Фенол (гидроксибензол, карболовая кислота). Фенолы — номенклатура, получение, химические свойства Наличие группы oh в составе фенола
Фенолы - производные ароматических углеводородов, в состав которых могут входить одна или несколько гидроксильных групп, соединенных с бензольным кольцом.
Как называть фенолы?
По правилам ИЮПАК сохраняется название «фенол ». Нумерация атомов идет от атома , который непосредственно связан с гидрокси-группой (если она - старшая) и нумеруют так, чтобы заместители получили наименьший номер.
Представитель - фенол - С 6 Н 5 ОН :
Строение фенола.
У атома кислорода на внешнем уровне находится неподеленная электронная пара, которая «втягивается» в систему кольца (+М-эффект ОН -группы). В результате могут возникнуть 2 эффекта:
1) повышение электронной плотности бензольного кольца в положения орто- и пара-. В основном, такой эффект проявляется в реакциях электрофильного замещения.
2) уменьшается плотность на атоме кислорода, вследствие чего связь О-Н ослабляется и может рваться. Эффект связан с повышенной кислотности фенола по сравнению с предельными спиртами.
Монозамещенные производные фенола (крезол) могут быть в 3х структурных изомерах:
Физические свойства фенолов.
Фенолы - кристаллические вещества при комнатой температуре. Плохо растворимы в холодной воде , но хорошо - в горячей и в водных растворах щелочей. Обладают характерным запахом. Вследствие образования водородных связей, обладают высокой температурой кипения и плавления.
Получение фенолов.
1. Из галогенбензолов. При нагревании хлорбензола и гидроксида натрия под давлением получают фенолят натрия, который после взаимодействия с кислотой , превращается в фенол:
2. Промышленный способ: при каталитическом окислении кумола на воздухе получается фенол и ацетон:
3. Из ароматических сульфокислот с помощью сплавления с щелочами. Чаще проводят реакцию для получения многоатомных фенолов:
Химические свойства фенолов.
р -орбиталь атома кислорода образует с ароматическим кольцом единую систему. Поэтому электронная плотность на атоме кислороде уменьшается, в бензольном кольце - увеличивается. Полярность связи О-Н повышается, и водород гидроксильной группы становится более реакционоспособным и легко может быть замещен атомом металла даже при действии щелочей.
Кислотность фенолов выше, чем у спиртов, поэтому можно проводить реакции:
Но фенол - слабая кислота. Если через его соли пропускать углекислый или сернистый газ, то выделяется фенол, что доказывает, что угольная и сернистая кислота являются более сильными кислотами:
Кислотные свойства фенолов ослабляются при введении в кольцо заместителей I рода и усиливаются - при введении II.
2) Образование сложных эфиров. Процесс протекает при воздействие хлорангидридов:
3) Реакция электрофильного замещения. Т.к. ОН -группа является заместителем первого рода, то реакционная способность бензольного кольца в орто- и пара- положениях повышается. При действии на фенол бромной воды наблюдается выделение осадка - это качественная реакция на фенол:
4) Нитрование фенолов. Реакцию проводят нитрирующей смесью, в результате чего образуется пикриновая кислота:
5) Поликонденсация фенолов. Реакция протекает под воздействии катализаторов:
6) Окисление фенолов. Фенолы легко окисляются кислородом воздуха:
7) Качественной реакцией на фенол является воздействие раствора хлорида железа и образование комплекса фиолетового цвета.
Применение фенолов.
Фенолы используют при получении фенолформальдегидных смол, синтетических волокон, красителей и лекарственных средств, дезинфицирующих веществ. Пикриновая кислота используется в качестве взрывчатых веществ.
По электронному строению фенолы являются полярными соединениями, или диполями. Отрицательный конец диполя – это кольцо, положительный – группа –OH. Дипольный момент направлен к бензольному кольцу.
Поскольку гидроксильная группа – I рода, она повышает электронную плотность, особенно для орто- и пара-положений, в бензольном кольце. Это объясняется сопряжением, возникающим между одной из неподеленных электронных пар атома кислорода в OH-группе и π-системой кольца. Такое смещение неподеленной пары электронов приводит к повышению полярности связи O-H.
Взаимное влияние атомов и атомных групп в фенолах отражается на свойствах этих веществ. Так, увеличивается способность к замещению водородных атомов в орто- и пара-положениях бензольного ядра, и обычно в результате таких реакций замещения образуются тризамещенные производные . Повышение полярности связи между кислородом и водородом обусловливает появление достаточно большого положительного заряда (δ+) на , в связи с чем фенол диссоциирует в водных растворах по кислотному типу. В результате диссоциации образуются -ионы и катионы водорода.
Фенол C6H5OH – слабая кислота, называемая также карболовой кислотой. В этом заключается главное отличие фенолов от спиртов – неэлектроолитов.
Физические свойства фенола
По физическим свойствам C6H5OH – бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 43˚C и температурой кипения 182˚C. На воздухе он окисляется и приобретает розовую окраску. При обычных условиях фенол ограниченно растворим в воде, но при нагревании выше 66˚C смешивается с H2O в любых отношениях. Это токсичное для человека вещество, способное вызывать ожоги кожи, антисептик.
Химические свойства фенола как слабой кислоты
Подобно всем кислотам, фенол диссоциирует в водных растворах, а также взаимодействует со щелочами с образованием фенолятов. Например, реакция C6H5OH и NaOH дает в итоге фенолят натрия C6H5ONa и воду H2O:
C6H5OH+NaOH=C6H5ONa+H2O.
Это свойство отличает фенолы от спиртов. Сходство со спиртами – реакция с активными металлами с образованием солей – фенолятов:
2C6H5OH+2K=2C6H5OK+H2.
Феноляты натрия и калия, образующиеся в результате двух последних реакций, легко разлагаются под действием кислот, даже такой слабой, как угольная. Из этого можно сделать вывод, что фенол – более слабая кислота, чем H2CO3.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Фенолы - производные ароматических углеводородов, в молекулах которых гидроксильные группы непосредственно связаны с атомами углерода бензольного кольца. Функциональная группа, как и у спиртов, — OH.
Фенол - твердое бесцветное кристаллическое вещество, низкоплавкое, очень гигроскопичное, с характерным запахом. На воздухе фенол окисляется, поэтому его кристаллы приобретают вначале розоватый оттенок (рис. 1), а при длительном хранении темнеют и становятся более красными. Он малорастворим в воде при комнатной температуре, но быстро и хорошо растворяется при 60 - 70 o С. Фенол легкоплавок, его температура плавления 43 o С. Ядовит.
Рис. 1. Фенол. Внешний вид.
Получение фенола
В промышленных масштабах фенол получают из каменноугольной смолы. Среди лабораторных методов наиболее часто использую следующие:
— гидролиз хлорбензола
C 6 H 5 Cl + NaOH→C 6 H 5 OH + NaCl (kat = Cu, t 0).
— щелочное плавление солей аренсульфоновых кислот
C 6 H 5 SO 3 Na + 2NaOH→C 6 H 5 OH + Na 2 SO 3 + H 2 O (t 0).
— кумольный метод (окисление изопропилбензола)
C 6 H 5 -C(CH 3)H-CH 3 + O 2 →C 6 H 5 OH + CH 3 -C(O)-CH 3 (H + , t 0).
Химические свойства фенола
Химические превращения фенола протекают в основном с расщеплением:
1) связи О-Н
— взаимодействие с металлами
2C 6 H 5 OH + 2Na→ 2C 6 H 5 ONa + H 2 .
— взаимодействие с щелочами
C 6 H 5 OH + NaOH→C 6 H 5 ONa + H 2 O.
— взаимодействие с ангидридами карбоновых кислот
C 6 H 5 -OH + Cl-C(O)-O-C(O)-CH 3 → C 6 H 5 -O-C(O)-CH 3 + CH 3 COOH (t 0).
— взаимодействие с галогенангидридами карбоновых кислот
C 6 H 5 -OH + Cl-C(O)-CH 3 → C 6 H 5 -O-C(O)-CH 3 + HCl (t 0).
— взаимодействие с FeCl 3 (качественная реакция на фенол - появление фиолетовой окраски, исчезающей при добавлении кислоты)
6C 6 H 5 OH + FeCl 3 → (C 6 H 5 OH) 3 + 3Cl — .
2) связей C sp 2 -H преимущественно в о — и n -положениях
— бромирование
C 6 H 5 -OH + 3Br 2 (aq) →Br 3 -C 6 H 2 -OH↓ + 3HBr.
— нитрование (образование пикриновой кислоты)
C 6 H 5 -OH + 3HONO 2 (conc) → (NO 2) 3 -C 6 H 2 -OH + 3H 2 O (H +).
3) единого 6π-электронного облака бензольного кольца
— гидрирование
C 6 H 5 OH + 3H 2 → C 6 H 11 -OH (kat = Ni, t 0 = 130 - 150, p = 5 - 20 атм).
Применение фенола
Фенол в больших количествах используется для производства красителей, фенолформальдегидных пластмасс, лекарственных веществ.
Из двухатомных фенолов в медицине применяют резорцин как антисептик и вещество для некоторых клинических анализов, а гидрохинон и другие двухатомные фенолы используют при обработке фотоматериалов в качестве проявителей.
В медицине для дезинфекции помещений и мебели применяют лизол, в состав которого входят разные фенолы.
Некоторые фенолы используют как антиоксиданты - вещества, предотвращающие порчу пищевых продуктов при их долгом хранении (жиров, масел, пищевых концентратов).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Водный раствор, содержащий 32,9 г фенола, обработали избытком брома. Рассчитайте массу образовавшегося бромпроизводного. |
| Решение | Запишем уравнение реакции взаимодействия фенола с бромом:
C 6 H 5 OH + 3Br 2 →C 6 H 2 Br 3 OH + 3HBr. В результате этого взаимодействия образуется 2,4,6-трибромфенол. Вычислим количество вещества фенола (молярная масса равна 94 г/моль): n(C 6 H 5 OH) = m(C 6 H 5 OH) / M(C 6 H 5 OH); n(C 6 H 5 OH) = 32,9 / 94 = 0,35 моль. Согласно уравнению реакции n(C 6 H 5 OH) :n(C 6 H 2 Br 3 OH) = 1:1, т.е. n(C 6 H 2 Br 3 OH) = n(C 6 H 5 OH) = 0,35 моль. Тогда масса 2,4,6-трибромфенола будет равна (молярная масса -331 г/моль): m(C 6 H 2 Br 3 OH) = 0,35 × 331 = 115,81 г. |
| Ответ | Масса образовавшегося бромпроизводного равна 115,81 г. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Как получить фенол из иодобензола? Рассчитайте массу фенола, который может быть получен из 45,9 г иодобензола. |
| Решение | Запишем уравнение реакции получения фенола из иодобензола:
C 6 H 5 I + NaOH→ C 6 H 5 OH + NaI (kat = Cu, t 0). |
Образованные на основе бензола. При нормальных условиях представляют собой твердые ядовитые вещества, обладающие специфическим ароматом. В современной промышленности эти химические соединения играют далеко не последнюю роль. По объемам использования фенол и его производные входят в двадцатку наиболее востребованных химических соединений в мире. Они широко применяются в химической и легкой промышленности, фармацевтике и энергетике. Поэтому получение фенола в промышленных масштабах - одна из основных задач химической промышленности.
Обозначения фенола
Первоначальное название фенола - карболовая кислота. Позднее данное соединение поучило название «фенол». Формула этого вещества представлена на рисунке:
Нумерация атомов фенола ведется от того атома углерода, который соединен с гидроксогруппой ОН. Последовательность продолжается в таком порядке, чтобы другие замещенные атомы получили наименьшие номера. Производные фенола существуют в виде трех элементов, характеристики которых объясняются различием их структурных изомеров. Различные орто-, мета-, паракрезолы являются лишь видоизменением основной структуры соединения бензольного кольца и гидроксильной группы, базовая комбинация которой и представляет собой фенол. Формула этого вещества в химической записи выглядит как C 6 H 5 OH.
Физические свойства фенола
Визуально фенол представляет собой твердые бесцветные кристаллы. На открытом воздухе они окисляются, придавая веществу характерный розовый оттенок. При нормальных условиях фенол довольно плохо растворяется в воде, но с повышением температуры до 70 о этот показатель резко возрастает. В щелочных растворах это вещество растворимо в любых количествах и при любых температурах.
Эти свойства сохраняются и в других соединениях, основным компонентом которых являются фенолы.
Химические свойства
Уникальные свойства фенола объясняются его внутренней структурой. В молекуле этого химического вещества р-орбиталь кислорода образует единую п-систему с бензольным кольцом. Такое плотное взаимодействие повышает электронную плотность ароматического кольца и понижает этот показатель у атома кислорода. При этом полярность связей гидроксогруппы значительно увеличивается, и водород, входящий в ее состав, легко замещается любым щелочным металлом. Так образуются различные феноляты. Эти соединения не разлагаются водой, как алкоголяты, но их растворы очень похожи на соли сильных оснований и слабых кислот, поэтому они имеют достаточно выраженную щелочную реакцию. Феноляты взаимодействуют с различными кислотами, в результате реакции восстанавливаются фенолы. Химические свойства этого соединения позволяют ему взаимодействовать с кислотами, образуя при этом сложные эфиры. Например, взаимодействие фенола и уксусной кислоты приводит к образованию финилового эфира (фениацетата).
Широко известна реакция нитрирования, в которой под воздействием 20% азотной кислоты фенол образует смесь пара- и ортонитрофенолов. Если воздействовать на фенол концентрированной азотной кислотой, то получается 2,4,6-тринитрофенол, который иногда называют пикриновой кислотой.
Фенол в природе
Как самостоятельное вещество фенол в природе содержится в каменноугольной смоле и в отдельных сортах нефти. Но для промышленных нужд это количество не играет никакой роли. Поэтому получение фенола искусственным способом стало приоритетной задачей для многих поколений ученых. К счастью, эту проблему удалось разрешить и получить в итоге искусственный фенол.
Свойства, получение
Применение различных галогенов позволяет получать феноляты, из которых при дальнейшей обработке образуется бензол. Например, нагревание гидроксида натрия и хлорбензола позволяет получить натрия фенолят, который при воздействии кислоты распадается на соль, воду и фенол. Формула такой реакции приведена здесь:
С 6 Н 5 -CI + 2NaOH -> С 6 Н 5 -ONa + NaCl + Н 2 O
Ароматические сульфокислоты также являются источником для получения бензола. Химическая реакция проводится при одновременном плавлении щелочи и сульфокислоты. Как видно из реакции, сначала образуются феноксиды. При обработке сильными кислотами они восстанавливаются до многоатомных фенолов.
Фенол в промышленности
В теории, получение фенола самым простым и многообещающим способом выглядит таким образом: при помощи катализатора бензол окисляют кислородом. Но до сих пор катализатор для этой реакции так и не был подобран. Поэтому в настоящее время в промышленности используются другие методы.
Непрерывный промышленный способ получения фенола состоит во взаимодействии хлорбензола и 7% раствора едкого натра. Полученную смесь пропускают через полуторакилометровую систему труб, нагретых до температуры в 300 С. Под воздействием температуры и поддерживаемого высокого давления исходные вещества вступают в реакцию, в результате которой получат 2,4-динитрофенол и другие продукты.
Не так давно был разработан промышленный способ получения фенолсодержащих веществ кумольным методом. Этот процесс состоит из двух этапов. Сначала из бензола получают изопропилбензол (кумол). Для этого бензол алкируют с помощью пропилена. Реакция выглядит следующим образом:
После этого кумол окисляют кислородом. На выходе второй реакции получают фенол и другой важный продукт — ацетон.
Получение фенола в промышленных масштабах возможно из толуола. Для этого толуол окисляется на кислороде, содержащемся в воздухе. Реакция протекает в присутствии катализатора.
Примеры фенолов
Ближайшие гомологи фенолов называются крезолами.
Существуют три разновидности крезолов. Мета-крезол при нормальных условиях представляет собой жидкость, пара-крезол и орто-крезол - твердые вещества. Все крезолы плохо растворяются в воде, а по своим химическим свойствами они почти аналогичны фенолу. В естественном виде крезолы содержатся в каменноугольной смоле, в промышленности их применяют при производстве красителей, некоторых видов пластмасс.
Примерами двухатомных фенолов могут служить пара-, орто- и мета-гидробензолы. Все они представляют собой твердые вещества, легко растворимые в воде.
Единственный представитель трехатомного фенола - пирогаллол (1,2,3-тригидроксибензол). Его формула представлена ниже.
Пирогаллол является довольно сильным восстановителем. Он легко окисляется, поэтому его используют для получения очищенных от кислорода газов. Это вещество хорошо известно фотографам, его используют как проявитель.
Карболовая кислота — одно из названий фенола, указывающее на его особое поведение в химических процессах. Это вещество легче, чем бензол вступает в реакции нуклеофильного замещения. Присущие соединению кислотные свойства объясняются подвижностью атома водорода в гидроксильной группе, связанной с кольцом. Изучение строения молекулы и качественные реакции на фенол позволяют отнести вещество к ароматическим соединениям — производным бензола.
Фенол (гидроксибензол)
В 1834 году немецкий химик Рунге выделил карболовую кислоту из каменноугольной смолы, но не сумел расшифровать ее состав. Позже другие исследователи предложили формулу и отнесли новое соединение к ароматическим спиртам. Простейший представитель этой группы — фенол (гидроксибензол). В чистом виде это вещество представляет собой прозрачные кристаллы, обладающие характерным запахом. На воздухе цвет фенола может измениться, стать розовым или красным. Для ароматического спирта характерна плохая растворимость в холодной воде и хорошая — в органических растворителях. Плавится фенол при температуре 43°C. Является токсичным соединением, при попадании на кожу вызывает сильные ожоги. Ароматическая часть молекулы представлена радикалом фенилом (C6H5—). Непосредственно с одним из атомов углерода связан кислород гидроксильной группы (—OH). Присутствие каждой из частиц доказывает соответствующая качественная реакция на фенол. Формула, показывающая общее содержание атомов химических элементов в молекуле — C6H6O. Строение отражают включающие цикл Кекуле и функциональную группу — гидроксильную. Наглядное представление о молекуле ароматического спирта дают шаростержневые модели.
Особенности строения молекулы
Взаимовлияние бензольного ядра и ОН-группы определяет химические реакции фенола с металлами, галогенами, другими веществами. Наличие атома кислорода, связанного с ароматическим циклом, ведет к перераспределению электронной плотности в молекуле. Связь O—H становится более полярной, что приводит к увеличению подвижности водорода в гидроксильной группе. Протон может замещаться на атомы металла, что указывает на кислотность фенола. В свою очередь, ОН-группа повышает реакционные свойства бензольного кольца. Увеличивается делокализация электронов и способность к электрофильному замещению в ядре. При этом возрастает подвижность атомов водорода, связанных с углеродом в орто- и параположении (2, 4, 6). Такой эффект обусловлен наличием донора электронной плотности — гидроксильной группы. Благодаря ее влиянию фенол активнее чем бензол ведет себя в реакциях с некоторыми веществами, а новые заместители ориентируются в орто- и пара-положения.
Кислотные свойства
В гидроксильной группе ароматических спиртов атом кислорода приобретает положительный заряд, ослабляющий его связь с водородом. Высвобождение протона облегчается, поэтому фенол ведет себя как слабая кислота, но более сильная, чем спирты. Качественные реакции на фенол включают испытание лакмусовой бумажкой, которая в присутствии протонов изменяет цвет с синего на розовый. Наличие атомов галогенов или нитрогрупп, связанных с бензольным кольцом, приводит к росту активности водорода. Эффект наблюдается в молекулах нитропроизводных фенола. Понижают кислотность такие заместители, как аминогруппа и алкил (CH3—, C2H5— и другие). К соединениям, объединяющим в своем составе бензольное кольцо, гидроксильную группу и радикал метил, относится крезол. Его свойства слабее, чем карболовой кислоты.
Реакция фенола с натрием и щелочью
Подобно кислотам фенол взаимодействует с металлами. Например, вступает в реакцию с натрием: 2C6H5—OH + 2Na = 2C6H5—ONa + H2. Образуется и выделяется газообразный водород. Фенол взаимодействует с растворимыми основаниями. Происходит с образованием соли и воды: C6H5—OH + NaOH = C6H5—ONa + H2O. Способность отдавать водород в гидроксильной группе у фенола ниже, чем у большинства неорганических и карбоновых кислот. Вытесняет его из солей даже растворенный в воде диоксид углерода (угольная кислота). Уравнение реакции: C6H5—ONa + CO2 + H2O = C6H5—OH + NaHCO3.
Реакции бензольного кольца
Ароматические свойства обусловлены делокализацией электронов в бензольном ядре. Водород из состава кольца замещается на атомы галогенов, нитрогруппу. Подобный процесс в молекуле фенола проходит легче, чем у бензола. Один из примеров — бромирование. На бензол галоген действует в присутствие катализатора, получается бромбензол. Фенол реагирует с бромной водой при обычных условиях. В результате взаимодействия образуется белый осадок 2,4,6-трибромфенола, появление которого позволяет отличить испытуемое вещество от похожих на него ароматических соединений. Бромирование — качественная реакция на фенол. Уравнение: C6H5—OH + 3Br2 = C6H2Br3 + HBr. Второй продукт реакции — бромоводород. При взаимодействии фенола с разбавленной получаются нитропроизводные. Продукт реакции с концентрированной азотной кислотой — 2,4,6-тринитрофенол или пикриновая кислота имеет большое практическое значение.
Качественные реакции на фенол. Список
При взаимодействии веществ получаются определенные продукты, которые позволяют установить качественный состав исходных веществ. Ряд цветных реакций указывает на присутствие частиц, функциональных групп, что удобно использовать для химического анализа. Качественные реакции на фенол доказывают наличие в молекуле вещества ароматического кольца и OH-группы:
- В растворе фенола синяя лакмусовая бумажка краснеет.
- Цветные реакции на фенолы также проводят в слабой щелочной среде с солями диазония. Образуются желтые либо оранжевые азокрасители.
- Реагирует с бромной водой коричневого цвета, появляется белый осадок трибромфенола.
- В результате реакции с раствором хлорида железа получается феноксид трехвалентного железа — вещество синей, фиолетовой или зеленой окраски.
Получение фенолов
Производство фенола в промышленности идет в две либо три стадии. На первом этапе из пропилена и бензола в присутствии получают кумол (тривиальное название изопропилбензола). Уравнение реакции Фриделя-Крафтса: C6H5—OH + C3H6 = C9H12 (кумол). Бензол и пропилен в соотношении 3:1 пропускают над кислотным катализатором. Все чаще вместо традиционного катализатора — хлорида алюминия — используются экологически чистые цеолиты. На заключительной стадии проводят окисление кислородом в присутствии серной кислоты: C6H5—C3H7 + O2 = C6H5—OH + C3H6O. Фенолы могут быть получены из угля перегонкой, являются промежуточными соединениями в производстве других органических веществ.
Использование фенолов
Ароматические спирты находят широкое применение в производстве пластмасс, красителей, пестицидов и других веществ. Производство карболовой кислоты из бензола является первым шагом в создании ряда полимеров, в том числе поликарбонатов. Фенол вступает в реакцию с формальдегидом, получаются фенолформальдегидные смолы.
Циклогексанол служит сырьем для выпуска полиамидов. Фенолы применяются в качестве антисептиков и дезинфицирующих средств в дезодорантах, лосьонах. Используются для получения фенацетина, салициловой кислоты и других лекарственных препаратов. Фенолы находят применение в производстве смол, которые используются в электрических изделиях (выключатели, розетки). Они также используются в подготовке азокрасителей, например фениламина (анилина) . Пикриновая кислота, которая является нитропроизводным фенола, применяется для окрашивания тканей, изготовления взрывчатых веществ.