Alkohole
Experimentalvortrag von Volker Wenke
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Inhalt
1. Struktur und Eigenschaften
2. Herstellung
3. Reaktionen
4. Verwendung
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1. Struktur und Eigenschaften
• Alkohole im Lehrplan nach reinen Kohlenwasserstoffen (Alkane, Alkene, Alkine, Erdöl, etc)
• Wo ist der Unterschied?
– Struktur eines Alkoholmoleküls?
– resultierende Eigenschaften?
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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:
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1. Struktur und Eigenschaften
Versuch 1: Strukturaufklärung von Ethanol
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1. Struktur und Eigenschaften
Versuch 1: Strukturaufklärung von Ethanol
Reaktion von Ethanol mit Natrium:
Beobachtung:
• Wasserstoff entsteht (nicht aus C-H-Bindungen)
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1. Struktur und Eigenschaften
Versuch 1: Strukturaufklärung von Ethanol
Reaktion von Ethanol mit Natrium:
Beobachtung:
• Wasserstoff entsteht (nicht aus C-H-Bindungen)
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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
...
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1. Struktur und Eigenschaften
Demo1: Hydrophilie & Volumenkontraktion
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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
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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
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1. Struktur und Eigenschaften
Werte für Alkane in Klammern
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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)
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2. Herstellung von Alkoholen
Screenshot Feuerzangenbowle H6P5O11
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2. Herstellung von Alkoholen
• Fermentation (durch Bioorganismen):
Enzyme aus Hefezellen wandeln Zucker in Ethanol um:
C6H12 O6(aq)
Hefe

 2 C2H5OH(aq)  2 CO 2(g) 
Vorgang muss anaerob verlaufen
C6H12O6(aq)  O2(g) Hefe

 6 H2O(l)  6 CO2(g) 
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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
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2. Herstellung von Alkoholen
2. Kontinuierliche Fermentation
• Hefe in einem Durchflussreaktor
• Substratlösung wird kontinuierlich
zu- und abgeführt
• Nachteil:
- teure Spezialmembranen
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2. Herstellung von Alkoholen
3. Fließbett-Fermentation
• immobilisierte Hefe auf Fließbett
• Substratlösung läuft von unten
nach oben durch
• Nachteil:
- chemische Labilität
- geringe mechanische Belastbarkeit
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2. Herstellung von Alkoholen
Versuch 2: Herstellung eines Schaumweins
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2. Herstellung von Alkoholen
Versuch 2: Herstellung eines Schaumweins
Alginat:
Polysaccharid aus
Braunalgen
Freie Elektronenpaare koordinieren
an das Calcium
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2. Herstellung von Alkoholen
Versuch 2: Herstellung eines Schaumweins
Sol – Gel – Übergang:
Calcium-Ionen
Hefe
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2. Herstellung von Alkoholen
Versuch 2: Herstellung eines Schaumweins
Alkoholische Gärung mit immobilisierter Hefe:
C6H12 O6(aq)
Hefe

 2 C2H5OH(aq)  2 CO 2(g) 
CO2 teilweise am Alginat adsorbiert,
Nachweis durch Niederschlag mit Ca(OH)2
Ca(OH) 2(aq)  CO 2(g) 
CaCO 3(s)   H2O(l)

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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
2
0
C2H4(g)  H2(g)  CO (g) 

1
CH3CH2CHO
[Co]
-3
CH3CH2CH O
0
H2 / 180 C
(g)
1
-2
 CH3CH2CH2OH(g)
• Elektrophile Addition von Wasser (z.B. Ethanol):
-2
[H ]
-3
-1
C2H4(g)  H2O 
 CH3CH2OH(aq)
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3. Reaktionen der Alkohole
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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)
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3. Reaktionen der Alkohole
3.2 Vom Alkohol zum Ester
Mechanismus der Veresterung (Kondensation):
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3. Reaktionen der Alkohole
Versuch 3: Veresterung
Rizinusöl
Zitronensäure
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3. Reaktionen der Alkohole
3.3 Vom Alkohol zum Halogenalkan
Nucleophile Substitution
• Entfernung der OH-Gruppe
• Einführung eines Halogens
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3. Reaktionen der Alkohole
Versuch 4: Chlorierung von tert-Butanol
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3. Reaktionen der Alkohole
Versuch 4: Chlorierung von tert-Butanol
tert-Butanol und Salzsäure (SN1)
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3. Reaktionen der Alkohole
3.4 Vom Alkohol zum Alken oder Ether
säurekatalytische Reaktion
• Alkoholüberschuss
• hohe Temperatur
Ether
Alken
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3. Reaktionen der Alkohole
3.4 Vom Alkohol zum Alken oder Ether
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3. Reaktionen der Alkohole
3.5 Oxidationsprodukte der Alkohole
Durch Oxidation mögliche Produkte:
•
•
•
•
Aldehyde
Carbonsäuren
Ketone
Kohlendioxid + Wasser
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3. Reaktionen der Alkohole
Versuch 5: Oxidation verschiedener Alkohole
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3. Reaktionen der Alkohole
Versuch 5: Oxidation verschiedener Alkohole
Durch Oxidation mögliche Produkte:
•
•
•
•
Aldehyde (aus primären Alkoholen)
Carbonsäuren (aus primären Alkoholen)
Ketone
Kohlendioxid + Wasser
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3. Reaktionen der Alkohole
Versuch 5: Oxidation verschiedener Alkohole
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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
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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
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4. Verwendung der Alkohole
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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 %)
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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
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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
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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)
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Zwei Worte:
NACH
FEIERABEND !!!
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Alkanole