Fenole

Krystyna Dzierzbicka
Fenole
– związki organiczne, w których
grupa hydroksylowa związana jest
bezpośrednio z atomem węgla układu
aromatycznego (z węglem o hybrydyzacji
sp2).
Przykłady fenoli
OH
OH
OH
fenol
-naftol
OH
OH
-naftol
OH
OH
CH3
o-krezol
o-metylofenol
Cl
NO2
CH3
m-nitrofenol
p-krezol
p-metylofenol
o-chlorofenol
Fenol jest higroskopijną, bezbarwną, krystaliczną
substancją, szybko jednak zmienia swój kolor, pod
wpływem światła i powietrza, w wyniku pojawiających się
produktów utlenienia (bezbarwny przechodzi w
jasnoróżowy do ciemno-brunatnego). Fenole są
związkami polarnymi, zdolnymi do tworzenia
międzycząsteczkowych wiązań wodorowych, dlatego też
mają wyższe temperatury wrzenia niż inne związki
aromatyczne o porównywalnej masie cząsteczkowej.
H
O
H
O
W wodzie rozpuszczają się umiarkowanie, ale
wraz ze wzrostem temperatury ich
rozpuszczalność rośnie. Dobrze rozpuszczają
się w rozpuszczalnikach organicznych, np.
etanolu, eterze czy benzenie. Fenole są
mocniejszymi kwasami od alkoholi, ale
słabszymi niż kwasy karboksylowe. Fenol z
mocnymi zasadami tworzy sole – fenolany. W
postaci soli fenolanowych rozpuszczają się one
w roztworach NaOH, ale są nierozpuszczalne
w roztworach NaHCO3.
Właściwości kwasowo-zasadowe fenoli
OH
O
+ H2O
+ H 3O
anion
fenolanowy
fenol
OH
OH
H2O
fenol
cykloheksanol
pKa
17
15.7
10
Fenole są mocniejszymi kwasami od alkoholi.
Spowodowane to jest mezomeryczną
(rezonansową) stabilizacją anionu fenolanowego,
w którym ładunek ujemny jest zdelokalizowany
między atomem tlenu i atomami węgla pierścienia
aromatycznego:
O
O
O
O
Mezomeryczna stabilizacja anionu fenolanowego
Czynniki wpływające na kwasowość fenoli
Im mniejsza wartość pKa tym mocniejszy kwas.
* podstawniki elektronoakceptorowe EWG (np. NO2, CN,
COOH, F, Cl, Br, CF3) w pozycjach orto i para w stosunku
do grupy OH zwiększają kwasowość fenoli;
*podstawniki elektronodonorowe EDG (np. NH2, CH3, OCH3)
w pozycjach orto i para w stosunku do grupy OH obniżają
kwasowość fenoli.
Czynniki wpływające na kwasowość
związków organicznych
1. rodzaj pierwiastka związanego z atomem wodoru –
wraz ze wzrostem liczby atomowej pierwiastka związanego z
kwaśnym atomem wodoru rośnie kwasowość związku, np. tiole są
silniejszymi kwasami niż alkohole.
CH3SH > CH3OH
2. rezonans – delokalizacja ujemnego ładunku anionu powstałego
po oderwaniu protonu zwiększa kwasowość, np. fenole są
silniejszymi kwasami niż alkohole.
PhOH > CH3OH
3. grupy sąsiadujące – grupy elektronoakceptorowe,
wyciągające elektrony (-I lub/i -M) zwiększają
kwasowość; grupy elektronodonorowe, oddające
elektrony (+I lub/i +M) obniżają kwasowość.
OH
NO2
p-nitrofenol
OH
NH2
p-aminofenol
Metody otrzymywania fenoli
 hydroliza chlorobenzenu
- zasadowa hydroliza – jedna z pierwszych przemysłowych
metod otrzymywania fenolu:
ONa
Cl
NaOH
350 oC, ciś.
chlorobenzen
+
NaCl
fenolan sodu
OH
ONa
+
fenolan sodu
CO2
H2O
+
NaHCO3
fenol
Fenol z fenolanów jest wypierany ditlenkiem węgla (CO2), ponieważ
kwas węglowy jest silniejszym kwasem niż fenol.
- kwaśna hydroliza – jedna ze współczesnych przemysłowych
metod otrzymywania fenolu:
OH
Cl
H / H2O, kat.
+
400 oC, ciś.
chlorobenzen
 stapianie
HCl
fenol
soli kwasów benzenosulfonowych ze stałym NaOH
OH
SO3Na
NaOH
+
300 oC
benzenosulfonian
sodu
NaHSO3
fenol
Zarówno zasadowa hydroliza chlorobenzenu jak i reakcja stapiania soli nie
są obecnie wykorzystywane w przemyśle ze względów ekologicznych.
 metoda kumenowa – reakcja benzenu z propenem
(propylenem) daje kumen (izopropylobenzen), którego
utlenienie prowadzi do wodoronadtlenku kumenu, a
jego rozkład do fenolu i acetonu:
CH3
+
CH
H3C
CH2
250 oC
propen
propylen
benzen
C
CH3
H
kat. 30 atm.
kumen
izopropylobenzen
O2
CH3
OH
O
H / H2O
CH3 C CH3 +
aceton
fenol
C
CH3
OOH
wodoronadtlenek kumenu
 utlenianie toluenu – jedna ze współczesnych
metod otrzymywania fenolu polegająca na
utlenianiu toluenu powietrzem w obecności
odpowiedniego katalizatora:
COOH
CH3
toluen
OH
powietrze
powietrze, kat.
100 oC, -H2O
200 oC, -CO2
kwas
benzoesowy
fenol
Reakcje fenoli
☺Reakcje z udziałem grupy hydroksylowej
■ w reakcji fenolanów z odczynnikami alkilującymi powstają etery alkilowoarylowe:
O CH2CH CH2
OH
+
CH2 CHCH2Br
K2CO3
aceton
bromek allilu
fenol
eter allilowo-fenylowy
OH
CH2 Br
NaOH / H2O
+
CH3
p-krezol
SN 2
bromek
benzylu
OH
O CH2
eter benzylowo-p-tolilowy
O CH3
O
B
H3C
CH3 I
SN 2
fenol
anion
eter fenylowo-metylowy
fenolanowy
■ estryfikacja chlorkiem kwasowym lub bezwodnikiem
kwasowym:
O
OH
C
+ Cl
fenol
chlorek benzoilu
NaOH
H2O
O
C
O
benzoesan fenylu
Wytrząsanie w środowisku zasadowym fenoli z
halogenkami kwasowymi lub bezwodnikami (prowadzi
do estrów), a z aminami aromatycznymi daje amidy,
nosi nazwę reakcji Schottena-Baumanna
■ reakcje z halogenkami fosforu (PX3 i PCl5)
OH
3
O
+
O P
PCl3
O
fosforym trifenylu
fenol
Cl
OH
NO2
NO2
+
NO2
2,4-dinitrofenol
PCl5
NO2
1-chloro-2,4-dinitrobenzen
☺Reakcje substytucji elektrofilowej (SE) – grupa OH w fenolach
jest podstawnikiem silnie aktywującym (elektronodonorowym,
+M) pierścień aromatyczny na SE i kierującym w pozycje orto i
para:
OH
OH
OH
OH
 Alkilowanie fenoli alkenami czy alkoholami 2o lub 3o prowadzi się
w obecności kwasu protonowego, np. H2SO4 lub HF:
OH
OH
CH3
+
o-krezol
(CH3)3COH
t-butanol
CH3
H3PO4
H3C C CH3
CH3
4-t-butylo-2-metylofenol
Fenol można alkilować chlorkiem t-butylu lub t-pentylu
w podwyższonej temperaturze bez katalizatora:
OH
OH
+
(CH3)3CCl
80-100 oC
fenol
H3C C CH3
CH3
Acylowanie Friedla-Craftsa:
OH
OH O
C CH3
OH
O
+
fenol
p-t-butylofenol
CH3 C
AlCl3
+
Cl
chlorek acetylu
C
H3C
o-hydroksyacetofenon
O
p-hydroksyacetofenon
(74 %)
(16 %)
 Bromowanie – bromowanie fenolu w wodzie lub kwasie
octowym daje 2,4,6-tribromofenol, natomiast
bromowanie w rozpuszczalniku niepolarnym, np. CS2 w
niskiej temperaturze daje p-bromofenol jako główny
produkt reakcji:
OH
Br
Br
OH
O
/H2
Br 2 o C
25
Br
2
fenol
0
o
C
/C
S
Br
2,4,6-tribromofenol
OH
OH
2
Br
+
o-bromofenol
Br
p-bromofenol
(91 %)
 Nitrowanie – fenole są bardzo podatne na
utlenianie dlatego nie można ich nitrować
mieszaniną nitrującą stężonego HNO3 i H2SO4.
Nitrowanie fenolu roz. (40%) HNO3 daje
mieszaninę o- i p-nitrofenoli:
OH
roz. HNO3
fenol
OH
OH
NO2
+
o-nitrofenol
NO2
p-nitrofenol
 Sulfonowanie –
regioselektywność
reakcji w
zależności od
temperatury:
OH
SO3H
SO 4
oC
H2
0
-2
15
OH
kwas
o-hydroksybenzenosulfonowy
H
2 SO
10
0o 4
fenol
OH
C
SO3H
kwas
p-hydroksybenzenosulfonowy
OH
OH
H3 C
CH3
H2SO4
H3 C
CH3
100 oC
2,6-dimetylofenol
SO3H
kwas
4-hydroksy-3,5-dimetylobenzenosulfonowy
☺Reakcja Kolbego (karboksylowanie KolbegoSchmitta) – przemysłowa metoda otrzymywania kwasu
salicylowego, substratu w syntezie aspiryny.
ONa
OH
1. CO2, 125 oC,
NaOH
OH
O
OAc
C OH
4-7 atm
COOH
Ac2O
2. H / H2O
fenol
O
fenolan sodu
O
anion fenolanowy
  
O C O
kwas salicylowy
kwas
acetylosalicylowy
aspiryna
OH
O
H
C O
O
O
C OH
H / H 2O
kwas salicylowy
☺Reakcja Reimera-Tiemanna – reakcja fenoli z
chloroformem w środowisku zasadowym, w wyniku
której otrzymujemy o- i p-hydroksyaldehydy w
stosunku 4:1.
OH
O
OH
C
H
HCCl3
H
NaOH
fenol
SE
aldehyd salicylowy
HCCl3 + OH
CCl3 + H2O
Cl
+
CCl2
dichlorokarben
odczynnik elekrofilowy
Mechanizm reakcji
O
O
O
CCl2
H
H
C Cl
C Cl
Cl
Cl
anion fenolanowy
OH H
C O
O
OH
-H2O
-H
aldehyd salicylowy
OH H
H
C O
OH H
O
H
H
C OH
OH
☺Nitrozowanie fenolu – fenol w reakcji z kwasem
azotowym(III) daje p-nitrozofenol, który ulega
przemianie tautomerycznej do oksymu p-chinonu:
OH
OH
O
NaNO2 / H2SO4
0 oC
fenol
(NO )
N O
N OH
p-nitrozofenol oksym p-chinonu
N O
OH
NaNO2 / H2SO4
OH
0 oC
2-naftol
(NO )
1-nitrozo-2-naftol
☺Reakcja fenoli z aldehydami – fenol w środowisku
zasadowym reaguje z metanalem dając alkohole o- i phydroksybenzylowe:
OH
OH
OH
H
+
CH
O
CH2OH
OH / H2O
+
25 oC
metanal
aldehyd mrówkowy
alkohol
o-hydroksybenzylowy
CH2OH
alkohol
p-hydroksybenzylowy
O
O
anion fenolanowy
 
H C O
H
OH
O
H
CH2O
H / H2O
CH2OH
alkohol
o-hydroksybenzylowy
☺Utlenianie fenoli – otrzymywanie chinonów (chinony
nie są związkami aromatycznymi, nie zachowują się
też jak sprzężone diketony, stanowią odrębną klasę
związków organicznych):
O
OH
[O]
fenol
O
p-benzochinon
p-chinon
chinon
[O]: Na2Cr2O7 / H2SO4; CrO3 / AcOH;
(NaSO3)2NO (nitrozodisulfonian sodu,
sól Fremy'ego)
Układ chinonowy występuje w wielu związkach biologicznie czynnych,
pełniąc ważną rolę w biochemicznych reakcjach redoks. Przykładem
takich związków są ubichinony zwane również koenzymami Q, które
w reakcjach biochemicznych działają jako utleniacze, biorą udział w
procesach przenoszenia energii, w tym w oddychaniu.
OH
O
H3CO
H3CO
O
[O]
CH3
CH2
O
ubichinon
(koenzym Q)
-2H
OH
nH
CH3
n = 6-10
pirokatechina
OH
O
o-benzochinon
O
(-2e)
(KSO3)2NO
SnCl2 lub NaBH4
(+2e)
OH
hydrochinon
O
p-benzochinon
☺Uwodornienie fenoli
OH
OH
H2 / Ni
180 oC
fenol
cykloheksanol
(pojawia się również cykloheksanon)
Zastosowanie fenolu
☻ Fenol należy do bardzo toksycznych związków,
powoduje trudno gojące się oparzenia oraz martwicę
przenikającą do głębszych warstw skóry;
☻wykazuje właściwości bakteriobójcze i przez długi
okres czasu pod nazwą krezolu (czy lizol) był
stosowany jako popularny środek dezynfekujący.
Obecnie, ze względu na dużą toksyczność stosowany
jest w lecznictwie sporadycznie, między innymi w
dermatologii (w leczeniu niektórych chorób skóry) czy
w stomatologii (np. tymol – do wyjaławiania
oczyszczonych ubytków przed ich wypełnieniem);
☻stosowany jest do produkcji żywic fenolowoformaldehydowych, np. bakelitu;
☻ leków, np. aspiryna, salicylan sodu stosowany jest
przeciw reumatyzmowi, salicylan fenylu i salicylan
2-naftylu – do odkażania jelit;
☻ detergentów;
☻ herbicydów, np. kwas 2,4-dichlorofenoksyoctowy;
☻ barwników, np. alizaryna (czerwony barwnik do wełny);
☻ do konserwacji drewna, np. pentachlorofenol.
CH3
OCH2COOH
Cl
OH
H3C
CH3
tymol
O
Cl
kwas
2,4-dichlorofenoksyoctowy
OH
OH
OH
Cl
Cl
Cl
Cl
O
Cl
alizaryna
pentachlorofenol
Przykładowe pytania
1. Podaj nazwy następujących związków:
OH
OH
COOH Cl
Cl
ONa
CH(CH3)2
OH
OH
Cl
F
HO
F
CH2CH3
Cl
CH3
F
H 3C
CH2
CH2CH3
F
F
NO2
2. Jakie produkty (wzór + nazwa) otrzymasz w następujących
reakcjach:
a. fenol + wodorek sodu
b. produkt z punktu (a) + bromek etylu
c. produkt z punktu (a) + siarczan dimetylu
d. produkt z punktu (a) + p-toluenosulfonian butylu
e. produkt z punktu (a) + bezwodnik octowy
f. o-krezol + chlorek benzoilu
g. m-krezol + tlenek etylenu
h. 2,6-dichlorofenol + brom
i. eter fenylowo-izopropylowy + nadmiar bromowodoru, Δ
3. W każdej z następujących par związków podkreśl silniejszy kwas
i uzasadnij
a. 2,4,6-trimetylofenol i 2,4,6-trinitrofenol
b. 2,6-dichlorofenol i 3,5-dichlorofenol
c. fenol i 4-cyjanofenol
d. 3-nitrofenol i 4-nitrofenol
e. 2,5-dinitrofenol i 2,6-dinitrofenol
4. Podaj produkty następujących reakcji:
OH
a.
K2CO3
+ CH2 CHCH2Br
aceton
OCH3
OH
COCH3
+ (CH3O)2SO2
b.
NaOH
(nadmiar)
OH
OH
Cl
c.
K2Cr2O7
H2SO4
OH
OH
OCH2CH3
d.
+ Br2
AcOH
NO2
e.
CH3
OH
+
NH2
C O
O
H2 O
5. Jak otrzymać fenol:
a. z anizolu
b. z octanu fenylu
c. z kwasu benzenosulfonowego
d. z wodorosiarczanu fenylooksoniowego
6. Wchodząc z p-metylofenolu przedstaw mechanizm otrzymywania
p-metyloanizolu.
7. Uzasadnij, który związek jest silniejszym kwasem: fenol czy
propan-1-ol.
8. Jaki produkt (wzór + nazwa) otrzymasz w reakcji kwasu pikrynowego
z chlorkiem tionylu. Podaj mechanizm tej reakcji.
9. Jak rozdzielić mieszaninę:
a. alkoholu benzylowego z o-krezolem
b. nitrobenzenu z m-nitrofenolem
c. p-nitrotoluenu z p-krezolem
10. Mając do dyspozycji fenol otrzymać:
a. kwas acetylosalicylowy
b. cykloheksano
c. kwas pikrynowy
d. eter etylowo-fenylowy
e. octan fenylu
Dziękuję za uwagę