في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف الخواص الفيزيائية والكيميائية للفينول.
الفينولات هي فئة من الجزيئات الأروماتية التي تحتوي على مجموعة هيدروكسيل () تكون مرتبطة مباشرة بحلقة أروماتية. إن وجود مجموعة يشير إلى كون الفينولات أحد أنواع الكحولات. ومع ذلك، فإن الخواص الفيزيائية والكيميائية للفينولات تختلف عن خواص الكحولات الأليفاتية.
إذ يشير الفينول عادة إلى أبسط جزيء أروماتي هيدروكسيلي، حيث ترتبط فيه مجموعة هيدروكسيل واحدة بحلقة بنزين. وتركيب الفينول، الذي يعرف أيضًا بحمض الكربوليك أو هيدروكسي بنزين، موضَّح بالأسفل.
وتتمتع الفينولات بأهمية كبيرة في قطاع الصناعات الدوائية. فعلى سبيل المثال، يعد حمض الساليسيليك (المادة الأم للأسبرين)، والباراسيتامول، والفانيلين، المبينة أدناه، أمثلة على مركَّبات الفينول. ويشيع تستخدم المركَّبات الفينولية باعتبارها نقطة بداية لتصنيع مجموعة واسعة من المركبات المهمة.
تعريف: الفينولات
فئة من الجزيئات العضوية بها مجموعة هيدروكسيل مرتبطة مباشرة بحلقة أروماتية.
الفينول، وصيغته الكيميائية ، هو مادة صُلبة بيضاء ذات رائحة شبيهة برائحة المطهرات. يجب توخي الحذر عند التعامل مع الفينول الصُّلب؛ لأنه قد يكون كاويًا للجلد. درجة انصهار الفينول، وهي ، أكبر بكثير من درجة انصهار البنزين والميثيل بنزين (التولوين). والفينول قابل للذوبان في الماء بدرجة ما، وهو أكثر قابلية للذوبان من البنزين والميثيل بنزين. يمكن أن تُعزَى هاتان الخاصيتان للفينول إلى الروابط الهيدروجينية التي تتكون بين جزيئات الفينول وبعضها، وبين جزيئات الفينول والماء.
مثال ١: التعرف على الفينول من خواصه الفيزيائية
يوضِّح الجدول الخواص الفيزيائية لثلاثة مُركَّبات أروماتية: البنزين والفينول والتولوين. أيُّ عمود يُقابِل الفينول؟
| الخاصية | (أ) | (ب) | (ج) |
|---|---|---|---|
| درجة الانصهار () | 40.5 | 5.5 | |
| درجة الغليان () | 181.7 | 80.1 | 111 |
| المظهر | صُلب بلوري | سائل عديم اللون | سائل عديم اللون |
| الذوبانية في الماء عند | 8.30 | 1.80 | 0.52 |
| الكثافة (g/cm3) | 1.07 | 0.88 | 0.87 |
الحل
يعرض الجدول خواص ثلاثة مركبات أروماتية مختلفة. يحتوي كل من البنزين والفينول والتولوين على حلقة بنزين. ولكن، يحتوي الفينول والتولوين على مجموعة إضافية. يحتوي الفينول على مجموعة هيدروكسيل ()، بينما يحتوي التولوين على مجموعة ميثيل (). وجود مجموعة الهيدروكسيل في الفينول يشير إلى وجود روابط هيدروجينية بين جزيئات الفينول. وسيتجلَّى تأثير وجود هذه الروابط في صورة ارتفاع درجات انصهار وغليان هذه المركبات ارتفاعًا كبيرًا مقارنة بالمركَّبات الشبيهة. إذن، نتوقع أن يكون عمود الفينول هو العمود ذا درجات الانصهار والغليان الأعلى. وقدرة الفينول على تكوين روابط هيدروجينية مع جزيئات الماء تزيد أيضًا من قابليته للذوبان. وبذلك، نتوقع أن تكون ذوبانية الفينول في الماء هي الأكبر من بين الجزيئات الثلاثة. باستخدام هذه المعلومات، يمكننا أن نلاحظ أن العمود (أ) يوضح أعلى درجة غليان، ودرجة انصهار، وذوبانية. وينتج أيضًا عن درجة الانصهار العالية أن يكون مركب العمود (أ) صُلبًا في الظروف العادية، وهو ما يمثل بالفعل الفينول. إذن، يمكننا استنتاج أن العمود (أ) يمثل الفينول.
ويمكن تصنيع الفينول بعدة طرق. ومن أكثر العمليات المباشرة لتصنيعه هي عملية التقطير التجزيئي لقطران الفحم، التي تفصل الفينولات عن الكريسولات (الميثيل فينولات). طريقة أخرى ممكنة هي الأكسدة المباشرة للبنزين. لكن هذه العملية ليست شائعة الاستخدام.
وإحدى الطرق الشائعة لتصنيع الفينول هي التحلُّل المائي للبنزين المهلجن مع هيدروكسيد الصوديوم. على سبيل المثال، ينتج عن تفاعل الكلورو بنزين مع هيدروكسيد الصوديوم عند و300 ضغط جوي فينوكسيد الصوديوم. وبعد ذلك، يمكن معالجة فينوكسيد الصوديوم باستخدام لإنتاج الفينول وكلوريد الصوديوم، كما يوضح مخطَّط التفاعل التالي.
ويحدث تفاعل مماثل بين الكلورو بنزين والبخار، على عامل حفاز من السليكون، وينتج الفينول وكلوريد الهيدروجين.
مثال ٢: تحديد المتفاعلات ونوع التفاعل في تحضير الفينول
يُمكِن تحضير الفينول من أحد مشتقَّات البنزين. يوضِّح الشكل النواتج وظروف التفاعل لتحضير الفينول:
- ما المُتفاعِلان Y ،X؟
- البرومو بنزين،
- بنزوات الصوديوم،
- الكلورو بنزين،
- البرومو بنزين،
- الكلورو بنزين،
- أيٌّ من الآتي يَصِف التفاعل؟
- الإضافة
- إضافة الهالوجينات
- إضافة الهيدروجين
- التحلُّل المائي
- التكثيف
الحل
الجزء الأول
بالنظر إلى مخطط التفاعل المعطى في السؤال، نجد أنه يوضح أن التفاعل يُنتج الفينول وكلوريد الصوديوم. وبمعلومية ذلك، يمكننا افتراض أن المتفاعلات يجب أن تحتوي على الصوديوم، والكلور، وحلقة بنزين، ومجموعة هيدروكسيل. وبمعرفة ذلك، يمكننا استبعاد الخيارين (أ) و(د). إذ لا يحتوي الخيار (أ) على أي متفاعلات بها كلور، ولا يحتوي (د) على أي متفاعلات بها صوديوم. وبالمثل، الخيار (ج) لا يحتوي على الصوديوم؛ لذا يمكننا استبعاده. تحتوي المادة المتفاعلة في الخيار (ب)، وهي بنزوات الصوديوم، على مجموعة متصلة بحلقة البنزين. ومن شأن إضافة أن يؤدي إلى أضافة بروتون إلى بنزوات الصوديوم؛ مما ينتج حمض البنزويك وكلوريد الصوديوم، ولكن ليس الفينول. وهذا يتركنا مع الخيار (هـ)، وهو الكلورو بنزين و. إحدى طرق إنتاج الفينول هي تفاعل البنزين المهلجن في ظل ظروف شديدة من الضغط ودرجة الحرارة. وهذا يتوافق مع الشروط المعطاة في مخطط التفاعل؛ ومن ثَمَّ يمكننا استنتاج أن الإجابة الصحيحة هي الخيار (هـ).
الجزء الثاني
بعد أن عرفنا كل من X وY في الجزء الأول من السؤال، وهما الكلورو بنزين و، مطلوب منا الآن تحديد هذا النوع من التفاعل. في التفاعل، تحل محل ذرة الكلور في البنزين مجموعة ، ويتكون مركب أيضًا. مع إزالة ذرة الكلور، وعدم إضافة إلى الكلورو بنزين، يمكننا إذن استبعاد الخيار (أ). وبالمثل، يعني فَقد الكلور من حلقة بنزين أن هذا التفاعل لا يمثل تفاعل هلجنة، وهو ما يشير عادة إلى إضافة هالوجين إلى جزيء ما. وهذا يعني أنه يمكننا استبعاد الخيار (ب). إن غياب في المتفاعلات، وحقيقة أن حلقة البنزين لا تُختزل إلى ألكين حلقي يعني أنه يمكننا استبعاد الخيار (ج)، إضافة الهيدروجين. ويشير الخياران الأخيران إلى تفاعل إضافة (التحلل المائي) أو إزالة الماء (التكثيف) أثناء التفاعل. ولأن التفاعل لا ينتج الماء، فيمكننا استبعاد الخيار (هـ)، ويتبقى لدينا الخيار (د). وهذا يبدو منطقيًّا لأن حلقة البنزين قد اكتسبت مجموعة هيدروكسيل، وهي في الأساس جزيء ماء منزوع البروتون.
ورغم وجود مجموعة هيدروكسيل في الفينولات، فإنها تختلف في سلوكها الفيزيائي والكيميائي عن الكحولات. إحدى السمات المميزة بينهما هي اختلاف درجة حمضية الفينول عن حمضية الكحولات.
فالفينولات حمضية بدرجة ضعيفة، وفي المحلول المائي قد تحدث عملية إزالة البروتون ليتكون أنيون فينوكسيد وأيون هيدرونيوم. وهذا موضَّح في ما يلي:
لكن الفينول أكثر حمضية من الكحولات الشائعة؛ مثل الإيثانول. ويمكن تفسير ذلك بوجود حلقة البنزين. وترتبط حمضية الجزيء باستقرار الأنيون المقابل له. عندما يفقد الفينول أيون هيدروجين من مجموعة الهيدروكسيل، يمكن أن يكتسب أنيون الفينوكسيد المقابل استقرارًا من وجود حلقة البنزين.
ولا يحدث مثل هذا الاستقرار في الكحولات مثل الإيثانول، والذي نستعرض في ما يلي عملية إزالة البروتون فيه:
وهذا يجعل الفينول حمضًا أقوى من الكحولات. لكن بما أن الاستقرار الناتج عن حلقة البنزين ضعيف، وأن معظم الشحنة يتبقى على الأكسجين، فإن الفينول يكون حمضيًّا بدرجة ضعيفة فقط.
ويمكن ملاحظة الفرق في درجة الحمضية عن طريق تفاعلات مع فلز الصوديوم وهيدروكسيد الصوديوم. ويتفاعل كل من الفينول والإيثانول مع فلز الصوديوم لإنتاج الأنيون المقابل وغاز الهيدروجين. ومعادلتا هذين التفاعلين هما:
بالنسبة إلى الفينول، ينتج عن هذا التفاعل أنيون الفينوكسيد، بينما يتكون أنيون الإيثوكسيد في حالة الإيثانول. ومع ذلك، فلن يتفاعل هيدروكسيد الصوديوم إلا مع الفينول فقط، ولن يتفاعل مع الإيثانول بشكل ملحوظ:
مثال ٣: تحديد العبارة التي تقارن بين الفينول والإيثانول مقارنة صحيحة
أيٌّ من الآتي يُقارِن بين الفينول والإيثانول مقارنةً صحيحةً؟
- الإيثانول أكثر حمضيةً من الفينول.
- يُمكِن أن يتفاعل الفينول مع حمض الهيدروكلوريك، ولا يتفاعل الإيثانول.
- يُمكِن أن يتفاعل الفينول مع هيدروكسيد الصوديوم، ولا يتفاعل الإيثانول.
- يُمكِن أن يتفاعل كلٌّ منهما مع حمض الهيدروكلوريك.
- يُمكِن أن يتفاعل كلٌّ منهما مع هيدروكسيد الصوديوم.
الحل
في هذا السؤال، المطلوب منا هو تحديد أي من العبارات المعطاة تقارِن بين الفينول والإيثانول. رغم احتواء كل من الفينول والإيثانول على مجموعة هيدروكسيل ()، قد تختلف خواصهما الكيميائية. أحد الاختلافات في درجة الحمضية.
ترتبط قوة الحمض بمدى استقرار الأنيون المقابل له. وكلما زاد استقرار الأنيون، زادت قوة الحمض. عندما يفقد الفينول أيون هيدروجين، يمكن أن تستقر الشحنة السالبة على أنيون الفينوكسيد بعض الشيء بفعل وجود حلقة البنزين. ولكن عندما يفقد الإيثانول أيون الهيدروجين؛ فإن الشحنة السالبة على أنيون الإيثوكسيد لا يتحقق مثل هذا الاستقرار. وهذا القدر الإضافي من الاستقرار هو ما يجعل الفينول حمضًا أقوى من الإيثانول. ولذلك، فإن العبارة (أ) ليست صحيحة.
العبارات من (ب) إلى (هـ) تتعلق بتفاعلية الفينول والإيثانول مع حمض الهيدروكلوريك وهيدروكسيد الصوديوم. هيدروكسيد الصوديوم قاعدة قوية؛ ومن ثَمَّ سيتفاعل مع حمض أو سيزيل بروتونًا من جزيء. سيتفاعل الفينول مع هيدروكسيد الصوديوم لإنتاج فينوكسيد الصوديوم والماء. ولكن، الإيثانول لا يكون حمضيًّا بدرجة كافية للتفاعل مع هيدروكسيد الصوديوم؛ وبالتالي لا يحدث أي تفاعل ملحوظ. وهذا يشير إلى أن العبارة (ج) صحيحة، والعبارة (هـ) خاطئة، لكن دعونا نتحقق من العبارات الأخرى.
تشير العبارتان (ب) و(د) إلى تفاعل الإيثانول والفينول مع حمض الهيدروكلوريك. في ظل الظروف المناسبة، سيتفاعل الإيثانول مع حمض الهيدروكلوريك لإنتاج ألكان مهلجن وماء. لا يتفاعل الفينول عادة مع حمض الهيدروكلوريك. وهذا يؤكد أن العبارتين (ب) و(د) غير صحيحتين.
إذن، الإجابة الصحيحة هي العبارة (ج).
وعلى غرار معظم الهيدروكربونات، ينتج عن احتراق الفينول في كمية فائضة من الأكسجين غاز ثاني أكسيد الكربون والماء. ومع ذلك، فإن وجود حلقة البنزين يعني غالبًا حدوث احتراق غير تام، وهو ما ينتج عنه أول أكسيد الكربون وسخام كربوني. ويؤدي ذلك إلى احتراق الفينول منتِجًا لهبًا كثيف الدخان.
ويمكن أيضًا إجراء تفاعل النيترة للفينول، وهو المصدر الرئيس لحمض البكريك، المعروف أيضًا باسم 6،4،2-ثلاثي نيترو فينول. تذكر أن مجموعة الهيدروكسيل لها تأثير موجه لموضعي الأورثو والبارا فيما يخص أماكن استبدال مجموعات النيترو على حلقة البنزين.
يتطلب التفاعل بين الفينول وحمض النيتريك حمض الكبريتيك المركز، ويتغير الناتج حسب تركيز حمض النيتريك. ينتج عن حمض النيتريك المخفف عادة استبدال أحادي، في حين أن إنتاج جزيء ثلاثي النيترو يتطلب حمض النيتريك المركز. وينتج التفاعل الماء أيضًا.
وتستخدم الغالبية العظمى من حمض البكريك الناتج في الذخائر والمتفجرات. وهذا ليس مفاجئًا نظرًا لتشابه هذا الحمض مع 6،4،2-ثلاثي نيترو تولوين، المعروف أيضًا باسم TNT. تاريخيًّا، كان حمض البكريك يُستخدم باعتباره صبغة صفراء. وفي الوقت الحاضر، يستخدم مطهرًا، بل وحتى في علاج الحروق. تحتوي العديد من صناديق الإسعافات الأولية على ضمادات منقوعة في حمض البكريك.
مثال ٤: تحديد ناتج نيترة الفينول
املأ الفراغ: يتفاعل الفينول مع حمض النيتريك المركَّز في وجود حمض الكبريتيك المركز، مكوِّنًا .
- حمض الفثاليك
- حمض الساليسيليك
- حمض الستريك
- حمض البكريك
- حمض البنزويك
الحل
عندما يتفاعل الفينول مع حمض النيتريك المركز، سيكوِّن منتجًا ثلاثي المستبدل. توجِّه مجموعة الهيدروكسيل الموجودة في الفينول مجموعات النيترو للاستبدال في موضعي الأرثو والبارا على حلقة البنزين. وعليه، سينتج عن تفاعل الفينول مع حمض النيتريك المركز 6،4،2-ثلاثي نيترو فينول، وهو جزيء يعرف أيضًا بحمض البكريك. إذن، الإجابة الصحيحة هي الخيار (د) وهي حمض البكريك.
تفاعل الفينول مع الفورمالدهيد (الميثانال) نقطة البداية لعملية البلمرة بالتكثيف التي تنتج مادة بلاستيكية تعرف باسم الباكيليت. خواص الباكيليت المميزة جعلته مادة شائعة للغاية ومستخدمة على نطاق واسع. فبالإضافة إلى كونه بوليمرًا مقاومًا للحرارة، فهو مادة عازلة للكهرباء؛ مما جعله الخيار الأمثل لأغلفة الأجهزة الكهربية مثل أجهزة الراديو والهواتف. القدرة على تشكيل قالب من الباكيليت بسهولة هي التي جعلته مستخدمًا في العديد من جوانب حياتنا، بداية من أدوات المطبخ مرورًا بلعب الأطفال ووصولًا إلى الحلي.
توجد طرق عديدة مختلفة قليلًا لإنتاج الباكيليت. الخطوة الأولى في معظم هذه الطرق هي تفاعل جزيء واحد من الفورمالدهيد مع جزيئين من الفينول، عادة في وجود عامل حفاز حمضي أو قاعدي. ينتج عن تفاعل التكثيف هذا جزيء فورمالدهيد الفينول مع فَقْد . وتتكرر العملية بعد ذلك لتكوين البوليمر المتشابك المعروف باسم الباكيليت.
خطوات: الكشف عن الفينول
يوجد اختباران يمكن استخدامهما للكشف عن وجود الفينول:
- أولهما هو التفاعل مع كلوريد الحديد الثلاثي، الذي يُعرف أيضًا باسم كلوريد الحديديك. تفاصيل هذا التفاعل معقدة وينتج عنه مركب معقد من الفينول والحديد. لكن الملاحظات هنا هي الأهم.
عند إضافة بضع قطرات من محلول كلوريد الحديد الثلاثي إلى محلول يحتوي على الفينول، يتكون لون بنفسجي-أرجواني. يتغير لون مشتقات الفينول أيضًا مع كلوريد الحديد الثلاثي، لكن اللون بالتحديد يعتمد على المركب. وهذا موضح في الصورة التالية:
- الاختبار الثاني هو إضافة ماء البروم، الذي يتفاعل مع الفينول لإنتاج راسب أبيض. ويؤدي هذا التفاعل أيضًا إلى إزالة لون ماء البروم.
يختلف هذا التفاعل قليلًا عن الكشف عن الألكينات والألكاينات حيث يتكون محلول عديم اللون دون تَكوُّن راسب.
مثال ٥: تحديد كاشف للكشف عن الفينول
أيُّ الكواشف الآتية يُمكِن استخدامه للكشف عن الفينول؟
الحل
يوجد اختباران شائعان يمكن استخدامهما للكشف عن الفينول. الأول هو ماء البروم، الذي يصبح عديم اللون إذا كان الفينول موجودًا، مع تكون راسب أبيض. لكن ماء البروم ليس أحد الكواشف المعطاة في السؤال. والاختبار الثاني هو إضافة محلول كلوريد الحديد الثلاثي. إذا كان الفينول موجودًا، فسيتغير لون المحلول إلى لون بنفسجي-أرجواني. الصيغة الكيميائية لكلوريد الحديد الثلاثي هي وهو الخيار (هـ) في قائمة الكواشف المعطاة. إذن، الإجابة الصحيحة هي الخيار (هـ)، .
النقاط الرئيسية
- الفينولات هي فئة من الجزيئات التي تحتوي على مجموعة هيدروكسيل () مرتبطة مباشرة بحلقة أروماتية.
- يؤدي وجود مجموعة الهيدروكسيل في الفينول إلى ارتفاع كبير في درجات انصهاره وغليانه وفي قابليته للذوبان مقارنة بالبنزين والتولوين.
- يمكن تصنيع الفينول من تقطير قطران الفحم أو من التحلُّل المائي للكلورو بنزين مع هيدروكسيد الصوديوم.
- الفينول حمض ضعيف لكنه أقوى من الكحولات، ويتفاعل مع هيدروكسيد الصوديوم.
- تُنتج نيترة الفينول باستخدام حمض النيتريك المركز 6،4،2-ثلاثي نيترو فينول، المعروف أيضًا باسم حمض البكريك.
- ويمكن أن يتفاعل الفينول مع الفورمالدهيد في تفاعل بلمرة بالتكثيف لإنتاج بوليمر يعرف باسم الباكيليت.
- يمكن الكشف عن الفينول عن طريق تغيُّر اللون عند إضافة إما محلول كلوريد الحديد الثلاثي أو ماء البروم.
