Окисление фенолов

Лекция
№29-30

ФЕНОЛЫ

План

1. Классификация и номенклатура.
2. Методы получения.
3. Физические свойства и строение.
4. Химические свойства.

Фенолы
– гидроксилпроизводные ароматических углеводородов, в которых группа ОН связана
с атомом углерода ароматического ядра.

1. и номенклатура

По количеству ароматических ядер в молекуле различают собственно фенолы, а
также нафтолы, антролы, фенантролы и др. По числу гидроксильных групп различают
одно-, двух-, трех-, многоатомные фенолы.

Названия фенолов образуют от названий соответствующих аренов с добавлением
суффикса –ол. Простейший фенол – гидроксибензол С₆Н₅ОН
называют просто фенол. При наличии нескольких заместителей начало
нумерации определяет гидроксильная группа и эти соединения рассматриваются как
производные фенола. Иногда в соединениях сложного строения наличие
гидроксильной группы обозначают префиксом гидрокси-. Многие фенолы имеют
тривиальные названия.

2. получения

Фенол выделяют из каменноугольной смолы. Существует многочисленные
синтетические методы получения фенола, промышленные и лабораторные.

1) Замещение сульфогруппы на гидроксил

Наиболее старый промышленный метод получения фенолов заключается в
сплавлении щелочных арилсульфонатов с твердым гидроксидом натрия или калия или
со сравнительно легкоплавкой смесью этих гидроксидов при 300-350^оС.
Хотя точный механизм реакции в расплаве двух ионных соединений неизвестен, ее
следует отнести к процессам нуклеофильного ароматического замещения, где
гидроксид-ион играет роль нуклеофильного агента, а сульфит-ион — уходящей
группы.

Для получениясамого фенола метод щелочного плавления в настоящее
время неиспользуется, но он широко используется для получения 2-нафтола,
резорцина, ализарина и других фенолов.

2).Замещение галогена на гидроксил

Арилгалогениды, не содержащие активирующих электроноакцепторных
заместителей, вступают в реакцию обмена в очень жестких условиях. Фенол
получают нагреванием хлорбензола с 15-20%-ным водным раствором гидроксида
натрия при 360-390^оС и давлении 280-300 атм.

C₆H₅Cl
2NaOH ® C₆H₅O-Na NaCl H₂O

C₆H₅O-Na HCl ® C₆H₅OH NaCl

В
этих условиях реакция идет по ариновому механизму (см. лек.№24).

В присутствии солей меди (II), играющих роль катализатора, ариновый механизм
полностью подавляется из-за резкого ускорения прямого замещения галогена по S_NAr-механизму.
Применение солей меди (II) позволяет проводить региоселективное замещение
галогена на гидроксил без примеси какого-либо другого изомерного фенола.

Введение в молекулу арилгалогенида электроноакцепторных заместителей в орто—
или пара-положения увеличивают скорость обмена галогена на гидроксил в
некатализируемой реакции. Для таких реакций предложен S_NAr-механизм
замещения.

3) Замещение диазогруппы на гидроксил

Метод
включает диазотирование первичного амина с последующими разложением соли
диазония в водном растворе серной кислоты. Замещение диазогруппы на гидроксил
протекает по S_N1-механизму. Так как промежуточно образующийся
арилкатион может реагировать с любым нуклеофилом, имеющимся в реакционной среде,
наиболее целесообразно использовать для гидролиза в фенолы гидросульфаты
диазония. В качестве побочного продукта при этом образуется эфир ArOSO₃H,
который легко гидролизуется в фенол. См. также лек. №24 и 43.

4) Получение фенола из гидропероксида кумола

Современный промышленный метод получения фенола заключается в
кислотно-катализируемом разложении гидропероксида кумола. Исходное вещество для
всего цикла превращений — кумол получают алкилированием бензола пропиленом по
Фриделю-Крафтсу.

Далее кумол окисляют кислородом воздуха при 100-130^оС до
гидропероксида кумола.

Эта реакция протекает по цепному радикальному механизму с участием
кумильного радикала.

Разложение гидропероксида кумола до фенола и ацетона проводят в присутствии
1% водной серной кислоты при 50-90^оС.

Процесс разложения гидропероксида по своему механизму напоминает
перегруппировки карбкатионов. Различие заключается в том, что миграция фенила
происходит к положительно заряженному атому кислорода.

В целом это очень экономичный способ получения одновременно двух важнейших
продуктов — ацетона и фенола.

3. свойства и строение

Фенолы – жидкие или кристаллические вещества с сильным характерным запахом.
При хранении на воздухе быстро темнеют из-за окисления. Ограниченно растворимы
в воде.

Гидроксигруппа и ароматическое кольцо образуют сопряженную систему.
Гидроксигруппа проявляет электронодонорные свойства за счет М-эффекта, который
превышает по силе –I-эффект.

Фенол и его гомологи – полярные соединения. Дипольный момент направлен в
сторону бензольного кольца. Взаимодействии неподеленной пары электронов
кислорода с p -системой кольца
обусловливает электронодонорные свойства этих соединений. Энергия ионизации
фенола составляет 8,5-8,6 эВ, что ниже, чем у бензола и спиртов.

Спектральные характеристики.

Введение гидроксильной группы в бензольное кольцо вызывает сдвиг полос
поглощения в УФ-спектрах в длинноволновую область и усиливает их: 210 (e 6200) и 270 (e
1450) нм.

В ИК-спектрах характеристические полосы поглощения валентных колебаний
группы ОН лежат в области 3390-3600 см^-1 и зависят от растворителя и
концентрации.

В спектрах ПМР сигнал протонов группы ОН находится в широком диапазоне и
зависит от температуры, концентрации, рН и растворителя (в дейтерохлороформе d 4,5-7,5 м.д.)

4. свойства

Для фенолов характерны нуклеофильные свойства, которые усиливаются при
превращении их в феноксид-анионы в результате ионизации полярной связи О-Н. При
этом электрофилы могут реагировать как по атому кислорода, так и по атомам
углерода ароматического кольца фенолов или феноксид-анионов.

Кислотные свойства

Фенолы являлются слабыми ОН-кислотами, но значительно превосходят по
кислотности спирты. Например, фенол в 10⁸ раз более сильная
ОН-кислота по сравнению с циклогексанолом.

Причина более высокой кислотности фенолов состоит в стабилизации
феноксид-аниона за счет делокализации отрицательного заряда с участием ароматического
кольца.

Влияние заместителя в бензольном кольце на кислотность фенолов согласуется с
представлениями об их электронных эффектах. Электроноакцепторные заместители,
особенно в орто- и пара-положениях, усиливают, а
электронодонорные — понижают кислотные свойства фенолов.

Величины рКа орто-, мета- и пара-замещенных фенолов в воде при 25^оС

Большинство фенолов легко растворяется в водных растворах щелочей МОН с
образованием фенолятов ArOM.

Получение простых и сложных эфиров фенолов

Нуклеофильные свойства атома кислорода фенолов понижены по сравнению со
спиртами в результате сопряжения. Как следствие этого ариловые эфиры карбоновых
кислот нельзя получать прямой этерификацией фенолов карбоновыми кислотами.
Сложные эфиры получают ацилированием фенолов или их Na-и K-солей
галогенангидридами или ангидридами кислот.

ArOH RCOX ® RCOOAr HX

ArO—Na
RCOX ® RCOOAr NaX

(X=Cl, OCOR)

Феноляты легко алкилируются , алкилгалогенидами и диалкилсульфатами с
образованием простых эфиров.

ArO—Na RX ® ArOR NaX

(X=Hal, ROSO₃)

Метиловые эфиры фенолов получают также действием диазометана в эфирном
растворе.

ArOH CH₂N₂®
AROCH₃ N₂

В отличие от спиртов фенолы как более сильные кислоты метилируются
диазометаном в отсутствие катализатора.

Перегруппировка Кляйзена аллилариловых эфиров

Аллиловый эфир фенола при нагревании до 200-220^оС превращается в орто-аллилфенол,
т.е. аллильная группа мигрирует в орто-положение бензольного кольца.

Если оба орто-положения заняты заместителями, то аллильная группа
перемещается в пара-положение:

Установлено, что и орто— и пара-перегруппировки являются
внутримолекулярными реакциями первого порядка. Миграция в орто-положение
сопровождается инверсией аллильной группы, т.е. она присоединяется к
бензольному кольцу g -углеродным
атомом.

Из этого следует, что переходное состояние перегруппировки Кляйзена должно
быть циклическим шестизвенным. Такое переходное состояние включает шесть p -электронов и является ароматическим, что
составляет движущую силу этой термической перегруппировки. На последней стадии
происходит изомеризация циклогексадиенона в о-аллилфенол. Эта стадия аналогична
изомеризации кетона в енольную форму.

2,4-Циклогексадиенон является интермедиатом перегруппировки аллилариловых
эфиров. Такой интермедиат может быть выделен при перегруппировке аллилового
эфира 2,6-диметилфенола, когда аллильная группа мигрирует в пара-положение,
поскольку енолизация кетона в фенол в этом случае не может происходить из орто-положения.
Конечным результатом двух последовательных миграций аллильной группы является
сохранение структуры мигрирующей группы.

Кроме того, при проведении перегруппировки в присутствии малеинового
ангидрида 2,4-циклогексадиенон улавливается в виде аддукта диенового синтеза.

Реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце

Гидроксильная группа относится к числу групп, активирующих электрофильное
замещение в ароматическом кольце и направляющих заместитель в орто— и пара-положения.
Фенолы вступают практически во все типичные реакции электрофильного замещения
как с сильными, так и со слабыми электрофильными агентами.

Галогенирование

Галогенирование фенолов не требует катализа кислотами Льюиса и легко
осуществляется под действием молекулярного галогена. Галогенирование фенола
молекулярным бромом или хлором в полярной среде практически невозможно
остановить на стадии моногалогенирования, поскольку реагирующей частицей здесь
является фенолят-ион, который содержит очень сильную активирующую группу –O^—.
Скорость галогенирования фенолят-иона по крайней мере в тысячу раз выше, чем
фенола. Галогензамещенный фенол является более сильной кислотой, чем сам фенол,
что облегчает введение второго и третьего атома галогена в орто— и пара-положения.

Бромирование фенола в воде приводит к образованию нерастворимого
2,4,6-трибромфенола. Эта реакция настолько чувствительна, что позволяет
обнаружить фенол в концентрации 10^-5М в водном растворе.
2,4,6-Трибромфенол взаимодействует еще с одним молем брома с образованием
2,4,4,6-тетрабромциклогекса-2,5-диенона, окрашенного в желтый цвет.

При обработке продукта этой реакции раствором гидросульфита натрия или
другого слабого восстановителя он легко превращается в исходный
2,4,6-трибромфенол.
При бромировании фенола в растворе бромистоводородной кислоты диссоциация
полностью подавляется и галогенированию подвергается сам фенол. При этом в
зависимости от условий и количества галогена может быть получен п-бромфенол или
2,4-дибромфенол.

Аналогичным образом протекает хлорирование фенола хлором в соляной кислоте,
но здесь получается значительное количество о-хлорфенола. Моногалогензамещенные
производные фенолов удобно получать при галогенировании в неполярной среде, что
также исключает диссоциацию фенолов.

В качестве галогенирующего агента кроме самих галогенов можно использовать
комплексы галогенов с диоксаном, ДМФА.

Во всех случаях соотношение пара/орто-изомеров при
бромировании и иодировании значительно выше, чем при хлорировании.

Нитрование

Нитрование фенолов разбавленной 20-25%-ной азотной кислотой приводит к
получению смеси орто- и пара-нитрофенолов.

Даже в таких мягких условиях нитрование сопровождается окислением фенола и
этот процесс становится доминирующим, если для нитрования использовать
концентрированную азотную кислоту. Поэтому для получения 2,4,6-тринитрофенола
(пикриновой кислоты) используют видоизмененный способ нитрования. Фенол
первоначально сульфируют до 4-гидрокси-1,3-бензолдисульфокислоты, а затем
нитруют азотной кислотой.

Вторая стадия по существу представляет собой электрофильное ипсо-замещение
сульфогруппы на нитрогруппу.
Для нитрования фенолов в качестве нитрующего агента кроме азотной кислоты можно
использовать ацетилнитрат и N₂O₄. Эти реагенты
способствуют преимущественному нитрованию в орто-положение к
гидроксильной группе.

Сульфирование

Моносульфирование фенола серной кислотой приводит к образованию смеси орто-
и пара-изомеров гидроксибензолсульфоксилоты. При 20^оС в реакционной
смеси содержится 49% орто-изомера и 51% пара-изомера, тогда как при 120^оС
доля пара-изомера возрастает до 96%.

Изменение в соотношении продуктов сульфирования обусловлено обратимостью
реакций, когда в равновесии преобладает термодинамически более стабильный пара-изомер.
Сульфирование в орто-положение протекает с большей скоростью, но орто-гидроксибензолсульфокислота
легко гидролизуется на исходные реагенты в отличие от пара-изомера, для
которого скорость гидролиза мала.

Нитрозирование

Нитрозирование фенолов осуществляется с помощью азотистой кислоты в воде или
уксусной кислоте. Эта реакция отличается очень высокой региоселективностью и
замещение идет в пара-положение к гидроксильной группе. Типичное
распределение орто— и пара-изомеров при нитрозировании можно
проиллюстрировать на примере самого фенола.

Алкилирование и ацилирование по Фриделю-Крафтсу

Так как фенолы взаимодействуют с галогенидами алюминия и другими кислотами
Льюиса с образованием солей типа ArOAlCl₂, прямое их алкилирование в
условиях реакции Фриделя-Крафтса провести не удается. Фенолы алкилируют
алкенами и спиртами в условиях кислотного катализа. В качестве катализаторов
предпочитают использовать серную, фтористоводородную, фосфорную кислоты или
катиониты КУ-2 и другие катионообменные смолы. Таким образом, из крезола и
изобутилена в промышленности получают пространственно затрудненный фенол —
2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол (ионол), который широко применяется для
стабилизации полимеров.

Аналогично из фенола и изопропилового спирта получается
2,4,6-триизопропилфенол.

Ацилирование фенолов в классических условиях реакции Фриделя-Крафтса
комплексом ацилгалогенида и хлорида алюминия приводит к неудовлетворительным
результатам, так как ацилированию подвергается гидроксильная группа фенола.
Более эффективна такая модификация этого метода, когда в качестве ацилирующего
агента используется комплекс карбоновой кислоты и трехфтористого бора. Ацильная
группа при этом вводится практически исключительно в пара-положение
бензольного кольца. Так, например, фенол при взаимодействии с комплексом
уксусной кислоты и BF₃ дает пара-гидроксиацетофенон с 95%-ным
выходом.

Наиболее общий метод получения гидроксикетонов ароматического ряда основан
на перегруппировке Фриса. Ариловые эфиры карбоновых кислот при
нагревании с AlCl₃ или AlBr₃ перегруппировываются в
изомерные орто— и пара-гидроксикетоны.

Соотношение орто- и пара-изомеров зависит главным образом от
температуры и растворителя. В более жестких условиях преобладает орто-гидроксикетон,
а при 20-25^оС — пара-гидроксикетон.

Механизм перегруппировки Фриса, по-видимому, заключается в межмолекулярном
ацилировании орто- или пара-положения бензольного кольца арилового
эфира комплексом второй молекулы сложного эфира и AlCl₃ с
образованием ацильного производного гидроксикетона и фенола.

Перегруппировка завершается межмолекулярным переносом ацильной группы к
фенолу.

Формилирование

Формилирование – это введение группы СНО (см. лек.35). Синтетически наиболее
важными являются формилирование фенолов по Вильсмейеру-Хааку и Реймеру-Тиману.

Реакция Вильсмейера-Хаака

N-Алкиламиды муравьиной кислоты — N,N-диметилформамид (ДМФА) и
N-метилформамид в присутствии хлорокиси фосфора являются региоселективными
формилирующими агентами. С помощью этих реагентов альдегидная группа вводится в
пара-положение по отношению к ОН -группе. Эту реакцию можно также рассматривать
как ацилирование, где роль катализатора (кислоты Льюиса) выполняют хлорокись
фосфора (POCl₃). Наиболее эффективна система ДМФА-POCl₃,
в которой ДМФА служит и реагентом, и растворителем. Электрофильным агентом в
реакции Вильсмейера-Хаака является иминиевая соль, которая образуется при
взаимодействии ДМФА и хлорокиси фосфора.

Иминиевая соль при необходимости может быть выделена в индивидуальном виде,
однако обычно ее не выделяют и используют непосредственно после ее образования.

Реакция Вильсмейера-Хаака чрезвычайно проста в экспериментальном отношении и
обеспечивает очень высокие выходы ароматических гидроксиальдегидов.

Реакция Реймера-Тимана

Формилирование фенолов по Реймеру-Тиману достигается при нагревании смеси
фенола и большого избытка хлороформа с водным раствором гидроксида натрия при
50-70^оС. Выходы альдегидов обычно невелики и редко превышают 30%,
однако метод исключительно прост и доступен в практическом отношении. Главное
достоинство реакции Реймера-Тимана заключается в преимущественном образовании орто-,
а не пара-изомеров, как это имеет место в реакции Вильсмейера-Хаака.

Механизм включает образование дихлоркарбена как интермедиата. Дихлоркарбен
:CCl₂ выполняет роль электрофильного агента по отношению к
феноксид-иону, образующемуся в щелочной среде. Предполагаемый механизм реакции Реймера-Тимана
может быть представлен следующей последовательностью превращений:

Реакция протекает только в сильно щелочной среде при наличии фенольного
гидроксила, тогда как простые эфиры фенолов и диалкиланилины не формилируются в
этих условиях.

Карбоксилирование феноксид-ионов (реакция Кольбе)

Будучи сильными нуклеофилами феноксид-анионы способны взаимодействовать с
таким слабым электрофильным реагентом как оксид углерода (IV). При нагревании
сухих фенолятов натрия или лития с СО₂ при повышенном давлении,
образуются натриевые или литиевые соли салициловой кислоты.

В аналогичных условиях из фенолятов калия, рубидия и цезия получаются только
соли пара-гидроксибензойной кислоты.

Такое различие в направлении карбоксилирования Na- и К-солей фенола принято
объяснять различием в хелатообразовании этих двух катионов с атомом кислорода
CO₂ в переходном состоянии реакции, приводящем к салициловой
кислоте. Катионы натрия и, особенно, лития значительно более эффективны по
сравнению с катионом калия в способности к образованию координационной связи с
атомом кислорода.

Предполагается, что для фенолятов калия, рубидия и цезия электрофильная
атака осуществляется исключительно в пара-положение без какой-либо
координации катиона по атому кислорода.

В отличие от одноатомных фенолов двухатомные и трехатомные фенолы
карбоксилируются в более мягких условиях. Так, резорцин карбоксилируется при
пропускании СО₂ в водный раствор его дикалиевой соли при 50^оС.
При этом образуется 2,4-дигидроксибензойная кислота.

Конденсация с альдегидами и кетонами

Фенолы реагируют с формальдегидом в водном растворе в присутствии основания
с образованием полимерного продукта, получившего название
феноло-формальдегидной смолы, карболита или бакелита.

Взаимодействие феноксид-иона с формальдегидом напоминает альдольную
конденсацию с той лишь разницей, что роль нуклеофильного агента вместо
енолят-иона выполняет амбидентный феноксид-ион, а карбонильной компонентой
является формальдегид.

Подобно альдолям, орто— и пара-изомеры гидроксиметилфенола
подвергаются дегидратации с образованием хинонметидов — соединений, родственных
орто— и пара-хинонам.

Последующее присоединение феноксид-иона к хинонметиду представляет собой
присоединение амбидентного аниона к a ,b -непредельному кетону по Михаэлю.

В результате дальнейшей поликонденсации в орто— и пара-положение
к гидроксигруппе фенола получается трехмерная структура конечного продукта —
бакелита. Бакелит представляет собой прозрачную смолу, в которой линейные
звенья связаны «поперечными» связями в пара-положениях.

Фенол конденсируется с ацетоном в кислой среде с образованием так
называемого бисфенола А.

Получено много подобных продуктов конденсации фенолов с кетонами. Они
находят применение в качестве антиоксидантов и мономеров для получения
эпоксидных смол.

Окисление

Окисление фенолов относится к числу сложных, многостадийных процессов,
приводящих к продуктам разного строения. Механизм окисления может сильно
меняться в зависимости от строения фенола и природы одно- или двухэлектронного
окислителя. Механизм окисления включает стадию образования стабилизированных
резонансом ароксильных радикалов.

Направление дальнейших превращений зависит от характера заместителей в
ароматическом кольце. При окислении большинства фенолов образуется несколько
различных форм димеров в результате образования новых связей С-С между орто—орто,
орто-пара- и пара-пара-положениями ароксильных радикалов, а также новых С-О
связей между атомом кислорода одного радикала и орто- или пара-положением
другой радикальной частицы. Всего, таким образом, образуется потенциально не
менее пяти различных типов димеров, которые находится в равновесии с исходным
ароксильным радикалом. Например, для монозамещенного фенола:

Димеры, возникающие в результате рекомбинации радикалов с образованием новой
С-С связи, называются хинолидами. Хинолиды далее изомеризуются с образованием
изомерных дигидроксибифенилов. Другой тип димеров, содержащих центральную связь
С-О, носит название хиноловыхэфиров.

Ароксильные радикалы пространственно затрудненных фенолов, содержащие в
обоих орто- и пара-положении третичные алкильные группы,
мономерны и не проявляют тенденции к образованию димеров в растворе. Например,
при окислении 2,4,6-три-трет-бутилфенола гексацианоферратом(III) калия K₃Fe(CN)₆
в бинарной системе бензол-вода в инертной атмосфере образуется устойчивый
радикал одновалентного кислорода — три-трет-бутилфеноксил, окрашенный в
синий цвет.

Этот радикал находится в мономерной форме в 0,1 молярном растворе в бензоле
или эфире, а также в кристаллическом состоянии. Он очень чувствителен к действию
кислорода воздуха, оксида азота (IY), оксида азота (II) и других радикальных
частиц. Стабильность ароксильных радикалов пространственно затрудненых фенолов
обусловливает их антиокислительные свойства. Они выполняют роль ловушек
свободных радикалов в процессах пероксидного окисления. Активный свободный
радикал, ведущий цепь окисления, быстро взаимодействует с таким фенолом, давая
устойчивый ароксильный радикал, что приводит к обрыву цепи.

ArOH RO₂^s® ArO^s
ROOH

Пространственно затрудненные фенолы (ионол, гальваноксил) используют как
антиоксиданты, стабилизирующие синтетические каучуки, пищевые жиры, витамины и
др.