Obținerea, proprietățile chimice și aplicarea fenolului. Fenoli Formula pentru obtinerea fenolului din benzen
În funcție de numărul de grupări hidroxil:
monoatomic; de exemplu:
diatomic; de exemplu:
triatomic; de exemplu:
Există fenoli și o atomitate mai mare.
Cei mai simpli fenoli monoatomici
C 6 H 5 OH - fenol (hidroxibenzen), numele banal este acid carbolic.
Cei mai simpli fenoli dihidrici
Structura electronică a moleculei de fenol. Influența reciprocă a atomilor dintr-o moleculă
Gruparea hidroxil -OH (ca și radicalii alchil) este un substituent de primul fel, adică un donor de electroni. Acest lucru se datorează faptului că una dintre perechile de electroni singuri ale atomului de oxigen hidroxil intră în conjugarea p, π cu sistemul π al nucleului benzenic.
Rezultatul acestui lucru este:
O creștere a densității electronilor pe atomii de carbon din pozițiile orto și para ale nucleului benzenic, ceea ce facilitează înlocuirea atomilor de hidrogen în aceste poziții;
O creștere a polarității legăturii O-H, ceea ce duce la o creștere a proprietăților acide ale fenolilor în comparație cu alcoolii.
Spre deosebire de alcooli, fenolii se disociază parțial în soluții apoase în ioni:
adică prezintă proprietăți slab acide.
Proprietăți fizice
Cei mai simpli fenoli în condiții normale sunt substanțe cristaline incolore, cu punct de topire scăzut, cu miros caracteristic. Fenolii sunt puțin solubili în apă, dar ușor solubili în solvenți organici. Sunt substanțe toxice care provoacă arsuri ale pielii.
Proprietăți chimice
I. Reacții care implică gruparea hidroxil (proprietăți acide)
(reacție de neutralizare, spre deosebire de alcooli)
Fenolul este un acid foarte slab, astfel încât fenolații sunt descompuși nu numai de acizi tari, ci chiar și de un acid atât de slab precum carbonicul:
II. Reacții care implică gruparea hidroxil (formarea de esteri și eteri)
Ca și alcoolii, fenolii pot forma eteri și esteri.
Esterii se formează prin interacțiunea fenolului cu anhidride sau cloruri ale acizilor carboxilici (esterificarea directă cu acizi carboxilici este mai dificilă):
Eteri (alchilaril) se formează prin interacțiunea fenolaților cu halogenuri de alchil:
III. Reacții de substituție care implică inelul benzenic
Formarea unui precipitat alb de tribromofenol este uneori privită ca o reacție calitativă la fenol.
IV. Reacții de adiție (hidrogenare)
V. Reacția calitativă cu clorură de fier (III).
Fenoli monoatomici + FeCl 3 (soluție) → Culoare albastru-violet, dispărând la acidificare.
Fenolii- derivați ai hidrocarburilor aromatice, care pot include una sau mai multe grupări hidroxil legate la ciclul benzenic.
Cum se numesc fenolii?
Conform regulilor IUPAC, numele " fenol". Numerotarea atomilor provine de la atomul care este direct legat de gruparea hidroxi (dacă este cea mai veche) și sunt numerotați astfel încât substituenții să primească cel mai mic număr.
Reprezentant - fenol - C6H5OH:
Structura fenolului.
Atomul de oxigen are o pereche de electroni neîmpărtășită la nivelul exterior, care este „trasă” în sistemul inelar (+ efect M ESTE EL-grupuri). Ca urmare, pot apărea 2 efecte:
1) o creștere a densității electronice a inelului benzenic la pozițiile orto și para. Practic, acest efect se manifestă în reacțiile de substituție electrofilă.
2) densitatea pe atomul de oxigen scade, drept urmare legătura ESTE EL slăbit și se poate rupe. Efectul este asociat cu aciditatea crescută a fenolului în comparație cu alcoolii saturați.
Derivați monosubstituiți fenol(crezolul) poate fi în 3 izomeri structurali:
Proprietățile fizice ale fenolilor.
Fenolii sunt substanțe cristaline la temperatura camerei. Puțin solubil în apă rece, dar bine - în soluții calde și apoase de alcalii. Au un miros caracteristic. Datorită formării legăturilor de hidrogen, acestea au un punct de fierbere și de topire ridicat.
Obținerea de fenoli.
1. Din halobenzeni. Când clorbenzenul și hidroxidul de sodiu sunt încălzite sub presiune, se obține fenolat de sodiu, care, după interacțiunea cu acidul, se transformă în fenol:
2. Metoda industrială: în timpul oxidării catalitice a cumenului în aer, se obțin fenol și acetonă:
3. Din acizi sulfonici aromatici prin fuziune cu alcalii. Mai des, se efectuează o reacție pentru a obține fenoli polihidroxici:
Proprietățile chimice ale fenolilor.
R-orbital atomului de oxigen formează un singur sistem cu inelul aromatic. Prin urmare, densitatea electronilor pe atomul de oxigen scade, în inelul benzenic crește. Polaritatea comunicării ESTE EL crește, iar hidrogenul grupării hidroxil devine mai reactiv și poate fi ușor înlocuit cu un atom de metal chiar și sub acțiunea alcalinelor.
Aciditatea fenolilor este mai mare decât cea a alcoolilor, astfel încât reacțiile pot fi efectuate:
Dar fenolul este un acid slab. Dacă dioxidul de carbon sau dioxidul de sulf este trecut prin sărurile sale, atunci se eliberează fenol, ceea ce demonstrează că acidul carbonic și sulfuros sunt acizi mai puternici:
Proprietățile acide ale fenolilor sunt slăbite prin introducerea substituenților de primul fel în inel și sunt îmbunătățite prin introducerea lui II.
2) Formarea esterilor. Procesul decurge sub influența clorurilor acide:
3) Reacție de substituție electrofilă. pentru că ESTE EL-grupa este un substituent de primul fel, apoi reactivitatea inelului benzenic în pozițiile orto și para crește. Sub acțiunea apei de brom asupra fenolului, se observă precipitații - aceasta este o reacție calitativă la fenol:
4) Nitrarea fenolilor. Reacția se efectuează cu un amestec de nitrare, rezultând formarea acidului picric:
5) Policondensarea fenolilor. Reacția se desfășoară sub influența catalizatorilor:
6) Oxidarea fenolilor. Fenolii sunt ușor oxidați de oxigenul atmosferic:
7) O reacție calitativă la fenol este efectul unei soluții de clorură ferică și formarea unui complex violet.
Utilizarea fenolilor.
Fenolii sunt utilizați în producția de rășini fenol-formaldehidice, fibre sintetice, coloranți și medicamente și dezinfectanți. Acidul picric este folosit ca explozivi.
Există un, doi, trei fenoli atomici în funcție de numărul de grupări OH din moleculă (Fig. 1)
Orez. unu. FENOLI SINGURI, DOI ȘI TRIATOMICI
În conformitate cu numărul de cicluri aromatice condensate din moleculă, există (Fig. 2) fenolii înșiși (un inel aromatic - derivați de benzen), naftoli (2 inele condensate - derivați de naftalenă), antranoli (3 inele condensate - derivați de antracen) și fenantoli (Fig. 2).
Orez. 2. FENOLI MONO-ȘI POLINUCLEARI
Nomenclatura alcoolilor.
Pentru fenoli, denumirile banale care s-au dezvoltat istoric sunt utilizate pe scară largă. Prefixele sunt folosite și în denumirile fenolilor mononucleari substituiți orto-,meta-Și pereche -, utilizate în nomenclatura compuşilor aromatici. Pentru compușii mai complecși, atomii care fac parte din ciclurile aromatice sunt numerotați și poziția substituenților este indicată folosind indici digitali (Fig. 3).
Orez. 3. NOMENCLATURA FENOLOR. Grupurile de substituenți și indicii numerici corespunzători sunt evidențiați în culori diferite pentru claritate.
Proprietățile chimice ale fenolilor.
Nucleul benzenului și grupa OH combinate în molecula de fenol se afectează reciproc, crescând semnificativ reactivitatea reciprocă. Gruparea fenil trage perechea de electroni singuri departe de atomul de oxigen din grupa OH (Fig. 4). Ca urmare, sarcina pozitivă parțială a atomului de H din acest grup crește (indicată prin d+), polaritatea legăturii O–H crește, ceea ce se manifestă printr-o creștere a proprietăților acide ale acestui grup. Astfel, în comparație cu alcoolii, fenolii sunt acizi mai puternici. Sarcina negativă parțială (notată cu d–), care trece la gruparea fenil, este concentrată în pozițiile orto-Și pereche-(față de grupa OH). Aceste locuri de reacție pot fi atacate de reactivi care tind spre centrii electronegativi, așa-numiții reactivi electrofili („iubitor de electroni”).
Orez. 4. DISTRIBUȚIA DENSIȚII ELECTRONICE ÎN FENOL
Ca urmare, sunt posibile două tipuri de transformări pentru fenoli: înlocuirea unui atom de hidrogen în grupa OH și substituirea nucleului H-atomobenzen. O pereche de electroni ai atomului O, atrași de inelul benzenic, crește rezistența legăturii C–O, astfel încât reacțiile care apar odată cu ruperea acestei legături, care sunt caracteristice alcoolilor, nu sunt tipice pentru fenoli.
1. Reacții de substituție ale atomului de hidrogen din grupa OH. Când fenolii sunt tratați cu alcalii, se formează fenolați (Fig. 5A), reacția catalitică cu alcooli duce la eteri (Fig. 5B), iar ca urmare a reacției cu anhidride sau cloruri acide ale acizilor carboxilici se formează esteri ( Fig. 5C). Când interacționează cu amoniacul (temperatura și presiune crescute), gruparea OH este înlocuită cu NH2, se formează anilină (Fig. 5D), reactivii reducători transformă fenolul în benzen (Fig. 5E)
2. Reacții de substituție a atomilor de hidrogen din ciclul benzenic.
În timpul halogenării, nitrării, sulfonării și alchilării fenolului sunt atacați centrii cu densitate de electroni crescută (Fig. 4), adică. substituirea are loc în principal în orto-Și pereche- poziții (fig.6).
Cu o reacție mai profundă, doi și trei atomi de hidrogen sunt înlocuiți în inelul benzenic.
De o importanță deosebită sunt reacțiile de condensare ale fenolilor cu aldehide și cetone, în esență, aceasta este alchilarea, care are loc ușor și în condiții blânde (la 40–50 ° C, mediu apos în prezența catalizatorilor), în timp ce carbonul atomul este sub forma unei grupări metilen CH 2 sau o grupare metilen substituită (CHR sau CR 2) este inserată între două molecule de fenol. O astfel de condensare duce adesea la formarea de produse polimerice (Fig. 7).
Fenolul dihidric (denumirea comercială bisfenol A, Fig. 7) este utilizat ca componentă în producția de rășini epoxidice. Condensarea fenolului cu formaldehida stă la baza producerii de rășini fenol-formaldehidice utilizate pe scară largă (materiale plastice fenolice).
Metode de obţinere a fenolilor.
Fenolii sunt izolați din gudronul de cărbune, precum și din produsele de piroliză ai cărbunelui brun și a lemnului (gudron). Metoda industrială de obţinere a fenolului C 6 H 5 OH propriu-zis se bazează pe oxidarea cumenului de hidrocarbură aromatică (izopropilbenzen) cu oxigenul atmosferic, urmată de descompunerea hidroperoxidului rezultat diluat cu H 2 SO 4 (Fig. 8A). Reacția se desfășoară cu un randament ridicat și este atractivă prin faptul că permite obținerea simultană a două produse valoroase din punct de vedere tehnic - fenol și acetonă. O altă metodă este hidroliza catalitică a benzenilor halogenați (Fig. 8B).
Orez. 8. METODE DE OBTINEREA FENOLULUI
Utilizarea fenolilor.
O soluție de fenol este utilizată ca dezinfectant (acid carbolic). Fenoli diatomici - pirocatecol, resorcinol (Fig. 3), precum și hidrochinonă ( pereche- dihidroxibenzenul) este utilizat ca antiseptice (dezinfectanți antibacterieni), introduși în agenții de tăbăcire pentru piele și blană, ca stabilizatori pentru uleiuri lubrifiante și cauciuc, precum și pentru prelucrarea materialelor fotografice și ca reactivi în chimia analitică.
Sub formă de compuși individuali, fenolii sunt utilizați într-o măsură limitată, dar diferiții lor derivați sunt utilizați pe scară largă. Fenolii servesc ca compuși de pornire pentru obținerea unei varietăți de produse polimerice - rășini fenol-aldehidice (Fig. 7), poliamide, poliepoxizi. Pe baza de fenoli se obțin numeroase medicamente, de exemplu, aspirina, salol, fenolftaleină, în plus, coloranți, parfumuri, plastifianți pentru polimeri și produse de protecție a plantelor.
Mihail Levitsky
a) Acetilena poate fi obținută din metan atunci când este încălzită:
În prezența unui catalizator, acetilena este transformată în benzen (reacție de trimerizare):
Fenolul poate fi obținut din benzen în două etape. Benzenul reacționează cu clorul în prezența clorurii ferice pentru a forma clorobenzen:
Sub acțiunea alcalinei asupra clorobenzenului la temperatură ridicată, atomul de clor este înlocuit cu o grupare hidroxil și se obține fenol:
Sub acțiunea bromului asupra fenolului se formează 2,4,6-tribromofenol:
b) Etanul poate fi obținut din metan în două stații. Când metanul este clorurat, se formează clormetan. Când metanul este clorurat în prezența luminii, se formează clormetan:
Când clormetanul reacționează cu sodiul, se formează etan (reacția Wurtz):
Propanul poate fi făcut și din etan în două etape. Când etanul este clorurat, se formează cloretan:
Când cloretanul reacţionează cu clormetanul în prezenţa sodiului, se formează propan:
Propanul poate fi transformat în hexan în două etape. Când propanul este clorurat, se formează un amestec de izomeri - 1-cloropropan și 2-cloropropan. Izomerii au puncte de fierbere diferite și pot fi separați prin distilare.
Când 1-cloropropanul reacţionează cu sodiul, se formează hexan:
Când hexanul este dehidrogenat pe un catalizator, se formează benzen:
Din benzen, acidul picric (2,4,6-trinitrofenol) poate fi obținut în trei etape. Când benzenul reacţionează cu clorul în prezenţa clorurii ferice, se formează clorbenzen.
fenoli - substanţe organice ale căror molecule conţin un radical fenil asociat cu una sau mai multe grupări hidroxo. Exact ca alcoolurile fenolii se clasifică prin atomicitate, adică prin numărul de grupări hidroxil.
Fenoli monotomici conțin o grupare hidroxil în moleculă:
Fenoli polihidric conțin mai mult de o grupare hidroxil în molecule:
Există, de asemenea, fenoli polihidroxici care conțin trei sau mai multe grupări hidroxil în ciclul benzenic.
Să ne familiarizăm mai detaliat cu structura și proprietățile celui mai simplu reprezentant al acestei clase - fenolul C 6 H 5 OH. Numele acestei substanțe a stat la baza denumirii întregii case de marcat - fenoli.
Proprietățile fizice ale fenolului
Fenolul este o substanță cristalină solidă, incoloră, punct de topire=43°C, punctul de fierbere=181°C, cu miros caracteristic ascuțit.Otrăvitoare.Fenolul se dizolvă ușor în apă la temperatura camerei. O soluție apoasă de fenol se numește acid carbolic. La contactul cu pielea, provoacă arsuri, prin urmare, fenolul trebuie manevrat cu mare atenție!
Proprietățile chimice ale fenolului
Fenolii sunt mai activi în majoritatea reacțiilor de legătură O–H, deoarece această legătură este mai polară datorită deplasării densității electronilor de la atomul de oxigen către inelul benzenic (participarea perechii de electroni singuri a atomului de oxigen la conjugarea p). sistem). Aciditatea fenolilor este mult mai mare decât cea a alcoolilor. Pentru fenoli, reacțiile de rupere a legăturii C-O nu sunt tipice, deoarece atomul de oxigen este ferm legat de atomul de carbon al inelului benzenic datorită participării perechii sale de electroni singuri în sistemul de conjugare. Influența reciprocă a atomilor din molecula de fenol se manifestă nu numai în comportamentul grupării hidroxi, ci și în reactivitatea mai mare a inelului benzenic. Gruparea hidroxil crește densitatea de electroni în inelul benzenic, în special în pozițiile orto și para (grupări OH)
Proprietățile acide ale fenolului
Atomul de hidrogen al grupării hidroxil este acid. pentru că Deoarece proprietățile acide ale fenolului sunt mai pronunțate decât cele ale apei și alcoolilor, atunci fenolul reacționează nu numai cu metalele alcaline, ci și cu alcalii pentru a forma fenolați:
Aciditatea fenolilor depinde de natura substituenților (donator sau acceptor de densitate de electroni), poziția față de grupa OH și numărul de substituenți. Cea mai mare influență asupra acidității OH a fenolilor o exercită grupările situate în pozițiile orto și para. Donatorii măresc puterea legăturii O-H (reducând astfel mobilitatea hidrogenului și proprietățile acide), acceptorii reduc puterea legăturii O-H, în timp ce aciditatea crește:
Cu toate acestea, proprietățile acide ale fenolului sunt mai puțin pronunțate decât cele ale acizilor anorganici și carboxilici. Deci, de exemplu, proprietățile acide ale fenolului sunt de aproximativ 3000 de ori mai mici decât cele ale acidului carbonic. Prin urmare, prin trecerea dioxidului de carbon printr-o soluție apoasă de fenolat de sodiu, fenolul liber poate fi izolat.
Adăugarea de acid clorhidric sau sulfuric într-o soluție apoasă de fenolat de sodiu duce, de asemenea, la formarea de fenol:
Reacție calitativă la fenol
Fenolul reacționează cu clorura de fier(3) pentru a forma un compus complex de culoare violet intens.Această reacție îi permite să fie detectat chiar și în cantități foarte limitate.Alți fenoli care conțin una sau mai multe grupări hidroxil în inelul benzenic dau, de asemenea, o culoare albastru-violet strălucitoare în reacție cu clorura de fier(3).
Reacții ale inelului benzenic al fenolului
Prezența unui substituent hidroxil facilitează foarte mult cursul reacțiilor de substituție electrofilă în ciclul benzenic.
- Bromurarea fenolului. Spre deosebire de benzen, bromurarea fenolului nu necesită adăugarea unui catalizator (bromură de fier(3)). În plus, interacțiunea cu fenolul are loc selectiv (selectiv): atomii de brom sunt trimiși către orto-Și pereche- pozitii, inlocuind atomii de hidrogen situati acolo. Selectivitatea substituției este explicată prin caracteristicile structurii electronice a moleculei de fenol discutate mai sus.
Deci, atunci când fenolul interacționează cu apa cu brom, se formează un precipitat alb de 2,4,6-tribromofenol:
Această reacție, precum și reacția cu clorura de fier(3), servește la detectarea calitativă a fenolului.
2.Nitrarea fenolului de asemenea, apare mai ușor decât nitrarea benzenului. Reacția cu acid azotic diluat are loc la temperatura camerei. Rezultatul este un amestec orto-Și paro izomerii nitrofenolului:
Când se utilizează acid azotic concentrat, 2,4,6, trinitrifenol-acid picric, se formează un exploziv:
3. Hidrogenarea inelului aromatic al fenoluluiîn prezența unui catalizator trece ușor:
4.Policondensarea fenolului cu aldehide,în special, cu formaldehida are loc cu formarea produselor de reacție - rășini fenol-formaldehidă și polimeri solizi.
Interacțiunea fenolului cu formaldehida poate fi descrisă prin schema:
Molecula dimer reține atomi de hidrogen „mobili”, ceea ce înseamnă că reacția poate fi continuată cu o cantitate suficientă de reactivi:
Reacţie policondensare, acestea. reacția de producere a polimerului, care procedează cu eliberarea unui produs secundar cu molecularitate scăzută (apa), poate continua mai departe (până când unul dintre reactivi este consumat complet) cu formarea de macromolecule uriașe. Procesul poate fi descris prin ecuația generală:
Formarea moleculelor liniare are loc la temperatura obișnuită. Efectuarea aceleiași reacții în timpul încălzirii duce la faptul că produsul rezultat are o structură ramificată, este solid și insolubil în apă.Ca urmare a încălzirii unei rășini liniare fenol-formaldehidă cu un exces de aldehidă, mase plastice solide cu unic se obțin proprietăți. Polimerii pe bază de rășini fenol-formaldehidice sunt utilizați pentru fabricarea lacurilor și vopselelor, produse din plastic rezistente la încălzire, răcire, apă, alcalii, acizi.Au proprietăți dielectrice ridicate. Polimerii pe bază de rășini fenol-formaldehidă sunt utilizați pentru a realiza cele mai critice și importante părți ale aparatelor electrice, carcaselor unităților de alimentare și pieselor de mașini, baza polimerică a plăcilor de circuite imprimate pentru dispozitive radio. Adezivii pe bază de rășini fenol-formaldehidă sunt capabili să conecteze în mod fiabil părți de diferite naturi, menținând cea mai mare rezistență de aderență într-un interval de temperatură foarte larg. Un astfel de adeziv este folosit pentru a atașa baza metalică a lămpilor de iluminat pe un bec de sticlă.Astfel, fenolul și produsele pe bază de acesta sunt utilizate pe scară largă.
Utilizarea fenolilor
Fenolul este o substanță solidă cu un miros caracteristic care provoacă arsuri atunci când intră în contact cu pielea. Otrăvitoare. Se dizolvă în apă, soluția sa se numește acid carbolic (antiseptic). Ea a fost primul antiseptic introdus în operație. Este utilizat pe scară largă pentru producerea de materiale plastice, medicamente (acid salicilic și derivații săi), coloranți, explozivi.
