Alkanole dienen in der Natur als wichtige Voraussetzung für die Herstellung von vielen anderen Verbindungen. Die Hydroxygruppe lässt sich durch Oxidation in andere funktionelle Gruppen, wie zum Beispiel Aldehyde, Ketone oder auch Carbonsäuren überführen. Ob eine Reaktion stattfindet und welche neue funktionelle Gruppe dabei entsteht, hängt von der Position der Hydroxygruppe im Alkohol ab. Primäre, sekundäre und tertiäre Alkohole haben dabei jeweils eine unterschiedliche Wirkung.
Primäre Alkohole
Die primären Alkohole sind dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kohlenstoffatom, welches die Hydroxygruppe gebunden hat, kein oder nur ein weiteres Kohlenstoffatom gebunden ist. Die restlichen Bindungen sind dann meistens mit Wasserstoffatomen gesättigt. Als Reaktionspartner nehmen wir Ethanol und Kupferoxid CuO.
Zunächst bestimmen wir die Oxidationszahlen. Im Kupferoxid hat Sauerstoff die höhere Elektronegativität und daher müssen wir die Elektronen dem Sauerstoff zurechnen. Sauerstoff fehlen 2 Elektronen zum Erfüllen der Oktettregel. Daher können wir dem Sauerstoff zwei Elektronen zurechnen und als Oxidationszahl -2 schreiben. Bei Kupfer haben wir entsprechend die Oxidationszahl +2, da die Verbindung insgesamt ausgeglichen ist.
Im Ethanol hat das bindende Kohlenstoffatom die Oxidationszahl -1, Sauerstoff bekommt den Wert -2 und Wasserstoff immer +1. Zur Vollständigkeit schreiben wir die anderen Oxidationszahlen der verbleibenden Kohlenstoffatome ebenfalls dazu.
Kommen wir nun zu der Reaktion. Da Kupferoxid ein Oxidationsmittel ist, wird es selbst reduziert und oxidiert andere Verbindungen. Bei Alkoholen findet die Oxidationsreaktion an der Hydroxygruppe des Moleküls statt und der Alkohol wird zum Aldehyd oxidiert. Für unser Beispiel bedeutet dies, dass wir als Reaktionsprodukte Ethanal und Kupfer erhalten. Als Nebenprodukt entsteht in der Reaktion noch Wasser.
An den Oxidationszahlen können wir die Redoxreaktion nachvollziehen. Kupfer wird von Kupfer 2+ zu reinem Kupfer reduziert und das Kohlenstoffatom der Hydroxygruppe von -1 zu +1 oxidiert. Somit haben wir mit der Redoxreaktion einen Elektronenübertrag vom Alkohol auf das Kupferoxid und es entsteht unser Aldehyd.
Aldehyde sind durch die Doppelbindung zwischen Kohlenstoffatom und Sauerstoffatom, sowie dem noch vorhandenen Wasserstoffatom charakterisiert. In Formeln wird die funktionelle Gruppe der Aldehyde gerne auch als -CHO abgekürzt.
Bei starken Oxidationsmitteln ist die Reaktion allerdings noch nicht abgeschlossen, denn nachdem ein Alkohol zum Aldehyd oxidiert wurde, kann er noch zur Carbonsäure oxidiert werden. Dies wollen wir uns nun anschauen. In unserem Reaktionsgemisch haben wir nun den zuvor entstandenen Aldehyd, Ethanal, Wasser und immer noch Kupferoxid als Oxidationsmittel. Kupferoxid kann mit Wasser in einem Zwischenschritt gut zu Kupferhydroxid Cu(OH)2 reagieren, wodurch wir in unserer Lösung Hydroxidionen (OH-) haben. Diese können dann mit dem Aldehyd reagieren und die Carbonsäure formen, welche in Verbindungen oftmals mit der Schreibweise COOH abgekürzt werden. Am Ende der Reaktion erhalten wir dann Ethansäure und Kupfer mit Wasser als erneutem Nebenprodukt.
Sekundäre Alkohole
Bei diesen ist es so, dass die Hydroxygruppe an einem Kohlenstoffatom gebunden ist, welches selbst noch an zwei weitere Kohlenstoffatome gebunden ist. Die letzte freie Bindung ist dann zum Beispiel wieder mit einem Wasserstoffatom gesättigt.
In unserem Beispiel schauen wir uns Propan-2-ol an. Zunächst schreiben wir wieder die Oxidationszahlen auf. Die Oxidationszahlen von Kupferoxid sind uns bekannt und bei Propan-2-ol kommen wir für das Kohlenstoffatom mit der Hydroxygruppe auf einen Wert von 0. In der Oxidationsreaktion reagiert der sekundäre Alkohol zum Keton und bildet wie im ersten Beispiel eine Doppelbindung zum Sauerstoffatom aus. Hierbei fehlt nun jedoch das freie Wasserstoffatom und wir haben eine Carbonylgruppe, abgekürzt als CO, hergestellt. Dies zeigt sich auch in den Oxidationszahlen. Im Propan-2-on hat sich der Wert des Kohlenstoffatoms von 0 auf +2 geändert. Die Oxidationszahlen beim Kupfer sind von +2 auf 0 gesunken. Als Nebenprodukt erhalten wir wieder Wasser. Eine weitere Reaktion findet nicht statt.
Tertiäre Alkohole
Bei den tertiären Alkoholen hat das Kohlenstoffatom mit der Hydroxygruppe noch drei weitere Bindungen zu anderen Kohlenstoffatomen aufgebaut. In unserem Beispiel sehen wir uns dazu das Molekül 2-Methyl-Propan-2-ol an. Diese Chemikalie ist auch unter dem Namen iso-Butan-2-ol oder in kurz tert-Butanol bekannt. Die Oxidationszahl für den Kohlenstoff der Hydroxygruppe ist +1. In der Reaktion mit Kupferoxid zeigt das Molekül jedoch keine Veränderung, denn tertiäre Alkohole lassen sich nicht einfach oxidieren. Dies würde nur durch sehr starke Oxidationsmittel unter dem Bruch mindestens einer Kohlenstoff-Kohlenstoffbindung passieren, was eine starke Änderung der Molekülstruktur zur Folge hätte.
Zusammenfassung
Primäre Alkohole reagieren zu Aldehyden und danach mit starken oxidationsmitteln weiter zu Carbonsäuren. Sekundäre Alkohole reagieren zu Ketonen und tertiäre Alkohole zeigen in der Regel keine Veränderung.
Versuchsdurchführung
Wenn du den Versuch nachmachen willst, beschreiben wir dir nun, was du dafür brauchst. In diesen Versuch benötigst du einen Brenner, eine Tiegelzange, drei Bechergläser, ein Stück Kupferblech und die drei Chemikalien: Ethanol, Propan-2-ol und iso-Butan-2-ol.
Bevor du dich ans Experimentieren machst, lies dir die H- und P-Sätze der Chemikalien durch und Erstelle eine Gefahrenbeurteilung.
Für den Versuch gehst du wie folgt vor. In jeweils ein Becherglas füllt ihr etwas von einer der drei Lösungen, gerade so, dass der Boden bedeckt ist.
Nun erhitzt ihr das Kupferblech über dem Brenner. Das Kupferblech oxidiert dabei zu Kupferoxid und wird schwarz. Nun taucht ihr das Blech in die erste Lösung, beispielsweise Ethanol. Ihr könnt beobachten, dass sich das Blech wieder entfärbt und das Kupferoxid mit der Lösung reagiert. Das gleiche macht ihr dann mit den beiden weiteren Chemikalien. Bei der iso-Butan-2-ol Lösung werdet ihr sehen, dass sich das Kupferblech nicht entfärbt und somit keine Reaktion stattfindet. In kleinerem Maßstab lässt sich der Versuch auch in einem Reagenzglas durchführen.
Nachdem du den Versuch abgeschlossen hast, musst du noch die Chemikalien ordnungsgemäß entsorgen und deine Beobachtungen in dein Versuchsprotokoll schreiben.
