Fiche explicative de la leçon: Le phénol Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les propriétés physiques et chimiques du phénol.

Les phénols constituent une classe de molécules aromatiques contenant un groupe hydroxyle () directement lié à un cycle aromatique. La présence d’un groupe suggère qu’un phénol est un type d’alcool. Cependant, les propriétés physiques et chimiques des phénols diffèrent de celles des alcools aliphatiques.

Le phénol se réfère souvent à la molécule hydroxy-aromatique la plus simple, où un seul groupe hydroxyle est relié à un cycle benzénique. La structure du phénol, également connu sous le nom d’acide carbolique ou d’hydroxybenzène, est illustrée ci-dessous.

Les phénols sont d’une grande importance dans l’industrie pharmaceutique. L’acide salicylique (précurseur de l’aspirine), le paracétamol et la vanilline, illustrés ci-dessous, sont tous des exemples de composés phénoliques. Les composés phénoliques sont couramment utilisés comme point de départ pour la synthèse d’un large éventail de composés importants.

Le phénol, de formule brute , est un solide blanc ayant une odeur semblable à celle d’un désinfectant. Il faut prendre des précautions lors de la manipulation du phénol solide, car il peut être corrosif pour la peau. Le point de fusion du phénol est beaucoup plus élevé que celui du benzène ou du méthylbenzène (le toluène). Le phénol est assez soluble dans l’eau, beaucoup plus soluble que le benzène ou le méthylbenzène. Ces deux propriétés du phénol peuvent être principalement attribuées à la liaison hydrogène qui peut se former entre les différentes molécules de phénol, et entre les molécules de phénol et d’eau.

Le phénol peut être préparé de plusieurs façons. La méthode la plus directe est la distillation fractionnée du goudron de houille, un procédé qui sépare le phénol des crésols (méthylphénols). Le phénol peut aussi être obtenu à partir de l’oxydation directe du benzène, mais ce procédé n’est pas couramment utilisé.

Une méthode classique de synthèse du phénol consiste à effectuer l’hydrolyse du benzène halogéné avec de l’hydroxyde de sodium. Par exemple, la réaction du chlorobenzène avec de l’hydroxyde de sodium à une température de et une pression de 300 atmosphères produit du phénoxyde de sodium. Le phénoxyde de sodium peut ensuite être traité avec pour former du phénol et du chlorure de sodium, comme indiqué dans le schéma réactionnel ci-dessous.

Une réaction similaire entre le chlorobenzène et la vapeur d’eau, sur un catalyseur au silicium, produit du phénol et du chlorure d’hydrogène.

Exemple 2: Identifier les réactifs et le type de réaction dans la préparation du phénol

Le phénol peut être préparé à partir d’un dérivé du benzène. Le schéma montre les produits et les conditions de réaction pour la préparation de phénol : 

1. Quels sont les réactifs X et Y ? 
   1. bromobenzène et
   2. benzoate de sodium et
   3. chlorobenzène et
   4. bromobenzène et
   5. chlorobenzène et
2. Quelle est la meilleure description de cette réaction ? 
   1. addition
   2. halogénation
   3. hydrogénation
   4. hydrolyse
   5. condensation

Réponse

Partie 1

L’examen du schéma réactionnel donné dans la question montre que la réaction produit du phénol et du chlorure de sodium. À partir de là, nous pouvons supposer que les réactifs doivent contenir du sodium, du chlore, un cycle benzénique et un groupe hydroxyle. En utilisant ces connaissances, nous pouvons exclure les options A et D. A ne contient aucun réactif avec du chlore et D ne contient aucun réactif avec du sodium. De même, l’option C ne contient pas de sodium, nous pouvons donc l’ignorer. Le réactif de l’option B, le benzoate de sodium, contient en fait un groupe lié au cycle benzénique. L’ajout de causerait probablement la protonation du benzoate de sodium, produisant de l’acide benzoïque et du chlorure de sodium, mais pas du phénol. Cela nous laisse l’option E, chlorobenzène et . Une façon de produire du phénol est la réaction d’un benzène halogéné avec l’hydroxyde de sodium dans des conditions extrêmes. Cela correspond bien aux conditions données dans le schéma réactionnel, donc nous pouvons conclure que la bonne réponse est l’option E.

Partie 2

Maintenant que nous avons déterminé que X et Y correspondent respectivement au chlorobenzène et au , on nous demande maintenant de nommer ce type de réaction. Dans la réaction, l’atome de chlore sur le benzène est remplacé par un groupe , et il se forme également du . Puisque le chlore a été enlevé lors de la réaction, on ne peut pas dire que le a simplement été ajouté au chlorobenzène ; nous pouvons donc ignorer l’option A. De même, la perte de chlore du cycle benzénique signifie que cette réaction n’est pas une halogénation, qui se réfère généralement à l’addition d’un halogène à une molécule. Nous pouvons donc exclure l’option B. Puisqu’il n’y a pas de en tant que réactif, et que le cycle benzénique n’est pas réduit en cycloalcène, nous pouvons exclure l’option C, hydrogénation. Les deux dernières options font référence à l’addition d’eau (hydrolyse) ou à l’élimination d’eau (condensation) pendant la réaction. Comme la réaction ne produit pas d’eau, nous pouvons exclure l’option E, ce qui laisse l’option D comme bonne réponse. Cela a du sens puisque le noyau benzène a acquis un groupe hydroxyle, essentiellement une molécule d’eau déprotonée.

Malgré la présence d’un groupe hydroxyle, les phénols ont des propriétés physiques et chimiques différentes de celles des alcools. Une caractéristique importante est la différence entre l’acidité du phénol et celle des alcools.

Le phénol est un acide faible : dans une solution aqueuse, une déprotonation peut se produire pour former un anion phénoxyde et un ion hydronium. Ce phénomène est illustré ci-dessous : 

Le phénol est toutefois plus acide qu’un alcool classique tel que l’éthanol. Cela peut être expliqué par la présence du noyau benzénique. L’acidité d’une molécule est liée à la stabilité de l’anion correspondant. Quand le groupe hydroxyle du phénol perd un ion hydrogène, l’anion phénoxyde correspondant peut être stabilisé par la présence du cycle benzénique.

Une telle stabilisation ne se produit pas dans le cas des alcools comme l’éthanol, dont la déprotonation est illustrée ci-dessous : 

Cela fait du phénol un acide plus fort que les alcools. Cependant, comme la stabilisation à partir du noyau benzénique est mineure, et que la majorité de la charge négative reste sur l’oxygène, le phénol n’est que faiblement acide.

La différence d’acidité peut être observée lors de réactions avec le sodium métallique et l’hydroxyde de sodium. Le phénol et l’éthanol réagissent tous deux avec le sodium métallique pour produire l’anion correspondant et l’hydrogène gazeux. Les équations de ces réactions sont les suivantes : 

Dans le cas du phénol, cette réaction produit l’anion phénoxyde, alors que dans le cas de l’éthanol, cette réaction produit l’anion éthoxyde. En revanche, l’hydroxyde de sodium ne réagit qu’avec le phénol, et non de manière significative avec l’éthanol : 

Contrairement à de nombreux alcools, le phénol ne peut pas réagir avec l’acide chlorhydrique pour former l’halogénure d’aryle correspondant. Le manque de réactivité entre le phénol et l’acide chlorhydrique s’explique par l’effet du cycle benzénique sur la liaison Les effets de résonance font que la liaison entre les atomes de carbone et d’oxygène devient plus semblable à une double liaison. Par conséquent, il y a un raccourcissement de la longueur de la liaison entre les atomes de carbone et d’oxygène.

En raison de cette liaison plus courte et plus forte, il devient plus difficile pour le phénol de réagir avec l’acide chlorhydrique par rapport aux alcools. Par conséquent, il n’y a généralement pas de réaction entre le phénol et l’acide chlorhydrique. Cependant, les alcools peuvent réagir avec l’acide chlorhydrique, et d’autres halogénures d’hydrogène, pour former des halogénures d’alkyle.

Comme pour la plupart des hydrocarbures, la combustion du phénol dans un excès d’oxygène produit du dioxyde de carbone et de l’eau. Cependant, la présence du cycle benzénique signifie souvent qu’une combustion incomplète se produit, produisant du monoxyde de carbone et du noir de carbone. Cela provoque la formation de beaucoup de fumée lors de la combustion du phénol.

La nitration du phénol peut également être obtenue, et sert de source principale à la production d’acide picrique, également connu sous le nom de 2,4,6-trinitrophénol. Rappelons que le groupe hydroxyle a un effet ortho-para orienteur, ce qui va déterminer la position du groupe nitro sur le cycle benzénique.

La réaction entre le phénol et l’acide nitrique nécessite de l’acide sulfurique concentré et varie en fonction de la concentration en acide nitrique. L’acide nitrique dilué conduit généralement à une monosubstitution, alors que de l’acide nitrique doit être concentré pour produire la molécule trinitro. La réaction produit également de l’eau.

La grande majorité de l’acide picrique produit est utilisé pour les munitions et les explosifs. Cela n’est pas surprenant étant donné sa similitude avec le 2,4,6-trinitrotoluène, également connu sous le nom de TNT. Historiquement, l’acide picrique était utilisé comme colorant jaune. Plus récemment, il a trouvé son utilité comme antiseptique et même dans le traitement des brûlures. De nombreuses trousses de premiers secours contiennent des bandages imbibés d’acide picrique.

La réaction du phénol avec du formaldéhyde (méthanal) est le point de départ d’une polymérisation par condensation permettant de produire un plastique connu sous le nom de « Bakélite ».

La première étape est la réaction entre une molécule de phénol et le formaldéhyde pour produire un phénol substitué : 

Ce phénol substitué peut ensuite réagir avec une autre molécule de phénol dans une réaction de condensation, qui produit également une molécule d'eau : 

Cette réaction se répète ensuite plusieurs fois, formant un grand polymère en réseau : la Bakélite. Une petite section de la structure de la Bakélite est présentée ci-dessous : 

Les propriétés de la Bakélite ont rendu celle-ci très populaire et couramment utilisée. En plus d’être résistant à la chaleur, ce polymère est un bon isolant électrique, ce qui en fait le choix idéal pour les revêtements d’appareils électriques tels que les radios et les téléphones. Pouvant être moulée facilement, la Bakélite a été utilisée sous divers aspects dans notre vie quotidienne, allant des appareils électroménagers aux jouets pour les enfants en passant par les bijoux.

La Bakélite peut être fabriquée selon de nombreuses méthodes qui diffèrent légèrement les unes des autres. La première étape, dans la plupart des méthodes, c’est la réaction d’une molécule de formaldéhyde avec deux molécules de phénol, généralement en présence d’un catalyseur acide ou basique. Cette réaction de condensation produit, par la perte de , une nouvelle molécule de phénol-formaldéhyde. Ce processus est alors répété pour former le polymère réticulé connu sous le nom de Bakélite.