الکل‌ها؛ نام‌گذاری، دسته‌بندی و واکنش‌های اکسایش

گروه هیدروکسیل را در ساختار الکل درست تشخیص بده

در الکل‌ها، گروه هیدروکسیل OH به یک اتم کربن اشباع متصل است. نمایش کلی یک الکل تک‌عاملی را می‌توان R−OH نوشت که در آن R یک گروه هیدروکربنی است. برای نمونه CH₃OH متانول و CH₃CH₂OH اتانول‌اند. صرف دیدن اکسیژن و هیدروژن کنار هم برای تشخیص کافی نیست؛ در اسید کربوکسیلیک نیز OH داریم، اما این گروه بخشی از الگوی COOH و متصل به کربن کربونیل است.

الکل‌های تک‌عاملی سیرشده و زنجیر باز، فرمول عمومی CₙH₂ₙ₊₂O دارند. این فرمول با اترهای هم‌تعداد کربن نیز مشترک است، پس فرمول مولکولی به‌تنهایی گروه عاملی را مشخص نمی‌کند. باید فرمول ساختاری یا اطلاعات واکنش را نیز ببینیم. همچنین وجود یک اتم اکسیژن الزاماً به معنی یک گروه هیدروکسیل نیست.

• الگوی عمومی الکل: R−OH
• کربن متصل به OH در الکل معمولی کربن اشباع است
• گروه COOH را با گروه عاملی الکل اشتباه نگیر
• الکل و اتر می‌توانند فرمول مولکولی یکسان داشته باشند

نام الکل را از زنجیر اصلی و جایگاه OH بساز

برای نام‌گذاری، بلندترین زنجیر کربنی را انتخاب کن که کربن حامل OH را دربر بگیرد. زنجیر را از سمتی شماره‌گذاری کن که گروه هیدروکسیل کوچک‌ترین شماره را بگیرد؛ اولویت این شماره از شاخه‌های آلکیلی بیشتر است. سپس نام آلکان متناظر را نوشته و پسوند «ـول» را همراه شماره جایگاه OH به آن می‌افزاییم.

ساختار CH₃CH₂CH₂OH پروپان‌-۱-اُل نام دارد، زیرا OH روی کربن اول زنجیر سه‌کربنی است. ساختار CH₃CH(OH)CH₃ پروپان‌-۲-اُل است. در ۳-متیل‌بوتان‌-۲-اُل، شماره‌گذاری از سر نزدیک‌تر به OH آغاز می‌شود؛ بنابراین OH شماره ۲ و شاخه متیل شماره ۳ می‌گیرد. اگر بیش از یک OH وجود داشته باشد، از پسوندهایی مانند «دی‌اُل» استفاده می‌شود و جایگاه همه گروه‌ها نوشته می‌شود.

• زنجیر اصلی باید کربن حامل OH را داشته باشد
• OH باید کوچک‌ترین شماره ممکن را بگیرد
• جایگاه شاخه‌ها پس از اولویت OH تعیین می‌شود
• شماره و پسوند ـول، جایگاه گروه عاملی را روشن می‌کنند

نوع اول، دوم و سوم را از همسایه‌های کربن حامل OH تشخیص بده

برای دسته‌بندی، فقط به کربنی نگاه کن که OH مستقیماً به آن متصل است و بشمار این کربن به چند اتم کربن دیگر پیوند دارد. اگر به یک کربن متصل باشد، الکل نوع اول است؛ اگر دو همسایه کربنی داشته باشد، نوع دوم و اگر سه همسایه کربنی داشته باشد، نوع سوم است. متانول یک حالت ویژه است، زیرا کربن حامل OH به هیچ کربن دیگری متصل نیست، اما رفتار اکسایشی آن معمولاً همراه الکل‌های نوع اول بررسی می‌شود.

اتانول CH₃CH₂OH نوع اول است، چون کربن CH₂OH فقط یک همسایه کربنی دارد. پروپان‌-۲-اُل نوع دوم است، زیرا کربن حامل OH میان دو گروه CH₃ قرار دارد. در ۲-متیل‌پروپان‌-۲-اُل، همان کربن به سه گروه متیل متصل است و الکل نوع سوم داریم. شماره OH یا شمار کل کربن‌های مولکول به‌تنهایی نوع الکل را تعیین نمی‌کند.

• یک همسایه کربنی: الکل نوع اول
• دو همسایه کربنی: الکل نوع دوم
• سه همسایه کربنی: الکل نوع سوم
• ملاک، فقط کربن حامل گروه OH است

پیوند هیدروژنی خواص فیزیکی الکل‌ها را تغییر می‌دهد

پیوند O−H قطبی است و مولکول‌های الکل می‌توانند میان خود پیوند هیدروژنی برقرار کنند. برای جداکردن این مولکول‌ها هنگام جوشیدن باید بر جاذبه‌های میان‌مولکولی نسبتاً قوی غلبه شود؛ به همین دلیل نقطه جوش یک الکل معمولاً از هیدروکربن هم‌جرم یا نزدیک به آن بیشتر است. این مقایسه باید میان مواد با اندازه و ساختار نسبتاً مشابه انجام شود، زیرا جرم مولی و شاخه‌دارشدن نیز بر نقطه جوش اثر دارند.

گروه OH با آب پیوند هیدروژنی تشکیل می‌دهد و بخش هیدروکربنی رفتاری آب‌گریز دارد. در الکل‌های کوچک اثر بخش قطبی چشمگیر است و متانول، اتانول و پروپانول‌ها انحلال‌پذیری زیادی در آب دارند. با بلندشدن زنجیر کربنی، سهم بخش ناقطبی افزایش و انحلال‌پذیری در آب کاهش می‌یابد. پس وجود OH به‌تنهایی تضمین نمی‌کند هر الکلی به هر نسبتی در آب حل شود.

• پیوند O−H منشأ قطبیت و پیوند هیدروژنی است
• پیوند هیدروژنی معمولاً نقطه جوش را افزایش می‌دهد
• OH بخش آب‌دوست و زنجیر کربنی بخش آب‌گریز است
• با افزایش طول زنجیر، انحلال‌پذیری در آب معمولاً کمتر می‌شود

فرآورده اکسایش به نوع الکل وابسته است

در اکسایش یک الکل نوع اول، کربن حامل OH یک پیوند بیشتر با اکسیژن پیدا می‌کند و ابتدا آلدهید تشکیل می‌شود. برای مثال اتانول به اتانال اکسید می‌شود: CH₃CH₂OH + [O] → CH₃CHO + H₂O. آلدهید می‌تواند در ادامه اکسید و به اسید کربوکسیلیک متناظر تبدیل شود: CH₃CHO + [O] → CH₃COOH. نماد [O] در این معادله‌ها نماینده اکسنده است و یک اتم آزاد اکسیژن را در ظرف واکنش نشان نمی‌دهد.

الکل نوع دوم با اکسایش به کتون تبدیل می‌شود. نمونه آن تبدیل پروپان‌-۲-اُل به پروپانون است: CH₃CH(OH)CH₃ + [O] → CH₃COCH₃ + H₂O. الکل نوع سوم روی کربن حامل OH اتم هیدروژن ندارد؛ بنابراین با اکسنده‌های معمول و در شرایط ملایم، مانند نوع اول و دوم اکسید نمی‌شود. در شرایط شدید ممکن است پیوندهای کربن‌ـ‌کربن شکسته شوند، پس عبارت دقیق‌تر این است که «اکسایش ملایم معمول الکل نوع سوم فرآورده کربونیلی متناظر نمی‌دهد».

• نوع اول: ابتدا آلدهید و سپس اسید کربوکسیلیک
• نوع دوم: کتون
• نوع سوم: بدون اکسایش معمول در شرایط ملایم
• برای پیش‌بینی، وجود هیدروژن روی کربن حامل OH را بررسی کن

سوختن کامل الکل را با شمارش اتم‌ها موازنه کن

الکل‌ها نیز مانند بسیاری از ترکیب‌های آلی در اکسیژن می‌سوزند. در سوختن کامل، اگر اکسیژن کافی باشد، کربن به CO₂ و هیدروژن به H₂O تبدیل می‌شود. برای اتانول داریم: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O. اکسیژن موجود در خود مولکول الکل را هنگام موازنه فراموش نکن؛ به همین دلیل مقدار O₂ لازم با هیدروکربنی دارای همان تعداد کربن و هیدروژن یکسان نیست.

روش منظم این است که ابتدا کربن، سپس هیدروژن و در پایان اکسیژن را موازنه کنیم. در سوختن کامل یک مول اتانول، دو مول CO₂ و سه مول H₂O ساخته و سه مول O₂ مصرف می‌شود. این ضرایب نسبت مولی‌اند و برای نسبت تعداد مولکول‌ها نیز به کار می‌روند، اما بدون توجه به جرم مولی نباید آن‌ها را نسبت جرمی دانست.

مثال حل‌شده: ساختار را نام‌گذاری و فرآورده را پیش‌بینی کن

ساختار CH₃CH₂CH(OH)CH₃ را بررسی کن. بلندترین زنجیر چهار کربن دارد و شماره‌گذاری از سمت نزدیک OH، جایگاه ۲ را می‌دهد؛ پس نام آن بوتان‌-۲-اُل است. کربن حامل OH به دو کربن دیگر متصل است، بنابراین الکل نوع دوم به شمار می‌آید. اکسایش ملایم آن یک کتون با همان اسکلت کربنی، یعنی بوتان‌-۲-اون، می‌سازد: CH₃CH₂CH(OH)CH₃ + [O] → CH₃CH₂COCH₃ + H₂O.

برای کنترل پاسخ، سه تصمیم را جدا بنویس: طول زنجیر و شماره OH نام را می‌سازد؛ شمار همسایه‌های کربنی نوع الکل را تعیین می‌کند؛ و نوع الکل فرآورده اکسایش را نشان می‌دهد. این جداسازی مانع خطای رایجی می‌شود که دانش‌آموز فقط از روی نام یا تعداد کل کربن‌ها، نوع الکل را حدس می‌زند.

تمرین روشن و نکات کلیدی

تمرین: 4.6 g اتانول با اکسیژن اضافی به‌طور کامل می‌سوزد. با جرم مولی اتانول 46 g·mol⁻¹، مقدار اتانول 4.6÷46 = 0.10 mol است. از معادله C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O، به ازای هر مول اتانول دو مول CO₂ تشکیل می‌شود؛ پس 0.20 mol CO₂، برابر 0.20×44 = 8.8 g، به دست می‌آید. همچنین اکسیژن مصرفی 0.30 mol است.

در مسئله‌های ساختاری ابتدا گروه عاملی را پیدا کن، سپس زنجیر اصلی و جهت شماره‌گذاری را تعیین کن. برای تشخیص نوع، پیوندهای کربن حامل OH را جداگانه بررسی کن. در سؤال اکسایش، نوع اول را به آلدهید و در ادامه اسید، نوع دوم را به کتون و نوع سوم را در شرایط ملایم بدون فرآورده کربونیلی متناظر پیوند بده. در محاسبه سوختن نیز فقط از معادله موازنه‌شده استفاده کن.

• OH را با COOH اشتباه نگیر
• در نام‌گذاری، شماره OH بر شماره شاخه اولویت دارد
• نوع الکل از شمار همسایه‌های کربنی کربن حامل OH می‌آید
• پیوند هیدروژنی بر نقطه جوش و انحلال‌پذیری اثر می‌گذارد
• نوع اول، دوم و سوم در اکسایش رفتار متفاوت دارند
• اکسیژن درون فرمول الکل را هنگام موازنه سوختن حساب کن