Dobijanje, hemijska svojstva i primena fenola. Fenoli Formula za dobijanje fenola iz benzena
Prema broju hidroksilnih grupa:
monoatomski; Na primjer:
dijatomski; Na primjer:
triatomski; Na primjer:
Postoje fenoli i veća atomicnost.
Najjednostavniji monoatomski fenoli
C 6 H 5 OH - fenol (hidroksibenzen), trivijalno ime je karbolna kiselina.
Najjednostavniji dihidrični fenoli
Elektronska struktura molekula fenola. Međusobni utjecaj atoma u molekulu
Hidroksilna grupa -OH (kao alkil radikali) je supstituent 1. vrste, tj. donor elektrona. To je zbog činjenice da jedan od usamljenih elektronskih parova atoma hidroksil kisika ulazi u p, π-konjugaciju sa π-sistemom jezgra benzena.
Rezultat ovoga je:
Povećanje elektronske gustine na atomima ugljika u orto i para pozicijama jezgre benzena, što olakšava zamjenu atoma vodika u tim pozicijama;
Povećanje polariteta O-H veze, što dovodi do povećanja kiselih svojstava fenola u odnosu na alkohole.
Za razliku od alkohola, fenoli se u vodenim rastvorima delimično disociraju na ione:
tj. pokazuju slabo kisela svojstva.
Fizička svojstva
Najjednostavniji fenoli u normalnim uslovima su nisko topljive, bezbojne kristalne supstance sa karakterističnim mirisom. Fenoli su slabo rastvorljivi u vodi, ali lako rastvorljivi u organskim rastvaračima. To su otrovne tvari koje uzrokuju opekline kože.
Hemijska svojstva
I. Reakcije koje uključuju hidroksilnu grupu (kisela svojstva)
(reakcija neutralizacije, za razliku od alkohola)
Fenol je vrlo slaba kiselina, stoga se fenolate razlažu ne samo jakim kiselinama, već čak i tako slabom kiselinom kao što je ugljična:
II. Reakcije koje uključuju hidroksilnu grupu (formiranje estera i etera)
Kao i alkoholi, fenoli mogu formirati etre i estre.
Esteri nastaju interakcijom fenola sa anhidridima ili hloridima karboksilnih kiselina (direktna esterifikacija sa karboksilnim kiselinama je teža):
Eteri (alkilaril) nastaju interakcijom fenolata sa alkil halogenidima:
III. Reakcije supstitucije koje uključuju benzenski prsten
Formiranje bijelog taloga tribromofenola se ponekad smatra kvalitativnom reakcijom na fenol.
IV. Reakcije adicije (hidrogenacija)
V. Kvalitativna reakcija sa željeznim (III) hloridom
Jednoatomni fenoli + FeCl 3 (rastvor) → Plavoljubičasta boja, koja nestaje zakiseljavanjem.
Fenoli- derivati aromatičnih ugljovodonika, koji mogu uključivati jednu ili više hidroksilnih grupa povezanih na benzenski prsten.
Kako se zovu fenoli?
Prema IUPAC pravilima, naziv " fenol". Numeracija atoma dolazi od atoma koji je direktno povezan sa hidroksi grupom (ako je najstarija) i numerisani su tako da supstituenti dobiju najmanji broj.
Predstavnik - fenol - C 6 H 5 OH:
Struktura fenola.
Atom kiseonika ima nepodeljeni elektronski par na spoljašnjem nivou, koji je "uvučen" u sistem prstenova (+ M-efekat HE-grupe). Kao rezultat, mogu se pojaviti 2 efekta:
1) povećanje elektronske gustine benzenskog prstena do orto i para položaja. U osnovi, ovaj efekat se manifestuje u reakcijama elektrofilne supstitucije.
2) gustoća na atomu kisika se smanjuje, zbog čega je veza HE oslabljen i može se slomiti. Efekat je povezan sa povećanom kiselošću fenola u odnosu na zasićene alkohole.
Monosupstituirani derivati fenol(krezol) može biti u 3 strukturna izomera:
Fizička svojstva fenola.
Fenoli su kristalne supstance na sobnoj temperaturi. Slabo rastvorljiv u hladnoj vodi, ali dobro - u vrućim i vodenim rastvorima alkalija. Imaju karakterističan miris. Zbog stvaranja vodoničnih veza imaju visoku tačku ključanja i topljenja.
Dobijanje fenola.
1. Od halobenzena. Kada se hlorobenzen i natrijum hidroksid zagreju pod pritiskom, dobije se natrijum fenolat, koji se nakon interakcije sa kiselinom pretvara u fenol:
2. Industrijska metoda: prilikom katalitičke oksidacije kumena na vazduhu dobijaju se fenol i aceton:
3. Od aromatičnih sulfonskih kiselina fuzijom sa alkalijama. Češće se provodi reakcija za dobivanje polihidričnih fenola:
Hemijska svojstva fenola.
R-orbitala atoma kiseonika formira jedan sistem sa aromatičnim prstenom. Zbog toga se elektronska gustina na atomu kiseonika smanjuje, au benzenskom prstenu se povećava. Polaritet komunikacije HE povećava se, a vodik hidroksilne grupe postaje reaktivniji i lako se može zamijeniti atomom metala čak i pod djelovanjem alkalija.
Kiselost fenola je veća od kiselosti alkohola, pa se mogu izvesti reakcije:
Ali fenol je slaba kiselina. Ako se ugljični dioksid ili sumpordioksid propuštaju kroz njegove soli, tada se oslobađa fenol, što dokazuje da su ugljična i sumporna kiselina jače kiseline:
Kisela svojstva fenola su oslabljena uvođenjem supstituenata prve vrste u prsten, a pojačana su uvođenjem II.
2) Formiranje estera. Proces se odvija pod uticajem kiselih hlorida:
3) Elektrofilna supstitucijska reakcija. Jer HE-grupa je supstituent prve vrste, tada se povećava reaktivnost benzenskog prstena u orto i para pozicijama. Pod djelovanjem bromne vode na fenol, uočava se taloženje - ovo je kvalitativna reakcija na fenol:
4) Nitracija fenola. Reakcija se izvodi sa nitrirajućom smjesom, što rezultira stvaranjem pikrinske kiseline:
5) Polikondenzacija fenola. Reakcija se odvija pod uticajem katalizatora:
6) Oksidacija fenola. Fenoli se lako oksidiraju atmosferskim kisikom:
7) Kvalitativna reakcija na fenol je dejstvo rastvora željeznog hlorida i formiranje ljubičastog kompleksa.
Upotreba fenola.
Fenoli se koriste u proizvodnji fenol-formaldehidnih smola, sintetičkih vlakana, boja i lijekova, te dezinficijensa. Pikrinska kiselina se koristi kao eksploziv.
Postoje jedno-, dvo-, troatomni fenoli u zavisnosti od broja OH grupa u molekuli (slika 1)
Rice. jedan. JEDNO-, DVA- I TRI-ATOMSKI FENOLI
U skladu sa brojem spojenih aromatskih ciklusa u molekuli, postoje (slika 2) sami fenoli (jedan aromatski prsten - derivati benzena), naftoli (2 spojena prstena - derivati naftalena), antranoli (3 spojena prstena - derivati antracena) i fenatroli (slika 2).
Rice. 2. MONO- I POLINUKLEARNI FENOLI
Nomenklatura alkohola.
Za fenole se široko koriste trivijalni nazivi koji su se istorijski razvili. Prefiksi se također koriste u nazivima supstituiranih mononuklearnih fenola orto-,meta- i par -, koristi se u nomenklaturi aromatičnih jedinjenja. Za složenija jedinjenja, atomi koji su deo aromatskih ciklusa su numerisani, a položaj supstituenata je naznačen pomoću digitalnih indeksa (slika 3).
Rice. 3. NOMENKLATURA FENOLA. Grupe supstituenata i odgovarajući numerički indeksi su istaknuti različitim bojama radi jasnoće.
Hemijska svojstva fenola.
Jezgro benzena i OH grupa kombinovane u molekulu fenola utiču jedna na drugu, značajno povećavajući međusobno reaktivnost. Fenil grupa povlači usamljeni elektronski par od atoma kiseonika u OH grupi (slika 4). Kao rezultat, povećava se parcijalni pozitivni naboj na H atomu ove grupe (označen sa d+), povećava se polaritet O–H veze, što se očituje povećanjem kiselih svojstava ove grupe. Dakle, u poređenju sa alkoholima, fenoli su jače kiseline. Djelomični negativni naboj (označen sa d–), prelazeći na fenilnu grupu, koncentriran je u položajima orto- i par-(u odnosu na OH grupu). Ova reakcijska mjesta mogu biti napadnuta reagensima koji imaju tendenciju ka elektronegativnim centrima, takozvanim elektrofilnim ("elektronskim") reagensima.
Rice. 4. DISTRIBUCIJA ELEKTRONSKOG GUSTINA U FENOLU
Kao rezultat, moguće su dvije vrste transformacija za fenole: supstitucija atoma vodika u OH grupi i supstitucija jezgra H-atomobenzena. Par elektrona atoma O, privučen benzenskim prstenom, povećava snagu veze C–O, pa reakcije koje nastaju raskidanjem ove veze, a koje su karakteristične za alkohole, nisu tipične za fenole.
1. Reakcije supstitucije atoma vodika u OH grupi. Kada se fenoli tretiraju alkalijama nastaju fenolati (slika 5A), katalitička reakcija sa alkoholima dovodi do etera (slika 5B), a kao rezultat reakcije sa anhidridima ili kiselim hloridima karboksilnih kiselina nastaju estri ( Slika 5C). Prilikom interakcije sa amonijakom (povišena temperatura i pritisak), OH grupa se zamjenjuje s NH 2, nastaje anilin (slika 5D), redukcijski reagensi pretvaraju fenol u benzen (slika 5E)
2. Reakcije supstitucije atoma vodika u benzenskom prstenu.
Prilikom halogeniranja, nitriranja, sulfoniranja i alkilacije fenola napadaju se centri sa povećanom gustinom elektrona (slika 4), tj. zamjena se odvija uglavnom u orto- i par- pozicije (sl.6).
Sa dubljom reakcijom, dva i tri atoma vodika se zamjenjuju u benzenskom prstenu.
Od posebnog značaja su kondenzacione reakcije fenola sa aldehidima i ketonima, u suštini je reč o alkilaciji koja se odvija lako i pod blagim uslovima (na 40–50°C, vodeni medij u prisustvu katalizatora), dok se ugljenik atom je u obliku metilenske grupe CH 2 ili supstituisana metilenska grupa (CHR ili CR 2) je umetnuta između dva molekula fenola. Takva kondenzacija često dovodi do stvaranja polimernih proizvoda (slika 7).
Dihidrični fenol (trgovački naziv bisfenol A, slika 7) koristi se kao komponenta u proizvodnji epoksidnih smola. Kondenzacija fenola sa formaldehidom je osnova za proizvodnju široko korištenih fenol-formaldehidnih smola (fenolne plastike).
Metode za dobijanje fenola.
Fenoli se izoluju iz katrana ugljena, kao i iz proizvoda pirolize mrkog uglja i drveta (katran). Sama industrijska metoda za dobijanje C 6 H 5 OH fenola zasniva se na oksidaciji aromatičnog ugljovodonika kumona (izopropilbenzena) sa atmosferskim kiseonikom, nakon čega sledi razlaganje nastalog hidroperoksida razblaženog sa H 2 SO 4 (slika 8A). Reakcija se odvija s visokim prinosom i atraktivna je po tome što omogućava dobivanje dva tehnički vrijedna proizvoda odjednom - fenola i acetona. Druga metoda je katalitička hidroliza halogeniranih benzena (slika 8B).
Rice. osam. METODE ZA DOBIJANJE FENOLA
Upotreba fenola.
Kao dezinfekciono sredstvo (karbolna kiselina) koristi se rastvor fenola. Dvoatomski fenoli - pirokatehol, resorcinol (slika 3), kao i hidrokinon ( par- dihidroksibenzen) koristi se kao antiseptik (antibakterijska dezinfekciona sredstva), uvodi se u štavljenje kože i krzna, kao stabilizatori za maziva ulja i gume, kao i za obradu fotografskih materijala i kao reagensi u analitičkoj hemiji.
U obliku pojedinačnih spojeva, fenoli se koriste u ograničenom obimu, ali se široko koriste njihovi različiti derivati. Fenoli služe kao polazna jedinjenja za proizvodnju različitih polimernih proizvoda, kao što su fenol-aldehidne smole (slika 7), poliamidi i poliepoksidi. Na bazi fenola dobivaju se brojni lijekovi, na primjer, aspirin, salol, fenolftalein, osim toga, boje, parfemi, plastifikatori za polimere i sredstva za zaštitu bilja.
Mikhail Levitsky
a) Acetilen se može dobiti iz metana kada se zagrije:
U prisustvu katalizatora, acetilen se pretvara u benzen (reakcija trimerizacije):
Fenol se može dobiti iz benzena u dva koraka. Benzen reaguje sa hlorom u prisustvu željeznog hlorida da nastane hlorobenzen:
Kada alkalija djeluje na hlorobenzen na visokoj temperaturi, atom hlora se zamjenjuje hidroksilnom grupom i dobija se fenol:
Pod dejstvom broma na fenol nastaje 2,4,6-tribromofenol:
b) Etan se može dobiti iz metana u dvije stanice. Kada se metan hloriše, nastaje hlorometan. Kada se metan hloriše u prisustvu svetlosti, nastaje hlorometan:
Kada hlorometan reaguje sa natrijem, nastaje etan (Wurtz reakcija):
Propan se također može napraviti od etana u dvije faze. Kada se etan klorira, nastaje hloroetan:
Kada hloroetan reaguje sa hlorometanom u prisustvu natrijuma, nastaje propan:
Propan se može pretvoriti u heksan u dva koraka. Kada se propan klorira, nastaje mješavina izomera - 1-kloropropana i 2-kloropropana. Izomeri imaju različite tačke ključanja i mogu se odvojiti destilacijom.
Kada 1-hloropropan reaguje sa natrijumom, nastaje heksan:
Kada se heksan dehidrogenira preko katalizatora, nastaje benzen:
Od benzena se pikrinska kiselina (2,4,6-trinitrofenol) može dobiti u tri faze. Kada benzen reaguje sa hlorom u prisustvu željeznog hlorida, nastaje hlorobenzen.
fenoli - organske tvari čije molekule sadrže fenilni radikal povezan s jednom ili više hidrokso grupa. Baš kao i alkoholi klasifikovati fenole atomicnošću, tj. po broju hidroksilnih grupa.
Monatomski fenoli sadrže jednu hidroksilnu grupu u molekulu:
Polihidrični fenoli sadrže više od jedne hidroksilne grupe u molekulima:
Postoje i polihidrični fenoli koji sadrže tri ili više hidroksilnih grupa u benzenskom prstenu.
Hajde da se detaljnije upoznamo sa strukturom i svojstvima najjednostavnijeg predstavnika ove klase - fenola C 6 H 5 OH. Naziv ove supstance bio je osnova za naziv cijele kase - fenola.
Fizička svojstva fenola
Fenol je čvrsta, bezbojna kristalna supstanca, tačka topljenja=43°C, tačka ključanja=181°C, oštrog karakterističnog mirisa.Otrovan.Fenol se slabo rastvara u vodi na sobnoj temperaturi. Vodena otopina fenola naziva se karbolna kiselina. U dodiru sa kožom izaziva opekotine, stoga, fenolom treba rukovati vrlo pažljivo!
Hemijska svojstva fenola
Fenoli su aktivniji u većini reakcija O–H veze, jer je ova veza polarnija zbog pomaka elektronske gustine od atoma kiseonika prema benzenskom prstenu (učešće usamljenog elektronskog para atoma kiseonika u p-konjugaciji sistem). Kiselost fenola je mnogo veća od kiselosti alkohola. Za fenole, reakcije prekida veze C-O nisu tipične, jer je atom kisika čvrsto vezan za atom ugljika benzenskog prstena zbog učešća njegovog usamljenog elektronskog para u sistemu konjugacije. Međusobni utjecaj atoma u molekulu fenola očituje se ne samo u ponašanju hidroksi grupe, već i u većoj reaktivnosti benzenskog prstena. Hidroksilna grupa povećava gustinu elektrona u benzenskom prstenu, posebno u orto i para položajima (OH grupe)
Kisela svojstva fenola
Atom vodonika hidroksilne grupe je kiseo. Jer Budući da su kisela svojstva fenola izraženija od one vode i alkohola, onda fenol reaguje ne samo sa alkalnim metalima, već i sa alkalijama da formira fenolate:
Kiselost fenola zavisi od prirode supstituenata (donator ili akceptor elektronske gustine), položaja u odnosu na OH grupu i broja supstituenata. Najveći uticaj na OH-kiselost fenola imaju grupe koje se nalaze u orto- i para-položaju. Donori povećavaju snagu O-H veze (na taj način smanjuju pokretljivost vodika i kisela svojstva), akceptori smanjuju snagu O-H veze, dok kiselost raste:
Međutim, kisela svojstva fenola su manje izražena od onih neorganskih i karboksilnih kiselina. Tako su, na primjer, kisela svojstva fenola oko 3000 puta manja od onih ugljične kiseline. Stoga se propuštanjem ugljičnog dioksida kroz vodenu otopinu natrijevog fenolata može izolirati slobodni fenol.
Dodavanje hlorovodonične ili sumporne kiseline u vodenu otopinu natrijevog fenolata također dovodi do stvaranja fenola:
Kvalitativna reakcija na fenol
Fenol reaguje sa gvožđe(3) hloridom da formira intenzivno ljubičasto kompleksno jedinjenje. Ova reakcija omogućava da se detektuje čak iu veoma ograničenim količinama. Drugi fenoli koji sadrže jednu ili više hidroksilnih grupa u benzenskom prstenu takođe daju svetlu plavoljubičastu boju u reakcija sa gvožđe(3) hloridom.
Reakcije benzenskog prstena fenola
Prisustvo hidroksilnog supstituenta uvelike olakšava tok reakcija elektrofilne supstitucije u benzenskom prstenu.
- Bromiranje fenola. Za razliku od benzena, bromiranje fenola ne zahtijeva dodavanje katalizatora (gvožđe(3) bromid). Osim toga, interakcija sa fenolom se odvija selektivno (selektivno): atomi broma se šalju u orto- i par- pozicije, zamjenjujući atome vodonika koji se tamo nalaze. Selektivnost supstitucije se objašnjava karakteristikama elektronske strukture molekula fenola o kojima je bilo reči gore.
Dakle, kada fenol stupi u interakciju s bromnom vodom, formira se bijeli talog 2,4,6-tribromofenola:
Ova reakcija, kao i reakcija sa gvožđe(3) hloridom, služi za kvalitativna detekcija fenola.
2.Nitracija fenola također se dešava lakše od nitriranja benzena. Reakcija s razrijeđenom dušičnom kiselinom se odvija na sobnoj temperaturi. Rezultat je mješavina orto- i paro izomeri nitrofenola:
Prilikom upotrebe koncentrirane dušične kiseline, 2,4,6, trinitritfenol-pikrinske kiseline, nastaje eksploziv:
3. Hidrogenacija aromatičnog prstena fenola u prisustvu katalizatora lako prolazi:
4.Polikondenzacija fenola sa aldehidima, posebno kod formaldehida dolazi do stvaranja produkta reakcije - fenol-formaldehidnih smola i čvrstih polimera.
Interakcija fenola s formaldehidom može se opisati shemom:
Molekula dimera zadržava "pokretne" atome vodika, što znači da se reakcija može nastaviti dalje s dovoljnom količinom reagensa:
Reakcija polikondenzacija, one. reakcija proizvodnje polimera, koja se nastavlja oslobađanjem niskomolekularnog nusproizvoda (vode), može se nastaviti dalje (sve dok se jedan od reagensa potpuno ne potroši) sa formiranjem ogromnih makromolekula. Proces se može opisati opštom jednadžbom:
Formiranje linearnih molekula događa se na običnoj temperaturi. Provođenje iste reakcije pri zagrijavanju dovodi do toga da nastali proizvod ima razgranatu strukturu, čvrst je i nerastvorljiv u vodi.Kao rezultat zagrijavanja linearne fenol-formaldehidne smole sa viškom aldehida, nastaju čvrste plastične mase sa jedinstvenim dobijaju se svojstva. Polimeri na bazi fenol-formaldehidnih smola koriste se za proizvodnju lakova i boja, plastičnih proizvoda koji su otporni na zagrijavanje, hlađenje, vodu, lužine, kiseline, imaju visoka dielektrična svojstva. Polimeri na bazi fenol-formaldehidnih smola koriste se za izradu najkritičnijih i najvažnijih delova električnih uređaja, kućišta agregata i delova mašina, polimerne osnove štampanih ploča za radio uređaje. Ljepila na bazi fenol-formaldehidnih smola mogu pouzdano povezati dijelove različite prirode, održavajući najveću čvrstoću veze u vrlo širokom temperaturnom rasponu. Ovakvo ljepilo se koristi za pričvršćivanje metalnog postolja rasvjetnih lampi na staklenu sijalicu, pa se fenol i proizvodi na bazi njega široko koriste.
Upotreba fenola
Fenol je čvrsta supstanca karakterističnog mirisa koja izaziva opekotine kada dođe u dodir s kožom. Otrovno. Rastvara se u vodi, njegova otopina se zove karbolna kiselina (antiseptik). Ona je bila prvi antiseptik uveden u hirurgiju. Široko se koristi za proizvodnju plastike, lijekova (salicilna kiselina i njeni derivati), boja, eksploziva.
