О чём этот урок

В прошлом уроке мы изучили спирты — вещества с группой $-OH$ на обычном, «предельном» атоме углерода. А что если посадить ту же самую группу $-OH$ прямо на атом ароматического кольца из урока 11? Формально функциональная группа не меняется, а вещество получается совсем другое по свойствам — фенол. Разберёмся, почему расположение группы на молекуле важно не меньше, чем сама группа.

Прежде чем начать

• строение и свойства спиртов, их слабая кислотность (урок 13);
• строение бензольного кольца, делокализованная π-система, электрофильное замещение (урок 11);
• понятие неподелённой электронной пары и сопряжения (урок 3 — гибридизация и p-орбитали);
• кислотно-основные свойства из общей и неорганической химии — что значит «более сильная» или «более слабая» кислота.

Разбираемся с нуля

Что такое фенол

Фенол — вещество, в котором гидроксильная группа $-OH$ присоединена непосредственно к атому углерода ароматического (бензольного) кольца. Формула простейшего представителя: $C_6H_5-OH$.

Важно: формально это та же функциональная группа $-OH$, что и у спиртов (урок 13), но фенолы выделяют в отдельный класс, потому что положение группы именно на ароматическом кольце резко меняет её свойства.

Обратите внимание на важный нюанс: если группа $-OH$ находится не на самом кольце, а на боковой цепи, присоединённой к кольцу — например, в бензиловом спирте $C_6H_5-CH_2-OH$, — такое вещество всё ещё считается спиртом, а не фенолом. Критерий один: $-OH$ должна стоять непосредственно на атоме углерода кольца.

Почему фенол — куда более сильная кислота, чем спирты

В спиртах (урок 13) неподелённая пара электронов атома кислорода практически не взаимодействует с остальной частью молекулы. В феноле же эта неподелённая пара частично «втягивается» в делокализованную π-систему ароматического кольца — происходит сопряжение (связь с уроком 11).

Это смещение электронной плотности не только немного ослабляет связь $O-H$, но и — что гораздо важнее — стабилизирует анион, который образуется после отщепления $H^+$ (фенолят-ион $C_6H_5O^-$): отрицательный заряд на кислороде тоже частично делокализуется в кольцо, «размазываясь» по нескольким атомам и тем самым снижая энергию аниона.

Более устойчивый анион образуется легче — а значит, легче отщепляется и $H^+$. Именно поэтому фенол — заметно более сильная кислота, чем алифатические спирты (хотя, конечно, значительно слабее типичных минеральных кислот). Не случайно у фенола есть историческое название — карболовая кислота.

Реакция со щёлочью подтверждает повышенную кислотность

Фенол реагирует не только с активными металлами (как и спирты), но и со щёлочью — реакция, которую обычные спирты (урок 13) не дают:

$$C_6H_5OH + NaOH \to C_6H_5ONa + H_2O$$

Это ключевое диагностическое отличие: если вещество реагирует с раствором щёлочи с образованием соли, перед нами фенол (или иная достаточно сильная $O-H$-кислота), а не обычный спирт.

Качественная реакция на фенолы

Важно: фенол и многие его производные дают характерное фиолетовое окрашивание при добавлении раствора хлорида железа(III) $FeCl_3$. Это стандартный лабораторный способ обнаружения фенольной группы в веществе.

Влияние группы –OH на реакционную способность кольца

Взаимодействие идёт и в обратную сторону: сама группа $-OH$ «подпитывает» кольцо электронами (часть неподелённой пары кислорода смещается в кольцо), делая его богаче электронами и, следовательно, более реакционноспособным в реакциях электрофильного замещения (урок 11), чем у обычного бензола.

Например, бромирование фенола протекает даже без катализатора (в отличие от бензола, где нужен $FeBr_3$, урок 11) и сразу в нескольких положениях кольца — образуется белый осадок трибромфенола. Это тоже удобная качественная реакция на фенол, хотя механизм здесь принципиально иной, чем при обесцвечивании бромной воды алкенами (урок 8): там — присоединение по кратной связи, здесь — замещение в кольце.

Физические свойства

При комнатной температуре фенол — не жидкость, как большинство простых спиртов, а кристаллическое вещество с характерным резким запахом. Он ограниченно растворим в холодной воде и намного лучше — в горячей. Фенол токсичен и вызывает химические ожоги при контакте с кожей.

Практическое значение

Исторически фенол (под названием «карболовая кислота») применялся как первый эффективный антисептик в хирургии — благодаря работам Джозефа Листера в XIX веке это резко снизило послеоперационную смертность. Сегодня в чистом виде как антисептик фенол почти не применяется из-за токсичности, но заложил основу развития всей антисептики.

Важнейшее современное применение фенола — производство фенолформальдегидных смол (один из первых синтетических полимеров, подробнее — урок 22), а также использование как промежуточного продукта в синтезе лекарств и других веществ.

Примеры и разбор

Пример 1. Спирт или фенол?

Задача: Определите класс каждого вещества: (а) $C_6H_5-OH$; (б) $C_6H_5-CH_2-OH$ (бензиловый спирт); (в) $CH_3-OH$.

Разбор: (а) группа $-OH$ стоит прямо на атоме кольца → фенол. (б) группа $-OH$ стоит на атоме боковой цепи ($CH_2$), а не на самом кольце → спирт, несмотря на присутствие бензольного кольца рядом. (в) обычный предельный одноатомный спирт (метанол).

Вывод: критерий разделения — не наличие кольца в молекуле, а то, стоит ли $-OH$ непосредственно на атоме углерода кольца.

Пример 2. Как отличить фенол от этанола в пробирке?

Задача: В двух пробирках — этанол и водный раствор фенола. Предложите способ различить их.

Разбор: добавим к обеим пробиркам раствор $FeCl_3$. С фенолом появится характерное фиолетовое окрашивание, с этанолом видимых изменений не будет.

Вывод: качественная реакция с $FeCl_3$ — надёжный способ обнаружить фенол.

Пример 3. Почему фенол реагирует со щёлочью, а этанол — нет?

Задача: Объясните на уровне строения молекулы, почему $C_6H_5OH$ реагирует с $NaOH$, а $C_2H_5OH$ — нет.

Разбор: у фенола образующийся анион (фенолят) стабилизируется делокализацией отрицательного заряда в ароматическое кольцо — это делает фенол достаточно кислым, чтобы щёлочь смогла его нейтрализовать. У этанола такой стабилизации нет: соответствующий анион слишком нестабилен, поэтому кислотность этанола слишком мала для реакции со щёлочью (хотя с активными металлами этанол всё же слабо реагирует).

Вывод: повышенная устойчивость фенолят-иона за счёт сопряжения с кольцом — главная причина куда более высокой кислотности фенола по сравнению со спиртами.

Проверьте себя

1. Чем принципиально отличается фенол от спирта на уровне строения молекулы, несмотря на одинаковую функциональную группу?
2. Почему фенол является значительно более сильной кислотой, чем спирты?
3. Какая реакция экспериментально подтверждает более высокую кислотность фенола по сравнению со спиртами?
4. Опишите качественную реакцию на фенол с участием хлорида железа(III).
5. Как гидроксильная группа влияет на реакционную способность бензольного кольца в феноле по сравнению с чистым бензолом?
6. Какое историческое значение имел фенол в медицине?
7. Какой важный полимер получают на основе фенола?

Коротко о главном

• Фенолы — вещества, у которых гидроксильная группа $-OH$ присоединена непосредственно к атому углерода ароматического кольца (а не боковой цепи или предельного атома углерода, как у спиртов).
• Неподелённая пара электронов кислорода частично сопрягается с π-системой кольца, что стабилизирует анион фенола и делает его значительно более сильной кислотой, чем спирты.
• В отличие от спиртов, фенол реагирует со щёлочью — ключевой диагностический признак повышенной кислотности.
• Качественная реакция на фенол — фиолетовое окрашивание с раствором хлорида железа(III) $FeCl_3$.
• Гидроксильная группа облегчает электрофильное замещение в кольце: фенол бромируется даже без катализатора (в отличие от бензола, урок 11).
• Фенол токсичен, вызывает химические ожоги; исторически применялся как первый хирургический антисептик.
• Главное практическое значение фенола сегодня — производство фенолформальдегидных смол (анонс урока 22).

Куда дальше

Мы увидели, как одна и та же функциональная группа $-OH$ ведёт себя совершенно по-разному в зависимости от того, на каком скелете она закреплена. Похожая история ждёт нас и с карбонильной группой: в следующем уроке разберём альдегиды и кетоны — соединения с группой $C=O$ — и научимся отличать их друг от друга.

➡ Урок 15: Альдегиды и кетоны — карбонильные соединения