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"Dr. Volkmar Lorenz" [email protected]
Spezialgebiet Chemie
Harald Lorenz
8b 1998 / 99
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1. Nomenklatur:
Alkohole werden durch Voranstellen der Wendung Hydroxi- oder durch
Anhängen der Endung -ol an den Namen des entsprechenden Kohlenwasserstoffs
benannt. Die Position der OH-Gruppe(n) wird durch vorgestellte Ziffern bestimmt. Bei
Verbindungen mit mehreren OH-Gruppen stellt man griech. Zahlwörter vor die
Endung -ol (-diol,-triol usw.).
2.Einteilung:
Man unterscheidet je nach Stellung der OH-Gruppe zwischen primären, se
kundären und tertiären Alkoholen:
Primäre Alkohole: An dem C-Atom, das die OH-Gruppe trägt, hängt
maximal noch ein direktes C-Atom.→ Die OH-Gruppe befindet sich am Ende
der Kette.
Sekundäre Alkohole: An dem C-Atom, das die OH-Gruppe trägt, hängen
noch zwei direkte C-Atome.→ Die OH-Gruppe befindet sich innerhalb der
Kette).
Tertiäre Alkohole: An dem C-Atom, das die OH-Gruppe trägt, hängen drei
direkte C-Atome.→ Die OH-Gruppe befindet sich an einer Verzweigung der
Kette.
Man bezeichnet die Alkohole auch nach der Anzahl der OH-Gruppen als einwertige,
zwei-wertige bzw. mehrwertige Alkole. Letztere haben den Fachausdruck Polyole und
sind eine wichtige Grundsubstanz von Zucker.
3. Physikalische Eigenschaften:
Die physikalischen Eigenschaften eines Alkohols werden von den beiden
Strukturelementen bestimmt, aus denen sich das Molekül zusammensetzt, nämlich der
Kohlenstoffkette und der OH-Gruppe:
C-Kette: kohlenwasserstofähnlich, unpolar, hydrophob
OH-Gruppe: wasserähnlich, polar, hydrophil
Bei zunehmender Länge der C-Kette läßt die Wirkung der OH-Gruppe immer mehr
nach.
Die OH-Gruppe ist befähigt zur Wasserstoffbrückenbindung. Daraus ergibt
sich bei Alkoholen deutlich höhere Schmelz und Siedepunkte im Vergleich zu
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Kohlenwasserstoffen mit gleicher Molekülmasse. Wird die C-Kette länger, so werden
die Unterschiede geringer.
Molekülmasse
SchmelzSiedetemperatur tempertatur
in °C
in °C
Methanol
CH3OH
32
-98
65
Ethan
CH3CH3
30
-172
-89
Bei Alkoholen mit mehreren OH-Gruppen sind die Kräfte zwischen den
Molekülen besonders stark: z.B. Siedetemperaturen von:
Ethanol
78°C
Ethandiol (Glykol)
197°C
Propantriol (Glycerin)
290°C
Die
OH-Gruppe
bildet
auch
zu
H2O-Molekülen
Wasserstoffbrückenbindungen aus und bewirkt dadurch die Wasserlöslichkeit der
Alkohole. Bei längeren Ketten nimmt die Wasserlöslichkeit ab, dagegen steigt die
Löslichkeit in unpolaren Lösungsmitteln.
Kurzkettige Alkohole sind wichtige Lösungsmittel. z.B. Verwendung von
Ethanol in der Pharmazie und Lebensmitteltechnik zur Herstellung von
Pflanzenextrakten.
4. Chemische Eigenschaften:
Im Gegensatz zu NaOH oder KOH liegen bei Alkoholen keine OH- -Ionen
vor. Bei chemischen Reaktionen kann entweder die O-H -Bindung oder die C-O Bindung getrennt werden.
Alkohole sind schwache Säuren und geben H+ ab.
4.1. Reaktionen an der O-H -Bindung
a) Säure-Base Reaktionen: Wie Wasser können auch Alkoholmoleküle als
Säuren oder Basen reagieren. Säure- und Basenstärke sind geringer als die
von Wasser. Mit sehr starken Basen reagiert ein Alkohol als Säure. Es bildet
sich ein negativ geladenes Ion - ein sogenanntes Alkoholation. Mit sehr
starken Säuren wirkt er als Base, es entsteht ein positiv geladenes Ion
(Oxonium-Ion). Diese Ionen spielen als Zwischenprodukte bei vielen
säurekatalysierten Reaktionen eine wichtige Rolle und sie erleichtern die
Abspaltung von Wasser.
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b) Etherbildung: Mit Halogenkohlenwasserstoffen reagieren Alkohole
bzw. Alkoholate unter Bildung von Ethern. Auch durch das Erhitzen von
Alkoholen mit konzentrierter Schwefelsäure bilden sich Ether; z.B. aus
Ethanol bei 140°C wird Diethylether. (INTRAKONDENSATION)
4.2. Reaktionen an der C-O -Bindung
a)
Bildung
von
Halogenalkanen:
Reagieren
Alkohole
mit
Halogenwasserstoffen, findet eine nucleophile Substitution der OH-Gruppe
statt.
b) Bildung von Estern: Reagieren Alkohole bei niedrigen Temperaturen mit
Säuren, so wird die OH-Gruppe durch den Säurerest ersetzt. wichtig: Ester
der Schwefel-, Salpeter- u. Phosphorsäure, sowie Essigsäureester
(Klebstoff)
Veresterung - Verseifung:
Bei der Reaktion von Carbonsäuren mit Alkoholen entstehen Ester. Bei
der Veresterung werden unter Abspaltung eines Wassermoleküls Alkohol
und Carbonsäure verknüpft - Esterkondensation.
Die Umkehrung , die Spaltung eines Estermoleküls in einen Alkohol und
eine Carbonsäure, nennt man Hydrolyse oder Verseifung.
H3─C─CH2─O─NO2 + H2O
Salpetersäure- ethylester
→
H3C─CH2─OH + H─O─NO2
Ethanol
Salpetersäure
Veresterungen verlaufen sehr langsam und
sind typische
Gleichgewichtsreaktionen.
Bei Reaktion von kurzkettigen Alkoholen mit kurzkettigen Carbonsäuren
entstehen sogenannte Fruchtester (kommen in Früchten vor; werden als
Duftstoffe verwendet).
Bei Reaktion von langkettigen Carbonsäuren mit langkettigen Alkoholen
entstehen Wachse.
4.3. Oxidation von Alkoholen
Primäre Alkohole können mit Luft oder Sauerstoff bei hoher Temperatur zu
CO2 oder H2O oxidiert werden. Auch starke Oxidationsmittel wie
Kaliumdichromat (K2Cr2O7) und Kaliumpermanganat (KMnO4) in Lösung
oxidieren Alkohole zu Aldehyden und Säuren. Sekundäre Alkohole reagieren
weniger stark (zu Ketonen → Fragmentierung), tertiäre überhaupt nicht, bzw.
kommt es zu einer Fragmentierung. Die unterschiedliche Reaktionsweise der
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primären, sekundären und tertiären Alkohole bei Oxidation kann zu ihrer
analytischen Unterscheidung eingesetzt werden. (Lukas Test !)
Durch Oxidation von primären einwertigen Alkoholen gewinnt man
Aldehyde.
5. Wichtige Alkohole:
a) Methanol CH3OH
einfachster Alkohol
♦ Eigenschaften: farblose Flüssigkeit, Siedepunkt 65°C, sehr giftig (letale
Dosis: 8 - 10g), Genuß von kleineren Mengen führt zu Erblindung
(Sehnerv wird angegriffen).
♦ Herstellung: durch Oxidation von Methan oder aus Kohlenmomoxid und
Wasserstoff.
♦ Verwendung:
• Ausgangsstoff für viele großtechnische
Herstellung von Kunststoffen
• billiges Lösungsmittel
• Treibstoffzusatz
Synthesen
→
b) Ethanol C2H5OH („Alkohol“, Weingeist)
♦ Eigenschaften: wasserklare, brennend schmeckende Flüssigkeit, Siedetemp.
78°C
♦ Herstellung: erfolgt hauptsächlich durch Gärung. Hefezellen, die in der
Natur fast überall vorkommen, beziehen ihre Energie aus dem Abbau von
Zuckern. Unter anaeroben Bedingungen entsteht mit Hilfe des
Enzymkomplexes Zymase Ethanol und Kohlendioxid.
Aus Stärke (Getreide, Kartoffeln) kann Hefe erst dann Ethanol erzeugen,
wenn durch stärkespaltende Enzyme der Abbau zu Zucker erfolgt ist.
Die Gärung kommt (falls überhaupt soviel Zucker vorhanden ist) zum
Stillstand, wenn der Ethanolgehalt ca. 18% beträgt. Ein zu hoher
Alkoholgehalt sowie ein zu hoher Zuckergehalt kann die Gärung verhindern
(konservierende Wirkung von Alkohol und Zucker). Daher läßt sich durch
Gärung allein kein konzentrierter Alkohol gewinnen. Durch wiederholtes
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Destillieren kann die Hauptmenge des Wassers , restliche flüchtige
Pflanzeninhaltsstoffe sowie höhere Alkohole (Fuselöle), die ebenfalls bei der
Gärung entstehen, abgetrennt werden. So kann Alkohol bis max. 96 % Vol.
gewonnen werden. Dieser ist ein Aceotrop, d.h. er kann durch Destillation
nicht weiter getrennt
werden. Um einen absoluten Alkohol (100 % Vol.) zu bekommen, muß man
chemische Trennverfahren anwenden.
♦ Verwendung Ethanol ist ein wichtiges Lösungsmittel: Viele pharmazeutische
Wirkstoffe werden in Ethanol gelöst.
Ethanol ist ein Genußmittel, das bei ständigem Konsum zu seelischer und
körperlicher Abhängigkeit führt.
Wegen ihrer Wirkung als Genußmittel und ihrer einfachen Herstellung durch
Gärung findet man alkoholische Getränke bei allen Völkern, die Ackerbau
betreiben. Die Erhöhung des Alkoholgehalts durch Destillation
(bis 96 Vol.-%) (Schnapsbrennen) kam in Europa erst um 1000 n.Chr. auf.
Beim Brauen von Bier wird die Stärke der Gerste zunächst durch Enzyme zu
Malzzucker abgebaut. Traubenzucker wird schließlich durch weitere Enzyme
der Hefe vergoren. Der Zusatz von Hopfenextrakt bewirkt die Haltbarkeit
und den Geschmack von Bier.
Bei der Herstellung von Wein werden reife Weintrauben ausgepreßt und der
erhaltene Traubensaft wird vergoren. Auch bei diesem Vorgang bewirken
Enzyme, die aus den Hefepilzen auf den Trauben stammen, den
Gärungsprozeß.
Bei Likören wird ein alkoholisches Destillat mit Zucker und
Geschmacksstoffen versetzt.
Der Alkoholgehalt von Bier liegt zwischen 3,5 und 6 Vol.-%, jener von Wein
zwischen 7 und 16 Vol.-%.
Die physiologische Wirkung des Ethanols hängt von der Menge ab, die frei im
Blut zirkuliert. Ethanol beeinflußt die Kontrollfunktion des Gehirns. Der
Gleichgewichtssinn wird beeinträchtigt und die Reaktionszeit verlängert. Die
Durchblutung der Haut wird angeregt, was ein erhöhtes Wärmegefühl zur
Folge hat, obwohl dabei vermehrt Wärme an die Umgebung abgegeben wird.
Der Wasserhaushalt und die Nierenfunktion werden verändert.
Bei 0,3 Promille beginnt man im Durchschnitt die Wirkung des Alkohols zu
merken. Bei 0,8 Promille ist die Reaktionsfähigkeit bereits deutlich
eingeschränkt. Bei ca. 1 Promille wird der Verlust der Muskelkontrolle
merkbar, das Gleichgewichtsgefühl wird unsicher, das Sprechen verlangsamt
sich. Bei 2 Promille tritt Torkeln auf, bei 3 Promille kann man sich nicht
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mehr aufrecht halten und verliert meist das Bewußtsein. Die tödliche Dosis
ist bei ca. 4 Promille erreicht.
Durch den Abbau des Ethanols in der Leber verringert sich der
Blutalkoholgehalt um ca. 0,1 Promille pro Stunde.
Chronischer Alkoholmißbrauch führt zu einem Absterben von Gehirnzellen
und zur Schädigung der Leber.
Der Alko-Test zum Nachweis von Alkohol in der Atemluft beruht auf der leichten
Oxidierbarkeit des Ethanols. Eine bestimmte Menge Atemluft wird in einen Ballon
gepreßt. Die Füllung des Alko-Test-Röhrchens enthält Kaliumdichromat.
Bei positivem Test wird diese gelb gefärbte Chromverbindung zu grünem
Chromsalz reduziert.
Formel v. Widmark zur Bestimmung des Blutalkoholgehalts:
gEt .− OH
= ‰
kgKörperg.*0,6
Verunreinigtes ( durch Benzin od. Methanol), d.h. zum Genuß nicht mehr
geeignetes (=vergälltes) Ethanol heißt (Brenn-)Spiritus.
c) Propanol & Butanol:
im Volksmund auch Fusl genannt, entstehen z.B. am Ende des Schnapsbrennens
schlechter Geschmack
2-Propanol (i-Propanol) wird als Frostschutzmittel für Autoscheiben verwendet.
d) 1.2-Ethandiol (Glykol)
einfachster zweiwertiger Alkohol
♦ Eigenschaften: farblos, dickflüssig, von leicht süßlichem Geschmack,
schwach giftig
♦
Verwendung:
• Rohstoff zur Kunststoffproduktion
• Frostschutzmittel
• Feuchthaltemittel (Pfeifentabak, Süßspeisen, Zucker)
Eine dem 1.2-Ethandiol ähnliche Substanz, das Diethylenglykol, wurde
bekannt, weil sie in einer Reihe von Fällen illegal dem Wein zugemischt
worden war, um eine bessere Qualität vorzutäuschen. Eigentliche
Verwendung: Weichmacher für Kunststoffe
e) 1.2.3- Propantriol (Glycerin)
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♦ Eigenschaften: farblose, ölige Flüssigkeit, schwach giftig, süßlicher
Geschmack, schwach desinfizierend
♦ Verwendung: Wegen seiner wasseranziehenden Wirkung wird es für
Farbbänder, Druckfarben, Salben und Hautcremes, sowie zur Herstellung
von Nitroglycerin (Brisanzspregstoff) verwendet.
6. Weitere Folgeprodukte:
• Schwefelsäureester
höherer Alkohole haben große wirtschaftliche
Bedeutung; ihre Natriumsalze werden als Waschmittel verwendet. Außerdem
sind sie für die Entgiftung des menschlichen Körpers wichtig.
•
• Ester der Salpetersäure haben als Sprengstoffe Bedeutung. Salpetersäure-
ester entstehen, wenn man Schwefelsäure mit Salpetersäure mischt
(Nitriesgemisch) und die dabei entstehende Nitriersäure mit Alkohol versetzt..
Bekanntester Vertreter dieser Gruppe ist der Trisalpetersäureglycerinester,
besser bekannt unter dem Namen Nitroglycerin.
Nitroglycerin ist eine ölige Flüssigkeit, die bei geringen Erschütterungen
oder geringfügiger Erwärmung explosionsartig zerfällt. Es wurde erstmals
1847 vom Italiener Sobrero hergestellt. 1866 entdeckte der Schwede Alfred
Nobel, daß Nitroglycerin sicher zu handhaben ist, wenn es von Kieselgur
aufgesaugt wurde und erfand so den ersten brauchbaren hochbrisanten
Sicherheitssprengstoff ⇒ Dynamit
• Einige kompliziert gebaute Ester der Phosphorsäure haben als Schädlings-
bekämpfungsmittel Bedeutung (z.B. das Parathion). Sie sind auch sehr
wichtig im Stoffwechsel der Zellen.
7. Alkohol, eine zentralnervös dämpfende Substanz:
Der Begriff Alkohol steht in der Umgangssprache für Ethanol oder Ethylalkohol, also
jene Substanz, die in Spirituosen enthalten ist. Alkohol (Ethanol) unterscheidet sich
daher von anderen zentral dämpfenden Substanzen darin, dass er vorwiegend als
Genussmittel (wie z.B. auch Coffein) verwendet wird, was die Häufigkeit seines
Gebrauchs natürlich drastisch ansteigen lässt.
7.1. Pharmakologie des Alkohols
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a) Resorption:
Als wasser- und fettlösliche Substanz diffundiert Alkohol leicht durch biologische
Membranen, daher wird er schnell und vollständig vom gesamten Magendarmtrakt
resorbiert.
Die Resorptionsgeschwindigkeit hängt von versch. Faktoren ab. Ein leerer Magen
zum Beispiel resorbiert bereits etwa 20% einer eingenommen Alkoholdosis. Der Rest
wird erst im Dünndarm abgebaut. Da ein voller Magen sich gegenüber eines leeren
erst wesentlich später entleert, setzt die Resorption im Dünndarm später ein. Folglich
steigt der Blutalkoholgehalt deutlich langsamer, wenn gerade ein große Mahlzeit
verdaut wird.
b) Verteilung:
Nach der Resorption verteilt sich Alkohol gleichmäßig in allen Geweben und
Körperflüssigkeiten, was eine große Gefahr darstellen kann. Nicht einmal die
Blut-Hirn-Schranke vermag es ihn aufzuhalten.
Ebenso ungehindert gelangt Alkohol vom Blut einer schwangeren Frau in das Blut
des Foetus. Der fetale Blutalkoholgehalt erreicht dasselbe Niveau wie der der Mutter.
So kann Alkoholkonsum während der Schwangerschaft zu schweren angeborenen
Defekten beim Kind führen, da das Gehirn in seiner Entwicklung geschädigt wird
(=fetales Alkoholsyndrom).
c) Ausscheidung:
Nur etwa 5% einer Konsumierten Alkoholmenge gelangen unverändert wieder aus
dem Körper (hauptsächlich über die Lunge →“Fahne“). Der größte Teil wird von
Enzymen Alkoholdehydrogenase und Aldehyddehydrogenase, die vor allem in der
Leber aktiv sind, abgebaut. Diese wandeln Alkohol unter Freisetzung von Energie in
CO2 und H2O um.
Schritte des Abbaus:
Ethanol→ Acetaldehyd→ Essigsäure→ CO2 + H2O
Der Abbau in der Leber ist nicht konzentrationsabhängig, sondern verläuft zeitlich
Linear. Der Stoffwechsel eines Erwachsener baut pro Stunde ungefähr 10ml reinen
Ethanol ab. Das ist etwa die Ethanolmenge die in 0.2l Bier enthalten ist. Trinkt man
also nicht mehr als einen Pfiff pro Stunde, bleibt der Alkoholspiegel im Blut relativ
konstant. Natürlich wird die Metabolisierungsgeschwindigkeit von versch. Faktoren
beeinflusst, die klinisch nicht signifikant sind.
7.2. Pharmakologische Wirkung
Die wichtigste pharmakologische Wirkung des Alkohols ist eine zunehmende und
reversible Dämpfung zentralnervöser Funktionen:
a) Atmung:
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Die Atmung wird bei geringer Dosis stimuliert, bei weiterer Dosissteigerung jedoch
immer stärker gehemmt. Bei hohem Blutalkoholspiegel tritt Atemlähmung und der
Tod.
b) antiepileptische Wirkung:
Alkohol wirkt zwar antiepileptisch, wird zu diesem Zweck in der Medizin jedoch
nicht verwendet. Umgekehrt können aber bei Entzug nach chronischem
Alkoholkonsum Übererregbarkeit und sogar epilepsieartige Anfälle auftreten.
c) Herz & Kreislauf:
Unter der Wirkung auf Herz und Kreislauf ist zunächst die Erweiterung der
Hautblutgefäße zu nennen, welche zu einem subjektiven Wärmegefühl führt. Jedoch
wird mehr Wärme abgegeben, was eine Senkung der Körpertemperatur zur Folge hat.
Es ist also sinnlos, wenn nicht sogar gefährlich, bei kaltem Wetter Alkohol zu trinken
um sich warm zu halten.
Langzeitiger Alkoholkonsum steht in Verbindung mit Herzmuskelerkrankungen, die
schließlich zu Herzversagen führen können. Andererseits wurde in Studien
festgestellt, dass tägliche Einnahme geringer Mengen (z.B. ¼l Rotwein) das Risiko
von Herzkrankheiten senken kann.
d) kein Aphrodisiakum:
Wie alle dämpfenden Substanzen ist auch Alkohol kein Aphrodisiakum. Er führt
zwar zunächst zu psychischer Enthemmung, doch wird die sexuelle
Leistungsfähigkeit durch die dämpfende Wirkung des Alkohols beeinträchtigt.
e) Beeinträchtigung motorischer & intellektueller Fähigkeiten:
Die wohl auffallendste zentralnervös dämpfende Wirkung des Alkohols ist eine je
nach Dosis höhere oder niedriger Beeinträchtigung der motorischen und
intellektuellen Fähigkeiten des Menschen. Weiters schwinden Aufmerksamkeit und
Konzentrationsfähigkeit. Diese Wirkung wird bei Kombination von Alkohol mit
Sedativa noch um ein Vielfaches angehoben.
7.3. Psychische Wirkung
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Die kurzzeitigen psychischen und verhaltensbeeinflussenden Wirkungen des
Alkohols beschränken sich hauptsächlich auf das Zentralnervensystem.
Wirkung des Alkohols in Beziehung mit der Blutalkoholkonzentration:
7.4. Nebenwirkungen & Toxität
Bei akutem Alkoholmißbrauch entsteht ein reversibles substanzbedingtes
Psychosyndrom, welches sich in Form von Bewußtseinstrübung, Desorientiertheit,
fehlender Urteilsfähigkeit, Amnesie und eingeschränkten intellektuellen Fähigkeiten
zeigt.
Bei starkem Trinken kann es zu Wahnvorstellungen und Halluzinationen kommen.
Die schwerwiegendste physiologische Langzeitfolge ist ein Leberschaden. Die
Leberzirrhose ist offenbar auf eine alkoholbedingte Störung der körperlichen
Immunfunktionen zurückzuführen, was den immunsuppressiven Effekt von Ethanol
bestätigt.
Überdies kann Alkohol bei Langzeittrinkern Nervenzellen irreversibel zerstören,
wodurch bleibende psychische Schäden entstehen.
Zudem kann auch noch der Verdauungstrakt von der schädlichen Wirkung des
Alkohols betroffen sein, was sich meist in Pankreatitis (Entzündung der
Bauchspeicheldrüse), chronischer Gastritis (Entzündung der Magenschleimhaut) und
Magengeschwüren äußert.
Weiters ist nachgewiesen worden, dass Alkohol die Wirkung kerbsbegünstigender
Substanzen stark erhöht. Er erhöht das Krebsrisiko vor allem im Mund- und
Rachenbereich (in Verbindung mit Tabak kommt es nicht selten zur Ausbildung eines
Mundboden-Karzinoms).