Фенол
В формулах этанола и фенола есть группа OH, но водные растворы щёлочи взаимодействуют с ними по-разному. У фенола кислород непосредственно связан с ароматическим кольцом, и это меняет кислотность и реакции самого кольца. Его свойства удобно изучать как пример взаимного влияния функциональной группы и углеродного фрагмента.
Строение и принадлежность к классу
Фенолы — соединения, содержащие OH непосредственно при атоме углерода ароматического кольца. Простейший представитель — фенол C6H5OH, или гидроксибензол. Слово «фенол» обозначает и конкретное вещество, и основу названия класса.
У фенола шесть атомов C, шесть H и один O, то есть молекулярная формула C6H6O. Пять H находятся при кольце, шестой входит в OH. В отличие от обычного спирта, OH связана с ненасыщенным ароматическим C, а не с насыщенным углеродом боковой цепи.
Сравните C6H5OH и C6H5CH2OH. Второе вещество — бензиловый спирт: между кольцом и OH есть CH2. Не всякая молекула с бензольным кольцом и кислородом принадлежит к фенолам.
В кольце могут находиться дополнительные заместители или несколько OH. Метилфенолы называют крезолами; два заместителя могут располагаться в положениях 1,2, 1,3 или 1,4. Но свойства конкретных многоатомных или замещённых фенолов нельзя автоматически приравнивать свойствам чистого фенола.
Физические свойства
Чистый фенол при обычной комнатной температуре представляет собой кристаллическое вещество; при нагревании около 41 °C плавится. Он ограниченно растворяется в воде при комнатной температуре, причём растворимость зависит от температуры. Поэтому наличие OH не означает смешиваемости с водой во всех соотношениях при любых условиях.
Группа OH участвует в водородных связях, но крупный неполярный ароматический фрагмент тоже влияет на растворимость. Изменение окраски образца при хранении может быть связано с примесями и окислительными превращениями; цвет не служит надёжным доказательством чистоты. Фенол токсичен и едок; эти свойства относятся к конкретному веществу, а не позволяют судить обо всех соединениях с похожей формулой.
Кислотные свойства
Фенол — слабая кислота в воде, но заметно более сильная, чем этанол. При отщеплении протона возникает фенолят-ион C6H5O−. Его заряд может быть делокализован в системе, включающей ароматическое кольцо; такая стабилизация помогает объяснить различие кислотности.
C6H5OH + H2O ⇌ C6H5O− + H3O+.
Фенол реагирует с раствором NaOH с образованием фенолята и воды. Обычный этанол не вступает с водной щёлочью в аналогичную практически полную реакцию нейтрализации.
C6H5OH + NaOH → C6H5ONa + H2O.
В ионной записи расходуются молекула фенола и гидроксид-ион:
C6H5OH + OH− → C6H5O− + H2O.
Добавление достаточно сильной кислоты к феноляту возвращает фенол:
C6H5ONa + HCl → C6H5OH + NaCl.
Кислотность фенола существенно слабее кислотности обычных карбоновых кислот. С гидрокарбонатом натрия фенол в обычных условиях не выделяет CO2 так, как уксусная кислота. Не следует заменять слово «гидрокарбонат» на любой карбонат: кислотно-основные равновесия этих частиц различаются.
С активным металлом, например натрием, возможно выделение водорода за счёт H группы O–H:
2C6H5OH + 2Na → 2C6H5ONa + H2↑.
Эта реакция сама по себе не отличает фенол от обычного спирта: натрий может взаимодействовать и со спиртами, и с водой. Качественный вывод требует учитывать совокупность свойств.
Реакции ароматического кольца
Группа OH активирует кольцо по отношению к электрофильному замещению. В подходящих условиях замещение легче идёт в орто- и пара-положениях относительно OH. Например, при действии бромной воды и достаточном количестве брома образуется малорастворимый 2,4,6-трибромфенол:
C6H5OH + 3Br2 → C6H2Br3OH↓ + 3HBr.
Обесцвечивание реагента и светлый осадок отличаются от обычной реакции бензола, требующей катализа. В кольце три H заменяются на Br; OH сохраняется. Это замещение, а не присоединение трёх Br2 к трём независимым двойным связям.
Условия важны: в другой среде или при ином расходе реагента состав продуктов может различаться. Нельзя обещать один и тот же трибромпродукт для любого замещённого фенола, поскольку часть положений уже может быть занята.
Качественный признак и получение
При взаимодействии фенола с ионами Fe(III) в подходящей среде может появляться характерная фиолетовая окраска комплекса. Другие фенольные соединения дают разные оттенки; результат зависит от pH и состава раствора. Это полезный качественный признак, но не универсальное доказательство единственного вещества.
В промышленной химии фенол получают, в частности, из кумола — изопропилбензола — через стадию окисления и последующего превращения промежуточного соединения. Вместе с фенолом образуется ацетон. Такой путь не сводится к непосредственному «присоединению OH к бензолу».
Фенол используют как сырьё для полимеров, смол и других органических продуктов. Соединение с формальдегидом может участвовать в образовании фенолформальдегидных материалов. Свойства готового полимера отличаются от свойств исходных мономеров.
Три разобранных примера
1. Фенол или спирт?
У C6H5OH кислород непосредственно связан с кольцом: это фенол. У C6H5CH2OH группа OH находится при насыщенном C: это спирт. Решение определяется связностью атомов, а не одним наличием букв OH.
2. Нейтрализация фенола
Для 9,4 г фенола M ≈ 94 г/моль. При полном превращении по реакции с NaOH без других реагирующих примесей:
n(фенола) = 9,4 / 94 = 0,10 моль; m(NaOH) = 0,10 · 40 = 4,0 г.
Одна OH в молекуле соответствует одному молю щёлочи на моль фенола в этой реакции.
3. Бромирование
Для образования трибромфенола из 0,050 моль фенола по указанному уравнению:
n(Br2) = 3 · 0,050 = 0,150 моль; m(Br2) ≈ 0,150 · 160 = 24,0 г.
На каждый замещённый H расходуется одна Br2, поскольку второй атом брома входит в HBr.
Частые ошибки
- Считать фенол обычным спиртом с длинным радикалом.
- Называть фенол сильной кислотой только потому, что он реагирует с NaOH.
- Путать фенолят с веществом, в котором Na заменил H ароматического кольца.
- Считать любой цветовой эффект с Fe(III) доказательством чистого фенола.
Пять заданий
- Чем отличается место присоединения OH у фенола и бензилового спирта?
- Назовите продукт реакции C6H5OH с NaOH и укажите его формулу.
- Сколько H2 соответствует реакции 0,20 моль фенола с достаточным количеством Na без воды?
- Сколько молей 2,4,6-трибромфенола теоретически образуется из 0,10 моль фенола при достаточном количестве Br2 и полном превращении?
- Почему выделение водорода с натрием не является специфическим доказательством фенола?
Ответы с объяснениями
- У фенола OH непосредственно при C кольца; у бензилового спирта — при насыщенной группе CH2 боковой цепи.
- Фенолят натрия C6H5ONa. Замещается протон O–H, ароматический фрагмент сохраняется.
- По коэффициентам два моля фенола дают один моль водорода:
n(H2) = 0,20 / 2 = 0,10 моль.
- 0,10 моль: отношение фенол : трибромфенол равно 1 : 1, хотя Br2 расходуется втрое больше.
- С Na реагируют также спирты и вода. Сравнивают несколько признаков и обязательно учитывают среду.
Связанные темы и источники
Повторите арены, спирты и карбоновые кислоты.
Для проверки фактов: OpenStax — кислотность спиртов и фенолов; МГТУ им. Н. Э. Баумана: реакции фенолов.