Фенол: будова і властивості

Фенол — це органічна сполука, у якій гідроксильна група (OH) безпосередньо зв’язана з атомом Карбону бензенового кільця. Його молекулярна формула — C₆H₅OH. Саме ця особливість будови вирізняє фенол з-поміж спиртів: у насичених одноатомних спиртах група OH приєднана до насиченого (sp³-гібридизованого) атома Карбону, тоді як у фенолі — до sp²-гібридизованого атома ароматичного кільця. Тому фенол належить до окремого класу — фенолів, а не до спиртів.

Взаємний вплив атомів у молекулі фенолу

У молекулі фенолу бензенове кільце й гідроксильна група впливають одне на одного. Неподілена електронна пара атома Оксигену групи OH вступає в спряження з π-електронною системою бензенового кільця. Це явище називають p,π-спряженням. Наслідок такого спряження — зміщення електронної густини від атома Оксигену до кільця. Через це зв’язок O–H у фенолі стає полярнішим, ніж у спиртах, і протон (H⁺) відщеплюється легше.

Після відщеплення протона утворюється фенолят-йон (C₆H₅O⁻). Його негативний заряд делокалізований по всьому бензеновому кільцю завдяки спряженню, що робить цей йон значно стабільнішим за алкоксид-йон (CH₃CH₂O⁻), який утворюється з етанолу. Саме стабілізація фенолят-йона пояснює, чому фенол виявляє кислотні властивості, а етанол — ні (у водному середовищі).

Кислотні властивості фенолу

Фенол — слабка кислота. Його показник кислотності pKₐ ≈ 10 значно менший, ніж в етанолу (pKₐ ≈ 16), але більший, ніж у карбонових кислот (наприклад, в оцтової кислоти pKₐ ≈ 4,8); отже, константа кислотності Kₐ фенолу більша, ніж в етанолу, і менша, ніж в оцтової кислоти. Інакше кажучи, фенол сильніша кислота, ніж спирти, але слабша за карбонові кислоти.

Фенол — токсична речовина. Його розчин у воді називають карболовою кислотою. У лабораторії з фенолом працюють у витяжній шафі, уникаючи потрапляння на шкіру. Попри токсичність, фенол має широке застосування: його використовують для синтезу фенолформальдегідних смол (полімерів), барвників, лікарських препаратів (наприклад, аспірину) і антисептиків.

Фенол вступає в реакції за гідроксильною групою, подібно до спиртів, але з важливою відмінністю: він реагує не тільки з лужними металами, а й із лугами. Розгляньмо обидві реакції.

Взаємодія з натрієм

Фенол реагує з металевим натрієм, як і спирти. При цьому утворюється натрій фенолят і виділяється водень:

2C₆H₅OH + 2Na → 2C₆H₅ONa + H₂↑

Натрій фенолят (C₆H₅ONa) — сіль, добре розчинна у воді. Виділення водню свідчить про наявність рухомого атома Гідрогену в гідроксильній групі. Однак сама по собі ця ознака не доводить, що речовина — саме фенол, адже натрій реагує також зі спиртами й водою.

Взаємодія з натрій гідроксидом

На відміну від спиртів, фенол реагує з водним розчином лугу. Це ключова відмінність фенолу від спиртів:

C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O

У цій реакції фенол виявляє кислотні властивості: він нейтралізує луг, утворюючи сіль (натрій фенолят) і воду. Етанол із водним NaOH не реагує, тому ця реакція дає змогу розрізнити фенол і спирт у водному середовищі.

Запам’ятай: реакція з NaOH — якісна ознака фенолу порівняно зі спиртами. Але виділення H₂ при дії Na не є доказом, бо Na реагує з будь-якою речовиною, що має рухомий H (вода, спирти, кислоти).

Гідроксильна група у фенолі не лише впливає на кислотність, а й активує бензенове кільце, роблячи його значно реакційноздатнішим у реакціях електрофільного заміщення. Найвідоміший приклад — бромування фенолу бромною водою.

Механізм і рівняння реакції

Група OH є сильним активувальним замісником і напрямляє заміщення в орто- (положення 2 і 6) та пара- (положення 4) позиції бензенового кільця. Тому при дії надлишку бромної води на фенол заміщуються одразу три атоми Гідрогену:

C₆H₅OH + 3Br₂ → C₆H₂Br₃OH↓ + 3HBr

Продукт реакції — 2,4,6-трибромофенол — випадає у вигляді білого осаду. Водночас бромна вода знебарвлюється, що є зручною візуальною ознакою перебігу реакції.

Чому це заміщення, а не приєднання?

Важливо не плутати бромування фенолу з приєднанням брому до ненасичених сполук (наприклад, алкенів). У випадку фенолу бром заміщує атоми Гідрогену в бензеновому кільці, а не приєднується до подвійних зв’язків. Ароматична система кільця зберігається, тому утворюється саме заміщений фенол, а не продукт приєднання. Реакція відбувається без каталізатора (на відміну від бромування бензену, яке потребує FeBr₃), завдяки активувальній дії групи OH.

Якісна реакція на фенол

Знебарвлення бромної води й утворення білого осаду 2,4,6-трибромофенолу використовують як якісну реакцію на фенол. Ця реакція дає змогу відрізнити фенол від етанолу (який не реагує з бромною водою), бензену (який із бромною водою не реагує: його бромують лише безводним бромом у присутності FeBr₃) і води (яка не реагує). Однак май на увазі: анілін (C₆H₅NH₂) також дає білий осад із бромною водою (2,4,6-трибромоанілін). Тому бромна вода не є унікальним реактивом для фенолу в будь-якій суміші.

Розгляньмо три типові завдання НМТ на тему фенолу. Кожне з них перевіряє різні аспекти: знання хімічних властивостей, уміння зіставляти реагенти й продукти, а також навички кількісних розрахунків.

Приклад 1. Вибір однієї з чотирьох

Завдання: Яка з перелічених речовин реагує і з водним розчином натрій гідроксиду, і з бромною водою?

• етанол

• фенол

• бензен

• етан

Розв’язання: Перевіряємо кожну речовину.

• Етанол (C₂H₅OH) реагує з Na, але не реагує з водним NaOH. З бромною водою за звичайних умов не взаємодіє.

• Фенол (C₆H₅OH) реагує з NaOH (утворює натрій фенолят і воду) і з бромною водою (утворює білий осад 2,4,6-трибромофенолу).

• Бензен (C₆H₆) не реагує ні з NaOH, ні з бромною водою; бромують його лише безводним бромом у присутності каталізатора FeBr₃.

• Етан (C₂H₆) — насичений вуглеводень, не реагує ні з NaOH, ні з бромною водою.

Відповідь: фенол.

Чому інші варіанти неправильні: Етанол не реагує з водним NaOH — це найпоширеніша помилка. Бензен з бромною водою не реагує (його бромують лише безводним бромом із FeBr₃). Етан хімічно інертний за цих умов.

Приклад 2. Логічні пари

Завдання: Установіть відповідність між реагентами (1–3) і продуктами реакції (А–Д).

Розв’язання: Зіставляємо кожну реакцію з її продуктом.

• 1. Фенол + Na → натрій фенолят + H₂ (Б).

• 2. Фенол + NaOH → натрій фенолят + H₂O (В).

• 3. Фенол + бромна вода → 2,4,6-трибромофенол (білий осад) + HBr (А).

Відповідь: 1 — Б, 2 — В, 3 — А.

Чому інші варіанти зайві: Г (етаналь) — продукт окиснення етанолу, а Д (CO₂) — продукт горіння. Вони не утворюються в жодній із зазначених реакцій.

Приклад 3. Вибір однієї з чотирьох (розрахунок)

Завдання: Яка кількість речовини брому (Br₂) потрібна для повного бромування 0,2 моль фенолу бромною водою?

• 0,2 моль

• 0,4 моль

• 0,6 моль

• 1,2 моль

Розв’язання: За рівнянням реакції C₆H₅OH + 3Br₂ → C₆H₂Br₃OH + 3HBr на 1 моль фенолу потрібно 3 моль Br₂. Отже, на 0,2 моль фенолу потрібно 0,2 · 3 = 0,6 моль Br₂.

Відповідь: 0,6 моль.

Чому інші варіанти неправильні: 0,2 моль — помилка, коли забувають про коефіцієнт 3; 0,4 моль — помилка, коли беруть коефіцієнт 2 замість 3; 1,2 моль — помилка, коли множать на 6 (наприклад, плутають з приєднанням до всіх подвійних зв’язків).

• Називати фенол спиртом через наявність групи OH. Насправді фенол — окремий клас сполук, оскільки його OH безпосередньо зв’язана з бензеновим кільцем, а не з насиченим атомом Карбону. Це принципово змінює властивості.

• Записувати виділення водню H₂ при реакції фенолу з NaOH. У реакції C₆H₅OH + NaOH → C₆H₅ONa + H₂O водень не виділяється — утворюється вода. Виділення H₂ характерне лише для реакції з металевим натрієм.

• Вважати бромування фенолу реакцією приєднання Br₂ до подвійних зв’язків кільця. Насправді це реакція заміщення атомів Гідрогену в бензеновому кільці на атоми Брому. Ароматична система зберігається.

• Приписувати білому осаду з бромною водою виняткову специфічність до фенолу. Анілін (C₆H₅NH₂) також утворює білий осад 2,4,6-трибромоаніліну з бромною водою. Тому в суміші, що може містити анілін, бромна вода не дає однозначної відповіді.

Тема «Фенол» — це тема 3.3.2 програми НМТ з хімії (розділ 3.3 «Оксигеновмісні органічні сполуки»). На тесті перевіряють будову фенолу, його кислотні властивості та реакцію з бромною водою.

Стратегія виконання

Найважливіше — чітко розмежовувати два типи реакцій фенолу:

• Реакції за зв’язком O–H (кислотні властивості): з Na (виділення H₂) та з NaOH (утворення феноляту й води, без H₂).

• Реакції заміщення в бензеновому кільці (активованому групою OH): бромування бромною водою з утворенням білого осаду 2,4,6-трибромофенолу.

Завжди звертай увагу на те, з яким реагентом взаємодіє фенол: металевий Na чи водний NaOH — це різні реакції з різними продуктами.

Формати завдань

• Вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г), завдання 1–18: 0 або 1 бал. Типові формулювання: «Яка речовина реагує з…», «Який продукт утворюється…», «Яка кількість Br₂ потрібна…».

• Логічні пари, завдання 19–20: 1–3 → А–Д, дві букви зайві, 1 бал за кожну правильно встановлену пару, до 3 балів за завдання. Наприклад, установлення відповідності між реагентами й продуктами реакцій фенолу.

• OH фенолу безпосередньо зв’язана з бензеновим кільцем — це окремий клас, а не спирт.

• Фенол реагує з Na (утворює натрій фенолят + H₂) і з водним NaOH (утворює натрій фенолят + H₂O).

• Бромна вода дає білий осад 2,4,6-трибромофенолу — якісна реакція, але не унікальна (анілін дає аналогічний осад).

• Реактив оцінюють разом з ознакою та списком можливих речовин — уважно читай умову завдання.