فيديو الدرس: الفينول الكيمياء

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف الخواص الفيزيائية والكيميائية للفينول. في الجزء الأول من هذا الفيديو، سنلقي نظرة على كيفية تحديد الفينولات.

الفينولات هي جزيئات عضوية تحتوي على مجموعة هيدروكسيل مرتبطة مباشرة بحلقة أروماتية. الهيدروكربونات الأروماتية هي جزيئات غير مشبعة تتميز بوجود حلقة البنزين. الصيغة الجزيئية للبنزين هي ‪C6H6‬‏، ويمكن التعبير عن بنيته بشكل سداسي به دائرة في منتصفه. تحتوي مجموعة الهيدروكسيل على ذرة أكسجين مرتبطة تساهميًّا بذرة هيدروجين. إذا ربطنا مجموعة الهيدروكسيل مباشرة بحلقة البنزين، فسنحصل على الجزيء المسمى فينول.

تختلف الفينولات بشكل واضح عن الكحولات الأليفاتية، التي ترتبط فيها مجموعة الهيدروكسيل بسلسلة كربون. ويجب ألا يختلط عليك الأمر بين الفينول والهكسانول الحلقي. يحتوي الهكسانول الحلقي على مجموعة هيدروكسيل مرتبطة ببنية حلقية. لكن في الهكسانول الحلقي، تكون البنية الحلقية مشبعة، لذلك فإن الهكسانول الحلقي ليس فينول.

لنتناول المركبين الموضحين هنا باعتبارهما مثالين إضافيين. هنا نرى الجزيء (أ) على اليسار والجزيء (ب) على اليمين. يصنف الجزيء (أ) على أنه فينول، لأن مجموعة الهيدروكسيل مرتبطة مباشرة بحلقة البنزين. ويصنف الجزيء (ب) على أنه كحول. على الرغم من أن الجزيء (ب) يحتوي على حلقة بنزين، إلا أن مجموعة الهيدروكسيل لا ترتبط بها مباشرة. تتشابه الفينولات والكحولات في بعض الخواص الكيميائية. إحدى الخواص الكيميائية المتشابهة بين الفينولات والكحولات هي أن كلًّا منهما من الممكن أن يتحول إلى إسترات.

يتم تحويل الجزيء المعروف شيوعًا باسم حمض الساليسيليك بسهولة إلى إستر الأسبرين، وذلك باستخدام أنهيدريد الإيثانويك. أنهيدريد الإيثانويك هو أحد مشتقات الحمض الكربوكسيلي. ويتم تحضيره ببساطة عن طريق تكثيف جزيئين من حمض الإيثانويك معًا. الأسبرين دواء شائع الاستخدام كمسكن للآلام ويصرف دون وصفة طبية. يتكون الإستر عن طريق مجموعة هيدروكسيل الفينول الموجودة في حمض الساليسيليك. والناتج الثانوي في هذا التفاعل هو جزيء حمض الإيثانويك الذي نشأ عن أنهيدريد الإيثانويك.

تتفاعل الكحولات مع الأحماض الكربوكسيلية في وجود حمض الكبريتيك المركز باعتباره عاملًا حفازًا لإنتاج الإسترات أيضًا. في هذا التفاعل، الناتج الثانوي هو الماء. في هذه الحالة الخاصة، تبدو كيمياء الكحولات والفينولات متشابهة إلى حد ما. ولكن في معظم الحالات تختلف خواص الكحولات والفينولات بشكل كبير.

سنلقي الآن نظرة على بعض الخواص الفيزيائية للفينول. الفينول مادة صلبة بيضاء في درجة حرارة الغرفة. له رائحة مميزة تشبه رائحة المطهرات التي كانت تصنع قديمًا وصابون قطران الفحم. إذا قمنا بتسخين بلورات الفينول الصلبة إلى درجة حرارة حوالي 41 درجة سلزية، سنلاحظ انصهارها. في الحقيقة، للفينول درجة انصهار أعلى من باقي المركبات الأروماتية المماثلة له في الحجم الجزيئي.

إذن، كيف نفسر درجة الانصهار العالية غير المعتادة هذه؟ في الحالة الصلبة للفينول، ترتبط الجزيئات معًا بروابط هيدروجينية. عندما نقوم بصهر الفينول، يتعين علينا التغلب على هذا الترابط الهيدروجيني بين الجزيئي. يتطلب التغلب على هذه القوى بين الجزيئية طاقة أكبر من الطاقة التي تحتاجها جزيئات أروماتية أخرى لا يوجد بها روابط هيدروجينية.

يذوب الفينول في الماء بدرجة أكبر بكثير من ذوبانه في البنزين. في درجات الحرارة المرتفعة، من الممكن إذابة حوالي 10 جرامات من الفينول في 90 جرامًا من الماء. ينتج عن هذا محلول فينول له نسبة تركيز كتلية في الماء تساوي 10 في المائة. لماذا إذن يذوب الفينول في الماء بدرجة أكبر بكثير من ذوبانه في البنزين؟ مثلما تكون جزيئات الفينول روابط هيدروجينية فيما بينها، تكون جزيئات الفينول روابط هيدروجينية أيضًا مع جزيئات الماء. هذا الترابط الهيدروجيني يسمح لجزيئات الفينول بالدخول ضمن شبكة الروابط الهيدروجينية الممتدة الموجودة بين جزيئات الماء في الماء السائل. وهذا يفسر الذوبانية الجيدة للفينول في الماء.

تعرف المحاليل المائية للفينول عادة باسم حمض الكربوليك. في غرف العمليات قديمًا، كان محلول الفينول يرش حول المريض، إذ كان يعد معقمًا معروفًا.

في الجزء التالي، سنلقي نظرة على إنتاج الفينول وكيفية الحصول عليه صناعيًّا.

الطريقة التقليدية للحصول على الفينول هي من خلال التقطير التجزيئي لقطران الفحم. ونحصل على قطران الفحم من خلال تسخين الفحم المسحوق في غياب الهواء. يتم تكثيف الأبخرة المتصاعدة من الفحم الساخن في الماء البارد. يحتوي ناتج التكثيف على قطران الفحم. ويوجد العديد من المركبات المتطايرة في غاز الفحم الذي ينتج بهذه العملية. هذا الغاز يحرق باعتباره مخلف إنتاج أو يستخدم لإنتاج طاقة في صورة حرارة. قطران الفحم في الحقيقة هو مزيج من العديد من المركبات الأروماتية. إلى جانب الفينول، فإنه يحتوي على الكريسولات أو ميثيل الفينولات. وبما أن هذه الجزيئات لها درجات غليان مختلفة، يستخدم التقطير التجزيئي لفصلها.

يحضر الفينول صناعيًّا عن طريق تفاعل الكلوروبنزين مع المحلول المائي لهيدروكسيد الصوديوم. تحدث هذه العملية في درجة حرارة حوالي 300 درجة سلزية، ويتم رفع الضغط إلى مثل الضغط الجوي حوالي 300 مرة. الناتج الأولي من هذا التفاعل هو فينوكسيد الصوديوم. يتفاعل فينوكسيد الصوديوم بعد ذلك مع حمض الهيدروكلوريك لينتج فينول وكلوريد الصوديوم بوصفه ناتجًا ثانويًّا.

في الجزء التالي، سندرس حمضية الفينول.

يمكن أن يسلك الفينول سلوك الحمض الضعيف في المحلول المائي. يمكن لمجموعة الهيدروكسيل أن تفقد بروتونًا. في الفينول، تنكسر الرابطة التساهمية بين الأكسجين والهيدروجين، ويتكون أيون الفينوكسيد. يستقبل الماء البروتون المتحرر من جزيء الفينول، ويتكون أيون ‪H3O+‬‏. يعرف ‪H3O+‬‏ باسم أيون الهيدرونيوم، وأحيانًا يطلق عليه أيون الهيدروكسونيوم. أنيون الفينوكسيد أيون مستقر نظرًا لوجود حلقة البنزين. يمكن لبعض الكحولات الأخرى مثل الإيثانول أن تفقد بروتونًا على نحو مشابه للفينول.

تفاعل الإيثانول مع الماء مشابه جدًّا للتفاعل السابق. في هذه الحالة، يكون الناتج أنيون الإيثوكسيد. ونظرًا لأن أنيون الإيثوكسيد ليس مستقرًّا مثل أنيون الفينوكسيد، فالكحولات في الواقع أحماض ضعيفة جدًّا. وبالتالي فالفينولات أكثر حمضية من الكحولات. من المهم ملاحظة أن الحمضية مفهوم نسبي هنا. فالفينولات في الحقيقة أحماض ضعيفة جدًّا. حتى إن الأحماض الكربوكسيلية، التي تصنف أحماضًا ضعيفة، تعد أقوى من الفينول.

ستتفاعل الأحماض الكربوكسيلية مع قواعد ضعيفة نسبيًّا، مثل الكربونات، لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون. وبما أن الفينولات أحماض ضعيفة، فلن تتفاعل مع قواعد ضعيفة مثل الكربونات، ولا ينتج غاز ثاني أكسيد الكربون. سيتفاعل الفينول مع القواعد القوية جدًّا. فيتفاعل الفينول مع هيدروكسيد الصوديوم وينتج فينوكسيد الصوديوم. من ناحية أخرى، لا تتفاعل الكحولات مثل الإيثانول مع هيدروكسيد الصوديوم بأي درجة. وإذا أضيف هيدروكسيد الصوديوم إلى الإيثانول، فلن يتكون إيثوكسيد الصوديوم بأي كمية ملحوظة.

يعد تسخين فلز الصوديوم مباشرة مع الفينول طريقة أخرى لتحضير فينوكسيد الصوديوم. في هذا التفاعل، ينتج غاز الهيدروجين، الذي يتطاير ويترك خلفه فينوكسيد الصوديوم في حالته الصلبة. كيمياء الكحولات مشابهة للفينولات في هذه الحالة. فإذا تم تسخين فلز الصوديوم مع الإيثانول، ينتج إيثوكسيد الصوديوم وغاز الهيدروجين.

في الجزء التالي، سندرس تفاعلات النيترة للفينول.

يتفاعل الفينول بسهولة مع حمض النيتريك المخفف. الصيغة الكيميائية لحمض النيتريك هي ‪HNO3‬‏. في هذا التفاعل، تحل مجموعة نيترو محل ذرة من ذرات الهيدروجين المرتبطة بحلقة البنزين. تعرف هذه التفاعلات باسم تفاعلات الاستبدال الأحادية. وعند التفاعل مع حمض النيتريك المخفف يكون الناتجان المتكونان هما 2-نيتروفينول و4-نيتروفينول. إذا تفاعل الفينول مع حمض النيتريك المركز في وجود حمض الكبريتيك المركز باعتباره عاملًا حفازًا، فربما تحدث تفاعلات استبدال إضافية. يكون الناتج المتكون في هذا التفاعل هو 2، 4، 6-ثلاثي نيتروفينول. يعرف 2، 4، 6-ثلاثي نيتروفينول أيضًا بحمض البكريك. يمكن أن يتفكك حمض البكريك بشكل مفاجئ وطارد للحرارة. وينتج عن ذلك كميات كبيرة من بخار أول أكسيد الكربون وغاز النيتروجين. وقد استخدم باعتباره مادة شديدة الانفجار.

في الجزء التالي، سنرى كيف تصنع مادة بلاستيكية، تعرف باسم الباكليت، من الفينول.

من الممكن أن يسخن الفينول مع الميثانال (الفورمالدهيد) في وجود عامل حفاز حمضي أو قاعدي، لإنتاج مادة بلاستيكية صلدة قابلة للكسر. في الخطوة الأولى، يحدث استبدال في جزيء الفينول. يتعرض الفينول المستبدل الناتج بعد ذلك إلى تفاعل تكثيف مع جزيء فينول آخر. في تفاعل التكثيف، ينتزع جزيء صغير، في هذه الحالة الماء. تستمر تفاعلات الاستبدال والتكثيف بعد ذلك إلى أن تتكون شبكة صلدة من الجزيئات. يعرف البوليمر المتكون باسم الباكليت.

يحتوي الباكليت على شبكة ثلاثية الأبعاد ومتشابكة من الحلقات الأروماتية القائمة على الفينول. يمكن تشكيل الباكليت، لكنه يتصلب بالحرارة، لذلك يوصف بأنه بلاستيك يتصلب بالحرارة. ونظرًا لأن الباكليت عازل للكهرباء، فقد استخدم على نطاق واسع في أغلفة الأجهزة الكهربية، مثل أجهزة الراديو وتركيبات الإضاءة.

في هذا الجزء، سنرى كيف يمكن الكشف كيميائيًّا عن محاليل الفينول باستخدام بعض الاختبارات الكيميائية البسيطة في المعمل.

يتفاعل الفينول مع كلوريد الحديديك، المعروف أيضًا باسم كلوريد الحديد الثلاثي، لإنتاج معقد حديد ملون. عادة ما يكون محلول الفينول في الماء عديم اللون، في حين يتسم محلول كلوريد الحديديك بلون برتقالي مميز مائل إلى البني. يتفاعل كلوريد الحديديك مع محلول الفينول وينتج محلولًا ذا لون بنفسجي مائل إلى الأرجواني. وستتفاعل مشتقات الفينول الأخرى مع كلوريد الحديديك بطريقة مشابهة. وسيعتمد اللون الفعلي للأيون المعقد المتكون بدقة على مركب الفينول المستخدم.

وهناك اختبار آخر للكشف عن الفينول، وهو إضافة بضع قطرات من ماء البروم إلى محلول الفينول. يتسم ماء البروم بلون برتقالي مميز مائل إلى البني. عند رج ماء البروم برفق مع محلول الفينول، يتكون راسب أبيض. لهذا الراسب الأبيض رائحة تشبه رائحة الدواء أو المطهر. يحتوي الراسب الأبيض على 2، 4، 6-ثلاثي برومو فينول. لاحظ أن في هذا التفاعل سوف يتلاشى لون ماء البروم البرتقالي المائل إلى البني.

والآن حان وقت السؤال لنختبر به استيعابنا لتفاعلات الفينول.

املأ الفراغ. يتفاعل الفينول مع حمض النيتريك المركز في وجود حمض الكبريتيك المركز، مكونًا حمض (فراغ). (أ) حمض الفثاليك، (ب) حمض الساليسيليك، (ج) حمض الستريك، (د) حمض البكريك، (هـ) حمض البنزويك.

في هذا السؤال، الجزيء الأولي هو جزيء الفينول. الفينول جزيء أروماتي يحتوي على حلقة بنزين. عندما نرسم بنية الفينول، لا ندرج عادة ذرات الهيدروجين المرتبطة بذرات الكربون في حلقة البنزين. يتعرض الفينول إلى تفاعلات استبدال مع عوامل أخرى، تحل فيها مجموعة أخرى محل ذرات الهيدروجين.

إذا كان العامل المتفاعل هو حمض النيتريك المركز، فستحدث استبدالات لذرات الهيدروجين الموجودة في المواضع اثنين وأربعة وستة بحلقة البنزين. نرى أيضًا أن حمض الكبريتيك المركز موجود هنا. وهو عامل حفاز. في هذا التفاعل المحدد، تحل مجموعات نيترو محل ذرات الهيدروجين في المواضع اثنين وأربعة وستة. وبالتالي يكون اسم الناتج 2، 4، 6-ثلاثي نيتروفينول. الاسم الشائع لهذا الجزيء هو حمض البكريك. وكان يستخدم قديمًا باعتباره مادة شديدة الانفجار. على الرغم من أن حمض البكريك لا يحتوي على مجموعة حمضية سهلة التمييز، فإننا نجد أن مجموعة الهيدروكسيل في هذا الجزيء يمكنها إطلاق بروتون. هذا لا يحدث بقدر كبير، لذا فإن حمض البكريك جزيء ضعيف الحمضية.

يحتوي كل من حمض الفثاليك، وحمض الساليسيليك، وحمض الستريك، وحمض البنزويك على المجموعات الوظيفية للحمض الكربوكسيلي، التي لا يحتوي عليها حمض البكريك. إذن حمض البكريك هو الإجابة الصحيحة.

سنراجع الآن النقاط الرئيسية عن الفينول. تحتوي الفينولات على مجموعة هيدروكسيل مرتبطة مباشرة بحلقة أروماتية. تعد حلقة البنزين مثالًا على الحلقة الأروماتية. تتشابه بعض الخواص الكيميائية للفينول مع الكحولات. ولكن، الفينول أكثر حمضية من الكحولات، إذ يتفاعل مع القواعد القوية مثل هيدروكسيد الصوديوم. يمكن نيترة الفينول باستخدام حمض النيتريك المركز لإنتاج 2، 4، 6-ثلاثي نيتروفينول. والمعروف أيضًا باسم حمض البكريك. يستخدم الفينول لصناعة المواد البلاستيكية، مثل الباكليت. يكون الفينول محلولًا بنفسجيًّا عند تفاعله مع كلوريد الحديد الثلاثي. ويعد هذا التفاعل أحد الاختبارات التي يمكن استخدامها للكشف عن الفينولات.