Фенол (также известный как карболовая кислота , фенольная кислота или бензол ) — это ароматическое органическое соединение с молекулярной формулой C6H5OH . [5] Это белое кристаллическое твердое вещество , которое является летучим . Молекула состоит из фенильной группы ( −C6H5 ) , связанной с гидроксильной группой ( −OH ). Слабокислотный , он требует осторожного обращения , поскольку может вызвать химические ожоги . [5 ]
Фенол был впервые извлечен из каменноугольной смолы , но сегодня производится в больших масштабах (около 7 миллионов тонн в год) из нефтяного сырья. Это важный промышленный товар как предшественник многих материалов и полезных соединений. [8] Он в основном используется для синтеза пластмасс и связанных с ними материалов. Фенол и его химические производные необходимы для производства поликарбонатов , эпоксидных смол , взрывчатых веществ , бакелита , нейлона , моющих средств , гербицидов , таких как феноксигербициды , и многочисленных фармацевтических препаратов . [9]
Фенол — это органическое соединение, заметно растворимое в воде, около 84,2 г растворяется в 1000 мл (0,895 М ). Возможны однородные смеси фенола и воды при массовом соотношении фенола к воде ~2,6 и выше. Натриевая соль фенола, феноксид натрия , гораздо более растворима в воде. Это горючее твердое вещество (рейтинг NFPA = 2). При нагревании фенол выделяет легковоспламеняющиеся пары, которые взрывоопасны при концентрации от 3 до 10% в воздухе. Для тушения пожаров фенола следует использовать углекислый газ или сухие химические огнетушители. [5]
Фенол — слабая кислота ( pH 6,6). В водном растворе в диапазоне pH около 8–12 он находится в равновесии с фенолят-анионом C6H5O− ( также называемым феноксидом или карболатом ) : [ 10 ]
Фенол более кислый, чем алифатические спирты. Его повышенная кислотность объясняется резонансной стабилизацией фенолят - аниона. Таким образом, отрицательный заряд на кислороде делокализован на орто- и парауглеродных атомах через пи-систему. [11] Альтернативное объяснение включает сигма-структуру, постулируя, что доминирующим эффектом является индукция от более электроотрицательных sp2 - гибридизованных углеродов ; сравнительно более мощный индуктивный отвод электронной плотности, обеспечиваемый sp2 - системой по сравнению с sp3 - системой, позволяет добиться большей стабилизации оксианиона. В поддержку второго объяснения, p K a енола ацетона в воде составляет 10,9, что делает его лишь немного менее кислым, чем фенол (p K a 10,0). [5] Таким образом, большее количество резонансных структур, доступных феноксиду по сравнению с енолятом ацетона , по-видимому, мало способствует его стабилизации. Однако ситуация меняется, когда исключаются эффекты сольватации.
В четыреххлористом углероде и в алкановых растворителях фенол образует водородные связи с широким спектром оснований Льюиса, таких как пиридин , диэтиловый эфир и диэтилсульфид . Были составлены энтальпии образования аддуктов и сдвиги ИК-частот −OH , сопровождающие образование аддуктов. [12] Фенол классифицируется как жесткая кислота . [13] [14]
Фенол проявляет кето-енольную таутомерию с его нестабильным кето-таутомером циклогексадиеноном, но эффект почти незначителен. Константа равновесия для енолизации составляет приблизительно 10−13 , что означает, что только одна из десяти триллионов молекул находится в кето-форме в любой момент. [15] Небольшое количество стабилизации, полученное путем замены связи C=C на связь C=O, более чем компенсируется большой дестабилизацией в результате потери ароматичности. Поэтому фенол существует по существу полностью в енольной форме. [16] 4, 4' Замещенный циклогексадиенон может подвергаться диенон-фенольной перегруппировке в кислых условиях и образовывать стабильный 3,4-дизамещенный фенол. [17]
Для замещенных фенолов несколько факторов могут способствовать образованию кето-таутомера: (a) дополнительные гидроксильные группы (см. резорцин ), (b) аннелирование, как при образовании нафтолов , и (c) депротонирование с образованием фенолята. [18]
Феноксиды — это еноляты, стабилизированные ароматичностью . При нормальных обстоятельствах феноксид более реакционноспособен в позиции кислорода, но позиция кислорода является «жестким» нуклеофилом, тогда как позиции альфа-углерода, как правило, «мягкие». [19]
Фенол очень реактивен по отношению к электрофильному ароматическому замещению . Повышенная нуклеофильность объясняется передачей пи-электронной плотности от O в кольцо. Многие группы могут быть присоединены к кольцу посредством галогенирования , ацилирования , сульфирования и связанных процессов.
Фенол настолько сильно активирован, что бромирование и хлорирование легко приводят к полизамещению. [20] Реакция дает 2- и 4-замещенные производные. Региохимия галогенирования изменяется в сильнокислых растворах, где преобладает PhOH 2 ] + . Фенол реагирует с разбавленной азотной кислотой при комнатной температуре, давая смесь 2-нитрофенола и 4-нитрофенола, тогда как с концентрированной азотной кислотой вводятся дополнительные нитрогруппы, например, давая 2,4,6-тринитрофенол . Алкилирование Фриделя-Крафтса фенола и его производных часто протекает без катализаторов. Алкилирующие агенты включают алкилгалогениды, алкены и кетоны. Таким образом, адамантил-1-бромид , дициклопентадиен ) и циклогексаноны дают соответственно 4-адамантилфенол, производное бис(2-гидроксифенил) и 4-циклогексилфенолы. Спирты и гидропероксиды алкилируют фенолы в присутствии твердых кислотных катализаторов (например, определенных цеолитов ). Таким образом можно получить крезолы и кумилфенолы. [21]
Водные растворы фенола слабокислые и слегка окрашивают лакмус в синий или красный цвет. Фенол нейтрализуется гидроксидом натрия, образуя фенолят или фенолят натрия, но, будучи слабее угольной кислоты , он не может быть нейтрализован гидрокарбонатом или карбонатом натрия с выделением углекислого газа .
При встряхивании смеси фенола и бензоилхлорида в присутствии разбавленного раствора гидроксида натрия образуется фенилбензоат. Это пример реакции Шоттена-Баумана :
Фенол восстанавливается до бензола при перегонке с цинковой пылью или при пропускании его паров над гранулами цинка при 400 °C: [22]
При обработке фенола диазометаном в присутствии трифторида бора ( BF3 ) в качестве основного продукта получается анизол , а в качестве побочного продукта — газообразный азот.
Фенол и его производные реагируют с хлоридом железа (III) с образованием интенсивно окрашенных растворов, содержащих феноксидные комплексы.
В связи с коммерческой значимостью фенола было разработано много методов его производства, но доминирующей технологией является кумольный процесс.
95% производства (2003) приходится на кумольный процесс , также называемый процессом Хока . Он включает частичное окисление кумола ( изопропилбензола ) через перегруппировку Хока : [8] По сравнению с большинством других процессов, кумольный процесс использует мягкие условия и недорогое сырье. Чтобы процесс был экономичным, как фенол, так и побочный продукт ацетон должны быть востребованы. [23] [24] В 2010 году мировой спрос на ацетон составил приблизительно 6,7 млн тонн, 83 процента которого было удовлетворено ацетоном, произведенным кумольным процессом.
Маршрут, аналогичный кумоловому процессу, начинается с циклогексилбензола . Он окисляется до гидропероксида , аналогично получению гидропероксида кумола . Через перегруппировку Хока гидропероксид циклогексилбензола расщепляется, давая фенол и циклогексанон . Циклогексанон является важным предшественником некоторых нейлонов . [25]
Прямое окисление бензола ( C 6 H 6 ) в фенол возможно, но не реализовано в промышленных масштабах:
Закись азота является потенциально «зеленым» окислителем, который является более мощным окислителем, чем O 2. Однако пути получения закиси азота остаются неконкурентоспособными. [26] [23] [25]
Электросинтез с использованием переменного тока дает фенол из бензола. [27]
Окисление толуола , разработанное компанией Dow Chemical , включает катализируемую медью реакцию расплавленного бензоата натрия с воздухом:
Предполагается, что реакция протекает через образование бензиоилсалицилата. [8]
Автоокисление циклогексилбензола дает гидропероксид . Разложение этого гидропероксида дает циклогексанон и фенол. [8]
Ранние методы основывались на извлечении фенола из производных угля или гидролизе производных бензола.
Первоначальный коммерческий путь был разработан Bayer и Monsanto в начале 1900-х годов на основе открытий Вюрца и Кекуле. Метод включает реакцию сильного основания с бензолсульфоновой кислотой , протекающую через реакцию гидроксида с бензолсульфонатом натрия с получением феноксида натрия. Подкисление последнего дает фенол. Чистая конверсия составляет: [28]
Хлорбензол можно гидролизовать до фенола с использованием основания ( процесс Доу ) или пара ( процесс Рашига-Хукера ): [24] [25] [29]
Недостатком этих методов является высокая стоимость хлорбензола и необходимость утилизации побочного продукта — хлорида.
Фенол также является извлекаемым побочным продуктом пиролиза угля . [29] В процессе Луммуса окисление толуола в бензойную кислоту проводится отдельно.
Соли фенилдиазония гидролизуются до фенола. Метод не представляет коммерческого интереса, так как прекурсор дорогой. [30]
Салициловая кислота декарбоксилируется до фенола. [31]
Основные области применения фенола, потребляющие две трети его производства, включают его преобразование в прекурсоры для пластмасс. Конденсация с ацетоном дает бисфенол-А , ключевой прекурсор поликарбонатов и эпоксидных смол. Конденсация фенола, алкилфенолов [ требуется цитата ] или дифенолов [ требуется цитата ] с формальдегидом дает фенольные смолы , известным примером которых является бакелит . Частичное гидрирование фенола дает циклогексанон [32] предшественник нейлона . Неионогенные моющие средства производятся путем алкилирования фенола с получением алкилфенолов , например, нонилфенола , которые затем подвергаются этоксилированию . [8]
Фенол также является универсальным предшественником большого количества лекарств, в первую очередь аспирина , но также многих гербицидов и фармацевтических препаратов . Фенол является компонентом в методе экстракции жидкость-жидкость фенол-хлороформ, используемом в молекулярной биологии для получения нуклеиновых кислот из тканей или образцов клеточных культур. В зависимости от pH раствора можно извлечь либо ДНК , либо РНК .
Фенол настолько недорог, что он также привлекает множество мелких применений. Он является компонентом промышленных растворителей краски, используемых в авиационной промышленности для удаления эпоксидных, полиуретановых и других химически стойких покрытий. [33] Из-за проблем безопасности фенол запрещен к использованию в косметических продуктах в Европейском Союзе [34] [35] и Канаде . [36] [37]
Фенол широко использовался в качестве антисептика , а также в производстве карболового мыла . Концентрированные фенольные жидкости используются для постоянного лечения вросших ногтей на пальцах ног и рук, процедура, известная как химическая матриксэктомия . Процедура была впервые описана Отто Боллом в 1945 году. С тех пор фенол стал химикатом выбора для химической матриксэктомии, выполняемой подологами.
Концентрированный жидкий фенол может использоваться местно в качестве местного анестетика для отологических процедур, таких как миринготомия и установка тимпанотомической трубки, как альтернатива общей анестезии или другим местным анестетикам. Он также обладает кровоостанавливающими и антисептическими свойствами, что делает его идеальным для этого использования. Спрей фенола, обычно с 1,4% фенола в качестве активного ингредиента, используется в медицине для лечения боли в горле. [38] Он является активным ингредиентом в некоторых пероральных анальгетиках, таких как спрей Chloraseptic , TCP и Carmex . [39]
Фенол был открыт в 1834 году Фридлибом Фердинандом Рунге , который извлек его (в неочищенном виде) из каменноугольной смолы . [41] Рунге назвал фенол «Karbolsäure» (угольно-масляная кислота, карболовая кислота). Каменноугольная смола оставалась основным источником до развития нефтехимической промышленности . Французский химик Огюст Лоран извлек фенол в чистом виде, как производное бензола, в 1841 году. [42] В 1836 году Огюст Лоран придумал название «phène» для бензола; [43] это корень слов «phenol» и « phenyl ». В 1843 году французский химик Шарль Герхардт придумал название «phénol». [44]
Антисептические свойства фенола были использованы сэром Джозефом Листером в его новаторской технике антисептической хирургии. Листер решил, что раны должны быть тщательно очищены. Затем он накрыл раны куском тряпки или ворса [45], покрытым фенолом. Раздражение кожи, вызванное постоянным воздействием фенола, в конечном итоге привело к внедрению асептических (безмикробных) методов в хирургии. Работа Листера была вдохновлена работами и экспериментами его современника Луи Пастера по стерилизации различных биологических сред. Он предположил, что если бы микробы можно было убить или предотвратить, то инфекция не возникала бы. Листер рассуждал, что химикат можно было бы использовать для уничтожения микроорганизмов, вызывающих инфекцию. [46]
Тем временем в Карлайле , Англия, чиновники экспериментировали с очисткой сточных вод с использованием карболовой кислоты для уменьшения запаха из канализационных выгребных ям . Услышав об этих разработках и ранее экспериментируя с другими химикатами в антисептических целях без особого успеха, Листер решил попробовать карболовую кислоту в качестве антисептика для ран. Первый шанс у него появился 12 августа 1865 года, когда к нему поступил пациент: одиннадцатилетний мальчик с переломом большеберцовой кости, который пронзил кожу голени. Обычно единственным решением была бы ампутация. Однако Листер решил попробовать карболовую кислоту. После вправления кости и поддержки ноги шинами он пропитал чистые хлопчатобумажные полотенца неразбавленной карболовой кислотой и приложил их к ране, накрыв слоем оловянной фольги, оставив их на четыре дня. Когда он проверил рану, Листер был приятно удивлен, не обнаружив никаких признаков инфекции, только покраснение около краев раны от легкого ожога карболовой кислотой. Наложив новые повязки с разбавленной карболовой кислотой, мальчик смог пойти домой примерно через шесть недель лечения. [47]
К 16 марта 1867 года, когда первые результаты работы Листера были опубликованы в журнале Lancet, он вылечил в общей сложности одиннадцать пациентов, используя свой новый антисептический метод. Из них умер только один, и то из-за осложнения, которое не имело никакого отношения к технике перевязки ран Листера. Теперь, впервые, пациенты со сложными переломами могли покинуть больницу со всеми своими конечностями целыми
- — Ричард Холлингем, Кровь и кишки: История хирургии , стр. 62 [47]
До того, как в больнице были введены антисептические операции, на тридцать пять хирургических случаев приходилось шестнадцать смертей. Почти каждый второй пациент умирал. После того, как летом 1865 года была введена антисептическая хирургия, на сорок случаев приходилось всего шесть смертей. Уровень смертности снизился с почти 50 процентов до примерно 15 процентов. Это было выдающимся достижением
- — Ричард Холлингем, Кровь и кишки: История хирургии , стр. 63 [48]
Фенол был основным ингредиентом «карболового дымового шарика», неэффективного устройства, которое продавалось в Лондоне в XIX веке как средство защиты от гриппа и других заболеваний и стало предметом известного судебного дела Карлилл против компании Carbolic Smoke Ball .
Токсическое воздействие фенола на центральную нервную систему вызывает внезапный коллапс и потерю сознания как у людей, так и у животных; состояние судорог предшествует этим симптомам из-за двигательной активности, контролируемой центральной нервной системой. [49] Инъекции фенола использовались в качестве средства индивидуальной казни нацистской Германией во время Второй мировой войны . [50] Первоначально он использовался нацистами в 1939 году как часть массового убийства инвалидов в рамках операции T4 . [51] Немцы узнали, что уничтожение небольших групп было более экономичным путем инъекции фенола каждой жертве. Инъекции фенола были сделаны тысячам людей. Максимилиан Кольбе также был убит инъекцией фенола после того, как пережил две недели обезвоживания и голодания в Освенциме , когда он добровольно согласился умереть вместо незнакомца . Примерно одного грамма достаточно, чтобы вызвать смерть. [52]
Фенол — это нормальный продукт метаболизма, выделяемый в количестве до 40 мг/л с мочой человека. [49] Височная секреция желез самцов слонов показала наличие фенола и 4-метилфенола во время сусла . [53] [54] Это также одно из химических соединений, содержащихся в кастореуме . Это соединение попадает в организм из растений, которые ест бобр. [55]
Фенол является измеримым компонентом аромата и вкуса отличительного шотландского виски Islay , [56] как правило, ~30 ppm , но его содержание может превышать 160 ppm в соложеном ячмене , используемом для производства виски . [57] Это количество отличается от количества в дистилляте и предположительно превышает его. [56]
Cryptanaerobacter phenolicus — это вид бактерий, который производит бензоат из фенола через 4-гидроксибензоат . [58] Rhodococcus phenolicus — это вид бактерий, способный расщеплять фенол как единственный источник углерода. [59]
Фенол и его пары оказывают разъедающее действие на глаза, кожу и дыхательные пути. [60] Его разъедающее действие на кожу и слизистые оболочки обусловлено его разрушающим эффектом. [49] Повторный или длительный контакт кожи с фенолом может вызвать дерматит или даже ожоги второй и третьей степени. [61] Вдыхание паров фенола может вызвать отек легких . [60] Вещество может оказывать вредное воздействие на центральную нервную систему и сердце, приводя к аритмии , судорогам и коме . [62] Почки также могут быть затронуты. Длительное или повторное воздействие вещества может оказывать вредное воздействие на печень и почки . [63] Нет никаких доказательств того, что фенол вызывает рак у людей. [64] Помимо его гидрофобных эффектов, другим механизмом токсичности фенола может быть образование феноксильных радикалов . [65]
Поскольку фенол всасывается через кожу относительно быстро, в дополнение к местным едким ожогам может возникнуть системное отравление. [49] Резорбтивное отравление большим количеством фенола может произойти даже на небольшом участке кожи, быстро приводя к параличу центральной нервной системы и сильному падению температуры тела. LD 50 для пероральной токсичности составляет менее 500 мг/кг для собак, кроликов или мышей; минимальная смертельная доза для человека была указана как 140 мг/кг. [49] Агентство по регистрации токсичных веществ и заболеваний (ATSDR) Министерства здравоохранения и социальных служб США утверждает, что смертельная доза при приеме внутрь фенола составляет от 1 до 32 г. [66]
Химические ожоги от воздействия на кожу можно дезактивировать, промыв полиэтиленгликолем , [67] изопропиловым спиртом , [68] или, возможно, даже большим количеством воды. [69] Требуется удаление загрязненной одежды, а также немедленное лечение в больнице в случае крупных брызг. Это особенно важно, если фенол смешан с хлороформом (обычно используемая смесь в молекулярной биологии для очистки ДНК и РНК ). [ необходима цитата ] Фенол также является репродуктивным токсином, вызывающим повышенный риск выкидыша и низкого веса при рождении, что указывает на задержку развития в утробе матери. [5]
Слово фенол также используется для обозначения любого соединения, содержащего шестичленное ароматическое кольцо, непосредственно связанное с гидроксильной группой (-ОН). Таким образом, фенолы представляют собой класс органических соединений , простейшим представителем которого является фенол, обсуждаемый в этой статье.
Сохранено только одно название — фенол — для C 6 H 5 -OH, как в качестве предпочтительного названия, так и для общей номенклатуры.