Фенольный гидроксил формула. Химические свойства
Благодаря наличию гидроксильных групп и особенностям электронной структуры бензольного кольца фенолы обладают свойствами слабых кислот.
Наиболее важное значение имеют реакции окисления. Склонность к легкой отдаче электрона, заложенная в структуре бензольного ядра, претерпевает определенные изменения с введением в кольцо одной или нескольких гидроксильных групп. Способность к обратимому окислению в хинон, через промежуточную стадию образования семихинонного радикала (см. выше), свойственна далеко не всем фенольным соединениям. При расположении гидроксильных групп рядом (орто-положение) легко образуются о-хиноны; напротив (пара-положение) - n-хиноны. Но 1,3-диоксибензолы (мега-положение) практически не окисляются по этому механизму, потому что при таком расположении гидроксилов невозможна перестройка электронной структуры и системы связей ароматического кольца в хинонную.
Только фенолы с определенным расположением гидроксильных групп могут легко и обратимо окисляться в семихинон и хинон, отдавая электроны и ядра водорода и выступая тем самым в роли восстановителей, антиоксидантов. Эта реакция в силу особой легкости отдачи может происходить при доступе кислорода и без , самопроизвольно. Причем продукты обратимого окисления - семихинон и хинон - выступают в роли самоускорителей реакции, автокатализаторов. До стадии хинона процесс обратим. Но если окисление продолжается, оно приводит к соединению отдельных фенольных молекул между собой - к окислительной конденсации с образованием полимерных продуктов.
Если вместе с о- или n-фенолом содержатся другие легко окисляющиеся вещества, фенольное соединение постепенно расходует свои электроны и протоны, превращаясь в хинон, но защищая от окисления вещество-соседа. И только после того, как ресурсы фенола исчерпаны, начинается окисление и того вещества, которое до того удавалось сохранить, например жира. Даже небольшая примесь фенола (0,01-0,02%) может долго предохранять скоропортящийся продукт от окисления. Вот почему фенолы называют веществами-антиоксидантами. Эта их способность очень широко используется и в медицине, и в пищевой промышленности, и в косметике, и в производстве ряда лекарств, витаминов и т. п.
Хорошо известно, что большинство полициклических токсичны для организма. Их окисление, гидроксилирование, в том числе с образованием фенолов,- основной путь обезвреживания этих соединений. По мере введения в кольцо все новых гидроксилов токсичность вещества падает. Заканчивается этот процесс разрывом кольца и сгоранием углеводорода до и воды. с мета-расположением гидроксильных групп не способны к обратимому окислению - дегидрированию; поэтому для них основной путь превращений лежит через прямое гидроксилирование кольца с его разрывом.
Под влиянием многоцелевых оксидаз большинство проникших в организм человека ароматических , окисляясь, теряют ядовитые свойства. Иногда, однако, происходит обратное: в процессе окисления некоторых ароматических углеводородов образуются соединения более токсичные и, в частности, канцерогенные, вызывающие злокачественное перерождение клеток.
Наряду с инактивацией окислительных свободных радикалов фенольные соединения оказывают антиоксидантное действие с помощью другого биохимического механизма. Многие фенольные соединения образуют довольно прочные, яркоокрашенные и стабильные комплексы с ионами металлов. Так, например, ион трехвалентного железа образует комплекс зеленого цвета с тремя молекулами пирокатехина. Соли свинца с флавоноидами образуют желтые или оранжевые комплексы. Ионы металлов катализируют свободное окисление органических соединений при доступе молекулярного кислорода. Присутствие ионов железа, меди, кобальта, марганца, молибдена, алюминия в жидкостях и тканях организма, в пищевых продуктах, лекарственных препаратах является одной из причин их ускоренного окисления. Фенолы, соединяя комплексообразующую способность с относительной безвредностью и малой токсичностью, тем самым ослабляют или выключают каталитическое действие свободных ионов тяжелых металлов.
Еще более важно, что аналогичная комплексообразующая активность фенолов проявляется и в отношении тех ионов металлов, которые включены в состав активных центров большинства окислительно-восстановительных ферментов или играют роль кофакторов или активаторов. Поэтому фенольные соединения выступают в качестве ингибиторов многих окислительных ферментов, в частности ферментов микроорганизмов, участвующих в порче пищевых продуктов.
Существование двух эффективных механизмов антиоксидантной активности делает фенолы особенно сильными антиокислителями. Но при их использовании в качестве пищевых антиоксидантов и консервантов, а также в легкой, парфюмерной и приходится учитывать и токсичность, растворимость в воде или жирах, вкусовые качества и т. п.
Если рядом с фенольным гидроксилом ввести одну или две массивные, объемистые группировки типа (СН3)3С, гидроксил оказывается защищенным от кислорода и других химически активных веществ. Такие «пространственно затрудненные» фенолы (бутилоксианизол, бутилокситолуол) очень устойчивы и удобны для применения в пищевой промышленности и медицине.
Консервирующее действие коптильного дыма во многом зависит от присутствия в нем простых фенолов - гидрохинона, пирокатехина, 3- и 4-метилпирокатехина и особенно пирогаллола. Выраженной антиокислительной активностью обладают и многие флавоноиды - кверцетин, и т. п. Впервые добавку органического антиокислителя для консервации пищевых продуктов применил французский фармацевт Дешамп в 1843 г. Он использовал бензойную кислоту для продления сроков хранения свиного сала. Гидрохинон, пирокатехин, пирогаллол, гваякол, нафтол и другие фенольные соединения стали применяться в качестве антиоксидантов в 1932-1935 гг. Эфиры галловой кислоты и «пространственно затрудненные» фенолы - еще позже.
Но принцип задержки окисления жиров и липидов с помощью фенольных антиоксидантов, освоенный человечеством недавно, в природе применяется давно и широко. По существу, все жиры, как растительные, так и животные, в естественных условиях содержат примесь антиоксидантов. Это прежде всего токоферолы - препараты витамина Е, каротиноиды (провитамины А), нафтохиноны, убихиноны и т. п. Рафинирование масел и жиров, чрезмерная их очистка, которой нередко увлекаются пищевики, в действительности приводят к тому, что свиной смалец, растительные жиры и тому подобные вещества оказываются лишенными естественной защиты, нестойки при хранении. Поэтому они нуждаются в добавке искусственных, синтетических антиоксидантов. Каждый такой препарат, прежде чем быть использованным в качестве пищевого консерванта, проходит очень строгую проверку на безвредность и эффективность.
Недостаток природных антиоксидантов, являющихся обязательной составной частью биологических мембран, является причиной (или, во всяком случае, одной из причин) раннего склероза сосудов и старения - так считают сегодня многие ученые. Длительная добавка к пище антиоксидантов способствует в опыте на крысах продлению жизни животных. Не исключено, что вскоре и для людей будут подобраны эффективные и безвредные антиоксиданты, способные отодвинуть старость и болезни, продлить активную жизнь человека. И растительные фенольные соединения (или их синтетические аналоги) могут оказаться наиболее подходящими средствами для этого.
чем больше стерический фактор. При исследовании взаимодействия противоокислителей фенольного типа с активными ал-кильными и пероксидными радикалами предполагали, что водород отрывается от фенольной группы и образуются фенок-сильные радикалы С6Н5О-, переходящие в дальнейшем в неактивные соединения. Этот переход может происходить при взаимодействии как собственно феноксильных радикалов по типу С6Н5О-ОС6Нб, так и изомерных им радикалов с хиноидной структурой:
Образование феноксильных радикалов из фенолов в условиях окисления зафиксировано методом ЭПР. В условиях окисления феноксильные радикалы подвергаются дальнейшим превращениям.
Радикалы ингибитора могут реагировать и друг с другом. Рекомбинация феноксильных радикалов приводит к димерам.
Реакция In-4-In-. Достаточно подробно изучена рекомбинация феноксильных радикалов. Как правило, реакция протекает в несколько стадий. Феноксильные радикалы ионола рекомби-нируют по двум параллельным направлениям:
Образование феноксильных радикалов по этой реакции доказано методом ЭПР на примере 2,4,6-три-грег-бутилфенола. Вероятность выхода образующихся радикалов в объем при взаимодействии кумилгидропероксида с 4-метоксифенолом равна 27% .
Равновесие сдвинуто в сторону образования феноксильных радикалов. Поэтому в реакции окисления вначале расходуется фенол, а затем амин. Синергизм является результатом более эффективного обрыва цепей двумя ингибиторами из-за удачного сочетания высокой эффективности ароматического амина в актах обрыва цепей с низкой активностью феноксила в реакции продолжения цепей.
Эффективность алкилфенольных антиокислителей в основном зависит от стабильности феноксильного радикала, образующегося в процессе окисления, и от степени полярности гидроксильной группы. Стабильность феноксильных радикалов возрастает по мере увеличения степени пространственного экранирования их
алкильными радикалами, находящимися в положении 2 и 6. При этом экранирующая способность алкильных радикалов повышается с увеличением их объема, например от метильного к грег-бутиль-ному. Полярность гидроксильной группы в алкилфенолах зависит от характера алкильных заместителей в пара-положении: элек-тронодонорные заместители снижают полярность, а электроноак-цепторные - повышают. Несмотря на то что электронодонорная способность алкильных радикалов в пара-положении возрастает с удлинением цепи, экспериментальные исследования показали, что наибольшей стабилизирующей активностью обладают алкилфенолы с метальным радикалом в пара-положении к гидроксильной группе. Отсюда можно заключить, что активность алкилфенольных соединений зависит и от других факторов, в частности предполагается, что при окислении определенную роль играют продукты превращения первичных феноксильных радикалов.
Различия в синергетическом эффекте исследованных антиокислителей объясняют разной реакционной способностью образующихся феноксильных радикалов PhO-. Чем менее устойчив этот радикал, тем больше скорость его взаимодействия с амином. В соответствии с этим отмечается различная скорость расходования амина в присутствии фенолов на начальных участках кинетических кривых. На основании данных о кинетике расходования исследованные фенольные антиокислители по стабильности радикалов располагаются в следующий ряд: 2,6-ди-т/7ег-бутилфеноксид ^ 2-метил-6-т/7ег-бу-тилфеноксид ^2,6-дициклогексилфеноксид. Этот ряд находится в соответствии со значениями стерических констант Тафта: для метального es=0, для циклогексиль-ного - 0,79 и для трег-бутильного - 1,54 . Поэтому
Окисление в режиме автоокисления идет с образованием свободных радикалов по реакциям вырожденного разветвления цепи, что приводит к росту суммарной скорости окисления ароматических углеводородов. По мере накопления соединении типа фенолов, обладающих способностью реагировать со свободными радикалами с образованием неактивных феноксильных радикалов, скорость окисления ароматических углеводородов постепенно падает и процесс окисления "затухает" .
В цитированной выше работе показано, что механизм действия фенольных ингибиторов не исчерпывается заменой активного радикала R" неактивным феноксильным радикалом. В присутствии ингибитора могут происходить превращение радикала R02°B устойчивую гидроперекись и рекомбинация феноксильных радикалов в соответствующие хиноны.
В экранированных фенолах фенольный гидроксил малоактивен вследствие стерическнх препятствий. В данном случае 2,6-ди-гареот,-бутил-4-метилфснол,)))"де фенольный гидроксил экранирован двумя радикалами mpem-бутила, теряет фенольные свойства и не реагирует со щелочами, щелочными металлами, уксусным ангидридом. Он реагирует только с реактивом Гриньяра. В то же время изомерный 2,4-ди-трет-бутил-З-метилфенол, являясь криптофенолом, обладает всеми свойствами фенолов.
Широкое использование в качестве антиокислителей смазочных масел, нашли органические соединения, содержащие азот п фенольный гидроксил, Исследования показали, что в ряде слу-
Некоторые производные аминов, амидов и мочевины применяют для уменьшения летучести органических продуктов, что имеет большое значение для смазочных масел в сверхзвуковой авиации. Производные мочевины, содержащие экранированный фенольный гидроксил, например 3,5-ди-трег-бу-тил-4-гидроксибензилмочевина, обладают антиокислительными и диспергирующими свойствами при высокой температуре ".
Сложнее связать принадлежность антиокислителя к той или иной кинетической группе с его химической структурой и наличием в нем тех или иных функциональных групп. Сама по себе химическая природа функциональной группы, по данным К. И. Иванова и Е. Д. Вилянской, не определяет, к какой группе принадлежит антиокислитель. Соединения с аминными или фенольными группами входят, например, во все три группы антиокислителей. Дифениламин принадлежит к 1-й группе, а-нафтиламин-ко 2-й,)3-нафтиламин-к 3-й. Большее значение имеет, очевидно, положение функциональных групп в молекуле антиокислителя. Так, например, отличительной особенностью строения замедлителей 2-й группы, принадлежащих к классам ароматических аминов, фенолов или аминфенолов, является то, что аминная группа в них имеет первичный характер и находится, как и фенольный гидроксил, только в активных а- или пара-положениях. Изомерные им соединения, где эти же функции присутствуют в менее реакционноспособных /?-, а также ортпо-и./иетпя-положениях, реагируют как представители 3-й группы ингибиторов. Когда же в антиокислителе 2-й группы - п-аминофеноле-активная аминогруппа утрачивает свой первичный характер в результате введения в нее фенильного или нафтиль-ного радикалов, то получающиеся аминофенолы реагируют уже как замедлители 1-й группы, в которую входят и вторичные ароматические моноамины. Все эти теоретические предположения имеют большое практическое значение, так как в будущем должны позволить отойти от того сугубого эмпиризма, который существует в области подбора антиокислительных присадок. Становится также очевидной возможность стабилизации масел не только свежих, т. е.до загрузки их в агрегат, но и масел, находящихся в эксплуатации и в значительной мере отработанных. Следует отметить, что эффективность некоторых антиокислителей по отношению к изношенным энергетическим маслам описана в литературе достаточна давно, однако впервые делается попытка дать этому явлению известное обоснование.
При этом роль протонодонора играет фенольный гидроксил, так
фенольный гидроксил...... Диоксибензойные и, содержащие карбоксил......... Галловая, содержащая карбоксил. . Кспюкис.югпы Ацетоуксусная.......... 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
Heredy впервые предложил использовать воздействие на угли фенола в присутствии BF3, предполагая, что это приведет к разрушению алифатических "мостиков" между фрагментами. Исследования, проведенные на модельных веществах, показали, что реакция легко осуществляется при 100 °С, если один из ароматических фрагментов содержит фенольный гидроксил. Малометаморфизованные угли после такой обработки растворяются в феноле и пиридине на 70-80%. При использовании фенола, содержащего 1ЭС, было установлено, что происходит также алкирование фенола алкильными группами угля. После нагревания угля со смесью этого фенола и ВРз значительная часть алкилфенолов, содержащихся в продуктах реакции, была представлена р-изопропилфенолом, образовавшимся при алкилнровании радиоактивного фенола изолролнльными группами угля. Аналогичные процессы происходят при нагревании углей с фенолом в присутствии р-толуолсульфокислоты при температуре кипения фенола в токе азота. Из растворимых в бензоле продуктов после их метилирования были выделены и идентифицированы следующие продукты:
В результате эффекта сопряжения за счет электронов атома кислорода электронная плотность в орто- и «ара-положениях.ароматического ядра возрастает и не только облегчается отрыв водородного атома гидроксильной группы, но и активируется бензольное кольцо. Фенольный гидроксил является одним из силь-мейших орго-гсара-ориентиров, а в щелочной среде - сильнейшим.".
Интересно отметить, что и-оксибензойная кислота, так же как и ее сложный этиловый эфир, с циклогексеном и циклопентеном в присутствии BF3 при 50° образуют соответствующие тг-циклоалкоксибензойные кислоты, т. е. фенольный гидроксил в данном случае, вероятно, более реакционноспособен, чем карбоксильная группа.
Остальную массу соединений в этих концентратах составляют, по-видимому, гетероароматические конденсированные соединения. Об этом свидетельствует интенсивное поглощение ароматических структур в ИК-спектрах и высокое содержание азота и серы в выделенных концентратах - в них из исходного деясфальтизата извлечено IO
Одноатомные фенолы (аренолы). Номенклатура. Изомерия. Способы получения. Физические свойства и строение. Химические свойства: кислотность, образование фенолятов , простых и сложных эфиров; нуклеофильное замещение гидроксильной группы; реакции с электрофильными реагентами (галогенирование, нитрование, нитрозирование, азосочетание, сульфирование, ацилирование и алкилирование); взаимодействие с формальдегидом, фенолформальдегидные смолы; реакции окисления и гидрирования.
Двухатомные фенолы (арендиолы): пирокатехин, резорцин, гидрохинон. Способы получения, свойства и применение.
Трехатомные фенолы (арентриолы): пирогаллол, оксигидрохинон, флороглюцин. Способы получения, свойства и применение.
Гидроксильные производные аренов
Фенолы – это производные ароматических углеводородов, в которых одна или несколько гидроксильных групп непосредственно связаны с бензольным ядром.
В зависимости от числа гидроксильных групп в ядре различают одно-, двух- и трехатомные фенолы.
Для названия фенолов часто используют тривиальные названия (фенол, крезолы, пирокатехин, резорцин, гидрохинон, пирогаллол, гидроксигидрохинон, флороглюцин).
Замещенные фенолы называют как производные фенола или как гидроксипроизводные соответствующего ароматического углеводорода.
Одноатомные фенолы (аренолы) Ar-OH
орто-крезол мета-крезол пара-крезол
2-метилфенол 3-метилфенол 4-метилфенол
2-гидрокситолуол 3-гидрокситолуол 4-гидрокситолуол
В ароматическом ряду встречаются также соединения с гидроксильной группой в боковой цепи – так называемые ароматические спирты.
Свойства гидроксильной группы в ароматических спиртах не отличаются от свойств спиртов алифатического ряда.
Двухатомные фенолы (арендиолы)
пирокатехин резорцин гидрохинон
1,2-дигидроксибензол 1,3-дигидроксибензол 1,4-дигидроксибензол
Трехатомные фенолы (арентриолы)
пирогаллол гидроксигидрохинон флороглюцин
1,2,3-тригидроксибензол 1,2,4-тригидроксибензол 1,3,5-тригидроксибензол
Одноатомные фенолы
Способы получения
Природным источником фенола и его гомологов служит каменный уголь, при сухой перегонке которого образуется каменноугольная смола. При разгонке смолы получают фракцию «карболового масла» (t 0 160-230 0 С), содержащую фенол и крезолы.
1. Сплавление солей ароматических сульфокислот со щелочами
Реакция лежит в основе промышленных методов получения фенолов.
Реакция состоит в нагревании бензолсульфокислоты с твердой щелочью (NaOH, KOH) при температуре 250-300 0 С:
Реакция протекает по механизму нуклеофильного замещения S N 2 аром (присоединение-отщепление).
Присутствие электроноакцепторных заместителей в орто- и пара-положениях по отношению к месту замещения облегчает реакцию нуклеофильного замещения.
2. Гидролиз арилгалогенидов
Арилгалогениды, не содержащие активирующих электроноакцепторных заместителей, вступают в реакцию в очень жестких условиях.
Так, хлорбензол гидролизуется с образовнием фенола действием концентрированной щелочи при температуре 350-400 0 С и высоком давлении 30 МПа, либо в присутствии катализаторов – солей меди и высокой температуре:
Реакция протекает по механизму нуклеофильного замещения (отщепление-присоединение) (ариновый или кине-механизм).
Присутствие электроноакцепторных заместителей в орто- и пара-положениях по отношению к галогену значительно облегчает реакцию гидролиза.
Так, пара-нитрохлорбензол способен замещать хлор на гидроксил обычным нагреванием с раствором щелочи при атмосферном давлении:
пара-нитрохлорбензол пара-нитрофенол
Реакция протекает по механизму S
N
2
аром
(присоединение-отщепление).
3. Получение фенола из кумола (кумольный способ)
Синтез на основе кумола имеет промышленное значение и ценен тем, что позволяет получать одновременно два технически важных продукта (фенол и ацетон) из дешевого сырья (нефть, газы крекинга нефти).
Кумол (изопропилбензол) при окислении кислородом воздуха превращается в гидропероксид, который под действием водного раствора кислоты распадается с образованием фенола и ацетона:
гидропероксид фенол ацетон
4. Гидроксилирование аренов
Для прямого введения гидроксильной группы в бензольное кольцо используют пероксид водорода в присутствии катализаторов (солей железа (П) или меди (П):
5. Окислительное декарбоксилирование карбоновых кислот
Фенолы получают из ароматических кислот пропуская в реактор водяной пар и воздух при температуре 200-300 0 С в присутствии солей меди (П):
6. Получение из солей диазония
При нагревании арендиазониевых солей в водных растворах выделяется азот с получением фенолов:
Физические свойства фенолов
Простейшие фенолы при обычных условиях представляют собой низкоплавкие бесцветные кристаллические вещества с характерным запахом.
Фенолы малорастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях. При хранении на воздухе темнеют вследствие процессов окисления.
Являются токсичными веществами, вызывают ожоги кожи.
Электронное строение фенола
Строение и распределение электронной плотности в молекуле фенола можно изобразить следующей схемой:
Гидроксильная группа является заместителем 1 рода, т.е. электроно-донорным заместителем.
Это обусловлено тем, что одна из неподеленных электронных пар гидроксильного атома кислорода вступает в р,π-сопряжение с π-системой бензольного ядра, проявляя +М-эффект.
С другой стороны, гидроксильная группа, вследствие большей электроотрицательности кислорода, проявляет –I-эффект.
Однако +М-эффект в фенолах значительно сильнее противоположно направленного –I-эффекта (+М > -I).
Результатом эффекта сопряжения является:
1) увеличение полярности связи О-Н, приводящее к усилению кислотных свойств фенолов по сравнению со спиртами;
2) вследствие сопряжения связь С-ОН у фенолов становится короче и прочнее в сравнении со спиртами , так как носит частично двойной характер. Поэтому затрудняются реакции замещения ОН-группы;
3) повышение электронной плотности на атомах углерода в орто- и пара-положениях бензольного ядра облегчает реакции электрофильного замещения атомов водорода в этих положениях.
Химические свойства фенолов
Химические свойства фенолов определяются наличием в молекуле гидроксильной группы и бензольного кольца.
1. Реакции по гидроксильной группе
1. Кислотные свойства
Фенолы являются слабыми ОН-кислотами, но значительно более сильными по сравнению с алканолами. Константа кислотности рК а фенола равна 10.
Более высокая кислотность фенола объясняется двумя факторами:
1) большей полярностью связи О-Н в фенолах, в результате чего атом водорода гидроксильной группы приобретает большую подвижность и может отщепляться в виде протона с образованием фенолят-иона;
2) Фенолят-ион за счет сопряжения неподеленной пары кислорода с бензольным кольцом мезомерно стабилизирован, т.е. отрицательный заряд на атоме кислорода фенолят-иона значительно делокализован:
Ни одна из этих граничных структур в отдельности не описывает реального состояния молекулы, но их использование позволяет объяснять многие реакции.
Электроноакцепторные заместители увеличивают кислотные свойства фенола.
Оттягивая электронную плотность из бензольного ядра на себя, они способствуют усилению р,π-сопряжения (+М-эффект), тем самым повышают поляризацию связи О-Н и увеличивают подвижность атома водорода гидроксильной группы.
Например:
фенол 2-нитрофенол 2,4-динитрофенол пикриновая кислота
рК а 9,98 7,23 4,03 0,20
Электронодонорные заместители уменьшают кислотность фенолов.
1. Замещение фенольного гидроксила галогеном
Гидроксильная группа в фенолах с большим трудом замещается галогеном.
При взаимодействии фенола с пентахлоридом фосфора PCl 5 основным продуктом является трифенилфосфат и лишь в небольших количествах образуется хлорбензол:
Трифенилфосфат хлорбензол
Присутствие электроноакцепторных заместителей в орто- и пара-положениях по отношению к гидроксилу намного облегчает реакции нуклеофильного замещения группы ОН.
Так, пикриновая кислота в тех же условиях легко превращается в 2,4,6-тринитрохлорбензол (пикрилхлорид):
пикриновая кислота пикрилхлорид
2. Взаимодействие с аммиаком
При взаимодействии с аммиаком при повышенной температуре и давлении в присутствии катализатора хлорида алюминия происходит замещение ОН-группы на NH 2 -группу с образованием анилина:
фенол анилин
3. Восстановление фенола
При восстановлении фенола алюмогидридом лития образуется бензол:
3. Реакции с участием бензольного кольца
1. Реакции электрофильного замещения в бензольном кольце
Гидроксильная группа является заместителем 1 рода, поэтому реакции электрофильного замещения в бензольном ядре протекают с фенолами значительно легче, чем с бензолом, а заместители направляются в орто- и пара-положения.
1) Реакции галогенирования
Фенол легко при комнатной температуре взаимодействует с бромной водой с образованием белого осадка 2,4,6-трибромфенола:
2,4,6-трибромфенол
Эта реакция является качественной на фенолы.
Легко происходит хлорирование фенола:
2) Реакции нитрования
Фенол легко нитруется разбавленной азотной кислотой при температуре 0 0 С с образованием смеси орто- и пара-изомеров с преобладанием орто-изомера:
орто- и пара-нитрофенолы
Изомерные нитрофенолы легко разделяются благодаря тому , что только орто-изомер обладает летучестью с водяным паром.
Большая летучесть орто-нитрофенолов объясняется образованием внутримолекулярной водородной связи, в то время как пара-изомер образует межмолекулярные водородные связи:
При использовании концентрированной азотной кислоты образуется 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота):
пикриновая кислота
3) Реакции сульфирования
Фенол легко сульфируется при комнатной температуре концентрированной серной кислотой с образованием орто-изомера, который при температурах выше 100 0 С перегруппировывается в пара-изомер:
4) Реакции алкилирования
Фенолы легко вступают а реакции алкилирования.
В качестве алкилирующих агентов используют галогеналканы, алканолы и алкены в присутствии протонных кислот (H 2 SO 4 , H 3 PO 4) или кислот Льюиса (AlCl 3 , BF 3):
5) Реакции ацилирования
Легко происходит ацилирование фенолов под действием галоген-ангидридов или ангидридов карбоновых кислот в присутствии кислот Льюиса:
6) Реакции нитрозирования
Нитрозофенолы получают прямым нитрозированием фенолов:
пара-крезол орто-нитрозо-пара-крезол
7) Реакции азосочетания
Сочетание с фенолами ведут в слабощелочной среде
, так как фенолят-ион значительно активнее, чем сам фенол:
8) Реакции конденсации
Фенолы являются столь активными компонентами в реакциях электрофильного замещения , что вступают во взаимодействие с весьма слабыми электрофилами – альдегидами и кетонами в присутствии кислот и оснований.
Конденсация с формальдегидом
Наиболее легко вступает в реакции конденсации формальдегид.
Если реакцию конденсации фенола с формальдегидом проводить в мягких условиях, то удается выделить орто- и пара-гидроксиметилфенолы:Отдельные представители
Фенол – кристаллическое вещество с т. пл. 43°С, обладает характерным едким запахом, вызывает ожоги на коже. Это один из первых примененных в медицине антисептиков. Применяется в больших количествах для получения пластических масс (конденсация с формальдегидом), лекарственных препаратов (салициловая кислота и ее производные), красителей, взрывчатых веществ (пикриновая кислота).
Метиловый эфир фенола – анизол – применяется для получения душистых веществ и красителей.
Этиловый эфир фенола – фенетол .
Крезолы (метилфенолы) применяются в производстве пластических масс, красителей, дезинфицирующих средств.
Фенольный гидроксил – гидроксил, связанный с ароматическим циклом.
1. Кислотно–основные свойства обусловлены наличием в фенольном гидроксиле подвижного атома водорода. Электронная пара гидроксила смещена в сторону ароматического цикла, поэтому кислотные свойства более сильные, чем у спиртов. Так pKa угольной кислоты = 6,35, а pKa фенола = 9,89.
Фенолы растворяются в водных растворах щелочей с образованием фенолятов (феноксидов):
Однако кислотный характер фенолов выражен настолько незначительно, что даже такая слабая кислота как угольная, вытесняет фенолы из их солей:
Поэтому фенолы, растворяясь в щелочах, не могут растворяться в карбонатах, т.к. освобождающаяся при этом угольная кислота тотчас же разлагает фенолят:
Это свойство фенолов отличает их от карбоновых кислот.
При повышении температуры реакция идет в прямом направлении. Феноляты щелочных металлов, как соли сильных оснований и слабых кислот, частично гидролизованы в водных растворах, поэтому растворы фенолятов обладают щелочной реакцией.
2. Реакция этерификации (аналогично спиртовому гидроксилу).
Образование простых эфиров – реакция фенолятов и галоидных алкилов (или алкилсульфатов).
C 6 H 5 ONa+JCH 3 ®C 6 H 5 OCH 3 +NaJ
Сложные эфиры образуются при взаимодействии фенолятов натрия с ангидридами (или хлорангидридами кислот).
3. Окислительно – восстановительные свойства.
Фенолы проявляют сильные восстановительные свойства, очень легко окисляются даже слабыми окислителями, при этом образуются окрашенные соединения хиноидной структуры.
[О] – CaOCl 2 , H 2 O 2 , Cl 2 , Br 2 |
Примером реакции окисления является образование индофенолового красителя: образующийся хинон при взаимодействии с NH 3 превращается в хинонимин, который взаимодействует с не прореагировавшим фенолом. В присутствии аммиака образуется индофенол, окрашенный в синий цвет.
хинонимин индофенол
n- бензохинонимин
Разновидностью индофеноловой реакции является нитрозореакция Либермана, которая характерна для тех фенолов, у которых нет заместителей в орто- и пара-положениях .
При действии нитрита натрия в кислой среде образуется n -нитрозофенол, изомеризующийся в монооксим n -бензохинона, который затем, реагируя с избытком фенола в кислой среде, дает индофенол.
Наблюдается окрашивание, изменяющееся при добавлении раствора щелочи:
фенол – темно-зеленое, переходящее в вишнево-красное;
тимол – сине-зеленое, переходящее в фиолетовое;
резорцин – фиолетово-черное, переходящее в фиолетовое;
гексэстрол (синэстрол) – красно-фиолетовое, переходящее в вишневое.
4. Реакция комплексообразования с ионами железа.
В зависимости от количества фенольных гидроксилов, наличия в молекуле других функциональных групп, их взаимного расположения, pH среды, температуры, образуются комплексные соединения различного состава и окраски (исключение – тимол).
Комплексы окрашены:
фенол – синий цвет;
резорцин – сине-фиолетовый цвет;
кислота салициловая – сине-фиолетовый или красно-фиолетовый цвет;
осалмид (оксафенамид) – красно-фиолетовый цвет;
натрия пара-аминосалицилат – красно-фиолетовый цвет;
хинозол – синевато-зеленый цвет.
Реакция является фармакопейной для большинства фенольных соединений.
5. Реакции электрофильного замещения – S E атома водорода в ароматическом кольце (бромирование, конденсация с альдегидами, сочетание с солями диазония, нитрование, нитрозирование, йодирование и др.). Способность фенолов вступать в реакции электрофильного замещения объясняется взаимодействием неподеленной электронной пары атома кислорода с π-электронами бензольного кольца. Электронная плотность смещается в сторону ароматического кольца. Наибольший избыток электронной плотности наблюдается у атомов углерода в о- и n- положениях по отношению к фенольному гидроксилу (ориентанту I рода).
5.1. Реакция галогенирования (бромирование и йодирование).
5.1.1. При взаимодействии с бромной водой образуются белые или желтые осадки бромпроизводных.
При избытке брома происходит окисление:
Реакция бромирования фенолов зависит от природы и положения заместителей.
Аналогично происходит йодирование, например:
5.1.2. При наличии заместителей в о- и n- положениях ароматического кольца в реакцию вступают незамещенные атомы водорода ароматического кольца.
5.1.3. Если в о- и n- положениях по отношению к фенольному гидроксилу находится карбоксильная группа, то при действии избытка брома происходит декарбоксилирование:
5.1.4. Если соединение содержит два фенольных гидроксила в м- положении, то при действии брома образуются трибромпроизводные (согласованная ориентация):
5.1.5. Если две гидроксильные группы расположены по отношению друг к другу в о- или n- положениях, то реакция бромирования не протекает (несогласованная ориентация)
5.2. Реакции конденсации
5.2.1. С альдегидами.
Примером конденсации фенолов с альдегидами является реакция с реактивом Марки. При нагревании фенолов с раствором формальдегида в присутствии концентрированной H 2 SO 4 образуются бесцветные продукты конденсации, при окислении которых получаются интенсивно окрашенные соединения хиноидной структуры. Серная кислота играет в данной реакции роль дегидратирующего, конденсирующего средства и окислителя.
5.2.2. Реакция фенолов с хлороформом (CHCl 3) с образованием ауриновых красителей.
При нагревании фенолов с CHCl 3 в щелочной среде образуются аурины – трифенилметановые красители:
Аурины окрашены:
фенол – желтый цвет;
тимол – желтый цвет, переходящий в фиолетовый;
резорцин – красно-фиолетовый цвет.
5.2.3. С ангидридами кислот.
А. Реакция образования флуоресцеина (конденсация резорцина с фталевым ангидридом).
Б. Реакция образования фенолфталеина (конденсация фенола с фталевым ангидридом).
При большом избытке щелочи образуется трехзамещенная натриевая соль.
Конденсация тимола с фталевым ангидридом идет аналогично реакции образования фенолфталеина, образуется тимолфталеин, имеющий синее окрашивание в щелочной среде.
5.3. Реакция нитрования
Фенолы вступают в реакцию с разбавленной азотной кислотой (HNO 3) и образуют орто- и пара-нитропроизводные. Добавление раствора натрия гидроксида усиливает окраску вследствие образования хорошо диссоциированной соли.
5.4. Реакция азосочетания фенолов с солью диазония в щелочной среде.
При взаимодействии фенолов с солью диазония при pH 9-10 образуются азокрасители, окрашенные в желто-оранжевый или красный цвет. Реакция азосочетания протекает в орто- и пара-положениях по отношению к фенольному гидроксилу. В качестве диазореактива обычно применяют диазотированную сульфаниловую кислоту.
Лекция № 14
Тема « Качественные реакции на функциональные группы»
1) Гидроксильная (спиртовая, фенольная)
2) Карбонильная (альдегидная, карбоксильная, сложно-эфирная)
3) Первичная ароматическая аминогруппа, третичная аминогруппа(третичный азот)
4) Имидная, сульфамидная.
Функциональные группы (ФГ)- это связанные с углеродным радикалом отдельные атомы или группы атомов, которые вследствие своих характерных свойств могут быть использованы определения лекарственных веществ.
I. Спиртовой гидроксил . Alr-OH - это гидроксил, связанный с алифатическим углеводородным радикалом.
На основе спиртового гидроксила в анализе содержащих его ЛВ используются следующие реакции:
Этерификации (образования с кислотами или их ангидридами сложных эфиров);
Окисление до альдегидов, а в некоторых случаях и до кислот;
Комплексообразование с ионами меди (II) в щелочной среде.
1.Реакция этерификации в присутствии водоотнимающих средств с кислотами или их ангидридами. Основана на свойстве спиртов образовывать сложные эфиры. В случае низкомолекулярных соединений эфиры обнаруживают по запаху, при анализе ЛВ с высокой молекулярной массой – по температуре плавления.
Реакция этерификации является фармакопейной для спирта этилового.
CH 3 CH 2 OH + CH 3 COOH H 2 SO 4 → CH 3 CH 2 OCOCH 3
2. Реакция окисления, основана на свойстве спиртов окисляться до альдегидов, которые обнаруживают по запаху. В качестве реагентов используют различные окислители: калия перманганат, калия бихромат, гексацианоферрат (III) калия и др. Наибольшую аналитическую ценность имеет калия перманганат, который, восстанавливаясь, меняет степень окисления от +7 до + 2 и обесцвечивается, т.е. делает реакцию эффектной.
Реакция комплексообразования , основанная на свойстве спиртов образовывать окрашенные комплексные соединения с сульфатом меди (II) в щелочной среде.
Используется для идентификации многоатомного спирта – глицерина и эфедрина гидрохлорида, в котором кроме спиртового гидроксила участвует в комплексообразовании и вторичная аминная группа.
Фенольный гидроксил - это гидроксил, связанный с ароматическим радикалом. Его содержат ЛВ группы фенолы (фенол, резорцин); фенолокислот и их производных (кислота салициловая, фенилсалицилат, салициламид, оксафенамид); производные фенантренизохинолина (морфин гидрохлорид, апоморфин); синестрол, адреналин, мезатон и др.
Химические свойства соединений, содержащих фенольный гидроксил, обусловлены взаимодействием электронной пары с π – электронами ароматического кольца. Это взаимодействие приводит к смещению электронной плотности с ОН - – группы на кольцо, нарушения в нем равномерности распределения электронов, созданию избыточного отрицательного заряда в орто- и пара- положениях. Атом водорода гидроксигруппы ионизирует и придает фенолам слабые кислотные свойства, которые однако редко используются в анализе. наибольшее значение имеют реакции электрофильного замещения водородов в о- и n- положениях ароматического кольца.
На основе свойств фенольного гидроксила используются следующие реакции:
Комплексообразования;
Бромирования;
Азосочетания;
Окисления;
Образования индофенолового красителя;
Конденсации
1. Реакции комплексообразования фенольного гидроксила с ионами железа (III). Основана на свойствах фенольного гидроксила образовывать растворимые комплексные соединения, окрашенные чаще в синий (фенол) или фиолетовый цвет (резорцин, кислота салициловая), реже в красный (ПАСК – натрия) и зеленый (хинозол).
Состав комплекса, а, следовательно, и их окраска обусловлены количеством фенольных гидроксилов (фенол – синее, резорцин – фиолетовое), и влиянием других функциональных групп.
2. Реакция бромирования ароматического кольца. Основана на электрофильном замещении водорода в о- и n- положении на бром с образованием нерастворимого бромопроизводного.
Основные правила бромирования
Бром замещает водород в о- и n- положении по отношению к фенольному гидроксилу (наиболее рационноспособное n – положение):
- при наличии в о- или n- положениях ароматического кольца заместителей в реакцию вступает меньше атомов брома:
- если в о- или n- положениях находиться карбоксильная группа, то при наличии избытка брома происходит декарбоксилирование и образование трибромпроизводного:
Если заместитель находится в м- положении, то он не препятствует образованию трибромпроизводного:
Если в соединении содержится два фенольных гидроксила в м- положении, то в результате их согласной ориентации образуется трибромпроизводное
если две гидроксильные группы расположены в о- или n- положении друг к другу, то они действуют несогласованно: бромирование не происходит:
3.Реакция азосочетания фенолов с диазореактивом (диазотированная сульфаниловая кислота) с образованием азокрасителя, окрашенного в оранжево-красный цвет.
4. Реакция окисления. Фенолы могут окисляться до различных соединений, но чаще всего до хинонов окрашенных в розовый или реже в желтый цвет.
5. Реакция образования индофенолового красителя. Основана на окислении фенолов до хинонов, которые при конденсации с аммиаком или аминопроизводными и избытком фенола образуют индофеноловый краситель, окрашенный в фиолетовый цвет.
6. Реакция конденсации с альдегидами или ангидридами кислот:
С формальдегидом в присутствии концентрированной серной кислоты с образованием ауриноваго (арилметанового) красителя окрашенного в красный цвет.
Реакция является фармакопейной для кислоты салициловой.
Концентрированная серная кислота на первой стадии реакции играет роль водоотнимающего средства, на второй – является окислителем.
Химизм реакции на резорцин