Условие задачи

Фенол отличается от бензола по составу на один атом кислорода. Как этот атом влияет на физические и химические свойства фенола? Объясните.

Решение

Дисциплина – органическая химия, а именно структура и реактивность ароматических соединений.

Рассмотрим подробно:

1. Структурное отличие:
Бензол имеет формулу C₆H₆, то есть представляет собой цикл с шестью углеродами, связанными попеременно двойными и одинарными связями (делокализованная π-система). Фенол – это C₆H₅OH, где к бензольному кольцу присоединена гидроксильная группа (–OH). Таким образом, отличие – один атом кислорода (и присоединённый ему атом водорода).

2. Влияние кислорода на физические свойства:
а) Полярность и водородные связи.
– Кислород обладает высокой электроотрицательностью, из-за чего группа –OH становится полярной.
– Гидроксильная группа может образовывать водородные связи между молекулами фенола, что приводит к повышенной температуре кипения и плавления по сравнению с бензолом, который является неполярным и не способен к таким ассоциациям.

б) Растворимость.
– Благодаря своей полярности фенол хуже растворим в неполярных растворителях (например, в углеводородах), но лучше растворим в водных или других полярных растворителях, где возможны водородные связи.

3. Влияние кислорода на химические свойства:
а) Кислотность.
– Гидроксильная группа делает фенол слабой кислотой. При отдаче протона образуется фенолятный анион (C₆H₅O⁻), который стабилизирован за счёт делокализации отрицательного заряда по всему бензольному кольцу посредством резонанса.
– Здесь эффект резонансной стабилизации перевешивает отрицательный индуктивный эффект кислорода, что объясняет относительно высокую кислотность фенола (pKa около 10) по сравнению с типичными спиртами (pKa около 16–18).

б) Электрофильное ароматическое замещение.
– Группа –OH обладает двумя противоречивыми эффектами:
• Индуктивный эффект оттягивания электронов (–I) вследствие высокой электроотрицательности кислорода делает кольцо менее насыщенным.
• Резонансный эффект (+R) благодаря донорству неподелённых пар кислорода в π-систему, приводит к увеличению электронной плотности в орто и пара позициях бензольного кольца.
– В итоге гидроксильная группа является активирующей по отношению к электрофильным реакциям, стимулируя замещение в орто и пара позициях.
– Однако, при определённых условиях (например, в сильно кислой среде) гидроксильная группа может протонироваться, что изменяет её эффекты и снижает активацию кольца.

4. Итоговое влияние:
Добавление атома кислорода приводит к следующим изменениям по сравнению с бензолом:
– Увеличение полярности и возникновение межмолекулярных водородных связей, что отражается на физических свойствах (точки кипения, растворимость).
– Повышение кислотности за счет стабилизации аниона фенолята посредством резонанса.
– Изменение реакционной способности ароматического кольца: гидроксильная группа активирует бензольное кольцо для электрофильного ароматического замещения, особенно в орто и пара позициях.

Таким образом, один атом кислорода в составе фенола приводит к заметным изменениям как физических, так и химических свойств по сравнению с бензолом.