Inhalt Alkohol im Alltag Alkoholbegriff Einteilung und Eigenschaften Reaktionen der Alkohole Herstellung Verwendung

Ethanol

Die Alkohole stellen eine Stoffgruppe der organischen Chemie dar, die alle in ihrem strukturellen Aufbau mindestens eine OH-Gruppe besitzen. Diese wird als Hydroxy-Gruppe bezeichnet. Der in Getränken vorkommende Ethanol ist der bekannteste Vertreter.

Alkohol im Alltag

Im Volksmund versteht man unter Alkohol eine trinkbare Flüssigkeit, die berauscht und in alkoholischen Getränken enthalten ist. Der Chemiker meint damit eine Gruppe von Stoffen, die nach einem ganz bestimmten Muster aufgebaut sind. Alkohole kommen in der Natur überall vor. So enthalten die meisten Früchte geringe Anteile Ethylalkohol (Ethanol), der durch natürliche Gärung entsteht. Fressen Vögel überreife Wacholderbeeren, kann es vorkommen, dass sie Anzeichen von Trunkenheit zeigen. Aus den Beeren wird durch Gärung Wacholderschnaps oder Gin gewonnen. Fruchtsäfte wie Apfelsaft oder Traubensaft enthalten Ethanol in geringer Konzentration. Sie können die Leber von Kleinkindern schädigen, da diese Ethanol noch nicht abbauen können. Alkohole wie Butanol oder Hexanol sind Komponenten der Fruchtaromen. Kompliziert aufgebaute Alkohole wie Linalool oder Geraniol finden sich in etherischen Ölen.




Schon die alten Griechen und Römer kannten die Wirkung von Wein. Allerdings war es im alten Rom den Frauen verboten, Wein zu trinken. Bierrezepte kannten bereits die Sumerer im Vierten Jahrtausend vor Christus. Das Getränk war in Germanien schon vor der Römerzeit bekannt. Die Germanen tranken es nach einer Überlieferung des römischen Schriftstellers Tacitus aus riesigen Trinkhörnern, die mit Bier und Honig-Met gefüllt waren. Sie betrieben mit den Römern Handel, lieferten Bier und erhielten dafür Gebrauchsgegenstände. Im Mittelalter übernahmen die Mönche die Herstellungstechnik und entwickelten die Kunst des Bierbrauens.

Alkoholbegriff und funktionelle Gruppe

Der Begriff Alkohol leitet sich vom arabischen Begriff „Al-Kuhl“ ab, was ursprünglich das schwarze Pigment Grauspießglanz (Antimonsulfid) bezeichnete, das zum Schwarzfärben der Augenlider verwendet wurde. Später übertrug man den Begriff auf alle feinpulvrigen Substanzen. Der Alchemist Paracelsus benutzte im 16. Jahrhundert den Begriff „alcool vini“ zur Bezeichnung des Stoffes, der bei der Alkoholdestillation gewonnen wurde. Der Chemiker kennt heute die Flüssigkeit unter der Bezeichnung Ethanol. 
   
 
In der Chemie ist der Begriff Alkohol heute weiter gefasst: Man versteht darunter eine Stoffgruppe mit einem ganz speziellen Aufbau im Molekül. Gibt man zu einem Alkohol salpetersaure Ammoniumcer(IV)-nitrat-Lösung, färbt sich das hellgelbe Reagenz orangerot. Die Reaktion findet mit jedem Stoff aus der Gruppe der Alkohole statt. Es bildet sich dabei ein roter Komplex. Ursache ist die OH-Gruppe der Alkohole. Sie wird Hydroxy-Gruppe genannt (veraltet „Hydroxyl-Gruppe“). Eine solche Atomgruppe, die die chemischen Eigenschaften einer Stoffgruppe prägt, nennt man auch funktionelle Gruppe. Die Hydroxy-Gruppe ist bei den Alkoholen mit aliphatischen Kohlenstoff-Atomen verbunden. Das mit der Hydroxy-Gruppe verbundene Kohlenstoff-Atom darf bei den Alkoholen nur noch mit Wasserstoff- oder weiteren Kohlenstoff-Atomen verbunden sein. Daher werden die Carbonsäuren, trotz ihrer Hydroxy-Gruppen, nicht zu den Alkoholen gezählt.


Einteilung der Alkohole und Eigenschaften

Die einwertigen Alkohole, zu denen der allgemein bekannte, trinkbare Alkohol Ethylalkohol gehört, besitzen nur eine Hydroxy-Gruppe. Der Name wird aus dem Grundgerüst der vergleichbaren Alkane gebildet und erhält in der deutschen Sprache den Zusatz -yl. In der wissenschaftlichen Fachsprache wird die Endung -ol an den entsprechenden Alkylrest angehängt. So leitet sich die homologe Reihe der einwertigen Alkohole ab:

Bei der hier verwendeten Darstellung des Cetylalkohol-Moleküls handelt es sich um die Skelettformel. Dabei steht jeder Strich für eine C-C-Bindung. Die Zahl der Wasserstoff-Atome lassen sich leicht ermitteln, da jedes Kohlenstoff-Atom vier Elektronenpaarbindungen eingeht. Die Lewisformel (hier beim Methylalkohol und Ethylalkohol) wird bei einfachen Verbindungen aus Anschauungszwecken oft in der Schule verwendet, bei komplizierten Molekülen und in der Wissenschaft verwendet man jedoch überwiegend die Skelettformel. 

Cetylalkohol ist ein langkettiger, einwertiger Alkohol mit 16 Kohlenstoff-Atomen. Wie bei den Alkanen steigen mit zunehmender Kettenlänge aufgrund der steigenden Van-der-Waals-Kräfte die Siedetemperaturen. Cetylalkohol ist bei Zimmertemperatur fest und bildet weiße, wachsartige Plättchen. 

Im Gegensatz zu den Alkanen, sind die kurzkettigen Alkohole gut wasserlöslich. Dies lässt sich mit Hilfe der Polarität im Molekül erklären. Methylalkohol besitzt eine relativ hohe Polarität und ist daher nur wenig benzinlöslich. Mit zunehmender Länge des Alkyl-Rests nimmt der unpolare Anteil im Verhältnis zum polaren Anteil im Molekül zu, so dass die Wechselwirkungen mit den Wasser-Molekülen gestört werden. Butylalkohol ist in Wasser bereits nur noch wenig löslich.  Die noch kurze Kohlenstoffkette des Ethanol-Moleküls ermöglicht schon eine begrenzte Benzinlöslichkeit.

  
Sind in einem Molekül mehr als eine OH-Gruppe chemisch gebunden, handelt es sich um einen mehrwertigen Alkohol. Ethandiol (Ethylenglycol) besitzt im Molekül zwei OH-Gruppen und ist ein zweiwertiger Alkohol, Propantriol (Glycerin) als dreiwertiger Alkohol hat drei OH-Gruppen. Es existieren auch Alkohole mit mehr als drei Hydroxy-Gruppen: 

Die mehrwertigen Alkohole haben mehrere OH-Gruppen, die mehrere Wasserstoffbrückenbindungen eingehen können. Sie besitzen aufgrund der größeren Molekül-Masse höhere Van-der-Waals-Kräfte. Beides zusammen bewirkt einen höheren Siedepunkt. Durch die möglichen Wasserstoffbrückenbindungen sind sie noch besser wasserlöslich als ein vergleichbarer einwertiger Alkohol mit gleicher Anzahl C-Atome.

Die mehrwertigen Alkohole besitzen einen süßen Geschmack. Sorbit und Mannit sind keine Zucker, sie gehören zu den sechswertigen Alkoholen, bei denen in einem Molekül sechs Hydroxy-Gruppen enthalten sind. Sie werden aber als Zuckeralkohole bezeichnet, da sie durch eine Reduktion aus Zuckern hergestellt werden können. Im menschlichen Körper werden sie im Verdauungsprozess wieder zu Zuckern umgebaut.

Zwei Hydroxy-Gruppen an einem C-Atom sind nach der Erlenmeyer-Regel nicht stabil. Daher kommen solche Stoffe nicht als beständige Verbindungen vor. Ab dem Propanol tritt bei den Alkoholen Isomerie auf. Nach der Stellung der Hydroxy-Gruppe werden die Alkohole daher nochmals unterteilt: 
  

  
Der sekundäre Alkohol Propan-2-ol (auch Isopropylalkohol, oder 2-Propanol) ähnelt in seinen physikalischen Eigenschaften dem Ethanol und wird als Desinfektionsmittel oder zum Reinigen von CDs, DVDs und Schallplatten eingesetzt. Die Flüssigkeit reizt Haut und Augen und kann nicht getrunken werden. Sie unterliegt daher nicht der Alkoholsteuer. Beim Butanol kommen vier Isomere vor. Butan-1-ol und 2-Methylpropan-1-ol sind primäre Alkohole,  Butan-2-ol ist ein sekundärer und 2-Methylpropan-2-ol ein tertiärer Alkohol:
 

n-Butanol	sek-Butanol	tert-Butanol	iso-Butanol
Butan-1-ol	Butan-2-ol	2-Methylpropan-2-ol	2-Methylpropan-1-ol

Cyclohexanol ist ein sekundärer Alkohol, weil das mit der OH-Gruppe verbundene Kohlenstoff-Atom mit zwei weiteren Kohlenstoff-Atomen im aliphatischen Ring verbunden ist. Phenol ist dagegen kein Alkohol. Die Hydroxy-Gruppe ist an einen aromatischen Ring gebunden.

Alkohol sekundär	Phenol, kein Alkohol
Cyclohexanol	Phenol

Beispiele für Reaktionen der Alkohole

1. Oxidation der Alkohole

Die Isomere der Alkohole zeigen unterschiedliches Reaktionsverhalten bei Oxidationen. Bei der Oxidation eines primären Alkohols erhält man zuerst ein Aldehyd als Zwischenprodukt, das zu der entsprechenden Alkansäure weiter oxidiert wird, sofern die Reaktion nicht beim Zwischenprodukt bewusst gestoppt wird. Wenn man beispielsweise Wein lange Zeit an der Luft stehen lässt, oxidiert der primäre Alkohol Ethanol in einer enzymatischen Reaktion mit Hilfe von Essigsäurebakterien in zwei Schritten zu Ethansäure. Diese Bakterien sind im Wein und auch in der Luft vorhanden.

Bei der Oxidation eines sekundären Alkohols erhält man kein Aldehyd, sondern ein Keton. Tertiäre Alkohole lassen sich nicht mehr oxidieren. 

Für eine Oxidation im Labor eignen sich starke Oxidationsmittel wie Kaliumpermanganat oder Kaliumdichromat mit konzentrierter Schwefelsäure. Auch Salpetersäure und Wasserstoffperoxid wären geeignet. Ein passender Demonstrationsversuch mit Kaliumpermanganat und Schwefelsäure ist unter der Bezeichnung „Blitze unter Wasser“ bekannt. Allerdings sind diese Versuche mit einem sehr hohen Gefahrenpotenzial verbunden und daher für Schulen nicht geeignet. In der chemischen Industrie erfolgt die Oxidation von Alkoholen hauptsächlich durch katalytische Umsetzung mit reinem Sauerstoff an Metallkatalysatoren. Im Schulversuch „Oxidation von Methanol mit Kupfer(II)-oxid“ lässt sich das gut zeigen.


2. Ester-Reaktionen der Alkohole

Typische Reaktionen zeigen die Alkohole beim Vorliegen von Wärme und Katalysatoren wie konzentrierte Schwefelsäure mit den Carbonsäuren, wobei sich Ester bilden. Die Ester-Reaktion ist eine Kondensationsreaktion, bei der sich zwei Moleküle unter Wasserabspaltung verbinden. Der exakte Reaktionsmechanismus ist kompliziert und erfolgt in mehreren Schritten. Die Protonen aus der Schwefelsäure aktivieren zunächst die Carbonylgruppe und durch verschiedene Umbauten innerhalb der sich verbindenden Moleküle wird am Ende Wasser abgespalten und der Katalysator wieder zurückgebildet.

3. Verhalten der Alkohole als schwache Säuren oder als schwache Basen

Alkohole können als Brønsted-Säuren oder auch als Brønsted-Basen reagieren. Bei der Reaktion mit Wasser ist die Entstehung eines Alkoholat-Ions R-O⁻ und eines Hydronium-Ions H₃O⁺ möglich, da das positiv polarisierte Wasserstoff-Atom der Hydroxy-Gruppe ein Proton an eine Base abgeben kann. Allerdings sind die Alkohole nur ganz schwache Säuren. Der pKs-Wert von Methanol beträgt zum Beispiel 15,5 und der von Ethanol 15,9. Das Gleichgewicht dieser Reaktion liegt ganz stark auf der linken Seite:

R-OH  +  H₂O    R-O⁻  +  H₃O⁺

Mit Natriumhydroxid erhält man Natriumalkoholat und Wasser. Das Alkoholat-Ion wird auch als Alkoxid-Ion bezeichnet:

R-OH  +  NaOH    [R-O]⁻Na⁺  +  H₂O

Dies erklärt auch, warum Alkohole mit Alkalimetallen unter Wasserstoffentwicklung reagieren. Bei der Reaktion von Ethanol mit Natrium entstehen Wasserstoff und Natriumethanolat (Natriumethoxid), ein cremefarbenes, hygroskopisches Pulver, das eine sehr starke Base darstellt:

  
Aufgrund der freien Elektronenpaare am Sauerstoff-Atom der Hydroxy-Gruppe können Alkohole auch als Basen reagieren. Sie nehmen von starken Säuren Protonen auf, so dass ein Oxonium-Ion O⁺H₂ entsteht:

R-OH   +   H₃O⁺    R-O⁺H₂  +  H₂O 


4. Eliminierungs- und Substitutionsreaktionen der Alkohole

Bei einer Eliminierung treten aus einem Molekül zwei Atome oder Atomgruppen aus, ohne dass sie durch andere ersetzt werden. Erhitzt man Ethanol und konzentrierte Schwefelsäure, entsteht in einer Eliminierungsreaktion Ethen, wobei gleichzeitig Wasser abgespalten wird. Vereinfacht kann die Gesamtreaktion so dargestellt werden:

Die Eliminierungsreaktion vom Typ E2 verläuft säurekatalysiert: Protonen (H⁺) aus der Schwefelsäure protonieren vorübergehend die OH-Gruppe des Ethanols. Dadurch entsteht ein positiv geladenes Oxonium-Ion. Dies schwächt die C-O-Bindung, wodurch ein Wasser-Molekül abgegeben wird. Es entsteht in einer Zwischenstufe ein instabiles Carbenium-Ion, das ein positiv geladenes Kohlenstoff-Atom enthält. Dieses verursacht sofort die Ablösung eines Protons vom benachbarten Kohlenstoff-Atom, und es entsteht eine C=C-Doppelbindung. Anschließend wird ein Proton wieder abgegeben. H⁺ wird in der Gesamtbilanz nicht verbraucht, es wirkt als Katalysator.

Das entstehende Ethen ist gasförmig und verlässt das Reaktionsgemisch. Dadurch läuft die Eliminierung unter den Reaktionsbedingungen praktisch vollständig ab. Bei sekundären und besonders bei tertiären Alkoholen gelingt die Eliminierung leichter, dafür ist auch weniger Hitze erforderlich.


Mit Brom- oder Iodwasserstoff reagieren die Alkohole nicht in einer Eliminierung, sondern in einer Substitution zu einem Halogenalkan. Mit Bromwasserstoff HBr bildet zum Beispiel Methanol beim Erhitzen auf 200 °C Brommethan CH₃Br und Wasser. Dabei wird die OH-Gruppe des Alkohols durch ein Brom-Atom ersetzt.

CH₃OH  +  HBr     CH₃Br  +  H₂O

Der trinkbare Alkohol Ethanol wird durch alkoholische Gärung gewonnen. Die synthetische Herstellung des Ethanols erfolgt durch Hydratisierung von Ethen. Als Nebenprodukt entsteht dabei Diethylether. Dies wird in Ländern durchgeführt, die zu wenige pflanzliche Rohstoffe für die Gewinnung von Ethanol für technische Zwecke besitzen.

Methanol wurde früher durch die trockene Destillation von Holz gewonnen. Im Holzdestillat befand sich neben vielen anderen Produkten bis zu drei Prozent Methanol. Heute erfolgt die Methanol-Gewinnung hauptsächlich in einer exothermen Gleichgewichtsreaktion aus Synthesegas bei 400 °C und 200 Bar mit Hilfe eines ZnO/Cr₂O₃-Katalysators:    
    
CO  +  2 H₂     CH₃OH      ΔH_R = −119 kJ/mol

Propanol oder Cetylalkohol lassen sich mit einer Oxosynthese gewinnen. Alkohole können auch durch eine katalytische Hydrierung von Aldehyden und Ketonen hergestellt werden: Bei der Hydrierung werden zwei Wasserstoff-Atome in ein Alkohol-Molekül eingebaut. Die Hydrierung erfolgt mit Wasserstoff unter Zuhilfenahme von Platin- oder Palladium-Katalysatoren. Bei der Hydrierung von Cyclohexanon erhält man zum Beispiel Cyclohexanol.

  
Alkohole kommen im Haushalt nicht nur in alkoholischen Getränken vor. Im Brennspiritus ist Ethylalkohol mit einem Vergällungsmittel versetzt. Er wird als Reinigungsmittel verwendet. Die für Fondue erhältliche Brennpaste ist ein aus Ethylalkohol hergestelltes Gel, das als relativ handhabungssicher gilt. Angefärbter Ethylalkohol ist in den Thermometern enthalten. Isopropylalkohol ist ein medizinisches Desinfektionsmittel. Kurzkettige Alkohole dienen als Lösungsmittel für Farben und Lacke. Ethanol ist ein Lösungsmittel für Duftstoffe von Parfüms. Cetylalkohol ist ein umweltfreundlicher Emulgator und damit auch Salbengrundlage in kosmetischen Artikeln. Mehrwertige Alkohole wie Glycerin dienen in Hautcremes als Feuchthaltemittel. Das toxische Ethylenglycol findet sich in Frostschutzmitteln für Kraftfahrzeuge. Sorbit wird oft als versteckte Lebensmittelzutat im Brot, in Backwaren und Keksen, im Senf oder in Schokolade eingesetzt.





Für die chemische Industrie stellen die Alkohole wichtige Ausgangsstoffe dar: Mit Alkansäuren entstehen Ester, die als Geruchs- und Geschmacksstoffe für Lebensmittel und Parfüms verwendet werden. Essigsäureethylester ist ein bedeutendes Lösungsmittel für Lacke, Kunstharze oder Klebstoffe. Durch Oxidation der Alkohole erhält man Aldehyde und Ketone oder Alkansäuren wie die Essigsäure. Alkohole eignen sich auch als Treibstoffe für Kraftfahrzeuge oder Raketen. Die V2-Rakete im Zweiten Weltkrieg verbrannte in 70 Sekunden 3500 Kilogramm Ethanol mit 5250 Kilogramm Sauerstoff.

Bioethanol E85 ist ein Gemisch aus 85 % Ethanol und 15 % bleifreiem Benzin.

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