Зміст статті
Отримання фенолу з кам’яновугільної смоли
Відкриття Ф. Рунге залишило свій значний слід в органічній хімії. До цього часу значну кількість фенолу отримують з продукту коксування кам’яного вугілля – кам’яновугільної смоли.
Не тільки сильних, але і деяких слабких неорганічних кислот, наприклад вугільної:
І всі три згаданих факти можна об’єднати в один демонстраційний експеримент.
Учитель поміщає в пробірку 0,5 г фенолу і додає 3-4 мл води. Після інтенсивного струшування учитель демонструє погану розчинність фенолу при кімнатній температурі. Учитель по краплях додає в пробірку 10%-ий розчин гідроксиду натрію. Після повного розчинення фенолу (уникати надлишку лугу!) універсальний папір забарвлюється в розчині в синій колір.
Через розчин феноляту натрію, який утворився, за допомогою скляної трубочки пропускають вуглекислий газ з приладу для одержання газів, в який попередньо поміщають шматочок мармуру і доливають розчин соляної кислоти.
Спостерігається помутніння розчину за рахунок виділення малорозчинного фенолу. Ще простіше виділити фенол з феноляту натрію, додавши в розчин кілька крапель соляної кислоти.
Реакції електрофільного заміщення
Легкість протікання реакцій електрофільного заміщення для фенолу можна довести двома фактами. Бромування, наприклад, протікає без каталізатора під дією бромної води і призводить до утворення не моно-, а трібромфенолу.
Як і очікувалося, атоми брому заміщають водень в орто- і пара- положеннях циклу. Учитель демонструє експеримент: при додаванні до насиченого розчину фенолу бромної води спостерігається помутніння за рахунок утворення нерозчинного у воді 2,4,6- трибромфенолу.
Аналогічні закономірності спостерігаються при нітруванні фенолу. Однак у цьому випадку при дії на фенол розведеної азотної кислоти можна отримати суміш монозаміщених нітропохідних:
- о-нітрофенол;
- n-нітрофенол.
З учнями профільних класів учитель може вирішити наступну проблемну ситуацію. При нітруванні фенолу розведеною азотною кислотою хіміки зіткнулися з двома дивовижними фактами:
- По-перше, в суміші утворених ізомерних мононітрофенолів переважав ортоізомер (70%), у той час, як при нітруванні толуолу в більшій кількості утворюється n-нітротолуол (позначається просторове утруднення реакції по орто-положення).
- По-друге, у ізомерних нітрофенолів дуже сильно розрізняються фізичні константи (наприклад, tпл. о-нітрофенолу дорівнює 45°С, tпл n-нітрофенолу = 115°С).
З чим це пов’язано? Для відповіді на це питання учні повинні згадати, що фізичні властивості спиртів багато в чому визначаються наявністю міжмолекулярних водневих зв’язків, які призводять до додаткової асоціації молекул.
У фенолі і n-нітрофенолі такі зв’язки ще більш міцні через кислотний характер гідроксильної групи. А що ж о-нітрофенол? Виявилося, що в цьому з’єднанні переважали не міжмолекулярні, а внутрішньомолекулярні водневі зв’язки, тим самим сусідні молекули менш міцно пов’язані між собою.
При взаємодії з концентрованою азотною кислотою утворюється 2,4,6-тринітрофенол.
Електроноакцепторні властивості нітрогруп значно посилюють кислотність тринітрофенолу. Він є приблизно в мільярд разів сильнішою кислотою в порівнянні з фенолом, і в 100 разів сильніше, ніж фосфорна кислота.
Вперше тринітрофенол отримав в 1771 році англійський хімік П. Вульф під дією азотної кислоти на природну органічну речовину індиго. Завдяки інтенсивному жовтому забарвленню речовини її стали використовувати в якості барвника для волокна і тканин.
Через гіркий смак тринітрофенол назвали спочатку пікріном (від грецького слова pykros – гіркий, гострий), а потім – пікриновою кислотою.
У 1779 році з’ясувалося, що ця речовина здатна вибухати! Але тільки після того, як на кількох фарбувальних фабриках сталися нещасні випадки в результаті вибухів пікринової кислоти. Вже в 1885 році вона була запатентована в якості вибухової речовини.
Реакції поліконденсації
Одна з найважливіших властивостей фенолу, що використовуються в промисловості, є його здатність вступати в реакцію з формальдегідом.
Після того як учитель призведе рівняння процесу і покаже будова продукту, корисно провести порівняння реакцій полімеризації і поліконденсації. Головна відмінність полягає в тому, що в результаті реакцій поліконденсації відбувається виділення побічного низькомолекулярного продукту, в даному випадку – води.
Утворений полімер має одну незвичайна властивість: він є термореактивним. На відміну від термопластичних полімерів, які розм’якшуються при нагріванні і твердіють при охолодженні (наприклад, поліетилен), фенолоформальдегідна смола твердне з підвищенням температури і не плавиться до повного руйнування. Це відбувається тому, що при нагріванні лінійні молекули скріплюються між собою в тривимірну сітчасту структуру.
Взаємодія з розчином хлориду заліза (III)
Якісною реакцією на фенол і його гомологи є утворення забарвлених комплексів з розчином хлориду заліза (III). Учитель може не писати структуру цих комплексів, а провести демонстраційний експеримент.
Розчин чистого фенолу при додаванні 2-3 крапель хлориду заліза (III) забарвлюється в красивий фіолетовий колір. В залежності від структури фенолу, число гідроксильних груп забарвлення може змінюватися від червоного до майже чорного.
В екстрактах багатьох рослин, особливо тих, які володіють дубильною і в’язкою дією, містяться речовини, які називаються «таніни».
До складу їх молекул входить велика кількість фенольних залишків. Вони також дають з хлорним залізом інтенсивне фарбування.
Учитель наливає в пробірку 2-3 мл холодної чайної заварки світло-жовтого кольору і додає 2-3 краплі розчину хлориду заліза (III). Рідина набуває чорнильного кольору.
В чайних листах міститься велика кількість таніну, що додає напою терпкий-терпкий присмак. Чому залізний ніж темніє від фруктів? Кислота, яка знаходиться у фруктах мізерно малою мірою розчиняє залізо, а таніни фруктового соку утворюють з катіоном Fe3+ інтенсивно забарвлені сполуки. Якщо на свіжий зріз яблука нанести краплю розчину хлориду заліза (III) поступово з’являється зелене забарвлення (краще, якщо яблуко буде недостиглим, терпким).
Застосування фенолу і його похідних
Крім численних областей застосування фенолу, вчителю може стати в пригоді деяка додаткова інформація.
Фенол і його похідні дуже тісно «співпрацюють» з медициною.
Незабаром після його відкриття з’ясувалося, що карболова кислота має дезінфікуючі властивості. Вона стала першим антисептичним засобом, використовуваним в хірургії з 1867 року. Навіть запах «карболки» звично асоціюється у нас з лікарнею, хоча для дезінфекції приміщень вона зараз не застосовується. Іноді карболову кислоту замінюють 2,4,6-трихлорфенолом.
Суміш ізомерних крезолів отримують з продуктів переробки кам’яного вугілля. Вона також застосовується для дезінфекції нежитлових приміщень, деяких барвників і медичних препаратів.
Двоатомний фенол гідрохінон (1,4-дигідроксібензол) знайшов застосування у фотографії як проявник, а похідні пірокатехіна (1,2-дигідроксібензол) мають широкий спектр фізіологічної дії (від протитуберкульозних препаратів до часто згадуваного нині гормону адреналіну).
Навіть руйнівний тринітрофенол знайшов своє застосування в медичній практиці: його використовують для лікування опіків.