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)

Введение

Фенолы (от греческого слова «фено» - «несущий свет») - органические соединения, содержащие атом гидроксила, связанный непосредственно с атомом углерода ароматического ядра.

Общая формула фенолов Ar-OH, где Ar- ароматический радикал. По числу гидроксильных групп различают одно-, двух-, и многоатомные спирты.

Обычно фенолы представляют собой твердые кристаллические вещества, но некоторые алкилфенолы являются жидкостями (м-крезол). Сам фенол находится при комнатной температуре в твердом состоянии, его температура плавления (43 °C).

Фенолы представляют собой полярные соединения (диполи). Бензольное кольцо является отрицательным концом диполя, группа -- OH -- положительным. Дипольный момент направлен в сторону бензольного кольца.

Химические свойства фенолов

Химические свойства фенолов определяются, c одной стороны, наличием в них гидроксильнoй группы c весьма подвижным атомом водорода, a c другoй - бензольным ядром c его характерными ароматическими свойствами, еще усиленными оксигруппой.

Кислотные свойства фенолов

Ароматическое ядро в фенолах обогащено электронами за счет мезомерного влияния атома кислорода гидроксильной группы. Неподеленная пара электронов атома кислорода вступает в сопряжение с р- электронами бензольного ядра. В результате электронная плотность кислородного атома перемещается частично связь кислород - углерод, увеличивая при этом электронную плотность в орто- и пара- положениях в бензольном ядре. Электронная пара связи кислород - водород сильнее притягивается к атому кислорода, способствуя тем самым созданию большего положительного заряда на атоме водорода гидроксильной группы и, следовательно, отщеплению этого водорода в виде протона :

По этой причине фенол является слабой кислотой (Ка=1,3*10-10) и в отличие от спиртов растворяются в водных растворах щелочи, образуя феноляты .

По электронному строению фенолы являются полярными соединениями, или диполями. Отрицательный конец диполя – это кольцо, положительный – группа –OH. Дипольный момент направлен к бензольному кольцу.

Поскольку гидроксильная группа – I рода, она повышает электронную плотность, особенно для орто- и пара-положений, в бензольном кольце. Это объясняется сопряжением, возникающим между одной из неподеленных электронных пар атома кислорода в OH-группе и π-системой кольца. Такое смещение неподеленной пары электронов приводит к повышению полярности связи O-H.

Взаимное влияние атомов и атомных групп в фенолах отражается на свойствах этих веществ. Так, увеличивается способность к замещению водородных атомов в орто- и пара-положениях бензольного ядра, и обычно в результате таких реакций замещения образуются тризамещенные производные . Повышение полярности связи между кислородом и водородом обусловливает появление достаточно большого положительного заряда (δ+) на , в связи с чем фенол диссоциирует в водных растворах по кислотному типу. В результате диссоциации образуются -ионы и катионы водорода.

Фенол C6H5OH – слабая кислота, называемая также карболовой кислотой. В этом заключается главное отличие фенолов от спиртов – неэлектроолитов.

Физические свойства фенола

По физическим свойствам C6H5OH – бесцветное кристаллическое вещество с температурой плавления 43˚C и температурой кипения 182˚C. На воздухе он окисляется и приобретает розовую окраску. При обычных условиях фенол ограниченно растворим в воде, но при нагревании выше 66˚C смешивается с H2O в любых отношениях. Это токсичное для человека вещество, способное вызывать ожоги кожи, антисептик.

Химические свойства фенола как слабой кислоты

Подобно всем кислотам, фенол диссоциирует в водных растворах, а также взаимодействует со щелочами с образованием фенолятов. Например, реакция C6H5OH и NaOH дает в итоге фенолят натрия C6H5ONa и воду H2O:

C6H5OH+NaOH=C6H5ONa+H2O.

Это свойство отличает фенолы от спиртов. Сходство со спиртами – реакция с активными металлами с образованием солей – фенолятов:

2C6H5OH+2K=2C6H5OK+H2.

Феноляты натрия и калия, образующиеся в результате двух последних реакций, легко разлагаются под действием кислот, даже такой слабой, как угольная. Из этого можно сделать вывод, что фенол – более слабая кислота, чем H2CO3.

Названия фенолов составляют с учетом того, что для родоначальной структуры по правилам ИЮПАК сохранено тривиальное название «фенол». Нумерацию атомов углерода бензольного кольца начинают от атома, непосредственно связанного с гидроксильной группой (если она является старшей функцией), и продолжают в такой последовательности, чтобы имеющиеся заместители подучили наименьшие номера.

Монозамещенные производные фенола, например метилфенол (крезол), могут существовать в виде трех структурных изомеров - орто-, мета- и паракрезолов.

Физические свойства.

Фенолы в большинстве своем - кристаллические вещества (-крезол - жидкость) при комнатной температуре. Они обладают характерным запахом, довольно плохо растворимы в воде, но хорошо растворяются в водных растворах щелочей (см. ниже). Фенолы образуют прочные водородные связи и имеют довольно высокие температуры кипения.

Способы получения.

1. Получение из галогенбензолов. При нагревании хлорбензола и гидроксида натрия под давлением получают фенолят натрия, при дальнейшей обработке которого кислотой образуется фенол:

2. Получение из ароматических сульфокислот (см. реакцию 3 в разделе «Химические свойства бензола», § 21). Реакция проводится при сплавлении сульфокислот с щелочами. Первоначально образующиеся феноксиды обрабатывают сильными кислотами для получения свободных фенолов. Метод обычно применяют для получения многоатомных фенолов:

Химические свойства.

В фенолах р-орбиталь атома кислорода образует с ароматическим кольцом единую -систему. Вследствие такого взаимодействия электронная плотность у атома кислорода уменьшается, а в бензольном кольце повышается. Полярность связи О-Н увеличивается, и водород ОН-группы становится более реакционноспособным и легко замещается на металл даже при действии щелочей (в отличие от предельных одноатомных спиртов).

Кроме того, в результате такого взаимного влияния в молекуле фенола увеличивается реакционная способность бензольного кольца в орто- и кара-положениях в реакциях электрофильного замещения (галогенирования, нитрования, поликонденсации и т.д.):

1. Кислотные свойства фенола проявляются в реакциях со щелочами (сохранилось старинное название «карболовая кислота»):

Фенол, однако, является очень слабой кислотой. При пропускании через раствор фенолятов углекислого или сернистого газов выделяется фенол - такая реакция доказывает, что фенол - более слабая кислота, чем угольная и сернистая:

Кислотные свойства фенолов ослабляются при введении в кольцо заместителей I рода и усиливаются при введении заместителей II рода.

2. Образование сложных эфиров. В отличие от спиртов, фенолы не образуют сложных эфиров при действии на них карбоновых кислот; для этого используются хлоран-гидриды кислот:

3. Галогенирование. При действии на фенол бромной воды (сравните с условиями бромирования бензола - § 21) образуется осадок 2,4,6-трибромфенола:

Это - качественная реакция для обнаружения фенола.

4. Нитрование. Под действием 20%-ной азотной кислоты фенол легко превращается в смесь орто- и пара-нитрофенолов. Если нитровать фенол концентрированной азотной кислотой, то образуется 2,4,6-тринитрофенол - сильная кислота (пикриновая).

5. Окисление. Фенолы легко окисляются даже под действием кислорода воздуха.

Так, при стоянии на воздухе фенол постепенно окрашивается в розовато-красный цвет. При энергичном окислении фенола хромовой смесью основным продуктом окисления является хинон. Двухатомные фенолы окисляются еще легче. При окислении гидрохинона образуется хинон:

Кислотно-основные свойства. Кислотность фенолов значи­тельно выше (на 5-6 порядков), чем кислотность спиртов. Это оп­ределяется двумя факторами: большей полярностью связи О-Н из-за того, что неподеленная электронная пара атома кислорода вовлечена в сопряжение с бензольным кольцом (гидроксильная группа - сильный донор по +М-эффекту), и значительной ста­билизацией образующегося фенолят-иона за счет делокализации отрицательного заряда с участием ароматической системы:

В отличие от алканолов фенолы при действии щелочей об­разуют соли - феноляты, растворимые в водных растворах ще­лочей (рН > 12). Однако фенолы плохо растворимы в водных растворах гидрокарбонатов щелочных металлов (рН = 8), так как в этих условиях феноляты подвергаются полному гидролизу.

Основные свойства фенола выражены значительно слабее (на 4-5 порядков), чем у спиртов. Это связано с тем, что сопряжение неподеленной электронной пары кислородного атома с π-электро-нами бензольного кольца в образующемся катионе нарушено:

Ацилирование. Этерификация карбоновыми кислотами в при­сутствии H2SO4, характерная для спиртов, в случае фенола идет медленно из-за низкой нуклеофильности его кислородного цен­тра. Поэтому для получения сложных эфиров фенола применяют более сильные электрофилы - хлорангидриды RC0C1 или ангид­риды [(RCO) 2 0] карбоновых кислот в безводных условиях:

Алкилирование фенола. Нуклеофильность кислородного цен­тра в фенолятах значительно выше, чем в феноле. Так, при об­работке фенолята натрия галоидными алкилами образуются про­стые эфиры фенолов:

Все рассмотренные реакции фенолов происходят по связи О-Н. Реакции с разрывом связи С-О в фенолах, т. е. реакции замещения гидроксильной группы в феноле, в организме не происходят.

Окислительно-восстановительные свойства. Фенол легко окисляется на воздухе, из-за чего его белые кристаллы быстро розовеют. Состав образующихся продуктов точно не установлен.

Фенолы имеют характерную цветную реакцию с FeCl3 в водных растворах с появлением красно-фиолетового окрашива­ния, которое исчезает после прибавления сильной кислоты или спирта. Предполагают, что интенсивная окраска связана с образованием комплексного соединения, содержащего во внутрен­ней сфере фенолят-анион:

В этом комплексе из всех лигандов фенолят-анион - самый ак­тивный нуклеофил и восстановитель. Он способен передать один электрон электрофилу и окислителю - катиону железа(3) - с образованием во внутренней сфере ион-радикальной системы, содержащей феноксильный радикал (C6H5O*), что приводит к появлению интенсивной окраски:

Подобное образование радикалов во внутренней сфере ком­плексного соединения за счет внутрисферного окислительно-восстановительного процесса может происходить и в субстрат-ферментных комплексах организма. При этом радикальная час­тица может или оставаться связанной во внутренней сфере, или становиться свободной при выходе из этой сферы.

Рассмотренная реакция с FeCl3 свидетельствует о легкости окисления фенола, особенно его аниона. Еще легче окисляются многоатомные фенолы. Так, гидрохинон (особенно его дианион) легко окисляется за счет углеродных атомов в 1,4-бензохинон:

Гидрохинон используется в фотографии, поскольку он. вос­станавливает AgBr в фотографической эмульсии на засвечен­ных участках быстрее, чем на незасвеченных.

Соединения, содержащие 1,4-хиноидную группировку, назы­вают хинонами. Хиноны - типичные окислители, образующие с соответствующими гидрохинонами равновесную сопряженную окислительно-восстановительную пару (разд. 9.1). Такая пара в коферменте Q участвует в процессе окисления субстрата за счет дегидрирования (разд. 9.3.3) и переноса электронов по электронотранспортной цепи от окисляемого субстрата к кислоро­ду (разд. 9.3.4). Витамины группы К, содержащие нафтохиноновую группировку, обеспечивают свертывание крови на воздухе.

Электрофильное замещение по бензольному кольцу. Бла­годаря электронодонорному эффекту гидроксильной группы фе­нол значительно легче вступает в реакции электрофильного за­мещения, чем бензол. Гидроксильная группа ориентирует атаку электрофила в о- и n-положения. Например, фенол обесцвечи­вает бромную воду при комнатной температуре с образованием 2,4,6-трибромфенола:

Активность фенола в реакциях электрофильного замещения настолько велика, что он реагирует даже с альдегидами. Эта реакция поликонденсации лежит в основе получения различ­ных фенолоформальдегидных смол, широко используемых в промышленности. При проведении поликонденсации в кислой среде образуются бакелитовые полимеры, а в щелочной среде, где реакция идет глубже из-за высокой активности фенолят-аниона, - резольные полимеры:

Важнейшие представители спиртов и их практическое зна­чение. Алканолы - физиологически активные вещества, обла­дающие наркотическим действием. Это действие возрастает с разветвлением и удлинением углеродной цепи, проходя через максимум при C6-C8, а также при переходе от первичных спир­тов к вторичным. Продукты превращения спиртов в организме могут служить причиной их токсического действия.

Метанол СН 3 ОН - сильный яд, так как в пищеваритель­ном тракте окисляется в формальдегид и муравьиную кислоту. Уже в небольших дозах (10 мл) может вызвать слепоту.

Этанол С2Н5ОН, обычно называемый просто спирт. Упот­ребление этанола (алкогольных напитков) действует вначале возбуждающе, а затем угнетающе на центральную нервную сис­тему, притупляет чувствительность, ослабляет функцию мозга и мышечной системы, ухудшает реакцию. Его длительное и не­умеренное употребление приводит к алкоголизму. Механизм действия этанола на организм чрезвычайно сложен и оконча­тельно еще не выяснен. Однако важной стадией его превраще­ния в организме является образование ацетальдегида, который легко реагирует со многими важными метаболитами.

Этиленгликоль НОСН2СН2ОН - сильный яд, так как про­дуктами его превращения в организме являются щавелевая ки­слота и другие не менее ядовитые соединения. Обладает спирто­вым запахом, в связи с чем может быть принят за этанол и явиться причиной тяжелых интоксикаций. Используется в тех­нике как антиобледенитель и для приготовления антифризов -жидкостей с низкой температурой замерзания, применяемых для охлаждения двигателей зимой.

Глицерин НОСН 2 СН(ОН)СН 2 ОН - нетоксичная, вязкая, бесцветная жидкость сладкого вкуса. Он входит в состав боль­шинства омыляемых липидов: животных и растительных жи­ров, а также фосфолипидов. Применяется для производства тринитрата глицерина, в качестве мягчителя в текстильной и кожевенной промышленности и как составная часть косметиче­ских препаратов для смягчения кожи.

Биологически активными спиртами являются многие мета­болиты, относящиеся к разным классам органических соедине­ний: ментол - класс терпенов; ксилит, сорбит, мезоинозит -многоатомные спирты; холестерин, эстрадиол - стероиды.