1. Alkohole polihydroksylowe

Poznaliśmy już alkohole, dziś natomiast zajmiemy się ich specjalną grupą, którą nazywa się alkohole polihydroksylowe. Zwróć uwagę jak pięknie logiczna jest ta nazwa. Poli oznacza oczywiście wiele (jak poligamia = wiele żon), a hydroksy przedstawia nam doskonale już znaną grupę hydroksylową, czyli ーOH.

Na maturę potrzebujemy znać trzy takie alkohole w takim sensie, że niestety musimy nauczyć się ich nazw własnych.

Na niebiesko nazwa własna (zwyczajowa) alkoholi, natomiast na dole nazwa systematyczna (zgodna z IUPAC).

Alkohole te będą zachowywać się w większości dość podobnie do zwykłych alkoholi (z jedną grupą hydroksylową), a więc np. też będą reagowały z sodem czy z kwasami karboksylowymi (reakcja estryfikacji). Jest jednak pewna bardzo ważna różnica, dzięki której można rozróżnić alkohole polihydroksylowe od monohydroksylowych (mono, czyli zawierających jedną grupę hydroksylową).

Dwie grupy ーOH znajdujące się obok siebie mają ,,magiczne właściwości”. Pamiętajmy, że każdy atom tlenu ma wolną parę elektronową (a nawet dwie, ale aż tyle nam nie potrzeba). Zatem skoro jej nie używa, to mógłby ją oddać na zasadzie wiązania koordynacyjnego, tworząc związek kompleksowy. Jeśli taka reakcja wiązałaby się jeszcze z jakimiś naocznymi obserwacjami (zmiana koloru, rozpuszczenie osadu) to byłoby fenomenalnie. I okazuje się, że taka właśnie jest!

2. Próba z wodorotlenkiem miedzi(II)

Wodorotlenek miedzi(II) to jest maturalny koszmar, bo dzierży on pierwszeństwo, jeśli chodzi o liczbę prób jakościowych w chemii organicznej, w której jest on zamieszany! Próby jakościowe to takie reakcje, które pozwalają na identyfikację jakiegoś elementu budowy cząsteczki. Poznaliśmy już coś takiego przy alkenach, gdzie mieliśmy odbarwianie wody bromowej i manganianu(VII) potasu.

Cu(OH)₂ to był niebieski, galaretowaty osad. Rozpuszcza się on po dodaniu etano−1,2−diolu, czyli przykładowego alkoholu polihydroksylowego! Rozpuszczanie to wiąże się z utworzeniem związku kompleksowego. Jak pamiętasz, w związkach kompleksowych chodziło o to, że jakiś atom pożycza swoją wolną parę elektronową drugiemu atomowi. Tutaj mamy sytuację, w której wolna para elektronowa z tlenu oddaje te elektrony miedzi.

A oto, jak będzie wyglądał schemat doświadczenia, którego celem jest identyfikacja alkoholu wielowodorotlenowego. Typowo w drugiej probówce znajdzie się zwykły alkohol monohydroksylowy czy fenol albo jakiś kompletnie inny związek np. alken. Wówczas tylko w naszym polialkoholu coś się wydarzy, natomiast dla pozostałych probówek nie będziemy obserwować żadnych zmian.

O równania reakcji pytań nigdy nie było, ponieważ to raczej wykracza poza maturalne ramy, bo jeśli chodzi o związki kompleksowe, to obowiązują one raczej tylko w chemii nieorganicznej (wodorotlenki amfoteryczne). Obok wklejam maturalny przykład obserwacji w tym doświadczeniu :

3. Reakcja z nadmanganianem potasu

W maturalnych wymaganiach jest także wyszczególniona reakcja alkoholi polihydroksylowych z manganianem(VII) potasu w środowisku kwaśnym. No to cóż, robimy!

Reakcje alkoholi monohydroksylowych już omawialiśmy, ale zapisywaliśmy wtedy sam schemat reakcji, bez redoksowego bilansu. Dlatego teraz też to zrobimy. Przy okazji to przećwiczmy, bo dawno tego nie robiliśmy! Zbilansujmy następującą reakcję :

CH₃CH₂OH + MnO₄^ー + H⁺ ⟶ CH₃COOH + Mn²⁺ + H₂O

Krok 1 − Rozdziel reakcję redoks na dwie reakcje połówkowe : utlenienia oraz redukcji.

Widzimy, że węgiel się utlenia, a mangan się redukuje, zatem piszemy :

(redukcja) :  MnO₄^ー  ⟶ Mn²⁺

(utlenianie) :  CH₃CH₂OH ⟶ CH₃COOH

Krok 2 − Zbilansuj atomy, które ulegają utlenieniu/redukcji.

MnO₄^ー  ⟶ Mn²⁺

CH₃CH₂OH ⟶ CH₃COOH

Krok 3 − Zbilansuj atomy tlenu, dodając po lewej lub prawej stronie H₂O

MnO₄^ー  ⟶ Mn²⁺ + 4H₂O

CH₃CH₂OH + H₂O ⟶ CH₃COOH

Krok 4 − Zbilansuj atomy wodoru, dodając po lewej lub prawej stronie H⁺

MnO₄^ー +  8H⁺ ⟶ Mn²⁺ + 4H₂O  CH₃CH₂OH + H₂O ⟶ CH₃COOH + 4H⁺

Krok 5 − Zbilansuj ładunek reakcji dodając po lewej lub prawej stronie elektrony e^ー

MnO₄^ー +  8H⁺  + 5e^ー ⟶ Mn²⁺ + 4H₂O 

CH₃CH₂OH + H₂O ⟶ CH₃COOH + 4H⁺ + 4e^ー

Komentarz : W pierwszej reakcji łączny ładunek po lewej stronie wynosi teraz : −1 + 8 • 1 + 5 • ( − 1) = 2 , a po prawej również wynosi on 2. W drugiej reakcji po lewej mamy ładunek zero, po prawej również wynosi on 0 = 4 • 1 + 4 • (− 1 )

Krok 6 − Pomnóż obie reakcje połówkowe przez takie liczby, żeby ilość elektronów w obu reakcjach połówkowych była taka sama.

MnO₄^ー +  8H⁺  + 5e^ー ⟶ Mn²⁺ + 4H₂O / • 4

CH₃CH₂OH + H₂O ⟶ CH₃COOH + 4H⁺ + 4e^ー  / • 5

Krok 7 − Dodaj do siebie obie reakcje połówkowe : substraty do substratów, produkty do produktów.

Krok 8 oraz 9 − pomijamy, ponieważ reakcja nie jest prowadzona w środowisku zasadowym. Krok 10 − Sprawdź wszystko!

A teraz czas na reakcję alkoholu polihydroksylowego z KMnO₄ w środowisku kwaśnym.

HOCH₂CH₂OH + MnO₄^ー + H⁺ ⟶ HOOCCOOH + Mn²⁺ + H₂O

Krok 1 − Rozdziel reakcję redoks na dwie reakcje połówkowe : utlenienia oraz redukcji.

Widzimy, że węgiel się utlenia, a mangan się redukuje, zatem piszemy :

(redukcja) :  MnO₄^ー  ⟶ Mn²⁺

(utlenianie) :  HOCH₂CH₂OH  ⟶ HOOCCOOH

Krok 2 − Zbilansuj atomy, które ulegają utlenieniu/redukcji.

MnO₄^ー  ⟶ Mn²⁺

HOCH₂CH₂OH ⟶ HOOCCOOH

Krok 3 − Zbilansuj atomy tlenu, dodając po lewej lub prawej stronie H₂O

MnO₄^ー  ⟶ Mn²⁺ + 4H₂O

HOCH₂CH₂OH + 2H₂O  ⟶ HOOCCOOH

Krok 4 − Zbilansuj atomy wodoru, dodając po lewej lub prawej stronie H⁺

MnO₄^ー +  8H⁺ ⟶ Mn²⁺ + 4H₂O 

HOCH₂CH₂OH + 2H₂O  ⟶ HOOCCOOH + 8H⁺

Krok 5 − Zbilansuj ładunek reakcji dodając po lewej lub prawej stronie elektrony e^ー

MnO₄^ー +  8H⁺  + 5e^ー ⟶ Mn²⁺ + 4H₂O 

HOCH₂CH₂OH + 2H₂O  ⟶ HOOCCOOH + 8H⁺ + 8e^ー

Komentarz : W pierwszej reakcji łączny ładunek po lewej stronie wynosi teraz : −1 + 8 • 1 + 5 • ( − 1) = 2 , a po prawej również wynosi on 2. W drugiej reakcji po lewej mamy ładunek zero, po prawej również wynosi on 0 = 8 • 1 + 8 • (− 1 )

Krok 6 − Pomnóż obie reakcje połówkowe przez takie liczby, żeby ilość elektronów w obu reakcjach połówkowych była taka sama.

MnO₄^ー +  8H⁺  + 5e^ー⟶ Mn²⁺ + 4H₂O / • 8

HOCH₂CH₂OH + 2H₂O  ⟶ HOOCCOOH + 8H⁺ + 8e^ー / • 5

Krok 7 − Dodaj do siebie obie reakcje połówkowe : substraty do substratów, produkty do produktów.

Krok 8 oraz 9 − pomijamy, ponieważ reakcja nie jest prowadzona w środowisku zasadowym.

Krok 10 − Sprawdź wszystko!

5HOCH₂CH₂OH + 8MnO₄^ー + 24H⁺ ⟶ 5HOOCCOOH + 8Mn²⁺ + 22H₂O