Молекулярна і структурна формула фенолу

Феноли - загальна назва ароматичних спиртів. За своїми властивостями речовини є слабкими кислотами. Важливе практичне значення мають багато гомологи гідроксибензол З₆Н₅0Н (формула фенолу) - найпростішого представника класу. Зупинимося на цьому докладніше.

Феноли. Загальна формула і класифікація

Загальна формула органічних речовин, що відносяться до ароматичних спиртів, - R-OH. Молекули власне фенолів і крезолів утворені радикалом - фенілом С6Н5, з яким безпосередньо з`єднується одна або декілька гідроксильних груп OH (оксигрупп). За їх числа в молекулі феноли класифікуються на одно-, дво- і багатоатомні. Одноатомними сполуками цього типу є фенол і крезол. Найбільш поширені серед багатоатомних гідроксибензол - нафтоли, які містять у своєму складі 2 конденсованих ядра.

Фенол - представник ароматичних спиртів

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

• Раціональна хімічна формула - C₆H₅OH.
• Молекулярна маса з`єднання - 94,11 а. е. м.
• Брутто-формула, що відображає склад, - C₆H₆O.

Електронна будова молекули фенолу

Циклічну структурну формулу бензолу запропонував німецький хімік-органік Ф. Кекуле в 1865 році, а незадовго до нього - І. Лошмідт. Вчені представляли молекулу органічної речовини у вигляді правильного шестикутника з чергуються простими і подвійними зв`язками. За сучасними уявленнями, ароматичне ядро - це особливий вид кільцевої структури, що отримав назву «сполучена зв`язок».

Шість атомів вуглецю С відчувають процес sp²-гібридизації електронних орбіталей. Не беруть участь в утворенні С-С-зв`язків р-електронні хмари перекриваються над і під площиною ядра молекули. Виникають дві частини загального електронного хмари, яка охоплює всі кільце. Структурна формула фенолу може виглядати по-різному, враховуючи історичний підхід до опису будови бензолу. Щоб підкреслити неграничний характер ароматичних вуглеводнів, умовно вважають подвійними три з шести зв`язків, які перемежовуються з трьома простими.

Поляризація зв`язку в оксигруппе

У найпростішому ароматичних вуглеводнів - бензолі З₆Н₆ - електронне хмара є симетричним. Формула фенолу відрізняється на одну оксигрупи. Присутність гідроксилу порушує симетрію, що знаходить відображення у властивостях речовини. Зв`язок між киснем і воднем в оксигруппе - полярна ковалентний. Зсув загальної пари електронів до атома кисню призводить до виникнення на ньому негативного заряду (часткового). Водень позбавляється електрона і набуває частковий заряд «+». Крім того, кисень в О-Н-групі є володарем двох неподіленого електронних пар. Одна з них притягується електронним хмарою ароматичного ядра. З цієї причини зв`язок стає більш поляризованою, атом водню легше заміщається металами. Моделі дають уявлення про несиметричний характер молекули фенолу.

Особливості взаємовпливу атомів в фенолу

Єдине електронне хмара ароматичного ядра в молекулі фенолу взаємодіє з гідроксильною групою. Відбувається явище, що отримало назву сполучення, в результаті якого власна пара електронів атома кисню оксигрупи притягається до системи бензольного циклу. Зниження негативного заряду компенсується завдяки ще більшої поляризації зв`язку в групі О-Н.

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

Пояснення хімічних властивостей фенолу на основі його електронної будови

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

Ароматичне ядро впливає на полярність зв`язку в оксигруппе, збільшуючи її. Атом водню стає більш рухливими, порівняно з граничними спиртами. Фенол реагує з лугами, утворюючи солі - феноляти. Етанол не взаємодіє з лугами, вірніше, продукти реакції - етаноляти - розкладаються. У хімічному плані феноли - більш сильні кислоти, ніж спирти.

Представники класу ароматичних спиртів

Брутто-формула гомолога фенолу - крезола (метілфенол, гідрокситолуол) - C₇H₈O. Речовина в природній сировині часто супроводжує фенолу, теж має антисептичні властивості. Інші гомологи фенолу:

• Пірокатехін (1,2-гидроксибензол). Хімічна формула - С₆Н₄(ОН)₂.
• Резорцин (1,3-гидроксибензол) - З₆Н₄(ОН)₂.
• Пирогаллол (1,2,3- трігідроксібензол) - З₆Н₃(ОН)₃.
• Нафтол. Брутто-формула речовини - C₁₀H₇OH. Застосовується у виробництві барвників, медикаментів, запашних з`єднань.
• Тимол (2-ізопропіл-5-метілфенол). Хімічна формула - C₆H₃CH₃(OH) (C₃H₇). Застосовується в хімії органічного синтезу, медицині.
• Ванілін, крім фенольного радикала, містить просту ефірну групу і залишок альдегіду. Брутто-формула сполуки - C₈H₈O₃. Ванілін широко використовується як штучна віддушка.

Формула реактиву для розпізнавання фенолів

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

Гідроксибензол, нафтол, тимол - це все феноли. Загальна формула і склад речовин дозволяє визначити приналежність цих з`єднання до ароматичного ряду. Всі органічні речовини, що містять у своїй формулі фенільний радикал З<sub>6</sub>Н<sub>5</sub>, з яким безпосередньо пов`язані оксигрупи, виявляють особливі властивості. Від спиртів вони відрізняються краще вираженим кислотним характером. У порівнянні з речовинами гомологічного ряду бензолу, феноли - більш активні хімічні сполуки.