fenol, hemijska supstanca organskog porekla, pripada grupi aromatičnih ugljovodonika.

Godine 1842. francuski organski naučnik Auguste Laurent uspio je izvesti formulu za fenol (C6H5OH), koja se sastoji od benzenskog prstena i OH hidroksi grupe. Fenol ima nekoliko naziva koji se koriste kako u naučnoj literaturi tako i kolokvijalno, a nastali su zbog sastava ove supstance. Tako se često naziva fenol oksibenzen ili karbolna kiselina.

Fenol je otrovan. Prašina i rastvor fenola iritiraju sluzokožu očiju, respiratornog trakta i kože. Ima slabo kisela svojstva kada je izložen alkalijama, stvara soli - fenolate. Djelovanjem broma proizvodi tribromofenol, koji se koristi za proizvodnju antiseptika - kseroforma. Benzenski prsten i OH grupa, kombinovani u molekulu fenola, utiču jedni na druge, značajno povećavajući međusobnu reaktivnost. Od posebnog značaja su reakcije kondenzacije fenola sa aldehidima i ketonima, koje rezultiraju polimernim produktima.

Fizička svojstva fenola

Hemijska svojstva fenola

Fenol je bijela kristalna tvar karakterističnog oštrog slatko-šećernog mirisa, koja lako oksidira kada je izložena zraku, prvo poprima ružičastu, a nakon nekog vremena bogatu smeđu boju. Karakteristika fenola je njegova odlična rastvorljivost ne samo u vodi, već iu alkoholu, alkalnim medijima, benzenu i acetonu. Osim toga, fenol ima vrlo nisku tačku topljenja i lako prelazi u tečno stanje na temperaturi od +42°C, a ima i slaba kisela svojstva. Stoga, u interakciji sa alkalijama, fenol stvara soli koje se nazivaju fenolati.

Ovisno o tehnologiji proizvodnje i namjeni, fenol se proizvodi u tri razreda: A, B i C prema GOST 23519-93. Ispod su njegove tehničke karakteristike.

Tehničke karakteristike fenola prema GOST 23519-93

Metode za proizvodnju fenola

Fenol se ne pojavljuje u prirodi u svom čistom obliku; on je vještački proizvod organske hemije. Trenutno postoje tri glavne metode za proizvodnju fenola u industrijskim količinama. Glavni udio u njegovoj proizvodnji čini takozvana cumpole metoda, koja uključuje oksidaciju aromatičnog organskog jedinjenja izopropilbenzena zrakom. Kao rezultat kemijske reakcije dobiva se cumpol hidroperoksid, koji se u interakciji sa sumpornom kiselinom razlaže u aceton, nakon čega slijedi taloženje fenola u obliku kristalnog taloga. Za proizvodnju se koristi i metilbenzen (toluen), usled čije oksidacije nastaje ova hemikalija i benzojeva kiselina. Osim toga, u nekim industrijama, kao što je proizvodnja metalurškog koksa, fenol se oslobađa iz katrana ugljena. Međutim, ovaj način proizvodnje je neisplativ zbog povećanog energetskog intenziteta. Među najnovijim dostignućima hemijske industrije je proizvodnja fenola reakcijom benzena i sirćetne kiseline, kao i oksidativno hlorisanje benzena.

Fenol je prvi put u industrijskim količinama proizvela njemačka kompanija BASF 1899. sulfoniranjem benzena sumpornom kiselinom. Tehnologija za njegovu proizvodnju bila je da je sulfonska kiselina naknadno podvrgnuta alkalnom topljenju, što je rezultiralo stvaranjem fenola. Ova metoda je korišćena više od 100 godina, ali su u drugoj polovini 20. veka preduzeća hemijske industrije bila primorana da je napuste zbog ogromne količine otpada natrijum sulfita, koji je bio nusproizvod organske sinteze fenola. .

U prvoj polovini 20. veka američka kompanija Dow Chemical uvela je još jednu metodu za proizvodnju fenola, hlorisanjem benzena, koja je nazvana „Rašigov proces“. Metoda se pokazala prilično efikasnom, jer je specifična težina rezultirajuće supstance dostigla 85%. Naknadno je ista kompanija uvela metodu za oksidaciju metilbenzlena praćenu razgradnjom benzojeve kiseline, međutim, zbog problematične deaktivacije katalizatora, danas ga koristi oko 3-4% preduzeća hemijske industrije.

Najefikasnija je kumpolarna metoda za proizvodnju fenola, koju je razvio sovjetski hemičar Pyotr Sergeev i uveo u proizvodnju 1942. godine. Prva fabrika kumpol, izgrađena 1949. godine u gradu Dzeržinsk, u oblasti Gorki, mogla je da obezbedi trećinu potreba SSSR-a za fenolom.

Područje primjene fenola

U početku se fenol koristio za proizvodnju raznih vrsta boja, zbog svoje osobine da mijenja boju tokom oksidacije od blijedo ružičaste do smeđe. Ova hemikalija se nalazi u mnogim vrstama sintetičkih boja. Osim toga, svojstvo fenola da uništava bakterije i mikroorganizme usvojeno je u industriji štavljenja prilikom štavljenja životinjskih koža. Kasnije se fenol uspješno koristio u medicini kao jedno od sredstava za dezinfekciju i dezinfekciju hirurških instrumenata i prostorija, te kao 1,4-postotni vodeni rastvor - kao analgetik i antiseptik za unutrašnju i vanjsku upotrebu. Osim toga, fenol salicilne kiseline je osnova aspirina, a njen derivat, para-aminosalicilna kiselina, koristi se za liječenje pacijenata sa tuberkulozom. Fenol je također dio snažnog laksativnog lijeka purgena.

Trenutno je glavna namjena fenola hemijska industrija, gdje se ova tvar koristi za proizvodnju plastike, fenol-formaldehidnih smola, umjetnih vlakana kao što su najlon i najlon, kao i raznih antioksidansa. Osim toga, fenol se koristi za proizvodnju plastifikatora, uljnih aditiva, a jedna je od komponenti u sredstvima za zaštitu bilja. Fenol se također aktivno koristi u genetskom inženjeringu i molekularnoj biologiji, kao sredstvo za pročišćavanje i izolaciju molekula DNK.

Štetna svojstva fenola

Skoro odmah nakon dobijanja fenola, naučnici su ustanovili da ova hemikalija ne samo da ima korisna svojstva, što joj omogućava da se koristi u raznim oblastima nauke i proizvodnje, već je i snažan otrov. Dakle, kratkotrajno udisanje para fenola može dovesti do iritacije nazofarinksa, opekotina respiratornog trakta i naknadnog plućnog edema sa smrtnim ishodom. Kada otopina fenola dođe u dodir s kožom, nastaju hemijske opekotine, koje se kasnije pretvaraju u čireve. Ako se otopinom tretira više od 25 posto kože, to može uzrokovati smrt. Ako fenol dospije u organizam s vodom za piće, dolazi do razvoja peptičkih ulkusa, atrofije mišića, poremećaja koordinacije pokreta i krvarenja. Osim toga, naučnici su otkrili da je fenol uzročnik raka i doprinosi razvoju zatajenja srca i neplodnosti.

Zbog svojstva oksidacije, pare ove kemikalije se potpuno otapaju u zraku nakon otprilike 20-25 sati. Kada se ispusti u tlo, fenol zadržava svoja toksična svojstva tijekom cijelog dana. Međutim, u vodi njegova održivost može doseći 7-12 dana. Stoga je najvjerovatniji put da ova toksična supstanca uđe u ljudsko tijelo i na kožu je kroz kontaminiranu vodu.

Kao dio plastike, fenol ne gubi svoja hlapljiva svojstva, stoga je upotreba fenola u prehrambenoj industriji, proizvodnji predmeta za domaćinstvo i dječjih igračaka danas strogo zabranjena. Njihova upotreba se takođe ne preporučuje za završnu obradu stambenih i poslovnih prostora u kojima ljudi provode najmanje nekoliko sati dnevno. Po pravilu, fenol se iz organizma izlučuje znojem i urinom u roku od 24 sata, ali za to vrijeme uspijeva nanijeti nepopravljivu štetu ljudskom zdravlju. Zbog svojih štetnih svojstava, u mnogim zemljama širom svijeta postoje ograničenja upotrebe ove supstance u medicinske svrhe.

Uslovi transporta i skladištenja

Postoje međunarodni standardi za transport fenola, dizajnirani da izbjegnu ispuštanje tvari u okoliš.

Fenol se prevozi željeznicom u skladu sa pravilima za transport robe u cisternama opremljenim uređajem za grijanje. Rezervoari moraju biti izrađeni od nerđajućeg hrom-nikl čelika, pocinkovanog ugljeničnog čelika ili ugljeničnog čelika. Fenol namenjen za proizvodnju medicinskih proizvoda transportuje se u železničkim cisternama od nerđajućeg hrom-nikl čelika i ugljeničnog čelika sa pocinkovanim premazom. Fenol se takođe transportuje kroz zagrejani cevovod od nerđajućeg hrom-nikl čelika.

Fenol u rastopljenom i čvrstom stanju skladišti se u zatvorenim posudama od nerđajućeg hrom-nikl čelika, pocinkovanog ugljeničnog čelika ili ugljeničnog čelika, kao i u posudama od monolitnog aluminijuma. Dozvoljeno je skladištenje fenola u rastopljenom stanju pod azotom (volumenski udio kiseonika u azotu ne bi trebalo da prelazi 2%) na temperaturi od (60 ± 10) °C 2-3 dana. Prilikom skladištenja u aluminijskim posudama potrebno je strogo kontrolirati temperaturu kako bi se izbjeglo otapanje aluminija u proizvodu.

Fenol C 6 H 5 OH – bezbojna, kristalna supstanca sa karakterističnim mirisom. Njegova tačka topljenja = 40,9 C. Slabo je rastvorljiv u hladnoj vodi, ali se već na 70°C rastvara u bilo kom odnosu. Fenol je otrovan. U fenolu, hidroksilna grupa je povezana sa benzenskim prstenom.

Hemijska svojstva

1. Interakcija sa alkalnim metalima.

2C 6 H 5 OH + 2Na → 2C 6 H 5 ONa + H 2

natrijum fenolat

2. Interakcija sa alkalijama (fenol je slaba kiselina)

C 6 H 5 OH + NaOH → C 6 H 5 ONa + H2O

3. Halogenacija.

4. Nitracija

5. Kvalitativna reakcija na fenol

3C 6 H 5 OH +FeCl 3 → (C 6 H 5 O) 3 Fe +3HCl (ljubičasta boja)

Aplikacija

Nakon otkrića fenola, brzo se koristio za štavljenje kože i u proizvodnji sintetičkih boja. Tada je medicina neko vrijeme postala glavni potrošač fenola. Razvoj proizvodnje fenolne plastike krajem 19. stoljeća, prvenstveno fenol-formaldehidnih smola, dao je aktivan poticaj razvoju tržišta fenola. Tokom Prvog svetskog rata, fenol se široko koristio za proizvodnju snažnog eksploziva, pikrinske kiseline.

Za dezinfekciju prostorija i posteljine koriste se razrijeđeni vodeni rastvori fenola (karbolna kiselina (5%)). Kao antiseptik, široko se koristio u evropskoj i američkoj medicini tokom Drugog svetskog rata, ali je zbog visoke toksičnosti njegova upotreba trenutno jako ograničena. Široko se koristi u molekularnoj biologiji i genetskom inženjeringu za pročišćavanje DNK. Pomešan sa hloroformom, prethodno je korišćen za izolaciju DNK iz ćelija. Trenutno ova metoda nije relevantna zbog prisustva velikog broja specijaliziranih kitova za izolaciju.

Kao dezinfekciono sredstvo (karbolna kiselina) koristi se rastvor fenola. Dvoatomski fenoli - pirokatehol, resorcinol, kao i hidrokinon (para-dihidroksibenzen) koriste se kao antiseptici (antibakterijska dezinfekciona sredstva), unose se u štavljenje kože i krzna, kao stabilizatori za maziva ulja i gume, kao i za obradu fotografskih materijala i kao reagensi u analitičkoj hemiji.

Ova supstanca je otkrivena u 1771 godine. Odmah nakon otkrića korišćena je kao boja. Tekstilni radnici su njome farbali svoje tkanine. IN 1834 Nemački hemičar Friedlieb Runge otkrio bijelu kristalnu supstancu karakterističnog mirisa u produktima destilacije katrana ugljena, ali nije mogao odrediti njen sastav. I samo unutra 1841 godine Auguste Laurent uspostavio svoju formulu.

• Određivanje fenola.

• Klasifikacija i izomerizam fenola.

• Fizička svojstva fenola.

Za potpuniju sliku fizičkih svojstava pogledajte video:

• Struktura molekula fenola.

• Usamljeni elektronski par atoma kiseonika privučen je oblakom od 6 elektrona benzenskog prstena, uzrokujući da O–H veza postane još više polarizovana. Fenol je jača kiselina od vode i alkohola.

• U benzenskom prstenu, simetrija elektronskog oblaka je narušena, elektronska gustina se povećava na pozicijama 2, 4, 6. To čini C - H veze na pozicijama 2, 4, 6 i više reaktivnim? – veze benzenskog prstena.

• Hemijska svojstva fenola.

a) kisela svojstva:
Kiselost fenola je znatno veća od kiselosti zasićenih alkohola; reaguje i sa alkalnim metalima,i sa njihovim hidroksidima (otuda stari naziv "karbolna kiselina"):

C 6 H 5 ONa + CO 2 + H 2 O → C 6 H 5 OH + NaHCO3.

C 6 H 5 OH + CH 3 - CO ― Cl → C 6 H 5 - O - CO - CH 3 + HCl.

• interakcija sa bromnom vodom:

• interakcija sa dušičnom kiselinom:
  Kada se fenol nitrira koncentriranom dušičnom kiselinom, tri atoma vodika zamjenjuju se nitro grupom i nastaje 2,4,6-trinitrofenol (pikrinska kiselina):

• reakcija polikondenzacije

• C 6 H 5 OH + FeCl 3 -> ljubičaste boje
• C 6 H 5 OH + Br 2 -> bijeli talog
• C 6 H 4 (OH) 2 + FeCl 3 -> zelene boje
• C 6 H 3 (OH) 3 + FeCl 3 —> crvena boja

IV. Oksidacija.
Fenoli se lako oksidiraju čak i pod utjecajem atmosferskog kisika. Tako, kada stoji na zraku, fenol postepeno postaje ružičasto-crven. Tokom snažne oksidacije fenola sa smjesom hroma, glavni proizvod oksidacije je kinon. Dvoatomski fenoli se još lakše oksidiraju. Nakon oksidacije hidrokinon se takođe formira kinon:

• Priprema fenola.

C 6 H 5 - SA l + 2 NaOH → C 6 H 5 - ONa + NaCl + H 2 O.

(1)

Imena fenola su sastavljena uzimajući u obzir činjenicu da je za matičnu strukturu, prema IUPAC pravilima, zadržan trivijalni naziv “fenol”. Numeracija atoma ugljika benzenskog prstena počinje od atoma direktno vezanog za hidroksilnu grupu (ako je to najviša funkcija) i nastavlja se takvim nizom da dostupni supstituenti dobiju najmanje brojeve.

Mono-supstituirani derivati ​​fenola, na primjer metilfenol (krezol), mogu postojati u obliku tri strukturna izomera - orto-, meta- i para-krezola.

Fizička svojstva.

Fenoli su uglavnom kristalne supstance (-krezol - tečnost) na sobnoj temperaturi. Imaju karakterističan miris, prilično su slabo rastvorljivi u vodi, ali se dobro otapaju u vodenim rastvorima alkalija (vidi dole). Fenoli formiraju jake vodonične veze i imaju prilično visoke tačke ključanja.

Načini dobijanja.

1. Priprema iz halobenzena. Kada se hlorobenzen i natrijum hidroksid zagreju pod pritiskom, dobija se natrijum fenolat, čijom daljom preradom sa kiselinom nastaje fenol:

2. Preparat iz aromatičnih sulfonskih kiselina (videti reakciju 3 u odeljku „Hemijska svojstva benzena“, § 21). Reakcija se izvodi spajanjem sulfonskih kiselina sa alkalijama. Prvo formirani fenoksidi se tretiraju jakim kiselinama da bi se dobili slobodni fenoli. Metoda se obično koristi za dobivanje polihidričnih fenola:

Hemijska svojstva.

U fenolima, p-orbitala atoma kiseonika formira jedan sistem sa aromatičnim prstenom. Kao rezultat ove interakcije, elektronska gustina atoma kiseonika opada, a benzenskog prstena raste. Povećava se polaritet O-H veze, a vodik OH grupe postaje reaktivniji i lako se zamjenjuje metalom čak i pod djelovanjem lužina (za razliku od zasićenih monohidričnih alkohola).

Osim toga, kao rezultat takvog međusobnog utjecaja u molekuli fenola, povećava se reaktivnost benzenskog prstena na orto i kara pozicijama u reakcijama elektrofilne supstitucije (halogenacija, nitracija, polikondenzacija, itd.):

1. Kisela svojstva fenola se manifestuju u reakcijama sa alkalijama (sačuvan je stari naziv "karbolna kiselina"):

Međutim, fenol je vrlo slaba kiselina. Kada se ugljični dioksid ili plinovi sumpordioksida propuštaju kroz otopinu fenolata, oslobađa se fenol - ova reakcija dokazuje da je fenol slabija kiselina od ugljične i sumpordioksida:

Kisela svojstva fenola su oslabljena uvođenjem supstituenata prve vrste u prsten i pojačana uvođenjem supstituenata druge vrste.

2. Formiranje estera. Za razliku od alkohola, fenoli ne stvaraju estre kada su izloženi karboksilnim kiselinama; U tu svrhu koriste se kiseli hloridi:

3. Halogenacija. Kada se fenol izloži bromnoj vodi (uporedi sa uslovima za bromiranje benzena - § 21), formira se talog 2,4,6-tribromofenola:

Ovo je kvalitativna reakcija za detekciju fenola.

4. Nitracija. Pod uticajem 20% azotne kiseline, fenol se lako pretvara u mešavinu orto- i para-nitrofenola. Ako se fenol nitrira koncentriranom dušičnom kiselinom, nastaje 2,4,6-trinitrofenol - jaka kiselina (pikrinska kiselina).

5. Oksidacija. Fenoli se lako oksidiraju čak i pod utjecajem atmosferskog kisika.

Tako, kada stoji na zraku, fenol postepeno postaje ružičasto-crven. Tokom snažne oksidacije fenola sa smjesom hroma, glavni proizvod oksidacije je kinon. Dvoatomski fenoli se još lakše oksidiraju. Oksidacijom hidrokinona nastaje kinon:

Monohidrični fenoli su bistre tečnosti ili kristalne supstance, često obojene u ružičasto-crvenu boju zbog svoje oksidacije. To su otrovi i izazivaju opekotine ako dođu u dodir s kožom. Ubijaju mnoge mikroorganizme, odnosno imaju dezinfekciona i antiseptička svojstva. Rastvorljivost fenola u vodi je niska, njihove tačke ključanja su relativno visoke zbog postojanja međumolekularnih vodoničnih veza.

Fizička svojstva

Fenoli su slabo rastvorljivi u vodi, ali se dobro rastvaraju u alkoholu, eteru, benzenu, sa vodom formiraju kristalne hidrate i destiluju se vodenom parom. Na zraku, sam fenol lako oksidira i potamni. Uvođenje supstituenata kao što su halogeni, nitro grupe itd. u para položaj molekule fenola značajno povećava tačku ključanja i tališta jedinjenja:

Slika 1.

Fenoli su polarne supstance sa dipolnim momentom $\mu$ = 1,5-1,6 $D$. Vrijednost $EI$ od 8,5-8,6 eV ukazuje na veća svojstva donora fenola u poređenju sa arenima kao što su benzen (9,25 eV), toluen (8,82 eV) i etilbenzen (8,76 eV). Ovo je zbog interakcije hidroksilne grupe sa $\pi$ vezama benzenskog prstena zbog pozitivnog $M$ efekta $OH$ grupe preovlađuje njen negativni $I$ efekat.

Spektralne karakteristike fenola

Maksimum apsorpcije u UV dijelu spektra za fenol je pomaknut prema dužim valnim dužinama za približno 15 nm u odnosu na benzen (batohromski pomak) zbog učešća $\pi$-elektrona kisika u konjugaciji s benzenskim prstenom i pojavljuje se na 275 nm sa finom strukturom.

IR spektre fenola, kao i alkohola, karakteriziraju intenzivni $v_(OH)$ trake u području od 3200-3600 cm$^(-1)$ i 3600-3615 cm$^(-1)$ za visoko razrijeđene otopine , ali za $v_(c\_D)$ fenole postoji opseg oko 1230 cm$^(-1)$, za razliku od 1220-1125 cm$^(-1)$ za alkohole.

U NMR spektrima, signal protona $OH$ grupe fenola pojavljuje se u širokom rasponu (4,0-12,0 ppm) u poređenju sa alkoholima, u zavisnosti od prirode i koncentracije rastvarača, temperature i prisustva inter - ili intramolekularne vodikove veze. Često se signal protona grupe $OH$ bilježi na 8,5-9,5 ppm. u dimetil sulfoksidu ili na 4,0-7,5 ppm, u $CCl_4$.

U spektru mase fenola, glavni pravac fragmentacije je eliminacija $HCO$ i $CO$ čestica:

Slika 2.

Ako su alkil radikali prisutni u molekulu fenola, primarni proces će biti cijepanje benzila.

Hemijska svojstva fenola

Za razliku od alkohola, koje karakteriziraju reakcije koje uključuju cijepanje i $O-H$ veze (kiselinsko-bazna svojstva, stvaranje estera, oksidacija, itd.) i $C-O$ veze (reakcije nukleofilne supstitucije, dehidracije, preuređivanja ), fenole više karakteriziraju reakcije prvog tipa. Osim toga, karakteriziraju ih reakcije elektrofilne supstitucije u benzenskom prstenu aktivirane hidroksilnom grupom koja donira elektrone.

Hemijska svojstva fenola određena su međusobnim utjecajem hidroksilne grupe i benzenskog prstena.

Hidroksilna grupa ima efekat $-I-$ i + $M$. Potonji značajno nadmašuje $-I$ efekat, koji određuje $n-\pi$-konjugaciju slobodnih elektrona kiseonika sa $\pi$-orbitalom jezgra benzena. Zbog $n-\pi$-konjugacije, dužina $C - O$ veze, veličina dipolnog momenta i položaj apsorpcionih traka veza u IR spektru se smanjuju u odnosu na etil alkohol:

Neke karakteristike fenola i etanola:

Slika 3.

$n-\pi$-Konjugacija dovodi do smanjenja elektronske gustine na atomu kiseonika, pa se polaritet $O - H$ veze u fenolima povećava. U tom smislu, kisela svojstva fenola su izraženija od alkohola. Veća kiselost fenola u odnosu na alkohole objašnjava se i mogućnošću delokalizacije naboja u fenolat anion, što podrazumijeva stabilizaciju sistema:

Slika 4.

Razlika u kiselosti između fenola i alkohola je naznačena konstantom disocijacije. Za poređenje: Kd = $1,3 \cdot 10^(-10)$ za fenol i Kd = $10^(-18)$ za etil alkohol.

Stoga, fenoli, za razliku od alkohola, formiraju fenolate ne samo s alkalnim metalima, već i interakcijom s alkalijama:

Slika 5.

Reakcija fenola sa alkalnim metalima je prilično burna i može biti praćena eksplozijom.

Ali fenol je slaba kiselina, slabija čak i od ugljene kiseline ($K = 4,7 \cdot 10^(-7)$). Stoga, ugljena kiselina istiskuje fenol iz otopine fenolata. Ove reakcije se koriste za odvajanje fenola, alkohola ili karboksilnih kiselina. Grupe koje povlače elektrone u molekulu fenola značajno pojačavaju, a donorske grupe slabe kisela svojstva fenolnog hidroksila.

Osim toga, fenol karakterizira niz reakcija različitih smjerova:

1. formiranje etera i estera;
2. reakcije alkilacije i acilacije;
3. oksidacijske reakcije

4. reakcije elektrofilne supstitucije u aromatičnom prstenu, uključujući reakcije:

   • halogeniranje,
   • sulfoniranje,
   • nitrozacija,
   • formilacija,
   • kondenzacija sa aldehidima i ketonima,
   • karboksilacija.