Koje se tvari koriste za dobivanje fenola. Dobivanje, kemijska svojstva i upotreba fenola. Najjednostavniji monohidrični fenoli

Fenoli- derivati aromatskih ugljikovodika, koji mogu uključivati jednu ili više hidroksilnih skupina vezanih na benzenski prsten.

Kako se zovu fenoli?

Prema IUPAC pravilima, naziv “ fenol". Atomi se numeriraju od atoma koji je izravno vezan za hidroksi skupinu (ako je najveća) i numeriraju se tako da supstituenti imaju najmanji broj.

Predstavnik - fenol - C6H5OH:

Struktura fenola.

Atom kisika ima usamljeni elektronski par na vanjskoj razini, koji je "uvučen" u sustav prstena (+ M-efekt ON-skupine). Kao rezultat, mogu se pojaviti 2 učinka:

1) povećanje elektronske gustoće benzenskog prstena na orto- i parapoziciji. U osnovi, ovaj se učinak očituje u reakcijama elektrofilne supstitucije.

2) smanjuje se gustoća na atomu kisika, zbog čega se veza ON slabi i može se trgati. Učinak je povezan s povećanom kiselošću fenola u odnosu na zasićene alkohole.

Monosupstituirani derivati fenol(krezol) može biti u 3 strukturna izomera:

Fizička svojstva fenola.

Fenoli su kristalne tvari na sobnoj temperaturi. Slabo su topljivi u hladnoj vodi, ali dobro topljivi u vrućoj i vodenim otopinama lužina. Imaju karakterističan miris. Zbog stvaranja vodikovih veza imaju visoko vrelište i talište.

Dobivanje fenola.

1. Od halogenbenzena. Kada se klorobenzen i natrijev hidroksid zagrijavaju pod tlakom, dobiva se natrijev fenolat koji se nakon interakcije s kiselinom pretvara u fenol:

2. Industrijska metoda: tijekom katalitičke oksidacije kumena na zraku dobivaju se fenol i aceton:

3. Od aromatskih sulfonskih kiselina fuzijom s lužinama. Češće se provodi reakcija za dobivanje polihidričnih fenola:

Kemijska svojstva fenola.

R-orbitala atoma kisika čini jedinstveni sustav s aromatičnim prstenom. Stoga se elektronska gustoća na atomu kisika smanjuje, u benzenskom prstenu - povećava. Polaritet komunikacije ON raste, a vodik hidroksilne skupine postaje reaktivniji i lako se može zamijeniti atomom metala čak i pod djelovanjem lužina.

Kiselost fenola je viša od alkohola, pa se mogu provesti reakcije:

Ali fenol je slaba kiselina. Propuštanjem ugljičnog dioksida ili sumpornog dioksida kroz njegove soli oslobađa se fenol, što dokazuje da su ugljične i sumporne kiseline jače kiseline:

Kisela svojstva fenola oslabljena su uvođenjem supstituenata tipa I u prsten i pojačana uvođenjem II.

2) Stvaranje estera. Proces se odvija kada su izloženi kiselim kloridima:

3) Reakcija elektrofilne supstitucije. Jer ON-skupina je supstituent prve vrste, tada se povećava reaktivnost benzenskog prstena u orto- i para-položaju. Kada je fenol izložen bromnoj vodi, uočava se taloženje - ovo je kvalitativna reakcija na fenol:

4) Nitracija fenola. Reakcija se provodi sa smjesom za nitriranje, što rezultira stvaranjem pikrinske kiseline:

5) Polikondenzacija fenola. Reakcija se odvija pod utjecajem katalizatora:

6) Oksidacija fenola. Fenoli se lako oksidiraju atmosferskim kisikom:

7) Kvalitativna reakcija na fenol je djelovanje otopine željeznog klorida i stvaranje ljubičastog kompleksa.

Upotreba fenola.

Fenoli se koriste u pripremi fenol-formaldehidnih smola, sintetičkih vlakana, bojila i lijekova, dezinficijensa. Pikrinska kiselina se koristi kao eksploziv.

Nastao na bazi benzena. U normalnim uvjetima su čvrste otrovne tvari specifične arome. U suvremenoj industriji ovi kemijski spojevi igraju važnu ulogu. U smislu upotrebe, fenol i njegovi derivati su među dvadeset najtraženijih kemijskih spojeva u svijetu. Široko se koriste u kemijskoj i lakoj industriji, farmaciji i elektroenergetici. Stoga je proizvodnja fenola u industrijskim razmjerima jedan od glavnih zadataka kemijske industrije.

Oznake fenola

Izvorni naziv fenola je karbolna kiselina. Kasnije je ovaj spoj dobio naziv "fenol". Formula ove tvari prikazana je na slici:

Brojanje atoma fenola temelji se na atomu ugljika koji je povezan s OH hidroksilnom skupinom. Niz se nastavlja takvim redoslijedom da drugi supstituirani atomi dobiju najmanji broj. Derivati fenola postoje u obliku tri elementa čije se karakteristike objašnjavaju razlikom u njihovim strukturnim izomerima. Razni orto-, meta-, parakrezoli samo su modifikacije osnovne strukture spoja benzenskog prstena i hidroksilne skupine čija je osnovna kombinacija fenol. Formula ove tvari u kemijskom zapisu izgleda kao C 6 H 5 OH.

Fizička svojstva fenola

Vizualno je fenol čvrsti bezbojni kristali. Na otvorenom se oksidiraju, dajući tvari karakterističnu ružičastu nijansu. U normalnim uvjetima, fenol je prilično slabo topiv u vodi, ali s povećanjem temperature na 70 o, ova brojka naglo raste. U alkalnim otopinama, ova tvar je topiva u bilo kojoj količini i na bilo kojoj temperaturi.

Ova svojstva zadržavaju se i u drugim spojevima, čija su glavna komponenta fenoli.

Kemijska svojstva

Jedinstvena svojstva fenola su posljedica njegove unutarnje strukture. U molekuli ove kemikalije, kisikova p-orbitala tvori jedan p-sustav s benzenskim prstenom. Ova čvrsta interakcija povećava gustoću elektrona aromatskog prstena i snižava ovaj indeks za atom kisika. U ovom slučaju, polaritet veza hidroksilne skupine značajno se povećava, a vodik uključen u njegov sastav lako se zamjenjuje bilo kojim alkalnim metalom. Tako nastaju razni fenolati. Ovi spojevi se ne razgrađuju vodom, kao alkoholati, ali su im otopine vrlo slične solima jakih baza i slabih kiselina, pa imaju dosta izraženu alkalnu reakciju. Fenolati stupaju u interakciju s različitim kiselinama; kao rezultat reakcije, fenoli se smanjuju. Kemijska svojstva ovog spoja omogućuju mu interakciju s kiselinama u stvaranje estera. Na primjer, interakcija fenola i octene kiseline dovodi do stvaranja fenil estera (feniacetata).

Nadaleko je poznata reakcija nitriranja u kojoj fenol tvori smjesu para- i ortonitrofenola pod utjecajem 20% dušične kiseline. Ako se fenol izloži koncentriranoj dušičnoj kiselini, dobiva se 2,4,6-trinitrofenol, koji se ponekad naziva pikrinska kiselina.

Fenol u prirodi

Kao samostalna tvar, fenol se prirodno nalazi u katran ugljena i u određenim vrstama ulja. Ali za industrijske potrebe ovaj iznos ne igra nikakvu ulogu. Stoga je dobivanje fenola umjetnom metodom postalo prioritetni zadatak mnogih generacija znanstvenika. Srećom, ovaj problem je riješen i kao rezultat je dobiven umjetni fenol.

Svojstva, dobivanje

Korištenje različitih halogena omogućuje dobivanje fenata iz kojih se tijekom daljnje obrade stvara benzen. Na primjer, zagrijavanjem natrijevog hidroksida i klorobenzena nastaje natrijev fenolat, koji se razgrađuje u sol, vodu i fenol kada je izložen kiselini. Formula za takvu reakciju je ovdje:

S 6 N 5 -CI + 2NaOH -> S 6 N 5 -ONa + NaCl + N 2 O

Aromatske sulfonske kiseline također su izvor za proizvodnju benzena. Kemijska reakcija se provodi uz istodobno taljenje lužine i sulfonske kiseline. Kao što se može vidjeti iz reakcije, prvo nastaju fenoksidi. Kada se tretiraju jakim kiselinama, reduciraju se u polihidrične fenole.

Fenol u industriji

U teoriji, dobivanje fenola na najjednostavniji i najperspektivniji način izgleda ovako: pomoću katalizatora, benzen se oksidira kisikom. No, do sada, katalizator za ovu reakciju nije odabran. Stoga se u industriji trenutno koriste druge metode.

Kontinuirana industrijska metoda za proizvodnju fenola sastoji se od interakcije klorobenzena i 7% otopine natrijevog hidroksida. Dobivena smjesa se propušta kroz kilometarski sustav cijevi zagrijanih na temperaturu od 300 C. Pod utjecajem temperature i održavanog visokog tlaka, polazni materijali ulaze u reakciju, uslijed čega 2,4- dobivaju se dinitrofenol i drugi proizvodi.

Ne tako davno razvijena je industrijska metoda za proizvodnju tvari koje sadrže fenol metodom kumena. Ovaj proces se sastoji od dvije faze. Prvo se iz benzena dobiva izopropilbenzen (kumen). Za to se benzen alkilira s propilenom. Reakcija izgleda ovako:

Nakon toga, kumen se oksidira kisikom. Na izlazu iz druge reakcije dobivaju se fenol i još jedan važan produkt, aceton.

Iz toluena je moguća proizvodnja fenola u industrijskim razmjerima. Za to se toluen oksidira na kisiku u zraku. Ova reakcija se odvija u prisutnosti katalizatora.

Primjeri fenola

Najbliži homolozi fenola nazivaju se krezoli.

Postoje tri vrste krezola. Meta-krezol je tekućina u normalnim uvjetima, para-krezol i orto-krezol su krute tvari. Svi krezoli su slabo topljivi u vodi, a njihova su kemijska svojstva gotovo slična fenolu. U svom prirodnom obliku, krezoli se nalaze u katranu ugljena, u industriji se koriste u proizvodnji bojila i nekih vrsta plastike.

Primjeri dihidričnih fenola uključuju para-, orto- i meta-hidrobenzene. Sve su čvrste tvari, lako topljive u vodi.

Jedini predstavnik troatomnog fenola je pirogalol (1,2,3-trihidroksibenzen). Njegova formula je predstavljena u nastavku.

Pirogalol je prilično jak redukcijski agens. Lako oksidira, stoga se koristi za dobivanje plinova pročišćenih od kisika. Ova tvar je dobro poznata fotografima, koristi se kao razvijač.

Glavna svrha ovog procesa je proizvodnja metalurškog koksa. Tekući proizvodi koksanja i plin nastaju kao nusproizvodi. Destilacijom tekućih koksnih proizvoda zajedno s benzenom, toluenom i naftalenom nastaju fenol, tiofen, piridin i njihovi homolozi, kao i složeniji analozi s kondenziranim jezgrama. Udio fenola kamenog katrana u usporedbi s onim dobivenim kumenskom metodom je neznatan.

2. Supstitucija halogena u aromatskim spojevima

Zamjena hidroksilne skupine za halogen odvija se u teškim uvjetima i poznata je kao "Dow" proces (1928.)

Prije se fenol dobivao ovom metodom (iz klorobenzena), ali sada je njegova važnost smanjena zbog razvoja ekonomičnijih metoda koje nisu povezane s troškovima klora i lužine i stvaranjem velike količine otpadnih voda.

U aktiviranim haloarenima (koji zajedno s halogenom sadrže nitro skupinu u O- i NS- pozicije), supstitucija halogena se odvija u blažim uvjetima:

To se može objasniti učinkom povlačenja elektrona nitro skupine, koja povlači gustoću elektrona benzenskog prstena i tako sudjeluje u stabilizaciji σ-kompleksa:

3. Raschigova metoda

Ovo je modificirana metoda klora: benzen se podvrgava oksidativnom kloriranju djelovanjem klorovodika i zraka, a zatim se, bez emitiranja nastalog klorobenzena, hidrolizira vodenom parom u prisutnosti bakrenih soli. Kao rezultat toga, klor se uopće ne troši, a cjelokupni proces se svodi na oksidaciju benzena u fenol:

4.Sulfonatna metoda

Fenoli se mogu dobiti s dobrim prinosom spajanjem aromatskih sulfonskih kiselina Ar-SO 3 H sa smjesom natrijevog i kalijevog hidroksida (reakcija alkalno taljenje) na 300 °C uz naknadnu neutralizaciju nastalog alkoholata dodavanjem kiseline:

Metoda se još uvijek koristi u industriji (za proizvodnju fenola) i koristi se u laboratorijskoj praksi.

5. Metoda kumena

Prva velika proizvodnja fenola kumenskom metodom izvedena je 1949. u Sovjetskom Savezu. Trenutno je glavna metoda za proizvodnju fenola i acetona.

Metoda uključuje dvije faze: oksidaciju izopropilbenzena (kumena) s atmosferskim kisikom u hidroperoksid i njegovu kiselu razgradnju:

Prednost ove metode je odsutnost nusproizvoda i velika potražnja za krajnjim proizvodima - fenolom i acetonom. Metodu je u našoj zemlji razvio R.Yu. Udris, B.D. Krutalov i drugi 1949. godine

6. Od diazonijevih soli

Metoda se sastoji u zagrijavanju diazonijevih soli u razrijeđenoj sumpornoj kiselini, što dovodi do hidrolize – zamjene diazo skupine hidroksi skupinom. Sinteza je vrlo pogodna za dobivanje hidroksiarena u laboratorijskim uvjetima:

Struktura fenola

Struktura i raspodjela elektronske gustoće u molekuli fenola može se prikazati sljedećim dijagramom:

Dipolni moment fenola je 1,55 D i usmjeren je prema benzenskom prstenu. Hidroksilna skupina u odnosu na benzenski prsten pokazuje –I učinak i + M učinak. Budući da mezomerni učinak hidroksi skupine prevladava nad induktivnim, konjugacija usamljenih elektronskih parova atoma kisika s orbitalama benzenskog prstena ima učinak donora elektrona na aromatski sustav, što povećava njegovu reaktivnost u elektrofilnoj supstituciji. reakcije.

a) Acetilen se može dobiti iz metana kada se zagrijava:

U prisutnosti katalizatora, acetilen se pretvara u benzen (reakcija trimerizacije):

Fenol se može dobiti iz benzena u dva stupnja. Benzen reagira s klorom u prisutnosti željeznog klorida da nastane klorobenzen:

Pod djelovanjem lužine na klorobenzen na visokoj temperaturi, atom klora zamjenjuje se hidroksilnom grupom i dobiva se fenol:

Kada djeluje brom fenol, nastaje 2,4,6-tribromofenol:

b) Etan se iz metana može dobiti u dvije postaje. Kloriranjem metana nastaje klorometan. Kloriranjem metana na svjetlu nastaje klorometan:

Kada klorometan stupi u interakciju s natrijem, nastaje etan (Wurtzova reakcija):

Propan se također može dobiti iz etana u dvije faze. Kloriranjem etana nastaje kloroetan:

Kada kloroetan reagira s klorometanom u prisutnosti natrija, nastaje propan:

Heksan se može dobiti iz propana u dvije faze. Kloriranjem propana nastaje mješavina izomera - 1-kloropropana i 2-kloropropana. Izomeri imaju različite točke vrelišta i mogu se odvojiti destilacijom.

Kada 1-kloropropan stupi u interakciju s natrijem, nastaje heksan:

Dehidrogenacijom heksana preko katalizatora nastaje benzen:

Iz benzena se pikrinska kiselina (2,4,6-trinitrofenol) može dobiti u tri stupnja. Kada benzen reagira s klorom u prisutnosti željeznog klorida, nastaje klorobenzen.