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

Общая формула предельных одноатомных фенолов имеет вид $C_{n} H_{2 n - 6} O$ . Простейший представитель класса называется фенолом (гидроксибензол, карболовая кислота). Его формула — $C_{6} H_{5} O H$ .

Атомы углерода в бензольном кольце находятся в состоянии $s p^{2}$ -гибридизации. Атом кислорода гидроксильной группы имеет неподелённые электронные пары. Одна из таких пар вступает в сопряжение с $π$ -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.
[i]

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.[i]

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, $O H$ -группа замещается на галоген	Не реагируют
Этерификация карбоновыми кислотами	Идёт обратимо, образуется сложный эфир	Напрямую не реагируют

Подготовка к экзаменам в 100балльном репетиторе

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:

2 C_{6} H_{5} O H + 2 N a \to 2 C_{6} H_{5} O N a + H_{2}

(фенолят натрия)

2 C_{6} H_{5} O H + C a \to (C_{6} H_{5} O)_{2} C a + H_{2}

(фенолят кальция)

Взаимодействие со щелочами

Это главное отличие от спиртов. Фенол растворяется в щелочах:

C_{6} H_{5} O H + N a O H \to C_{6} H_{5} O N a + H_{2} O

2 C_{6} H_{5} O H + B a (O H)_{2} \to (C_{6} H_{5} O)_{2} B a + 2 H_{2} O

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:
$C_{6} H_{5} O N a + C O_{2} + H_{2} O \to C_{6} H_{5} O H + N a H C O_{3}$ [i]

Подобным образом действуют сильные и средние неорганические кислоты:

C_{6} H_{5} O N a + H C l \to C_{6} H_{5} O H + N a C l

Синтез простых эфиров

Для получения простых эфиров используют реакцию фенолятов с галогеналканами:

C_{6} H_{5} O N a + C H_{3} B r \to C_{6} H_{5} O - C H_{3} + N a B r

(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_{6} H_{5} O H + C H_{3} C O C l \to C H_{3} C O O C_{6} H_{5} + H C l

(фенилацетат и хлороводород)

C_{6} H_{5} O H + (C H_{3} C O)_{2} O \to C H_{3} C O O C_{6} H_{5} + C H_{3} C O O H

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_{6} H_{5} O H + 3 B r_{2} \to C_{6} H_{2} B r_{3} O H ↓ + 3 H B r

(2,4,6-трибромфенол)

Выпадает характерный осадок белого цвета.

Нитрование

При действии разбавленной азотной кислоты образуется смесь орто- и пара-нитрофенолов:

C_{6} H_{5} O H + H N O_{3} (разб.) \to o - C_{6} H_{4} (N O_{2}) O H + H_{2} O

При действии концентрированной азотной кислоты в присутствии серной кислоты образуется 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота):

C_{6} H_{5} O H + 3 H N O_{3} (конц.) \to C_{6} H_{2} (N O_{2})_{3} O H + 3 H_{2} O

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_{6} H_{5} O H + C H_{3} C l \overset{A l C l_{3}}{\to} p - C H_{3} - C_{6} H_{4} - O H + H C l

(пара-крезол)

Гидрирование

При нагревании и высоком давлении в присутствии металлических катализаторов бензольное кольцо присоединяет водород:

C_{6} H_{5} O H + 3 H_{2} \overset{N i, t, p}{\to} C_{6} H_{11} O H

(образуется циклогексанол)

Особые реакции

Взаимодействие фенола с формальдегидом приводит к образованию фенолформальдегидной смолы. Реакция относится к реакциям поликонденсации и протекает при нагревании.[i]

Сначала происходит присоединение с образованием орто- или пара-метилолфенола, затем молекулы отщепляют воду и соединяются в полимерную цепь:

n C_{6} H_{5} O H + n H C H O \to [- C_{6} H_{3} (O H) - C H_{2} -]_{n} + n H_{2} O

Горение протекает до образования углекислого газа и воды:

C_{6} H_{5} O H + 7 O_{2} \overset{t}{\to} 6 C O_{2} + 3 H_{2} O

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_{6} H_{5} - C H (C H_{3})_{2} + O_{2} \overset{H^{+}}{\to} C_{6} H_{5} O H + C H_{3} - C O - C H_{3}

(фенол и ацетон)

Щелочной гидролиз галогенбензолов

Хлорбензол при нагревании под давлением взаимодействует со щёлочью:

C_{6} H_{5} C l + 2 N a O H \overset{t, p}{\to} C_{6} H_{5} O N a + N a C l + H_{2} O

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
$N a, K$	Феноляты	Выделяется газ
$N a O H, K O H$	Феноляты	Алифатические спирты в такую реакцию не вступают
$H N O_{3}$ (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.
[i]

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 →X изопропилбензол →Y фенол
Определите, какие из указанных веществ являются веществами X и Y.
Хлорметан.
Пропен.
Кислород.
Хлор.
Гидроксид натрия.
[i]

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 $\to$ ацетилен $\to$ бензол $\to$ хлорбензол $\to$ фенолят калия $\to$ фенол. [i]

Составим уравнения реакций:

Гидролиз карбида кальция. Выделяется ацетилен.
$C a C_{2} + 2 H_{2} O \to C a (O H)_{2} + C_{2} H_{2} ↑$
Тримеризация ацетилена (реакция Зелинского). Протекает при нагревании с активированным углём в качестве катализатора.
$3 C_{2} H_{2} \overset{C, t}{\to} C_{6} H_{6}$
Хлорирование бензола в присутствии катализатора ( $A l C l_{3}$ или $F e C l_{3}$ ).
$C_{6} H_{6} + C l_{2} \overset{A l C l_{3}}{\to} C_{6} H_{5} C l + H C l$
Получение фенолята калия. Нужен избыток щёлочи при нагревании и давлении:
$C_{6} H_{5} C l + 2 K O H \overset{t, p}{\to} C_{6} H_{5} O K + K C l + H_{2} O$
Восстановление фенола более сильной кислотой (угольной или соляной).
$C_{6} H_{5} O K + C O_{2} + H_{2} O \to C_{6} H_{5} O H + K H C O_{3}$

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.

Фенол: химические свойства, получение и типичные задачи ЕГЭ

Фенол в заданиях ЕГЭ по химии