21. Фенолы: кислотные свойства (образование фенолятов); нуклеофильные свойства (образование простых и сложных эфиров); окисление; химическая идентификация.

Химические свойства. Реакционными центрами в молекулах фенолов являются фенольная гидроксильная группа и ароматическое кольцо, взаимно влияющие друг на друга. Фенольная гидроксильная группа за счет р,π-сопряжения с кольцом является электронодонором, поэтому вектор диполя в фенолах направлен в сторону бензольного кольца, в то время как в спиртах — в сторону гидроксильной группы:

Сопряжение группы ОН с ароматическим кольцом обусловливает дефи­цит электронной плотности на атоме кислорода, в результате чего протон гид­роксильной группы фенолов становится более подвижным, чем в спиртах, т. е. увеличиваются кислотные свойства. В то же время основные и нуклеофиль­ные свойства фенольного гидроксила понижены по сравнению со спиртовым.

За счет +М-эффекта существенно изменены характеристики связи С_ар—О, а именно появляется некоторая двоесвязанность, что приводит к увеличению ее прочности и укорочению в сравнении со связью С—О в спиртах. Поэтому реакции, связанные с разрывом связи С_ар—ОН, встречаются у фено­лов очень редко.

Благодаря электронодонорному влиянию фенольного гидроксила элек­тронная плотность ароматического кольца повышена по сравнению с бензо­лом, особенно в орто- и пара-положениях. Это существенно облегчает проте­кание реакций электрофильного замещения и окисления.

Кислотные и основные свойства. Кислотность фенолов значительно выше, чем спиртов, поскольку феноксид-ионы в результате мезомерной делокализации отрицательного заряда ста­бильнее алкоксид-ионов:

Повышенная кислотность фенолов проявляется в их способности взаимо­действовать с растворами щелочей:

Однако фенол не реагирует с гидрокарбонатом натрия, поскольку он сла­бее угольной кислоты. Напротив, действием диоксида углерода на феноксиды получают свободный фенол:

На нерастворимости фенолов в растворе гидрокарбоната основано их от­деление от карбоновых кислот.

Заместители в ароматическом кольце в значительной степени влияют на кислотность фенолов. Электронодонорные заместители несколько снижают кислотность, тогда как электроноакцепторные сильно ее увеличива­ют. Так, нитрогруппа, введенная в орто- или пара-поло­жения к группе ОН, увеличивает кислотность соединения по сравнению с фе­нолом почти на три порядка, а нитрогруппа в мета-положении, влияя лишь индуктивным путем, увеличивает кислотность в меньшей степени.

Для двухатомных фенолов можно было бы ожидать уменьшения кислот­ности по сравнению с фенолом, так как вторая гидроксильная группа, будучи электронодонором, должна понижать стабильность сопряженного основания НОС₆Н₄О^-. На самом деле их кислотность несколько выше кислотности фе­нола. Причина этого заключается, по-видимому, в большом вкладе сольватационного эффекта в стабилизацию аниона многоатомных фе­нолов как более полярных соединений по сравнению с фенолом.

Кислотные свойства пирокатехина, а также его способность образовывать нерастворимую свинцовую соль с участием обеих ОН-групп используются для обнаружения пирокатехинового фрагмента (качественная реакция):

Вследствие р,π-сопряжения гидроксильной группы с ароматическим коль­цом фенолы являются очень слабыми основаниями Брёнстеда. Так, рК_ВН+ фе­нола равен -6, т. е. фенол на 2-4 порядка менее основен, чем низшие алифатические спирты. Поэтому фенолы не образуют солей даже с сильными минеральными кислотами.

Реакции с участием нуклеофильного центра. Фенолы, являясь слабыми основаниями, обладают и низкой нуклеофиль- ностью; реакции с участием фенолов в роли нуклеофила протекают с большим трудом. Значительно облегчает протекание реакций использование щелочной среды, в которой фенолы превращаются в феноксид-ионы АrО^- обладающие высокой нуклеофильностью.

О-Алкилирование. Фенолы в щелочной среде под действием алкилирующих агентов (галогеноалканов, диалкилсульфатов, алкилсульфонатов) превра­щаются в алкилариловые эфиры:

Эти реакции представляют собой вариант синтеза Вильямсона и его моди­фикации.

Достаточно высокая кислотность фенолов позволяет использовать для О-алкилирования диазоалканы, чаще всего диазометан CH₂N₂. Реакция протекает при комнатной температуре без катализатора и с высоким выходом:

О-Алкилирование многоатомных фенолов может протекать по одной или нескольким гидроксильным группам. Например, при действии на пирокатехин избытком алкилирующего агента образуется диалкиловый эфир, а при эквимолярном соотношении реагентов преимущественно получается моноалкиловый эфир:

О-Арилирование фенолов из-за малой подвижности атома галогена в аро­матическом ядре протекает в жестких условиях в присутствии катализатора — порошкообразной меди или ее соединений. Этот способ получения диариловых эфиров называется конденса­цией Ульмана.

О-Ацилирование. Гидроксильная группа фенолов ацилируется под дейст­вием активных ацилирующих агентов — хлорангидридов или ангидридов кар­боновых кислот, в результате чего образуются сложные эфиры. В связи с низ­кой нуклеофильностью фенолов реакцию катализируют либо минеральными кислотами (серная, фосфорная), либо основаниями (ацетат натрия, третичные амины). В первом случае активируется ангидрид, во втором — фенол. Карбо­новые кислоты в этих условиях фенолы не ацилируют.

Для двухатомных фенолов О-ацилирование, как и О-алкилирование, мо­жет затрагивать одну или обе гидроксильные группы:

Окисление.

Фенолы, имеющие по сравнению с аренами повышенную электронную плотность в кольце, окисляются довольно легко. Фенол уже при стоянии на воздухе приобретает розовую или красную окраску, обусловленную наличием продуктов окисления.

Окисление фенола сильными окислителями (триоксидом хрома, хромо­вой смесью и др.) приводит к образованию, наряду с другими продуктами, п-бензохинона (качественная реакция):

Нафтолы окисляются легче фенолов, α-нафтол при действии триоксида хрома превращается в 1,4-нафтохинон:

Многоатомные фенолы с орто- или пара-положением гидроксильных групп окисляются еще легче одноатомных, т. е. они являются более сильными восстановителями, чем одноатомные фенолы. При этом образуются о- или п-бензохиноны:

Благодаря восстанавливающим свойствам гидрохинон используют как ан­тиоксидант и ингибитор полимеризации, а также в процессе фотографическо­го проявления, например:

Наиболее сильными восстанавливающими свойствами обладают трех­атомные фенолы, легко окисляющиеся кислородом воздуха, особенно в ще­лочной среде. Так, щелочной раствор пирогаллола применяют в газовом анализе для поглощения кислорода. Пирогаллол при этом окисляется с разру­шением ароматического кольца. Легкую окисляемость фенольных соединений необходимо учитывать при работе с лекарственными средствами, содержащими в молекуле фенольные фрагменты.

22. Фенолы (фенол, – и β–нафтолы): реакции электрофильного замещения – галогенирование, нитрование, сульфирование, нитрозирование, карбоксилирование; механизм S_Е, направление замещения (статический и динамический подходы).

Реакции с участием электрофильного центра.

Повышенная прочность связи С_ар—О в фенолах обусловливает трудности замещения фенольного гидроксила. В отличие от спиртов, группа ОН фенолов *е замещается на атом галогена при действии галогеноводородов или тио-гилхлорида. Только под действием пентахлорида или трихлорида фосфора троисходит в малой степени замещение группы ОН на атом хлора, а основным тродуктом является эфир фосфорной или фосфористой кислоты соответлвенно:

Замещение фенольного гидроксила в α- и β-нафтолах и их сульфопроизводных на амино- или алкиламиногруппу под действием аммиака или алифа­тических аминов осуществляется по реакции Бухерера, например:

В эту реакцию не вступает фенол, но вступают некоторые многоатом­ные фенолы (резорцин и флороглюцин). Наличие в последних ОН-групп в мета-положении облегчает протекание реакции по сравнению с нафтолами. Реакция Бухерера широко применяется в производстве красителей и полупродуктов органического синтеза.

Реакции электрофильного замещения в ароматическом ядре.

Фенольная гидроксильная группа является электронодонором и одним из сильнейших ориентантов I рода (орто- и пара-ориентант). Она не только зна­чительно облегчает протекание типичных реакций электрофильного замеще­ния по сравнению с бензолом, но и позволяет проводить специфические для фенолов реакции со слабыми электрофильными реагентами, не имеющие ана­логов в ряду аренов. Столь же активны в подобных реакциях и многоатомные фенолы, особен­но резорцин и флороглюцин, у которых наблюдается согласованная ориента­ция гидроксильных групп.

Галогенирование. Галогенирование фенолов протекает исключительно легко при комнатной температуре без катализатора при действии бромной или хлорной воды. Вероятно, полярный растворитель (вода) сольватирует молеку­лу фенола, в результате чего сольватированная ОН-группа проявляет больший электронодонорный эффект, чем несольватированная. Следствием этого явля­ется легкое, и даже трудно контролируемое, замещение атомов водорода сразу в трех положениях. При избытке бромной воды реакция протекает дальше с образованием так называемого «тетрабромофенола» (осадок желтого цвета).

Эта реакция используется для качественного и количественного определения фенола. Чувствительность реакции такова, что позволяет обнаруживать фенол в концентрации 10^-4 моль/л (качественная реакция).

Используя малополярные растворители и варьируя количество галогена, вводимого в реакцию с фенолом, можно получать моно- или дигалогенопроизводные. Если в случае дигалогенирования проблема направленности замещения практически не возникает (образуются 2,4-дигалогенофенолы), то для получения моногалогенопроизводных избирательности замещения удается достичь только при тщательно подобранных условиях реакции. Например, действием брома в среде тетрахлорометана или сероуглерода CS₂ при 0-5 °С получают п-бромофенол с выходом до 85%. Аналогичные результаты дает использование комплексных соединений брома (диоксандибромида). Этот электрофильный реагент имеет большой объем, и атака орто-положения фенола делается маловероятной.

Хлорирование фенола в расплаве (без растворителя) приводит к образованию преимущественно пара-изомеры:

Галогенирование нафтолов идет легко и под­чиняется общим правилам ориентации в ряду нафталинов:

Сульфирование. Строение и выход продуктов сульфирования зависят от температуры реакции, концентрации и количества сульфирующего агента и продолжительности процесса. Сульфирование самого фенола при комнатной температуре приводит к преимущественному образованию орто-изомера, (кине­тически контролируемая реакция), а при более высокой температуре образуется пара-изомер (термодинамически контролируемая реакция). Обратимость реак­ции сульфирования позволяет путем нагревания превратить орто-изомер в бо­лее устойчивый к гидролизу пара-изомер. При взаимодействии с двумя эквива­лентами концентрированной серной кислоты при нагревании образуется дисульфоновая кислота — исходное соединение для синтеза пикриновой кислоты:

Сульфирование нафтолов протекает достаточно легко, однако ориентация замещения в значительной степени зависит от условий реакции (температуры и продолжительности нагревания) и, вследствие обратимости реакции суль­фирования, часто не подчиняется общим принципам замещения в ряду нафта­линов. Лишь для α-нафтола при эквимолярном соотношении реагентов обра­зуются ожидаемые сульфоновые кислоты:

Нитрование. Фенолы очень легко вступают в реакцию нитрования. Так, при действии 20%-й азотной кислоты на фенол образуется смесь о- и п-нитро­фенолов в соотношении примерно 3:1. орто-Изомер, как более летучий из-за внутримолекулярной водородной связи, легко отделяется перегонкой с водя­ным паром.

Несмотря на легкость замещения, общий выход изомерных нитрофенолов невысокий. Это объясняется склонностью фенолов к окислению даже при действии разбавленной азотной кислоты, что приводит к образованию смоло­подобных продуктов окисления и полимеризации. Варьируя условия реакции, можно изменять соотношение образующихся нит­рофенолов: при нитровании азотной кислотой в среде уксусной кислоты полу­чается о-нитрофенол с выходом 70%.

При необходимости использования концентрированной азотной кислоты или нитрующей смеси применяют метод временного введения сульфогрупп, повышающих устойчивость ароматического кольца к окислению. Так, при синтезе пикриновой кислоты фенол сначала превращают в дисульфоновую кислоту. При последующем нитровании обе сульфогруппы подвергаются электрофильному замещению на нитрогруппы с одно­временным введением третьей нитрогруппы в свободное орто-положение:

При нитровании нафтолов азотной кислотой наблюдается почти полное окисление, поэтому для получения мононитронафтолов используют непрямые методы. Например, мононитронафтолы можно синтезировать окислением соответствующих нитрозонафтолов:

С-Ацилирование. Ацилирование фенолов хлорангидридами или ангидри­дами карбоновых кислот по Фриделю-Крафтсу нередко осложняется образо­ванием нерастворимых фенолятов алюминия АгО—А1С1₂. Поэтому на практи­ке используют непрямое ацилирование, называемое перегруппиров­кой Фриса. Она заключается в миграции ацильной группы сложных эфиров фенолов при их взаимодействии с хлоридом алюминия (а также других кислот Льюиса) в соотношении 1:1. Наиболее легко перегруппировываются сложные эфиры низших алифатических кислот. Ацильная группа мигрирует обычно в орто- и пара-положения к фенольному гидроксилу, приводя к смеси продуктов. Однако известны случаи избирательно протекающих реакций:

Частным случаем ацилирования по Фриделю-Крафтсу является конден­сация фенола с фталевым ангидридом. Реакция протекает при нагревании с кислотным катализатором (концентрированная серная кислота или хлорид цинка) и приводит к образованию фенолфталеина:

Фенолфталеин применяется как кислотно-основный индикатор, как слабительное средство (пурген).

Нитрозирование. Нитрозированием называют реакцию введения нитрозогруппы —N=О в молекулу органического соединения. В ряду ароматиче­ских соединений нитрозирование представляет собой реакцию электрофиль­ного замещения, где в качестве электрофильного реагента выступает азотистая кислота, являющаяся источником очень слабой электрофильной частицы —нитрозил-катиона ⁺N=О. Взаимодействовать с таким слабым электрофилом способны только производные аренов с сильными электронодонорными заместителями, к числу которых относятся фенолы. Нитрозирование протекает обычно в пара-положение к ОН-группе. Реакцию проводят, как правило, не с самими фенолами, а с растворимыми фенолятами. Нитрозил-катион генерируется при действии на нитриты силь­ными кислотами:

п-Нитрозофенол в растворе существует в таутомерном равновесии с оксимом п-бензохинона, причем равновесие сильно смещено в сторону оксимной формы (80%):

О наличии таутомерного равновесия также свидетельствует двойственная реакционная способность п-нитрозофенола. Окисление его азотной кислотой является хорошим способом получения п-нитрофенола без примеси орто-изомера. Другая реакция — взаимодействие с гидроксиламином NH₂OH — под­тверждает наличие карбонильной группы в одной из таутомерных форм:

Легко протекает и нитрозирование нафтолов. Из β-нафтола с высоким выходом (88%) получается 1-нитрозонафтол-2, а из α-нафтола образуется смесь равных количеств 2-нитрозо- и 4-нитрозонафтолов-1:

Карбоксилирование. При действии диоксида углерода на твердые феноксиды щелочных металлов образуются фенолокислоты:

Эта реакция, называемая реакцией Кольбе-Шмитта, является основным способом получения салициловой (2-гидроксибензойной) кислоты.

Механизм реакции Кольбе-Шмитта. Реакция протекает по механизму S_N. Согласно принципу ЖМКО, слабый электрофил — диоксид углерода, яв­ляющийся мягкой кислотой, взаимодействует с мягким основным центром амбидентного феноксид-иона, находящимся в орто-положении. В результате образуется σ-комплекс, ста­билизированный в виде хелата с участием иона натрия. Этот σ-комплекс обычным путем (отщепление протона и возврат к ароматической системе) превращается в салицилат:

При использовании феноксида калия реакция протекает при более высокой темпера­туре (250—360 °С) и приводит к образованию 4-гидроксибензойной кислоты. В этом случае более стабильным является σ-комплекс, возникающий при атаке лора-положения, по­скольку тенденция к образованию хелата уменьшается с увеличением ионного радиуса ка­тиона.

В реакции Кольбе-Шмитта в роли ароматических субстратов используют также фенолы с сильными электродонорными заместителями (м-аминофенол, резорцин, гидрохинон), благодаря чему реакция осуществляется в более мяг­ких условиях: