"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Фенол — ароматическое соединение, в котором группа –OH непосредственно связана с бензольным кольцом. Такое строение отличает его от спиртов: фенол проявляет слабые кислотные свойства, реагирует со щелочами и активными металлами. При этом группа –OH влияет и на кольцо: облегчает реакции замещения и направляет новые заместители преимущественно в орто- и пара-положения. Эти особенности важны для понимания реакций фенола и его производных.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Фенол — ароматическое соединение, в котором гидроксильная группа непосредственно связана с атомом углерода бензольного кольца. Его формулу обычно записывают как C₆H₅OH. Такое определение помогает отличить фенол от спирта, где –OH находится при атоме углерода цепи.
Фенольная гидроксильная группа — группа –OH, связанная непосредственно с ароматическим кольцом; её строение определяет особенности свойств фенолов. Иными словами, значение имеет не только наличие кислорода и водорода, но и то, с какой частью молекулы связана группа. Именно эта связь влияет на кислотные свойства и реакции кольца.
Фенолят-ион — отрицательно заряженный ион, образующийся при отщеплении протона от фенольной гидроксильной группы. Его формулу можно представить как C₆H₅O⁻. Это понятие объясняет, почему фенол способен проявлять кислотные свойства и образовывать соли.
Феноляты — соли фенолов, в которых атом водорода гидроксильной группы замещён катионом металла. Например, C₆H₅ONa — фенолят натрия. Понятие нужно, чтобы распознавать продукты реакций фенола с металлами и щелочами.
У спирта группа –OH связана с атомом углерода углеводородной цепи, а у фенола — непосредственно с атомом углерода кольца. Из-за такой связи кислород оказывается рядом с сопряжённой системой бензола, то есть системой чередующихся связей, в которой электроны могут перераспределяться. Поэтому свойства фенола нельзя считать просто суммой свойств бензола и спирта.
У кислорода есть неподелённая электронная пара — пара электронов, не участвующая в образовании обычной связи. Она может взаимодействовать с π-системой бензольного кольца; такое согласованное взаимодействие называют сопряжением. В результате электронная плотность перераспределяется между группой –OH и кольцом, и это влияет как на связь O–H, так и на способность кольца вступать в реакции замещения.
Фенол проявляет слабые кислотные свойства, потому что может отдать протон из группы –OH. После этого возникает фенолят-ион, в котором отрицательный заряд не сосредоточен исключительно на атоме кислорода, а распределяется по сопряжённой системе. Такое распределение стабилизирует ион и делает отщепление протона возможным, но не превращает фенол в сильную кислоту.
Фенол реагирует с активными металлами с образованием фенолята и выделением водорода, а со щелочами — с образованием фенолята и воды. Например, C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O. Обычные спирты слабее проявляют способность отдавать протон, и равновесие реакции со щёлочью не приводит к образованию соли так, как в случае фенола. Поэтому реакции со щелочами помогают отличить фенол от обычного спирта.
Группа –OH повышает электронную плотность в бензольном кольце благодаря сопряжению с электронной парой кислорода. Поэтому реакции замещения в кольце идут легче, чем у бензола. Наиболее благоприятны орто-положения — соседние с группой –OH атомы углерода — и пара-положение, расположенное напротив неё; туда преимущественно направляются новые заместители.
| Признак | Фенол | Спирт (этанол) | Бензол |
|---|---|---|---|
| Строение и положение группы –OH | –OH непосредственно связана с бензольным кольцом | –OH связана с углеродом этильной цепи | Группы –OH нет |
| Влияние группы –OH на электронное строение | Электронная пара кислорода сопрягается с кольцом | Прямого сопряжения с ароматическим кольцом нет | Влияния группы –OH нет |
| Кислотные свойства | Слабые кислотные свойства | Выражены очень слабо | Не проявляет свойств кислоты по группе –OH |
| Реакция с натрием | Образуется фенолят натрия и выделяется H₂ | Образуются этилат натрия и H₂ | Не характерна |
| Реакция с раствором щёлочи | Образуются фенолят и вода | Аналогичная реакция не идёт | Не характерна |
| Характерные реакции ароматического кольца | Замещение идёт легче, преимущественно в орто- и пара-положения | Ароматического кольца нет | Реакции замещения характерны, но кольцо менее активно, чем в феноле |
Сравнивайте вещества по двум признакам: где находится группа –OH и как она влияет на электронное строение. Затем сопоставляйте кислотные свойства и реакции со щёлочью, не перенося свойства фенола на все спирты. Последняя строка показывает, что наличие ароматического кольца ещё не означает одинаковой скорости и направленности реакций.
Условие. Составить структурную формулу фенола и назвать функциональную группу, непосредственно связанную с бензольным кольцом. Решение. Сначала определяем основу молекулы: это бензольное кольцо C₆H₅. Затем присоединяем к одному из его атомов углерода группу –OH, не помещая её в боковую цепь.
Ответ. Структурная формула фенола — C₆H₅OH; непосредственно с бензольным кольцом связана фенольная гидроксильная группа. Если бы между кольцом и –OH находилась группа –CH₂–, это было бы уже другое соединение, а не фенол.
Условие. Записать уравнение реакции фенола с NaOH и назвать органическое вещество, которое образуется. Решение. Фенол проявляет слабые кислотные свойства и отдаёт протон гидроксид-иону. Оставшаяся часть молекулы соединяется с катионом натрия, а протон и OH⁻ образуют воду.
Ответ. C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O. Органический продукт — фенолят натрия; реакция показывает кислотные свойства фенола.
Условие. Составить уравнение взаимодействия фенола с бромной водой, определить продукт и объяснить обесцвечивание. Решение. Группа –OH активирует кольцо, поэтому замещение идёт сразу в двух орто-положениях и одном пара-положении. В этих трёх местах атомы водорода заменяются атомами брома.
Ответ. Образуется 2,4,6-трибромфенол. Бромная вода обесцвечивается, потому что растворённый Br₂ расходуется в реакции замещения.
Считать фенол спиртом только из-за наличия –OH — ошибка: решает место присоединения группы, а не её название. Так думают, потому что в обоих случаях видна одна и та же группа. Проверьте, связана ли она непосредственно с бензольным кольцом: если да, это фенол.
Приписывать фенолу свойства сильной кислоты неверно: он способен отдавать протон, но его кислотные свойства слабы. Путаница возникает из-за реакций фенола со щёлочами и металлами. Проверяйте формулировку: образование соли подтверждает кислотный характер, но само по себе не доказывает, что кислота сильная.
Утверждение, что фенол реагирует со щёлочью так же, как обычный спирт, тоже неверно. Фенол образует фенолят из-за своих кислотных свойств, тогда как этанол при взаимодействии с раствором щёлочи аналогично соли не образует. Чтобы проверить себя, сравните продукты реакции фенола и спирта с NaOH.
Записывать продукт реакции с бромной водой как монобромфенол — значит не учитывать условия и активность кольца. Из-за активирующего влияния –OH замещение проходит в орто- и пара-положениях и затрагивает три атома водорода. Для проверки пересчитайте заместители в продукте: при реакции с бромной водой получается 2,4,6-трибромфенол.
Для понимания фенолов нужны знания о строении бензольного кольца, функциональных группах и свойствах спиртов. Далее эти представления помогают объяснить электрофильное замещение — реакцию, в которой атом или группа в ароматическом кольце заменяется другой частицей, — и сравнивать кислотность органических соединений. Свойства фенола пригодятся при изучении получения и применения фенолятов и других производных фенола.
Чем фенол отличается от спирта?
У фенола группа –OH непосредственно связана с атомом углерода бензольного кольца, а у спирта — с атомом углерода углеводородной цепи. Поэтому электронное строение и химические свойства фенола отличаются от свойств обычных спиртов.
Почему фенол считают слабой кислотой?
Фенол может отдавать протон группы –OH, а образующийся фенолят-ион стабилизируется благодаря распределению заряда по сопряжённой системе. Однако кислотные свойства фенола выражены слабо: он не относится к сильным кислотам.
Реагирует ли фенол с раствором щёлочи?
Да. Фенол реагирует, например, с гидроксидом натрия с образованием фенолята натрия и воды: C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O. Обычные спирты с растворами щелочей так не реагируют.
Какой продукт образуется при реакции фенола с бромной водой?
В обычных условиях реакции с бромной водой образуется 2,4,6-трибромфенол. Бром замещает три атома водорода в кольце, а раствор обесцвечивается, поскольку бром расходуется.
Почему гидроксильная группа влияет на реакции бензольного кольца?
Неподелённая электронная пара атома кислорода сопрягается с π-системой бензольного кольца. Это повышает электронную плотность в кольце и облегчает реакции замещения, особенно в орто- и пара-положениях относительно группы –OH.
§ 35. Особенности строения и свойств фенолов
