En química , el alcohol es un compuesto orgánico que lleva al menos un grupo funcional hidroxilo (-OH) unido a un átomo de carbono saturado . [2] El término alcohol originalmente se refería al alcohol primario etanol (alcohol etílico), que se usa como droga y es el principal alcohol presente en las bebidas alcohólicas . Una clase importante de alcoholes, de los cuales el metanol y el etanol son los miembros más simples, incluye todos los compuestos cuya fórmula general es C n H 2n + 1OH. Los monoalcoholes simples que son el tema de este artículo incluyen alcoholes primarios (RCH 2 OH), secundarios (R 2 CHOH) y terciarios (R 3 COH).
El sufijo -ol aparece en el nombre químico de la IUPAC de todas las sustancias donde el grupo hidroxilo es el grupo funcional con mayor prioridad. Cuando un grupo de mayor prioridad está presente en el compuesto, se usa el prefijo hidroxi- en su nombre IUPAC . El sufijo -ol en nombres que no pertenecen a la IUPAC (como paracetamol o colesterol ) también suele indicar que la sustancia es un alcohol. Sin embargo, muchas sustancias que contienen grupos funcionales hidroxilo (particularmente azúcares, como glucosa y sacarosa ) tienen nombres que no incluyen ni el sufijo -ol ni el prefijo hidroxi- .
Historia
La naturaleza inflamable de las exhalaciones de vino ya era conocida por los filósofos naturales antiguos como Aristóteles (384-322 a. C.), Teofrasto (c. 371-287 a. C.) y Plinio el Viejo (23 / 24-79 d. C.). [3] Sin embargo, esto no condujo inmediatamente al aislamiento del alcohol, incluso a pesar del desarrollo de técnicas de destilación más avanzadas en el Egipto romano de los siglos II y III . [4] Un reconocimiento importante, encontrado por primera vez en uno de los escritos atribuidos a Jābir ibn Ḥayyān (siglo IX d. C.), fue que al agregar sal al vino hirviendo, lo que aumenta la volatilidad relativa del vino , la inflamabilidad de los vapores resultantes puede mejorarse. . [5] La destilación del vino está atestiguada en obras árabes atribuidas a al-Kindī (c. 801–873 CE) y al-Fārābī (c. 872–950), y en el libro 28 de al-Zahrāwī ( Latín: Abulcasis, 936–1013) Kitāb al-Taṣrīf (más tarde traducido al latín como Liber servatoris ). [6] En el siglo XII, las recetas para la producción de aqua ardens ("agua ardiente", es decir, alcohol) mediante la destilación del vino con sal comenzaron a aparecer en varias obras latinas, y a finales del siglo XIII ya había convertirse en una sustancia ampliamente conocida entre los químicos de Europa occidental. [7] Sus propiedades medicinales fueron estudiadas por Arnald de Villanova (1240-1311 EC) y Juan de Rupescissa (c. 1310-1366), el último de los cuales lo consideró como una sustancia que preserva la vida capaz de prevenir todas las enfermedades (el agua vitae o "agua de vida", también llamada por Juan la quintaesencia del vino). [8]
Nomenclatura
Etimología
La palabra "alcohol" proviene del árabe kohl ( árabe : الكحل , romanizado : al-kuḥl ), un polvo que se usa como delineador de ojos. [9] Al- es el árabe artículo definido , equivalente a la de Inglés. El alcohol se utilizó originalmente para el polvo muy fino producido por la sublimación del mineral natural estibina para formar trisulfuro de antimonio Sb.
2S
3. Se consideró la esencia o "espíritu" de este mineral. Se utilizó como antiséptico , delineador de ojos y cosmético . El significado de alcohol se extendió a las sustancias destiladas en general y luego se redujo a etanol, cuando "aguardiente" era sinónimo de licor fuerte . [10]
Bartholomew Traheron , en su traducción de 1543 de Juan de Vigo , introduce la palabra como un término utilizado por los autores "bárbaros" para "polvo fino". Vigo escribió: "los bárbaros auctours usan alcohol, o (como yo lo entiendo, algunas veces se retuerce) alcofoll, por moost fine poudre". [11]
El Lexicon Chymicum de 1657 , de William Johnson, glosa la palabra como "antimonio sive stibium". [12] Por extensión, la palabra pasó a referirse a cualquier fluido obtenido por destilación, incluido el "alcohol de vino", la esencia destilada del vino. Libavius en Alchymia (1594) se refiere a "vini alcohol vel vinum alcalisatum". Johnson (1657) glosa alcohol vini como "quando omnis superfluitas vini a vino separatur, ita ut accensum ardeat donec totum consumatur, nihilque fæcum aut phlegmatis in fundo remaneat". El significado de la palabra se restringió a "espíritu de vino" (el químico conocido hoy como etanol ) en el siglo XVIII y se extendió a la clase de sustancias llamadas "alcoholes" en la química moderna después de 1850. [11]
El término etanol se inventó en 1892, mezclando " etano " con la terminación "-ol" de "alcohol", que se generalizó como libfix . [13]
Nombres sistemáticos
La nomenclatura IUPAC se utiliza en publicaciones científicas y donde la identificación precisa de la sustancia es importante, especialmente en los casos en los que la complejidad relativa de la molécula no hace que un nombre tan sistemático sea difícil de manejar. Al nombrar alcoholes simples, el nombre de la cadena de alcanos pierde la e terminal y agrega el sufijo -ol , por ejemplo , como en "etanol" del nombre de la cadena de alcanos "etano". [14] Cuando es necesario, la posición del grupo hidroxilo se indica mediante un número entre el nombre del alcano y el -ol : propan-1-ol para CH
3CH
2CH
2OH , propan-2-ol para CH
3CH (OH) CH
3. Si está presente un grupo de mayor prioridad (como un aldehído , cetona o ácido carboxílico ), entonces se usa el prefijo hidroxi- , [14] por ejemplo, como en 1-hidroxi-2-propanona ( CH
3C (O) CH
2OH ). [15]
CH 3 –CH 2 –CH 2 –OH | ||||
alcohol n -propílico, propan-1-ol o 1-propanol | alcohol isopropílico, propan-2-ol o 2-propanol | ciclohexanol | alcohol isobutílico, 2-metilpropan-1-ol o 2-metil-1-propanol | alcohol terc- amílico, 2-metilbutan-2-ol o 2-metil-2-butanol |
Un alcohol primario | Un alcohol secundario | Un alcohol secundario | Un alcohol primario | Un alcohol terciario |
En los casos en los que el grupo funcional OH está unido a un carbono sp 2 en un anillo aromático, la molécula se conoce como fenol y se nombra utilizando las reglas de la IUPAC para nombrar fenoles. [dieciséis]
Nombres comunes
En otros contextos menos formales, a un alcohol se le suele llamar con el nombre del grupo alquilo correspondiente seguido de la palabra "alcohol", por ejemplo, alcohol metílico , alcohol etílico . El alcohol propílico puede ser alcohol n -propílico o alcohol isopropílico , dependiendo de si el grupo hidroxilo está unido al carbono final o medio de la cadena lineal de propano . Como se describe en la denominación sistemática, si otro grupo de la molécula tiene prioridad, el resto de alcohol se indica a menudo usando el prefijo "hidroxi-". [17]
Luego, los alcoholes se clasifican en primarios, secundarios ( sec- , s- ) y terciarios ( terc- , t- ), según el número de átomos de carbono conectados al átomo de carbono que lleva el grupo funcional hidroxilo . (Las respectivas abreviaturas numéricas 1 °, 2 ° y 3 ° también se utilizan a veces en entornos informales. [18] ) Los alcoholes primarios tienen fórmulas generales RCH 2 OH. El alcohol primario más simple es el metanol (CH 3 OH), para el cual R = H, y el siguiente es el etanol, para el cual R = CH 3 , el grupo metilo . Los alcoholes secundarios son los de la forma RR'CHOH, el más simple de los cuales es el 2-propanol (R = R '= CH 3 ). Para los alcoholes terciarios La forma general es RR'R "COH. El ejemplo más simple es terc-butanol (2-metilpropan-2-ol), para lo cual cada uno de R, R', y R" es CH 3 . En estas abreviaturas, R, R 'y R "representan sustituyentes , alquilo u otros grupos unidos, generalmente orgánicos.
En la nomenclatura arcaica, los alcoholes se pueden nombrar como derivados del metanol usando "-carbinol" como terminación. Por ejemplo, el (CH 3 ) 3 COH puede denominarse trimetilcarbinol.
Tipo | Fórmula | Nombre IUPAC | Nombre común |
---|---|---|---|
Alcoholes monohídricos | CH 3 OH | Metanol | Alcohol de madera |
C 2 H 5 OH | Etanol | Alcohol | |
C 3 H 7 OH | Propan-2-ol | Alcohol isopropílico, alcohol para fricciones | |
C 4 H 9 OH | Butan-1-ol | Butanol, alcohol butílico | |
C 5 H 11 OH | Pentan-1-ol | Pentanol, alcohol amílico | |
C 16 H 33 OH | Hexadecan-1-ol | Alcohol cetílico | |
Alcoholes polivalentes | C 2 H 4 (OH) 2 | Etano-1,2-diol | Etilenglicol |
C 3 H 6 (OH) 2 | Propano-1,2-diol | Propilenglicol | |
C 3 H 5 (OH) 3 | Propano-1,2,3-triol | Glicerol | |
C 4 H 6 (OH) 4 | Butano-1,2,3,4-tetraol | Eritritol , treitol | |
C 5 H 7 (OH) 5 | Pentano-1,2,3,4,5-pentol | Xilitol | |
C 6 H 8 (OH) 6 | hexano-1,2,3,4,5,6-hexol | Manitol , sorbitol | |
C 7 H 9 (OH) 7 | Heptano-1,2,3,4,5,6,7-heptol | Volemitol | |
Alcoholes alifáticos insaturados | C 3 H 5 OH | Prop-2-eno-1-ol | Alcohol alílico |
C 10 H 17 OH | 3,7-dimetilocta-2,6-dien-1-ol | Geraniol | |
C 3 H 3 OH | Prop-2-yn-1-ol | Alcohol propargílico | |
Alcoholes alicíclicos | C 6 H 6 (OH) 6 | Ciclohexano-1,2,3,4,5,6-hexol | Inositol |
C 10 H 19 OH | 5-metil-2- (propan-2-il) ciclohexan-1-ol | Mentol |
Aplicaciones
Los alcoholes tienen una larga historia de innumerables usos. Para los mono-alcoholes simples, que es el tema central de este artículo, los siguientes son los alcoholes industriales más importantes: [20]
- metanol, principalmente para la producción de formaldehído y como aditivo de combustible
- etanol, principalmente para bebidas alcohólicas, aditivo de combustible, solvente
- 1-propanol, 1-butanol y alcohol isobutílico para su uso como disolvente y precursor de disolventes
- Alcoholes C6-C11 utilizados para plastificantes , por ejemplo, en cloruro de polivinilo
- alcohol graso (C12-C18), precursores de detergentes
El metanol es el alcohol industrial más común, con aproximadamente 12 millones de toneladas / año producidas en 1980. La capacidad combinada de los otros alcoholes es aproximadamente la misma, distribuida aproximadamente por igual. [20]
Toxicidad
Con respecto a la toxicidad aguda, los alcoholes simples tienen bajas toxicidades agudas. Se toleran dosis de varios mililitros. Para pentanoles , hexanoles , octanoles y alcoholes más largos, la LD50 varía de 2 a 5 g / kg (ratas, oral). El metanol y el etanol son menos tóxicos. Todos los alcoholes son irritantes suaves para la piel. [20]
El metabolismo del metanol (y del etilenglicol) se ve afectado por la presencia de etanol, que tiene una mayor afinidad por la alcohol deshidrogenasa hepática . De esta forma, el metanol se excretará intacto en la orina. [21] [22] [23]
Propiedades físicas
En general, el grupo hidroxilo hace que los alcoholes sean polares . Esos grupos pueden formar enlaces de hidrógeno entre sí y con la mayoría de los demás compuestos. Debido a la presencia de los OH polares, los alcoholes son más solubles en agua que los hidrocarburos simples. El metanol, el etanol y el propanol son miscibles en agua. El butanol , con una cadena de cuatro carbonos, es moderadamente soluble.
Debido a los enlaces de hidrógeno , los alcoholes tienden a tener puntos de ebullición más altos que los hidrocarburos y éteres comparables . El punto de ebullición del alcohol etanol es 78,29 ° C, en comparación con 69 ° C para el hidrocarburo hexano y 34,6 ° C para el éter dietílico .
Ocurrencia en la naturaleza
Los alcoholes simples se encuentran ampliamente en la naturaleza. El etanol es el más destacado porque es el producto de la fermentación, una de las principales vías de producción de energía. Los otros alcoholes simples se forman solo en cantidades mínimas. Sin embargo, los alcoholes más complejos son omnipresentes, como se manifiesta en azúcares, algunos aminoácidos y ácidos grasos.
Producción
Procesos de Ziegler y oxo
En el proceso de Ziegler , los alcoholes lineales se producen a partir de etileno y trietilaluminio seguido de oxidación e hidrólisis. [20] Se muestra una síntesis idealizada de 1-octanol :
- Al (C 2 H 5 ) 3 + 9 C 2 H 4 → Al (C 8 H 17 ) 3
- Al (C 8 H 17 ) 3 + 3 O + 3 H 2 O → 3 HOC 8 H 17 + Al (OH) 3
El proceso genera una gama de alcoholes que se separan por destilación .
Muchos alcoholes superiores se producen por hidroformilación de alquenos seguida de hidrogenación. Cuando se aplica a un alqueno terminal, como es común, normalmente se obtiene un alcohol lineal: [20]
- RCH = CH 2 + H 2 + CO → RCH 2 CH 2 CHO
- RCH 2 CH 2 CHO + 3 H 2 → RCH 2 CH 2 CH 2 OH
Tales procesos dan alcoholes grasos , que son útiles para detergentes.
Reacciones de hidratación
Algunos alcoholes de bajo peso molecular de importancia industrial se producen mediante la adición de agua a los alquenos. Mediante este método general se producen etanol, isopropanol, 2-butanol y terc-butanol. Se emplean dos implementaciones, los métodos directo e indirecto. El método directo evita la formación de intermedios estables, normalmente utilizando catalizadores ácidos. En el método indirecto, el alqueno se convierte en el éster sulfato , que posteriormente se hidroliza. La hidratación directa utilizando etileno ( hidratación de etileno ) [24] u otros alquenos del craqueo de fracciones de petróleo crudo destilado .
La hidratación también se usa industrialmente para producir el diol etilenglicol a partir de óxido de etileno .
Rutas biologicas
El etanol se obtiene por fermentación utilizando glucosa producida a partir del azúcar a partir de la hidrólisis del almidón , en presencia de levadura y temperatura inferior a 37 ° C para producir etanol. Por ejemplo, tal proceso podría proceder de la conversión de sacarosa por la enzima invertasa en glucosa y fructosa , luego la conversión de glucosa por el complejo enzimático zimasa en etanol y dióxido de carbono.
Varias especies de bacterias benignas en el intestino utilizan la fermentación como una forma de metabolismo anaeróbico . Esta reacción metabólica produce etanol como producto de desecho. Por tanto, los cuerpos humanos contienen cierta cantidad de alcohol producido de forma endógena por estas bacterias. En casos raros, esto puede ser suficiente para causar el " síndrome de la auto-cervecería " en el que se producen cantidades intoxicantes de alcohol. [25] [26] [27]
Al igual que el etanol, el butanol se puede producir mediante procesos de fermentación. Se sabe que la levadura Saccharomyces produce estos alcoholes superiores a temperaturas superiores a 75 ° F (24 ° C). La bacteria Clostridium acetobutylicum puede alimentarse de celulosa para producir butanol a escala industrial. [28]
Sustitución
Los haluros de alquilo primario reaccionan con NaOH o KOH acuoso principalmente a alcoholes primarios en sustitución alifática nucleofílica . (Los haluros de alquilo secundarios y especialmente terciarios darán el producto de eliminación (alqueno) en su lugar). Los reactivos de Grignard reaccionan con grupos carbonilo para formar alcoholes secundarios y terciarios. Las reacciones relacionadas son la reacción de Barbier y la reacción de Nozaki-Hiyama .
Reducción
Los aldehídos o cetonas se reducen con borohidruro de sodio o hidruro de litio y aluminio (después de un tratamiento ácido). Otra reducción por isopropilatos de aluminio es la reducción de Meerwein-Ponndorf-Verley . La hidrogenación asimétrica de Noyori es la reducción asimétrica de β-cetoésteres.
Hidrólisis
Los alquenos se involucran en una reacción de hidratación catalizada por ácido utilizando ácido sulfúrico concentrado como catalizador que normalmente da alcoholes secundarios o terciarios. La hidroboración-oxidación y oximercuración-reducción de los alquenos son más fiables en la síntesis orgánica. Los alquenos reaccionan con NBS y agua en una reacción de formación de halohidrina . Las aminas se pueden convertir en sales de diazonio , que luego se hidrolizan.
Se muestra la formación de un alcohol secundario por reducción e hidratación:
Reacciones
Desprotonación
Con un pK a de alrededor de 16-19, son, en general, ácidos ligeramente más débiles que el agua . Con bases fuertes como hidruro de sodio o sodio forman sales llamadas alcóxidos , con la fórmula general R O - M + .
- 2 R-OH + 2 NaH → 2 RO - Na + + 2 H 2
- 2 R-OH + 2 Na → 2 RO - Na + + H 2
La acidez de los alcoholes se ve fuertemente afectada por la solvatación . En la fase gaseosa, los alcoholes son más ácidos que en el agua. [29]
Sustitución nucleofílica
El grupo OH no es un buen grupo saliente en las reacciones de sustitución nucleofílica , por lo que los alcoholes neutros no reaccionan en tales reacciones. Sin embargo, si el oxígeno se protona primero para dar R − OH 2 + , el grupo saliente ( agua ) es mucho más estable y puede tener lugar la sustitución nucleofílica. Por ejemplo, los alcoholes terciarios reaccionan con ácido clorhídrico para producir haluros de alquilo terciario , donde el grupo hidroxilo es reemplazado por un átomo de cloro por sustitución nucleofílica unimolecular . Si se van a hacer reaccionar alcoholes primarios o secundarios con ácido clorhídrico , se necesita un activador como el cloruro de zinc . De forma alternativa, la conversión se puede realizar directamente usando cloruro de tionilo . [1]
Asimismo, los alcoholes pueden convertirse en bromuros de alquilo utilizando ácido bromhídrico o tribromuro de fósforo , por ejemplo:
- 3 R-OH + PBr 3 → 3 RBr + H 3 PO 3
En la desoxigenación de Barton-McCombie, un alcohol se desoxigena a un alcano con hidruro de tributilestaño o un complejo de trimetilborano- agua en una reacción de sustitución de radicales .
Deshidración
Mientras tanto, el átomo de oxígeno tiene pares solitarios de electrones no enlazados que lo vuelven débilmente básico en presencia de ácidos fuertes como el ácido sulfúrico . Por ejemplo, con metanol:
Tras el tratamiento con ácidos fuertes, los alcoholes se someten a la reacción de eliminación E1 para producir alquenos . La reacción, en general, obedece a la Regla de Zaitsev , que establece que se forma el alqueno más estable (generalmente el más sustituido). Los alcoholes terciarios se eliminan fácilmente justo por encima de la temperatura ambiente, pero los alcoholes primarios requieren una temperatura más alta.
Este es un diagrama de la deshidratación catalizada por ácido de etanol para producir etileno :
Una reacción de eliminación más controlada requiere la formación del éster de xantato .
Protonolisis
Los alcoholes terciarios reaccionan con ácidos fuertes para generar carbocationes. La reacción está relacionada con su deshidratación, por ejemplo, isobutileno a partir de alcohol terc-butílico. Un tipo especial de reacción de deshidratación involucra al trifenilmetanol y especialmente a sus derivados sustituidos con amina. Cuando se tratan con ácido, estos alcoholes pierden agua para dar carbocationes estables, que son tintes comerciales. [30]
Esterificación
El alcohol y los ácidos carboxílicos reaccionan en la denominada esterificación de Fischer . La reacción generalmente requiere un catalizador , como ácido sulfúrico concentrado:
- R-OH + R'-CO 2 H → R'-CO 2 R + H 2 O
Otros tipos de éster se preparan de manera similar; por ejemplo, los ésteres de tosilo (tosilato) se obtienen por reacción del alcohol con cloruro de p- toluenosulfonilo en piridina.
Oxidación
Los alcoholes primarios (R-CH 2 OH) se pueden oxidar a aldehídos (R-CHO) o a ácidos carboxílicos (R-CO 2 H). La oxidación de alcoholes secundarios (R 1 R 2 CH-OH) normalmente termina en la etapa de cetona (R 1 R 2 C = O). Los alcoholes terciarios (R 1 R 2 R 3 C-OH) son resistentes a la oxidación.
La oxidación directa de alcoholes primarios a ácidos carboxílicos normalmente procede a través del aldehído correspondiente, que se transforma a través de un hidrato de aldehído (R-CH (OH) 2 ) por reacción con agua antes de que pueda oxidarse adicionalmente al ácido carboxílico.
Los reactivos útiles para la transformación de alcoholes primarios en aldehídos normalmente también son adecuados para la oxidación de alcoholes secundarios en cetonas . Estos incluyen reactivo de Collins y periodinano de Dess-Martin . La oxidación directa de alcoholes primarios a ácidos carboxílicos se puede llevar a cabo utilizando permanganato de potasio o el reactivo de Jones .
Ver también
- Enol
- Combustible de etanol
- Alcohol graso
- Índice de artículos relacionados con el alcohol
- Lista de alcoholes
- Prueba de lucas
- Poliol
- Frotar alcohol
- Alcohol de azúcar
- Transesterificación
Notas
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- ^ al-Hassan 2009 (el mismo contenido también está disponible en el sitio web del autor ); cf. Berthelot y Houdas 1893 , vol. I, págs. 141, 143. A veces, también se agregaba azufre al vino (ver Berthelot & Houdas 1893 , vol. I, pág. 143).
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Como ol es indicativo de un derivado de OH, no parece haber ninguna razón por la que la simple palabra ácido no deba connotar carboxilo y por qué al no deba connotar COH; los nombres etanol etanal y ácido etanoico o simplemente ácido etano significarían entonces los derivados OH, COH y COOH del etano.
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