10.2: Propiedades físicas de alcoholes y fenoles

Los alcoholes son compuestos orgánicos en los que un grupo hidroxi está unido a un carbono saturado. Los fenoles son una clase de alcoholes que contienen un grupo hidroxi unido a un anillo aromático. Las propiedades físicas de los alcoholes y fenoles están influenciadas por los enlaces de hidrógeno debido al dipolo oxígeno-hidrógeno en el grupo funcional hidroxi y las fuerzas de dispersión entre las regiones alquilo o arilo de las moléculas de alcohol y fenol.

Los alcoholes poseen un punto de ebullición más alto que los hidrocarburos alifáticos de pesos moleculares similares debido a los enlaces de hidrógeno intermoleculares. Al igual que en los hidrocarburos, las fuerzas de dispersión son la razón del mayor punto de ebullición al aumentar la longitud de la cadena de carbono.

Los enlaces de hidrógeno entre el grupo hidroxi y el agua facilitan la solubilidad de los alcoholes en agua. Sin embargo, la solubilidad en agua también depende de la longitud de la región alquilo o no polar de la molécula. Los alcoholes con una región alquilo de hasta tres átomos de carbono son miscibles con agua. A medida que aumenta la longitud de la cadena, el aumento de la superficie de la región no polar dificulta la solvatación por las moléculas de agua.

La solubilidad de los alcoholes ramificados es mayor que la de los alcoholes lineales de peso molecular similar. La ramificación reduce el área de superficie para interacciones intermoleculares entre regiones no polares; por tanto, la región hidrofóbica no polar es más pequeña. Debido a las interacciones intermoleculares más débiles, los puntos de ebullición de los alcoholes ramificados son más bajos que los de los correspondientes alcoholes lineales.

Múltiples sitios para enlaces de hidrógeno en una molécula aumentan el punto de ebullición; por lo tanto, los dioles y aminoalcoholes poseen puntos de ebullición más altos y una mejor solubilidad en agua que los alcoholes.

En comparación con los alcoholes lineales, los alcoholes cíclicos sólo pueden existir en un número limitado de conformaciones debido a restricciones estéricas. El aumento de las interacciones intermoleculares que surgen del empaquetamiento estrecho del alcohol cíclico en la fase líquida da como resultado un punto de ebullición más alto en comparación con el de un alcohol lineal.

Los enlaces de hidrógeno intermoleculares también desempeñan un papel en la definición del alto punto de ebullición y la solubilidad en agua de los fenoles. El punto de ebullición del fenol es más alto que el del alcohol alifático correspondiente debido al estrecho empaquetamiento de las moléculas de fenol, facilitado por las interacciones de apilamiento π-π entre los grandes anillos aromáticos planos. Los anillos aromáticos muy empaquetados aumentan la superficie de la región no polar en la fase líquida y limitan la solubilidad del fenol (9,3 g en 100 g de H_2O). Sin embargo, esta solubilidad es mayor que la de alcoholes con un peso molecular similar debido al aumento de la polaridad del dipolo del enlace oxígeno-hidrógeno inducido por anillos aromáticos aceptores de electrones adyacentes.

Estructura	Nombre	Peso molecular (g/mol)	Punto de ebullición (oC)	Solubilidad (g/100 g H2O)
	1-Butanol	74	118	9.1
	Isobutanol	74	108	10
	terc-Butanol	74	83	miscible (∞)
	Pentano	72	36	Insoluble
	Propano-1,2-diol	76	188	miscible (∞)
	1-Hexanol	102	156	0.6
	Ciclohexanol	100	162	3.6
	Phenol	94	182	9.3
	Toluene	92	110	insoluble

Los alcoholes se utilizan ampliamente como antisépticos debido a sus propiedades antibacterianas. El isopropanol o etanol es el componente principal del desinfectante para manos. Un agente antibacteriano ideal debe tener una región no polar o una región alquílica significativa que pueda penetrar las membranas celulares de los microorganismos y destruirlas. Al mismo tiempo, debe tener una alta solubilidad en el medio de transporte, que es el agua. En alcoholes más pequeños se cumple el equilibrio óptimo entre estas dos condiciones.

En alcoholes y fenoles, la alta electronegatividad del oxígeno en relación con el carbono y el hidrógeno conduce a una carga negativa parcial en el oxígeno y cargas positivas parciales en el hidrógeno y el carbono.

Las cargas parciales opuestas de los dipolos de enlace oxígeno-hidrógeno en moléculas adyacentes de alcohol o fenol se atraen entre sí en interacciones de enlace de hidrógeno. En una solución acuosa, los alcoholes y fenoles forman grandes redes de enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua, lo que mejora su solubilidad en agua.

Las regiones no polares de las moléculas de fenol o alcohol son atraídas por fuerzas de dispersión, como las interacciones observadas entre hidrocarburos.

La energía adicional requerida para interrumpir el enlace de hidrógeno, además de las fuerzas de dispersión, provoca un aumento en los puntos de ebullición de los alcoholes y fenoles en comparación con los hidrocarburos de pesos moleculares similares.

Los puntos de ebullición de los alcoholes aumentan con el tamaño de la región alquilada debido a la mayor superficie de interacción a través de las fuerzas de dispersión.

Sin embargo, el aumento de la superficie de la región no polar, donde la solvatación por agua es desfavorable, da como resultado una menor solubilidad de los alcoholes en agua.

Un alcohol con ramificación en la cadena es más soluble en agua que su equivalente lineal, ya que la ramificación reduce la superficie de contacto de la región no polar. Sin embargo, los alcoholes ramificados tienen puntos de ebullición más bajos que sus análogos lineales, lo que es consistente con fuerzas de dispersión más débiles.

Los sitios de enlace de hidrógeno adicionales, como el segundo grupo hidroxilo en los dioles, aumentan el punto de ebullición y la solubilidad en agua de los alcoholes.

Los alcoholes cíclicos exhiben puntos de ebullición más altos que sus análogos lineales, lo que se correlaciona con una tendencia a un empaquetamiento más denso en la fase líquida.

Los puntos de ebullición de los fenoles son aún más altos debido a las interacciones de apilamiento π-π entre los anillos aromáticos planos. El anillo aromático comparativamente grande limita su solubilidad en agua, pero los fenoles exhiben una mejor solubilidad que los alcoholes correspondientes.

En los fenoles, el enlace de hidrógeno se fortalece por la polaridad más alta de un dipolo de enlace oxígeno-hidrógeno conectado a un anillo aromático de extracción de electrones.