Фенол органическая кислота. Фенол, его строение, свойства, применение. Физические свойства фенола

Соединения с одной или несколькими гидроксильными группами, присоединенными к бензольному кольцу; называются фенолами. Важнейшим из них является сам фенол:

Фенол был открыт в 1834 г., когда его выделили из каменноугольной смолы. Сначала его называли карболовой кислотой, и это название используется до сих пор для жидкого фенола, содержащего 5% воды. Свое нынешнее название фенол получил в 1841 г.

Все простейшие фенолы при нормальных условиях представляют собой твердые вещества с невысокой температурой плавления. Фенол - бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 43°С. Он имеет характерный запах. Подобно спиртам, фенолы имеют более высокие температуры кипения, чем можно было бы ожидать по их относительной молекулярной массе. Это обусловлено образованием в фенолах межмолекулярной водородной связи. Выше уже отмечалось, что 2-нитрофенол имеет более низкую температуру кипения, чем 4-нитрофенол. Это объясняется существованием в первом из указанных соединений внутримолекулярной водородной связи, тогда как во втором соединении имеются межмолекулярные водородные связи, делающие его менее летучим (см. разд. 2.2).

Фенолы плохо растворяются в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях, в частности в спиртах и эфирах. Фенол ограниченно смешивается с водой лишь при температурах ниже 66°С. Выше 66°С фенол смешивается с водой в любых пропорциях (см. рис. 6.22 и разд. 6.2).

Лабораторные способы получения

Для получения фенола в лабораторных условиях сплавляют при 300-350°С безводную натриевую соль бензолсульфоновой кислоты с твердым гидроксидом натрия, а затем добавляют к смеси разбавленную соляную кислоту:

Бензолсульфоновую кислоту получают сульфированием бензола (см. разд. 18.2). Нейтрализация этой кислоты гидроксидом натрия приводит к образованию ее натриевой соли.

Фенол получают также, подогревая выше 10°С водный раствор хлорида фенилдиазония:

Хлорид фенилдиазония получают диазотированием фениламина (см. разд. 19.4).

Химические свойства фенолов

Реакции гидроксильной группы. Кислотность. Фенол имеет константу кислотности равную 9,95. Таким образом, он обладает свойствами слабой кислоты, хотя и более сильной, чем Метанол, этанол и вода (см. табл. 19.4). Фенолятион, образующийся в результате отщепления иона стабилизируется благодаря делокализации

отрицательного заряда:

Он может рассматриваться как гибрид указанных резонансных форм (см. разд. 2.1 и 18.2).

Подобно спиртам, фенол реагирует с сильно электроположительными металлами, например с натрием, выделяя водород:

Однако в отличие от спиртов фенолы реагируют с гидроксидом натрия:

Фенол обладает не настолько большой кислотностью, как карбоновые кислоты. Карбоновые кислоты, например уксусная или бензойная, способны вытеснять диоксид углерода из гидрокарбоната натрия или карбоната натрия, а фенол не способен. Этой реакцией пользуются в аналитических целях, чтобы отличить карбоновые кислоты от фенолов.

Образование сложных эфиров. Хотя фенол не реагирует с карбоновыми кислотами с образованием сложных эфиров, он реагирует с хлорангидридами карбоновых кислот в щелочных растворах:

Реакция этого типа называется ацилированием.

Образование простых эфиров. Фенол реагирует с галогеноалканами в щелочной среде, образуя простые эфиры:

Эта реакция является примером синтеза Вильямсона (см. предыдущий раздел).

Реакция с пентахлоридом фосфора. В отличие от спиртов фенол не реагирует с галогеноводородами и тригалогенидами фосфора. Однако он медленно реагирует с пентахлоридом фосфора, образуя хлоробензол с низким выходом:

Реакция с хлоридом железа (III). При добавлении нейтрального раствора хлорида железа (III) к фенолу происходит образование комплекса, имеющего фиолетовую окраску. Эта реакция используется в качестве аналитической пробы на фенол. Такая реакция характерна для соединений, содержащих енолъную группу.

Реакция в бензольном кольце. Бензольное кольцо в молекуле фенола подвергается электрофильному замещению легче, чем сам бензол. Это объясняется тем, что несвязывающие электроны на атоме кислорода втягиваются в бензольное кольцо и тем самым активируют его. Гидроксильная группа фенола обладает 2,4-направляющим действием в отношении электрофильных заместителей (см. разд. 18.2).

Галогенирование. Галогенирование фенолов осуществляется в гораздо более мягких условиях, чем галогенирование бензола. Например, при добавлении бромной воды к водному раствору фенола происходит образование белого осадка 2,4,6-трибромо-фенола:

В разд. 18.2 было указано, что бромирование бензола требует присутствия катализатора.

Нитрование. Фенол можно нитровать с помощью разбавленной азотной кислоты. При этом образуется смесь 2-нитрофенола и 4-нитрофенола:

Сопоставим опять эти мягкие условия с условиями протекания соответствующей реакции бензола. Нитрование бензола требуется проводить в смеси концентрированных азотной кислоты и серной кислоты (см. разд. 18.2).

2-Нитрофенол и 4-нитрофенол являются более сильными кислотами, чем фенол. Оба они характеризуются значениями приблизительно равными 7,2. Повышенная кислотность нитрофенолов объясняется тем, что нитрогруппа оттягивает на себя электроны. В результате бензольное кольцо сильнее оттягивает электроны от атома кислорода гидроксильной группы.

Сульфирование. Реакция фенола с концентрированной серной кислотой приводит к образованию смеси гидроксибензолсульфоновых кислот:

Гидроксибензолсульфоновая кислота (выход 85%)

Оба продукта этой реакции реагируют с концентрированной азотной кислотой, образуя 2,4,6-тринитрофенол - желтое кристаллическое вещество, известное под тривиальным названием «пикриновая кислота»:

Вследствие общего электроноакцепторного действия трех нитрогрупп пикриновая кислота оказывается сравнительно сильной кислотой. Она характеризуется константой кислотности близкой к 1, а при взаимодействии с раствором карбоната натрия вытесняет из него диоксид углерода.

Реакции сочетания. Щелочный раствор фенола реагирует с раствором хлорида фенилдиазония, в результате чего образуется оранжевый осадок 4-гидроксифенилазо-бензола:

Этот продукт представляет собой азокраситель. Реакция подобного типа называется реакцией сочетания (в данном случае азосочетания).

Образованные на основе бензола. При нормальных условиях представляют собой твердые ядовитые вещества, обладающие специфическим ароматом. В современной промышленности эти химические соединения играют далеко не последнюю роль. По объемам использования фенол и его производные входят в двадцатку наиболее востребованных химических соединений в мире. Они широко применяются в химической и легкой промышленности, фармацевтике и энергетике. Поэтому получение фенола в промышленных масштабах - одна из основных задач химической промышленности.

Обозначения фенола

Первоначальное название фенола - карболовая кислота. Позднее данное соединение поучило название «фенол». Формула этого вещества представлена на рисунке:

Нумерация атомов фенола ведется от того атома углерода, который соединен с гидроксогруппой ОН. Последовательность продолжается в таком порядке, чтобы другие замещенные атомы получили наименьшие номера. Производные фенола существуют в виде трех элементов, характеристики которых объясняются различием их структурных изомеров. Различные орто-, мета-, паракрезолы являются лишь видоизменением основной структуры соединения бензольного кольца и гидроксильной группы, базовая комбинация которой и представляет собой фенол. Формула этого вещества в химической записи выглядит как C 6 H 5 OH.

Физические свойства фенола

Визуально фенол представляет собой твердые бесцветные кристаллы. На открытом воздухе они окисляются, придавая веществу характерный розовый оттенок. При нормальных условиях фенол довольно плохо растворяется в воде, но с повышением температуры до 70 о этот показатель резко возрастает. В щелочных растворах это вещество растворимо в любых количествах и при любых температурах.

Эти свойства сохраняются и в других соединениях, основным компонентом которых являются фенолы.

Химические свойства

Уникальные свойства фенола объясняются его внутренней структурой. В молекуле этого химического вещества р-орбиталь кислорода образует единую п-систему с бензольным кольцом. Такое плотное взаимодействие повышает электронную плотность ароматического кольца и понижает этот показатель у атома кислорода. При этом полярность связей гидроксогруппы значительно увеличивается, и водород, входящий в ее состав, легко замещается любым щелочным металлом. Так образуются различные феноляты. Эти соединения не разлагаются водой, как алкоголяты, но их растворы очень похожи на соли сильных оснований и слабых кислот, поэтому они имеют достаточно выраженную щелочную реакцию. Феноляты взаимодействуют с различными кислотами, в результате реакции восстанавливаются фенолы. Химические свойства этого соединения позволяют ему взаимодействовать с кислотами, образуя при этом сложные эфиры. Например, взаимодействие фенола и уксусной кислоты приводит к образованию финилового эфира (фениацетата).

Широко известна реакция нитрирования, в которой под воздействием 20% азотной кислоты фенол образует смесь пара- и ортонитрофенолов. Если воздействовать на фенол концентрированной азотной кислотой, то получается 2,4,6-тринитрофенол, который иногда называют пикриновой кислотой.

Фенол в природе

Как самостоятельное вещество фенол в природе содержится в каменноугольной смоле и в отдельных сортах нефти. Но для промышленных нужд это количество не играет никакой роли. Поэтому получение фенола искусственным способом стало приоритетной задачей для многих поколений ученых. К счастью, эту проблему удалось разрешить и получить в итоге искусственный фенол.

Свойства, получение

Применение различных галогенов позволяет получать феноляты, из которых при дальнейшей обработке образуется бензол. Например, нагревание гидроксида натрия и хлорбензола позволяет получить натрия фенолят, который при воздействии кислоты распадается на соль, воду и фенол. Формула такой реакции приведена здесь:

С 6 Н 5 -CI + 2NaOH -> С 6 Н 5 -ONa + NaCl + Н 2 O

Ароматические сульфокислоты также являются источником для получения бензола. Химическая реакция проводится при одновременном плавлении щелочи и сульфокислоты. Как видно из реакции, сначала образуются феноксиды. При обработке сильными кислотами они восстанавливаются до многоатомных фенолов.

Фенол в промышленности

В теории, получение фенола самым простым и многообещающим способом выглядит таким образом: при помощи катализатора бензол окисляют кислородом. Но до сих пор катализатор для этой реакции так и не был подобран. Поэтому в настоящее время в промышленности используются другие методы.

Непрерывный промышленный способ получения фенола состоит во взаимодействии хлорбензола и 7% раствора едкого натра. Полученную смесь пропускают через полуторакилометровую систему труб, нагретых до температуры в 300 С. Под воздействием температуры и поддерживаемого высокого давления исходные вещества вступают в реакцию, в результате которой получат 2,4-динитрофенол и другие продукты.

Не так давно был разработан промышленный способ получения фенолсодержащих веществ кумольным методом. Этот процесс состоит из двух этапов. Сначала из бензола получают изопропилбензол (кумол). Для этого бензол алкируют с помощью пропилена. Реакция выглядит следующим образом:

После этого кумол окисляют кислородом. На выходе второй реакции получают фенол и другой важный продукт — ацетон.

Получение фенола в промышленных масштабах возможно из толуола. Для этого толуол окисляется на кислороде, содержащемся в воздухе. Реакция протекает в присутствии катализатора.

Примеры фенолов

Ближайшие гомологи фенолов называются крезолами.

Существуют три разновидности крезолов. Мета-крезол при нормальных условиях представляет собой жидкость, пара-крезол и орто-крезол - твердые вещества. Все крезолы плохо растворяются в воде, а по своим химическим свойствами они почти аналогичны фенолу. В естественном виде крезолы содержатся в каменноугольной смоле, в промышленности их применяют при производстве красителей, некоторых видов пластмасс.

Примерами двухатомных фенолов могут служить пара-, орто- и мета-гидробензолы. Все они представляют собой твердые вещества, легко растворимые в воде.

Единственный представитель трехатомного фенола - пирогаллол (1,2,3-тригидроксибензол). Его формула представлена ниже.

Пирогаллол является довольно сильным восстановителем. Он легко окисляется, поэтому его используют для получения очищенных от кислорода газов. Это вещество хорошо известно фотографам, его используют как проявитель.

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.

Фенол (C 5 H 6 OH) , это искусственно выведенное соединение, которое служит основой для получения многих соединений, применяемых в промышленности. Фенол обладает антисептическими свойствами, поэтому карболка (5%), которая является разбавленным водным раствором фенола, используется для дезинфекции белья и помещений, а в европейской и американской медицине этот препарат применялся довольно широко во вторую мировую войну, но впоследствии его использование пришлось заметно ограничить вследствие высокой токсичности.

Фенол представляет собой вещество с кристаллической структурой с безобидным запахом гуаши, однако, это довольно токсичное вещество.

Применение

Фенол изменяет свой цвет под воздействием воздуха, что дает возможность применять это вещество в производстве красителей .

Фенола обладает низкой температурой плавления, растворяется как в как органических, так и в неорганических растворителях.

В молекулярной биологии и генной инженерии фенол нашел широкое применение в очистке ДНК , а ранее, в смеси с хлороформом вещество применялось для выделения ДНК из клетки. Но и здесь актуальность использования фенола была утрачена вследствие достаточного количества специализированных китов для выделения.

Одним из основных направлений использования фенола до сих пор является производство лекарственных препаратов , причем большинство этих средств представляют собой производные салициловой кислотыo-HOC 6 H 4 COOH, которую получают из фенола. В частности, всем известный аспирин, используемый, как жаропонижающее средство, этот и есть , а такой широко распространенный препарат, как салол представляет собой эфир фенола и салициловой кислоты.

Парааминосалициловую кислоту (ПАСК) используют , а пурген (фенолфталеин) получают конденсацией фенола и фталевого ангидрида.

В химической промышленности фенола используется для производства таких синтетических волокон, как капрон и нейлон .

Весьма важной областью его применения является производство феноло-формальдегидных смол .

Кроме того, фенол используется для селективной очистки масел, ортокрезола, в изготовлении присадок к маслам, он является компонентом ряда красителей, пластификаторов для полимеров, парфюмерных препаратов, используется и как средство защиты растений.

Ранее фенол применяли в производстве строительных материалов , однако оказалось, что токсичные свойства этого вещества со временем не уменьшаются и он продолжает оставаться опасным для человека, оказывая отрицательное воздействие на нервную и сердечно-сосудистую системы, на почки, печень другие внутренние органы. Во многих странах применение фенола в производстве бытовых товаров запрещено вследствие токсичных свойств.

В легкой промышленности фенол применяется для дезинфекции кожи животных .

Однако, недобросовестные производители до сих пор применяют пластмассы на основе фенола даже для производства детских игрушек.

Чем опасен фенол?

При попадании фенола в организм через дыхательные пути, происходит их раздражение вплоть до ожога, то же может произойти при попадании вещества на кожу, причем ожоги могут перерасти в язвы. А если площадь подобного химического ожога превысит 25%, велика опасность летального исхода.

Проникновение этого вещества внутрь чревато атрофией мышц, внутренними кровотечениями, язвой желудка и двенадцатиперстной кишки.

Следует поэтому вдумчиво обследовать свою квартиру и определить, не применялись ли при ее строительстве и устройстве интерьера стройматериалы с применением фенола, не применялся ли фенол при производстве полов, обоев, мебели, игрушек.

Ощутив какое либо беспричинное недомогание, при малейших подозрениях на наличие этого токсина, необходимо осуществить экологическую экспертизу на наличие испарений фенола.

Данный урок проводится по учебнику под редакцией Г. Е. Рудзитиса «Органическая химия» в 10 классе в разделе: «Спирты и фенолы». Урок проводится с использованием традиционных методов обучения, демонстрационных опытов, а также современных мультимедийных форм обучения. Это позволяет более наглядно и доходчивее излагать материал; провести быструю оценку усвоения учащимися изученного на уроке (тест). Использование современных аудио/видео способов обучения расширяют возможности более прочного и осознанного усвоения учебного материала учащимися.

Образовательные задачи:

изучить состав, строение, свойства фенола и его соединений
на примере фенола конкретизировать знания учащихся об особенностях строения веществ, принадлежащих к классу фенолы, рассмотреть зависимость взаимного влияния атомов в молекуле фенола на его свойства
познакомить учащихся с физическими и химическими свойствами фенола и некоторых его соединений, изучить качественные реакции на фенолы
рассмотреть нахождение в природе, применение фенола и его соединений, их биологическую роль

Развивающие задачи:

совершенствовать умение учащихся прогнозировать свойства вещества на основе его строения
продолжать развивать умение наблюдать, анализировать, делать выводы при выполнении химического эксперимента

Воспитательные задачи:

продолжить формирование химической картины мира через химическую картину природы (познаваемость, управление химическими процессами)
расширить представление учащихся о влиянии фенолсодержащих промышленных отходов и строительных материалов на окружающую среду и здоровье человека
рассмотреть биологическую роль фенола и его соединений на организм человека (положительную и отрицательную)

Тип урока: урок - изучения новых знаний.

Методы обучения: словесный, наглядный, практический (химический эксперимент – ученический и демонстрационный)

Средства обучения: Компьютер, проектор, школьный химический эксперимент (демонстрационный и ученический), опорные конспекты, видеоролики.

Оборудование и реактивы: Демонстрационный эксперимент: растворы С 6 Н 5 ОН, NaOH, FeCl 3 , бромная вода, Na, пробирки, резиновые пробки.

План урока

1. Организационный момент

2. Актуализация знаний

3. Изучение новых знаний

Определение фенолов Соединения, в которых ароматический радикал фенил С6Н5- непосредственно связан с гидроксильной группой, отличаются по свойствам от ароматических спиртов, настолько, что их выделяют в отдельный класс органических соединений, называемый фенолами .

классификация и изомерия фенолов В зависимости от числа ОН-групп различают одноатомные фенолы (например, вышеприведенные фенол и крезолы) и многоатомные . Среди многоатомных фенолов наиболее распространены двухатомные:

Как видно из приведенных примеров, фенолам свойственна структурная изомерия (изомерия положения гидроксигруппы).

Физические свойства фенола (Приложение№2)

Следствием полярности связи О–Н и наличия неподеленных пар электронов на атоме кислорода является способность гидроксисоединений к образованию водородных связей

Это объясняет, почему у фенола довольно высокие температуры плавления (+43) и кипения (+182). Образование водородных связей с молекулами воды способствует растворимости гидроксисоединений в воде:

Способность растворяться в воде уменьшается с увеличением углеводородного радикала и от многоатомных гидроксисоединений к одноатомным. Метанол, этанол, пропанол, изопропанол, этиленгликоль и глицерин смешиваются с водой в любых соотношениях. Растворимость фенола в воде ограничена.

Строение молекулы фенола

Химические свойства фенола (проводится демонстрационный эксперимент)
а) Рассмотрим реакции фенола по ОН- группе:

Кислотные свойства у фенола выражены сильнее, чем у спирта С 2 Н 5 ОН. Фенол – слабая кислота (карболовая).

б) Реакции фенола по бензольному кольцу:

Какой вывод о взаимном влиянии атомов в молекуле фенола можно сделать?
Фенильная группа C6H5 – и гидроксил –ОН взаимно влияют друг на друга.

в) Качественная реакция на фенолы (видеоролик)

С 6 Н 5 ОН + FeCl 3 -> фиолетовое окрашивание

Получение фенола (приложение№1)

Физиологическое действие фенола и его применение

Фенол - ядовит!!! При попадании на кожу вызывает ожоги, при этом он всасывается через кожу и вызывает отравление. Раствор фенола используют в качестве дезинфицирующего средства (карболовая кислота). Двухатомные фенолы – пирокатехин, резорцин, а также гидрохинон (пара- дигидроксибензол) применяют как антисептики (антибактериальные обеззараживающие вещества), вводят в состав дубителей для кожи и меха, как стабилизаторы смазочных масел и резины, а также для обработки фотоматериалов и как реагенты в аналитической химии.

В виде отдельных соединений фенолы используются ограниченно, зато их различные производные применяют широко. Фенолы служат исходными соединениями для получения разнообразных полимерных продуктов – фенолоальдегидных смол, полиамидов, полиэпоксидов. На основе фенолов получают многочисленные лекарственные препараты, например, аспирин, салол, фенолфталеин, кроме того, красители, парфюмерные продукты, пластификаторы для полимеров и средства защиты растений.

Биологическая роль соединений фенола: