Alcoholen als reductor - theorie

Redoxreacties zijn reacties waarbij ladingen verschuiven. Meestal komen redoxreacties voor tussen twee metalen, twee niet-metalen of tussen een niet-metaal en een metaal. Toch kunnen organische stoffen ook reageren als een reductor of oxidator. De redoxreacties bij alcoholen zijn van belang voor de verwerking van ethanol in het menselijk lichaam: de reductie van ethanol zorgt voor afbreekbare producten.

Wat zijn alcoholen?

Alcoholen zijn organische moleculen (koolwaterstoffen) waaraan een -OH-groep, ook wel de hydroxylgroep genaamd, is gebonden. In figuur 1 is afgebeeld hoe een hydroxylgroep is gebonden aan een koolwaterstof. Een alcohol is goed oplosbaar in water door de hydroxylgroep, die het molecuul de mogelijkheid geeft om waterstofbruggen te slaan met andere polaire moleculen. Om goed oplosbaar te zijn moet het apolaire koolstofskelet afgestemd zijn op de hoeveelheid hydroxylgroepen in het molecuul: als het molecuul lang is en er zijn relatief weinig hydroxylgroepen, dan zal het moeilijker zijn om de stof op te lossen. Andersom geldt ook dat een kleiner molecuul met minder hydroxylgroepen makkelijker oplost, en dat een langer molecuul met meer hydroxylgroepen makkelijker oplost. De oplosbaarheid van alcoholen is, kortom, te bepalen aan twee kwaliteiten:

• De lengte van het apolaire koolstofskelet
• De mate waarin hydroxylgroepen aanwezig zijn

De hydroxylgroep

Zoals in figuur 1 staat afgebeeld bestaat de hydroxylgroep uit een -OH-binding. Omdat de hydroxylgroep de eigenschappen van een organisch molecuul significant kunnen aanpassen wordt het een functionele groep genoemd binnen de organische chemie. Bij functionele groepen horen voor- en achtervoegsels, die in het tabel hieronder voor de hydroxylgroep is uitgezet:

Soorten alcoholen

Wanneer met alcoholen wordt gewerkt zijn er drie soorten te benoemen. Dit is afhankelijk van de bindingslocatie van de hydroxylgroep, die een alcohol een primair, secundair of een tertiair alcohol kan maken.

Primaire alcoholen - redox Een primair alcohol is een alcohol waarvan het koolstofatoom waaraan de hydroxylgroep is gebonden ook is gebonden aan één ander koolstofatoom. Een voorbeeld van een dergelijk molecuul is afgebeeld in figuur 2. Indien een sterke oxidator wordt toegevoegd reduceert het alcohol tot een aldehyde. Dit geldt voor elke primaire alcohol: de eerste stap in een redoxreactie waarbij een oxidator wordt toegevoegd aan een alcohol resulteert in de productie van een aldehyde. In dit geval zou ethanol tot ethanal reduceren; er vindt géén ontkoppeling plaats tussen koolstofatomen in het molecuul. Omdat hier wordt gesproken van een redoxreactie kan de halfreactie van een willekeurig alcohol gebruikt worden. Voor elke primaire alcohol gelden namelijk dezelfde waarden, behalve voor de lengte van het molecuul. In onderstaand voorbeeld is de halfreactie van ethanol afgebeeld:


De volgende stap is een reactie in aangezuurd milieu. Omdat deze reactie volgens katalyse verloopt en pas op het einde een redoxreactie vertoont, wordt alleen de redoxreactie vertoond. Bij deze reactie wordt een zogenoemd diol gevormd, een primair di-alcohol. De halfreactie voor deze laatste stap gaat als volgt:


Secundaire alcoholen - redox
Secundaire alcoholen zijn alcoholen waarbij het koolstofatoom waaraan de hydroxylgroep is gebonden, ook is gebonden aan twee koolstofatomen. Een voorbeeld van een dergelijk alcohol is afgebeeld in figuur 3. Omdat een redoxreactie met een organische stof niet de stof opbreekt betekent dit dat een dergelijk molecuul alleen kan reduceren tot keton. De dubbelgebonden zuurstof (ook wel de carbonylgroep) bevindt zich niet aan het begin van een molecuul, waardoor het geen aldehyde is. Door deze eigenschap kan een secundair alcohol alleen reduceren tot keton, en niet verder tot een carboxylgroep, ook wel een zuurgroep genoemd). Dit is te verklaren door te kijken naar het aantal bindingen waaraan de ketongroep vastzit. Een zuurgroep beschikt over een dubbelgebonden zuurstof en een hydroxylgroep op hetzelfde koolstofatoom, waardoor er ruimte is voor 1 andere binding; dikwijls een ander koolstofatoom. Omdat een secundair alcohol reduceert tot keton zijn er al twee bindingen gereserveerd voor aangrenzende koolstofatomen, waardoor een carboxylgroep onmogelijk is op dat koolstofatoom.

Tertiaire alcoholen - redox
Een tertiair alcohol beschikt over een koolstofatoom met een hydroxylgroep en drie aangrenzende koolstofatomen. Een voorbeeld van een dergelijk alcohol is afgebeeld in figuur 4. Dit is een type alcohol dat niet zal reageren als reductor omdat er geen elektronen meer vrij zijn op het koolstofatoom waaraan de hydroxylgroep gebonden is. Hierdoor kan het koolstofatoom geen sterkere binding aangaan met het zuurstof en is de formatie van een keton in een tertiair alcohol uitgesloten.

Gebruik van alcoholen als reductor

Bij het gebruiken van alcoholen als reductor kan worden achterhaald welke stof aanwezig was als reductor. Met de kennis dat primaire alcoholen doorreageren tot zuren zal bij een volledige reactie de pH dalen naar zuurdere klimaten. Bij een verlaging van de pH zou de reductor dus een primaire alcohol zijn. Bij een secundair alcohol zou er geen verschuiving plaatsvinden van de pH, net als bij een tertiair alcohol. Toch kan een verschil worden opgemerkt. Bij een tertiair alcohol reageert geen enkele stof, waarbij een kleurrijke oxidator (zoals een oplossing van kaliumpermanganaat) zijn kleur behoudt. Een secundair alcohol zou hiermee reageren en de kleur tenietdoen. Bij redoxreacties met een onbekende alcohol is het daarom belangrijk goed te letten op de gebeurtenissen: de pH en de kleur geven al veel prijs.