§ 12. Фенол

Определения и обозначения

Фенол — ароматическое органическое соединение C6H5OH, в котором гидроксильная группа непосредственно связана с бензольным ядром. Формула показывает, что к кольцу C6H5 присоединена группа −OH. Такое определение отличает фенолы от спиртов с гидроксилом в боковой цепи.

Фенольный гидроксил — функциональная группа −OH, соединённая с атомом углерода бензольного кольца. Связь с кольцом влияет на свойства кислорода и водорода этой группы. Поэтому фенольный гидроксил рассматривают не так, как гидроксил этанола.

Феноляты — соли фенолов, в которых водород гидроксильной группы замещён металлом. Например, C6H5ONa — фенолят натрия. Образование фенолята помогает объяснить кислотные свойства фенола и его реакцию со щелочами.

Кумольный способ — промышленный метод получения фенола окислением кумола с последующим разложением образовавшегося гидропероксида. В результате одновременно получают фенол и ацетон. Этот способ важен потому, что позволяет производить фенол в больших количествах.

Как это устроено

В молекуле фенола группа −OH присоединена прямо к атому углерода бензольного кольца, а не к углероду боковой цепи. Поэтому фенол нельзя считать обычным ароматическим спиртом: связь кислорода с кольцом меняет распределение электронов и реакционную способность вещества. У бензилового спирта C6H5CH2OH гидроксил отделён от кольца группой CH2, поэтому его свойства иные.

У атома кислорода есть неподелённая электронная пара. Она частично включается в общую π-электронную систему бензольного кольца, и электронная плотность перемещается от кислорода к кольцу. В результате на кислороде возникает частичный положительный заряд, а в орто- и пара-положениях кольца электронная плотность увеличивается.

Фенол сильнее этанола проявляет кислотные свойства, потому что после отщепления водорода образуется фенолят-ион C6H5O⁻. Его отрицательный заряд распределяется не только на атоме кислорода, но и по бензольному кольцу, поэтому ион стабилизируется. У этоксид-иона заряд в основном остаётся на кислороде, и отщепление водорода от этанола менее выгодно.

Фенол реагирует с гидроксидом натрия, поскольку его кислотности достаточно для образования воды и фенолята. Однако с карбонатами реакция с выделением углекислого газа обычно не идёт: фенол слабее угольной кислоты и не вытесняет её из карбоната. Поэтому отсутствие пузырьков газа отличает фенол от многих карбоновых кислот.

Гидроксильная группа активирует бензольное кольцо, то есть облегчает замещение атомов водорода электрофильными частицами. Особенно выгодны орто- и пара-положения, где электронная плотность повышена. Поэтому бромирование водного раствора быстро приводит к 2,4,6-трибромфенолу, а при нитровании могут образоваться нитрофенолы или пикриновая кислота.

Основные свойства и реакции фенола

В таблице собраны основные превращения фенола и их признаки. По уравнению можно определить соотношение веществ, а по наблюдению — распознать реакцию в опыте. При решении задач сначала находят количество вещества по коэффициентам уравнения, затем переходят к массе или объёму.

Разбор задач

Задача 1. Распознавание фенола

Определите, какие из веществ C6H5OH, C6H5CH3, C6H5CH2OH относятся к фенолам, и назовите их функциональные группы. Главное условие для фенола — непосредственная связь гидроксила с бензольным кольцом. Поэтому нужно рассмотреть строение каждой формулы, а не только наличие фрагмента OH.

1. В C6H5OH группа −OH соединена прямо с кольцом, значит, это фенол с фенольным гидроксилом.
2. В C6H5CH3 гидроксильной группы нет, поэтому вещество является толуолом, а не фенолом.
3. В C6H5CH2OH группа −OH присоединена к углероду боковой цепи CH2, значит, это бензиловый спирт с гидроксильной группой спирта.

Ответ: фенолом является только C6H5OH. У него фенольный гидроксил; у C6H5CH2OH — спиртовой гидроксил, а у C6H5CH3 функциональной группы −OH нет.

Задача 2. Уравнения реакций и признаки

Составьте уравнения реакций фенола с натрием, гидроксидом натрия и бромной водой и укажите признаки реакций. В первых двух опытах нужно учитывать кислотный водород группы −OH. В реакции с бромной водой учитывают активность кольца и образование трёх замещённых атомов брома.

1. С натрием: 2C6H5OH + 2Na → 2C6H5ONa + H2; наблюдается выделение пузырьков водорода.
2. С щёлочью: C6H5OH + NaOH → C6H5ONa + H2O; образуется растворимый фенолят натрия.
3. С бромной водой: C6H5OH + 3Br2 → C6H2Br3OH + 3HBr; раствор обесцвечивается и появляется белый осадок.

Ответ: уравнения записаны с правильными коэффициентами. Выделение газа характерно для реакции с натрием, а обесцвечивание и осадок — для качественной реакции с бромной водой.

Задача 3. Расчёт по реакции с бромом

Рассчитайте массу фенола, необходимую для полного взаимодействия с 0,30 моль Br2, если образуется 2,4,6-трибромфенол. Сначала используют коэффициенты уравнения, а затем молярную массу фенола. Уравнение реакции: C6H5OH + 3Br2 → C6H2Br3OH + 3HBr.

1. По уравнению 1 моль фенола реагирует с 3 моль Br2, поэтому n(C6H5OH) = 0,30 : 3 = 0,10 моль.
2. Молярная масса фенола равна M(C6H5OH) = 6 · 12 + 6 · 1 + 16 = 94 г/моль.
3. Находим массу: m = nM = 0,10 · 94 = 9,4 г.

Ответ: для полного взаимодействия с 0,30 моль брома потребуется 9,4 г фенола. Если дано другое количество Br2, его сначала делят на 3, а затем умножают на 94 г/моль.

Типичные ошибки

C6H5CH2OH называют фенолом. Ошибка возникает из-за наличия бензольного кольца и группы −OH в одной формуле. Проверьте, связан ли кислород непосредственно с кольцом: в бензиловом спирте между ними находится фрагмент CH2.

Фенол считают таким же сильным электролитом, как неорганические кислоты. Фенол — слабая кислота, поэтому в воде диссоциирует лишь частично. Самопроверка проста: его кислотные свойства заметны в реакции со щёлочью, но он не даёт обычной реакции с карбонатами с выделением CO2.

Реакцию с NaOH записывают как обычную нейтрализацию сильной кислоты. Такое объяснение не учитывает строение фенолята и стабилизацию его заряда кольцом. Записывая уравнение, укажите образование C6H5ONa и H2O, а не просто замену одного аниона другим.

При бромировании записывают только монобромирование. В водном растворе фенольное кольцо сильно активировано, поэтому обычно замещаются три атома водорода. Проверьте коэффициенты: нужны 3Br2 и продукт 2,4,6-трибромфенол с белым осадком.

Связь с другими темами

Для понимания фенола нужны знания о строении бензольного кольца, функциональных группах спиртов, кислотно-основных свойствах и составлении уравнений реакций. Эти основы позволяют отличить фенол от бензилового спирта и объяснить образование фенолятов.

Тема продолжает изучение ароматических соединений и пригодится при рассмотрении фенолформальдегидных смол, органического синтеза и токсичности веществ. Фенол также показывает, как строение соединения определяет его практическое применение и опасность.

Свойства фенола помогают понять влияние заместителей на бензольное кольцо. Группа −OH повышает его реакционную способность и направляет замещение в орто- и пара-положения, поэтому реакции фенола служат удобным примером электрофильного замещения.

Что запомнить

• Фенол имеет формулу C6H5OH.
• В феноле группа −OH непосредственно соединена с бензольным кольцом.
• Фенол проявляет слабые кислотные свойства и реагирует со щелочами.
• При реакции фенола с NaOH образуется фенолят натрия.
• Бромная вода обесцвечивается с образованием белого осадка 2,4,6-трибромфенола.
• Гидроксильная группа активирует бензольное кольцо и ориентирует замещение в орто- и пара-положения.
• Промышленно фенол получают кумольным способом.