Алкохол

Първият открит и употребяван от човека алкохол е етанолът. В природата етанол и други алкохоли се получават по естествен път в процеса на ферментацията на захарите, които се съдържат в плодовете, под въздействието на различни видове дрожди, най-често от род Saccharomyces. При концентрация на алкохол в субстрата над 15% дрождите започват да умират и поради тази причина е невъзможно да се получи по естествен път алкохол с концентрация над 17%.^[1]

Арабското название „ал-кохл“ в превод означава „дух на виното“. Латинският превод на това название – „Spiritus vini“ се пренася в Европа през Средновековието и остава като синоним на етанола в медицинската номенклатура.

Етимологията на названието „алкохол“ е свързана с първия метод за получаване на концентриран природен алкохол – дестилацията на вино. Развитието на познатите днес инсталации, състоящи се от съд за дестилация и хладник (колектор) започва през 8 – 9 век от персийски и арабски химици. Конструкцията на алкохолния дестилатор, наречен по-късно „аламбик“, е описана за пръв път от Хабир Ибн Хаям (721 – 815). През Средновековието името му в Европа се изписва с латински букви като „Гебер“. Първоначално процесът на дестилация се пазел в дълбока тайна. Алхимикът Алберт Велики го описва подробно през 13 век.^[2]

В системата за наименования на IUPAC имената на алкохолите се образуват, като към името на съответния алкан се добави наставката -ол,^[3] например метан/метанол. При поливалентните алкохоли, в които присъства повече от една хидроксилна група, преди това се добавя наставка, означаваща броя на тези групи, например пропантриол за тривалентния алкохол на пропана.

• 
  Алканът метан (CH₄) е образуван въглероден атом, свързан с 4 водородни атома
• 
  Алкохолът метанол (CH₃OH) е подобен на метана, но един от водородните атоми е заменен с хидроксилна група
• 
  Алкохолът пропантриол (C₃H₅(OH)₃) съдържа три хидроксилни групи

Когато това е необходимо, положението на хидроксилните групи се означава с едно или повече числа, разположени преди наставките и оградени с тирета. Числата обозначават мястото във веригата на въглеродния атом, с който е свързана хидроксилната група, например пропан-1-ол за CH₃CH₂CH₂OH и пропан-2-ол за CH₃CH(OH)CH₃. При поливалентните алкохоли числата, съответстващи на отделните хидроксилни групи се отделят със запетаи, например пропан-1,2,3-триол. Понякога числата се изписват преди основното име – 1-пропанол, 2-пропанол, вместо пропан-1-ол, пропан-2-ол.

• 
  При пропил-1-ола хидроксилната група е свързана с първия въглероден атом във веригата
• 
  При пропил-2-ола хидроксилната група е свързана с втория въглероден атом във веригата

За обозначаване на вторичните и третичните алкохоли (вижте раздела Класификация) могат да се използват представките сек- и терт-, отделени с тире и изписвани в курсив, например сек-пропанол или терт-бутанол.

Наставката -ол се използва само при съединенията, в които хидроксилната група има най-висок приоритет. При наличие на друга група с по-висок приоритет (например, при алдехид, кетон или карбоксилна киселина), присъствието на хидроксилна група се отразява с представката хидрокси-,^[3] например 1-хидрокси-2-пропанон (CH₃COCH₂OH).^[4]

Номенклатурата на IUPAC се използва в научни публикации и други подобни случаи, в които се изисква прецизно идентифициране на съединенията. В по-неформален контекст алкохолите често се обозначават само с прилагателно, базирано на името на съответната алкилна група, например метилов алкохол или етилов алкохол. За по-разпространените алкохоли има и разговорни имена, които не са свързани с научната номенклатура. В разговорния език „спирт“ се употребява взаимозаменяемо с „алкохол“.

В зависимост от броя на въглеродните атоми, свързани с въглеродния атом, към който е прикрепена хидроксилната група, алкохолите се разделят на първични, вторични и третични. Първичните алкохоли имат обща формула RCH₂OH, вторичните – RR'CHOH, а третичните – RR'R"COH, където R, R' и R" са алкилни групи. При окисление на първичните алхохоли се получават алдехиди, а при окисление на вторичните алкохоли се получават кетони.

• 
  Етанолът (C₂H₅OH) е първичен алкохол
• 
  Циклохексанолът (C₆H₁₁OH) е вторичен алкохол
• 
  2-метил-2-пропанолът (C₄H₉OH) е третичен алкохол

Алкохолите с една хидроксилна група се наричат моновалентни, с две или повече – двувалентни, тривалентни, поливалентни. Примери за моновалентни (едновалентни) алкохоли са метанол, етанол, пропанол, бутан-1-ол. Двувалентен алкохол е етан-1,2-диолът (етиленгликол), а тривалентен – пропан-1,2,3-триолът (глицерин).

• 
  Бутан-1-олът (C₄H₉OH) е едновалентен алкохол
• 
  Етан-1,2-диолът (C₂H₅(OH)₂) е двувалентен алкохол
• 
  Пропан-1,2,3-триолът (C₃H₅(OH)₃) е тривалентен алкохол
• 
  Хексан-1,2,3,4,5,6-хексолът (C₆H₈(OH)₆) е шествалентен алкохол

Както и останалите органични съединения, алкохолите се разделят на ароматни и алифатни, в зависимост от вида на въглеводородния остатък. При ароматните алкохоли присъстват устойчиви ароматни пръстени, а при алифатните – не.

• 
  Гераниолът (C₁₀H₁₇OH) е алифатен алкохол
• 
  Фенолът (C₆H₅OH) е ароматен алкохол

Строеж и особености на химичната връзка

Алкохолите имат молекули, които в геометрично отношение са подобни на молекулата на водата. Ъгълът R−O−H в молекулата на метанола е равен на 109°.^[5] Кислородът от хидроксилната група се намира в състояние на sp³ хибридизация:

При сравнението им с физичните свойства на сродни съединения, алкохолите имат значително по-високи температури на топене и на кипене, отколкото би могло да се предполага и в това отношение са подобни на водата. Така например, в реда на монозаместените производни на метана, метанолът има необичайно висока температура на кипене въпреки относително неголямата си моларна маса (вж. таблица 2.):^[6]

Този феномен се обяснява с наличието на водородна връзка.^[5]

Енергията, необходима за разкъсване на водородната връзка, е значително по-малка от тази на обикновената химична връзка, но въпреки това тя съществено влияе върху физическите свойства на алкохолите.

Поради наличието на две полярни връзки C−O и O−H молекулите на алкохолите притежават електрически диполен момент (напр. за алканолите той е 5,3 – 6,0×10⁻³⁰ C.m.^[5] Електростатичните заряди в молекулата на метанола са както следва: атомът на въглерода има заряд от 0,297 e; атомът на водорода от хидроксилната група 0,431 e; атомът на кислорода – 0,728 e.^[9] Същевременно, йонизационната енергия на алкохолите е по-ниска, отколкото при водата,^[10] което се обяснява с ефекта на донорство на алкилната група:

• Вода: 12,61 eV;
• Метилов спирт: 10,88 eV;
• Етилов спирт: 10,47 eV;
• Изопропилов спирт: 10,12 eV;
• Алилов спирт: 9,67 eV.

Следва да се отбележи, че влиянието на хидроксилната група е особено голямо при съединенията с къса въглеводородна верига. Така например, метанолът и етанолът се смесват неограничено с вода и имат доста високи плътности и температури на кипене за молекулната си маса, докато в същото време висшите алкохоли са хидрофобни и малко се различават в свойствата си от съответните въглеводороди (вж. Таблица 4.).^[11]

Дисоциация и киселинно-основни свойства

Алкохолите имат способност да проявяват свойство и на киселини, и на основи.

Киселинни свойства

Като слаби киселини, алкохолите дисоциират по връзката O−H с образуването на алкоксиден йон:

${\displaystyle {\mathsf {R\!\!-\!\!OH+H_{2}O}}\rightleftarrows {\mathsf {R\!\!-\!\!O^{-}+H_{3}O^{+}}}}$

Киселинните характеристики на алкохолите се оценяват по константата за киселинност ${\displaystyle K_{\mathrm {a} }}$ :

${\displaystyle K_{\mathrm {a} }={\frac {[{\mathsf {R\!\!-\!\!O^{-}}}]\cdot [{\mathsf {H_{3}O^{+}}}]}{[{\mathsf {R\!\!-\!\!OH}}]}};}$

${\displaystyle \ \mathrm {p} K_{\mathrm {a} }=-\log K_{\mathrm {a} }.}$

Във воден разтвор киселинните свойства на алкохолите намаляват с увеличаването на моларната маса и разклонеността на въглеродната верига:^[14]

CH₃OH > CH₃CH₂OH > CH₃CH₂CH₂OH > (CH₃)₂CHOH > (CH₃)₃COH

В газообразна фаза се наблюдава обратният ефект (това е свързано с образуването на междумолекулна водородна връзка в разтвор и кондензирано състояние):^[14]

CH₃OH < CH₃CH₂OH < CH₃CH₂CH₂OH < (CH₃)₂CHOH < (CH₃)₃COH

За оценка на киселинността в газова фаза се използва енергията на дисоциация ${\displaystyle \Delta G_{\mathrm {a} }}$ .

В таблица 5. са приведени стойностите на ${\displaystyle \mathrm {p} K_{\mathrm {a} }}$ и ${\displaystyle \Delta G_{\mathrm {a} }}$ при 25 °C за някои алкохоли и сравнителни данни за други съединения.^[15]

^{[T 5]} Таблица 5. Стойности на константите за киселинност и енергиите на дисоциация на някои хидроксилни съединения.

	FCH2COOH	CH3COOH	CH3OH	H2O	C2H5OH	(CH3)2CHOH	(CH3)3COH	C6H5CH3
Воден разтвор, ${\displaystyle \mathrm {p} K_{\mathrm {a} }}$	2,59	4,76	15,49	15,74	15,90	17,17	19,29	42[К 2]
${\displaystyle \Delta G_{\mathrm {a} }}$ , кДж/мол	1383,4	1428,6	1560,1	352,5	1547,1	1538,7	1535,4	1558,8

Важен фактор, влияещ върху киселинността на алкохолите, е т.нар. индукционен ефект на заместителя. Заместители, които са акцептори на електрон (NO₂⁻, CN⁻, F⁻, Cl⁻, Br⁻, I⁻, CH₃O⁻) увеличават киселинността (намаляват ${\displaystyle \mathrm {p} K_{\mathrm {a} }}$ ). В този случай се казва, че те оказват — I ефект (отрицателен индуктивен ефект). Заместители, които са донори на електрон (алкилни заместители, COO⁻) намаляват киселинността на алкохолите (увеличиват ${\displaystyle \mathrm {p} K_{\mathrm {a} }}$ ) и в този случай се казва, че те оказват + I ефект (положителен индуктивен ефект).^[15]

Така например, ${\displaystyle \mathrm {p} K_{\mathrm {a} }}$ на 2,2,2-трифлуоретанола има стойност 12,43 (срещу 15,9 при етанола), а при нонафлуор-трет-бутанола той е 5,4 (срещу 17,7 при трет-бутанола)^[16]

Основни свойства

Алкохолите могат да имат и поведение на слаби основи на Люис, образувайки със силни минерални киселини соли, а така също донорно-акцепторн комплекси с киселини на Люис.

${\displaystyle {\mathsf {R\!\!-\!\!OH+HX}}\rightleftarrows {\mathsf {R\!\!-\!\!OH_{2}^{+}+X^{-}}}}$

${\displaystyle {\mathsf {R\!\!-\!\!OH+AlCl_{3}}}\rightleftarrows {\mathsf {R\!\!-\!\!OH^{+}AlCl_{3}^{-}}}}$

Обикновено подобни реакции не спират на указания стадий, а водят до реакции на нуклеофилно заместване на хидроксилната група или отделяне на вода.

Като основи алкохолите са доста слаби и относителната им основност, за разлика от киселинността, се запазва както в разтвор, така и в газова фаза^[17]

CH₃OH < CH₃CH₂OH < CH₃CH₂CH₂OH < (CH₃)₂CHOH < (CH₃)₃COH

Основността на алкохолите се оценява по константата за основност ${\displaystyle \mathrm {p} K_{\mathrm {BH+} }}$ :^[18]

${\displaystyle {\mathsf {R\!\!-\!\!OH_{2}^{+}}}\rightleftarrows {\mathsf {R\!\!-\!\!OH+H^{+}}}}$

${\displaystyle K_{\mathrm {BH+} }={\frac {[{\mathsf {R\!\!-\!\!OH}}]\cdot [{\mathsf {H^{+}}}]}{[{\mathsf {R\!\!-\!\!OH_{2}^{+}}}]}};}$

${\displaystyle \mathrm {p} K_{\mathrm {BH+} }=-\log K\!\mathrm {BH+} }$

В таблица 6 са приведени стойностите на ${\displaystyle \mathrm {p} K_{\mathrm {BH+} }}$ при 25 °C за вода и някои алкохоли^{[17]:[стр. 19]}.

^{[T 6]} Таблица 6. Стойности на константата за основност на някои алкохоли и водата.

	H2O	CH3OH	C2H5OH	C3H7OH	(CH3)2CHOH	(CH3)3COH	CF3CH2OH
Воден разтвор, ${\displaystyle \mathrm {p} K_{\mathrm {BH+} }}$	−3,43	−2,18	−1,94	−1,90	−1,73	−1,43	−4,35

 Основна статия: Алкохолна ферментация

Алкохолната ферментация е сложен биохимичен процес, предизвикан от специфични организми, при който монозахаридите се превръщат в етилов алкохол и CO₂. При този процес се образуват в малки количества и някои други продукти и се отделя топлина.

Етанолът под формата на различни алкохолни напитки се консумира от хората от праисторически времена. Консумацията на големи количества етанол води до състояние на опиянение (което на практика представлява отравяне с алкохол), а след по-дълго време до махмурлук. В зависимост от дозата и честотата на консумация етанолът може да причини различни здравословни проблеми и дори смърт.

По-краткотрайните ефекти върху човешкото тяло са разнообразни. Тъй като клетъчната мембрана е много пропусклива спрямо алкохола, чрез постъпването си в кръвта той се разнася практически до всички тъкани. Обикновено съдържанието на алкохол в кръвта е критерий за степента на опиянение и концентрация надвишаваща 0,40% в кръвта се счита за смъртоносна^[19][20]).

В промишлеността алкохолите се произвеждат по няколко начина:

• Чрез ферментация
• Чрез директна хидратация на етилен или други алкени

Етанолът за производство на алкохолни напитки, както и преобладаващата част от етанола за гориво се произвеждат чрез ферментация. Когато определен вид дрожди (например Saccharomyces cerevisiae) преработват полизахариди те произвеждат етанол и въглероден диоксид. Химичните реакции, които протичат, са следните:

C₆H₁₂O₆ → 2 CH₃CH₂OH + 2 CO₂

C₁₂H₂₂O₁₁ → 4 CH₃CH₂OH + 4 CO₂

Алкохолите се използват като алкохолни напитки (само етанол), като гориво и в много научни, медицински и промишлени приложения. Етанолът под различни форми на алкохолни напитки се консумира от хората от древни времена. Алкохол в разговорния български е обобщаващо понятие за алкохолни напитки, а под съдържание на алкохол се разбира съдържанието на етанол.

Някои алкохоли от първите четири алифатни съединения, предимно етанол и метанол, могат да се използват като алкохолно гориво. Те се отличават с това, че могат да се синтезират и характеристиките им позволяват да бъдат използвани в съвременните двигатели. Отличават се с високо октаново число^[22] и това води до по-голяма ефективност на изгаряне. Също с приложение при автомобилите е антифризът – 50% разтвор на етиленгликол във вода.

В промишлеността и науката алкохолите намират приложение като реагенти (реактиви) и разтворители. Алифатните алкохоли се използват в промишлеността като разтворители на лакове, бои, мастила. Дву- и тривалентните се използват при производството на пластмаси. Поради ниската си токсичност и способността да разтваря неполярни вещества етанолът се използва като разтворител при изготвянето на лекарства, парфюми и растителни есенции като ванилия. При органичния синтез алкохолите служат за посредници.

Етанолът се използва като средство за дезинфекция. В практиката намират приложение 70% етилов алкохол, 60% изопропилов алкохол и 50 – 60% n-пропилов алкохол предимно за дезинфекция на ръце. Сапуните с етанол стават все по-популярни и при използването им не се налага сушене тъй като те се изпаряват бързо.