Тема «Фенол» часто встречается в заданиях ЕГЭ по химии и вызывает сложности. В этой статье разберём строение фенола, физические и химические свойства, а также способы получения. После изучения материала ты сможешь уверенно решать органические цепочки и задания на классификацию веществ.
Фенол в заданиях ЕГЭ по химии
Понимание темы потребуется для выполнения нескольких линий заданий экзамена:
- линия 10: классификация и номенклатура органических веществ;
- линия 11: теория химического строения и виды изомерии;
- линии 12 и 15: химические свойства кислородсодержащих органических веществ;
- линия 16: взаимосвязь классов органических соединений;
- линия 32: органическая цепочка превращений;
- линия 33: вывод молекулярной и структурной формулы вещества.
Строение и изомерия фенолов
Фенолы — это производные ароматических углеводородов, в молекулах которых одна или несколько гидроксильных групп связаны непосредственно с бензольным кольцом.
Общая формула предельных одноатомных фенолов имеет вид $C_nH_{2n-6}O$. Простейший представитель класса называется фенолом (гидроксибензол, карболовая кислота). Его формула — $C_6H_5OH$.
Атомы углерода в бензольном кольце находятся в состоянии $sp^2$-гибридизации. Атом кислорода гидроксильной группы имеет неподелённые электронные пары. Одна из таких пар вступает в сопряжение с $\pi$-электронной системой бензольного кольца. Происходит взаимное влияние атомов в молекуле:
- Бензольное кольцо оттягивает на себя электронную плотность от атома кислорода. Связь $O-H$ становится более полярной. Водород легче отщепляется в виде протона. Поэтому фенол проявляет более сильные кислотные свойства по сравнению со спиртами.
- Гидроксильная группа подаёт электронную плотность в кольцо. Электронная плотность повышается в орто- и пара-положениях. Кольцо становится реакционноспособным в реакциях электрофильного замещения.
Для гомологов фенола характерна структурная изомерия. К ней относится изомерия положения заместителей в кольце (орто-, мета- и пара-изомеры) и изомерия углеродного скелета боковой цепи. Также встречается межклассовая изомерия: фенолы изомерны ароматическим спиртам и простым эфирам.
Физические свойства
При обычных условиях фенол представляет собой бесцветные кристаллы с резким специфическим запахом. На воздухе вещество быстро окисляется и приобретает розовую окраску. Фенол токсичен, при попадании на кожу вызывает ожоги. В холодной воде растворяется ограниченно, но при температуре выше 70 °C смешивается с водой в любых соотношениях.
Сравнение фенола и алифатических спиртов
Для наглядности сравним свойства двух классов соединений.
| Характеристика | Спирты (например, этанол) | Фенолы |
|---|---|---|
| Реакция с натрием | Идёт легко с выделением $H_2$ | Идёт легко с выделением $H_2$ |
| Реакция со щелочами | Не реагируют | Образуют соли (феноляты) |
| Взаимодействие с галогеноводородами | Реакция идёт, $OH$-группа замещается на галоген | Не реагируют |
| Этерификация карбоновыми кислотами | Идёт обратимо, образуется сложный эфир | Напрямую не реагируют |
Химические свойства фенола
Химические свойства делятся на реакции по гидроксильной группе и реакции с участием бензольного кольца.
Реакции по гидроксильной группе
За счёт повышенной кислотности фенол реагирует с щелочными и щёлочноземельными металлами, а также с водными растворами щелочей.
Взаимодействие с металлами
В результате образуются соли и выделяется водород:
$2C_6H_5OH + 2Na \rightarrow 2C_6H_5ONa + H_2$
(фенолят натрия)
$2C_6H_5OH + Ca \rightarrow (C_6H_5O)_2Ca + H_2$
(фенолят кальция)
Взаимодействие со щелочами
Это главное отличие от спиртов. Фенол растворяется в щелочах:
$C_6H_5OH + NaOH \rightarrow C_6H_5ONa + H_2O$
$2C_6H_5OH + Ba(OH)_2 \rightarrow (C_6H_5O)_2Ba + 2H_2O$
Феноляты подвергаются гидролизу в водных растворах, так как фенол — слабая кислота. Любая кислота, которая сильнее фенола, способна вытеснить его из соли. Угольная кислота сильнее, поэтому при пропускании углекислого газа через раствор фенолята выпадает осадок фенола:
$C_6H_5ONa + CO_2 + H_2O \rightarrow C_6H_5OH + NaHCO_3$
Подобным образом действуют сильные и средние неорганические кислоты:
$C_6H_5ONa + HCl \rightarrow C_6H_5OH + NaCl$
Синтез простых эфиров
Для получения простых эфиров используют реакцию фенолятов с галогеналканами:
$C_6H_5ONa + CH_3Br \rightarrow C_6H_5O\text{-}CH_3 + NaBr$
(метилфениловый эфир)
Синтез сложных эфиров
Фенолы не вступают в реакцию этерификации с карбоновыми кислотами. Сложные эфиры получают взаимодействием фенола с хлорангидридами или ангидридами кислот:
$C_6H_5OH + CH_3COCl \rightarrow CH_3COOC_6H_5 + HCl$
(фенилацетат и хлороводород)
$C_6H_5OH + (CH_3CO)_2O \rightarrow CH_3COOC_6H_5 + CH_3COOH$
Реакции ароматического кольца
Гидроксильная группа облегчает реакции электрофильного замещения, направляя заместители в орто- и пара-положения кольца.
Галогенирование
Фенол энергично реагирует с бромной водой без катализатора при комнатной температуре. Замещение идёт по трём положениям:
$C_6H_5OH + 3Br_2 \rightarrow C_6H_2Br_3OH \downarrow + 3HBr$
(2,4,6-трибромфенол)
Выпадает характерный осадок белого цвета.
Нитрование
При действии разбавленной азотной кислоты образуется смесь орто- и пара-нитрофенолов:
$C_6H_5OH + HNO_3\text{(разб.)} \rightarrow o\text{-}C_6H_4(NO_2)OH + H_2O$
При действии концентрированной азотной кислоты в присутствии серной кислоты образуется 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота):
$C_6H_5OH + 3HNO_3\text{(конц.)} \rightarrow C_6H_2(NO_2)_3OH + 3H_2O$
Алкилирование
Взаимодействие с галогеналканами или алкенами проходит в присутствии кислотных катализаторов. Алкильная группа направляется в орто- или пара-положения. Кислород гидроксильной группы галогеналканами не алкилируется, если реакция идёт в кислой среде:
$C_6H_5OH + CH_3Cl \xrightarrow{AlCl_3} p\text{-}CH_3\text{-}C_6H_4\text{-}OH + HCl$
(пара-крезол)
Гидрирование
При нагревании и высоком давлении в присутствии металлических катализаторов бензольное кольцо присоединяет водород:
$C_6H_5OH + 3H_2 \xrightarrow{Ni,\, t,\, p} C_6H_{11}OH$
(образуется циклогексанол)
Особые реакции
Взаимодействие фенола с формальдегидом приводит к образованию фенолформальдегидной смолы. Реакция относится к реакциям поликонденсации и протекает при нагревании.
Сначала происходит присоединение с образованием орто- или пара-метилолфенола, затем молекулы отщепляют воду и соединяются в полимерную цепь:
$nC_6H_5OH + nHCHO \rightarrow [-C_6H_3(OH)\text{-}CH_2\text{-}]_n + nH_2O$
Горение протекает до образования углекислого газа и воды:
$C_6H_5OH + 7O_2 \xrightarrow{t} 6CO_2 + 3H_2O$
Получение фенолов
Существует два основных метода получения фенола, которые встречаются в ЕГЭ.
Кумольный способ
Окисление изопропилбензола (кумола) кислородом воздуха. Реакция даёт два полезных продукта:
$C_6H_5\text{-}CH(CH_3)_2 + O_2 \xrightarrow{H^+} C_6H_5OH + CH_3\text{-}CO\text{-}CH_3$
(фенол и ацетон)
Щелочной гидролиз галогенбензолов
Хлорбензол при нагревании под давлением взаимодействует со щёлочью:
$C_6H_5Cl + 2NaOH \xrightarrow{t,\, p} C_6H_5ONa + NaCl + H_2O$
Полученный фенолят подкисляют для выделения чистого фенола.
Качественные реакции на фенол
Чтобы обнаружить вещество в лабораторных условиях или заданиях экзамена, используют качественные реагенты:
- Бромная вода. Реакция вызывает мгновенное обесцвечивание раствора брома и появление белого хлопьевидного осадка.
- Хлорид железа(III). Возникает фиолетовое окрашивание в результате образования комплексного соединения.
Основные реагенты представлены в таблице.
| Реагент | Продукт реакции | Примечание |
|---|---|---|
| $Na,\, K$ | Феноляты | Выделяется газ |
| $NaOH,\, KOH$ | Феноляты | Алифатические спирты в такую реакцию не вступают |
| $HNO_3$ (конц.) | Пикриновая кислота | Идёт замещение в положениях 2, 4, 6 |
| Бромная вода | 2,4,6-трибромфенол | Образуется белый осадок |
| Хлорид железа(III) | Комплекс железа | Появляется фиолетовое окрашивание |
Типичные ошибки на ЕГЭ
Разберём типичные ошибки, которые встречаются в экзаменационных работах.
- Прямая этерификация фенола с карбоновой кислотой. Фенолы напрямую с кислотами не взаимодействуют. Для реакции используются ангидрид или хлорангидрид кислоты.
- Реакция фенола с соляной кислотой. Связь атома кислорода с бензольным кольцом высокопрочная. Галогеноводороды не способны её разорвать, хлорбензол в таких условиях не образуется.
- Дегидратация фенола с образованием алкена. Ароматическое кольцо нельзя превратить в двойную связь внутри молекулы путём отщепления воды. Дегидратация не протекает.
- Реакция фенолята с угольной кислотой без образования фенола. Угольная кислота сильнее фенола. Если пропустить углекислый газ через водный раствор фенолята, фенол выпадает в осадок в виде эмульсии.
Разбор типовых заданий ЕГЭ
Пример № 1 (задание линии 12)
Из предложенного перечня выберите все вещества, которые реагируют с фенолом.
- Этан.
- Натрий.
- Бромная вода.
- Гидрокарбонат натрия.
- Формальдегид.
Проверим каждое вещество:
- Этан — предельный углеводород, с фенолом не реагирует.
- Натрий — фенол обладает слабокислотными свойствами, реакция с натрием пойдёт, выделится водород и образуется фенолят натрия.
- Бромная вода — фенол вступает в реакцию электрофильного замещения. Образуется белый осадок 2,4,6-трибромфенола.
- Гидрокарбонат натрия — фенол слабее угольной кислоты и не может вытеснить её из соли. Реакции нет.
- Формальдегид — реакция поликонденсации даёт фенолформальдегидную смолу.
Ответ: 235.
Пример № 2 (задание линии 16)
Дана схема превращений:
$Бензол \xrightarrow{X} изопропилбензол \xrightarrow{Y} фенол$
Определите, какие из указанных веществ являются веществами X и Y.
- Хлорметан.
- Пропен.
- Кислород.
- Хлор.
- Гидроксид натрия.
Проанализируем превращения:
- Превращение бензола в изопропилбензол (кумол). Это реакция алкилирования. Потребуется пропен в присутствии кислотного катализатора. Находим пропен в списке. Вещество X — 2.
- Из кумола нужно получить фенол. Здесь применяется кумольный способ: окисление кумола кислородом воздуха. Ищем кислород в списке. Вещество Y — 3.
Ответ: 23.
Пример № 3 (задание линии 32: цепочка органических превращений)
Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
Карбид кальция $\rightarrow$ ацетилен $\rightarrow$ бензол $\rightarrow$ хлорбензол $\rightarrow$ фенолят калия $\rightarrow$ фенол.
Составим уравнения реакций:
- Гидролиз карбида кальция. Выделяется ацетилен.
$CaC_2 + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + C_2H_2 \uparrow$ - Тримеризация ацетилена (реакция Зелинского). Протекает при нагревании с активированным углём в качестве катализатора.
$3C_2H_2 \xrightarrow{C,\, t} C_6H_6$ - Хлорирование бензола в присутствии катализатора ($AlCl_3$ или $FeCl_3$).
$C_6H_6 + Cl_2 \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5Cl + HCl$ - Получение фенолята калия. Нужен избыток щёлочи при нагревании и давлении:
$C_6H_5Cl + 2KOH \xrightarrow{t,\, p} C_6H_5OK + KCl + H_2O$ - Восстановление фенола более сильной кислотой (угольной или соляной).
$C_6H_5OK + CO_2 + H_2O \rightarrow C_6H_5OH + KHCO_3$
Заключение
Теперь ты знаешь химические свойства фенола и умеешь отличать их от свойств обычных спиртов.
Ты можешь:
- прогнозировать продукты реакций электрофильного замещения в бензольном кольце;
- записывать органические цепочки с соединениями ароматического ряда;
- различать фенол и спирты с помощью качественных реакций.
Для закрепления темы рекомендуем решить несколько задач линий 12 и 32 из «100балльного банка» заданий ЕГЭ по химии.
