"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Фенолы — вещества, в которых группа −OH непосредственно соединена с бензольным кольцом. Такая связь отличает их от спиртов и меняет свойства обеих частей молекулы: фенол проявляет кислотность, а кольцо легче вступает в реакции замещения. Разберём, как строение объясняет реакции с натрием, щёлочью и бромной водой, научимся отличать фенол от похожих веществ и распознавать его в пробирке.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Фенолы — органические соединения, в которых одна или несколько гидроксильных групп непосредственно связаны с атомами углерода бензольного кольца. Это определение помогает отличить фенолы от веществ, где кольцо и −OH только находятся в одной молекуле, но не соединены напрямую. Именно положение группы определяет характерные свойства класса.
Фенол — простейший представитель фенолов состава C₆H₅OH, состоящий из бензольного кольца и гидроксильной группы. Формула показывает, что к кольцу C₆H₅ присоединена одна группа −OH. На примере фенола удобно разбирать строение и реакции, общие для веществ этого класса.
Фенольная гидроксильная группа — группа −OH, непосредственно соединённая с бензольным кольцом и определяющая особые свойства фенолов. Важно не только наличие кислорода и водорода, но и то, к какому атому углерода присоединена группа. Такое строение влияет и на кислотность молекулы, и на реакции кольца.
Феноляты — соли фенолов, образующиеся при замещении атома водорода гидроксильной группы на металл. Например, при реакции фенола с натрием или щёлочью образуется фенолят натрия C₆H₅ONa. Название продукта помогает распознать, что в реакции водород отщепился именно от группы −OH.
Принадлежность к фенолам определяется непосредственной связью −OH с кольцом. В C₆H₅OH кислород группы −OH связан с атомом углерода бензольного кольца, а в бензиловом спирте C₆H₅CH₂OH между ними находится углерод CH₂. Поэтому бензиловый спирт относится к спиртам, хотя в его молекуле есть и кольцо, и гидроксильная группа. Проверяя формулу, нужно проследить путь от кольца до кислорода, а не просто найти обе части молекулы.
В феноле неподелённая электронная пара атома кислорода может сопрягаться с π-системой бензольного кольца. Сопряжение означает взаимодействие электронных систем, из-за которого электронная плотность перераспределяется между кислородом и кольцом. Поэтому связь C−O в феноле устроена не так, как связь между углеродом и кислородом в обычном спирте. Это взаимодействие одновременно влияет на способность фенола отдавать водород и на реакционную способность кольца.
Фенол кислотнее обычных спиртов, потому что после отщепления протона H⁺ образуется фенолят-ион C₆H₅O⁻, который стабилизируется. Его отрицательный заряд не остаётся полностью сосредоточенным на кислороде, а частично распределяется по кольцу благодаря сопряжению. Чем устойчивее частица после потери протона, тем легче молекуле его отдать. Однако фенол всё же слабее карбоновых кислот: обычно он не вытесняет угольную кислоту из её солей.
С активными металлами фенол образует фенолят и выделяет водород: 2C₆H₅OH + 2Na → 2C₆H₅ONa + H₂↑. С раствором щёлочи он тоже реагирует: C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O; обе реакции связаны с кислотными свойствами. Бромная вода реагирует по другой причине: группа −OH повышает электронную плотность кольца и облегчает замещение водородов на бром. При избытке брома образуются осадок 2,4,6-трибромфенола и бромоводород: C₆H₅OH + 3Br₂ → C₆H₂Br₃OH↓ + 3HBr.
| Признак | Фенолы | Одноатомные спирты |
|---|---|---|
| Положение гидроксильной группы | Непосредственно связана с бензольным кольцом | Связана с атомом углерода, не входящим в бензольное кольцо |
| Относительная кислотность | Выше, чем у обычных спиртов | Низкая |
| Взаимодействие с активными металлами | Реагируют, образуя феноляты и водород | Реагируют, образуя алкоголяты и водород |
| Взаимодействие с растворами щелочей | Обычно реагируют с образованием фенолятов | В обычных условиях не реагируют |
| Взаимодействие с бромной водой | Обесцвечивают её; возможно образование осадка | В обычных условиях не обесцвечивают |
| Продукт отщепления водорода гидроксильной группы | Фенолят-ион | Алкоксид-ион |
Сначала сравните положение группы −OH: это главный признак, по которому различают классы. Затем используйте кислотность и реакции со щёлочью или бромной водой как проверку. Реакция с активным металлом сама по себе класс не определяет, поскольку такие реакции возможны у обоих типов веществ.
Задача 1. Определите, какие из веществ C₆H₅OH, C₆H₅CH₂OH, C₆H₅CH₂CH₂OH и C₆H₅OC₂H₅ относятся к фенолам. Для решения не достаточно увидеть в формуле бензольное кольцо и атом кислорода. Нужно установить, есть ли группа −OH и связана ли она напрямую с кольцом.
Ответ: фенолом является только C₆H₅OH. Проверка состоит в том, чтобы найти именно фрагмент кольцо−OH, а не просто атом кислорода рядом с кольцом.
Задача 2. Составьте уравнения реакций фенола с натрием, гидроксидом натрия и бромной водой. Удобно разделить их на реакции, где фенол отдаёт водород группы −OH, и реакцию замещения в кольце. Для бромной воды записывают продукт полного замещения в орто- и пара-положениях.
Ответ: записаны две кислотно-основные реакции и одна реакция замещения. Осадок 2,4,6-трибромфенола объясняет исчезновение окраски бромной воды.
Задача 3. В двух пробирках находятся фенол и этанол. Предложите способ распознавания доступными реактивами и запишите уравнения. Лучше применить реактив, который отличает фенол сразу, а затем при необходимости подтвердить результат второй пробой.
Ответ: пробирка, где наблюдается реакция с NaOH и обесцвечивание бромной воды, содержит фенол. Для этанола ни одна из этих проб в обычных условиях положительного результата не даёт.
Ошибка — считать фенолом любое вещество, в котором есть бензольное кольцо и группа −OH. Обычно так рассуждают, не проверяя, соединены ли они непосредственно. Проверьте формулу: если между кольцом и OH есть атом углерода, перед вами спирт, а не фенол.
Ошибка — приравнивать кислотность фенола к кислотности карбоновых кислот. Фенол действительно проявляет кислотные свойства, но слабее карбоновых кислот и обычно не вытесняет угольную кислоту из карбонатов. Проверяйте вывод по реакциям: с NaOH фенол реагирует, а с карбонатами ожидаемого вытеснения CO₂ обычно нет.
Ошибка — записывать реакцию фенола с NaOH без указания продукта или называть его обычным продуктом нейтрализации. Так бывает, если не учитывать, что щёлочь отнимает водород именно у группы −OH. Проверьте уравнение: должны образоваться фенолят натрия C₆H₅ONa и вода.
Ошибка — ожидать при бромировании только монозамещение. Из-за активирующего влияния −OH кольцо легко реагирует дальше, и в бромной воде обычно образуется 2,4,6-трибромфенол. Сверьте уравнение: на одну молекулу фенола расходуются три молекулы Br₂, а появление осадка сопровождается обесцвечиванием раствора.
Чтобы понять фенолы, нужно знать, как устроено бензольное кольцо и чем ароматические углеводороды отличаются от соединений с открытой цепью. Также пригодятся представления о функциональной группе спиртов и о кислотно-основных реакциях. Позже эти знания помогут объяснить электрофильное замещение в ароматическом кольце и качественные реакции органических веществ. Фенолы используют при получении фенолформальдегидных смол, поэтому их свойства важны и для понимания синтеза полимеров.
Чем фенол отличается от бензилового спирта?
У фенола группа −OH присоединена прямо к атому углерода бензольного кольца. В бензиловом спирте между кольцом и −OH находится группа −CH₂, поэтому это спирт, а не фенол.
Почему фенол проявляет кислотные свойства?
При отщеплении H⁺ образуется фенолят-ион. Его отрицательный заряд распределяется между кислородом и бензольным кольцом, поэтому ион устойчивее, чем частица, образующаяся при отщеплении водорода от обычного спирта.
Почему фенол реагирует с NaOH, а этанол — нет?
Фенол достаточно кислотен, чтобы передать протон гидроксид-иону, образовав воду и фенолят натрия. Этанол значительно слабее как кислота, поэтому в обычных условиях раствор NaOH не отщепляет от него водород группы −OH.
Почему фенол обесцвечивает бромную воду без катализатора?
Группа −OH повышает электронную плотность в бензольном кольце и облегчает замещение атомов водорода на бром. Поэтому реакция идёт легко, без катализатора, и бурый цвет бромной воды исчезает.
Можно ли считать фенол обычным спиртом?
Нет. Хотя в молекуле фенола есть группа −OH, она связана непосредственно с бензольным кольцом, а не с углеродом алкильной цепи. Из-за этого фенол имеет иные кислотные свойства и реакции кольца.
§ 34. В фенолах гидроксильная группа соединена с бензольным кольцом
