Sprawozdanie

Jakub Knurek

środa, 8:00 (gr. I)

Temat: Alkohole. Fenole. Aminy aromatyczne.

1. Alkohole.

Wstęp teoretyczny

Alkohole to związki organiczne zawierające w swoim składzie grupę hydroksylową. Grupa alkilowa może być pierwszorzędowa, drugorzędowa, trzeciorzędowa, łańcuchowa lub cykliczna. Rzędowość alkoholi zależna jest od rzędowości atomu węgla, z którym związana jest grupa hydroksylowa. Nazewnictwo alkoholi powstaje poprzez dodanie przyrostka -ol do nazwy alkilu.

Alkohole charakteryzują się charakterystycznymi właściwościami ze względu na obecność grupy hydroksylowej. Dokładnie zaś związane są z elektroujemnością atomu tlenu, ponieważ jest on bardziej elektroujemny zarówno w stosunku do sąsiadujących atomów węgla oraz wodoru.

W reakcjach przebiegających z rozerwaniem wiązania pomiędzy tlenem i wodorem wyróżniamy reakcje powstawania alkoksylanów, estrów, aldehydów oraz ketonów. Reakcje alkoholi z metalami alkalicznymi (typu potas, sód) polegają na powstaniu soli tychże metali. Powstanie estrów wiąże się z reakcją alkoholi z kwasami karboksylowymi. Pod wpływem mocnych utleniaczy (np. KMnO4) grupa hydroksylowa ulega utlenieniu do grupy karbonylowej. Z alkoholi pierwszorzędowych otrzymuje się aldehydy, zaś z drugorzędowych – ketony. Alkohole trzeciorzędowe nie reagują, a rozpadają się na mniejsze fragmenty.

W reakcjach przebiegających z rozerwanie wiązania pomiędzy tlenem i węglem wyróżniamy reakcje powstawania alkenów, fluorowcopochodnych oraz eterów. Najważniejszą z wyżej przestawionych reakcji jest protonowanie alkoholi. W fazie przejściowej powstaje kation oksoniowy, który dysocjuje łatwiej niż sam alkohol, dając karbokation, który w odpowiednich warunkach może utworzyć analogiczny alken. Fluorowcopochodne powstają w wyniku reakcji alkoholu z kwasami halogenowodorowymi, a etery w reakcji dwóch cząsteczek alkoholi.

Poliole to alkohole zawierające więcej niż jedną grupę hydroksylową. Oprócz uleganiu takim samym reakcjom jak typowe alkohole, istnieją także specyficzne reakcje polioli, jak np. reakcja Maillarda, czy utlenianie kwasem nadjodowym dioli wicynalnych. Poliole możemy podzielić na diole (posiadający dwie grupy OH), czy triole (trzy grupy OH).

Właściwości fizyczne i chemiczne alkoholi determinują ich zastosowanie. Są więc stosowane jako grupa rozpuszczalników oraz substraty do tworzenia ważnych związków organicznych - od alkenów, po kwasy karboksylowe. Alkohole można otrzymać na skale przemysłową na drodze dwóch procesów: z alkenów po krakingu ropy naftowej lub fermentacji. Zaś w labolatorium można otrzymywać alkohole przez hydrortęciowanie, bromowodorowanie alkenów lub uwodnienie albo uwodornienie aldehydów, ketonów oraz kwasów karboksylowych, bądź metodą Grignarda. Metody laboratoryjne pozwalają nam na otrzymanie alkoholi dość czystych chemicznie i pozbawionych zbędnych zanieczyszczeń.

Alkohole występują w organizmach żywych jako np. olejki zapachowe. Możemy wyróżnić grupę tepenoidów np. ksantofile, czy karotenoidy. Także cholesterol, alkohol cykliczny, jest ważną substancją organiczną niezbędną do życia organizmu. Od zawartości cholesterolu zależy elastyczność błony komórkowej. Także glicerol, triol, jest substratem przy tworzeniu kwasów tłuszczowych.

a. Próba Lucasa

Próba Lucasa to doświadczenie pokazujące różnice między I-, II- i III-rzędowymi alkoholami. Polega ona na obserwacji różnic ich reaktywności z halogenowodorami. Reakcja ta zachodzi po dodaniu do alkoholu odczynnika Lucasa (ZnCl2 rozpuszczonego w stężonym HCl). W zależności od rzędowości węgla, różna jest szybkość powstawania osadu chloroalkanu.

Wykonanie: Do czterech krótkich probówek nalałem po 1 ml odczynnika Lucasa, a następnie do każdej dodałem po 0,5 ml alkoholu (1-butanolu, 2-butanolu, 2‑metylo‑2‑propanolu oraz cykloheksanolu).

Obserwacje: W probówce z 2‑metylo‑2‑propanolem roztwór uległ natychmiastowemu zmętnieniu. W pozostałych pobówkach początkowo nic się nie działo. Po kilku minutach pojawiło się zmętnienie w probówkach z 2-butanolem i cykloheksanolem, zaś w probówce z 1-butanolem nie zaobserwowałem reakcji.

Wniosek: Natychmiastowe pojawienie się osadu w probówce z 2‑metylo‑2‑propanolem wskazuje, że jest to alkohol trzeciorzędowy. Pojawienie się osadu z opóźnieniem w probówce z 2-butanolem oraz z cyklohesanolem, wskazuje na fakt, że są to alkohole drugorzędowe. Brak zmian w probówce z 1-butanolem każe nam twierdzić, że znajdują się w niej alkohol pierwszorzędowy.

Reakcje:

CH3-C(CH)(OH)-CH3 + HCl → CH3-C(CH)Cl-CH3 + H2O

[2‑metylo‑2‑propanolu + chlorowodór → 2-chloro-2-metylopropan + woda]

CH3C(OH)CH2CH3 + HCl → CH3CClCH2CH3 + H20

[2-butanol + chlorowodór → 2-chlorobutan + woda]

CH3CH2CH2CH2OH + HCl → CH3CH2CH2CH2Cl +H2O

[1-butanol + chlorowodór → 1-chlorobutan + woda]

C6H11OH + HCl → C6H11Cl + H20

[cykloheksanol + chlorowodór → chlorocykloheksan + woda]

Cykloheksanol jest alkoholem drugorzędowym.

b. Badanie właściwości glicerolu

ba. Próba akroleinowa

Próba akroleinowa przeprowadzana jest w celu wykrycia glicerolu, który za pomocą wodorosiarczanu potasu odwadnia się do lotnego, nienasyconego aldehydu akrylowego, zwanego akroleiną. Związek ten posiada ostry drażniący zapach i jako aldehyd ma zdolność redukowania jonów srebra. Akroleina ma właściwości alkoholi i aldehydów.

Wykonanie: Do probówki wlałem kilka kropli gliceryny i dodałem odrobinę wodorosiarczanu potasu. Następnie ogrzewałem probówkę nad płomieniem palnika. U wylotu probówki umieściłem wcześniej przygotowany pasek bibuły, zanurzony uprzednio w roztworze AgNO3.

Obserwacje: Bibuła ściemniała na skutek trzymania nad probówką. Nad probówką wyczuwalny był ostry zapach.

Wniosek: Ściemnienie bibuły jest wynikiem wytrącania się srebra metalicznego na skutek działania akroleiny. Świadczy to o obecności glicerolu.

Reakcja:

C3H5(OH)3 ----> CH2=CH-CHO + 2 H2O

[gliceryna -(pod wpływem wodorosiarczanu potasu)-> akroleina + woda]

bb. Reakcja z wodorotlenkiem miedzi (II)

Gliceryna jest alkoholem polihydroksylowym i dzięki temu tworzy z jonami miedzi rozpuszczalny związek kompleksowe o niebieskiej barwie. Alkohole monowodorotlenowe nie dają takiej reakcji.

Wykonanie: Do probówki wlałem 0,5 ml roztworu sierczanu miedzi, a następnie dodałem do niego kilka kropli wodorotlenku sodu. Wytrącił się niebieski osad wodorotlenku miedzi. Następnie dodałem kilka kropli gliceryny. Powtórzyłem doświadczenie, zamiast gliceryny używając etanolu.

Obserwacje: Po dodaniu gliceryny osad rozpuścił się, a roztwór intensywnie zabarwił się na niebiesko. W doświadczeniu z etanolem nie zaobserwowałem reakcji.

Wniosek: Rozpuszczenie osadu świadczy o obecności gliceryny.

2. Fenole

Wstęp teoretyczny

Fenole to związki aromatyczne posiadające grupę hydroksylową przyłączoną bezpośrednio do pierścienia aromatycznego. Nazewnictwo fenoli jest tożsame z nazewnictwem alkoholi. Mimo tego większość fenoli posiada nazwy zwyczajowe, które używa się zastępczo.

Fenole występują w smole węglowej, powstałej na skutek koksowania węgla kamiennego lub mogą być wytwarzane syntetycznie, w procesie ogrzewania pod wysokim ciśnienim chlorobenzenu w obecności wodorotlenku sodu.

Fenole występują w stanie stałym lub ciekłym. Mają stosunkowo niskie temperatury topnienia i wysokie temperatury wrzenia, co jest skutkiem obecności wiązań woorowych między cząsteczkami fenoli. Rozpuszczalność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

W reakcjach związanych z grupą hydroksylową fenole mogą tworzyć fenolany, estry oraz etery. Co ciekawe nie zachodzi reakcja powstawania halogenków alkilowych, polegająca na podstawieniu grupy hydroksylowej przez fluorowca, co było charakterystyczną reakcją dla alkoholi. Fenolany powstają na skutek reakcji z wodorotlenkami metali. Wyróżniamy reakcje fenoli z chlorkiem żelaza (III), w wyniku której powstają barwne kompleksy. Ta reakcja świadczy o obecności fenoli w próbce. Estry powstają w sposób analogiczny, jak u alkoholi. W przypadku fenoli reakcje te muszą zachodzić z substancjami bardziej reaktywnymi niż kwasy karboksylowe, z ich bezwodnikami lub chlorkami kwasowymi. Tymczasem w reakcji z halogenkami alkilów powstają etery.

Reakcje związane z pierścieniem aromatycznym oparte są o proces substytucji elektrofilowej. Reakcje te zachodzą łatwiej niż w przypadku benzenu. Spowodowane jest to obecnością grupy OH, która jest aktywatorem pierścienia. Summa summarum powstają fenolokwasy i fenoloaldehydy. Fenole ulegają także reakcjom nitrozowania i sprzęgania z solami diazoniowymi, dając azobarwniki. Fenole można także protonować. Powstają wtedy cykliczne alkohole.

Chinony to związki łatwo przechodzące w hydrochinony. Są wykorzystywane w metaboliizmie komórki. Benzochinony powstają na skutek utlenienia benzenodioli.

Fenole występują jako substrat do syntezy ligninowego składnika ścian roślin wyższych. Mogą występować także jako hormony, barwniki, antyoksydanty lub insektycydy. Jak więc widzimy, spektrum wykorzystania fenoli przez żywe organizmy jest ogromne. W takim śiwetle nie jest tak zadziwiające, że także człowiek także korzysta z dobrodziejstw właściwości fenoli. Używane są jako środek antyseptyczny (dawniej), witamina E, resweratrol, czy flawonoidy.

a. Rozpuszczalność fenolu w wodzie i jego właściwości kwasowe.

Wykonanie: Do probówki wsypałem kilka kryształków fenolu, a następnie rozpuściłem je w wodzie dystylowanej. Do tak powstałego roztworu włożyłem papierek uniwersalny, w celu sprawdzienie odczynu. Następnie dodawałem kroplami wodorotlenek sodu, do czasu powstania klarownego roztworu. Potem dodałem także roztwór chlorowodoru.

Obserwacje: Papierek wskaźnikowy zabarwił się na czerwono. Po dodaniu chlorowodoru do roztworu wytrąciły się w nim oleiste krople.

Wniosek: Czerwony kolor papierka wskaźnikowego mówi o kwasowych właściwościach fenolu. Wytrącenie się oleistych kropel wskazuje na obecność fenolu w próbce.

Reakcje:

C6H5OH + NaOH → C6H5ONa + H2O

[fenol + woorotlenek sodu → fenolan sodu + woda]

C6H5ONa + HCl → C6H5OH + NaCl

[fenolan sodu + chlorowodór → fenol + chlorek sodu]

b. Bromowanie fenolu

Wykonanie: W probówce sporządziłem roztwór fenolu, do którego dodałem kroplami wodę bromową.

Obserwacje: Początkowo powstało zmętnienie roztworu. Po kilku chwilach można było jednak zaobserwować wyraźne, żółtawe, galaretowate fragmenty osadu.

Wniosek: Zmętnienie roztworu świadczyło o powstaniu mono- i dibromofenolu. Powstanie białożółtego osadu świadczy o powstaniu tribromofenolu.

Reakcje:

[fenol + woda bromowa → 2,4,6-tribromofenol + bromowodór]

c. Nitrowanie fenolu

Wykonanie: W probówce sporządziłem roztwór fenolu, do którego dodałem 1 ml stężonego kwasu azotowego. Następnie powstały roztwór ogrzewałem.

Obserwacje: W czasie ogrzewania roztwór stał się najpierw czerwony, a następnie żółty.

Wniosek: Żółta barwa powstała na zakończenie doświadczenia świadczy o obecności w roztworze kwasu pikrynowego (2,4,6-trinitrofenolu).

Reakcja:

d. Reakcje z chlorkiem żelaza (III)

Wykonanie: Przygotowałem dwanaście probówek i podzielilem je na sześć par. Do każdej z par wlałem określony związek (patrz. tabelka). Następnie dodałem kilka kropli FeCl3 do każdej probówki. Potem do jednej probówki z pary dodałem kilka kroli węglanu sodu.

Obserwacje:

Nazwa systematyczna	Nazwa zwyczajowa	Wzór sumaryczny	Barwa po dodaniu FeCl3	Barwa po dodaniu Na2CO3
hydroksybenzen	fenol	C6H5OH	bezbarwny	żółty
benzeno-1,2-diol	pirokatechina	C6H4(OH)2	ciemnozielony	granatowy
kwas 2-hydroksybenzeno karboksylowy	kwas salicylowy	C7H6O3	biemnoczerwony z osadem	pomarańczowy
kwas 3,4-dihydroksybenzoesowy	kwas protokatechowy	C7H6O4	ciemnozielony „oliwkowy”	ciemnofioletowy
4-hydroksy-3-metoksybenzaldehyd	wanilina	C8H8O3	szarawy z osadem	pomarańczowy
kwas 4-hydroksy-3,5-dimetoksybenzoesowy	kwas syryngowy	C9H10O5	brązowy z osadem	przejrzysty z osadem na dnie

Wniosek: W reakcji z chlorkiem żelaza(III) związki aromatyczne, które umieściłem w probówkach reagują, tworząc barwne związki kompleksowe. Charakterystyczna barwa zanika po dodaniu węglanu sodu, co świadczy o tym, że związek ten przeszkadza powstawaniu kompleksów.

3. Aminy

Wstęp teoretyczny

Aminy możemy traktować jako pochodne amoniaku. Są to związki organiczne, zawierwające w swoim składzie grupę aminową. Jak widzimy na załączonym obrazku, rzędowość amin zależna jest od ilości postawników alkilowych (lub arylowych).

Rzędowość amin decyduje o ich właściwościach chemicznych. Najprostsze, I‑rzędowe aminy alifatyczne są gazami. Pozostałe to ciecze o dość przykrym, rybim zapachu. Aminy alifatyczne I- i II-rzędowe dobrze rozpuszczają się w wodzie, ponieważ tworzą z jej cząsteczkami wiązania wodorowe. Aminy aromatyczne nie posiadają tej cechy, co spowodowane jest ich łańcuchową budową. Są to ciecze trujące, kiepsko rozpuszczalne w wodzie, ale za to łatwo utleniające się na powietrzu.

Do rozróżnienia rzędowości amin używa się reakcji z kwasem azotowym (III). Więcej o reakcjach amin będzie jednak w dalszej części wstępu, więc, by się nie powtarzać, jedynie wspomnę o nich w tym momencie.

Nazwy amin tworzy się poprzez dodanie końcówki -amina do wymienionych w porząku alfabetycznym podstawników alkilowych i arylowych.

Aminy alifatyczne można otrzymać poprzez reakcje chlorków alkilowych z amoniakiem, jednakże synteza ta zawsze prowadzi do mieszaniny produktów (od aminy pierwszorzędowej aż do czwartorzędowej soli amoniowej). Aby uniknąć powstawania amin wyższego rzędu należy użyć nadmiaru amoniaku. Można także skorzystać z innych metod otrzymywania amin, jak np. redukcyjna aminacja aldehydów i ketonów, czy redukcja nitrozwiązków.

Charakterystyczną reakcją, której ulegają aminy jest substytucja elektrofilowa. Ten proces może zachodzić z taką łatwością, ponieważ grupa aminowa jest postawnikiem aktywującym pierścień, co pozwala na zajście reakcji nawet bez udziału katalizatorów. Aminy ulegają także rozpuszczeniu w kwasach organicznych, dając sole amoniowe. W tych solach widzimy właśnie obecność kationu amoniowego, który możemy potraktować jak czwartorzędową aminę.

Pragnę przejść teraz do obiecanych wcześniej reakcji amin z kwasem azotowym (III). Bliżej przyjrzymy się reakcji diazowania amin aromatycznych. W wyniku tej reakcji wytworzyć się może np. barwnik azowy. Dłuższy opis zamieszczony przy adekwatnym doświadczeniu.

[anilina → chlorek benzenodiazowy → 1-benzenoazo-2-naftol]

To nie jedyne reakcje, którym ulegają aminy. Ze względu na obecność wolnej pary elektronów, aminy stanowią łatwy cel dla chytrych, nukleofilowych ataków. W reakcji amin z kwasami karboksylowymi powstają amidy. Aminy aromatyczne mogą wejść w reakcję z pochodnymi kwasów sulfonowych. W ten sposób powstać mogą sulfonamidy. W reakcji amin z aldehydami i ketonami powstają zasady Schiffa, czyli iminy. Są to związki barwne, a sam proces używany jest do wykrywania obecności amin I-rzędowych.

Aminy mają wielkie znaczenie dla wszystkich żywych organizmów. Głównie występują jako produkty rozpadu białek, są jednak także jako forma przejściowa podczas reakcji chemicznych organizmów. Mogą być także substratami przy tworzeniu mediatorów, czy podczas opowiedzi immunologicznej organizmu.

a. Rozpuszczalność aniliny w wodzi i kwasach

Wykonanie: Do probówki zawierającej anilinę wlałem wodę. Widoczna była granica faz między cieczami. Następnie dodawałem kroplami chlorowodoru, aż do uzyskania klarownego roztworu. Potem do roztworu dodałem nadmiar wodorotlenku sodu.

Obserwacje: Po dodaniu roztworu chlorowodoru powstał klarowny roztwór. Na skutek wprowadzenia do probówki nadmiaru roztworu wodorotlenku sodu wytrąciły się bąbelki oleistej cieczy

Wniosek: Powstanie klarownego roztworu, po dodaniu chlorowodoru, świadczy o dobrej rozpuszczalności w środowisku kwaśnym. Ponowne pokazanie się aniliny, świadczy o jej słabej rozpuszczalności w wodzie.

Reakcje:

C6H5NH2 + HCl → [C6H5NH3] Cl

[anilina + chlorowodór → chlorowodorek aniliny]

[C6H5NH3] Cl + NaOH → C6H5NH2 + NaCl + H2O

[chlorowodorek aniliny + wodorotlenek sodu → anilina + chlorek sodu + woda]

b. Próba ligninowa

Aminy powstają w procesie kondensacji cząsteczki alehydu lub ketonu z cząsteczką aminy pierwszorzędowej.

Wykonanie: Na kawałek drewna nalałem po kropli aniliny i sulfanilamidu. Po kilku minutach, po wsiąknięciu w drewno wcześniejszych substancji, w te same miejsca dodałem po kropli chlorowodoru.

Obserwacje: W miejscu dodania aniliny drewno zrobiło się żółtawe. W miejscu dodania sulfanilamidu barwa drewna pozostała bez zmian.

Wniosek: To, że drewno zrobiło się żółtawe świadczy o obecności imin w badanej próbce. W miejscu dodania sulfanilamidu także powstały iminy (ponieważ sulfanilamid jest najprostszym sulfonamidem posiadającym grupę aminową, biorącą udział w powstawaniu zasad Schiffa), jednak były nie były one barwne.

Wzory:

wanilina anilina sulfanilamid

c. Otrzymywanie barwników azowych

Chlorki diazowe nie są substancjami trwałymi, a reagując dają azobarwniki. W tej grupie barwników wyróżniamy związki hydroksyazowe i aminoazowe. Komponent diazoniowy barwnika to substancja czynna (reagująca), zaś fenol lub amina to składnik bierny. Barwność azobarwników wynika z obecności grupy chloroformowej.

Wykonanie: Do pojemnika z pokruszonym lodem włożyłem dwie probówki. Do obu dodałem 5 ml rozcieńczonego roztworu HCl i po 3 oraz 6 kropli aniliny. Do próbówki, do której dodałem mniej aniliny już nic nie dodawałem, zaś do drugiej dodałem roztwór NaOH.

Obserwacje: W probówce z mniejszą ilością dodanej aniliny pojawił się piękny, czerwony osad. W drugiej probówce wytrąciła się substacja o żółtym kolorze.

Wniosek: W probówce z czerwonym osadem, świadczy on o obecności barwinka azowego (dokł. 1-benzeno-2-naftolu). W drugiej probówce pojawił się zaś żółty kolor, co jest wynikiem obecności tam 4-aminoazobenzenu.

Reakcje:

[chlorek benzenodiazowy -(b-naftanol)-> 1-benzenoazo-2-naftol]

[chlorek benzenodiazowy + anilina →

4-aminoazobenzen]

4. Charakterystyka związków

Nazwa związku	Występowanie	Właściwości fizyczne	Zastosowanie
metanol	W moszczach i destylatach owocowych.	Bezbarwna ciecz o zapachu podobnym do etanolu. Bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie. Silna trucizna. Spala się bladoniebieskim płomieniem. Twrzenia = 64,6 °C Ttopnienia = - 98 °C	Używany jest jako rozpuszczalnik (rozpuszczają się w nim tłuszcze, żywice i pokosty). Stosowany w produkcji materiałów wybuchowych np. C4. Stosowany jako paliwo w silnikach spalinowych, np. używanych w motocyklach żużlowych. Stosowany z ługami lub kwasami do otrzymywania estrów metylowych.
etanol	Powstają wskutek fermentacji alkoholowej.	Bezbarna, klarowna ciecz o charakterystycznym zapachu. Średnio rozpuszczalny w wodzie. Ma piekący smak. Łatwopalny. Twrzenia = 78,4 °C Ttopnienia = - 114,3 °C	Przemysł alkoholowy. Substrat do syntezy gazu syntezowego.
glicerol	Otrzymuje się go z propenu w wyniku.	Tłusta, syropowata ciecz. Bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie. Twrzenia = 290 °C Ttopnienia = 19 °C	Ma zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym, spożywczym, kosmetycznym. Wyrób materiałów wybuchowych oraz barwników.
fenol	Występuje w żywicach, czy miodzie pszczelim.	Bezbarwne, krystaliczne ciało stałe (po utlenieniu kolor od różowego do czarnego). Dobrze rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych, umiarkowanie w wodzie Twrzenia = 182 °C Ttopnienia = 41 °C	Produkcja leków i środków antyseptycznych. Środek dezynfekujący.
anilina	Występuje w roślinach roślin.	Ciecz bezbarwna o charakterystycznym rybim zapachu. Słabo rozpuszczalna w wodzie. Twrzenia = 184,13 °C Ttopnienia = - 6,2 °C	Substrat paliwa rakietowego. W przemyśle farmaceutycznym, gumowym, barwnikarskim. Przy wytwarzaniu materiałów wybuchowych.