Jednofunkcyjne pochodne węglowodorów – kwasy, alkohole i estry

Pochodne węglowodorów są produktami, które uzyskuje się na skutek przeprowadzanej reakcji węglowodorów. Jednofunkcyjnymi pochodnymi są pochodne węglowodorów zawierające jeden rodzaj grup funkcyjnych w cząsteczce, ale nie wyklucza to, sytuacji, że w danym związku ta sama grupa będzie powtarzać się dwa lub więcej razy. Oto najprostsza definicja dla tej grupy związków, lecz by móc swobodnie poruszać się w jej obrębie, trzeba jeszcze sprecyzować czym jest owa tajemnicza grupa funkcyjna? Otóż jest to atom lub grupa atomów nadająca cząsteczce związku organicznego specyficzne właściwości chemiczne. Poniższa tabela przedstawia wybrane spośród grup funkcyjnych, ich nazwy oraz nazwy i wzory ogólne najważniejszych związków, w których te grupy występują

KWASY KARBOKSYLOWE

Kwasy karboksylowe (inaczej: kwasy organiczne) to grupa pochodnych węglowodorów, które w cząsteczkach zawierają grupę funkcyjną –COOH, czyli grupę karboksylową. Związki te wykazują wszystkie ogólne własności chemiczne kwasów nieorganicznych. Zmieniają barwę lakmusu z niebieskiej na czerwoną. Z zasadami, tlenkami metali i metalami tworzą sole, przy czym zamianie na metal podlega tylko wodór grup karboksylowych.

Roztwory kwasów organicznych ulegają dysocjacji na jony i przewodzą prąd elektryczny. Jednak w odróżnieniu od kwasów nieorganicznych, dysocjują w mniejszym stopniu, czyli są kwasami słabymi.

Budowę tych kwasów można wyrazić wzorem ogólnym:
R – COOH

Kwasami karboksylowymi są np. kwas mrówkowy lub kwas octowy. Jeżeli jednak w cząsteczce kwasu ów rodnik R będzie resztą węglowodoru łańcuchowego nasyconego lub nienasyconego, to kwas otrzymany będzie kwasem z grupy tzw. kwasów tłuszczowych. Reszty kwasowe tych związków są bowiem głównym składnikiem tłuszczów zwierzęcych i roślinnych. Do grupy kwasów tłuszczowych kwalifikują się np. kwasy: palmitynowy, stearynowy, oleinowy, itp. Kwasy tłuszczowe są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie i łatwo nam zetknąć się z nimi w życiu codziennym. Występują one bowiem w świecie roślin: i w liściach, i w łodygach, a także w owocach i korzeniach. Natkniemy się na nie też w produktach pochodzenia zwierzęcego: w mleku, zjełczałym maśle czy w mięsie. Na przykład cząsteczka tłuszczu zwierzęcego, czy roślinnego jest produktem reakcji między gliceryną a kwasem tłuszczowym.

Kwasy tłuszczowe powstają jako produkt daleko posuniętego utlenienia alkoholi pierwszorzędowych. Alkohole te pod wpływem środków utleniających dają aldehydy, które dalej można utleniać i tu jako produkt otrzymamy kwasy. Poniżej przedstawiono przykłady utleniania alkoholu metylowego i etylowego do kwasów karboksylowych.

                        O2                        O        O2                       O
   	H – CH2 – OH → H – C                 →   H – C 
                                                         H                            OH
alkohol                     aldehyd                  kwas   
metylowy                 mrówkowy            mrówkowy
                             O2                    O    O2                      O
CH2 – CH2 – OH   →   CH3 – C         →  CH3 – C     
                                                      H                            OH
    alkohol                       aldehyd                 kwas
    etylowy                       octowy                 octowy  

W zależności od ilości grup karboksylowych w cząsteczce kwasy dzielimy na: monokarboksylowe, np. kwas mrówkowy HCOOH; dikarboksylowe, np. kwas szczawiowy HOOC-COOH; trikarboksylowe, itd.

Kwasy karboksylowe reagują z alkoholami, reakcję tą nazywa się estryfikacją, a produkty końcowe – estrami. A oto ona:
CH3COOH + C2H5OH = CH3COOC2H5 + H2O

Z estrami i reakcjami ich otrzymywania zetkniemy się jeszcze w dalszej części pracy, dlatego w tym miejscu nie poświęcam im więcej uwagi.

Kwasy monokarboksylowe

Kwas mrówkowy HCOOH (kwas metanowy)
Jest on pierwszym członem szeregu homologicznego nasyconych kwasów monokarboksylowych, ma najprostszą budowę, spośród wszystkich. Został wyodrębniony z jadu mrówek, i stąd pochodzi jego nazwa. Występuje również we włoskach znajdujących się na liściach i łodygach pokrzywy, w niedojrzałych owocach, moczu i pocie.

Jest to trująca, bezbarwna ciecz o duszącym, ostrym zapachu i palącym smaku. Jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, bo miesza się z nią w każdym stosunku. Jak już wspomniałem ma odczyn kwaśny, lakmus w jego środowisku barwi się na kolor różowy. Ma właściwości parzące, wywołuje na skórze pęcherze. Jest substancją łatwopalną. Oto jak przebiega reakcja jego spalania:
2HCOOH + O2 = 2CO2 + 2H2O

Na skalę przemysłową kwas ten otrzymuje się w wyniku reakcji tlenku węgla (II) z ok. 30% wodnym roztworem wodorotlenku sodu.. w temp. 120oC, pod ciśnieniem 8 atm. Powstaje mrówczan sodowy, który pod działaniem kwasu siarkowego przechodzi w kwas mrówkowy. Oto zapis tej przemiany:
CO + NaOH = HCOONa + HCOOH

Zastosowanie kwasu mrówkowego jest dość rozległe:
- W przemyśle farbiarskim- do produkcji barwników,
- W garbarstwie- do garbowania skór,
- W przemyśle włókienniczym do barwienia tkanin,
- W medycynie do celów dezynfekcyjnych, ma bowiem też działanie bakteriobójcze,
- W medycynie, jako wodny roztwór, bo działa przeciwreumatycznie,
- W przemyśle chemicznym, jest półproduktem w syntezie organicznej,
- W przemyśle gumowym, jest środkiem koagulującym, podczas otrzymywania kauczuku naturalnego,
- W przemyśle spożywczym, do zakwaszania kiszonek i do konserwacji,
- W laboratoriach, do otrzymywania tlenku węgla (CO) w procesie rozkładu kwasu mrówkowego pod wpływem działania stężonego kwasu siarkowego (VI).

Kwas octowy CH3COOH (kwas etanokarboksylowy)
Drugi w szeregu homologicznym nasyconych kwasów monokarboksylowych. Najdawniej znany kwas organiczny, używany już przez starożytnych, nazwany wówczas mianem octu winnego.

Kwas ten w stanie bezwodnym jest substancją krystaliczną, podobną do lodu i nosi nazwę lodowatego kwasu octowego. Lodowaty kwas octowy topi się w temp. +16,5oC. W wodzie rozpuszcza się bez ograniczeń. Dobrze rozpuszcza się też w innych rozpuszczalnikach, jak np. alkohol, chloroform, czy eter. 6 lub 10 % wodny roztwór tego kwasu jest nam znany jako popularny ocet. Kwas octowy to bezbarwna ciecz o intensywnej, charakterystycznej woni, działająca drażniąco, głównie na oczy ale nie tylko, bowiem jego opary drażnią i niszczą błony śluzowe. Wykazuje odporność na działanie środków utleniających. Różowo zabarwiony w próbce lakmus świadczy o jego kwasowych własnościach.
CH3COOH = CH3COO- + H+

Jako słaby kwas z metalami tworzy sole, z alkoholami estry, oba rodzaje pochodnych zwane są octanami. Kwas octowy spala się niebieskim płomieniem.
CH3COOH + O2 = 2CO2 + H2O

Najstarszą metodą jego otrzymywania, znaną już przez starożytnych, jest fermentacja octowa cieczy zawierających alkohol:
CH3CH2OH + O2 = CH3COOH + H2O

Następuje utlenienie alkoholu pod wpływem powietrza i katalitycznego działania bakterii Acetobacter, tzw. octowych (proces kwaśnienia napojów alkoholowych wystawionych na działanie powietrza). Od połowy XIX w. był on otrzymywany w procesie suchej (rozkładowej) destylacji drewna. Podczas takiego procesu wydziela się ciecz mieniona octem drzewnym. Zawiera ona ok. 10% kwasu octowego. Po odpowiedniej obróbce otrzymamy z nieczysty kwas octowy. Obecnie otrzymuje się go głównie z acetylenu, poprzez aldehyd octowy, który utlenia się katalitycznie tlenem w obecności octanu magnezu:
2CH3CHO + O2 = 2CH3COOH

Zastosowanie:
- W gospodarstwie domowym - do celów spożywczych jako ocet o 6 lub 10% stężeniu jest przyprawą lub środkiem konserwującym (składnik marynat),
- W przemyśle chemicznym – do wyrobu mas plastycznych, sztucznego włókna, taśmy filmowej, barwników, lakierów, perfum, jest też dla tego przemysłu surowcem,
- W przemyśle tekstylnym – do produkcji jedwabiu octanowego oraz jako środki pomocnicze,
- W lecznictwie, gdzie jest produktem syntezy,
- W rolnictwie i ogrodnictwie, jako środek ochrony roślin
- Stężony do 70% nosi miano esencji octowej.

Wyższe kwasy tłuszczowe
Wielką rolę biologiczną odgrywają kwasy organiczne o dużych rodnikach, czyli wyższe kwasy tłuszczowe. Zawierają one, co najmniej, po kilkanaście atomów węgla w cząsteczce. Są bardzo rozpowszechnione w przyrodzie, i to zarówno w stanie wolnym, jak i w postaci związanej. Wszystkie tłuszcze roślinne są związkami wyższych kwasów tłuszczowych z gliceryną. Ich sole sodowe i potasowe to znane wszystkim mydła. Wyższe kwasy tłuszczowe znajdziemy też w popularnym wosku.
Oto wzory niektórych z wyższych kwasów tłuszczowych:

 NASYCONE:                                                        NIENASYCONE:
           Oleinowy                                                                Stearynowy 
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH                               CH3(CH2)16COOH
           Linolowy                                                                 Palmitynowy
CH3(CH2)4CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH             CH3(CH2)14COOH
          Linolenowy
CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOH

Największe znaczenie, spośród nich, mają kwasy: palmitynowy C15H31COOH i stearynowy C17H35COOH. Ich cząsteczki tworzą łańcuch prosty nasycony, zakończony grupą karboksylową. Ich związki z gliceryną to główna część składowa tłuszczów roślinnych i zwierzęcych. W drodze przeróbki chemicznej z tłuszczów możemy otrzymać te kwasy w stanie czystym. Mieszanina obu tych kwasów tworzy, nie mającą stałego punktu topienia masę, którą nazywa się stearyną.

Jak wspomniałem istnieje wiele kwasów organicznych, zawierających w swych cząsteczkach dwie, a nawet więcej, grup karboksylowych. Należą one do tzw. kwasów wielokarboksylowych.

Kwas masłowy CH3CH2CH2COOH, C4H8O2, (kwas butanowy)
Należy on do nasyconych kwasów karboksylowych. Jest bezbarwną cieczą o temp. wrzenia 163oC i nieprzyjemnym zapachu zjełczałego tłuszczu. Faktycznie występuje on w zjełczałym maśle. Należy do związków łatwo rozpuszczalnych w wodzie i większości organicznych rozpuszczalników polarnych (etanol, aceton, eter dimetylowy, itp.). Mocno stężony ostro i intensywnie wydziela trudny do zniesienia zapach.

W mleku i maśle występuje jako gliceryd. Otrzymuje się go w procesie fermentacji z cukrów lub skrobi pod działaniem bakterii. W laboratorium uzyskuje się go poprzez przepuszczenie tlenku węgla (CO) przez mieszaninę octanu sodu (CH3COONa) i etanolu sodu (CH3CH2Ona) w 205oC.

Zastosowanie:
- Do produkcji estrów, wykorzystywanych jako środki zapachowe, dla przemysłu spożywczego
- W przemyśle chemicznym – do produkcji barwników,
- W farmacji – do produkcji leków,
- Izomer tego kwasu- kwas izomasłowy (CH3)2-CH-COOH, znajduje się w chlebie świętojańskim.

Kwas palmitynowy C15H31COOH (kwas heksadekanowy, kwas cetylowy)
Jest przedstawicielem nasyconych kwasów tłuszczowych. Stanowi ważny składnik tłuszczów roślinnych i zwierzęcych, w których występuje w postaci glicerydu.
Ma postać białego ciała stałego o temp. topnienia 63oC. Nie rozpuszcza się w wodzie, natomiast czyni to w innych rozpuszczalnikach organicznych, jak np. etanol czy eter. Temperatura jego wrzenia to 332,6oC.

Można go otrzymać na skutek hydrolizy tłuszczów lub też syntetycznie. Jego sole stanowią główny składnik mydeł. Oto jak przebiega proces uzyskania palmitynianu sodu:
C15H35COOK + NaOH = C15H35COOHNa + H2O

Zastosowanie:
- W przemyśle chemicznym – jako surowiec przy produkcji mydeł, świec, kremów kosmetycznych, szminek, pudrów, itp.

Kwas stearynowy C17H35COOH (kwas oktadekanowy, kwas cetylooctowy)
To nasycony kwas tłuszczowy, który, obok kwasu palmitynowego, stanowi najważniejszy składnik tłuszczów stałych.

Występuje pod postacią krystaliczną lub jako bezpostaciowe ciało stałe, o barwie białej. Nie uda nam się rozpuścić go w wodzie, uczynimy to jednak w innych rozpuszczalnikach organicznych. Nie ma zapachu, by go stopić wystarczy zaledwie temp. 70oC, a wrze dopiero w 360oC. Spala się żółtym płomieniem.

By go otrzymać trzeba przeprowadzić hydrolizę tłuszczu, można też uzyskać go na drodze syntezy.

Handlowy kwas stearynowy składa się z 45% kwasu palmitynowego oraz 5% kwasu oleinowego.

Zastosowanie:
- W przemyśle gumowym – jako zmiękczacz,
- W przemyśle chemicznym – do mas modelarskich,
- W przemyśle kosmetycznym – do produkcji mydeł, kremów, świec i różnego rodzaju past,
- W farmaceutyce – do produkcji leków,
- Stearynian glinu znajduje zastosowanie jako środek impregnujący.

Kwas oleinowy C17H33COOH (kwas olejowy, kwas cis-9-oktadecenowy, kwas cisoktadec-9-enowy)
Jest jednonienasyconym, naturalnym kwasem tłuszczowym, zawierającym 18 atomów węgla w cząsteczce. Występuje on często w postaci glicerydów, jako główny składnik różnych olejów, przede wszystkim oliwy i tranu.

Jest bezbarwną, czasem jasnożółtą, oleistą cieczą. Utlenia się w powietrzu, a na skutek tego procesu, ciemnieje. Nie rozpuszcza się w wodzie, miesza się natomiast z rozpuszczalnikami organicznymi. Jego temp. topnienia jest równa 13,5oC, a wrzenia 228oC.

Kwas oleinowy otrzymuje się poprzez hydrolizę miękkich tłuszczów i olejów. Z jego nienasyconym charakterem chemicznym związane jest zjawisko odbarwiania KMnO4 oraz wody bromowej:
CH3(CH2)7CH = CH(CH2)7COOH + Br2 = CH3(CH2)7CHBrCHBr(CH2)7COOH

Reaguje też z wodorotlenkami, tworząc oleiniany. Podczas uwodornienia w obecności katalizatora niklowego ulega przekształceniu w kwas stearynowy.
C17H33COOH + H2 = C17H35COOH

Reakcja ta stanowi istotę procesu utwardzania olejów roślinnych.

Zastosowanie:
- W przemyśle spożywczym, jako surowiec do produkcji tłuszczów roślinnych zestalonych, jak: margaryna, ceres, itp. przez przemysł chemiczny jest używany do produkcji smarów i środków piorących,
- W przemyśle kosmetycznym służy do produkcji mydeł i kosmetyków,
- Jest też używany do syntezy organicznej.

Kwasy wielokarboksylowe

Kwas szczawiowy (HOOC)2
To najprostszy spośród kwasów wielokarboksylowych, jego cząsteczka składa się z z dwóch połączonych ze sobą grup karboksylowych.

                    O
                               C
                                             OH                                 COOH
                                             O
                               C                                                   COOH
                                             OH

W cząsteczce kwasu szczawiowego znajdują się dwa atomy wodoru, które mogą zostać zastąpione przez atomy metali. Kwas ten jest więc dwuzasadowy. Jak wszystkie kwasy zasadowe daje sole obojętne oraz sole kwaśne zwane szczawianami. W solach obojętnych mogą występować atomy dwóch różnych metali, np.:

  COONa                       COOH                        COONa

          COONa                       COONa                      COOK 
          obojętny                      kwaśny                      szczawian
        szczawian                   szczawian                    sodowo-
         sodowy                      sodowy                      potasowy

Kwas ten jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych kwasów roślinnych i znany był już w okresie średniowiecza. Jest to substancja krystaliczna, często spotykana w świecie roślinnym i zwierzęcym zarówno w stanie wolnym jak i w postaci soli wapniowych lub potasowych. Dobrze rozpuszcza się w wodzie, jego temp. topnienia to 189oC. Obficie występuje w: szczawiu, rabarbarze, i szpinaku. Kwas ten jest szkodliwy, bo usuwa wapń w postaci trudno rozpuszczalnej soli wapniowej. Szczawian wapniowy stale tworzy się w organizmie ludzkim i jest wydalany na zewnątrz jako produkt przemiany materii, znajduje się w moczu (jako sól wapniowa). Większe stężenia w drogach moczowych dają objawy kamicy moczowej. Szczawian wapnia, to główny składnik kamieni nerkowych. Odkładanie się szczawianu wapniowego w stawach kostnych świadczy o ciężkich schorzeniach gośćcowych.

Ogrzewanie kwasu szczawiowego powoduje jego dekarboksylację i przekształcenie w kwas mrówkowy:
(COOH)2→ CO2 + HCOOH

Natomiast pod działaniem czynników utleniających rozkłada się do dwutlenku węgla i wody.

Kwas szczawiowy otrzymywany jest technicznie z mrówczanu sodowego HCOONa, w temp. 400oC. Inną metodą otrzymywania kwasu szczawiowego jest utlenianie glikolu etylenowego.

Zastosowanie:
- W laboratorium – do nastawiania miana KMnO4
- W farbiarstwie – jako zaprawa i do wyrobu niektórych barwników,
- Jako reduktor w analizie chemicznej.

Hydroksykwasy jedno- i wielokarboksylowe

Wśród kwasów spotykanych w przyrodzie ożywionej popularne są też kwasy, zawierające w cząsteczce jednocześnie i grupę karboksylową COOH, i grupę hydroksylową OH (wodorotlenową). Związki te wykazują jednocześnie własności kwasów i własności alkoholi, nazywa się je hydroksykwasami.

Jednym z najczęściej spotykanych hydroksykwasów jest kwas mlekowy, ale obok niego należą do tej grupy: kwas jabłkowy, kwas winny i kwas cytrynowy.

Kwas mlekowy CH3CH(OH)COOH (C3H6O3)
Jest kwasem stosunkowo mocnym. Ma właściwości bakteriostatyczne (hamuje rozwój drobnoustrojów). Powstaje na drodze mikrobiologicznej, dzięki drobnoustrojom, które mają zdolność rozkładania cukrów do kwasu mlekowego.

Znajduje się on w zsiadłym mleku, kiszonej kapuście i ogórkach oraz w innych kiszonkach.

Na skalę przemysłową otrzymuje się go drogą fermentacji, niewielkie ilości uzyskuje się też syntetycznie.

Zastosowanie:
- W przemyśle włókienniczym i skórzanym,
- W przemyśle spożywczym – do produkcji lemoniad (czysty), jako środek konserwujący, dla branży owocowo-warzywnej,
- W przemyśle cukierniczym,

Nie jest szkodliwy dla zdrowia, a przetwory mleczne z jego znaczną zawartością, jak np. kefir, kwaśne mleko, mleko aleydofilne, są produktami dietetycznymi, a nawet leczniczymi w przypadku niektórych dolegliwości przewodu pokarmowego.

Kwas jabłkowy C2H3OH(COOH)2 (kwas hydroksybursztynowy, kwas hudroksybutanoidowy)
Należy on do hydroksykwasów wielokarboksylowych. W większych ilościach występuje w niedojrzałych owocach, a szczególnie w jabłkach i jarzębinie. Znaczne jego ilości, w postaci soli z nikotyną znajdują się w tytoniu.

Stosowany jest on do celów spożywczych, jako przyprawa w wielu wyrobach cukierniczych, w napojach, a także przez przemysł farmaceutyczny.

Kwas winowy C4H6O6
To hydroksykwas wielokarboksylowy, najpospolitszy kwas świata roślinnego. Występuje w dużych ilościach w większości owoców o smaku kwaśnym.

Ma postać jednoskośnych bezwodnych kryształków. Dobrze rozpuszcza się w wodzie i alkoholu. W trakcie produkcji win część kwasu winowego wytrąca się w postaci winowodorianu potasowego, trudno rozpuszczalnego w roztworze zawierającym alkohol.

Kwas winowy, jest uzyskiwany właśnie z winowodorianu potasowego, który ma dużą zdolność do tworzenia soli. Tworzy m.in. sole sodowe i wapniowe, kwaśne lub obojętne. Ich odczyn zależy od tego, czy obydwie grupy karboksylowe, czy tylko jedna są zobojętnione. Kwas winowy może tworzyć sole z dwoma metalami na raz.

Ma on zastosowanie w wielu dziedzinach przemysłu jako środek pomocniczy. Odchodzi się od stosowania go w przemyśle spożywczym, bo jego spożywanie przez dłuższy okres i w większych ilościach, działa niekorzystnie na mięsień sercowy.

Kwas cytrynowy C6H8O7*H2O
W stanie wolnym występuje w naturze w porzeczkach, agreście i malinach. Dużo go zawierają niedojrzałe cytryny.

Jest bezbarwnym, krystalicznym związkiem. Łatwo można rozpuścić go w wodzie, alkoholu. Ma wyraźnie kwaśny smak. Otrzymuje się go obecnie na drodze biochemicznej, przez fermentację cukru.

Ma duże zastosowanie w przemyśle spożywczym. Używa się go do produkcji: cukierków, galaretek, do zakwaszania kremów, do wyrobu proszku do pieczenia, budyniów i kisieli. Służy też do sporządzania napojów orzeźwiających. W gospodarstwie domowym stosuje się kwas ten jako przyprawę potraw. Kwas cytrynowy znajduje też zastosowanie w drukarstwie, przemyśle farbiarskim i farmaceutycznym.

ALKOHOLE

Alkohole są to pochodne węglowodorów, w których atom (względnie atomy) wodoru został zastąpiony grupą hydroksylową (wodorotlenową) – OH.

Zawierają one w swojej cząsteczce rodnik alifatyczny (łańcuchowy, węglowodorowy) i grupę wodorotlenową.

Nazwy alkoholi pochodzą od nazw rodników. I stąd mamy:

Alkohole jednowodorotlenowe nasycone tworzą szereg homologiczny, ponieważ pod względem składu różnią się one między sobą o grupę CH2.
Ogólny wzór szeregu homologicznego alkoholi ma postać:
CnH2n+1OH

Nie wszystkie pochodne węglowodorów, zawierające grupę – OH zaliczymy do grupy alkoholi. Bowiem są to pochodne węglowodorów, zawierające grupę – OH połączoną z atomem węgla, przy którym nie występują wiązania wielokrotne (podwójne lub potrójne).

Alkohole jednowodorotlenowe i wielowodorotlenowe - ogólne własności fizyczne i chemiczne
Najprostszym z alkoholi jest metanol. Alkohole jednowodorotlenowe, które wyprowadzamy z szeregu węglowodorów nasyconych mają również charakter nasycony. Te pochodzące od alifatycznych węglowodorów nienasyconych są alkoholami nienasyconymi.

Alkohole jednowodorotlenowe na skalę przemysłową otrzymuje się w wyniku katalitycznego uwodnienia alkenów.
CH2=CH2 + H2O → CH3 – CH2 – OH
albo przez utlenianie alkanów:
2CH4 + O2 → 2CH3 – OH

W laboratoriach otrzymuje się je z halogenoalkanów poddanych działaniu silnych zasad w środowisku wodnym:
H2O
CH3-CH2-Cl + KOH → CH3-CH2-OH + KCl
Oprócz tych metod, dla wielu spośród alkoholi, opracowano wiele metod specyficznych.

Niższe alkohole są cieczami, wyższe, o liczbie atomów większej niż 12, są ciałami stałymi. Wszystkie alkohole są lżejsze od wody. Ich rozpuszczalność w wodzie maleje w miarę wzrostu ciężaru cząsteczkowego, a alkohol metylowy i etylowy mieszają się z wodą w dowolnych stosunkach. Wszystkie alkohole, a szczególnie te o mniejszej liczbie atomów węgla, w obecności tlenu łatwo spalają się:
2C2H5OH + 6 O2 → 4CO2 + 6 H2O – spalanie etanolu
2CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O – spalanie metanolu

Dzięki tej właściwości stosuje się je jako źródło energii cieplnej, np. w kuchenkach turystycznych. A nawet prowadzone są prace nad zastosowaniem metanolu i etanolu do napędzania silników spalinowych.

Alkohole, za sprawą obecności charakterystycznej grupy funkcyjnej, są związkami bardzo aktywnymi chemicznie. Mają one odczyn obojętny i nie dysocjują na jony. Jednakże energicznie reagują z metalicznym sodem lub potasem ( a także z wapniem i magnezem), towarzyszy temu wydzielanie się wodoru, a otrzymane produkty to alkoholany.
2C2H5OH + Na → 2C2H5ONa + H2

Alkoholany są to nietrwałe związki typu soli. W wodzie ulegają hydrolizie, a roztwór ma odczyn zasadowy. Dzięki temu alkoholany zachowują się jak sole pochodzące od słabych kwasów i mocnych zasad. Z zastrzeżeniem jednak, że alkohole wielowodorotlenowe wykazują silniejszy charakter kwasowy niż alkohole jednowodorotlenowe.

Szczególny przebieg mają reakcje utleniania alkoholi. Produktami łagodnego utleniania alkoholi I-rzędowych są aldehydy, a alkoholi II-rzędowych – ketony. Natomiast alkohole III-rzędowe są odporne na działanie łagodnych utleniaczy.

C2H5OH + CuO → C2H3OH + H2O + Cu
                        etanol                       etanal
                        alkohol                    aldehyd
		C3H7OH + CuO → C3H6O + H2O + Cu
                      propan-2-ol               propanon
                      alkohol                       keton

Alkohole zawierające dwie lub więcej grup hydroksylowych to alkohole polihydroksylowe. Jako najbardziej znane z nich można podać: glikol etylenowy (1,2-etandiol) i glicerol, czyli popularną glicerynę (1,2,3-propantriol).

Alkohole reagują z halogenowodorami. W reakcji tej grupa funkcyjna zostaje zastąpiona bromem. Reakcja ta jest odwracalna. Alkohole mają też zdolność do dehydratacji (odwodnienia). Następuje to podczas ogrzewania alkoholu z substancjami odwadniającymi, np. stężonym kwasem siarkowym. W tym przypadku cząsteczka wody odszczepia się od jednej cząsteczki alkoholu. W innych warunkach, czyli przy nadmiarze alkoholu i w niższej temp., cząsteczka wody odszczepi się od dwóch cząsteczek alkoholu. Tym sposobem otrzymać można eter.

Eter dietylowy to substancja organiczna, bezbarwna, ruchliwa i lotna. Ciecz ta ma przyjemny zapach, ale jego opary działają usypiająco. Z racji tej własności eter ma duże zastosowanie w medycynie, jako środek do narkozy. Eter dietylowy i siarkowy to dobre rozpuszczalniki substancji organicznych. Znalazły też zastosowanie do czyszczenia tkanin.

Charakterystyki wybranych alkoholi jednowodorotlenowych

A. Alkohol metylowy CH3OH (metanol, karbinol, spirytus drzewny)
To najprostszy alkohol jednowodorotlenowy. Otrzymywany jest przez destylację drewna lub poprzez katalityczną syntezę tlenku węgla i wodoru, odbywa się to w wysokiej temperaturze (300-400oC) i przy ciśnieniu 250-500 atm. Rola katalizatora przypada tu tlenkowi cynku.

Jest silną trucizną. Spożyty w mniejszej ilości powoduje utratę wzroku i paraliż. Dawka śmiertelna dla dorosłego to już ok. 100 cm3. Spożycie jego jest prawdopodobne, bo jest bezbarwną, lotną cieczą o charakterystycznym zapachu przypominającym woń spirytusu. W wodzie można go rozpuścić w każdym stosunku.

Zastosowanie:
- Do produkcji barwników, formaliny, mieszanek pędnych,
- Jako rozpuszczalnik do lakierów i farb.
- Do syntez organicznych
- Jest również składnikiem spirytusu denaturowanego, któremu nadaje własności trujące,
- Jest też wykorzystywany do skażania aldehydu mrówkowego

Alkohol etylowy C2H5OH (etanol, spirytus)
To bezbarwna ciecz, która wrze w temp. 78,3oC, a krzepnie przy -114oC. Spala się słabo świecącym płomieniem. Miesza się z wodą w każdej proporcji.

Do celów spożywczych i farmaceutycznych jest uzyskiwany na drodze fermentacji alkoholowej, czyli rozkładu cukrów zawartych w owocach, bulwach lub nasionach roślin. Reakcja ta zachodzi pod wpływem substancji zawartych w drożdżach, czyli enzymów, potocznie zwanych fermentami lub właśnie enzymami.

Drugą metodą jego uzyskiwania jest synteza jego z acetylenu. Ten alkohol jest bezwodny, jest to ważna zaleta tej metody. Alkohol etylowy jest bowiem jednym z ważniejszych produktów technicznych.

Zastosowanie:
- Jako surowiec do produkcji kauczuku syntetycznego, lakierów, prochu bezdymnego i tworzyw sztucznych;
- Jako rozpuszczalnik do produkcji wód kolońskich, perfum, leków lakierów;
- Jako konserwant preparatów anatomicznych;
- Jako paliwo do silników spalania wewnętrznego;
- Jako surowiec do produkcji leków;
- Jako surowiec do produkcji octu;
- Jako produkt spożywczy - w postaci stężonej, czyli spirytusu i rozcieńczonej jako wódka.

Etanol produkowany i wykorzystywany do celów technicznych barwi się, aromatyzuje i skaża przy użyciu substancji nie zmieniających właściwości, lecz wykluczających spożywanie.

Jest on substancją o dwóch obliczach, bo z jednej strony wachlarz jego zastosowań jest niesamowicie szeroki, lecz na organizm ludzki działa niekorzystnie. Stosowany jako popularna używka, często i w dużych ilościach, prowadzi do uzależnienia, a to z kolei jest przyczyną choroby zwanej alkoholizmem. Etanol szybko wchłania się z przewodu pokarmowego, a w wątrobie ulega utlenieniu do toksycznego aldehydu octowego. Już jednorazowe jego nadużycie niszczy wiele milionów komórek nerwowych. Długotrwałe nadużywanie uszkadza zaś wiele z narządów wewnętrznych.

Charakterystyki wybranych alkoholi wielowodorotlenowych

Glikol etylenowy C2H4(OH)2 (1,2-etanodiol)
Znany nam wszystkim glikol to pochodna etanu. Jest bezbarwną, lepką cieczą o słodkim smaku. Jest trujący. Topnieje w temp. – 12,9oC, a temp. jego wrzenia to 197,3oC. Miesza się w każdym stosunku z wodą i alkoholem etylowym.

Można go otrzymać na dwa sposoby:
- Z 1,2-dichloroetanu jako produkt przyłączenia chloru do etylenu,
- Poprzez utlenianie etylenu w obecności katalizatora i hydrolizę powstałego produktu (tlenku etylenu) w środowisku kwaśnym.

Zastosowanie:
- Jest podstawowym składnikiem płynów chłodniczych do samochodów, bo zapobiega zamarzaniu wody,
- Jako rozpuszczalnik,
- Do produkcji materiałów wybuchowych typu dynamit,
- Do produkcji tworzyw sztucznych i włókna syntetycznego – elany,
- Jako surowiec do otrzymania rozpuszczalników i związków powierzchniowo czynnych.

Glicerol C3H8O3 (1,2,3-propantriol, gliceryna)
To alkohol, który w swej cząsteczce zawiera trzy grupy wodorotlenowe. Jest najprostszym w grupie alifatycznych nasyconych alkoholi trikarboksylowych. Gliceryna to jego nazwa zwyczajowa. Jest związkiem nietoksycznym. Ma postać oleistej cieczy o temp. topnienia 20oC, wrze natomiast przy 290o. Bezbarwna i bezwonna gliceryna ma słodki smak, jest silnie higroskopijna i bardzo dobrze rozpuszcza się w wodzie. Nie uda nam się rozpuścić jej w eterze (C4H10O), czy chloroformie(CHCl3). Po połączeniu z parą wodną staje lotny. Ma odczyn obojętny. Jest substancją łatwopalną, spala się w powietrzu kopcącym, jasnożółtym płomieniem. Może spalać się całkowicie (w tlenie) lub niecałkowicie.

Oto zapis obu tych procesów:
2C3H5(OH)3 + 7O2 = 6CO2 + 8H2O – spalanie całkowite
2C3H5(OH)3 + O2 = 6C + 8H2O – spalanie niecałkowite

Jako alkohol wielowodorotlenowy wykazuje silniejsze własności kwasowe niż alkohole jednowodorotlenowe.

Glicerynę otrzymujemy w procesie fermentacji alkoholowej cukru w obecności siarczanu sodowego lub syntetycznie z propylenu. Możemy ją również uzyskać po przerobieniu tłuszczów. Stanowi ona też produkt uboczny podczas otrzymywania mydła. W postaci glicerydów występuje w tłuszczach roślinnych i zwierzęcych. Możemy ją znaleźć też w niektórych owocach i warzywach. Jest ważnym produktem technicznym.

Zastosowanie:
- W przemyśle kosmetycznym – przy produkcji kremów, pomadek itp. jako rozpuszczalnik tłuszczy i innych lipidów, posiada też zdolność homogenizowania składników produktów kosmetycznych, ma silne własności nawilżające i natłuszczające skórę, jako surowiec do produkcji mydeł;
- W przemyśle spożywczym – do słodzenia napojów, do produkcji i syntezy tłuszczów, do produkcji likierów;
- W garbarstwie,
- W przemyśle tekstylnym – jako dodatek do farb,
- W przemyśle chemicznym, w postaci glicerolu i nitrogliceryny,
- W przemyśle tytoniowym,
- W przemyśle farmaceutycznym, jako rozpuszczalnik oraz w postaci nitrogliceryny, jako lekarstwo,
- Jako środek zapobiegający zamarzaniu wody w samochodowych instalacjach chłodniczych,
- Jako środek odwadniający.

Szczególnie duży wachlarz zastosowań glicerolu widać dopiero na gruncie produkcji chemicznej. Po pierwsze otrzymuje się z niej żywice sztuczne. Po drugie stosowana jest do produkcji nitrogliceryny. Nitrogliceryna (trinitroglicerol C3H5(ONO2)3, triazotan (V) gliceryny) to ester kwasu azotowego i gliceryny. Otrzymujemy ją przez działanie mieszaniny nitrującej (2 części wagowych kwasu azotowego i 3 części wagowych stężonego kwasu siarkowego oraz 1,5% wody) na glicerynę. Nitrogliceryna ma postać żółtawej lub bezbarwnej, oleistej cieczy, która krystalizuje w dwóch postaciach. Jest słodkawa i słabo pachnie, w smaku lekko pali. Jest dobrym rozpuszczalnikiem. Jest wybitnie wrażliwa na uderzenia i inne bodźce, jak np. wstrząsy czy wzrost temperatury, wywołują one jej wybuch. Zmieszanie nitrogliceryny z ziemią okrzemkową zwiększa jej „odporność” na czynniki zewnętrzne i czyni ją „bezpieczniejszą”. Stosuje się ją także w produkcji prochów bezdymnych i innych materiałów wybuchowych. Ma silne własności trujące, ale w minimalnych dawkach (0,0003-0,003g) jest stosowana przez medycynę. Powoduje bowiem silny i szybki, choć krótkotrwały, rozkurcz mięśni gładkich. Stosuje się ją do leczenia choroby wieńcowej serca i nadciśnienia tętniczego, zmniejsza również zapotrzebowanie mięśnia sercowego na tlen.

Fenol C6H5-OH jako alkohol aromatyczny
To najprostszy przedstawiciel monohydroksylowych fenoli. Powstaje, gdy w pierścieniu benzenu jeden z atomów wodoru podstawiony zostaje grupą –OH. Fenol jest to nazwa zwyczajowa benzenolu, mocno utrwalona w nazewnictwie chemicznym.

W temp. pokojowej czysty fenol to bezbarwne, krystaliczne ciało stałe. Ma charakterystyczny intensywny i ostry zapach. Na skutek częściowego utlenienia i pod wpływem światła kryształy fenolu zmieniaj zabarwienie na brunatne lub różowe. Temperatura jego topnienia to 41oC, a wrzenia: 182o. Dobrze rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych, zaś niezbyt dobrze w wodzie. Stan taki zmienia temperatura wody, im cieplejsza tym łatwiej rozpuścić w niej fenol.

W przeciwieństwie do dotąd omówionych alkoholi ma właściwości kwasowe, lecz jest słabszym kwasem niż kwas węglowy. Reaguje z zasadą sodową, tworząc fenolan sodowy.

Ma silne własności antyseptyczne lecz powoduje oparzenia, więc nie wolno dotykać go gołą ręką. Jest silnie trujący, już dawka 10g staje się przyczyną śmierci. Wiele z jego pochodnych, nieco mniej toksycznych, znajduje zastosowanie do dezynfekcji.

Istnieje wiele metod jego otrzymywania:
a) metoda kumenowa,
b) przez wydzielenie z pogazowej smoły węglowej w procesie koksowania węgla kamiennego,
c) przez syntezę z benzenu i propylenu,
d) przez stapianie kwasu benzenosulfonowego lub jego soli z alkaliami,
e) przez katalizowaną hydrolizę chlorobenzenu w podwyższonej temperaturze.

ESTRY

Wśród wielu substancji pochodnych, jakie dają omówione w pierwszej części pracy, kwasy organiczne ważną rolę odgrywają związki nazywane estrami. Powstają one w wyniku działania tych kwasów na alkohole. Reakcję taką nazwano estryfikacją. Ma ona wolny przebieg w temperaturze zwykłej, lecz możemy ją przyspieszyć podgrzewając lub dodając katalizatory. Katalitycznie na proces taki działają silne kwasy mineralne: siarkowy lub solny, a katalizatorem są jony H+. Przebieg procesu estryfikacji przedstawia zapis:

           O                        H2SO4                           O
                          R-C                                     →         R-C                   + H2O
                                   OH + H-O-R                                   O-R
                           kwas           alkohol                              ester
                  karboksylowy           

Cząsteczkę estru możemy zatem rozpatrywać jako produkt przyłączenia rodnika do reszty kwasowej.

O
                                   R- C
                                                 O-

Ogólny wzór estrów będzie więc miał postać:

                                                      O
                                                            R-C
                                                                            O-R1

Estry są więc związkami organicznymi, których cząsteczka składa się z rodnika i reszty kwasowej.

Estry powstają również, gdy zadziałamy kwasem nieorganicznym na alkohol. W tym przypadku oto jak przebiega przemiana:
R-OH + Hn-R1 = R-O-R1 + mH2O

Czyli od alkoholu odrywa się grupa OH, która łączy się z atomem wodoru pochodzącym od kwasu. Otrzymany ester jest odpowiednikiem soli w chemii nieorganicznej.

Nazwy estrów tworzymy w podobny sposób jak nazwy soli. I tak np. sól sodowa kwasu octowego to octan sodowy, a ester otrzymany z kwasu octowego i etanolu, to octan etylu.

Własności estrów
Estry są lekkimi, bezbarwnymi cieczami, zazwyczaj mało rozpuszczalnymi w wodzie. Wiele z nich ma bardzo przyjemny zapach. Estry są jedną z najliczniejszych grup substancji zapachowych. Zapach estrów jest znacznie silniejszy niż odpowiednich kwasów i alkoholi, z których są one otrzymywane. To wzmocnienie zapachu estrów związane jest z usunięciem grup hydroksylowych w reakcji estryfikacji, ponieważ właśnie grupy hydroksylowe obniżają siłę zapachową związku. Moc i charakter zapachowy estrów zależy od wielkości cząsteczki. Związki do 5 atomów węgla wykazują zapach eterowy, który w miarę wzrostu cząsteczki przechodzi w kwiatowo - owocowy. Związki zawierające od 15 do 18 atomów węgla pachną słabo. Obecność wiązania podwójnego nie wpływa ujemnie na jakość zapachu estrów, co ma miejsce w przypadku alkoholi lub kwasów z wiązaniem podwójnym. Podobnie, wiązanie potrójne powoduje przykry, czosnkowy zapach w większości kwasów bądź alkoholi acetylenowych, natomiast estry pochodne tych związków posiadają przyjemny zapach.
 Ta ich właściwość zapachowa powoduje, że estry używa się bardzo często jako olejki aromatyczne i w cukiernictwie, i w kosmetologii. Estry są też stosowane w technice jako doskonałe rozpuszczalniki.

Własności chemiczne estrów wynikają z budowy ich cząsteczek. W cząsteczkach estrów znajdują się reszty cząsteczek kwasów i alkoholi, połączone ze sobą za pośrednictwem atomu tlenu. To wiązanie za pośrednictwem tlenu w estrach jest słabe i łatwo ulega rozerwaniu, nawet pod wpływem wody.

Ten rozkład substancji pod działaniem wody nosi nazwę hydrolizy. Natomiast hydrolizę estrów określono nazwą: zmydlanie. W jego wyniku z powrotem otrzymamy kwas i alkohol. Również ten proces zachodzi wolno, możemy go przyspieszyć używając kwasu nieorganicznego lub alkalii, jako katalizatora.

Oto zapis tego procesu:

                               O                                              O
                  R-C                       + H2O →     R-C              + R1-OH
                               O-R1                                       OH
                    ester                                            kwas            alkohol

Szczególną grupę odrywają tłuszcze, czyli estry wyższych kwasów tłuszczowych i gliceryny. Do tłuszczów tych należą wszystkie tłuszcze roślinne i zwierzęce. Najczęściej tłuszcze otrzymuje się z estryfikacji kwasu palmitynowego lub stearynowego.

Mydło
Otrzymujemy je przez hydrolizę tłuszczów prowadzoną w obecności dużej ilości ługów. Pierwszy etap to rozpad tłuszczu na glicerynę i kwasy tłuszczowe. Te następnie reagują z nadmiarem ługu, tworząc sole. Mydła są solami sodowymi lub potasowymi wyższych kwasów tłuszczowych.


Sole sodowe są mydłami twardymi, a potasowe miękkimi (mazistymi, jak np. mydło szare. Zależnie od przeznaczenia mydła oddziela się powstającą wcześniej glicerynę i oczyszcza, lub pozostawia w mieszaninie. Przy wyrobie mydeł toaletowych dodaje się jeszcze substancje zapachowe, barwniki i substancje łagodzące oddziaływanie mydła na skórę.

Roztwory wodne mydła łatwo tworzą trwałe zawiesiny z drobnymi cząstkami stałymi oraz olejami, tłuszczami, itp. Na tej własności opiera się proces prania. Mydła bowiem zmniejszają napięcie powierzchniowe i dzięki temu można łatwo wniknąć w pory skóry czy tkanin.

Mydła wyrabia się z tłuszczów stałych.