Alkanole

Alkohole
Experimentalvortrag von Volker Wenke
1
Inhalt
1. Struktur und Eigenschaften
2. Herstellung
3. Reaktionen
4. Verwendung
2
1. Struktur und Eigenschaften
• Alkohole im Lehrplan nach reinen Kohlenwasserstoffen (Alkane, Alkene, Alkine, Erdöl, etc)
• Wo ist der Unterschied?
– Struktur eines Alkoholmoleküls?
– resultierende Eigenschaften?
3
1. Struktur und Eigenschaften
Strukturaufklärung am Beispiel Ethanol:
Verbrennung: H2O und CO2 nachweisbar
Magnesium wird von Ethanoldampf oxidiert
Ethanol: C, H, O im Verhältnis 2:6:1
Mögliche Strukturformeln:
4
1. Struktur und Eigenschaften
Versuch 1: Strukturaufklärung von Ethanol
5
1. Struktur und Eigenschaften
Versuch 1: Strukturaufklärung von Ethanol
Reaktion von Ethanol mit Natrium:
Beobachtung:
• Wasserstoff entsteht (nicht aus C-H-Bindungen)
6
1. Struktur und Eigenschaften
Versuch 1: Strukturaufklärung von Ethanol
Reaktion von Ethanol mit Natrium:
Beobachtung:
• Wasserstoff entsteht (nicht aus C-H-Bindungen)
7
1. Struktur und Eigenschaften
Versuch 1: Strukturaufklärung von Ethanol
Bildung von Natriumethanolat:
1
0
2 C2H5O H(l)  2 Na(s) 
2 C2H5O

(aq)
1
 2 Na

(aq)
0
 H2(g) 
Knallgasprobe:
0
0
1 -2
2 H2(g)  O2(g) 
 2 H2O (g)
Δ
8
1. Struktur und Eigenschaften
Homologe Reihe der Alkohole:
Methanol
Propanol
Ethanol
Butanol
...
9
1. Struktur und Eigenschaften
Demo1: Hydrophilie & Volumenkontraktion
10
1. Struktur und Eigenschaften
Demo1: Hydrophilie & Volumenkontraktion
Ethanol:
• kurze C-Kette, hoher Einfluss der
polaren OH-Gruppe, hydrophil
• Volumenkontraktion durch
Wasserstoffbrückenbindungen
1-Octanol:
• lange C-Kette, kaum Einfluss der
OH-Gruppe, hydrophob (lipophil)
• keine Volumenkontraktion
11
1. Struktur und Eigenschaften
Demo 1: Hydrophilie & Volumenkontraktion
Erklärung der Hydrophilie / Hydrophobie:
• Energiegewinn aus Enthropie
Durchmischung
• Energieverlust durch fehlende H-Brücken zwischen
Wasser und hydrophoben Teil des Alkohols
Verkleinerung der Grenzfläche, Entmischung
12
1. Struktur und Eigenschaften
Werte für Alkane in Klammern
13
1. Struktur und Eigenschaften
Isomerien der Alkohole ab Propanol:
1-Propanol
(primär)
2-Propanol
(sekundär)
2-Methyl-2-propanol
(tertiär)
Mehrwertige Alkohole:
1,2-Ethandiol
(Glycol)
1,2,3-Propantriol
(Glycerin)
14
2. Herstellung von Alkoholen
Screenshot Feuerzangenbowle H6P5O11
15
2. Herstellung von Alkoholen
• Fermentation (durch Bioorganismen):
Enzyme aus Hefezellen wandeln Zucker in Ethanol um:
C6H12O6(aq) Hef

e 2 C2H5OH(aq)  2 CO2(g) 
Vorgang muss anaerob verlaufen
C6H12O6(aq)  O2(g) Hef

e 6 H2O(l)  6 CO2(g) 
16
2. Herstellung von Alkoholen
1. Batch-Fermentation
• Substrat, Hefe und entstehendes
Ethanol in einem Gefäß
• Nachteile:
- aufwendige Trennung
- Biokatalysator schlecht wiederverwertbar
- Hemmung der Hefe durch hohen Ethanolgehalt
17
2. Herstellung von Alkoholen
2. Kontinuierliche Fermentation
• Hefe in einem Durchflussreaktor
• Substratlösung wird kontinuierlich
zu- und abgeführt
• Nachteil:
- teure Spezialmembranen
18
2. Herstellung von Alkoholen
3. Fließbett-Fermentation
• immobilisierte Hefe auf Fließbett
• Substratlösung läuft von unten
nach oben durch
• Nachteil:
- chemische Labilität
- geringe mechanische Belastbarkeit
19
2. Herstellung von Alkoholen
Versuch 2: Herstellung eines Schaumweins
20
2. Herstellung von Alkoholen
Versuch 2: Herstellung eines Schaumweins
Alginat:
Polysaccharid aus
Braunalgen
Freie Elektronenpaare koordinieren
an das Calcium
21
2. Herstellung von Alkoholen
Versuch 2: Herstellung eines Schaumweins
Sol – Gel – Übergang:
Calcium-Ionen
Hefe
22
2. Herstellung von Alkoholen
Versuch 2: Herstellung eines Schaumweins
Alkoholische Gärung mit immobilisierter Hefe:
C6H12O6(aq) Hef

e 2 C2H5OH(aq)  2 CO2(g) 
CO2 teilweise am Alginat adsorbiert,
Nachweis durch Niederschlag mit Ca(OH)2
Ca(OH) 2(aq)  CO2(g) 
CaCO3(s)   H2O(l)

23
2. Herstellung von Alkoholen
• Gewinnung aus Synthesegas (Methanol):
0
2
1 - 2
1
2 H2(g)  CO(g)  H3COH (g)
p, T, [ZnO / Cr2O3 ]
• Oxosynthese mit Alkenen (z.B. Propanol):
2
0
2
C2H4(g)  H2(g)  CO (g) 

1
[Co]
H2 / 180 C
CH3CH2CHO (g) 
-3
1
-2
CH3CH2CHO
0
CH3CH2CH2OH(g)
• Elektrophile Addition von Wasser (z.B. Ethanol):
-2
[H ]
-3
-1
C2H4(g)  H2O 
 CH3CH2OH(aq)
24
3. Reaktionen der Alkohole
25
3. Reaktionen der Alkohole
26
3. Reaktionen der Alkohole
3.1 Vom Alkohol zum Alkan
Reduktionsmittel:
• Wasserstoff: im Gasstrom oder nascierend
• Hydriddonatoren (z.B. NaBH4, LiAlH4, DIBAL)
27
3. Reaktionen der Alkohole
3.2 Vom Alkohol zum Ester
Mechanismus der Veresterung (Kondensation):
28
3. Reaktionen der Alkohole
Versuch 3: Veresterung
Rizinusöl
Zitronensäure
29
3. Reaktionen der Alkohole
3.3 Vom Alkohol zum Halogenalkan
Nucleophile Substitution
• Entfernung der OH-Gruppe
• Einführung eines Halogens
30
3. Reaktionen der Alkohole
Versuch 4: Chlorierung von tert-Butanol
31
3. Reaktionen der Alkohole
Versuch 4: Chlorierung von tert-Butanol
tert-Butanol und Salzsäure (SN1)
32
3. Reaktionen der Alkohole
3.4 Vom Alkohol zum Alken oder Ether
säurekatalytische Reaktion
• Alkoholüberschuss
• hohe Temperatur
Ether
Alken
33
3. Reaktionen der Alkohole
3.4 Vom Alkohol zum Alken oder Ether
34
3. Reaktionen der Alkohole
3.5 Oxidationsprodukte der Alkohole
Durch Oxidation mögliche Produkte:
•
•
•
•
Aldehyde
Carbonsäuren
Ketone
Kohlendioxid + Wasser
35
3. Reaktionen der Alkohole
Versuch 5: Oxidation verschiedener Alkohole
36
3. Reaktionen der Alkohole
Versuch 5: Oxidation verschiedener Alkohole
Durch Oxidation mögliche Produkte:
•
•
•
•
Aldehyde (aus primären Alkoholen)
Carbonsäuren (aus primären Alkoholen)
Ketone
Kohlendioxid + Wasser
37
3. Reaktionen der Alkohole
Versuch 5: Oxidation verschiedener Alkohole
38
3. Reaktionen der Alkohole
3.5 Oxidationsprodukte der Alkohole
Durch Oxidation mögliche Produkte:
•
•
•
•
Aldehyde (aus primären Alkoholen)
Carbonsäuren (aus primären Alkoholen)
Ketone (aus sekundären Alkoholen)
Kohlendioxid + Wasser
39
3. Reaktionen der Alkohole
Versuch 6: Oxidation von Methanol
Oxidation am Platindraht:
2
0
0
-2
2 H3COH(g)  O2(g)  2 HCHO(g)  2 H2O
[Pt]
Zündpunkt 455°C:
-2
0
4 - 2
2 H3COH(g)  3 O2(g) 
 2 CO 2(g)  4 H2O(g)
Δ
40
4. Verwendung der Alkohole
41
4. Verwendung der Alkohole
4.1 Kraftstoff „E-85“
reines Ethanol als Kraftstoff
Vorteile:
•
•
•
•
Nachteile:
Oktanzahl 110
• hoher Verbrauch
höhere Motorleistung
• schlechte Kaltstarteigenschaften
ca. 90% weniger Abgase,
kein SO2, keine Aromaten
Ethanol-“Super“-Gemisch (85 % : 15 %)
42
4. Verwendung der Alkohole
4.2 Alkohole in der chemischen Industrie
Einsatz als Lösemittel in:
• chemischen Synthesen
• Medikamenten
• Hygieneartikel, Duftstoffe
Einsatz in Synthesen von:
• Formaldehyd, Essigsäure, Aceton,
Esterkomponenten
43
4. Verwendung der Alkohole
4.3 mehrwertige Alkohole
Glykol:
• Frost- und Korrosionsschutzmittel
Glycerin:
• Kunststoffe, Harze, Schmiermittel, Feuchthaltemittel, Sprengstoffe
• Frostschutzmittel
• Grundbaustein für Fette
Glucitol:
• Zuckerersatzstoff in Süßigkeiten
• Medizin: bakterielle Nährböden, Diuretika
44
4. Verwendung der Alkohole
4.4 Ethanol als Genussmittel
Nichtdestillierte Getränke:
• Bier (Hopfen, Malz)
• Wein (Trauben)
Destillierte Getränke:
• Kornbranntwein (Weizen, Roggen)
• Rum (Rohrzucker)
• Whiskey (Mais)
• Obstbranntwein (diverse Obstsorten)
45
Zwei Worte:
NACH
FEIERABEND !!!
46