Butylalkohol

Bemerkung für Schulen: Butylalkohol ist eine entzündbare Flüssigkeit. Der Stoff kann schwere Augenschädigungen oder Hautreizungen verursachen. Das Arbeiten mit einer Schutzbrille und mit Schutzhandschuhen ist vorgeschrieben.

n-Butanol und iso-Butanol werden gut über die Lunge und über die Haut aufgenommen. Die Dämpfe reizen Augen und Schleimhäute, bei anhaltendem Kontakt wirken sie narkotisierend. Da die Geruchsschwelle bei 0,1 ppm liegt, kann der Stoff leicht wahrgenommen werden. Bei lang anhaltendem Kontakt tritt jedoch ein Gewöhnungseffekt ein. Bei oraler Aufnahme werden zunächst die Schleimhäute gereizt, dann treten Rauschzustände mit narkotisierender Wirkung auf. Als Symptome folgen starke Kopfschmerzen, bei hohen Dosen können auch Leber und Nieren geschädigt werden. Gelangen die Dämpfe oder geringe Mengen der Flüssigkeit in die Lunge, besteht Aspirationsgefahr und die Gefahr dauerhafter Lungenschäden. Die anderen beiden Butanol-Isomere sind nicht ganz so gefährlich.

Der einwertige, primäre Alkohol Butylalkohol ist eine klare, farblose Flüssigkeit. Er ist nicht mehr ganz so gut in Wasser löslich wie Propylalkohol oder die anderen, kurzkettigen Alkohole. Er lässt sich aber mit organischen Lösungsmitteln wie Ethylalkohol oder Diethylether vollständig vermischen. Der Schmelz- und Siedepunkt ist höher als beim Propylalkohol. Wie bei den Alkanen steigen bei den Alkoholen mit zunehmender Kettenlänge aufgrund der steigenden Van-der-Waals-Kräfte die Siedetemperaturen:

Es existieren vier Isomere. Diese unterscheiden sich durch ihre chemisch-physikalischen Eigenschaften. Der tertiäre Butylalkohol liegt bei Zimmertemperatur im festen Aggregatzustand vor, er ist mit Wasser vollständig mischbar.

Wasserlöslichkeit, Konzentration bei 25 °C

Alle Butanole lassen sich verestern, dabei erhält man fruchtartige Geruchsstoffe, die als Komponenten für Parfümierungen geeignet sind. Durch eine Abspaltung von Wasserstoff erhält man in einer Dehydrierung aus 1-Butanol den Aldehyd Butanal. Mit iso-Butanol entsteht 2-Methylpropanal. Zwei Moleküle 1-Butanol lassen sich durch die Meerwein-Reaktion in Dibutylether überführen (vgl. Ethylalkohol).

Der tertiäre Butylalkohol ist nicht oxidierbar. Mit Bromwasserstoff reagiert er aber in einer Nukleophilen Substitution (Typ S_N1) zu tertiärem Butylbromid und Wasser:

(CH₃)₃C–OH + HBr

(CH₃)₃C–Br + H₂O
tert-Butanol + Bromwasserstoff

tert-Butylbromid + Wasser

Das Sauerstoff-Atom des Alkohol-Moleküls wird zunächst protoniert, was zu einer Abspaltung von Wasser führt. Es entsteht eine tertiäres Carbokat-Ion, das durch das nukleophile Bromid-Ion angegriffen wird und dann mit diesem reagiert. Die Reaktion findet in stark saurer Umgebung statt, daher reagiert tert-Butylbromid unter diesen Bedingungen nicht mit dem entstehenden Wasser.

tert-Butylchlorid reagiert mit Wasser: Nukleophile Substitution vom Typ S_N1

Wenn man reines tert-Butylchlorid vorliegen hat, dann ist eine Reaktion mit Wasser möglich. Nach dem Schütteln mit Wasser ist eine milchige Trübung zu sehen, danach trennt sich das leichtere Butylchlorid wieder ab und schwimmt auf dem Wasser. Nach leichtem und längerem Erwärmen (Butylchlorid ist leicht entzündbar!) trennen sich die Schichten nicht mehr, die Flüssigkeit wird klar und reagiert schwach sauer.

(CH₃)₃C–Cl + H₂O

(CH₃)₃C–OH + HCl
tert-Butylchlorid + Wasser

tert-Butanol + Chlorwasserstoff

Der Reaktionsmechanismus kann so erklärt werden: Im ersten, langsamen Schritt spaltet sich aus dem tert-Butylchlorid ein Chlorid-Ion ab, es entsteht ein positiv geladenes Carbokat-Ion. Das Wasser wirkt als polares Lösungsmittel, das die entstehenden Ionen stabilisiert:

Erst im zweiten Schritt erfolgt der nukleophile Angriff des Wasser-Moleküls: Ein freies Elektronenpaar am Sauerstoff-Atom im Wasser-Molekül greift das positiv geladene C-Atom des Carbokat-Ions an, wobei das Wasser-Molekül gebunden wird. Dabei entsteht ein positiv geladenes Oxonium-Ion. Dieser Schritt verläuft schnell. Der Angriff des Nukleophils erfolgt erst in diesem zweiten Schritt. Deshalb handelt es sich um eine Nukleophile Substitution nach dem Typ S_N1:

Im dritten Schritt wirkt ein weiteres Wassermolekül als Base und nimmt ein Proton vom Oxonium-Ion auf. Es entsteht das tertiäre Alkohol-Molekül, gleichzeitig bildet sich ein Hydronium-Ion. Auch dieser Schritt ist schnell:

Folie: Reaktionsmechanismus

Bei der alkoholischen Gärung fallen mehrere Nebenprodukte an. Das dabei erhältliche Stoffgemisch wird auch als Fuselöl bezeichnet. In diesem Fuselöl finden sich Spuren von n-Butanol und iso-Butanol.Die technische Gewinnung erfolgt heute bei der Oxosynthese aus Propylen durch eine katalytische Anlagerung von Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff mit Hilfe eines Cobalt-Katalysators. Das zunächst entstehende Butanal reagiert bei 180 °C erneut mit dem Wasserstoff, und man erhält im zweiten Schritt 1-Butanol (analoge Reaktionsgleichung siehe Herstellung von 1-Propanol).

Von besonderer Bedeutung ist die Herstellung durch die biotechnologische Fermentation von Zucker und Stärke. Das Bakterium Clostridium acetobutylicum kann Zucker zu Aceton, n-Butanol oder iso-Butanol vergären. Aber auch andere Mikroorganismen sind in der Lage, Biobutanol zu synthetisieren. Insofern könnte dem Butanol eine Zukunft als Biotreibstoff bevorstehen.

2-Butanol wird nicht aus Butanal hergestellt, sondern man benötigt hierzu 2-Butanon als Ausgangsstoff, einem Keton, das aus Buten synthetisiert wird (vgl. Aceton). Zur Herstellung des tetiären Butanols benötigt man dagegen Isobuten als Ausgangsstoff.

n-Butanol ist ein verbreitetes Lösungsmittel in der Farb- und Lackindustrie. Ein Gemisch von n-Butanol mit Butylacetat besitzt ein hervorragendes Lösevermögen für Nitrocellulose-Lacke. Sämtliche Butanole dienen als Ausgangsstoff zur Herstellung von Estern und damit für Duftkomponenten der Parfüms. Ein Gemisch aus n-Butanol und iso-Butanol eignet sich als Biokraftstoff. Der tertiäre Butanol wird in Treibstoffen als Antiklopfmittel eingesetzt.