Молекулярна і структурна формула розрахунку фенолу

Навчання 02 липня 2022 Перегляди: 115

Феноли — загальна назва ароматичних спиртів. За своїми властивостями речовини є слабкими кислотами. Важливе практичне значення мають багато гомологів гідроксибензолу S₆N₅0N (формула фенолу) — найпростішого представника класу. Зупинимося на цьому детальніше.

Феноли. Загальна формула і класифікація

Загальна формула органічних речовин, що належать до ароматичних спиртів, — R-OH. Молекули власне фенолів і крезолів утворені радикалом — фенілом S6N5, з яким безпосередньо з’єднується одна або кілька гідроксильних груп OH (оксигруп). За їх кількістю у молекулі феноли класифікуються на одно-, дво- і багатоатомні. Одноатомними сполуками цього типу є фенол і крезол. Найбільш поширені серед багатоатомних гідроксибензолів — нафтоли, які містять у своєму складі 2 конденсованих ядра.

Фенол — представник ароматичних спиртів

Текстильникам фенол був відомий вже в XVIII столітті: ткачі використовували його як барвника. При перегонці кам’яновугільної смоли в 1834 році хімік з Німеччини Ф. Рунге виділив кристали цієї речовини з характерним солодкуватим запахом. Латинська назва вугілля — carbo, тому сполуку називали карболовою кислотою (карболкою). Німецькому досліднику не вдалося визначити склад речовини. Молекулярна формула фенолу була встановлена в 1842 роках О. Лораном, який вважав карболку похідним бензолу. Для нової кислоти вживали найменування «фенілова». Шарль Жерар визначив, що речовина є спиртом, і назвав її фенолом. Початкові області застосування сполуки — медицина, дублення шкір, випуск синтетичних барвників. Характеристики розглянутої речовини:

• Раціональна хімічна формула — C₆H₅
• Молекулярна маса сполуки — 94,11 а. тобто м.
• Брутто-формула, що відображає склад, — C₆H₆

Електронна та просторова будова молекули фенолу

Циклічну структурну формулу бензолу запропонував німецький хімік-органік Ф. Кекуле в 1865 році, а незадовго до нього — І. Лошмідт. Вчені представляли молекулу органічної речовини у вигляді правильного шестикутника з низкою простих і подвійних зв’язків. За сучасними уявленнями, ароматичне ядро — це особливий вид кільцевої структури, що отримав назву «сполучений зв’язок».

Шість атомів вуглецю С відчувають процес sp2-гібридизації електронних орбіталів. Ті, хто не бере участі в освіті С — С-зв’язків р-електронні хмари перекриваються над і під площиною ядра молекули. Виникають дві частини загальної електронної хмари, яка охоплює все кільце. Структурна формула фенолу може виглядати по-різному, враховуючи історичний підхід до опису будови бензолу. Щоб підкреслити неподільний характер ароматичних вуглеводнів, умовно вважають подвійними три з шести зв’язків, які перемежуються з трьома простими.

Поляризація зв’язку в оксигрупі

У найпростішому ароматичному вуглеводні — бензолі S₆N₆ — електронна хмара є симетричною. Формула фенолу відрізняється на одну оксигрупу. Присутність гідроксила порушує симетрію, що знаходить відображення у властивостях речовини. Зв’язок між киснем і воднем в оксигрупі — полярна ковалентна. Зміщення загальної пари електронів до атома кисню призводить до виникнення на ньому негативного заряду (часткового). Водень позбавляється електрону і купує частковий заряд «+». Крім того, кисень у О — Н-групі є володарем двох неподілених електронних пар. Одна з них притягується електронною хмарою ароматичного ядра. З цієї причини зв’язок стає більш поляризованим, атом водню легше заміщається металами. Моделі дають уявлення про несиметричний характер молекули фенолу.

Особливості взаємовпливу атомів у фенолі

Єдина електронна хмара ароматичного ядра в молекулі фенолу взаємодіє з гідроксильною групою. Відбувається явище, що отримало назву сполучення, в результаті якого власна пара електронів атома кисню оксигрупи притягується до системи бензольного циклу. Зниження негативного заряду компенсується завдяки ще більшій поляризації зв’язку в групі О — Н.

В ароматичному ядрі також змінюється система електронного розподілу. Вона знижується на вуглеці, який пов’язаний з киснем, і підвищується у найближчих до нього атомів, що знаходяться в орто-положеннях (2 і 6). Сполучення викликає накопичення на них заряду «-». Подальше «зміщення щільності — рух її від атомів у мета-положеннях (3 і 5) до вуглецю в пари-положенні (4). Формула фенолу для зручності вивчення сполучення і взаємовпливу зазвичай містить нумерацію атомів бензольного кільця.

Пояснення хімічних властивостей фенолу на основі його електронної будови

Процеси сполучення ароматичного ядра і гідроксила позначаються на властивостях обох частинок і всієї речовини. Наприклад, висока електронна щільність атомів в орто- і пари-положеннях (2, 4, 6) робить С — Н-зв’язку ароматичного циклу фенолу більш реакційноздатними. Знижується негативний заряд атомів вуглецю в мета-положеннях (3 і 5). Атаці електрофільних частинок в хімічних реакціях піддається вуглець, що знаходиться в орто- і пара-положеннях. У реакції бромування бензолу зміни настають при сильному нагріванні і присутності каталізатора. Утворюється моногалогеновиробне — бромбензол. Формула фенолу дозволяє речовині реагувати з бромом практично миттєво без нагрівання суміші.

Ароматичне ядро впливає на полярність зв’язку в оксигрупі, збільшуючи її. Атом водню стає рухливішим, порівняно з граничними спиртами. Фенол реагує з лужами, утворюючи солі — феноляти. Етанол не взаємодіє зі лужами, вірніше, продукти реакції — етаноляти — розкладаються. У хімічному плані феноли — більш сильні кислоти, ніж спирти.

Представники класу ароматичних спиртів

Брутто-формула гомолога фенолу — крезолу (метилфенолу, гідрокситолуолу) — C₇H₈O. Речовина в природній сировині часто супроводжує фенолу, теж має антисептичні властивості. Інші гомологи фенолу:

• Пірокатехін (1,2-гідроксибензол). Хімічна формула — S₆N₄ (ОН_{) 2.}
• Резорцин (1,3-гідроксибензол) — S₆N₄ (ОН_{) 2.}
• Пірогалол (1,2,3- тригідроксибензол) — S₆N₃ (ОН_{) 3.}
• Нафтол. Брутто-формула речовини — C₁₀H₇ Використовується у виробництві барвників, медикаментів, запашних сполук.
• Тимол (2-ізопропил-5-метилфенол). Хімічна формула — C₆H₃CH₃ (OH) ₍C₃H7). Застосовується в хімії органічного синтезу, медицині.
• Ванілін, крім фенольного радикала, містить просту ефірну групу і залишок альдегіду. Брутто-формула з’єднання — C₈H₈O₃. Ванілін широко використовується як штучна віддушка.

Формула реактиву для розпізнавання фенолів

Якісне визначення фенолу можна проводити за допомогою брому. В результаті реакції заміщення випадає білий осад трибромфенолу. Пірокатехін (1,2-гідроксибензол) пофарбовується в зелений колір у присутності розчиненого хлориду трьохвалентного заліза. З цим же реагентом вступає в хімічну реакцію фенол, і утворюється трифенолят, що володіє фіолетовим кольором. Якісна реакція на резорцин — поява темно-фіолетового фарбування в присутності хлориду трьохвалентного заліза. Поступово колір розчину стає чорним. Формула реактиву, який служить для розпізнавання фенолу і деяких його гомологів, — FeCl₃ (хлорид заліза (III)).

Гідроксибензол, нафтол, тимол — це все феноли. Загальна формула і склад речовин дозволяє визначити приналежність цих сполук до ароматичного ряду. Всі органічні речовини, що містять у своїй формулі фенільний радикал S₆N₅, з яким безпосередньо пов’язані оксигрупи, виявляють особливі властивості. Від спиртів вони відрізняються краще вираженим кислотним характером. Порівняно з речовинами гомологічного ряду бензолу, феноли — більш активні хімічні сполуки.