§ 10. Фенол

Определения и обозначения

Фенол — ароматическое соединение, в котором гидроксильная группа непосредственно связана с бензольным кольцом. Его формула C₆H₅OH показывает бензольный фрагмент C₆H₅− и группу −OH, соединённые напрямую. Такое обозначение сразу помогает отличить фенол от веществ, где между кольцом и гидроксилом есть дополнительный атом углерода.

Фенолы — производные ароматических углеводородов с одной или несколькими гидроксильными группами, связанными непосредственно с ароматическим кольцом. Поэтому фенол — простейший представитель этого класса, а вещества с двумя или тремя группами −OH тоже относятся к фенолам. Определение нужно, чтобы классифицировать соединение по строению, а не только по наличию гидроксила.

Фенольная гидроксильная группа — группа −OH, свойства которой изменяются под влиянием бензольного кольца. В ней атом кислорода связан с водородом и с углеродом ароматического кольца, поэтому связь O−H отличается от такой же связи в спиртах. Именно это объясняет необычную для органического вещества кислотность фенола.

Фенолят натрия — соль фенола и натрия, образующаяся при взаимодействии фенола со щёлочью. Её формула C₆H₅ONa; в растворе она состоит из ионов Na⁺ и C₆H₅O⁻. Понятие важно для записи реакций фенола с NaOH и понимания того, как проявляются его кислотные свойства.

Как это устроено

Фенол похож на спирты наличием группы −OH, но отличается местом её присоединения. В этаноле гидроксил связан с насыщенным атомом углерода, а в феноле — непосредственно с углеродом бензольного кольца. Поэтому формулу C₆H₅OH нельзя автоматически считать формулой спирта: свойства определяются всей структурой молекулы.

Бензольное кольцо влияет на электронное состояние гидроксила. Часть электронной плотности неподелённой пары кислорода взаимодействует с π-системой кольца, а образующийся после отщепления водорода фенолят-ион дополнительно стабилизируется распределением заряда. Поэтому фенол отдаёт протон легче этанола и является более сильной кислотой, чем вода и большинство спиртов.

Кислотные свойства подтверждаются реакцией с натрием: 2C₆H₅OH + 2Na → 2C₆H₅ONa + H₂. Натрий вытесняет водород из фенольной группы, поэтому наблюдается выделение газа. Фенол также реагирует со щёлочью: C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O, поскольку его кислотности достаточно для нейтрализации гидроксида натрия.

Группа −OH не только меняет кислотность, но и активирует бензольное кольцо. Она увеличивает электронную плотность преимущественно в орто- и пара-положениях, то есть рядом с углеродом, связанным с гидроксилом, и напротив него. Поэтому замещение в феноле идёт легче, чем в бензоле, а при действии бромной воды обычно образуется 2,4,6-трибромфенол: C₆H₅OH + 3Br₂ → C₆H₂Br₃OH + 3HBr.

С азотной кислотой фенол вступает в реакцию нитрования, например образует 2,4,6-тринитрофенол: C₆H₅OH + 3HNO₃ → C₆H₂(NO₂)₃OH + 3H₂O. Фенол можно обнаружить раствором хлорида железа(III): появляется фиолетовое окрашивание. Промышленно его получают главным образом кумольным способом, а применяют для производства фенолоформальдегидных смол, пластмасс и лекарственных веществ; сам фенол ядовит и вызывает химические ожоги.

Фенол: строение, свойства, получение и применение

Таблицу удобно читать слева направо: сначала определить признак, затем сопоставить его с реакцией или наблюдением. Последний столбец помогает сформулировать химический вывод, а не просто запомнить уравнение. При решении задания сначала найдите нужную строку, затем проверьте формулу и продукты реакции.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определите, какое из веществ является фенолом: C₆H₅OH, C₂H₅OH, C₆H₅CH₂OH. Для фенола запишите реакцию с натрием.

1. Ищем вещество, в котором −OH непосредственно соединена с бензольным кольцом.
2. В C₆H₅OH это условие выполнено. В C₂H₅OH бензольного кольца нет, а в C₆H₅CH₂OH между кольцом и гидроксилом находится группа −CH₂−.
3. Для фенола записываем реакцию с натрием и уравниваем её: 2C₆H₅OH + 2Na → 2C₆H₅ONa + H₂.

Ответ: фенол — C₆H₅OH; образуются фенолят натрия и водород.

Задача 2

Условие: запишите уравнения реакций фенола с гидроксидом натрия и бромной водой. Укажите признаки реакций.

1. Как слабая кислота фенол реагирует со щёлочью: C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O.
2. Группа −OH активирует кольцо, поэтому три атома водорода замещаются бромом: C₆H₅OH + 3Br₂ → C₆H₂Br₃OH + 3HBr.
3. В первой реакции образуется раствор фенолята натрия, а во второй бромная вода обесцвечивается и появляется белый осадок 2,4,6-трибромфенола.

Ответ: уравнения приведены выше; признаки — образование фенолята в реакции со щёлочью и белого осадка при бромировании.

Задача 3

Условие: 9,4 г фенола полностью прореагировали с бромной водой. Определите массу образовавшегося 2,4,6-трибромфенола.

1. По уравнению C₆H₅OH + 3Br₂ → C₆H₂Br₃OH + 3HBr видно, что 1 моль фенола даёт 1 моль продукта.
2. Молярная масса фенола M(C₆H₅OH) = 94 г/моль, поэтому n = 9,4 / 94 = 0,1 моль.
3. Молярная масса C₆H₂Br₃OH приблизительно равна 331 г/моль. Тогда m = 0,1 · 331 = 33,1 г.

Ответ: образуется примерно 33,1 г 2,4,6-трибромфенола.

Типичные ошибки

Называть фенол спиртом только из-за наличия −OH — ошибка в классификации. Её допускают, если не проверяют, с каким атомом углерода связана группа. Проверьте строение: непосредственная связь с бензольным кольцом означает фенол.

Иногда считают, что фенол реагирует с карбонатами так же легко, как минеральные кислоты. Его кислотности обычно недостаточно для заметного выделения углекислого газа из карбонатов. Если в решении появляется такая реакция без специальных условий, сравните силу кислоты и проверьте допустимость вывода.

При бромировании записывают только монобромпроизводное. В избытке бромной воды фенол легко замещает три атома водорода, поэтому образуется 2,4,6-трибромфенол и белый осадок. Проверьте, указаны ли три атома Br и исчезновение окраски бромной воды.

Фенол путают с бензиловым спиртом C₆H₅CH₂OH из-за похожего состава. В бензиловом спирте группа −OH связана с насыщенным углеродом CH₂, а не непосредственно с кольцом. Разберите формулу по связям, а не по одному фрагменту C₆H₅.

Связь с другими темами

Для изучения фенола нужны знания о строении бензольного кольца, реакциях замещения в ароматическом ряду и общих свойствах спиртов. Без этого трудно понять, почему одинаковая группа −OH проявляет себя по-разному.

Сравнение фенола и спиртов показывает влияние заместителей на кислотность. Устойчивость фенолят-иона связывает эту тему с электронным строением молекул и распределением заряда.

Фенол пригодится при изучении полимеров и фенолоформальдегидных смол, органического синтеза и токсичности органических веществ. Его реакции объясняют промышленное значение соединения.

Что запомнить

• Фенол содержит группу −OH, непосредственно связанную с бензольным кольцом.
• Фенол проявляет более выраженные кислотные свойства, чем спирты.
• Фенол реагирует с натрием и гидроксидом натрия с образованием фенолята натрия.
• Гидроксильная группа активирует бензольное кольцо и направляет замещение в орто- и пара-положения.
• Бромная вода обесцвечивается при образовании 2,4,6-трибромфенола.
• Фенол обнаруживают по фиолетовому окрашиванию с хлоридом железа(III).
• Фенол токсичен и требует осторожного обращения.