Właściwości chemiczne alkoholi i fenoli

Alkohole i fenole, Chemia organiczna

1. Właściwości alkoholi i fenoli

Omówiliśmy już alkohole i fenole, wiemy czym są i czym się różnią, potrafimy także je nazwać. Co istotne, mówiliśmy sobie, że te związki to właściwie nic innego jak organiczne pochodne cząsteczki wody.

Więc o ile znamy właściwości wody, to będziemy w stanie wykminić właściwości alkoholi oraz fenoli. Zobaczmy to w tabeli.

Cecha charakterystyczna	Woda (H₂O)	Alkohole i fenole
Budowa przestrzenna	Hybrydyzacja tlenu to sp³,kąt pomiędzy wiązaniami to 104,5°	Hybrydyzacja tlenu to sp³,kąt pomiędzy wiązaniami to około 109°
Wiązania wodorowe	Pomiędzy cząsteczkami wody w stanie ciekłym występują wiązania wodorowe.	Tu również będą występować wiązania wodorowe między cz.alkoholi/fenoli w stanie ciekłym.
Temperatura wrzenia	Obecność wiązań wodorowych przekłada się na wyższą temperaturę wrzenia.	Obecność wiązań wodorowych przekłada się na wyższą temperaturę wrzenia.
Właściwości kwasowo−zasadowe	Może zachowywać się jak kwas lub zasada Bronsteda.	Alkohole mogą zachowywać się jak kwas lub zasada Bronsteda. Fenole są słabo kwasowe.
Polarność/ rozpuszczalność	Polarna cząsteczka,świetny rozpuszczalnik.	Polarne cząsteczki, rozpuszczalne w wodzie, chyba że mają długi łańcuch węglowy.

Porównanie właściwości wody z alkoholami (i fenolami)

Zaczynamy od początku, po kolei :

➦ Hybrydyzacja sp³ oznacza, że grupy elektronowe układają się w kształt tetraedru. Pamiętajmy, że w tlenie, o którym mowa mamy dwie wolne pary elektronowe oraz dwa wiązania, więc na pewno nie będziemy mówić o budowie tetraedrycznej. Kąt natomiast jest zbliżony do 109° , czyli idealnego kąta tetraedrycznego. Różnice w wartościach kątów pomiędzy alkohalmi a wodą wyniką z obecności podstawnika ,,R” obecnego w alkoholach.

➦ Cząsteczka wody swoje unikalne właściwości zawdzięcza m.in wiązaniom wodorowym. W końcu mamy tam mocno elektroujemny pierwiastek (tlen) połączony z wodorem. Zatem dwie cząsteczki H₂O mogą się łączyć ze sobą (wiązania międzycząsteczkowe) właśnie przy użyciu wiązania wodorowego. W alkoholach i fenolach jest tak samo, ponieważ także jest tam obecne ugrupowanie −OH (na schemacie nie pokazano fenoli, ale dla nich jest tak samo oczywiście).

Wiązania wodorowe tworzą się tak samo pomiędzy cząsteczkami wody jak i pomiędzy cząsteczkami alkoholi (również fenoli, nie pokazanych na schemacie).

➦ Temperatura wrzenia (T_wrz) jest oczywiście powiązana z obecnością wiązań wodorowych. Im więcej wiązań trzyma cząsteczki ze sobą, tym ciężej je rozdzielić, a więc musimy bardziej dowalić do pieca, żeby przeprowadzić ciekłą wodę czy ciekłe alkohole w stan gazowy. Przykładowo etan będzie miał niższą T_wrz niż etanol, bo w cząsteczce etanu nie będzie wiązań wodorowych.

➦ Cząsteczki alkoholi będą podobnie jak woda polarne, chyba że do grupy ーOH będzie przyłączony naprawdę długi łańcuch węglowodorowy, który z kolei jak wiemy już nie jest polarny. Jako że podobne rozpuszcza się w podobnym, to etanol będzie rozpuszczalny w wodzie, natomiast etan już nie.

➦ Właściwości kwasowo−zasadowe. Jako że woda jest obojętna to podobnie wodny roztwór alkoholu będzie miały odczyn obojętny. Fenole natomiast mają lekko kwasowy charakter (to bardzo ważna różnica jeśli chodzi o alkohole vs. fenole!).

Zacznijmy od przypomnienia dysocjacji wody :

H₂O ⇄ H⁺ + OH^ー

Analogicznie będą dysocjowały (a więc w bardzo słabym stopniu) alkohole i fenole, o czym pisaliśmy już wcześniej. Poniżej na przykładzie metanu (CH₃OH) oraz fenolu (C₆H₅OH) :

CH₃OH ⇄ CH₃O^ー + H⁺ C₆H₅OH ⇄ C₆H₅O^ー + H⁺

No i teraz uwaga, uwaga, będę krzyczał! Bo to musi naprawdę dobrze wybrzmieć, ponieważ nie jestem w stanie zliczyć jak często popełniacie ten błąd, z olimpijczykami na czele!

Alkohole to nie są ,,organiczne wodorotlenki” i nie dysocjują na jony OH^ー !
Weź to sobie wbij do głowy, błagam!

I ok, ja przyznaję − tak może się wydawać, zwłaszcza że mówiliśmy o tym, że alkohole to pochodne wody, a przecież ona też dysocjuje z utworzeniem jonu hydroksylowego OH^ー . Ale na szczęście da się to wytłumaczyć, dlaczego alkohole dysocjują właśnie w taki sposób.

Czemu alkohole nie dysocjują z utworzeniem jonu OH ^ー , analogicznie jak wodorotlenki ?

Można do tego podejść jeszcze w inny sposób, jakkolwiek to zrobisz, po prostu to zapamiętaj!

Sposób w jaki dysocjują alkohole można wytłumaczyć na wiele sposobów.

No dobrze, na razie skupiliśmy się na kwasowych właściwościach, natomiast skoro alkohole są pochodnymi wody, to powinny być amfoteryczne, a więc reagować zarówno z kwasami jak i zasadami. I faktycznie, alkohole ulegają działaniu mocnych kwasów, co prowadzi ostatecznie do odejścia z nich cząsteczki wody (dehydratacja).

CH₃CH₂OH $\displaystyle \xrightarrow{H_{2}SO_{4}}$ CH₂=CH₂ + H₂O

Kwas siarkowy pełni tutaj rolę katalizatora, jednak reakcja opiera się właśnie na tym, że alkohol reaguje z kwasem!

2. Czym się różnią alkohole i fenole ?

Różnice pomiędzy fenolami i alkoholami zestawimy dla wygody w tabeli.

Alkohole	Fenole
Są obojętne.	Mają właściwości słabo kwasowe. Są milion razy bardziej kwasowe niż alkohole!
Nie reagują z NaOH^[1]	Reagują z NaOH i dlatego są w nim rozpuszczalne (to metoda wydzielenia fenoli z mieszaniny^[2] !)
Mają grupę ーOH przyłączoną do nasyconego atomu węgla (o hybrydyzacji sp³)	Mają grupę ーOH przyłączoną bezpośrednio do pierścienia benzenu (aromatycznego)
W reakcji z chlorkiem żelaza (III) brak zmian (obserwacji)	Reagują z FeCl₃ z utworzeniem kompleksu o charakterystycznym zabarwieniu.

Porównanie alkoholi i fenoli

3. Próba z chlorkiem żelaza(III) do odróżniania fenoli

Próba ta jest dość podobna do reakcji wodorotlenku miedzi(II) z glikolem etylenowym (ogólnie : alkoholem, który zawiera wiele grup hydroksylowych). Oto doświadczenie pozwalające zidentyfikować fenol, czyli próba z chlorkiem żelaza(III)

Doświadczenie pozwalające zidentyfikować fenol, czyli próba z chlorkiem żelaza (III)

Równanie reakcji jest dodatkowe, nie trzeba go umieć, ponieważ wykracza ponad maturę. Co jednak istotne, to żeby jakoś wybitnie nie przywiązywać się do barwy powstającego kompleksu żelaza z fenolem, ponieważ jego barwa może być naprawdę różna. Z reguły jednak pisze się : fioletowe zabarwienie.

^[1]Reagują, ale w bardzo małym (zwykle zaniedbywalnym) stopniu.

^[2]Czas na takie średnio przyjemnie zadanie maturalne (2018 czerwiec − poziom rozszerzony), bym powiedział. Spójrzmy :

Po pierwsze zauważcie, że zarówno fenol jak i alkohol benzylowy średnio rozpuszczają się w wodzie (wymaga to ogrzania, natomiast w temperaturze pokojowej mamy mętnienie/emulsję). To dlatego, że mamy duży, niepolarny fragment dołączony do grupy OH, która w nim ,,tonie”.

W probówce I mamy fenol, w probówce II jest zwykły alkohol. Żaden z nich nie reaguje z kwasem, więc nawet przez wykluczenie jedyną sensowną odpowiedzią jest NaOH. Z wodorotlenkiem będzie reagował tylko fenol, w wyniku czego powstanie sól, czyli związek jonowy, który dobrze rozpuszcza się w wodzie.Równanie reakcji :

C₆H₅OH + NaOH ⟶ C₆H₅ONa + H₂O

Zwróć uwagę, że faktycznie wiązanie kowalencyjne spolaryzowane (OーH) zmienia się w wiązanie jonowe ( OーNa ), co pociąga za sobą zmianę rozpuszczalności w wodzie.