🍷

Αλκοόλες – Ταξινόμηση & Παρασκευές

Πρωτοταγείς – δευτεροταγείς – τριτοταγείς, ζύμωση, αιθανόλη

Πώς ο μούστος γίνεται κρασί;

Μετά τον τρύγο, ο χυμός των σταφυλιών αφήνεται στα βαρέλια. Σε λίγες μέρες αρχίζει να «βράζει» χωρίς φωτιά: βγάζει φυσαλίδες και σιγά-σιγά γίνεται λιγότερο γλυκός και πιο «δυνατός». Μικροοργανισμοί, οι ζυμομύκητες, μετατρέπουν τη γλυκόζη σε αιθανόλη και $CO_2$ . Εδώ μαθαίνεις για την αιθανόλη και την οικογένειά της, τις αλκοόλες: πώς ταξινομούνται και πώς παρασκευάζονται.

Υδροξυενώσεις: αλκοόλες και φαινόλες

Υδροξυενώσεις είναι οι οργανικές ενώσεις με ένα ή περισσότερα υδροξύλια ( $-OH$ ) στο μόριο. Διακρίνονται σε:

αλκοόλες: προκύπτουν αν αντικαταστήσουμε ένα ή περισσότερα H ενός υδρογονάνθρακα με $-OH$ — π.χ. $CH_3CH_2OH$ αιθανόλη, $HO-CH_2CH_2CH_2CH_2-OH$ 1,4-βουτανοδιόλη
φαινόλες: το $-OH$ είναι συνδεδεμένο απευθείας σε βενζολικό δακτύλιο (απλούστερη η φαινόλη $C_6H_5OH$ , γνωστή ως αντισηπτικό από την εποχή του Lister)

Οι αλκοόλες είναι γνωστές εδώ και χιλιάδες χρόνια («πνεύματα»)· η λέξη προέρχεται από το αραβικό όνομα της αλκοόλης που παίρνουμε με απόσταξη κρασιού.

Ήξερες ότι;

Η μεθανόλη λεγόταν παλιά «ξυλόπνευμα», γιατί παραγόταν με θέρμανση ξύλου χωρίς αέρα. Μοιάζει στην όψη και στην οσμή με την αιθανόλη, αλλά είναι δηλητηριώδης: ακόμα και μικρές ποσότητες μπορούν να προκαλέσουν τύφλωση. Γι' αυτό τα ποτά από παράνομη απόσταξη είναι επικίνδυνα.

Ταξινόμηση των αλκοολών

Κορεσμένες – ακόρεστες: $CH_3CH_2CH_2OH$ 1-προπανόλη (κορεσμένη), $CH_2=CHCH_2OH$ 2-προπεν-1-όλη (ακόρεστη)
Μονοσθενείς, δισθενείς, τρισθενείς κ.λπ., ανάλογα με τον αριθμό των $-OH$ : αιθανόλη (μονοσθενής), 1,2-αιθανοδιόλη ή γλυκόλη $HOCH_2CH_2OH$ (δισθενής), 1,2,3-προπανοτριόλη ή γλυκερίνη $HOCH_2CH(OH)CH_2OH$ (τρισθενής)
Πρωτοταγείς, δευτεροταγείς, τριτοταγείς, ανάλογα με τον άνθρακα που φέρει το $-OH$ : ένα άτομο C είναι πρωτοταγές αν συνδέεται με 1 άλλο C, δευτεροταγές με 2, τριτοταγές με 3.

Τεταρτοταγής αλκοόλη δεν υπάρχει: ένας C με 4 δεσμούς C–C δεν έχει θέση για $-OH$ . Οι κορεσμένες μονοσθενείς αλκοόλες έχουν γενικό τύπο $C_\nu H_{2\nu+1}OH$ ή $ROH$ ( $\nu \ge 1$ )· η μεθανόλη $CH_3OH$ κατατάσσεται στις πρωτοταγείς.

$\underset{\text{πρωτοταγής}}{R-CH_2-OH} \qquad \underset{\text{δευτεροταγής}}{R-CH(OH)-R'} \qquad \underset{\text{τριτοταγής}}{R-C(OH)(R'')-R'}$

Μέθοδος: χαρακτηρισμός αλκοόλης

Εντόπισε τον άνθρακα που φέρει το $-OH$ (όχι οποιονδήποτε άνθρακα του μορίου).
Μέτρα με πόσα άλλα άτομα C συνδέεται: 1 (ή 0, μεθανόλη) $\rightarrow$ πρωτοταγής, 2 $\rightarrow$ δευτεροταγής, 3 $\rightarrow$ τριτοταγής.
Ισοδύναμα: $-CH_2OH$ πρωτοταγής, $>CHOH$ δευτεροταγής, $-C(OH)<$ χωρίς H τριτοταγής.

Άσκηση (Παράδειγμα 3.1 του βιβλίου): Να γραφούν οι αλκοόλες με μοριακό τύπο $C_4H_9OH$ και να χαρακτηριστούν.

Λύση:

$CH_3CH_2CH_2CH_2OH$ — 1-βουτανόλη: πρωτοταγής
$CH_3CH(CH_3)CH_2OH$ — μεθυλο-1-προπανόλη: πρωτοταγής (ο C του $-OH$ συνδέεται με έναν μόνο C, αν και η αλυσίδα είναι διακλαδισμένη)
$CH_3CH(OH)CH_2CH_3$ — 2-βουτανόλη: δευτεροταγής
$(CH_3)_3COH$ — μεθυλο-2-προπανόλη: τριτοταγής

Γρήγορος έλεγχος

Η 2-βουτανόλη $CH_3CH(OH)CH_2CH_3$ είναι αλκοόλη:

Παρασκευές

α. Αλκοολική ζύμωση. Η γλυκόζη (π.χ. του μούστου) μετατρέπεται σε αιθανόλη παρουσία του ενζύμου ζυμάση:

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{\text{ζυμάση}} 2CH_3CH_2OH + 2CO_2$

Το $CO_2$ ανιχνεύεται επειδή θολώνει το ασβεστόνερο ( $Ca(OH)_2$ ). Το ποτό που προκύπτει (κρασί, μπίρα, ουίσκι, βότκα) εξαρτάται από την πρώτη ύλη, τις συνθήκες της ζύμωσης και αν ακολουθεί απόσταξη.

β. Από το πετρέλαιο (ενυδάτωση αλκενίων). Το αιθυλένιο αντιδρά με νερό παρουσία οξέος (π.χ. $H_2SO_4$ ) και δίνει με μεγάλη απόδοση αιθανόλη:

$CH_2=CH_2 + H_2O \xrightarrow{H^+} CH_3CH_2OH \qquad C_\nu H_{2\nu} + H_2O \rightarrow C_\nu H_{2\nu+1}OH$

Έτσι παρασκευάζονται μόνο οι αλκοόλες που προβλέπει ο κανόνας του Markovnikov — π.χ. από προπένιο παίρνουμε 2-προπανόλη, όχι 1-προπανόλη.

Άσκηση: Πόσα g αιθανόλης και πόσα λίτρα $CO_2$ (STP) σχηματίζονται από την πλήρη ζύμωση $360\ g$ γλυκόζης; ( $M_r$ : γλυκόζη 180, αιθανόλη 46)

Λύση: $n = \frac{360}{180} = 2\ mol$ γλυκόζης. Από $C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$ :

$n_{C_2H_5OH} = n_{CO_2} = 4\ mol \Rightarrow m = 4 \cdot 46 = 184\ g, \quad V = 4 \cdot 22{,}4 = 89{,}6\ L$

Γρήγορος έλεγχος

Ποια αλκοόλη δεν μπορεί να παρασκευαστεί ως κύριο προϊόν με ενυδάτωση αλκενίου;

Φυσικές ιδιότητες και χρήσεις

Τα κατώτερα μέλη είναι υγρά, άχρωμα, ευδιάλυτα στο νερό· τα μέσα ελαιώδη υγρά, λίγο διαλυτά· τα ανώτερα στερεά, άοσμα, πρακτικά αδιάλυτα. Η διαλυτότητα και τα σχετικά υψηλά σημεία βρασμού οφείλονται στους δεσμούς υδρογόνου του $-OH$ · όσο μεγαλώνει η υδρόφοβη αλυσίδα, τόσο μειώνεται η διαλυτότητα.
Η αιθανόλη είναι υγρό άχρωμο, με δηκτική γεύση και ευχάριστη οσμή. Αναμειγνύεται με το νερό σε κάθε αναλογία, με ελάττωση όγκου και έκλυση θερμότητας.

Χρήσεις της αιθανόλης: αλκοολούχα ποτά (η μεγαλύτερη ποσότητα), διαλύτης (αρώματα, φάρμακα, βερνίκια), αντισηπτικό, καύσιμο και πρόσθετο καυσίμων (βιοαιθανόλη), πρώτη ύλη για άλλες ενώσεις.

Η αλκοόλη και ο άνθρωπος: η περιεκτικότητα των ποτών δίνεται σε αλκοολικούς βαθμούς ( $\%\ v/v$ , π.χ. κρασί $12°$ = $12\ mL$ αιθανόλης σε $100\ mL$ ). Η αιθανόλη απορροφάται γρήγορα στο αίμα και δρα κατασταλτικά στο κεντρικό νευρικό σύστημα: μειώνει τα αντανακλαστικά και την κρίση — γι' αυτό υπάρχει αλκοτέστ στους οδηγούς. Η μακροχρόνια κατάχρηση βλάπτει κυρίως το ήπαρ.

Γρήγορος έλεγχος

Όταν αναμειγνύεται αιθανόλη με νερό:

Άσκηση τύπου διαγωνίσματος: Κρασί έχει $11{,}5$ αλκοολικούς βαθμούς ( $11{,}5\%\ v/v$ ). Η αιθανόλη του σχηματίστηκε με αλκοολική ζύμωση γλυκόζης.

Δεδομένα: $V_{κρασιού} = 1\ L$ , πυκνότητα αιθανόλης $0{,}8\ g/mL$ , $M_r$ : αιθανόλη 46, γλυκόζη 180.

Ζητούμενα: (α) η μάζα της αιθανόλης σε $1\ L$ κρασί, (β) η μάζα της γλυκόζης που ζυμώθηκε, (γ) ο όγκος του $CO_2$ (STP) που ελευθερώθηκε.

Λύση:

(α) $V_{αιθ} = 0{,}115 \cdot 1000 = 115\ mL \Rightarrow m = 115 \cdot 0{,}8 = 92\ g$ , δηλαδή $n = \frac{92}{46} = 2\ mol$ .

(β) $C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$ : για $2\ mol$ αιθανόλης χρειάζεται $1\ mol$ γλυκόζης, δηλαδή $180\ g$ .

(γ) $n_{CO_2} = 2\ mol \Rightarrow V = 44{,}8\ L$ .

Απάντηση: (α) $92\ g$ , (β) $180\ g$ γλυκόζης, (γ) $44{,}8\ L$ $CO_2$ .

Γρήγορος έλεγχος

Η γλυκερίνη $HOCH_2-CH(OH)-CH_2OH$ είναι αλκοόλη:

Πρόκληση

το βαρέλι που «ελαφραίνει» Κατά την αλκοολική ζύμωση ενός βαρελιού μούστου, η μάζα του μειώνεται κατά $8{,}8\ kg$ , επειδή φεύγει μόνο το $CO_2$ . (α) Πόσα kg αιθανόλης σχηματίστηκαν; (β) Πόσα λίτρα κρασιού $12\%\ v/v$ αντιστοιχούν; (γ) Πόση γλυκόζη ζυμώθηκε; ( $M_r$ : $CO_2$ = 44, αιθανόλη = 46, γλυκόζη = 180, $\rho_{αιθανόλης} = 0{,}8\ g/mL$ )

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

$C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{\text{ζυμάση}} 2CH_3CH_2OH + 2CO_2$

(α) $n_{CO_2} = \frac{8800}{44} = 200\ mol$ . Αναλογία αιθανόλης : $CO_2 = 2 : 2$ → $200\ mol$ αιθανόλης → $m = 200 \cdot 46 = 9200\ g = 9{,}2\ kg$ .

(β) $V_{αιθανόλης} = \frac{9200}{0{,}8} = 11500\ mL = 11{,}5\ L$ . Στο κρασί $12\%\ v/v$ : $V_{κρασιού} = \frac{11{,}5}{0{,}12} \approx 96\ L$ .

(γ) $n_{γλυκόζης} = \frac{200}{2} = 100\ mol$ → $m = 100 \cdot 180 = 18000\ g = 18\ kg$ . Έλεγχος μάζας: $18 = 9{,}2 + 8{,}8\ kg$ ✓

Απάντηση: (α) $9{,}2\ kg$ αιθανόλη, (β) περίπου $96\ L$ κρασί, (γ) $18\ kg$ γλυκόζη — όλα από μια απλή ζύγιση του βαρελιού.

Συνηθισμένα λάθη

Χαρακτηρισμός από την αλυσίδα. Η μεθυλο-1-προπανόλη έχει διακλάδωση, αλλά είναι πρωτοταγής: μετράει μόνο ο C που φέρει το $-OH$ .
Σθένος ≠ τάξη. Μονοσθενής/δισθενής = πόσα $-OH$ · πρωτοταγής/δευτεροταγής = πόσους C «βλέπει» ο φορέας του $-OH$ .
Ζύμωση χωρίς $CO_2$ . Η αλκοολική ζύμωση δίνει 2 mol αιθανόλης και 2 mol $CO_2$ ανά mol γλυκόζης.
Αλκοολικοί βαθμοί ως μάζα. Είναι $\%\ v/v$ : για μάζα χρειάζεσαι την πυκνότητα της αιθανόλης.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Αλκοόλες: $-OH$ σε άνθρακα αλυσίδας (φαινόλες: σε βενζολικό δακτύλιο)· κορεσμένες μονοσθενείς $C_\nu H_{2\nu+1}OH$ .
Ταξινόμηση: κορεσμένες/ακόρεστες, μονο-/δι-/τρισθενείς, πρωτο-/δευτερο-/τριτοταγείς ( $RCH_2OH$ , $R_2CHOH$ , $R_3COH$ ).
Παρασκευές: αλκοολική ζύμωση $C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2C_2H_5OH + 2CO_2$ · ενυδάτωση αλκενίων (Markovnikov).
Αιθανόλη: αναμειγνύεται με νερό σε κάθε αναλογία (συστολή όγκου, έκλυση θερμότητας)· ποτά, διαλύτης, καύσιμο.

Υδροξυενώσεις: αλκοόλες και φαινόλες

Υδροξυενώσεις είναι οι οργανικές ενώσεις με ένα ή περισσότερα υδροξύλια (

-OH

) στο μόριο. Διακρίνονται σε:

αλκοόλες: προκύπτουν αν αντικαταστήσουμε ένα ή περισσότερα H ενός υδρογονάνθρακα με

-OH

— π.χ.

CH_3CH_2OH

αιθανόλη,

HO-CH_2CH_2CH_2CH_2-OH

1,4-βουτανοδιόλη

φαινόλες: το

-OH

είναι συνδεδεμένο απευθείας σε βενζολικό δακτύλιο (απλούστερη η φαινόλη

C_6H_5OH

, γνωστή ως αντισηπτικό από την εποχή του Lister)