10.2: 알코올과 페놀의 물리적 특성

알코올은 포화 탄소에 수산기가 결합된 유기 화합물입니다. 페놀은 방향족 고리에 수산기가 붙어 있는 알코올 종류입니다. 알코올과 페놀의 물리적 특성은 하이드록시 작용기의 산소-수소 쌍극자로 인한 수소 결합과 알코올과 페놀 분자의 알킬 또는 아릴 영역 사이의 분산력에 의해 영향을 받습니다.

알코올은 분자간 수소 결합으로 인해 비슷한 분자량의 지방족 탄화수소보다 끓는점이 더 높습니다. 탄화수소에서와 마찬가지로 분산력은 탄소 사슬 길이가 증가함에 따라 끓는점이 높아지는 이유입니다.

하이드록시 그룹과 물 사이의 수소 결합은 물에서 알코올의 용해도를 촉진합니다. 그러나 수용해도는 분자의 알킬 또는 비극성 영역의 길이에 따라 달라집니다. 최대 3개의 탄소 원자로 구성된 알킬 영역을 가진 알코올은 물과 섞일 수 있습니다. 사슬 길이가 증가함에 따라 비극성 영역의 증가된 표면적은 물 분자에 의한 용매화를 방해합니다.

분지 알코올의 용해도는 분자량이 비슷한 선형 알코올보다 높습니다. 분기는 비극성 영역 사이의 분자간 상호작용을 위한 표면적을 감소시키므로 소수성 비극성 영역이 더 작아집니다. 분자간 상호 작용이 약하기 때문에 분지 알코올의 끓는점은 해당 선형 알코올보다 낮습니다.

한 분자 내 여러 개의 수소 결합 부위가 끓는점을 증가시킵니다. 따라서 디올과 아미노 알코올은 알코올보다 끓는점이 더 높고 수용해도가 더 좋습니다.

선형 알코올과 비교하여, 고리형 알코올은 입체적 제한으로 인해 제한된 수의 형태로만 존재할 수 있습니다. 액상에서 고리형 알코올의 밀집된 패킹으로 인해 증가된 분자간 상호 작용은 선형 알코올에 비해 끓는점이 더 높습니다.

분자간 수소 결합은 또한 페놀의 높은 끓는점과 물에 대한 용해도를 정의하는 역할을 합니다. 페놀의 끓는점은 큰 평면 방향족 고리 사이의 π-π 스태킹 상호 작용에 의해 촉진되는 페놀 분자의 밀집된 패킹으로 인해 해당 지방족 알코올의 끓는점보다 높습니다. 밀집된 방향족 고리는 액상에서 비극성 영역의 표면적을 증가시키고 페놀의 용해도(100g H_2O에서 9.3g)를 제한합니다. 그러나 이 용해도는 인접한 전자를 끄는 방향족 고리에 의해 유도된 산소-수소 결합 쌍극자의 극성 증가로 인해 유사한 분자량을 가진 알코올의 용해도보다 높습니다.

구조	이름	분자량(g/mol)	끓는점 (oC)	용해도 (g/100 g H2O)
	1-부탄올	74	118	9.1
	아이소부탄올	74	108	10
	tert-부탄올	74	83	혼화성(∞)
	펜탄	72	36	불용성
	프로판-1,2-디올	76	188	혼화성(∞)
	1-헥산올	102	156	0.6
	사이클로헥산올	100	162	3.6
	페놀	94	182	9.3
	톨루엔	92	110	불용성

알코올은 항균 특성으로 인해 방부제로 널리 사용됩니다. 이소프로판올이나 에탄올은 손소독제의 주성분입니다. 이상적인 항균제는 미생물의 세포막에 침투하여 미생물을 파괴할 수 있는 상당한 비극성 영역 또는 알킬 영역을 가져야 합니다. 동시에, 수송 매체인 물에 대한 용해도도 높아야 합니다. 더 작은 알코올에서는 이 두 조건 사이의 최적의 균형이 충족됩니다.

알코올과 페놀이 탄소와 수소에 비해 산소의 높은 전기 음성도는 산소에 대한 부분 음전하와 수소 및 탄소에 대한 부분 양전하로 이어집니다.

인접한 알코올 또는 페놀 분자에 있는 산소-수소 결합 쌍극자의 반대쪽 부분 전하는 수소 결합 상호 작용에서 서로를 끌어당깁니다. 수용액에서 알코올과 페놀이 물 분자와 수소 결합의 큰 네트워크를 형성하여 수용성을 향상시킵니다.

페놀 또는 알코올 분자의 비극성 영역은 탄화수소 사이에서 관찰되는 상호 작용과 같은 분산력에 의해 끌립니다.

분산력 외에도 수소 결합을 방해하는 데 필요한 추가 에너지는 유사한 분자량의 탄화수소에 비해 알코올 및 페놀의 끓는점을 증가시킵니다.

알코올의 끓는점은 분산력을 통한 상호 작용을위한 표면적이 더 크기 때문에 알킬 영역의 크기에 따라 증가합니다.

그러나 물에 의한 용매화가 바람직하지 않은 비극성 영역의 표면적이 증가하면 물 내 알코올의 용해도가 낮아집니다.

사슬에 분지가 있는 알코올은 선형 등가물보다 수용성이 더 높은데, 분지화가 비극성 영역의 접촉면을 감소시키기 때문입니다. 그러나 분지 알코올은 선형 유사체보다 끓는점이 낮으며, 이는 분산력이 약한 것과 일치합니다.

디올의 두 번째 하이드록실기와 같은 추가적인 수소 결합 부위는 알코올의 끓는점과 수용성을 증가시킵니다.

고리형 알코올은 선형 유사체보다 더 높은 끓는점을 나타내며, 이는 액상에서 더 조밀한 패킹 경향과 관련이 있습니다.

페놀의 끓는점은 평면 방향족 고리 사이의 π-π 적층 상호 작용으로 인해 훨씬 더 높습니다. 비교적 큰 방향족 고리는 물에 대한 용해도를 제한하지만 페놀은 해당 알코올보다 더 나은 용해도를 나타냅니다.

페놀에서 수소 결합은 전자 인출 방향족 고리에 연결된 산소-수소 결합 쌍극자의 더 높은 극성에 의해 강화됩니다.