Фенол образуется. Химические свойства фенолов
Малышенкова Е., Шикула Е. МОУ лицей № 102 г. Челябинска. /2010г Химия,10Б.
ТХС. Зависимость свойств … от строения.
Фено́лы (II )
Гидроксильная группа в феноле непосредственно связана с атомом углерода углеводородного радикала фенила, который оказывает на неё влияние. В отличие от радикалов предельных углеводородов, являющихся донорами электронов, бензольное кольцо, точнее, его радикал C6H5-, называемый фенилом, обладает особенностью оттягивать к себе электроны, в данном случае – от атомов кислорода гидроксильной группы –ОН. Это приводит к появлению на атоме водорода гидроксильной группы положительного заряда, что делает его более подвижным по сравнению с атомом водорода в группе –ОН спиртов, а само вещество фенол проявляет кислотные свойства.
В свою очередь, гидроксильная группа оказывает влияние на радикал. Под влиянием функциональной группы –ОН в бензольном кольце фенола электронная плотность распределяется неравномерно: частичный отрицательный заряд сосредоточен у атомов углерода, находящихся в 2,4,6-положениях. Это облегчает реакции замещения атомов водорода бензольного кольца именно в указанных положениях. В результате реакций замещения получают 2,4,6-производные фенола.
Физические свойства
Фенол – твёрдое бесцветное кристаллическое вещество, низкоплавкое, очень гигроскопичное, с характерным запахом. На воздухе фенол окисляется. Мало растворим в воде. Фенол легкоплавок, температура плавления 43°С. ФЕНОЛ ЯДОВИТ!!!
Химические свойства
Наличие в молекуле фенола как гидроксильной группы, так и бензольного кольца в углеводородном радикале фениле обуславливает его химические свойства. Наличие группы –ОН в молекуле делает некоторые его свойства схожими со свойствами спиртов.
Фенол реагирует с щелочными металлами
В отличии от одноатомных спиртов фенол реагирует со щелочами .
Фенол реагирует с бромной водой .
Фенол реагирует с азотной кислотой .
Фенол реагирует с водородом.
Фенол реагирует с серной кислотой .
Реакция фенола с натрием
Реакция фенола с гидроксидом натрия
Реакция фенола с бромной водой
Реакция фенола с азотной кислотой
Реакции фенола с серной кислотой
Реакция фенола с водородом
Качественные реакции на фенол /с бромной водой /
Реакция фенола с хлоридом железа (III 
Выводы
Фенолы – производные ароматических углеводородов (прежде всего бензола), в молекулах которых одна или несколько гидроксильных групп непосредственно связанны с атомами углерода бензольного кольца.
Химические свойства фенола обусловлены как функциональной группой -ОН, так и углеводородным ароматическим радикалом – фенилом (С6Н5-). На свойствах фенола сказывается взаимное влияние гидроксильной группы и бензольного ядра: в отличие от спиртов, он способен взаимодействовать как слабая кислота со щелочами, в отличие от бензола, в реакциях замещения атомов водорода бензольного кольца фенол образует 2,4,6-производные (трибромфенол, тринитрофенол и др.).
Карболовая кислота — одно из названий фенола, указывающее на его особое поведение в химических процессах. Это вещество легче, чем бензол вступает в реакции нуклеофильного замещения. Присущие соединению кислотные свойства объясняются подвижностью атома водорода в гидроксильной группе, связанной с кольцом. Изучение строения молекулы и качественные реакции на фенол позволяют отнести вещество к ароматическим соединениям — производным бензола.
Фенол (гидроксибензол)
В 1834 году немецкий химик Рунге выделил карболовую кислоту из каменноугольной смолы, но не сумел расшифровать ее состав. Позже другие исследователи предложили формулу и отнесли новое соединение к ароматическим спиртам. Простейший представитель этой группы — фенол (гидроксибензол). В чистом виде это вещество представляет собой прозрачные кристаллы, обладающие характерным запахом. На воздухе цвет фенола может измениться, стать розовым или красным. Для ароматического спирта характерна плохая растворимость в холодной воде и хорошая — в органических растворителях. Плавится фенол при температуре 43°C. Является токсичным соединением, при попадании на кожу вызывает сильные ожоги. Ароматическая часть молекулы представлена радикалом фенилом (C6H5—). Непосредственно с одним из атомов углерода связан кислород гидроксильной группы (—OH). Присутствие каждой из частиц доказывает соответствующая качественная реакция на фенол. Формула, показывающая общее содержание атомов химических элементов в молекуле — C6H6O. Строение отражают включающие цикл Кекуле и функциональную группу — гидроксильную. Наглядное представление о молекуле ароматического спирта дают шаростержневые модели.
Особенности строения молекулы
Взаимовлияние бензольного ядра и ОН-группы определяет химические реакции фенола с металлами, галогенами, другими веществами. Наличие атома кислорода, связанного с ароматическим циклом, ведет к перераспределению электронной плотности в молекуле. Связь O—H становится более полярной, что приводит к увеличению подвижности водорода в гидроксильной группе. Протон может замещаться на атомы металла, что указывает на кислотность фенола. В свою очередь, ОН-группа повышает реакционные свойства бензольного кольца. Увеличивается делокализация электронов и способность к электрофильному замещению в ядре. При этом возрастает подвижность атомов водорода, связанных с углеродом в орто- и параположении (2, 4, 6). Такой эффект обусловлен наличием донора электронной плотности — гидроксильной группы. Благодаря ее влиянию фенол активнее чем бензол ведет себя в реакциях с некоторыми веществами, а новые заместители ориентируются в орто- и пара-положения.
Кислотные свойства
В гидроксильной группе ароматических спиртов атом кислорода приобретает положительный заряд, ослабляющий его связь с водородом. Высвобождение протона облегчается, поэтому фенол ведет себя как слабая кислота, но более сильная, чем спирты. Качественные реакции на фенол включают испытание лакмусовой бумажкой, которая в присутствии протонов изменяет цвет с синего на розовый. Наличие атомов галогенов или нитрогрупп, связанных с бензольным кольцом, приводит к росту активности водорода. Эффект наблюдается в молекулах нитропроизводных фенола. Понижают кислотность такие заместители, как аминогруппа и алкил (CH3—, C2H5— и другие). К соединениям, объединяющим в своем составе бензольное кольцо, гидроксильную группу и радикал метил, относится крезол. Его свойства слабее, чем карболовой кислоты.
Реакция фенола с натрием и щелочью
Подобно кислотам фенол взаимодействует с металлами. Например, вступает в реакцию с натрием: 2C6H5—OH + 2Na = 2C6H5—ONa + H2. Образуется и выделяется газообразный водород. Фенол взаимодействует с растворимыми основаниями. Происходит с образованием соли и воды: C6H5—OH + NaOH = C6H5—ONa + H2O. Способность отдавать водород в гидроксильной группе у фенола ниже, чем у большинства неорганических и карбоновых кислот. Вытесняет его из солей даже растворенный в воде диоксид углерода (угольная кислота). Уравнение реакции: C6H5—ONa + CO2 + H2O = C6H5—OH + NaHCO3.
Реакции бензольного кольца
Ароматические свойства обусловлены делокализацией электронов в бензольном ядре. Водород из состава кольца замещается на атомы галогенов, нитрогруппу. Подобный процесс в молекуле фенола проходит легче, чем у бензола. Один из примеров — бромирование. На бензол галоген действует в присутствие катализатора, получается бромбензол. Фенол реагирует с бромной водой при обычных условиях. В результате взаимодействия образуется белый осадок 2,4,6-трибромфенола, появление которого позволяет отличить испытуемое вещество от похожих на него ароматических соединений. Бромирование — качественная реакция на фенол. Уравнение: C6H5—OH + 3Br2 = C6H2Br3 + HBr. Второй продукт реакции — бромоводород. При взаимодействии фенола с разбавленной получаются нитропроизводные. Продукт реакции с концентрированной азотной кислотой — 2,4,6-тринитрофенол или пикриновая кислота имеет большое практическое значение.
Качественные реакции на фенол. Список
При взаимодействии веществ получаются определенные продукты, которые позволяют установить качественный состав исходных веществ. Ряд цветных реакций указывает на присутствие частиц, функциональных групп, что удобно использовать для химического анализа. Качественные реакции на фенол доказывают наличие в молекуле вещества ароматического кольца и OH-группы:
- В растворе фенола синяя лакмусовая бумажка краснеет.
- Цветные реакции на фенолы также проводят в слабой щелочной среде с солями диазония. Образуются желтые либо оранжевые азокрасители.
- Реагирует с бромной водой коричневого цвета, появляется белый осадок трибромфенола.
- В результате реакции с раствором хлорида железа получается феноксид трехвалентного железа — вещество синей, фиолетовой или зеленой окраски.
Получение фенолов
Производство фенола в промышленности идет в две либо три стадии. На первом этапе из пропилена и бензола в присутствии получают кумол (тривиальное название изопропилбензола). Уравнение реакции Фриделя-Крафтса: C6H5—OH + C3H6 = C9H12 (кумол). Бензол и пропилен в соотношении 3:1 пропускают над кислотным катализатором. Все чаще вместо традиционного катализатора — хлорида алюминия — используются экологически чистые цеолиты. На заключительной стадии проводят окисление кислородом в присутствии серной кислоты: C6H5—C3H7 + O2 = C6H5—OH + C3H6O. Фенолы могут быть получены из угля перегонкой, являются промежуточными соединениями в производстве других органических веществ.
Использование фенолов
Ароматические спирты находят широкое применение в производстве пластмасс, красителей, пестицидов и других веществ. Производство карболовой кислоты из бензола является первым шагом в создании ряда полимеров, в том числе поликарбонатов. Фенол вступает в реакцию с формальдегидом, получаются фенолформальдегидные смолы.
Циклогексанол служит сырьем для выпуска полиамидов. Фенолы применяются в качестве антисептиков и дезинфицирующих средств в дезодорантах, лосьонах. Используются для получения фенацетина, салициловой кислоты и других лекарственных препаратов. Фенолы находят применение в производстве смол, которые используются в электрических изделиях (выключатели, розетки). Они также используются в подготовке азокрасителей, например фениламина (анилина) . Пикриновая кислота, которая является нитропроизводным фенола, применяется для окрашивания тканей, изготовления взрывчатых веществ.
По числу гидроксильных групп:
Одноатомные; например:
Двухатомные; например:
Трехатомные; например:
Существуют фенолы и большей атомности.
Простейшие одноатомные фенолы
С 6 Н 5 ОН - фенол (гидроксибензол), тривиальное название - карболовая кислота.
Простейшие двухатомные фенолы
Электронное строение молекулы фенола. Взаимное влияние атомов в молекуле
Гидроксильная группа -ОН (как и алкильные радикалы) является заместителем 1 рода, т. е. электронодонором. Это обусловлено тем, что одна из неподеленных электронных пар гидроксильного атома кислорода вступает в р, π-сопряжение с π-системой бензольного ядра.
Результатом этого является:
Повышение электронной плотности на атомах углерода в орто- и пара- положениях бензольного ядра, что облегчает замещение атомов водорода в этих положениях;
Увеличение полярности связи О-Н, приводящее к усилению кислотных свойств фенолов по сравнению со спиртами.
В отличие от спиртов, фенолы частично диссоциируют в водных растворах на ионы:
т. е. проявляют слабокислотные свойства.
Физические свойства
Простейшие фенолы при обычных условиях представляют собой низкоплавкие бесцветные кристаллические вещества с характерным запахом. Фенолы малорастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях. Являются токсичными веществами, вызывают ожоги кожи.
Химические свойства
I. Реакции с участием гидроксильной группы (кислотные свойства)
(реакция нейтрализации, отличие от спиртов)
Фенол - очень слабая кислота, поэтому феноляты разлагаются не только сильными кислотами, но даже такой слабой кислотой, как угольная:
II. Реакции с участием гидроксильной группы (образование сложных и простых эфиров)
Как и спирты, фенолы могут образовывать простые и сложные эфиры.
Сложные эфиры образуются при взаимодействии фенола с ангидридами или хпорангидридами карбоновых кислот (прямая этерификация карбоновыми кислотами протекает труднее):
Простые эфиры (алкилариловые) образуются при взаимодействии фенолятов с алкилгалогенидами:
III. Реакции замещения с участием бензольного ядра
Образование белого осадка трибромфенола иногда рассматривается как качественная реакция на фенол.
IV. Реакции присоединения (гидрирование)
V. Качественная реакция с хлоридом железа (III)
Одноатомные фенолы + FeCl 3 (р-р) → Сине-фиолетовая окраска, исчезающая при подкислении.
Фенолы - производные ароматических углеводородов, в состав которых могут входить одна или несколько гидроксильных групп, соединенных с бензольным кольцом.
Как называть фенолы?
По правилам ИЮПАК сохраняется название «фенол ». Нумерация атомов идет от атома , который непосредственно связан с гидрокси-группой (если она - старшая) и нумеруют так, чтобы заместители получили наименьший номер.
Представитель - фенол - С 6 Н 5 ОН :
Строение фенола.
У атома кислорода на внешнем уровне находится неподеленная электронная пара, которая «втягивается» в систему кольца (+М-эффект ОН -группы). В результате могут возникнуть 2 эффекта:
1) повышение электронной плотности бензольного кольца в положения орто- и пара-. В основном, такой эффект проявляется в реакциях электрофильного замещения.
2) уменьшается плотность на атоме кислорода, вследствие чего связь О-Н ослабляется и может рваться. Эффект связан с повышенной кислотности фенола по сравнению с предельными спиртами.
Монозамещенные производные фенола (крезол) могут быть в 3х структурных изомерах:
Физические свойства фенолов.
Фенолы - кристаллические вещества при комнатой температуре. Плохо растворимы в холодной воде , но хорошо - в горячей и в водных растворах щелочей. Обладают характерным запахом. Вследствие образования водородных связей, обладают высокой температурой кипения и плавления.
Получение фенолов.
1. Из галогенбензолов. При нагревании хлорбензола и гидроксида натрия под давлением получают фенолят натрия, который после взаимодействия с кислотой , превращается в фенол:
2. Промышленный способ: при каталитическом окислении кумола на воздухе получается фенол и ацетон:
3. Из ароматических сульфокислот с помощью сплавления с щелочами. Чаще проводят реакцию для получения многоатомных фенолов:
Химические свойства фенолов.
р -орбиталь атома кислорода образует с ароматическим кольцом единую систему. Поэтому электронная плотность на атоме кислороде уменьшается, в бензольном кольце - увеличивается. Полярность связи О-Н повышается, и водород гидроксильной группы становится более реакционоспособным и легко может быть замещен атомом металла даже при действии щелочей.
Кислотность фенолов выше, чем у спиртов, поэтому можно проводить реакции:
Но фенол - слабая кислота. Если через его соли пропускать углекислый или сернистый газ, то выделяется фенол, что доказывает, что угольная и сернистая кислота являются более сильными кислотами:
Кислотные свойства фенолов ослабляются при введении в кольцо заместителей I рода и усиливаются - при введении II.
2) Образование сложных эфиров. Процесс протекает при воздействие хлорангидридов:
3) Реакция электрофильного замещения. Т.к. ОН -группа является заместителем первого рода, то реакционная способность бензольного кольца в орто- и пара- положениях повышается. При действии на фенол бромной воды наблюдается выделение осадка - это качественная реакция на фенол:
4) Нитрование фенолов. Реакцию проводят нитрирующей смесью, в результате чего образуется пикриновая кислота:
5) Поликонденсация фенолов. Реакция протекает под воздействии катализаторов:
6) Окисление фенолов. Фенолы легко окисляются кислородом воздуха:
7) Качественной реакцией на фенол является воздействие раствора хлорида железа и образование комплекса фиолетового цвета.
Применение фенолов.
Фенолы используют при получении фенолформальдегидных смол, синтетических волокон, красителей и лекарственных средств, дезинфицирующих веществ. Пикриновая кислота используется в качестве взрывчатых веществ.
Химические свойства фенолов определяются наличием в молекуле гидроксильной группы и бензольного кольца.
Реакции по гидроксильной группе
Фенолы, так же, как и алифатические спирты, обладают кислыми свойствами, т.е. способны образовывать соли – феноляты . Однако они более сильные кислоты и поэтому могут взаимодействовать не только со щелочными металлами (натрий, литий, калий), но и со щелочами и карбонатами:
Константа кислотности рК а фенола равна 10. Высокая кислотность фенола связана с акцепторным свойством бензольного кольца (эффект сопряжения ) и объясняется резонансной стабилизацией образующегося фенолят-аниона. Отрицательный заряд на атоме кислорода фенолят-аниона за счет эффекта сопряжения может перераспределяться по ароматическому кольцу, этот процесс можно описать набором резонансных структур:
Ни одна из этих структур в отдельности не описывает реального состояния молекулы, но их использование позволяет объяснять многие реакции.
Феноляты легко взаимодействуют с галогеналканами и галогенангидридами:
Взаимодействие солей фенола с галогеналканами – реакция О-алкилирования фенолов. Это способ получения простых эфиров (реакция Вильямсона, 1852 г.).
Фенол способен взаимодействовать с галогенангидридами и ангидридами кислот с получением сложных эфиров (О-ацилирование):
Реакция протекает в присутствии небольших количеств минеральной кислоты или при нагревании.
Реакции по бензольному кольцу
Гидроксил является электронодонорной группой и активирует орто - и пара -положения в реакциях электрофильного замещения:
Галогенирование
Галогенирование фенолов действием галогенов или галогенирующих агентов протекает с большой скоростью:
Нитрование
При действии азотной кислоты в уксусной кислоте (в присутствии небольшого количества серной кислоты) на фенол получается 2-нитрофенол:
Под действием концентрированной азотной кислоты или нитрующей смеси фенол интенсивно окисляется, что приводит к глубокой деструкции его молекулы. При использовании разбавленной азотной кислоты нитрование сопровождается сильным осмолением несмотря на охлаждение до 0°С и приводит к образованию о- и п- изомеров с преобладанием первого из них:
При нитровании фенола тетраоксидом диазота в инертном растворителе (бензол, дихлорэтан) образуется 2,4-динитрофенол:
Нитрование последнего нитрующей смесью протекает легко и может служить методом синтеза пикриновой кислоты:
Эта реакция идет с саморазогреванием.
Пикриновую кислоту получают также через стадию сульфирования. Для этого обрабатывают фенол при 100°С избыточным количеством серной кислоты, получают 2,4-дисульфопроизводное, которое не выделяя из реакционной меси обрабатывают дымящей азотной кислотой:
Введение двух сульфогрупп (также как и нитрогрупп) в бензольное ядро делает его устойчивым к окисляющему действию дымящей азотной кислоты, реакция не сопровождается осмолением. Такой метод получения пикриновой кислоты удобен для производства в промышленном масштабе.
Сульфирование . Сульфирование фенола в зависимости от температуры протекает в орто - или пара -положение:
Алкилирование и ацилирование по Фриделю-Крафтсу . Фенолы образуют с хлористым алюминием неактивные соли ArOAlCl 2 , поэтому для алкилирования фенолов в качестве катализаторов применяют протонные кислоты (H 2 SO 4) или металлооксидные катализаторы кислотного типа (Al 2 O 3). Это позволяет использовать в качестве алкилирующих агентов только спирты и алкены:
Алкилирование протекает последовательно с образованием моно-, ди- и триалкилфенолов. Одновременно происходит кислотно-катализируемая перегруппировка с миграцией алкильных групп:
Конденсация с альдегидами и кетонами . При действии щелочных или кислотных катализаторов на смесь фенола и альдегида жирного ряда происходит конденсация в о - и п -положениях. Эта реакция имеет очень большое практическое значение, так как лежит в основе получения важных пластических масс и лаковых основ. При обычной температуре рост молекулы за счет конденсации идет в линейном направлении:
Если реакцию проводить при нагревании, начинается конденсация с образованием разветвленных молекул:
В результате присоединения по всем доступным о - и п -положениям образуется трехмерный термореактивный полимер – бакелит. Бакелит отличается высоким электрическим сопротивлением и термостойкостью. Это один из первых промышленных полимеров.
Реакция фенола с ацетоном в присутствии минеральной кислоты приводит к получению бисфенола:
Последний используют для получения эпоксисоединений.
Реакция Кольбе – Шмидта. Синтез фенилкарбоновых кислот.
Феноляты натрия и калия реагируют с углекислым газом, образуя в зависимости от температуры орто- или пара-изомеры фенилкарбоновых кислот:
Окисление
Фенол легко окисляется под действием хромовой кислоты до п -бензохинона:
Восстановление
Восстановление фенола в циклогексанон используют для получения полиамида (найлон-6,6)
