Фенолна хидроксилна формула. Химични свойства
Поради наличието на хидроксилни групи и електронната структура на бензеновия пръстен, фенолите имат свойствата на слаби киселини.
Най-важните са окислителните реакции. Тенденцията за лесно отдаване на електрон, присъща на структурата на бензеновия пръстен, претърпява определени промени с въвеждането на една или повече хидроксилни групи в пръстена. Способността да се окислява обратимо до хинон, през междинния етап на образуване на семихинонов радикал (виж по-горе), не е характерна за всички фенолни съединения. Когато хидроксилните групи са разположени наблизо (орто позиция), лесно се образуват о-хинони; срещуположно (пара позиция) са n-хинони. Но 1,3-дихидроксибензените (мега позиция) практически не се окисляват по този механизъм, тъй като при тази подредба на хидроксилите е невъзможно преструктурирането на електронната структура и системата за свързване на ароматния пръстен в хинонов.
Само феноли с определено подреждане на хидроксилни групи могат лесно и обратимо да се окислят в семихинон и хинон, като отдават електрони и водородни ядра и по този начин действат като редуциращи агенти и антиоксиданти. Поради специалната лекота на откат, тази реакция може да се случи спонтанно със или без кислород. Освен това продуктите на обратимо окисление - семихинон и хинон - действат като самоускорители на реакцията, автокатализатори. Процесът е обратим до хиноновия стадий. Но ако окислението продължи, то води до свързване на отделни фенолни молекули една с друга - до окислителна кондензация с образуване на полимерни продукти.
Ако заедно с о- или n-фенол се съдържат други лесно окисляеми вещества, фенолното съединение постепенно изразходва своите електрони и протони, превръщайки се в хинон, но предпазва съседното вещество от окисляване. И едва след като фенолните ресурси са изчерпани, започва окисляването на веществото, което преди това е било възможно да се запази, например мазнини. Дори малка добавка на фенол (0,01-0,02%) може да защити нетраен продукт от окисляване за дълго време. Ето защо фенолите се наричат антиоксидантни вещества. Тази тяхна способност се използва много широко както в медицината, така и в Хранително-вкусовата промишленост, и в козметиката, и в производството на редица лекарства, витамини и др.
Добре известно е, че повечето полициклични вещества са токсични за организма. Тяхното окисляване, хидроксилиране, включително образуването на феноли, е основният начин за неутрализиране на тези съединения. Тъй като все повече и повече хидроксили се въвеждат в пръстена, токсичността на веществото намалява. Този процес завършва с разкъсване на пръстена и изгаряне на въглеводорода във вода. с мета-подреждане на хидроксилни групи не са способни на обратимо окисление - дехидрогениране; следователно, за тях основният път на трансформация лежи чрез директно хидроксилиране на пръстена с неговото разкъсване.
Под въздействието на многоцелеви оксидази, повечето от ароматните вещества, които влизат в човешкото тяло, когато се окисляват, губят отровни свойства. Понякога обаче се случва обратното: в процеса на окисление на някои ароматни въглеводороди се образуват съединения, които са по-токсични и по-специално канцерогенни, причинявайки злокачествено израждане на клетките.
Заедно с инактивирането на окислителните свободни радикали фенолни съединенияимат антиоксидантен ефект с помощта на др биохимичен механизъм. Много фенолни съединения образуват доста силни, ярко оцветени и стабилни комплекси с метални йони. Например железният йон образува зелен комплекс с три молекули пирокатехол. Оловните соли образуват жълти или оранжеви комплекси с флавоноиди. Металните йони катализират свободното окисление на органичните съединения, когато е наличен молекулярен кислород. Наличието на железни, медни, кобалтови, манганови, молибденови и алуминиеви йони в телесните течности и тъкани, в хранителните продукти и лекарствата е една от причините за тяхното ускорено окисляване. Фенолите, съчетаващи комплексообразуваща способност с относителна безвредност и ниска токсичност, по този начин отслабват или изключват каталитичния ефект на свободните тежки метални йони.
Още по-важно е, че подобна комплексообразуваща активност на фенолите се наблюдава и по отношение на тези метални йони, които са включени в активните центрове на повечето редокс ензими или играят ролята на кофактори или активатори. Следователно фенолните съединения действат като инхибитори на много окислителни ензими, по-специално ензими на микроорганизми, участващи в развалянето хранителни продукти.
Наличието на два ефективни механизма на антиоксидантна активност прави фенолите особено силни антиоксиданти. Но когато се използва като хранителни антиоксидантии консерванти, както и в светлината, парфюмерията и е необходимо да се вземе предвид токсичността, разтворимостта във вода или мазнини, вкусови качестваи така нататък.
Ако една или две масивни, обемни групи като (CH3)3C се въведат до фенолния хидроксил, хидроксилът става защитен от кислород и други химикали. активни вещества. Такива "стерично затруднени" феноли (бутилоксианизол, бутилокситолуен) са много стабилни и удобни за употреба в хранително-вкусовата промишленост и медицината.
Консервиращият ефект на димния дим до голяма степен зависи от наличието в него на прости феноли - хидрохинон, пирокатехин, 3- и 4-метилпирокатехол и особено пирогалол. Изявена антиоксидантна активност имат и много флавоноиди - кверцетин и др.. Френският фармацевт Дешан е първият, който използва органична антиоксидантна добавка за консервиране на храни през 1843 г. Той използва бензоена киселина за удължаване на срока на годност свинска мас. Хидрохинон, пирокатехол, пирогалол, гваякол, нафтол и други фенолни съединения започват да се използват като антиоксиданти през 1932-1935 г. Естери на галова киселина и "стерично затруднени" феноли - още по-късно.
Но принципът на забавяне на окисляването на мазнините и липидите с помощта на фенолни антиоксиданти, наскоро усвоен от човечеството, се използва в природата отдавна и широко. По същество всички мазнини, както растителни, така и животински, са природни условиясъдържат примес от антиоксиданти. Това са предимно токофероли - препарати на витамин Е, каротеноиди (провитамини А), нафтохинони, убихинони и др. Рафинирането на масла и мазнини, прекомерното им пречистване, което често се извършва от работниците в хранително-вкусовата промишленост, всъщност води до факта, че свинската сланина, растителни мазнинии подобни вещества се оказват лишени от естествена защита и са нестабилни по време на съхранение. Затова те се нуждаят от добавяне на изкуствени, синтетични антиоксиданти. Всяко такова лекарство, преди да се използва като хранителен консервант, преминава през много строги тестове за безопасност и ефективност.
Липса на естествени антиоксиданти, които са от съществено значение интегрална частбиологични мембрани, е причината (или, във всеки случай, една от причините) за ранна съдова склероза и стареене - това е, което много учени смятат днес. Дългосрочното добавяне на антиоксиданти към храната помага за удължаване на живота на животните при експерименти с плъхове. Възможно е скоро да бъдат избрани ефективни и безвредни антиоксиданти за хората, които могат да забавят старостта и болестите, да удължат активен животчовек. А растителните фенолни съединения (или техните синтетични аналози) може да са най-много с подходящи средстваза това.
толкова по-голям е пространственият фактор. При изследване на взаимодействието на фенолни антиоксиданти с активни алкилови и пероксидни радикали се приема, че водородът се отстранява от фенолната група и се образуват феноксилни радикали C6H5O-, които впоследствие се превръщат в неактивни съединения. Този преход може да възникне по време на взаимодействието както на самите феноксилови радикали от типа C6H5O-OC6Hb, така и на изомерни радикали с хиноидна структура:
Образуването на феноксилови радикали от феноли при условия на окисление се открива чрез EPR. При условия на окисление феноксилните радикали претърпяват допълнителни трансформации.
Инхибиторните радикали също могат да реагират един с друг. Рекомбинацията на феноксилови радикали води до димери.
Реакция In-4-In-. Рекомбинацията на феноксилови радикали е проучена достатъчно подробно. По правило реакцията протича на няколко етапа. Фенокси радикалите на йонола се рекомбинират в две успоредни посоки:
Образуването на феноксилови радикали в тази реакция е доказано чрез ESR, използвайки примера на 2,4,6-три-g-бутилфенол. Вероятността получените радикали да навлязат в обема по време на взаимодействието на кумил хидропероксид с 4-метоксифенол е 27%.
Равновесието се измества към образуването на феноксилови радикали. Следователно в реакцията на окисление първо се консумира фенол, а след това амин. Синергизмът е резултат от по-ефективното прекъсване на веригата на двата инхибитора поради благоприятната комбинация висока ефективностароматен амин при прекъсване на веригата действа с ниска активност на феноксила в реакцията на продължаване на веригата.
Ефективността на алкилфенолните антиоксиданти зависи главно от стабилността на феноксилния радикал, образуван по време на процеса на окисляване, и от степента на полярност на хидроксилната група. Стабилността на феноксилните радикали се увеличава с увеличаване на степента на тяхното пространствено екраниране.
алкилови радикали, разположени в позиции 2 и 6. В този случай екраниращата способност на алкиловите радикали се увеличава с увеличаване на техния обем, например от метил до грег-бутил. Полярността на хидроксилната група в алкилфенолите зависи от природата на алкиловите заместители в пара позиция: електрон-донорните заместители намаляват полярността, а електрон-оттеглящите заместители я увеличават. Въпреки факта, че способността за даряване на електрони на алкиловите радикали в пара-позиция се увеличава с удължаване на веригата, експериментални изследвания показват, че алкилфенолите с метилов радикал в пара-позиция към хидроксилната група имат най-голяма стабилизираща активност. От това можем да заключим, че активността на алкилфенолните съединения зависи и от други фактори; по-специално се предполага, че продуктите на трансформация на първичните феноксилови радикали играят определена роля по време на окисляването.
Разликите в синергичния ефект на изследваните антиоксиданти се обясняват с различната реактивност на получените феноксилови радикали PhO-. Колкото по-малко стабилен е този радикал, толкова по-голяма е скоростта на неговото взаимодействие с амина. В съответствие с това в началните участъци на кинетичните криви се отбелязват различни скорости на потребление на амин в присъствието на феноли. Въз основа на данни за кинетиката на консумация, изследваните фенолни антиоксиданти са подредени в следния ред според стабилността на радикалите: 2,6-di-t/7er-бутилфеноксид ^ 2-метил-6-t/7er-бутилфеноксид ^ 2,6-дициклохексилфеноксид. Тази серия е в съответствие със стойностите на пространствените константи на Тафт: за метил е = 0, за циклохексил - 0,79 и за трег-бутил - 1,54. Ето защо
Окисляването в режим на автоокисление протича с образуването на свободни радикали чрез реакции на изродено разклоняване на веригата, което води до увеличаване на общата скорост на окисление на ароматните въглеводороди. С натрупването на съединения като феноли, които имат способността да реагират със свободните радикали, за да образуват неактивни феноксилови радикали, скоростта на окисление на ароматните въглеводороди постепенно намалява и процесът на окисление „се разпада“.
Цитираната по-горе работа показва, че механизмът на действие на фенолните инхибитори не се ограничава до заместването на активния радикал R" с неактивен феноксилов радикал. В присъствието на инхибитор трансформацията на R02°B радикала в стабилен хидропероксид и може да настъпи рекомбинация на феноксилови радикали в съответните хинони.
В екранираните феноли фенолният хидроксил е неактивен поради пространствено препятствие. IN в такъв случай 2,6-ди-гареот,-бутил-4-метилфснол,)))"дефенолният хидроксил е екраниран от два mpem-бутилови радикала, губи своите фенолни свойства и не реагира с основи, алкални метали, оцетен анхидрид. Той реагира само с реактива на Гринярд. В същото време изомерният 2,4-ди-трет-бутил-3-метилфенол, като криптофенол, има всички свойства на фенолите.
Установено е, че смазочните масла са широко използвани като антиоксиданти органични съединениясъдържащи азот и фенолен хидроксил.Изследванията показват, че в редица случаи
Някои производни на амини, амиди и уреи се използват за намаляване на летливостта на органичните продукти, което е от голямо значение за смазочните масла в свръхзвуковата авиация. Производните на урея, съдържащи защитен фенолен хидроксил, например 3,5-ди-трег-бутил-4-хидроксибензилурея, имат антиоксидантни и диспергиращи свойства при висока температура ".
По-трудно е да се свърже принадлежността на антиоксиданта към една или друга кинетична група с неговия химичен строеж и наличието на определени функционални групи в него. От нейната собствена химическа природафункционална група, според К. И. Иванов и Е. Д. Вилянская, не определя към коя група принадлежи антиоксидантът. Съединения с аминови или фенолни групи са включени, например, във всичките три групи антиоксиданти. Дифениламинът принадлежи към 1-ва група, а-нафтиламинът към 2-ра и 3-нафтиламинът към 3-та. От по-голямо значение, очевидно, е позицията на функционалните групи в молекулата на антиоксиданта. Например, отличителна чертаСтруктурата на модераторите от 2-ра група, принадлежащи към класовете ароматни амини, феноли или аминофеноли, е, че аминогрупата в тях е първична по природа и подобно на фенолния хидроксил се намира само в активни а- или пара-позиции . Изомерни на тях съединения, където същите функции присъстват в по-малко реактивни /?-, както и орто-и./етпя-позиции, реагират като представители на 3-та група инхибитори. Когато в антиоксидант от група 2, р-аминофенол, активната аминогрупа губи първичния си характер в резултат на въвеждането на фенилови или нафтилови радикали в нея, получените аминофеноли реагират като модератори на 1-ва група, която включва и вторични ароматни моноамини . Всички тези теоретични предположения са от голямо практическо значение, тъй като в бъдеще те трябва да ни позволят да се отдалечим от строгия емпиризъм, който съществува в областта на избора на антиоксидантни добавки. Също така става очевидно, че е възможно да се стабилизират не само пресни масла, т.е. преди да бъдат заредени в устройството, но също и масла, които са в експлоатация и масово използвани. Трябва да се отбележи, че ефективността на някои антиоксиданти по отношение на износените енергийни масла е описана в литературата доста дълго време, но за първи път се прави опит да се даде известна обосновка на това явление.
В този случай ролята на протонен донор се играе от фенолен хидроксил, т.н
фенолен хидроксил...... Диоксибензоен и съдържащ карбоксил......... Галски, съдържащ карбоксил. . Kspyukis.yugpy Ацетооцетна.......... 4,10.10-14; 4.80-Ю-10 5.00-Ю-2; 3.30-10-5 3.90-10-5 2 62 -Ю-4 13.40; 9.32 1.30; 4,48 4,41 3,58
Хереди първо предложи използването на фенол върху въглища в присъствието на BF3, което предполага, че това ще доведе до разрушаване на алифатни „мостове“ между фрагментите. Проучванията, проведени върху моделни вещества, показват, че реакцията се провежда лесно при 100 °C, ако един от ароматните фрагменти съдържа фенолен хидроксил. Ниско метаморфозираните въглища след такава обработка се разтварят във фенол и пиридин с 70-80%. При използване на фенол, съдържащ 1ES, беше установено, че също се получава алкалиране на фенол с алкилови групи на въглища. След нагряване на въглища със смес от този фенол и BP3, значителна част от алкилфенолите, съдържащи се в реакционните продукти, е представена от р-изопропилфенол, образуван по време на алкилирането на радиоактивен фенол с изололови групи на въглища. Подобни процеси възникват, когато въглища с фенол се нагряват в присъствието на р-толуенсулфонова киселина при точката на кипене на фенола в поток от азот. От разтворимите в бензен продукти след тяхното метилиране бяха изолирани и идентифицирани следните продукти:
В резултат на ефекта на конюгиране, дължащ се на електроните на кислородния атом, електронната плътност в орто- и ара-позициите на ароматния пръстен се увеличава и не само отстраняването на водородния атом от хидроксилната група става по-лесно, но бензеновият пръстен също се активира. Фенолният хидроксил е една от най-силните референтни точки на орго-гсара и в алкална среда- най-силният."
Интересно е да се отбележи, че р-хидроксибензоената киселина, както и нейният комплекс етилов етер, с циклохексен и циклопентен в присъствието на BF3 при 50° образуват съответните t-циклоалкоксибензоени киселини, т.е. фенолният хидроксил в този случай вероятно е по-реактивен от карбоксилната група.
Останалите съединения в тези концентрати са очевидно хетероароматни кондензирани съединения. Това се доказва от интензивната абсорбция на ароматни структури в IR спектрите и високо съдържаниеазот и сяра в изолираните концентрати - IO се извлича от първоначалния деасфалтиран нефт
Едновалентни феноли (ареноли). Номенклатура. Изомерия. Методи за получаване. Физични свойстваи структура. Химични свойства: киселинност, образуване на фенолати, етери и естери; нуклеофилно заместване на хидроксилна група; реакции с електрофилни реагенти (халогениране, нитриране, нитрозиране, азосвързване, сулфониране, ацилиране и алкилиране); взаимодействие с формалдехид, фенолформалдехидни смоли; реакции на окисление и хидрогениране.
Двуатомни феноли (арендиоли): пирокатехол, резорцинол, хидрохинон. Методи за получаване, свойства и приложения.
Тривалентни феноли (аренетриоли): пирогалол, хидроксихидрохинон, флороглюцинол. Методи за получаване, свойства и приложения.
Хидроксилни производни на арените
Фенолите са производни на ароматни въглеводороди, в които една или повече хидроксилни групи са директно свързани с бензеновия пръстен.
В зависимост от броя на хидроксилните групи в ядрото се разграничават едно-, дву- и триатомни феноли.
Често се използват тривиални имена за назоваване на феноли (фенол, крезоли, пирокатехол, резорцинол, хидрохинон, пирогалол, хидроксихидрохинон, флороглюцинол).
Заместените феноли се наричат фенолни производни или хидрокси производни на съответния ароматен въглеводород.
Едновалентни феноли (ареноли) Ar-OH
орто-крезол мета-крезол пара-крезол
2-метилфенол 3-метилфенол 4-метилфенол
2-хидрокситолуен 3-хидрокситолуен 4-хидрокситолуен
В ароматната серия има и съединения с хидроксилна група в страничната верига - така наречените ароматни алкохоли.
Свойствата на хидроксилната група в ароматните алкохоли не се различават от свойствата на алифатните алкохоли.
Двуатомни феноли (арендиоли)
пирокатехин резорцинол хидрохинон
1,2-дихидроксибензен 1,3-дихидроксибензен 1,4-дихидроксибензен
Тривалентни феноли (аренетриоли)
пирогалол хидроксихидрохинон флороглюцинол
1,2,3-трихидроксибензен 1,2,4-трихидроксибензен 1,3,5-трихидроксибензен
Едновалентни феноли
Методи за получаване
Естествен източник на фенол и неговите хомолози е въглища, който при суха дестилация произвежда каменовъглен катран. Когато смолата се дестилира, се получава фракция "карболово масло" (t 0 160-230 0 C), съдържаща фенол и крезоли.
1. Сливане на соли на ароматни сулфонови киселини с основи
Реакцията е в основата индустриални методиполучаване на феноли.
Реакцията се състои в нагряване на бензенсулфонова киселина с твърда основа (NaOH, KOH) при температура 250-300 0 C:
Реакцията протича по механизма на нуклеофилно заместване С н 2 аромат(привързване-откъсване).
Наличието на електрон-оттеглящи заместители в орто и пара позиции по отношение на мястото на заместване улеснява реакцията на нуклеофилно заместване.
2. Хидролиза на арилхалогениди
Арилхалидите, които не съдържат активиращи електрон-оттеглящи заместители, реагират при много тежки условия.
По този начин хлоробензенът се хидролизира до образуване на фенол чрез действието на концентрирана основа при температура 350-400 0 С и високо кръвно налягане 30 MPa, или в присъствието на катализатори - медни соли и висока температура:
Реакцията протича по механизма на нуклеофилно заместване (елиминиране-присъединяване) (аринов или кинов механизъм).
Наличието на електрон-оттеглящи заместители в орто и пара позиции спрямо халогена значително улеснява реакцията на хидролиза.
Така пара-нитрохлоробензенът е способен да замени хлора с хидроксил чрез конвенционално нагряване с алкален разтвор при атмосферно налягане:
пара-нитрохлоробензен пара-нитрофенол
Реакцията протича по механизма С н 2
аромат(привързване-откъсване).
3. Получаване на фенол от кумол (метод с кумол)
Синтезът на базата на кумол е от промишлено значение и е ценен, тъй като позволява едновременно да се получат два технически важни продукта (фенол и ацетон) от евтини суровини (нефт, петролни крекинг газове).
Кумолът (изопропилбензен), когато се окислява от атмосферния кислород, се превръща в хидропероксид, който под действието на воден разтвор на киселина се разлага до образуване на фенол и ацетон:
хидропероксид фенол ацетон
4. Хидроксилиране на арените
За пряка администрацияхидроксилна група в бензеновия пръстен, водородният пероксид се използва в присъствието на катализатори (желязо (I) или мед (I) соли):
5. Окислително декарбоксилиране на карбоксилни киселини
Фенолите се получават от ароматни киселини чрез преминаване на водна пара и въздух в реактора при температура 200-300 0 C в присъствието на медни соли (P):
6. Получаване от диазониеви соли
При нагряване арендиазониевите соли в водни разтвориАзотът се отделя за получаване на феноли:
Физични свойства на фенолите
Най-простите феноли при нормални условия са нискотопими безцветни кристални вещества с характерна миризма.
Фенолите са слабо разтворими във вода, но силно разтворими в органични разтворители. При съхранение на въздух потъмняват поради окислителни процеси.
са токсични вещества, причиняват изгаряния на кожата.
Електронна структура на фенол
Структурата и разпределението на електронната плътност в молекулата на фенол може да се изобрази със следната диаграма:
Хидроксилната група е заместител от 1-ви вид, т.е. електронодонорен заместител.
Това се дължи на факта, че една от несподелените електронни двойки на хидроксилния кислороден атом влиза в p,π-конюгация с π-системата на бензеновия пръстен, проявявайки +M ефекта.
От друга страна, хидроксилната група, поради по-голямата електроотрицателност на кислорода, проявява –I ефект.
Въпреки това, +M ефектът във фенолите е много по-силен от противоположно насочения –I ефект (+M > -I).
Резултатът от ефекта на свързване е:
1) увеличаване на полярността O-N връзки, което води до повишени киселинни свойства на фенолите в сравнение с алкохолите;
2) поради конюгацията връзката С-ОН във фенолите става по-къса и по-силна в сравнение с алкохолите, тъй като тя е частично двойна по природа. Следователно реакциите на заместване на ОН групата са трудни;
3) увеличаването на електронната плътност на въглеродните атоми в орто- и пара-позициите на бензеновия пръстен улеснява реакциите на електрофилно заместване на водородни атоми в тези позиции.
Химични свойства на фенолите
Химичните свойства на фенолите се определят от наличието на хидроксилна група и бензенов пръстен в молекулата.
1. Реакции на хидроксилната група
1. Киселинни свойства
Фенолите са слаби ОН-киселини, но много по-силни от алканолите. Константа на киселинност rK Афенолът е равен на 10.
По-високата киселинност на фенола се обяснява с два фактора:
1) по-голяма полярност на O-H връзката във фенолите, в резултат на което водородният атом на хидроксилната група придобива по-голяма подвижност и може да бъде елиминиран под формата на протон, за да образува фенолатен йон;
2) Фенолатният йон е мезомерно стабилизиран поради конюгацията на кислородната несподелена двойка с бензеновия пръстен, т.е. отрицателният заряд на кислородния атом на фенолатния йон е значително делокализиран:
Нито една от тези гранични структури сама по себе си не описва действителното състояние на молекулата, но използването им ни позволява да обясним много реакции.
Електронноприемните заместители повишават киселинните свойства на фенола.
Като изтеглят електронна плътност от бензеновото ядро към себе си, те усилват p,π-конюгацията (+М-ефект), като по този начин увеличават поляризацията на O-H връзката и увеличават подвижността на водородния атом на хидроксилната група.
Например:
фенол 2-нитрофенол 2,4-динитрофенол пикринова киселина
рК а 9,98 7,23 4,03 0,20
Електронодонорните заместители намаляват киселинността на фенолите.
1. Заместване на фенолен хидроксил с халоген
Хидроксилната група във фенолите е много трудна за заместване с халоген.
Когато фенолът реагира с фосфорен пентахлорид PCl 5, основният продукт е трифенил фосфат и само в някои случаи големи количествахлоробензен се образува:
Трифенилфосфат хлоробензен
Наличието на електрон-оттеглящи заместители в орто- и пара-позиции спрямо хидроксилната група значително улеснява реакциите на нуклеофилно заместване на ОН групата.
Така пикриновата киселина при същите условия лесно се превръща в 2,4,6-тринитрохлоробензен (пикрил хлорид):
пикринова киселина пикрил хлорид
2. Взаимодействие с амоняк
При взаимодействие с амоняк при повишена температураи налягане в присъствието на катализатор от алуминиев хлорид, ОН групата се заменя с NH2 група, за да се образува анилин:
фенол анилин
3. Намаляване на фенола
Когато фенолът се редуцира с литиево-алуминиев хидрид, се образува бензен:
3. Реакции с участието на бензеновия пръстен
1. Реакции на електрофилно заместване в бензеновия пръстен
Хидроксилната група е заместител от 1-ви вид, следователно реакциите на електрофилно заместване в бензеновия пръстен протичат с феноли много по-лесно, отколкото с бензен, а заместителите са насочени към орто и пара позиции.
1) Реакции на халогениране
Фенолът лесно реагира с бромна вода при стайна температура, за да образува бяла утайка от 2,4,6-трибромофенол:
2,4,6-трибромофенол
Тази реакция е качествена за феноли.
Хлорирането на фенол става лесно:
2) Реакции на нитриране
Фенолът лесно се нитрира с разреден азотна киселинапри температура 0 0 С с образуване на смес от орто- и пара-изомери с преобладаване на орто-изомера:
орто- и пара-нитрофеноли
Изомерните нитрофеноли се разделят лесно поради факта, че само орто изомерът е летлив с водни пари.
По-голямата летливост на орто-нитрофенолите се обяснява с образуването на вътрешномолекулни водородни връзки, докато пара-изомерът образува междумолекулни водородни връзки:
Когато се използва концентрирана азотна киселина, се образува 2,4,6-тринитрофенол (пикринова киселина):
пикринова киселина
3) Реакции на сулфониране
Фенолът лесно се сулфонира при стайна температура с концентрирана сярна киселина до образуване на орто изомер, който при температури над 100 0 C се пренарежда в пара изомер:
4) Реакции на алкилиране
Фенолите лесно се подлагат на реакции на алкилиране.
Халоалкани, алканоли и алкени се използват като алкилиращи агенти в присъствието на протични киселини (H 2 SO 4, H 3 PO 4) или киселини на Люис (AlCl 3, BF 3):
5) Реакции на ацилиране
Ацилирането на феноли става лесно под действието на халогенни анхидриди или анхидриди на карбоксилни киселини в присъствието на киселини на Люис:
6) Реакции на нитрозиране
Нитрозофенолите се получават чрез директна нитрозация на феноли:
пара-крезол орто-нитрозо-пара-крезол
7) Реакции на азосъединяване
Комбинацията с феноли води до леко алкална среда, тъй като фенолатният йон е много по-активен от самия фенол:
8) Реакции на кондензация
Фенолите са толкова активни компоненти в реакциите на електрофилно заместване, че взаимодействат с много слаби електрофили - алдехиди и кетони в присъствието на киселини и основи.
Кондензация с формалдехид
Формалдехидът най-лесно влиза в реакции на кондензация.
Ако реакцията на кондензация на фенол с формалдехид се извършва при меки условия, е възможно да се изолират орто- и пара-хидроксиметилфеноли: Индивидуални представители
Фенол– кристално вещество с т.т. 43°C, има характеристика остра миризма, причинява изгаряния по кожата. Това е един от първите антисептици, използвани в медицината. Използва се в големи количества за производство на пластмаси (кондензация с формалдехид), лекарства (салицилова киселинаи неговите производни), багрила, експлозиви (пикринова киселина).
Фенол метилов етер – анизол– използва се за производство на ароматни вещества и багрила.
Фенол етилов етер – фенетол.
Крезоли (метилфеноли)използвани в производството на пластмаси, бои и дезинфектанти.
Фенолният хидроксил е хидроксил, свързан с ароматен пръстен.
1. Киселинно-алкалните свойства се дължат на наличието на подвижен водороден атом във фенолния хидроксил. Електронната двойка на хидроксилната група е изместена към ароматния пръстен, поради което киселинните свойства са по-силни от тези на алкохолите. Така че pKa на въглеродната киселина = 6,35 и pKa на фенола = 9,89.
Фенолите се разтварят във водни разтвори на основи, за да образуват фенолати (феноксиди):
Киселинната природа на фенолите обаче е толкова незначителна, че дори такава слаба киселина като въглеродната киселина измества фенолите от техните соли:
Следователно фенолите, разтварящи се в основи, не могат да се разтворят в карбонати, т.к въглеродната киселина, освободена в този случай, незабавно разлага фенолата:
Това свойство на фенолите ги отличава от карбоксилните киселини.
С повишаване на температурата реакцията протича в права посока. Фенолати на алкални метали като соли силни причинии слаби киселини, се хидролизират частично във водни разтвори, поради което разтворите на фенолатите имат алкална реакция.
2. Реакция на естерификация (подобна на алкохол хидроксил).
Образуването на етери е реакцията на фенолати и алкилхалиди (или алкилсулфати).
C 6 H 5 ONa+JCH 3 ®C 6 H 5 OCH 3 +NaJ
Естерите се образуват при реакцията на натриеви фенолати с анхидриди (или киселинни хлориди).
3. Редокс свойства.
Фенолите проявяват силни редуциращи свойства и много лесно се окисляват дори от слаби окислители, което води до образуването на оцветени съединения с хиноидна структура.
[O] – CaOCl 2, H 2 O 2, Cl 2, Br 2 |
Пример за реакция на окисление е образуването на индофенолно багрило: полученият хинон при взаимодействие с NH3 се превръща в хинонимин, който реагира с нереагиралия фенол. В присъствието на амоняк се образува индофенол, оцветен Син цвят.
хинонимин индофенол
н-бензохинонимин
Вид индофенолна реакция е нитрозореакцията на Либерман, която е характерна за онези феноли, в които няма заместители в орто и пара позиции.
При излагане на натриев нитрит в кисела среда се образува н-нитрозофенол, изомеризиращ се до монооксим н-бензохинон, който след това реагира с излишък от фенол в кисела среда, за да даде индофенол.
Наблюдава се цвят, който се променя, когато се добави алкален разтвор:
фенол – тъмнозелен, преминаващ във вишневочервен;
тимол – синьо-зелен, преминаващ в лилав;
резорцин – виолетово-черен, преминаващ във виолетов;
хексестрол (синестрол) – червено-виолетово, преминаващо във вишнево.
4. Реакция на комплексообразуване с железни йони.
В зависимост от броя на фенолните хидроксили, наличието на други функционални групи в молекулата, техните относителна позиция, pH на околната среда, температура, образуват се сложни съединения с различен състав и цвят (с изключение на тимол).
Комплексите са оцветени:
фенол – син цвят;
резорцинол - синьо- лилаво;
салицилова киселина – синьо-виолетов или червено-виолетов цвят;
осалмид (оксафенамид) – червено-виолетов цвят;
натриев пара-аминосалицилат – червено-виолетов цвят;
хинозол – синкаво-зелен цвят.
Реакцията е фармакопейна за повечето фенолни съединения.
5. Реакции на електрофилно заместване - SE на водороден атом в ароматния пръстен (бромиране, кондензация с алдехиди, комбинация с диазониеви соли, нитриране, нитрозиране, йодиране и др.). Способността на фенолите да влизат в реакции на електрофилно заместване се обяснява с взаимодействието на несподелената електронна двойка на кислородния атом с π-електроните на бензеновия пръстен. Електронната плътност се измества към ароматния пръстен. Най-големият излишък на електронна плътност се наблюдава при въглеродните атоми в о-И н-позиции спрямо фенолния хидроксил (ориентант тип I).
5.1. Реакция на халогениране (бромиране и йодиране).
5.1.1. При взаимодействие с бромна вода се образуват бели или жълти утайки от бромни производни.
Когато има излишък от бром, настъпва окисление:
Реакцията на бромиране на фенолите зависи от природата и положението на заместителите.
Йодирането се извършва по подобен начин, например:
5.1.2. Ако има заместители в о-И н-позиции на ароматния пръстен, реагират незаместени водородни атоми на ароматния пръстен.
5.1.3. Ако в о-И н-позиции по отношение на фенолния хидроксил има карбоксилна група, тогава под действието на излишък от бром настъпва декарбоксилиране:
5.1.4. Ако едно съединение съдържа два фенолни хидроксила в м-позиция, след това под действието на бром трибромо производни се образуват (последователна ориентация):
5.1.5. Ако две хидроксилни групи са разположени една спрямо друга в о-или н-позиции, тогава реакцията на бромиране не настъпва (непоследователна ориентация)
5.2. Реакции на кондензация
5.2.1. С алдехиди.
Пример за кондензация на феноли с алдехиди е реакцията с реактива на Marquis. При нагряване на феноли с разтвор на формалдехид в присъствието на концентрирана H 2 SO 4 се образуват безцветни кондензационни продукти, чието окисление произвежда интензивно оцветени съединения с хиноидна структура. Сярната киселина играе ролята на дехидратиращ, кондензиращ и окисляващ агент в тази реакция.
5.2.2. Реакцията на феноли с хлороформ (CHCl3) за образуване на ауринови багрила.
Когато фенолите се нагряват с CHCl3 в алкална среда, аурини– трифенилметанови багрила:
Аурините са оцветени:
фенол – жълто;
тимол – жълт цвят, преминаващ в лилав;
резорцин – червено-виолетов цвят.
5.2.3. С киселинни анхидриди.
А. Реакцията на образуване на флуоресцеин (кондензация на резорцинол с фталов анхидрид).
B. Реакция на образуване на фенолфталеин (кондензация на фенол с фталов анхидрид).
При голям излишък на алкали се образува тризаместена натриева сол.
Кондензацията на тимол с фталов анхидрид протича подобно на реакцията на образуване на фенолфталеин; образува се тимолфталеин, който има син цвят в алкална среда.
5.3. Реакция на нитриране
Фенолите реагират с разредена азотна киселина (HNO 3) и образуват орто- и пара-нитро производни. Добавянето на разтвор на натриев хидроксид подобрява цвета поради образуването на добре дисоциирана сол.
5.4. Реакцията на азосвързване на феноли с диазониева сол в алкална среда.
Когато фенолите реагират с диазониева сол при pH 9-10, се образуват азобагрила, оцветени в жълто-оранжево или червено. Реакцията на азосвързване протича в орто и пара позиции по отношение на фенолния хидроксил. Като диазореагент обикновено се използва диазотирана сулфанилова киселина.
Лекция No14
Тема: “Качествени реакции на функционални групи”
1) Хидроксил (алкохолен, фенолен)
2) Карбонил (алдехид, карбоксил, естер)
3) Първична ароматна аминогрупа, третична аминогрупа (третичен азот)
4) Имид, сулфамид.
Функционалните групи (FG) са отделни атоми или групи от атоми, свързани с въглероден радикал, които поради техните характерни свойства могат да се използват за определяне на лекарствени вещества.
I. Алкохолен хидроксил. Alr-OH е хидроксил, свързан към алифатен въглеводороден радикал.
Въз основа на алкохолен хидроксил, следните реакции се използват при анализа на лекарства, които го съдържат:
Естерификация (образуване на естери с киселини или техни анхидриди);
Окисляване до алдехиди и в някои случаи до киселини;
Комплексообразуване с медни (II) йони в алкална среда.
1. Реакция на естерификацияв присъствието на водоотстраняващи агенти с киселини или техни анхидриди. Въз основа на свойството на алкохолите да образуват естери. В случай на съединения с ниско молекулно тегло, естерите се откриват по миризма; при анализ на лекарства с високо молекулно тегло- по температура на топене.
Реакцията на естерификация е фармакопея за етилов алкохол.
CH 3 CH 2 OH + CH 3 COOH H2SO4→ CH 3 CH 2 OCOCH 3
2. Окислителна реакция,въз основа на свойството на алкохолите да се окисляват до алдехиди, които се откриват по миризмата. Като реагенти се използват различни окислители: калиев перманганат, калиев бихромат, калиев хексацианоферат (III) и др. Най-голяма аналитична стойност има калиевият перманганат, който при редукция променя степента на окисление от +7 до + 2 и се обезцветява, т.е. прави реакцията ефективна.
Реакция на образуване на комплекс, основан на свойството на алкохолите да образуват оцветени комплексни съединения с меден (II) сулфат в алкална среда.
Използва се за идентифициране на многовалентен алкохол - глицерол и ефедрин хидрохлорид, в който освен алкохолния хидроксил, в комплексообразуването участва и вторична аминова група.
Фенолен хидроксиле хидроксил, свързан с ароматен радикал. Съдържа лекарствена група феноли (фенол, резорцинол); фенолни киселини и техните производни (салицилова киселина, фенил салицилат, салициламид, оксафенамид); фенантрен изохинолинови производни (морфин хидрохлорид, апоморфин); синестрол, адреналин, мезатон и др.
Химичните свойства на съединенията, съдържащи фенолен хидроксил, се определят от взаимодействието на електронна двойка с π електроните на ароматния пръстен. Това взаимодействие води до изместване на електронната плътност от ОН - групата към пръстена, нарушаване на равномерното разпределение на електроните в него и създаване на излишен отрицателен заряд в орто и пара позиции. Водородният атом на хидроксилната група йонизира и придава на фенолите слаби киселинни свойства, които обаче рядко се използват в анализа. най-висока стойностимат реакции на електрофилно заместване на водороди в о- и n-позициите на ароматния пръстен.
Въз основа на свойствата на фенолния хидроксил се използват следните реакции:
комплексиране;
Бромиране;
Азозни комбинации;
Окисляване;
Образуване на индофенолно багрило;
Кондензация
1. Реакции на комплексообразуванефенолен хидроксил с железни (III) йони. Основава се на свойствата на фенолния хидроксил да образува разтворими комплексни съединения, често оцветени в синьо (фенол) или виолетово (резорцинол, салицилова киселина), по-рядко червено (PAS - натрий) и зелено (хинозол).
Съставът на комплекса и, следователно, техният цвят се определя от количеството фенолни хидроксили (фенол - син, резорцин - лилав) и влиянието на други функционални групи.
2. Реакция на бромиранеароматен пръстен. Основава се на електрофилното заместване на водорода в о- и n-позиция с бром, за да се образува неразтворимо бромно производно.
Основни правила за бромиране
Бромът замества водорода в о- и n-позиции спрямо фенолния хидроксил (най-ефективната n-позиция):
- ако има заместители в o- или n-позициите на ароматния пръстен, по-малко бромни атоми влизат в реакцията:
- ако има карбоксилна група в о- или n- позиции, тогава в присъствието на излишък от бром настъпва декарбоксилиране и образуването на трибромо производно:
Ако заместителят е в m-позиция, тогава той не пречи на образуването на трибромо производното:
Ако едно съединение съдържа два фенолни хидроксила в m-позиция, тогава в резултат на тяхната последователна ориентация се образува трибромо производно
ако две хидроксилни групи са разположени в o- или n-позиция една спрямо друга, тогава те действат непоследователно: не се получава бромиране:
3. Азо реакция на свързванефеноли с диазореагент (диазотирана сулфанилова киселина) до образуване на азобагрило, оцветено в оранжево-червено.
4. Окислителна реакция.Фенолите могат да се окислят до различни връзки, но най-често към хинони, оцветени в розово или по-рядко в жълто.
5. Реакция на образуване на индофенолно багрило.Основава се на окисляването на феноли до хинони, които, когато се кондензират с амоняк или аминопроизводни и излишък от фенол, образуват индофенолно багрило, оцветено във виолетово.
6. Реакция на кондензацияс алдехиди или киселинни анхидриди:
С формалдехид в присъствието на концентрирана сярна киселина се образува ауриново (арилметаново) багрило, оцветено в червено.
Реакцията е фармакопейна за салицилова киселина.
Концентрираната сярна киселина играе ролята на водоотстраняващ агент в първия етап на реакцията и действа като окислител във втория.
Химия на реакцията към резорцинол