Alkohole: spalanie, sód, utlenianie i eliminacja wody

Alkohole to związki organiczne zawierające grupę hydroksylową $\mathrm{-OH}$ połączoną z atomem węgla nasyconym, czyli takim, który tworzy tylko wiązania pojedyncze. Do najprostszych alkoholi należą metanol $\mathrm{CH_3OH}$ i etanol $\mathrm{C_2H_5OH}$. Obecność grupy $\mathrm{-OH}$ wpływa na właściwości fizyczne i chemiczne tych związków.

W liceum ważny jest podział alkoholi na pierwszorzędowe, drugorzędowe i trzeciorzędowe. O tym, do której grupy należy alkohol, decyduje liczba atomów węgla połączonych z tym atomem węgla, przy którym znajduje się grupa $\mathrm{-OH}$. Etanol jest alkoholem pierwszorzędowym, propan-2-ol drugorzędowym, a odpowiednie alkohole z trzema sąsiednimi grupami alkilowymi to alkohole trzeciorzędowe.

Ten podział ma duże znaczenie, ponieważ od niego zależy przebieg niektórych reakcji, zwłaszcza utleniania. Alkohole różnych rzędów nie zachowują się identycznie mimo obecności tej samej grupy funkcyjnej.

Alkohole, podobnie jak inne związki organiczne zawierające węgiel i wodór, mogą ulegać spalaniu. Przy dostatecznej ilości tlenu zachodzi spalanie całkowite, którego produktami są dwutlenek węgla i woda. Dla etanolu zapis reakcji ma postać:

$$\mathrm{C_2H_5OH + 3O_2 \rightarrow 2CO_2 + 3H_2O}$$

Gdy tlenu jest za mało, zachodzi spalanie niecałkowite. Wtedy mogą powstawać tlenek węgla(II) i woda albo nawet węgiel i woda. To ważne nie tylko chemicznie, ale też praktycznie, bo tlenek węgla(II) jest silnie toksyczny.

W obliczeniach i w zadaniach maturalnych często trzeba rozpoznać, czy podane równanie prowadzi do $\mathrm{CO_2}$ i $\mathrm{H_2O}$, czy do $\mathrm{CO}$ albo sadzy. To podstawowy sposób identyfikacji typu spalania.

Charakterystyczną reakcją alkoholi jest ich przemiana z sodem. W tej reakcji atom sodu zastępuje atom wodoru z grupy $\mathrm{-OH}$, a produktem organicznym staje się alkoholan. Jednocześnie wydziela się wodór.

Dla etanolu równanie reakcji wygląda następująco:

$$\mathrm{2C_2H_5OH + 2Na \rightarrow 2C_2H_5ONa + H_2}$$

Powstający związek $\mathrm{C_2H_5ONa}$ to etanolan sodu. W doświadczeniu obserwuje się zanik sodu i wydzielanie pęcherzyków gazu. Ta reakcja pokazuje, że wodór obecny w grupie hydroksylowej może zostać zastąpiony przez aktywny metal.

W zadaniach uczniowie często mylą tę reakcję z reakcją sodu z wodą. Trzeba więc zwracać uwagę, czy substratem jest alkohol, czy woda, bo produkty są inne.

Przebieg utleniania alkoholi zależy od ich rodzaju. Alkohole pierwszorzędowe utleniają się najpierw do aldehydów, a przy dalszym utlenianiu do kwasów karboksylowych. Dobrym przykładem jest ciąg przemian etanolu:

$$\mathrm{C_2H_5OH \rightarrow CH_3CHO \rightarrow CH_3COOH}$$

Alkohole drugorzędowe utleniają się do ketonów. Na przykład propan-2-ol daje propanon. To typowa zależność, którą trzeba umieć rozpoznać zarówno po nazwach, jak i po wzorach związków.

Alkohole trzeciorzędowe w warunkach szkolnych nie ulegają łatwo łagodnemu utlenianiu. Wynika to z budowy ich cząsteczek: atom węgla związany z grupą $\mathrm{-OH}$ nie ma odpowiedniego atomu wodoru potrzebnego do takiej przemiany.

W arkuszach egzaminacyjnych bardzo częste jest łączenie wzoru półstrukturalnego alkoholu z przewidywaniem produktu jego utleniania.

Alkohole mogą także ulegać eliminacji wody, czyli odwodnieniu. W tej reakcji od cząsteczki alkoholu odłącza się cząsteczka $\mathrm{H_2O}$, a produktem organicznym staje się zwykle alken. Reakcja zachodzi najczęściej w obecności stężonego kwasu siarkowego(VI) i w podwyższonej temperaturze.

Przykładem jest odwodnienie etanolu:

$$\mathrm{C_2H_5OH \rightarrow C_2H_4 + H_2O}$$

Powstającym alkenem jest wtedy eten.

Eliminacja wody jest ważna, ponieważ pokazuje związek między alkoholami i alkenami. Z alkoholu można otrzymać związek nienasycony, w którym pojawia się wiązanie podwójne.

W zadaniach trzeba odróżniać tę reakcję od utleniania. Jeśli w produktach pojawia się alken i woda, mamy do czynienia z odwodnieniem, a nie z przemianą do aldehydu, ketonu czy kwasu.

Najważniejsze jest rozróżnianie czterech typów przemian: spalania, reakcji z sodem, utleniania i eliminacji wody. Każda z nich prowadzi do innych produktów i zachodzi w innych warunkach.

• Spalanie całkowite daje $\mathrm{CO_2}$ i $\mathrm{H_2O}$.
• Reakcja z sodem daje alkoholan i $\mathrm{H_2}$.
• Utlenianie alkoholu pierwszorzędowego prowadzi do aldehydu, a dalej do kwasu karboksylowego.
• Utlenianie alkoholu drugorzędowego prowadzi do ketonu.
• Eliminacja wody prowadzi do alkenu i $\mathrm{H_2O}$.

Częsty błąd polega na mechanicznym kojarzeniu obecności tlenu w reakcji z utlenianiem do kwasu. Tymczasem jeśli związek reaguje z tlenem i powstają $\mathrm{CO_2}$ oraz $\mathrm{H_2O}$, jest to spalanie, a nie łagodne utlenianie grupy funkcyjnej.

Warto też zwracać uwagę na budowę alkoholu. To ona decyduje, czy związek utleni się do aldehydu, ketonu, czy w warunkach szkolnych nie zareaguje łatwo wcale.