Определение, строение и номенклатура

Фенолы — это органические соединения, в которых гидроксильная группа ( $\mathrm{-OH}$ ) непосредственно связана с атомом углерода бензольного кольца. Общая формула обозначается как $\mathrm{C_nH_{2n-7}OH}$ или $\mathrm{Ar-OH}$ . Простейшим фенолом является сам фенол (карболовая кислота), $\mathrm{C_6H_5OH}$ . В молекуле фенола атом углерода бензольного ядра находится в $sp^2$ -гибридном состоянии. Неподелённая электронная пара атома кислорода гидроксильной группы взаимодействует с p-электронной системой бензольного кольца (p-π сопряжение), что увеличивает полярность связи $\mathrm{O{-}H}$ и облегчает отщепление атома водорода (кислотные свойства). В то же время, группа $\mathrm{-OH}$ увеличивает электронную плотность в бензольном кольце и активирует его по отношению к реакциям электрофильного замещения в орто- и пара- положениях.

Гомологи фенолов отличаются наличием алкильных групп в бензольном кольце. Например, крезолы (метилфенолы): орто-, мета- и пара-крезол. Существуют также фенолы с двумя гидроксильными группами, например, пирокатехин (1,2-бензендиол), резорцин (1,3-бензендиол), гидрохинон (1,4-бензендиол). Фенолы с тремя гидроксильными группами: пирогаллол (1,2,3-бензентриол), флороглюцин (1,3,5-бензентриол).

Номенклатура: Называются как производные фенола или как бензендиол/бензентриол с указанием номеров гидроксильных групп. Например, $\mathrm{CH_3C_6H_4OH}$ - метилфенол (крезол).

Физические свойства и получение

Фенол ( $\mathrm{C_6H_5OH}$ ) в обычных условиях представляет собой бесцветное кристаллическое вещество со специфическим запахом. На воздухе розовеет. Температура плавления $40{,}9^\circ C$ , температура кипения $181{,}8^\circ C$ . Ядовит, вызывает ожоги при попадании на кожу. Плохо растворим в холодной воде, хорошо — в горячей. Хорошо растворим в органических растворителях, таких как спирт, эфир, ацетон. Молекулы фенола образуют водородные связи, поэтому он, как и спирты, имеет высокую температуру кипения.

Получение:

В промышленности: Кумольный способ (окисление изопропилбензола кислородом воздуха с последующим кислотным расщеплением): $\mathrm{C_6H_5CH(CH_3)_2 + O_2 \to C_6H_5C(CH_3)_2OOH \xrightarrow{H^+} C_6H_5OH + (CH_3)_2CO}$ (также образуется ацетон).
В промышленности: Гидролиз хлорбензола щёлочью: $\mathrm{C_6H_5Cl + 2NaOH \xrightarrow{t^\circ, p} C_6H_5ONa + NaCl + H_2O}$ и затем $\mathrm{C_6H_5ONa + HCl \to C_6H_5OH + NaCl}$ .
В лаборатории: Гидролиз солей диазония: $\mathrm{C_6H_5N_2Cl + H_2O \xrightarrow{t^\circ} C_6H_5OH + N_2\uparrow + HCl}$ .

Химические свойства

Фенолы, в отличие от спиртов, обладают более выраженными кислотными свойствами, так как электроны гидроксильной группы вступают в сопряжение с p-электронной системой бензольного кольца. Это делает связь $\mathrm{O{-}H}$ более полярной и облегчает отщепление атома водорода.

Кислотные свойства: Фенолы — слабые кислоты (слабее угольной, но сильнее воды).
- Реакция со щелочами: $\mathrm{C_6H_5OH + NaOH \to C_6H_5ONa + H_2O}$ (фенолят натрия). Феноляты реагируют с кислотами, более сильными, чем фенол (например, $\mathrm{HCl}$ и даже угольной кислотой $\mathrm{H_2CO_3}$ ), образуя снова фенол: $\mathrm{C_6H_5ONa + H_2CO_3 \to C_6H_5OH + NaHCO_3}$ . Это показывает, что фенол является более слабой кислотой, чем угольная.
- Реакция с активными металлами: $\mathrm{2C_6H_5OH + 2Na \to 2C_6H_5ONa + H_2\uparrow}$ .
- Не реагируют с гидрокарбонатами (например, $\mathrm{NaHCO_3}$ ), так как являются более слабыми кислотами, чем угольная.
Реакции бензольного кольца (электрофильное замещение): Группа $\mathrm{-OH}$ является активирующей и орто-, пара-ориентирующей.
- Бромирование: Фенол немедленно обесцвечивает бромную воду и даёт белый осадок (бромирование отличается от спиртов): $\mathrm{C_6H_5OH + 3Br_2 \to C_6H_2Br_3OH\downarrow + 3HBr}$ (2,4,6-трибромфенол).
- Нитрование: С разбавленной азотной кислотой образует орто- и пара-нитрофенолы, а с концентрированной — пикриновую кислоту (2,4,6-тринитрофенол): $\mathrm{C_6H_5OH + 3HNO_3\text{(конц.)} \to C_6H_2(NO_2)_3OH + 3H_2O}$ .
- Гидрирование: Восстанавливается водородом в присутствии никелевого катализатора до циклогексанола: $\mathrm{C_6H_5OH + 3H_2 \xrightarrow{Ni, t^\circ} C_6H_{11}OH}$ .
Реакции конденсации: Конденсируется с формальдегидом, образуя фенолформальдегидные смолы.
Цветная реакция: Фенол даёт фиолетовое окрашивание с раствором $\mathrm{FeCl_3}$ (качественная реакция).

Применение

Фенол используется как антисептик (дезинфицирующее средство) — карболовая кислота. Из него получают лекарственные средства (аспирин), взрывчатые вещества (пикриновая кислота), синтетические волокна (капрон), синтетические смолы (фенолформальдегидные смолы), красители и гербициды.

Запомните

Фенолы: $\mathrm{Ar-OH}$ , гидроксильная группа непосредственно связана с бензольным кольцом.
Фенол ( $\mathrm{C_6H_5OH}$ ): специфический запах, ядовит, на воздухе розовеет.
Кислее спиртов (реагирует со щелочами и активными металлами, но не с $\mathrm{NaHCO_3}$ ).
$\mathrm{-OH}$ группа активирует бензольное кольцо (орто-, пара-ориентирующая).
Фенол обесцвечивает бромную воду и даёт белый осадок 2,4,6-трибромфенола.
Фенол даёт фиолетовое окрашивание с раствором $\mathrm{FeCl_3}$ (качественная реакция).

Разобранные примеры

Пример 1
Сколько граммов 10%-го раствора гидроксида натрия потребуется для полной нейтрализации 9,4 г фенола?
Решение
1. Молярная масса фенола $\mathrm{M(C_6H_5OH) = 6\cdot12 + 6\cdot1 + 16 = 94}$ г/моль.
2. Количество вещества фенола $\mathrm{\nu(C_6H_5OH) = \frac{9{,}4 \text{ г}}{94 \text{ г/моль}} = 0{,}1}$ моль.
3. Уравнение реакции: $\mathrm{C_6H_5OH + NaOH \to C_6H_5ONa + H_2O}$ .
4. По уравнению 1 моль фенола реагирует с 1 молем $\mathrm{NaOH}$ . Следовательно, для 0,1 моль фенола потребуется 0,1 моль $\mathrm{NaOH}$ .
5. $\mathrm{M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40}$ г/моль.
6. Масса необходимого $\mathrm{NaOH}$ $\mathrm{m(NaOH) = 0{,}1 \text{ моль} \cdot 40 \text{ г/моль} = 4}$ г.
7. Масса 10%-го раствора $m_{\text{р-ра}} = \dfrac{m(\mathrm{NaOH})}{\omega} = \dfrac{4 \text{ г}}{0{,}1} = 40$ г.
Ответ: 40 граммов 10%-го раствора $\mathrm{NaOH}$ .
Пример 2
Смесь фенола и этанола прореагировала с натрием, выделив 2,24 л водорода (н.у.). При действии на ту же смесь раствором гидроксида натрия получено 4,64 г соли. Найдите массовую долю (%) фенола в смеси.
Решение
1. С гидроксидом натрия реагирует только фенол: $\mathrm{C_6H_5OH + NaOH \to C_6H_5ONa + H_2O}$ .
2. Полученная соль — фенолят натрия, $M(\mathrm{C_6H_5ONa}) = 116$ г/моль.
3. $\nu(\mathrm{C_6H_5ONa}) = \dfrac{4{,}64 \text{ г}}{116 \text{ г/моль}} = 0{,}04$ моль, значит, в смеси 0,04 моль фенола.
4. Масса фенола: $m(\mathrm{C_6H_5OH}) = 0{,}04 \cdot 94 = 3{,}76$ г.
5. С натрием реагируют оба вещества: $\mathrm{2C_6H_5OH + 2Na \to 2C_6H_5ONa + H_2}$ $\mathrm{2C_2H_5OH + 2Na \to 2C_2H_5ONa + H_2}$
6. Общее количество водорода: $\nu(\mathrm{H_2}) = \dfrac{2{,}24}{22{,}4} = 0{,}1$ моль.
7. Из фенола выделилось $\dfrac{0{,}04}{2} = 0{,}02$ моль водорода, из этанола $0{,}1 - 0{,}02 = 0{,}08$ моль.
8. Количество этанола: $\nu(\mathrm{C_2H_5OH}) = 2 \cdot 0{,}08 = 0{,}16$ моль, масса: $0{,}16 \cdot 46 = 7{,}36$ г.
9. Масса смеси: $3{,}76 + 7{,}36 = 11{,}12$ г.
10. Массовая доля фенола: $\omega(\mathrm{C_6H_5OH}) = \dfrac{3{,}76}{11{,}12} \cdot 100\% \approx 33{,}8\%$ .
Ответ: примерно 33,8%.

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

Какое вещество не относится к классу фенолов?
1. Пирокатехин
2. Бензиловый спирт
3. Резорцин
4. Гидрохинон
5. п-Крезол
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B Бензиловый спирт
В бензиловом спирте группа $\mathrm{-OH}$ связана с бензольным кольцом не напрямую, а через метиленовую группу ( $\mathrm{-CH_2{-}}$ ), что делает его ароматическим спиртом, а не фенолом. Пирокатехин, резорцин, гидрохинон — это фенолы с двумя гидроксильными группами, п-крезол — метилфенол.
Какое утверждение верно для смеси фенола и этанола?
1. Оба обесцвечивают бромную воду.
2. Оба дают фиолетовое окрашивание с $\mathrm{FeCl_3}$ .
3. Фенол реагирует с $\mathrm{NaOH}$ , а этанол нет.
4. Фенол реагирует с $\mathrm{NaHCO_3}$ , а этанол нет.
5. Оба реагируют с $\mathrm{Cu(OH)_2}$ .
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C Фенол реагирует с $\mathrm{NaOH}$ , а этанол нет.
Фенол, обладая кислотными свойствами, реагирует с $\mathrm{NaOH}$ , тогда как этанол, являясь спиртом, не реагирует. Фенол обесцвечивает бромную воду, этанол нет. Только фенол даёт фиолетовое окрашивание с $\mathrm{FeCl_3}$ . Фенол не реагирует с $\mathrm{NaHCO_3}$ , так как является более слабой кислотой. Оба не реагируют с $\mathrm{Cu(OH)_2}$ (с ним реагируют многоатомные спирты).
Сколько граммов фенола должно прореагировать с бромной водой для получения 33,1 г 2,4,6-трибромфенола?
1. 4,7 г
2. 9,4 г
3. 18,8 г
4. 2,35 г
5. 14,1 г
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B 9,4 г
Уравнение реакции: $\mathrm{C_6H_5OH + 3Br_2 \to C_6H_2Br_3OH\downarrow + 3HBr}$ . $M(\mathrm{C_6H_2Br_3OH}) = 6 \cdot 12 + 3 \cdot 1 + 3 \cdot 80 + 16 = 331$ г/моль, значит, $\nu = \dfrac{33{,}1}{331} = 0{,}1$ моль. По уравнению 1 моль трибромфенола получается из 1 моль фенола: $m(\mathrm{C_6H_5OH}) = 0{,}1 \cdot 94 = 9{,}4$ г.

Типичные ошибки

Считать фенолы такими же слабыми кислотами, как спирты, или, наоборот, такими же сильными, как минеральные кислоты. Фенолы слабее угольной кислоты, но сильнее воды.
Думать, что фенол вступает в реакции электрофильного замещения только в присутствии катализатора, как бензол. Группа $\mathrm{-OH}$ активирует бензольное кольцо, поэтому фенол реагирует (например, с бромной водой) без катализатора.
Считать, что фенол реагирует с $\mathrm{NaHCO_3}$ . Фенол не реагирует с гидрокарбонатами, так как он слабее угольной кислоты.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото