstoff-Atom, ein Wasserstoff-Atom und eine Ethyl-Gruppe. Beim Ethanol ist also ein Wasserstoff-Atom durch eine Ethylgruppe ersetzt. Wenn wir diese Alkylgruppe als "Rest" betrachten, dann zeigt sich die Verwandtschaft von Ethanol mit Wasser. Hat man also die Reaktionsgleichung von Wasser mit Natrium verstanden, dann müsste einem auch die Reaktionsgleichung von Ethanol (und anderen Alkoholen) leichtfallen. Versucht nun einmal, die Reaktion von Natrium mit Ethanol zu formulieren. 

a) Teilchengleichung (mit Strukturformeln)

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

{/sliders}

b) Reaktionsgleichung

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}
2 Na (s) + 2 C₂H₅OH (l) 2 NaC₂H₅O (aq) + H₂ (g)

{/sliders}

Auswertung: Es ist keine „klassische“ Säure-Base-Reaktion nach Brönstedt. Grund: +I-Effekt (vgl. unten) der Methylgruppe (Protonierung ist erschwert). Es handelt sich hier um eine Redoxreaktion (Veränderung der Oxidationenszahlen). Formal geben zwei Moleküle Ethanol je ein Proton ab. Jedes Proton nimmt von einem Natrium- bzw. Lithiumatom ein Elektron auf; es bilden sich so zwei Wasserstoffatome, die sich zu einem Wasserstoffmolekül zusammenlagern. Analog, nur heftiger, verläuft die Reaktion mit Wasser.

Weitere Übungen: 

Lithium und Methanol

Formuliert auch dafür die Reaktionsgleichung (vgl. oben)

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

{/sliders}

Kalium und Propanol

 {slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

{/sliders}

5.1.5 Induktiver Effekt (I-Effekt)

Ausschlaggebend: Elektronegativität (EN) der Substituenten (Atomgruppen, Atome die dranhängen). Dabei werden Elektronen über mehrere Bindungen angezogen oder „abgestoßen“.

Reichweite: 3 benachbarte Bindungen.  

(-I)-Effekt (sprich: „minus I Effekt“; „negativer I Effekt“).

 • Substituenten (Atomgruppen) mit höherer Elektronegativität (Bsp.: Halogene, Sauerstoff-Verbindungen,...)• „Elektronenziehend“:

Ziehen Bindungselektronen zu sich

Auswirkung: z.B. Erleichterte Abspaltung eines Protons; Alkohol kann als Säure reagieren. 

(+I)-Effekt (sprich: „plus I Effekt“; positiver I Effekt)

Elektropositiveren Substituenten (Bsp.: Alkylgruppen). Je mehr bzw. je länger die Alkylgruppe, umso stärker ist der +-I-Effekt. 

„Elektronenschiebend“: 

Auswirkung: z.B. geringere Säurestärke 
Keinen I-Effekt haben Wasserstoffatome.

Auswirkung für das Experiment und Vergleich: Ethanol + Natrium und Wasser + Natrium

Bei diesem Experiment (siehe Seite zuvor) kommt es zu einer heftigeren Reaktion, wenn das Proton (vom Wasser oder Alkohol) leicht abgespalten wird. Je leichter es abgespalten wird, umso stärker ist ja auch seine Säure-Wirkung. Da Wasser keinen positiven induktiven Effekt hat (hat ja auch keine Alkylgruppe), reagiert es heftiger als Ethanol (positiver induktiver Effekt durch Alkylgruppe). 

5.2 Homologe Reihe der Alkohole, Alkanole

Vgl. AB

Vervollständige die Tabelle: 

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

{/sliders}

5.2.1 Alkohole bestehen aus zwei verschiedenen Gruppen:

Hydroxygruppe (früher Hydroxyl-Gruppe):

Sowohl vom positivierten Wasserstoff als auch vom negativierten Sauerstoff können Wasserstoffbrücken ausgehen (Hydrophiler Rest).

b) Alkylgruppe (bspw. "Methyl"):

Hier liegt kein positivierter Wasserstoff vor, es können sich keine Wasserstoffbrücken ausbilden (Hydrophober Rest).

5.2.2 Einige wichtige Alkohole

a) Methanol (Methylalkohol, „Holzgeist“): CH₃OH

Sdp.: + 65°C

Herstellung: Aus Methangas
Verwendung:

• Zur Synthese in der chemischen Industrie
• Frostschutzmittel

Nachweis: Grüne Flamme von Trimethylborat LE

b) Ethanol (Ethylalkohol, „Weingeist“): C₂H₅OH

Sdp.: + 78°C

c) Propanol (Propylalkohol) C₃H₇OH

1. 1-Propanol oder n-Propanol
   Sdp.: 97°C

1. 2-Propanol oder Isopropanol
   Sdp.: +82°C
   Verwendung: u.a. Lösungsmittel

d) Butanol (Butylalkohol);C₄H₉OH

Es gibt vier isomere Verbindungen:
AA: zeichnet alle 4 Isomere und beschriftet sie nach der Genfer Nomenklatur

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I) 1-Butanol = Butan-1-ol: Sdp.: + 117°C

II) 2-Butanol: Sdp.: + 100°C

III) 2-Methyl-2-propanol = 2-Methyl-Propan-2-ol: + 83°C

IV) 2-Metyhl-1-propanol: + 108°C

{/sliders}

5.2.3 Löslichkeit von primären und unverzweigten Alkoholen 

Versuchsskizze: Methanol + Benzin

Merke: Je länger das Alkoholmolekül, desto ähnlicher den Alkanen (unähnlicher dem Wasser).

Allgemein gilt: „Ähnliches löst sich in Ähnlichem“

Niedere (kurzkettigere) Alkohole können Solvathüllen bilden deshalb Salze lösen (jedoch schlechter als Wasser!). Es gibt sogar feste Salze mit „Kristallalkohol“. (analog: Salze mit Hydratwasser).

5.2.4 Primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole

a) Bei primären Alkoholen ist das C-Atom, das die OH -Gruppe trägt, an höchstens ein weiters C-Atom gebunden.
Bsp.: Ethanol

b) Bei sekundären Alkoholen ist das C-Atom, das die OH -Gruppe trägt, an zwei weitere C-Atome gebunden.

Skizziert zunächst selbständig eine Strukturformel, für welches die Definition gilt: 

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

Bsp.: 2-Propanol

Die "zwei weiteren C-Atome" sind grün markiert. 

{/sliders}

c) Bei tertiären Alkoholen... (vervollständigt die Definition und zeichnet ein mögliches Molekül):

{slider title="Lösung" open="false" class="icon"}

...ist das OH-Gruppe tragende C-Atom an 3 weitere C-Atome gebunden.
Bsp.: 2-Methyl-2-propanol:

 {/sliders}

 5.2.5 Allgemeine Molekülformel der Alkohole (Alkanole)

C_nH_2n+1OH
Alle Alkohole enthalten die Hydroxygruppe (Hydroxylgruppe) als funktionelle Gruppe.

5.3 Chemische Reaktionen von Alkohol, Alkanol (am Beispiel von Ethanol)

5.3.1 Bindungsverhältnisse

5.3.2 Ethanol und Natrium (Redoxreaktion)

Ein Thema, welches schon zuvor angesprochen wurde. 

5.3.3 Verbrennung von Ethanol

Übung: Formuliere eine Reaktionsgleichung für die vollständige Verbrennung von Ethanol. Bestimme hierfür auch die Atome, die oxidiert und die reduziert wurden und begründe Deine Wahl. 

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Oxidation = Erhöhung der Oxidationszahlen („e- Abgabe“) ⇨ C
Reduktion = Erniedrigung der Oxidationszahlen („e- Aufnahme“) ⇨O (nur der Luftsauerstoff)

{/sliders}

5.3.4 Reaktion von Ethanol mit Bromwasserstoffsäure

Im Mikroglasbaukasten werden 1ml Ethanol mit 4 ml HBr erhitzt. Das entstehende Produkt wird in Wasser eingeleitet. Das neue Produkt (Bromethan) besitzt eine größere Dichte als Wasser.

Ablauf der Reaktion:

1. Schritt: Protonierung

⇒ Säure-Base-Reaktion

2. Schritt: Nucleophile Substitution

Es handelt sich also um eine nucleophile Substitution, SN-Reaktion.

Substitution an Alkoholen laufen meist erst nach Protonierung ab! Ein Hydroxidion (OH⁻ ) ist stärker nucleophil und viel schwerer abzuspalten als ein Wassermolekül (schwach nucleophil).