Свойства фенолов
Общие сведения
Фенолы представляют собой класс органических соединений, отличительной структурной особенностью которых является наличие гидроксильной группы, непосредственно связанной с атомом углерода ароматического кольца. Данная структурная специфика фундаментально определяет химическое поведение соединений этого класса. Вследствие сопряжения неподеленной электронной пары атома кислорода с пи-электронной системой ароматического кольца фенолы проявляют ярко выраженные кислотные свойства, значительно превосходящие кислотность алифатических спиртов. Константа кислотности фенолов превышает аналогичный показатель для спиртов на восемь и более порядков. Диссоциация фенолов в растворах является обратимым процессом, количественное положение равновесия которого зависит от разности свободных энергий исходных веществ и продуктов реакции. Стабилизация образующегося феноксид-иона (сопряженного основания) по своей природе аналогична стабилизации енолят-ионов за счет делокализации отрицательного заряда по ароматическому кольцу. Для фенолов характерно явление таутомерии: они способны существовать в термодинамическом равновесии с неароматическими формами — изомерными циклогексадиенонами, однако в стандартных условиях равновесие практически полностью смещено в сторону ароматической (фенольной) формы.
Классификация
Классификация фенолов основывается на количестве гидроксильных групп в молекуле, а также на характере и положении иных заместителей в ароматическом ядре. По числу гидроксильных функциональных групп выделяют одноатомные фенолы (простейшим представителем которых является собственно фенол, или гидроксибензол) и многоатомные фенолы. К числу важнейших двухатомных фенолов относятся резорцин (1,3-дигидроксибензол), пирокатехин (1,2-дигидроксибензол) и гидрохинон (1,4-дигидроксибензол).
В зависимости от электронных эффектов заместителей в бензольном кольце фенолы классифицируются по силе их кислотных свойств. Электронодонорные заместители (например, алкильные группы) дестабилизируют феноксид-ион и, как следствие, понижают кислотность фенола. Электроноакцепторные заместители (галогены, нитрогруппы), напротив, способствуют дополнительной делокализации отрицательного заряда, что приводит к резкому возрастанию кислотности. Так, галогензамещенные фенолы диссоциируют значительно легче незамещенного фенола, образуя высокостабильные анионы. Отдельную структурную группу составляют пространственно затрудненные фенолы, в которых гидроксильная группа экранирована объемными алкильными радикалами (например, трет-бутильными группами) в орто-положениях, что придает им специфическую химическую инертность и способность выступать в роли стабилизаторов радикальных процессов.
Способы получения
Химические превращения фенолов служат мощным препаративным инструментом для получения широкого спектра функционально замещенных ароматических соединений. Синтез сложных пространственно затрудненных фенолов (таких как ионол) осуществляется методом алкилирования по Фриделю — Крафтсу при взаимодействии простых фенолов (например, п-крезола) с алкенами (изобутиленом) в присутствии кислотных катализаторов.
Получение индивидуальных ароматических гидроксикетонов базируется на перегруппировке Фриса, открытой в 1908 году. В ходе данной реакции ариловые эфиры карбоновых кислот подвергаются нагреванию в присутствии кислот Льюиса (хлорида или бромида алюминия), что приводит к внутримолекулярной миграции ацильной группы и образованию смеси орто- и пара-гидроксикетонов без примеси мета-изомера. Данный метод широко применяется, в частности, для синтеза 5-ацетил-2-гидроксибензойной кислоты из ацетилсалициловой кислоты (аспирина).
Для получения специфических карбоновых кислот фенольного ряда используется реакция карбоксилирования по Кольбе (1860 год). Нагревание сухих щелочных фенолятов с углекислым газом под давлением приводит к образованию солей салициловой (орто-гидроксибензойной) или пара-гидроксибензойной кислоты.
Синтез полинитрофенолов, таких как пикриновая кислота (2,4,6-тринитрофенол), ввиду высокой окисляемости фенольного ядра, осуществляют косвенным путем: фенол первоначально сульфируют до бензолдисульфокислоты, после чего подвергают нитрованию концентрированной азотной кислотой. На второй стадии происходит электрофильное замещение сульфогрупп на нитрогруппы. Орто-аллилфенолы препаративно получают с помощью перегруппировки Кляйзена (1912 год), заключающейся в термической изомеризации аллиловых эфиров фенолов при температурах 200–220 градусов Цельсия.
Свойства
Химические свойства фенолов обусловлены реакционной способностью гидроксильной группы и высокой нуклеофильностью активированного ароматического кольца. Фенолы легко растворяются в водных растворах гидроксидов щелочных металлов с образованием солей — фенолятов. В отличие от карбоновых кислот, фенолы не способны вытеснять угольную кислоту из ее солей, поэтому они не реагируют с гидрокарбонатом натрия с выделением углекислого газа. Эта качественная реакция является классическим методом различения фенолов и карбоновых кислот. Токсическое действие фенола на живые организмы частично связано с тем, что физиологические буферные системы на основе гидрокарбонатов не способны его нейтрализовать.
Феноксид-ион представляет собой амбидентный нуклеофил, способный вступать в реакции алкилирования как по атому кислорода (О-алкилирование), так и по атому углерода ароматического кольца (С-алкилирование). В биполярных апротонных растворителях, эффективно сольватирующих катион щелочного металла, реакция протекает региоселективно по атому кислорода с образованием простых эфиров фенолов. В протонных растворителях (вода, трифторэтанол или сам фенол), избирательно сольватирующих кислородный центр посредством водородных связей, алкилирующий агент (например, бензилгалогенид или аллилгалогенид) атакует углеродный центр (реакция Корнблюма). С-алкилирование также наблюдается при использовании алюминиевых солей фенолов или при блокировании кислородного центра в ассоциатах ионных пар (в неполярных растворителях, таких как бензол). Селективное О-метилирование фенолов достигается при использовании диазометана в эфирном растворе. Прямая этерификация фенолов карбоновыми кислотами термодинамически невыгодна; сложные эфиры фенолов получают исключительно реакцией с ацилгалогенидами или ангидридами карбоновых кислот.
Реакции электрофильного ароматического замещения протекают для фенолов исключительно легко, поскольку гидроксильная группа выступает мощным электронодонорным заместителем. Галогенирование фенола молекулярным бромом или хлором не требует применения катализаторов. Скорость бромирования фенолят-иона в тысячу раз превосходит скорость реакции самого фенола. В водной среде бромирование мгновенно приводит к образованию нерастворимого осадка 2,4,6-трибромфенола. Дальнейшее действие избытка брома ведет к формированию окрашенного в желтый цвет производного — тетрабромциклогексадиенона, который при обработке восстановителями (например, гидросульфитом натрия) регенерирует в трибромфенол.
Нитрование фенола разбавленной азотной кислотой приводит к образованию смеси орто- и пара-нитрофенолов, которые разделяются перегонкой с водяным паром (орто-изомер обладает большей летучестью из-за образования прочной внутримолекулярной водородной связи). Процесс нитрования часто осложняется окислительной деструкцией фенола. Использование нитрующих агентов, таких как ацетилнитрат, повышает селективность орто-замещения. Сульфирование фенола серной кислотой протекает легко; соотношение изомеров зависит от температуры: при 20 градусах Цельсия образуется смесь орто- и пара-изомеров, тогда как при 120 градусах Цельсия из-за обратимости реакции практически количественно (около 96 процентов) доминирует термодинамически более стабильный пара-изомер. Нитрозирование фенолов азотистой кислотой демонстрирует высокую региоселективность в пара-положение. Образующиеся нитрозофенолы существуют в виде таутомерных смесей с монооксимами хинонов и проявляют двойственную реакционную способность.
Фенолы подвергаются алкилированию спиртами, алкенами и алкилгалогенидами в присутствии кислотных катализаторов (борная, фосфорная, фтороводородная кислоты). Ацилирование ароматического кольца фенолов по Фриделю — Крафтсу протекает неудовлетворительно из-за конкурентного О-ацилирования, однако использование комплексов карбоновых кислот с трифторидом бора позволяет получать пара-гидроксикетоны с высокими выходами. Двухатомные фенолы, такие как резорцин, вступают в реакцию Геша — конденсацию с нитрилами в присутствии сухого хлористого водорода и хлорида цинка с образованием кетонов. Важной является реакция Байера (1874 год): конденсация фенола с фталевым ангидридом в присутствии серной кислоты с образованием фенолфталеина. Конденсация с хлороформом в щелочной среде (реакция Реймера — Тимана) идет через промежуточное образование дихлоркарбена и позволяет вводить в кольцо формильную группу, образуя преимущественно орто-гидроксиальдегиды. Конденсация фенола с альдегидами (формальдегидом) или кетонами (ацетоном) протекает по механизму, родственному альдольной конденсации, приводя к образованию высокомолекулярных соединений.
Специфической реакцией является карбоксилирование по Кольбе. Направление данной реакции (орто- или пара-замещение) жестко контролируется природой катиона щелочного металла. Катионы натрия и лития способны к эффективному хелатообразованию с кислородом углекислого газа в переходном состоянии, что направляет реакцию в орто-положение (образование салицилатов). Катионы калия, рубидия и цезия не образуют подобных координационных связей, вследствие чего электрофильная атака направляется в пара-положение. Многоатомные фенолы вступают в эту реакцию в значительно более мягких условиях.
Взаимодействие фенолов с солями арендиазония в слабощелочной среде (реакция азосочетания) приводит к образованию арилазофенолов. Внутримолекулярная перегруппировка Кляйзена для аллилариловых эфиров протекает как реакция первого порядка с обязательной инверсией мигрирующей аллильной группы через промежуточное образование 2,4-циклогексадиенона.
Окисление фенолов представляет собой сложный многостадийный процесс. Под действием двухэлектронных неорганических окислителей (дихромат натрия, оксид марганца(IV) в серной кислоте) фенол окисляется до пара-бензохинона. Мягкое радикальное окисление осуществляется солью Фреми (нитрозодисульфонатом калия), что позволяет получать хиноны с выходами, близкими к количественным. Окисление двухатомных фенолов (гидрохинона, пирокатехина) оксидом серебра или диоксидом свинца служит основным препаративным методом получения орто- и пара-бензохинонов. Промежуточные феноксильные радикалы, возникающие при окислении пространственно затрудненных фенолов (ионола), склонны к димеризации с образованием сложных структур, таких как стильбенхиноны. Стабильные арилоксильные радикалы (например, гальвиноксил, имеющий глубокий синий цвет) используются в химической кинетике в качестве ловушек для захвата менее стабильных свободных радикалов.
Применение
Продукты химических превращений фенолов имеют колоссальное значение для современной промышленности, медицины и аналитической химии. Поликонденсация фенола с формальдегидом приводит к образованию фенолформальдегидных смол (бакелитов) — первых синтетических полимеров, широко применяемых в машиностроении, электротехнике и при производстве прочных изоляционных материалов. Конденсация фенола с ацетоном дает бисфенол А, являющийся базовым мономером для масштабного производства эпоксидных смол.
Пространственно затрудненные фенолы (в частности, 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол, известный как ионол) массово производятся в качестве высокоэффективных антиоксидантов и стабилизаторов для предотвращения термоокислительной деструкции полимерных материалов. Продукт карбоксилирования мета-аминофенола — пара-аминосалициловая кислота (ПАСК) — является важнейшим фармакологическим препаратом, применяемым при комплексном лечении туберкулеза. Соли и эфиры салициловой кислоты широко используются в качестве нестероидных противовоспалительных средств.
Продукты азосочетания фенолов с солями диазония составляют обширный класс синтетических азокрасителей. Фталеины, получаемые реакцией фенолов с фталевым ангидридом (фенолфталеин, крезолфталеин, тимолфталеин), обладают способностью обратимо изменять окраску в зависимости от концентрации водородных ионов и выступают в роли незаменимых кислотно-основных индикаторов в аналитической химии. Производное резорцина — флуоресцеин — используется как мощный флуоресцентный маркер в гидрогеологии, биохимии и медицинских исследованиях. Пикриновая кислота применяется в качестве акцептора для создания стабильных комплексов с переносом заряда при анализе сложных ароматических систем.