"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Фенолы — органические соединения, в которых группа −OH непосредственно связана с ароматическим кольцом. Простейший представитель — фенол C₆H₅OH: он проявляет более выраженные кислотные свойства, чем спирты, и легко вступает в реакции замещения в бензольном кольце. Эти особенности объясняют, почему фенол используют в производстве пластмасс и красителей, а также помогают распознавать его с помощью бромной воды. При этом фенол токсичен и требует осторожного обращения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Фенолы — кислородсодержащие ароматические соединения, в которых гидроксильная группа непосредственно связана с атомом углерода бензольного ядра. Это положение группы −OH отличает фенолы от других веществ с бензольным кольцом и помогает определить класс соединения по формуле. Если между кольцом и кислородом есть углерод боковой цепи, перед нами не фенол.
Фенол — простейший представитель фенолов состава C₆H₅OH. Его строение можно представить как бензольное кольцо с одной группой −OH; употребляются также названия гидроксибензол и карболовая кислота. Фенол применяют прежде всего как сырьё для производства пластмасс, смол и красителей, а его свойства важны для органического синтеза.
Фенольная гидроксильная группа — группа −OH, соединённая непосредственно с ароматическим кольцом и определяющая особые свойства фенолов. Связь кислорода с кольцом влияет и на кислотность, и на распределение электронной плотности в кольце. Поэтому группа −OH здесь не ведёт себя так же, как гидроксильная группа обычного спирта.
Феноляты — соли фенолов, образующиеся при замещении атома водорода гидроксильной группы на металл. Например, при реакции фенола с гидроксидом натрия возникает фенолят натрия C₆H₅ONa и вода. Понятие фенолятов помогает записывать кислотно-основные реакции фенола и понимать, какой продукт в них получается.
В феноле группа −OH присоединена прямо к атому углерода бензольного кольца, а в ароматическом спирте — к углероду боковой цепи. Например, C₆H₅OH — фенол, тогда как C₆H₅CH₂OH — бензиловый спирт. Различие в строении меняет свойства: у фенола кислород непосредственно взаимодействует с электронной системой кольца, а у спирта гидроксильная группа находится в цепи.
Атом кислорода в группе −OH обладает неподелённой электронной парой и может передавать часть электронной плотности бензольному кольцу. В результате её становится больше у атомов углерода в орто-положениях — соседних с группой −OH — и в пара-положении, расположенном напротив неё. Поэтому кольцо фенола активнее вступает в реакции замещения, а новые заместители чаще появляются именно в этих положениях.
Фенол проявляет кислотные свойства, потому что может отдавать водород группы −OH и превращаться в фенолят-ион. В этом ионе отрицательный заряд не сосредоточен только на кислороде, а распределяется по ароматической системе; такая стабилизация облегчает образование иона. У спиртов подобное распределение выражено гораздо слабее, поэтому они обычно менее кислы, чем фенол.
С активными металлами фенол реагирует с выделением водорода: 2C₆H₅OH + 2Na → 2C₆H₅ONa + H₂. С гидроксидом натрия он образует соль и воду: C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O. В бензольном кольце также идут реакции замещения; например, с бромной водой получается 2,4,6-трибромфенол: C₆H₅OH + 3Br₂ → C₆H₂Br₃OH + 3HBr. Белый осадок этого вещества служит признаком качественной реакции на фенол.
В промышленности фенол получают, в частности, кумольным способом, перерабатывая кумол; лабораторно его можно получить из соли фенола действием кислоты. Фенол токсичен, а при попадании на кожу опасен для здоровья, поэтому обращаться с ним нужно осторожно. Его способность тормозить развитие микроорганизмов исторически использовали для антисептической обработки, но в быту фенол для этого не применяют без специальных мер безопасности. Основное значение вещества сегодня связано с производством пластмасс, смол и красителей.
| Признак | Одноатомные спирты | Фенолы |
|---|---|---|
| Положение гидроксильной группы | Группа −OH связана с насыщенным атомом углерода | Группа −OH непосредственно связана с ароматическим кольцом |
| Кислотные свойства | Обычно выражены очень слабо | Выражены сильнее, чем у спиртов, но слабее, чем у большинства минеральных кислот |
| Взаимодействие со щелочами | Для большинства спиртов реакция практически нехарактерна | Образуются феноляты и вода |
| Реакции ароматического кольца | Зависят от заместителей и условий реакции | Гидроксильная группа облегчает замещение в орто- и пара-положениях |
| Качественная реакция | Единой реакции для всех спиртов нет | С бромной водой образуется белый осадок 2,4,6-трибромфенола |
Сначала сравните положение группы −OH: это позволяет правильно отнести вещество к спиртам или фенолам. Затем по строкам о кислотности и реакциях определите, какие химические свойства можно ожидать. Строка о качественной реакции помогает отличить фенол экспериментально.
В первой задаче нужно классифицировать C₆H₅OH, C₆H₅CH₂OH, C₆H₅OCH₃ и HO−C₆H₄−OH и назвать найденные фенолы. Проверяем не просто наличие бензольного кольца и кислорода, а то, присоединена ли группа −OH непосредственно к кольцу. В C₆H₅OCH₃ группы −OH вообще нет, а в C₆H₅CH₂OH она находится в боковой цепи. Поэтому фенолы здесь — C₆H₅OH, фенол, и HO−C₆H₄−OH, бензолдиол (дигидроксибензол).
Найдём в каждой формуле именно группу −OH, а не любой атом кислорода.
Проверим связь: если гидроксильная группа соединена прямо с кольцом, вещество относится к фенолам.
Запишем названия: C₆H₅OH — фенол; HO−C₆H₄−OH — бензолдиол, положение групп в котором зависит от их расположения в кольце.
Ответ: фенолы — C₆H₅OH и HO−C₆H₄−OH. Первое вещество называют фенолом, второе — бензолдиолом; C₆H₅CH₂OH является ароматическим спиртом, а C₆H₅OCH₃ — простым эфиром.
Во второй задаче нужно записать три реакции и указать признак реакции с бромной водой. Натрий замещает водород группы −OH с выделением H₂, а щёлочь отнимает этот водород и образует соль с водой. При бромировании активированного кольца замещаются три атома водорода в орто- и пара-положениях. Уравнения: 2C₆H₅OH + 2Na → 2C₆H₅ONa + H₂; C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O; C₆H₅OH + 3Br₂ → C₆H₂Br₃OH↓ + 3HBr.
Уравняем реакцию с натрием: две молекулы фенола дают одну молекулу водорода.
В реакции со щёлочью запишем фенолят натрия и воду, проверив число атомов в обеих частях.
В реакции с бромной водой учтём замещение трёх атомов водорода кольца на бром.
Ответ: образуются фенолят натрия и водород; фенолят натрия и вода; 2,4,6-трибромфенол и бромоводород. Признак качественной реакции — обесцвечивание бромной воды и появление белого осадка.
В третьей задаче известно, что получили 33,1 г 2,4,6-трибромфенола, и требуется найти массу фенола. Из уравнения C₆H₅OH + 3Br₂ → C₆H₂Br₃OH + 3HBr видно, что фенол и продукт образуются в соотношении 1:1. Молярная масса трибромфенола равна 331 г/моль, а фенола — 94 г/моль. Значит, сначала найдём количество продукта, затем такое же количество фенола и его массу.
Вычислим количество трибромфенола: n = 33,1 / 331 = 0,10 моль.
По коэффициентам реакции n(фенола) = 0,10 моль.
Найдём массу фенола: m = nM = 0,10 · 94 = 9,4 г.
Ответ: в реакцию вступило 9,4 г фенола. Избыток бромной воды не меняет расчёт: количество фенола определяется количеством полученного продукта и соотношением коэффициентов.
Ошибка — считать фенолом любое соединение с бензольным кольцом и атомом кислорода. Так бывает, если ориентироваться на общий состав, а не на связь между атомами. Проверьте формулу: гидроксильная группа должна быть присоединена к кольцу непосредственно. Поэтому C₆H₅CH₂OH — не фенол, а ароматический спирт.
Ошибка — записывать реакцию фенола со щёлочью как нейтрализацию сильной кислоты или забывать продукт. Фенол слабая кислота, но он отдаёт водород группе −OH гидроксид-иону; образуются фенолят натрия и вода. Проверка проста: убедитесь, что в продуктах есть C₆H₅ONa и H₂O, а атомы и заряд сбалансированы.
Ошибка — применять к фенолу правила замещения бензола, не учитывая влияние группы −OH. Это происходит, когда реакцию рассматривают как обычное бромирование кольца без анализа заместителей. Группа −OH повышает электронную плотность и направляет замещение преимущественно в орто- и пара-положения. Перед записью продукта отметьте положения относительно гидроксильной группы.
Ошибка — называть реакцию с бромной водой только обесцвечиванием раствора. Обесцвечивание показывает расход брома, но не описывает полностью наблюдаемый результат и продукт. Проверьте, указаны ли белый осадок 2,4,6-трибромфенола и уравнение реакции. Для качественного распознавания фенола важны оба признака.
Для понимания фенолов нужны знания о строении бензольного кольца, ароматических углеводородах и направлениях электрофильного замещения. Также пригодятся понятия функциональной группы, свойства спиртов и правила составления уравнений кислотно-основных реакций. Позже свойства фенола помогут разбираться в производстве полимеров, органическом синтезе, лекарственных веществ и красителей. Токсичность фенола связывает тему с вопросами экологической безопасности органических соединений.
Чем фенол отличается от ароматического спирта?
У фенола группа −OH присоединена прямо к ароматическому кольцу. У ароматического спирта она связана с атомом углерода боковой цепи, например в C₆H₅CH₂OH.
Почему фенол проявляет кислотные свойства, а бензол — нет?
Фенол может отдавать ион водорода от группы −OH, образуя фенолят-ион. Его отрицательный заряд распределяется по ароматической системе, поэтому ион стабилен; у бензола нет группы −OH, способной отдать такой ион.
Почему фенол реагирует с гидроксидом натрия, а этанол обычно не реагирует?
Фенол слабее минеральных кислот, но заметно кислее спиртов, поэтому гидроксид натрия отнимает у него ион водорода. Образуются фенолят натрия и вода. Этанол слишком слабая кислота для такой реакции.
Что показывает обесцвечивание бромной воды в реакции с фенолом?
Оно показывает, что бром реагирует с фенолом и расходуется. При этом образуется белый осадок 2,4,6-трибромфенола, поэтому качественный признак — не только обесцвечивание, но и появление осадка.
Почему гидроксильная группа направляет замещение в орто- и пара-положения?
Атом кислорода группы −OH передаёт часть электронной плотности бензольному кольцу. Особенно она возрастает у атомов углерода рядом с группой −OH и напротив неё. Поэтому замещение преимущественно идёт в орто- и пара-положения.
Тема 12. Фенолы
