10.2: Propriétés physiques des alcools et phénols

Les alcools sont des composés organiques dans lesquels un groupe hydroxy est attaché à un carbone saturé. Les phénols sont une classe d'alcools contenant un groupe hydroxy attaché à un cycle aromatique. Les propriétés physiques des alcools et des phénols sont influencées par les liaisons hydrogène dues au dipôle oxygène-hydrogène dans le groupe fonctionnel hydroxy et aux forces de dispersion entre les régions alkyle ou aryle des molécules d'alcool et de phénol.

Les alcools possèdent un point d'ébullition plus élevé que les hydrocarbures aliphatiques de poids moléculaires similaires en raison des liaisons hydrogène intermoléculaires. Comme dans les hydrocarbures, les forces de dispersion sont à l’origine du point d’ébullition plus élevé lorsque la longueur de la chaîne carbonée augmente.

La liaison hydrogène entre le groupe hydroxy et l'eau facilite la solubilité des alcools dans l'eau. Cependant, la solubilité dans l’eau dépend également de la longueur de la région alkyle ou non polaire de la molécule. Les alcools ayant une région alkyle contenant jusqu'à trois atomes de carbone sont miscibles à l'eau. À mesure que la longueur de la chaîne augmente, l’augmentation de la surface de la région non polaire entrave la solvatation par les molécules d’eau.

La solubilité des alcools ramifiés est supérieure à celle des alcools linéaires de poids moléculaire similaire. La ramification réduit la surface des interactions intermoléculaires entre les régions non polaires ; par conséquent, la région hydrophobe non polaire est plus petite. En raison des interactions intermoléculaires plus faibles, les points d’ébullition des alcools ramifiés sont inférieurs à ceux des alcools linéaires correspondants.

Plusieurs sites de liaison hydrogène dans une molécule augmentent le point d’ébullition ; par conséquent, les diols et les aminoalcools possèdent des points d’ébullition plus élevés et une meilleure solubilité dans l’eau que les alcools.

Comparés aux alcools linéaires, les alcools cycliques ne peuvent exister que dans un nombre limité de conformations en raison de restrictions stériques. L'augmentation des interactions intermoléculaires résultant de l'étroitesse de l'alcool cyclique dans la phase liquide entraîne un point d'ébullition plus élevé que celui d'un alcool linéaire.

Les liaisons hydrogène intermoléculaires jouent également un rôle dans la définition du point d'ébullition élevé et de la solubilité des phénols dans l'eau. Le point d'ébullition du phénol est supérieur à celui de l'alcool aliphatique correspondant en raison de l'étroitesse des molécules de phénol, facilitée par les interactions d'empilement π – π entre les grands anneaux aromatiques plans. Les anneaux aromatiques serrés augmentent la surface de la région non polaire dans la phase liquide et limitent la solubilité du phénol (9,3 g dans 100 g H₂O). Cependant, cette solubilité est supérieure à celle des alcools de poids moléculaire similaire en raison de la polarité accrue du dipôle de la liaison oxygène-hydrogène induite par les cycles aromatiques attracteurs d'électrons adjacents.

Structure	Nom	Poids moléculaire (g/mol)	Point d'ébullition(oC)	Solubilité (g/100 g H2O)
	1-Butanol	74	118	9.1
	Isobutanol	74	108	10
	tert-Butanol	74	83	miscible (∞)
	Pentane	72	36	insoluble
	Propane-1,2-diol	76	188	miscible (∞)
	1-Hexanol	102	156	0.6
	Cyclohexanol	100	162	3.6
	Phénol	94	182	9.3
	Toluène	92	110	insoluble

Les alcools sont largement utilisés comme antiseptiques en raison de leurs propriétés antibactériennes. L'isopropanol ou l'éthanol est le principal composant du désinfectant pour les mains. Un agent antibactérien idéal doit avoir une région non polaire ou une région alkyle importante qui peut pénétrer dans les membranes cellulaires des micro-organismes et les détruire. En même temps, il doit avoir une solubilité élevée dans le milieu de transport, à savoir l’eau. Dans les alcools plus petits, l'équilibre optimal entre ces deux conditions est rempli.

Dans les alcools et les phénols, la forte électronégativité de l’oxygène par rapport au carbone et à l’hydrogène conduit à une charge négative partielle sur l’oxygène et à des charges positives partielles sur l’hydrogène et le carbone.

Les charges partielles opposées des dipôles de liaison oxygène-hydrogène dans les molécules d’alcool ou de phénol adjacentes s’attirent mutuellement dans les interactions de liaison hydrogène. Dans une solution aqueuse, les alcools et les phénols forment de grands réseaux de liaisons hydrogène avec les molécules d’eau, ce qui améliore leur solubilité dans l’eau.

Les régions non polaires des molécules de phénol ou d’alcool sont attirées par les forces de dispersion, comme les interactions observées entre hydrocarbures.

L’énergie supplémentaire nécessaire pour perturber la liaison hydrogène, en plus des forces de dispersion, provoque une augmentation des points d’ébullition des alcools et des phénols par rapport aux hydrocarbures de poids moléculaires similaires.

Les points d’ébullition des alcools augmentent avec la taille de la région alkyle en raison de la plus grande surface d’interactions par les forces de dispersion.

Cependant, l’augmentation de la surface de la région non polaire, où la solvatation par l’eau est défavorable, entraîne une solubilité plus faible des alcools dans l’eau.

Un alcool avec des ramifications dans la chaîne est plus soluble dans l’eau que son équivalent linéaire, car la ramification réduit la surface de contact de la région non polaire. Cependant, les alcools ramifiés ont des points d’ébullition plus bas que leurs analogues linéaires, ce qui est cohérent avec des forces de dispersion plus faibles.

Des sites de liaison hydrogène supplémentaires, tels que le deuxième groupe hydroxyle dans les diols, augmentent le point d’ébullition et la solubilité dans l’eau des alcools.

Les alcools cycliques présentent des points d’ébullition plus élevés que leurs homologues linéaires, ce qui est corrélé à une tendance à un tassement plus dense en phase liquide.

Les points d’ébullition des phénols sont encore plus élevés en raison des interactions d’empilement π-π entre les cycles aromatiques planaires. Le cycle aromatique relativement grand limite leur solubilité dans l’eau, mais les phénols présentent une meilleure solubilité que les alcools correspondants.

Dans les phénols, la liaison hydrogène est renforcée par la polarité plus élevée d’un dipôle de liaison oxygène-hydrogène connecté à un cycle aromatique de retrait d’électrons.