Что такое фенолы и почему они важны
Подготовка к ЕГЭ: химия — фенолы начинается с правильного определения объекта. Фенолами называют соединения, в которых гидроксильная группа связана с ароматическим кольцом. Самый простой представитель — фенол C6H5OH. В школьной программе рассматривают также крезолы, нафтолы и многогидроксифенолы.
Эти молекулы встречаются в красителях, лекарствах, смолах, поэтому без них не обходится ни фармацевтика, ни полимерная химия. Свойства фенолов отличаются от спиртов, и именно тут ученики часто путаются. В этой статье мы разберём строение, реакции и типовые задачи так, чтобы путаницы не осталось.
Строение фенольной группы
Ключ к поведению фенолов — взаимодействие π-системы кольца и неподелённой пары кислорода. Связь O–H короче и прочнее, чем в спиртах. Причина — частичное смещение электронной плотности на ароматическую систему. Резонансные формулы показывают, что отрицательный заряд может делокализоваться на орто- и пара-позициях.
Эта делокализация усиливает кислотность и делает заместители реакционноспособными. Именно поэтому при атаках электрофилов активируются те же позиции, а фенолят-ион стабилизируется резонансом. Понимание электронных эффектов упрощает выбор реакционного центра в тестовых заданиях.
Кислотные свойства фенолов
Фенолы ведут себя как слабые кислоты, но сильнее воды и спиртов. pKa фенола около 10. Это значит, что в растворе часть молекул диссоциирует, образуя фенолят-анион. Реакция с щёлочами идёт быстро и практически необратимо.
Натрий гидроксид превращает жидкий фенол в кристаллический натрий фенолят, который легко растворяется в воде. Проверить оборот можно, добавив углекислый газ; осадок фенола сразу выпадает. Именно это свойство используют, чтобы отделить фенол от неполярных примесей в органическом синтезе.
Реакции электрофильного замещения
Гидроксильная группа активирует кольцо по ортопара-положениям. Поэтому реакции электрофильного замещения проходят мягче, чем в бензоле. Даже разбавленный бром-водный раствор обесцвечивается, образуя 2,4,6-трибромфенол. Нитрование проводят смесью азотной и серной кислот при 25 °C. В итоге получают орто- и пара-изомеры.
Сульфирование идёт при 40–100 °C, а продукт зависит от температуры. В заданиях спрашивают, какой изомер образуется чаще. Ответ — пара, так как стерические факторы меньше. Орто-выход можно повысить уксусным ангидридом, который удерживает электрофил рядом.
Окисление и восстановление
Фенольный цикл легко отдаёт электроны, поэтому фенолы служат мягкими антиоксидантами. В лаборатории используют реакцию с дихроматом; раствор зеленеет из-за Cr(III). Щёлочной раствор фенолята окисляется кислородом воздуха до хинонов. Пара-бензохинон имеет ярко-желтый цвет и характерный запах.
Хиноны легко восстанавливаются сульфитом или витамином C, что лежит в основе экспресс-тестов на антиоксидантную активность. В задачах часто спрашивают, почему раствор темнеет при хранении; объяснение теперь понятно.
Получение фенолов в промышленности и лаборатории
Самый массовый способ получения — кумольный. Изопропилбензол окисляют кислородом до гидропероксида, затем гидролизуют кислотой, получают фенол и ацетон. Метод даёт более 90 % мирового фенола.
- Гидролиз хлорбензола горячей щёлочью при 300 °C и высоком давлении.
- Расплавление сульфонатов натрия с щёлочами с последующим подкислением.
- Пиролиз салицилата меди для получения чистых образцов в лаборатории.
В заданиях обычно просят написать уравнение или выбрать условия, поэтому держите эти три способа в голове.
Типовые задачи ЕГЭ на фенолы
Составители любят цепочки, в которых фенол превращают в эфир, затем в нитропроизводное. Главный приём — узнавать ключевые маркеры. Обесцвечивание бром-воды указывает на исходный фенол. Выпадение светло-жёлтого осадка 2,4-динитрофенола намекает на этап нитрования.
- Определите класс реагента.
- Найдите активные позиции в молекуле.
- Составьте краткий механизм или хотя бы порядок атомов.
Больше половины ошибок вызваны невнимательным чтением условия. Поэтому тренируйте скорость глаза: держите возле себя лист, скрывающий лишний текст.
Стратегия повторения: Подготовка к ЕГЭ: химия — фенолы
За месяц до экзамена поделите дни на теорию, практику и анализ ошибок. Первую неделю посвятите свойствам и реакциям, используя опорные конспекты. Далее решайте фенольные задачи из сборника ФИПИ по 30 минут в день. После каждого блока заполняйте таблицу, где фиксируете неверные шаги и причину.
Через две недели устройте пробный экзамен: выберите вариант, поставьте таймер, оцените баллы. Возвращайтесь к списку ошибок и ищите закономерности. Накануне экзамена просмотрите таблицу реакции, формулы фенолов и признаки. Не перегружайте мозг ночью; сон закрепит информацию лучше любого повторения.