Die Stoffklasse der Alkanole

Die Vertreter der Stoffklasse der Alkanole leiten sich chemisch und sprachlich von den Alkanen ab. Häufig werden diese Verbindungen auch Alkohole genannt. Sie unterscheiden sich von den jeweiligen Alkanen durch das Vorhandensein einer Hydroxy-Gruppe. Diese Gruppe ist die funktionelle Gruppe der Alkanole. Alkanol-Moleküle bestehen entsprechend aus mindestens einer Hydroxy-Gruppe sowie einem organischen Rest (in der Regel ein Alkyl-Rest). Die allgemeine Summenformel  der Alkanole lautet: C_nH_2n+1OH. Sie leitet sich aus der Summenformel der Alkane (C_nH_2n+2) ab .

Homologe Reihe der Alkanole und Benennung

Homologe Reihe

Die grundsätzliche Benennung innerhalb der homologen Reihe erfolgt analog zu der der Alkanen. Zusätzlich wird jedoch die Endung „-ol“ an den jeweiligen Alkannamen angefügt. In der nebenstehenden Tabelle ist zu erkennen, dass bereits eine Zahl eingefügt wurde, um die Stellung der Hydroxy-Gruppe im Molekül anzugeben. 

Regeln für die korrekte Bennunng (IUPAC-Nomenklatur)

1. Regel: Bestimmung der Hauptkette und Kennzeichnung der Stoffklasse
Als Hauptkette wird die Kette mit den meisten Kohlenstoff-Atomen bezeichnet, die die Hydroxy-Gruppe trägt. Diese bestimmt den Stammnamen (s. homologe Reihe). Bei verzweigten Molekülstrukturen ist es die Kette, die die höchste Anzahl an zusätzlichen Substituenten enthält. Zur Kennzeichnung der Stoffklasse wird an den Stammnamen die Endsilbe "-ol" angefügt.

Beispiel (hier klicken)

In der nachfolgenden Abbildung besteht die längste Kette, die die Hydroxy-Gruppe trägt (Hauptkette) aus sieben Kohlenstoff-Atomen. Der Stammname ist somit Heptan. Entsprechend der Stoffklasse der Alkanole wird die Endsilbe "-ol" angefügt, sodass sich Heptanol ergibt.

2. Regel: Bestimmung der Seitenketten bzw. Substituenten
Die Seitenketten bzw. Substituenten werden bestimmt und entsprechend der Nomenklatur benannt. Ein Alkan als Seitenkette bzw. Substituent wird als Alkyl-Gruppe bezeichnet. Solchen Substituenten wird anstelle der Endung "-an" die Endung "-yl" angefügt, wie die folgende Aufzählung zeigt: 

• Methyl-Gruppe als Bezeichnung für einen Substituenten mit der Summenformel (CH₃)
• Ethyl-Gruppe als Bezeichnung für einen Substituenten mit der Summenformel (C₂H₅)
• usw.

Beispiel (hier klicken)

In der nachfolgenden Abbildung finden sich Ethyl- und Methyl-Gruppen.

3. Regel: Bestimmung der Anzahl der Seitenketten bzw. Substituenten sowie deren alphabetische Reihenfolge
Sofern eine Seitenkette bzw. ein Substituent mehrfach auftritt, so wird eine der Anzahl entsprechende Vorsilbe verwendet:

• Für ein zweimaliges Auftreten, wird die Vorsilbe "Di-" verwendet
• Für ein dreimaliges Auftreten, wird die Vorsible "Tri-" verwendet
• usw.

Beispiel (hier klicken)

In der nachfolgenden Abbildung finden sich insgesamt zwei Ethyl- und drei Methyl-Gruppen.

4. Regel Nummerierung der Seitenketten bzw. Substituenten
Abschließend werden die Verbindungsstellen der Seitenketten bzw. Substituenten bestimmt. Hierbei ist zu beachten, dass die Kohlenstoff-Atome in der Hauptkette so nummeriert werden, dass die Seitenketten bzw. Substituenten die kleinstmögliche Zahl erhalten. Hierbei gilt, dass nicht die Summe der Positionsnummer einen kleinstmöglichen Wert annehmen muss, sondern vielmehr dass die erste unterscheidbare Stelle den kleinstmöglichen Wert zugeschrieben bekommt.

Beispiel (hier klicken)

Die in der nachfolgenden Abbildung dargestellten Ethyl-Gruppen sind an den Kohlenstoff-Atomen 3 und 4 gebunden, die drei Methyl-Gruppen an den Kohlenstoff-Atomen 2 und 5. Durch diese Zählweise ergibt sich die kleinstmögliche Nummerierung. Dies gilt auch für die Hydroxy-Gruppe. Diese ist an Kohlenstoff-Atom 1 gebunden.

Physikalisch-chemische Eigenschaften

Wie in der nachfolgenden Tabelle zu sehen ist, nehmen die Schmelz- und Siedetemperaturen mit zunehmender Anzahl von Kohlenstoff-Atomen im Molekül zu. Gleiches gilt für die Viskosität.

Die Löslichkeit in hydrophilen (z.B. Wasser) und lipophilen (z.B. Benzin) Lösungsmitteln ist gegenläufig. So löst sich bspw. Methanol unbegrenzt in Wasser, aber nur in geringen Mengen in Bezin. Ethanol ist beliebig mit beiden Lösungsmitteln mischbar. Butan-1-ol ist nur noch mäßig mit Wasser, aber beliebig mit Benzin mischbar.

Die unterschiedlichen Stoffeigenschaften lassen sich zurückführen auf die jeweiligen molekularen Stukturen. Allen Alkanolen ist gleich, dass sie aus mindestens einer Hydroxy-Gruppe und einem Alkyl-Rest bestehen. Die Atom-Bindungen innerhalb der Hydroxy-Gruppe sind polar. Dies kann u.a. aus der Differenz der Elektronegativitätswerte (Sauerstoff: 3,4; Wasserstoff: 2,2) abgelesen werden. Aufgrund der Polarität der Sauerstoff-Wasserstoff-Bindung können den jeweiligen Atomen Teilladungen zugeschrieben werden (s. nachfolgende Abb.). Für den Alkyl-Rest gilt dies nicht. Die dortigen Atome weisen nur geringe Unterschiede in den Elektronegativitätswerten auf (Kohlenstoff: 2,5; Wasserstoff: 2,2). Die Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung gilt daher als unpolar. 

Zwischen den jeweiligen Alkanol-Molekülen können sich aufgrund der Hydroxy-Gruppe Wasserstoff-Brücken ausbilden. Diese Wasserstoff-Brücken wirken als zwischenmolekulare Kräfte bzw. Wechselwirkungen und beeinflussen hierdurch u.a. die Schmelz- und Siedetemperaturen der Stoffe. Zwischen den Alkyl-Rest herrschen hingegen Van-der-Waals-Kräfte. Diese sind deutlich schwächer als die Wechselwirkungen, die aufgrund von Wasserstoff-Brücken enstehen.

Beide Kräfte bzw. Wechselwirkungen dürfen nicht gleichgesetzt werden mit Bindungen, die zwischen Atomen bzw. innerhalb von Molekülen wirken. Sowohl Wasserstoff-Brücken als auch Van-der-Waals-Kräfte wirken zwischen Molekülen.

Aufgrund der Hydroxy-Gruppe können sich in hydrophilen Lösungsmitteln (z.B. Wasser) Wasserstoff-Brücken ausbilden. Dies erklärt die sehr gute Mischbarkeit von z.B. Methanol in Wasser. Je länger der Alkyl-Rest wird, desto stärker wird der lipophile bzw. hydrophobe Einfluss bezogen auf das gesamte Molekül. Daher nimmt bspw. die Löslichkeit in hydrophilen Lösungsmitteln mit zunehmender Anzahl an Kohlenstoff-Atomen ab, die Löslichkeit in lipophilen Lösungsmitteln hingegen zu.

Aufgaben

Aufgabe 01.1: Zeichne die Strukturformeln der folgenden Alkanole:

• 4-Methylpentan-1-ol
• 2,2-Dimethylbutan-1-ol
• 3-Ethyl-2,6-dimethylheptan-1-ol
• 3-Ethyl-2-methylpentan-2-ol

Aufgabe 01.2: Benenne die folgende Verbindung korrekt.