Какие свойства проявляет фенол при взаимодействии со щелочами
Химические свойства фенолов определяются наличием в молекуле гидроксильной группы и бензольного кольца.
I. Реакции с участием гидроксильной группы
Фенолы являются более сильными кислотами, чем спирты и вода, т.к. за счет участия неподеленной электронной пары кислорода в сопряжении с π-электронной системой бензольного кольца полярность связи О–Н увеличивается.
Кислотные свойства
Фенолы в водных растворах диссоциируются по кислотному типу: на фенолят-ионы и ионы водорода:
Фенол диссоциирует обратимо, это слабая кислота. Однако его силы кислотных свойств достаточно, чтобы изменять окраску индикатора, имеющего в нейтральной среде фиолетовый цвет. В растворе фенола лакмус краснеет.
1) Взаимодействие с активными металлами с образованием фенолятов (сходство со спиртами)
Видеоопыт «Взаимодействие фенола с металлическим натрием»
2) Взаимодействие со щелочами с образованием фенолятов (отличие от спиртов)
Видеоопыт «Взаимодействие фенола с раствором щелочи»
Образующиеся в результате реакций феноляты легко разлагаются при действии кислот. Даже такая слабая кислота, как угольная, вытесняет фенол из фенолятов. Следовательно, !Феноляты – соли слабой карболовой кислоты, разлагаются угольной кислотой:
По кислотным свойствам фенол превосходит этанол в 106 раз. При этом во столько же раз уступает уксусной кислоте. В отличие от карбоновых кислот, фенол не может вытеснить угольную кислоту из её солей
C6H5-OH + NaHCO3 = реакция не идёт – прекрасно растворяясь в водных растворах щелочей, он фактически не растворяется в водном растворе гидрокарбоната натрия.
Кислотные свойства фенола усиливаются под влиянием связанных с бензольным кольцом электроноакцепторных групп (NO2- , Br- )
2,4,6-тринитрофенол или пикриновая кислота сильнее угольной.
3) Образование сложных и простых эфиров
Как и спирты, фенолы могут образовывать простые и сложные эфиры. Фенолы не образуют сложные эфиры в реакциях с кислотами. Сложные эфиры образуются при взаимодействии фенола с ангидридами или хлорангидридами карбоновых кислот:
Простые эфиры образуются при взаимодействии фенолятов с алкилгалогенидами:
II. Реакции, с участием бензольного кольца
Взаимное влияние атомов в молекуле фенола проявляется не только в особенностях поведения гидроксигруппы, но и в большей реакционной способности бензольного ядра. Гидроксильная группа повышает электронную плотность в бензольном кольце, особенно, в орто- и пара- положениях (+М-эффект ОН-группы):
Поэтому фенол значительно активнее бензола вступает в реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце.
Реакции замещения
1) Нитрование
Под действием 20% азотной кислоты HNO3 фенол легко превращается в смесь орто- и пара- нитрофенолов:
При использовании концентрированной HNO3 образуется 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота):
У нее кислотные свойства выражены сильнее, чем у фенола, т.к. нитрогруппы оттягивают электронную плотность от бензольного кольца и делают связь О-Н еще более полярной.
Пикриновая кислоты является взрывчатым веществом, в чистом виде представляет собой желтые кристаллы.
2) Галогенирование
Фенол легко при комнатной температуре взаимодействует с бромной водой с образованием белого осадка 2,4,6-трибромфенола (качественная реакция на фенол!):
Образуется белый осадок трибромфенола.
Видеоопыт «Взаимодействие фенола с бромной водой»
3) Сульфирование
Соотношение о- и п-изомеров определяется температурой реакции: при комнатной температуре в основном образуется о-фенолсульфокислота, при t=1000С – пара-изомер:
Реакции присоединения
1) Гидрирование фенола
Эта реакция идет с разрушением ароматического кольца. Продукт реакции циклический одноатомный спирт — циклогексиловый спирт (циклогексанол).
2) Конденсация с альдегидами
При нагревании фенола с формальдегидом в присутствии кислотных или основных катализаторов происходит реакция поликонденсации и образуется фенолформальдегидная смола.
Данная реакция имеет большое практическое значение и используется при получении фенолформальдегидных смол.
III. Реакция окисления
Фенолы легко окисляются даже под действием кислорода воздуха. При стоянии на воздухе фенол постепенно окрашивается в розовато-красный цвет.
1) Горение (полное окисление)
Фенолы, как и большинство органических веществ, сгорают до углекислого газа и воды.
2) Окисление хромовой смесью
При энергичном окислении фенола хромовой смесью основным продуктом окисления является хинон. Двухатомные фенолы окисляются еще легче. При окислении гидрохинона также образуется хинон:
IV. Качественная реакция! — обнаружение фенола
Для обнаружения фенолов используется качественная реакция с хлоридом железа (III). Одноатомные фенолы дают устойчивое сине-фиолетовое окрашивание, что связано с образованием комплексных соединений железа.
Видеоопыт «Качественная реакция на фенол»
Образование фиолетового окрашивания при добавлении раствора FeCl3 служит качественной реакцией на фенол:
Для фенолов реакции по связям С-О не характерны, поскольку атом кислорода прочно связан с атомом углерода бензольного кольца за счет участия своей неподеленной электронной пары в системе сопряжения.
Фенолы
Гидроксисоединения – это органические вещества, молекулы которых содержат, помимо углеводородной цепи, одну или несколько гидроксильных групп ОН.
Гидроксисоединения делят на спирты и фенолы.
Строение, изомерия и гомологический ряд спиртов
Химические свойства спиртов
Способы получения спиртов
Если гидроксогруппа ОН соединена с бензольным кольцом, то вещество относится к фенолам.
Общая формула предельных нециклических спиртов: CnH2n+2Om, где m ≤ n.
По числу гидроксильных групп:
- фенолы с одной группой ОН — содержат одну группу -ОН. Общая формула CnH2n-7OH или CnH2n-6O.
- фенолы с двумя группами ОН — содержат две группы ОН. Общая формула CnH2n-8(OH)2 или CnH2n-6O2.
Соединения, в которых группа ОН отделена от бензольного кольца углеродными атомами – это не фенолы, а ароматические спирты:
В фенолах одна из неподеленных электронных пар кислорода участвует в сопряжении с π–системой бензольного кольца, это является главной причиной отличия свойств фенола от спиртов.
Сходство: как фенол, так и спирты реагируют с щелочными металлами с выделением водорода.
Отличия:
- фенол не реагирует с галогеноводородами: ОН- группа очень прочно связана с бензольным кольцом, её нельзя заместить;
- фенол не вступает в реакцию этерификации, эфиры фенола получают косвенным путем;
- фенол не вступает в реакции дегидратации.
- фенол обладает более сильными кислотными свойствами и вступает в реакцию со щелочами.
1. Кислотные свойства фенолов
Фенолы являются более сильными кислотами, чем спирты и вода, т. к. за счет участия неподеленной электронной пары кислорода в сопряжении с π-электронной системой бензольного кольца полярность связи О–Н увеличивается.
Раствор фенола в воде называют «карболовой кислотой», он является слабым электролитом.
1.1. Взаимодействие с раствором щелочей
В отличие от спиртов, фенолы реагируют с гидроксидами щелочных и щелочноземельных металлов, образуя соли – феноляты.
Например, фенол реагирует с гидроксидом натрия с образованием фенолята натрия
Видеоопыт взаимодействия фенола с гидроксидом натрия можно посмотреть здесь.
Так как фенол – более слабая кислота, чем соляная и даже угольная, его можно получить из фенолята, вытесняя соляной или угольной кислотой:
1.2. Взаимодействие с металлами (щелочными и щелочноземельными)
Фенолы взаимодействуют с активными металлами (щелочными и щелочноземельными). При этом образуются феноляты. При взаимодействии с металлами фенолы ведут себя, как кислоты.
Например, фенол взаимодействует с натрием с образованием фенолята натрия и водорода.
Видеоопыт взаимодействия фенола с натрием можно посмотреть здесь.
2. Реакции фенола по бензольному кольцу
Наличие ОН-группы в бензольном кольце (ориентант первого рода) приводит к тому, что фенол гораздо легче бензола вступает в реакции замещения в ароматическом кольце.
2.1. Галогенирование
Фенол легко при комнатной температуре (без всякого катализатора) взаимодействует с бромной водой с образованием белого осадка 2,4,6-трибромфенола (качественная реакция на фенол).
Видеоопыт взаимодействия фенола с бромом можно посмотреть здесь.
2.2. Нитрование
Под действием 20% азотной кислоты HNO3 фенол легко превращается в смесь орто- и пара-нитрофенолов.
Например, при нитровании фенола избытком концентрированной HNO3 образуется 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота):
3. Поликонденсация фенола с формальдегидом
С формальдегидом фенол образует фенолоформальдегидные смолы.
4. Взаимодействие с хлоридом железа (III)
При взаимодействии фенола с хлоридом железа (III) образуются комплексные соединения железа, которые окрашивают раствор в сине-фиолетовый цвет. Это качественная реакция на фенол.
Видеоопыт взаимодействия фенола с хлоридом железа (III) можно посмотреть здесь.
5. Гидрирование (восстановление) фенола
Присоединение водорода к ароматическому кольцу.
Продукт реакции – циклогексанол, вторичный циклический спирт.
1. Взаимодействие хлорбензола с щелочами
При взаимодействии обработке хлорбензола избытком щелочи при высокой температуре и давлении образуется водный раствор фенолята натрия.
При пропускании углекислого газа (или другой более сильной кислоты) через раствор фенолята образуется фенол.
2. Кумольный способ
Фенол в промышленности получают из каталитическим окислением кумола.
Первый этап процесса – получение кумола алкилированием бензола пропеном в присутствии фосфорной кислоты:
Второй этап – окисление кумола кислородом. Процесс протекает через образование гидропероксида изопропилбензола:
Суммарное уравнение реакции:
3. Замещение сульфогруппы в бензол-сульфокислоте
Бензол-сульфокислота реагирует с гидроксидом натрия с образованием фенолята натрия:
Получается фенолят натрия, из которого затем выделяют фенол:
1. Фенолы — производные
ароматических углеводородов, в молекулах которых гидроксильная группа (- ОН)
непосредственно связана с атомами углерода в бензольном кольце.
2. Классификация фенолов
Различают одно-, двух-, трехатомные
фенолы в зависимости от количества ОН-групп в молекуле:
В соответствии с количеством
конденсированных ароматических циклов в молекуле различают сами фенолы (одно ароматическое ядро –
производные бензола), нафтолы (2 конденсированных ядра – производные
нафталина), антранолы (3 конденсированных ядра – производные антрацена) и
фенантролы:
3. Изомерия и номенклатура фенолов
Возможны
2 типа изомерии:
- изомерия
положения заместителей в бензольном кольце
- изомерия
боковой цепи (строения алкильного радикала и числа радикалов)
Для фенолов широко используют
тривиальные названия, сложившиеся исторически. В названиях замещенных
моноядерных фенолов используются также приставки орто-, мета- и
пара -, употребляемые в номенклатуре ароматических соединений. Для более
сложных соединений нумеруют атомы, входящие в состав ароматических циклов и с
помощью цифровых индексов указывают положение заместителей
4. Строение молекулы
Фенильная группа C6H5 –
и гидроксил –ОН взаимно влияют друг на друга
- неподеленная электронная пара атома кислорода притягивается 6-ти
электронным облаком бензольного кольца, из – за чего связь О–Н еще сильнее
поляризуется. Фенол — более сильная кислота, чем вода и спирты.
- В бензольном кольце нарушается симметричность электронного облака,
электронная плотность повышается в положении 2, 4, 6. Это делает более
реакционноспособными связи С-Н в положениях 2, 4, 6. и – связи бензольного
кольца.
5. Физические свойства
Большинство одноатомных фенолов при нормальных
условиях представляют собой бесцветные кристаллические вещества с невысокой температурой
плавления и характерным запахом. Фенолы малорастворимы в воде, хорошо
растворяются в органических растворителях, токсичны, при хранении на воздухе
постепенно темнеют в результате окисления.
Фенол C6H5OH (карболовая
кислота) — бесцветное
кристаллическое вещество на воздухе окисляется и становится розовым, при
обычной температуре ограниченно растворим в воде, выше 66 °C смешивается с
водой в любых соотношениях. Фенол — токсичное вещество, вызывает ожоги
кожи, является антисептиком
6. Токсические свойства
Фенол ядовит. Вызывает нарушение функций
нервной системы. Пыль, пары и раствор фенола раздражают слизистые оболочки
глаз, дыхательных путей, кожу. Попадая в организм, Фенол очень быстро всасывается
даже через неповрежденные участки кожи и уже через несколько минут начинает
воздействовать на ткани головного мозга. Сначала возникает кратковременное
возбуждение, а потом и паралич дыхательного центра. Даже при воздействии
минимальных доз фенола наблюдается чихание, кашель, головная боль,
головокружение, бледность, тошнота, упадок сил. Тяжелые случаи отравления
характеризуются бессознательным состоянием, синюхой, затруднением дыхания,
нечувствительностью роговицы, скорым, едва ощутимым пульсом, холодным потом,
нередко судорогами. Зачастую фенол является причиной онкозаболеваний.
7. Применение фенолов
1.
Производство синтетических
смол, пластмасс, полиамидов
2.
Лекарственных препаратов
3.
Красителей
4.
Поверхностно-активных веществ
5.
Антиоксидантов
6.
Антисептиков
7.
Взрывчатых веществ
8. Получение фенола в
промышленности
1). Кумольный
способ получения фенола (СССР, Сергеев П.Г., Удрис Р.Ю., Кружалов Б.Д., 1949 г.). Преимущества
метода: безотходная технология (выход полезных продуктов > 99%) и
экономичность. В настоящее время кумольный способ используется как основной в
мировом производстве фенола.
2).
Из каменноугольной смолы(как побочный
продукт – выход мал):
C6H5ONa + H2SO4(разб) → С6H5 – OH + NaHSO4
фенолят натрия
(продукт обработки смолы едким натром)
3).
Из галогенбензолов:
С6H5-Cl + NaOH t,p → С6H5 – OH + NaCl
4).
Сплавлением солей ароматических сульфокислот с твёрдыми щелочами:
C6H5-SO3Na + NaOH t→ Na2SO3 + С6H5 – OH
натриевая соль
бензолсульфокислоты
9. Химические свойства фенола (карболовой кислоты)
I.Свойства гидроксильной группы
Кислотные свойства – выражены ярче, чем у предельных спиртов (окраску индикаторов
не меняют):
- С активными
металлами—
2C6H5-OH + 2Na → 2C6H5-ONa
+ H2
фенолят натрия
- Со щелочами —
C6H5-OH + NaOH (водн. р-р) ↔ C6H5-ONa + H2O
! Феноляты – соли слабой карболовой кислоты,
разлагаются угольной кислотой –
C6H5-ONa
+ H2O + СO2 → C6H5-OH + NaHCO3
По
кислотным свойствам фенол превосходит этанол в 106 раз. При этом во
столько же раз уступает уксусной кислоте. В отличие от карбоновых кислот, фенол
не может вытеснить угольную кислоту из её солей
C6H5—OH + NaHCO3 =реакция не идёт – прекрасно
растворяясь в водных растворах щелочей, он фактически не растворяется в водном
растворе гидрокарбоната натрия.
Кислотные
свойства фенола усиливаются под влиянием связанных с бензольным кольцом
электроноакцепторных групп (NO2—, Br—)
C6H5—OH< п-нитрофенол <
2,4,6-тринитрофенол
2,4,6-тринитрофенол или пикриновая кислота сильнее
угольной
II. Свойства бензольного кольца
1).
Взаимное
влияние атомов в молекуле фенола проявляется не только в особенностях поведения
гидроксигруппы (см. выше), но и в большей реакционной способности
бензольного ядра. Гидроксильная группа повышает электронную плотность в
бензольном кольце, особенно, в орто- и пара-положениях (+М-эффект
ОН-группы):
Поэтому фенол
значительно активнее бензола вступает в реакции электрофильного замещения в
ароматическом кольце.
- Нитрование. Под действием 20% азотной кислоты HNO3
фенол легко превращается в смесь орто- и пара-нитрофенолов:
При использовании концентрированной HNO3
образуется 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота):
- Галогенирование. Фенол легко при комнатной
температуре взаимодействует с бромной водой с образованием белого осадка
2,4,6-трибромфенола (качественная реакция на фенол):
- Конденсация с
альдегидами.
Например:
Фенолформальдегидные смолы
2).
Гидрирование фенола
C6H5-OH + 3H2Ni, 170ºC → C6H11 – OH циклогексиловый спирт (циклогексанол)
III. Качественная
реакция — обнаружение фенола
6C6H5-OH + FeCl3 → [Fe(C6H5—OH)3](C6H5O)3 + 3HCl
FeCl3 — светло-жёлтый раствор
[Fe(C6H5-OH)3](C6H5O)3 — фиолетовый раствор
Видео-опыты:
Изучение физических свойств фенола
Взаимодействие фенола сметаллическим натрием
Взаимодействие фенола с раствором щелочи
Качественная реакция на фенол
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ:
Качественные реакции спиртов и фенола
Оглавление
- Строение фенолов
- Физические свойства фенолов
- Химические свойства фенолов
- Качественная реакция на фенол
- Реакции бензольного кольца
- Шпаргалка
- Задания для самопроверки
Строение фенолов
Гидроксильная группа в молекулах органических соединений может быть связана с ароматическим ядром непосредственно, а может быть отделена от него одним или несколькими атомами углерода. Можно ожидать, что в зависимости от этого свойства вещества будут существенно отличаться друг от друга из-за взаимного влияния групп атомов. И действительно, органические соединения, содержащие ароматический радикал фенил С6Н5—, непосредственно связанный с гидроксильной группой, проявляют особые свойства, отличные от свойств спиртов. Такие соединения называются фенолами.
Фенолы — органические вещества, молекулы которых содержат радикал фенил, связанный с одной или несколькими гидроксогруппами. Так же как и спирты, фенолы классифицируют по атомности, т. е. по количеству гидроксильных групп.
Одноатомные фенолы содержат в молекуле одну гидроксильную группу:
Многоатомные фенолы содержат в молекулах более одной гидроксильной группы:
Существуют и другие многоатомные фенолы, содержащие три и более гидроксильных групп в бензольном кольце.
Познакомимся подробнее со строением и свойствами простейшего представителя этого класса — фенолом С6Н5ОН. Название этого вещества и легло в основу названия всего класса — фенолы.
Физические свойства фенолов
Фенол — твердое, бесцветное кристаллическое вещество, t° = 43 °С, t° = 181 °С, с резким характерным запахом. Ядовит. Фенол при комнатной температуре незначительно растворяется в воде. Водный раствор фенола называют карболовой кислотой. При попадании на кожу он вызывает ожоги, поэтому с фенолом необходимо обращаться осторожно!
Химические свойства фенолов
Кислотные свойства. Атом водорода гидроксильной группы обладает кислотным характером. Кислотные свойства у фенола выражены сильнее, чем у воды и спиртов. В отличие от спиртов и воды, фенол реагирует не только с щелочными металлами, но и со щелочами с образованием фенолятов:
Однако кислотные свойства у фенолов выражены слабее, чем у неорганических и карбоновых кислот. Так, например, кислотные свойства фенола примерно в 3000 раз меньше, чем у угольной кислоты. Поэтому, пропуская через водный раствор фенолята натрия углекислый газ, можно выделить свободный фенол.
Добавление к водному раствору фенолята натрия соляной или серной кислоты также приводит к образованию фенола:
Качественная реакция на фенол
Фенол реагирует с хлоридом железа (III) с образованием интенсивно окрашенного в фиолетовый цвет комплексного соединения.
Эта реакция позволяет обнаруживать его даже в очень ограниченных количествах. Другие фенолы, содержащие одну или несколько гидроксильных групп в бензольном кольце, также дают яркое окрашивание сине-фиолетовых оттенков в реакции с хлоридом железа (III).
Реакции бензольного кольца
Наличие гидроксильного заместителя значительно облегчает протекание реакций электрофильного замещения в бензольном кольце.
1. Бромирование фенола.
В отличие от бензола для бромирования фенола не требуется добавления катализатора (бромида железа (III)). Кроме того, взаимодействие с фенолом протекает селективно (избирательно): атомы брома направляются в орто- и параположения, замещая находящиеся там атомы водорода. Селективность замещения объясняется рассмотренными выше особенностями электронного строения молекулы фенола.
Так, при взаимодействии фенола с бромной водой образуется белый осадок 2,4,6-трибромфенола:
Эта реакция, так же как и реакция с хлоридом железа (III), служит для качественного обнаружения фенола.
2. Нитрование фенола также происходит легче, чем нитрование бензола. Реакция с разбавленной азотной кислотой идет при комнатной температуре. В результате образуется смесь орто- и параизомеров нитрофенола:
При использовании концентрированной азотной кислоты образуется 2,4,6-тринитрофенол — пикриновая кислота, взрывчатое вещество:
3. Гидрирование ароматического ядра фенола в присутствии катализатора происходит легко:
4. Поликонденсация фенола с альдегидами, в частности, с формальдегидом происходит с образованием продуктов реакции — фенолформальдегидных смол и твердых полимеров.
Взаимодействие фенола с формальдегидом можно описать схемой:
В молекуле димера сохраняются «подвижные» атомы водорода, а значит, возможно дальнейшее продолжение реакции при достаточном количестве реагентов:
Реакция поликонденсации, т. е. реакция получения полимера, протекающая с выделением побочного низкомолекулярного продукта (воды), может продолжаться и далее (до полного израсходования одного из реагентов) с образованием огромных макромолекул. Процесс можно описать суммарным уравнением:
Образование линейных молекул происходит при обычной температуре. Проведение же этой реакции при нагревании приводит к тому, что образующийся продукт имеет разветвленное строение, он твердый и нерастворим в воде. В результате нагревания фенолформальдегидной смолы линейного строения с избытком альдегида получаются твердые пластические массы с уникальными свойствами. Полимеры на основе фенолформальдегидных смол применяют для изготовления лаков и красок, пластмассовых изделий, устойчивых к нагреванию, охлаждению, действию воды, щелочей и кислот. Они обладают высокими диэлектрическими свойствами. Из полимеров на основе фенолформальдегидных смол изготавливают наиболее ответственные и важные детали электроприборов, корпуса силовых агрегатов и детали машин, полимерную основу печатных плат для радиоприборов. Клеи на основе фенолформальдегидных смол способны надежно соединять детали самой различной природы, сохраняя высочайшую прочность соединения в очень широком диапазоне температур. Такой клей применяется для крепления металлического цоколя ламп освещения к стеклянной колбе. Таким образом, фенол и продукты на его основе находят широкое применение.