Alkoholi in vodikove vezi

1. Alkoholi in vodikove vezi Primerjava alkoholov in alkanov z enakim številom C atomov nam pove, da: • imajo alkoholi višje temperature vrelišča kot alkani s podobno molekulsko maso • so alkoholi veliko bolj topni v vodi kot alkani s podobno molekulsko maso Razlike v fizikalnih lastnostih so posledica tvorbe vodikovih vezi. Vodikove vezi se lahko tvorijo zaradi prisotnosti hidroksilne skupine, ki je alkani nimajo. H-vezi med molekulami alkohola so podobne H-vezem med molekulami vode.

2. Potrebujemo dodatno energijo, da pretrgamo H-vezi med molekulami alkohola, preden lahko molekule zapustijo tekočo fazo in preidejo v plinasto agregatno stanje  Tvrelišča so višje

3. H-vezi se tvorijo tudi med molekulami vode in alkohola, kar omogoča topnost manjših molekul alkohola v vodi. Z daljšanjem C verige, alkohol postaja vse bolj podoben alkanom (nepolarni del prevlada), zato so netopni v vodi.

4. Vrsta spojine Spojina Molekulska masa [g/mol] Tvrelišča [C] Topnost v vodi alkan alkohol etan metanol 30 32 -89 65 Slabo topen Neomejena topnost alkan alkohol propan etanol 44 46 -42 78 Slabo topen Neomejena topnost alkan alkohol alkohol butan 1-propanol 2-propanol 58 60 60 -1 97 83 Slabo topen Neomejena topnost Neomejena topnost Primerjava fizikalnih lastnosti alkoholov in alkanov

5. Priprava alkoholov • Hidracija alkenov (alkeni reagirajo z vodo, poteče asimetrična adicija ob prisotnosti katalizatorja) Eten + H2O  etanol katalizator H2SO4 • Druga metoda pa je adicija vodika (H2) na karbonilno skupino (dvojna vez med C in O)

6. Dvojna vez med C in O pri adiciji vodika se obnaša podobno kot dvojna vez med dvema C atomoma.

7. Reakcije alkoholov Najbolj značilne reakcije alkoholov so: • Gorenje • Dehidracija • Oksidacija • Halogeniranje

8. Gorenje • Podobno kot ogljikovodiki tudi alkoholi na zraku zgorijo do CO2 in H2O. • Metanol se uporablja kot gorivo pri avtomobilih.

9. Intramolekularna dehidracija alkoholov • Dehidracijska reakcija je kemijska reakcija, pri kateri se iz ene same molekule ali iz dveh molekul pri eni kemijski reakciji odcepi molekula vode (oziroma njeni komponenti: H in OH). • Intramolekularna dehidracija je reakcija, pri kateri se molekula vode odcepi z ene same molekule. •  Dehidracija pri alkoholih poteka pri povišani temperaturi in ob prisotnosti H2SO4 kot katalizatorja. • Produkt dehidracije je alken.

11. Intramolekularna dehidracija je reakcija eliminacije (od prej poznamo adicijo in subsitucijo). • Eliminacija je reakcija, pri kateri se dva atoma (ali dve skupini) odcepita s sosednjih C atomov, pri čemer nastane dvojna vez.

12. Pri dehidraciji alkoholov, kjer je –OH skupina vezana na C atom, ki ima za soseda 2 C atoma, nastaja več različnih produktov.

13. V živih organizmih prihaja pogosto do reakcije dehidracije alkoholov. Pri tem pa sodelujejo encimi kot katalizatorji, reakcija poteka pri telesni temperaturi. •  Eliminacija je obratna adicijski reakciji. • To pomeni, da je večina organskih reakcij reverzibilnih (potekajo v obe smeri), odvisno od pogojev.

14. Intermolekularna dehidracija alkoholov • Pri nižji temperaturi (140 C) pride do intermolekularne dehidracije alkoholov, pri čemer nastaja eter. • Pri tem reagirata dve molekuli alkohola, pri čemer se odcepi H iz ene molekule in OH iz druge molekule. • Pri tem nastaja vez R-O-R. • Na ta način reagirajo predvsem primarni alkoholi. • Tako reakcijo imenujemo kondenzacija. Kondenzacija je reakcija, pri kateri reagirata dve molekuli, pri čemer se odcepi manjša molekula, ponavadi voda. • V našem primeru reagirata dve molekuli alkohola, pri čemer se odcepi voda.

15. Oksidacija • Spomnimo se oksidacijsko-redukcijskih reakcij iz splošne kemije (oksidacijska števila). • V organski kemiji ne uporabljamo oksidacijskih števil, ker je to preveč zapleteno, molekula vsebuje preveč C in H atomov. • V organski kemiji uporabljamo naslednja pravila: • Ogljikov atom v organski molekuli se oksidira, če izgubi vodikov atom ali se veže s kisikovim atomom v redoks reakciji. • Ogljikov atom v organski molekuli se reducira, če se veže z vodikovim atomom ali izgubi kisikov atom v redoks reakciji.

16. Oksidacija in redukcija sta obratna procesa. • Nekateri alkoholi se lahko oksidirajo s šibkimi oksidanti, nekateri pa se s šibkimi oksidanti ne oksidirajo. To lahko napovemo iz strukture alkohola. Alkohole uvrščamo med: • Primarne • Sekundarne • Terciarne Poimenovanje je odvisno od tega, na kateri C atom je vezana hidroksilna skupina.

17. Primarni alkohol je tisti, pri katerem je –OH skupina vezana na tak C atom, na katerega je vezan samo en C atom. • Sekundarni alkohol je tisti, pri katerem je –OH skupina vezana na tak C atom, na katerega sta vezana dva C atoma. • Terciarni alkohol je tisti, pri katerem je –OH skupina vezana na tak C atom, na katerega so vezani trije C atomi.

18. Metanol ne sodi v nobeno skupino, a ga uvrščamo med primarne, ker je podobno reaktiven kot primarni alkoholi. • Primarni in sekundarni alkoholi se zlahka oksidirajo s šibkimi oksidanti, terciarni pa ne. • Pri oksidaciji primarnih in sekundarnih alkoholov nastaja dvojna vez med C in O atomoma (aldehid, keton, karboksilna kislina) • Šibki oksidanti: kalijev permanganat (KMnO4), kalijev bikromat (K2Cr2O7), kromova kislina (H2CrO4).

19. Pri oksidaciji primarnega in sekundarnega alkohola se odstranita dva H atoma, ki reagirata s kisikom, pri čemer nastaja H2O. • Pri oksidaciji primarnega alkohola nastajajo aldehidi, ki se ponavadi oksidirajo naprej do karboksilne kisline.. • Pri oksidaciji sekundarnega alkohola nastajajo ketoni. • Etanol  etanal  etanojska kislina

20. 2-propanol  propanon • Tudi pri oksidaciji sekundarnih alkoholov pride do tvorbe dvojne vezi med C in O atomom, pri čemer se odcepita dva H atoma. Pri tem pa ne poteče nadaljnja oksidacija do karboksilne kisline. • Terciarni alkoholi pa se ne oksidirajo s šibkimi oksidanti, ker na C atomu nimajo vezanega nobenega H atoma.

21. Alko test • Oksidacijska reakcija je osnova »alko testa«. Etanol + Cr2O72- etanojska kislina + Cr3+ (zelene barve) • Čimveč etanola je prisotnega v izdihanem zraku, tem več Cr3+ nastaja in tem bolj intenzivne zelene barve je raztopina.

22. Halogeniranje • Pri alkoholih poteka halogeniranje kot substitucija, pri čemer se halogen zamenja s hidroksilno skupino. Pri tem pa nastaja alkilhalid.

23. Polimerni alkoholi • Sintetiziramo lahko polimerne alkohole s podobnimi strukturami kot jih imajo substituirani polietileni. • Najenostavnejša sta poli(vinilalkohol) (PVA) in poli(etilenglikol) (PEG). • PVA je trden bel polimer, ki je odporen na organska topila, raztaplja pa se v vodi. • Vodne raztopine PEG so zelo viskozne, ker se zelo dobro raztaplja v vodi. Uporablja se kot dodatek v šampone, da so bolj viskozni.

24. Strukturne lastnosti fenolov • Fenoli so organske spojine, pri katerih je hidroksilna skupina vezana na C atom aromatskega obroča.

25. Splošno formulo fenola lahko zapišemo tudi kot Ar-OH, kjer Ar- predstavlja arilno skupino. Arilna skupina je aromatski ciklični sistem, iz katerega je odstranjen en H atom. • Kemijske reakcije fenolov so precej drugačne kot kemijske reakcije ostalih alkoholov. • Nekaj predstavnikov fenolov:

26. Poimenovanje fenolov • Poimenovanje je podobno kot pri poimenovanju spojin z benzenskim obročem. Osnovno ime je fenol (fenil-, -ol) • Hidroksilna skupina na benzenskem obroču fenola ima vedno številko 1. Primeri: • 3-klorofenol (m-klorofenol) • 4-etil-2-metilfenol • 2,5-dibromofenol

27. Za določene derivate fenola se uporablja privzeta imena: • Krezol je metilni derivat fenola. • Trije hidroksifenoli pa imajo tri različna domača imena.

28. Fizikalne lastnosti fenolov • Fenoli so trdne snovi z nizkimi tališči ali oljne tekočine pri sobni temperaturi. • Večinoma so le slabo topni v vodi. • Veliko fenolov deluje antiseptično in dezinfekcijsko. • Najenostavnejši fenol je brezbarvna trdna snov z »bolnišničnim« vonjem. • Temperatura tališča je 41 C in je bolj topen v vodi kot večina ostalih fenolnih spojin.

29. Kemijske lastnosti fenolov Primerjava kemijskih reakcij med fenoli in ostalimi alkoholi: • Oboji so vnetljivi. • Dehidracija poteče le pri alkoholih, pri fenolih pa ne. • Primarni in sekundarni alkoholi se oksidirajo s šibkimi oksidanti, terciarni alkoholi in fenoli pa ne. Fenole lahko oksidiramo z močnejšimi oksidanti. • Pri obeh skupinah spojin lahko izvedemo halogeniranje, pri čemer se hidroksilna skupina zamenja s halogenom.

30. Kislost fenolov • Ena najpomembnejša lastnost fenolov je njihova kislost. V nasprotju z alkoholi, so fenoli šibke kisline v vodnih raztopinah. • Njihove Ka so okrog 10-10, kar je manj, kot so vrednosti za večino anorganskih kislin. • Reakcija z bazo NaOH

31. Viri in uporaba fenolov • Razredčena (2 %) raztopina fenola se je dolgo uporabljala kot razkužilo. Koncentrirana raztopina fenola pa lahko povzroči hude opekline na koži. • Danes je fenol v glavnem zamenjal bolj učinkovit derivat fenola 4-heksilresorcinol. • Derivata fenola o-fenilfenol in 2-benzil-4-klorofenol se uporabljata za dezinfekcijo sten, tal in pohištva doma in v bolnišnicah. 

32. Veliko število fenolov ima antioksidacijske lastnosti. Antioksidant je spojina, ki ščiti druge spojine pred oksidacijo na ta način, da se sama oksidira. • Antioksidant se lažje oksidira od spojine, ki jo na ta način zaščiti pred oksidacijo. • Veliko prehranskih proizvodov je ravno na ta način zaščitena pred nezaželeno oksidacijo (fenolni dodatki). • V naravi se pojavlja naravni fenolni antioksidant vitamin E.

33. Veliko fenolnih spojin, ki se nahajajo v rastlinah, uporabljamo kot ojačevalce okusa in/ali antibakterijska sredstva. • Predstavniki so: timol, evgenol, izoeugenol, vanilin

34. Timol ima tako lastnosti ojačevalcev okusov kot antibakterične lastnosti, zato se uporablja kot sestavina nekaterih zobnih past. • Evgenol je odgovoren za okus po nageljnovih žbicah (klinčki). Zobozdravniki so ga v preteklosti uporabljali kot antiseptik, deloma se uporablja tudi danes. • Izoevgenol je odgovoren za značilni volj muškatnega oreščka. • Vanilin daje značilni vonj po vaniliji. Ekstrahirajo ga iz posušenih strokov vanilije. • Ker pa naravni viri ne zadostujejo potrebam, vanilin proizvajajo tudi sintetično z oksidacijo evgenola.

35. Strukturne značilnosti etrov • Eter je organska spojina, pri kateri je kisikov atom z enojnima vezema vezan na dva ogljikova atoma. Ogljikova atoma sta lahko del alkilne, cikloalkilne ali arilne skupine. • Skupini, vezani na kisikov atom, sta lahko enaki (prva spojina), ni pa nujno (drugi dve spojini).

36. Vsi etri vsebujejo C-O-C skupino, ki je funkcionalnaskupina etrov. Splošne formule etrov so lahko naslednje: • R-O-R • R-O-R` • R-O-Ar • Ar-O-Ar

37. Strukturno lahko govorimo o etrih kot o derivatih vode, kjer sta oba vodikova atoma zamenjana z alkilno (ali arilno) skupino. • H-O-H R-O-R

38. Alkoholi in etri z enakim številom C atomov in enako stopnjo nasičenosti imajo enako molekulsko formulo. To pomeni, da so strukturi izomeri. • Primer: C3H8O

39. Poimenovanje etrov • Posebej poimenujemo ogljikovodikovi skupini, vezani na funkcionalno skupino ter dodamo besedo eter. • Ogljikovodikovi skupini razvrstimo po abecednem vrstnem redu. • Če sta ogljikovodikovi skupini enaki, dodamo predpono di-. • To je poimenovanje z domačimi imeni, ne po IUPAC nomenklaturi.   • Spojine, ki imajo etrsko skupino, se pojavljajo v mnogih rastlinah. Fenolne spojine eugenol, izoeugenol in vanilin so tudi eterske spojine

40. Etri kot anestetiki Etre povezujemo z anestezijo. Predvsem v preteklosti se je dietil eter uporabljal v te namene. Prvič ga je uporabil zobozdravnik William Morton leta 1864. Dietil eter je v mnogih pogledih idealen anestetik: • Relativno lahko ga pridobivamo v čisti obliki. • Povzroča odlično relaksacijo mišic. • Majhna možnost prevelikega odmerka, saj je velika razlika med tisto koncentracijo dietiletra, ki povzroča anestezijo, in smrtno dozo. Kljub temu pa se danes dietil eter le redko uporablja kot anestetik zaradi dveh slabosti: • Povzroča slabost in draženje dihalnih organov. • Je zelo vnetljiv in tvori z zrakom eksplozivno mešanico.

41. Leta 1930 so odkrili nov anestetik (ciklopropan), ki je odpravil glavobole in draženje dihalnih poti, bil pa je še vedno zelo vnetljiv. • Šele konec 50. let in v začetku 60. let prejšnjega stoletja so odkrili nevnetljive anestetike. Najpogosteje se uporabljajo: enfluran, izofluran in halotan. • Enfluran in izofluran sta strukturna izomera in sta heksahalogenirana etra.

42. S tema dvema spojinama lahko anestezijo dosežemo v manj kot 10 minutah pri koncentraciji 3 % v kisiku. • Halotan pa ni derivat etra, ampak heksahalogenirani etan.

43. Vrsta spojine Spojina M [g/mol] Tvrelišča [C] Alkan Pentan 72 36 Eter Dietileter 74 35 Alkohol Butanol 74 117 Fizikalne lastnosti etrov • Temperature vrelišča etrov so podobne temperaturam vrelišča alkanov s podobno molsko maso in mnogo nižja od temperatur vrelišča alkoholov z enako molsko maso. • Višja temperatura vrelišča alkohola je posledica tvorbe vodikovih vezi med molekulami alkohola. • Molekule etra pa se med seboj ne morejo povezovati z vodikovimi vezmi, ker na kisik ni vezanega vodikovega atoma.

44. Etri pa so bolj topni v vodi kot alkani, saj so sposobni tvoriti vodikove vezi z vodo. Njihova topnost je podobna kot topnost alkoholov z enako molsko maso. Etri lahko tvorijo vodikove vezi tudi z alkoholi, zato se mešajo v vseh razmerjih. • Nepolarne snovi se lažje raztapljajo v etrih kot v alkoholih, saj ni prisotnih vodikovih vezi, ki jih je pri raztapljanju potrebno prekiniti.

45. Kemijske lastnosti etrov Dve kemijske lastnosti etrov sta zelo pomembni: • Etri so vnetljivi, zato je potrebno biti zelo pazljiv pri delu z njimi. • Etri počasi reagirajo s kisikom iz zraka, pri čemer nastajajo nestabilni hidroperoksidi in peroksidi. Ti dve spojini sta zelo eksplozivni, zato je potrebno biti zelo pozoren pri skladiščenji etrov. • Etri ne reagirajo s kislinami, bazami in oksidanti, tako kot alkani pa se halogenirajo. • Prav zaradi nereaktivnosti etrov in glede na to, da je večina organskih spojin topnih v njih, so etri odlična organska topila, v katerih potekajo organske kemijske reakcije. • Glede na to, da so zelo hlapni, jih po končani reakciji zlahka odstranimo iz sistema. • Etre pridobivamo z intermolekularno dehidracijo alkoholov.

46. Ciklični etri • Ciklični etri vsebujejo etrsko skupino kot del obročnega sistema. • Etilen oksid uporabljajo v velikih količinah pri industrijskih kemijskih procesih. • THF je zelo uporabno organsko topilo, v katerem se raztaplja veliko organskih spojin, istočasno pa se dobro meša z vodo. • Pri ogljikovih hidratih se bomo srečali s cikličnimi strukturami, ki so polihidroksi derivati petčlenskih (furan) in šestčlenskih (piran) etrskih spojin. Takim ogljikovim hidratom rečemo furanoze in piranoze. • Vitamin E in THC (aktivna snov marihuane) vsebujeta strukturo, v kateri je prisoten ciklični eter.

47. Marihuana: najbolj razširejna prepovedana droga • Drogo pripravljajo iz listov, cvetov, semen in mladih stebel rastline Cannabis sativa (marihuana, trava). • Najbolj aktivna substanca marihuane je spojina tetrahidrokanibinol (THC). Ta vsebuje tri različne funkcionalne skupine: fenol, ciklični eter, cikloalken.

48. Vsebnosti te spojine v rastlini se gibljejo med 1-2 % • THC z lahkoto vstopa v možgane in povzroča kratkotrajno izgubo spomina, zmanjša sposobnost upravljanja z motornimi vozili, prehaja preko posteljice na zarodek. • Povzroča bronhitis, pekoče grlo, vnetje sinusov. Srčni utrip lahko naraste na 160 udarcev na minuto. • Učinek marihuane se pojavi takoj po kajenju, najvišja koncentracija v krvi se pojavi med 10 in 30 minutami po uporabi. Učinek najpogosteje izgine po dveh do treh urah. • Ker je THC nepolarna molekula (se ne topi v vodi), se shranjuje v maščobnem tkivu. • THC lahko v krvi določimo še po nekaj dneh, njegove produkte pa tudi do 8 dni po zaužitju. • Lahko se pojavi zasvojenost.

49. Prvič smo se srečali s heterocikličnimi organskimi spojinami. Heterociklična organska spojina ima enega ali več C atomov v ciklični strukturi zamenjanega z drugim atomom (ponavadi O ali N).

50. Žveplovi analogi alkoholov in etrov • Mnogo organskih spojin, ki vsebujejo kisik, imajo žveplove analoge, v katerih je kisik zamenjan z žveplovim atomom. • Žveplo je podobno kisiku (v isti skupini periodnega sistema). • Tioli, žveplovi analogi alkoholov, vsebujejo –SH skupino namesto –OH skupine, ki jo vsebujejo alkoholi. R-OH R-SH Alkohol tiol Poimenovanje je podobno kot pri alkoholih. • 2-butanol, 2-bunantiol