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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 (OH) directement lié à un cycle aromatique. La présence d’un groupe OH 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.

Définition : Les phénols

Classe de molécules organiques avec un groupe hydroxyle relié directement à un cycle aromatique.

Le phénol, de formule brute CHOH65, 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 (40,5)C 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.

Exemple 1: Identifier le phénol à partir de ses propriétés physiques

Le tableau montre les propriétés physiques de trois composés aromatiques:le benzène, le phénol et le toluène. Quelle colonne correspond au phénol?

PropriétéABC
Point de fusion (C)40,55,595
Point d’ébullition (C)181,780,1111
ApparenceSolide cristallinLiquide incoloreLiquide incolore
Solubilité dans l’eau à 20C(/100)gmL8,301,800,52
Densité (g/cm3)1,070,880,87

Réponse

Le tableau montre les propriétés de trois composés aromatiques différents. Le benzène, le phénol et le toluène, qui contiennent tous un cycle benzénique. Cependant, le phénol et le toluène contiennent un groupe supplémentaire. Le phénol a un groupe hydroxyle (OH), tandis que le toluène a un groupe méthyle (CH3). La présence du groupe hydroxyle dans le phénol suggère la présence de liaisons hydrogène entre les molécules de phénol. Cela aura pour effet que les points de fusion et d’ébullition du phénol seront beaucoup plus élevés que ceux de composés similaires. On peut donc s’attendre à ce que la colonne du phénol soit celle contenant des points de fusion et d’ébullition beaucoup plus élevés que les autres. La capacité du phénol à former des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau augmente également sa solubilité. On peut donc s’attendre à ce que la solubilité du phénol dans l’eau soit la plus grande parmi les trois molécules. En utilisant ces informations, nous pouvons voir que la colonne A affiche le point d’ébullition, le point de fusion et la solubilité les plus élevés. Le point de fusion élevé a également pour effet que le composé de la colonne A est un solide dans des conditions normales, ce qui est le cas pour le phénol. Nous pouvons donc conclure que c’est la colonne A qui correspond au phénol.

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 300C et une pression de 300 atmosphères produit du phénoxyde de sodium. Le phénoxyde de sodium peut ensuite être traité avec HCl 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 NaOH
    2. benzoate de sodium et HCl
    3. chlorobenzène et HCl
    4. bromobenzène et HCl
    5. chlorobenzène et NaOH
  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 CO2 lié au cycle benzénique. L’ajout de HCl 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 NaOH. 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 NaOH, 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 OH, et il se forme également du NaCl. Puisque le chlore a été enlevé lors de la réaction, on ne peut pas dire que le NaOH 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 H2 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:2CHOH+2Na2CHONa+H6565+22CHOH+2Na2CHONa+H2525+2

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:CHOH+NaOHCHONa+HO6565+2

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 COH 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 CO 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.

Exemple 3: Identifier la description qui permet de faire correctement la comparaison entre le phénol et l’éthanol

Lequel des énoncés suivants donne une bonne comparaison entre le phénol et l’éthanol?

  1. L’éthanol est plus acide que le phénol.
  2. Le phénol peut réagir avec l’acide chlorhydrique, alors que l’éthanol ne peut pas.
  3. Le phénol peut réagir avec l’hydroxyde de sodium, alors que l’éthanol ne peut pas.
  4. Tous deux peuvent réagir avec l’acide chlorhydrique.
  5. Tous deux peuvent réagir avec l’hydroxyde de sodium.

Réponse

Dans cette question, on nous demande de choisir l’énoncé qui décrit correctement la différence entre le phénol et l’éthanol. Bien qu’ils contiennent tous deux un groupe hydroxyle (OH), la chimie du phénol et celle de l’éthanol peuvent être différentes. Une des différences réside dans leur acidité.

La force d’un acide est liée à la stabilité de l’anion correspondant. Plus cet anion est stable, plus l’acide est fort. Lorsque le phénol perd un ion hydrogène, la charge négative sur l’anion phénoxyde peut être quelque peu stabilisée par le cycle benzénique. Par contre, lorsque l’éthanol perd un ion hydrogène, la charge négative sur l’anion éthoxyde ne bénéficie pas d’une telle stabilisation. C’est cette stabilisation supplémentaire qui fait du phénol un acide plus fort que l’éthanol. Ainsi, l’énoncé A n’est pas correct.

Les énoncés de B à E concernent la réactivité du phénol et de l’éthanol avec l’acide chlorhydrique et l’hydroxyde de sodium. L’hydroxyde de sodium est une base forte et va donc réagir avec un acide ou déprotoner une molécule. Le phénol réagit avec l’hydroxyde de sodium pour produire du phénoxyde de sodium et de l’eau. Cependant, l’éthanol n’est pas assez acide pour réagir avec l’hydroxyde de sodium, et donc, aucune réaction appréciable ne se produit. Cela suggère que l’énoncé C est correct et que l’énoncé E est incorrect, mais vérifions les autres énoncés.

Les énoncés B et D concernent la réaction de l’éthanol et du phénol avec l’acide chlorhydrique. Dans les conditions adéquates, l’éthanol va réagir avec l’acide chlorhydrique pour produire un alcane halogéné et de l’eau. Le phénol ne réagit normalement pas avec l’acide chlorhydrique. Cela confirme que les énoncés B et D ne sont pas corrects.

La bonne réponse est donc l’énoncé C.

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.

Exemple 4: Déterminer le produit de la nitration du phénol

Complètez:Le phénol réagit avec l’acide nitrique concentré en présence d’acide sulfurique concentré, pour former de l’acide .

  1. phtalique
  2. salicylique
  3. citrique
  4. picrique
  5. benzoïque

Réponse

Lorsqu’il réagit avec de l’acide nitrique concentré, le phénol forme un produit trisubstitué. Le groupe hydroxyle du phénol oriente la substitution du groupe nitro vers les positions ortho et para du cycle benzénique. Par conséquent, la réaction du phénol avec l’acide nitrique concentré produit du 2,4,6-trinitrophénol, une molécule connue sous le nom d’acide picrique. Donc, la réponse correcte est la 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:

+OHCHHOOHCHOHH

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

++H2OOHOHCHOHHOHCHOHH

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:

OHOHOHOHOHOHOHOHOHOH

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 HO2, une nouvelle molécule de phénol-formaldéhyde. Ce processus est alors répété pour former le polymère réticulé connu sous le nom de Bakélite.

Comment détecter le phénol

Deux tests peuvent être utilisés pour suggérer la présence de phénol:

  1. Le premier de ces tests est la réaction avec le chlorure de fer(III), également connu sous le nom de chlorure ferrique. Les détails de cette réaction sont compliqués, le produit formé étant un complexe phénol-fer. Cependant, ce sont les observations qui sont les plus importantes ici.
    L’ajout de quelques gouttes d’une solution de chlorure de fer(III)à une solution contenant du phénol entraînera l’apparition d’une couleur violette. Les dérivés de phénol changeront également de couleur en présence de chlorure de fer (III), mais la couleur exacte dépendra du composé. Ce test est illustré dans l’image ci-dessous:
  2. Le deuxième test consiste à ajouter de l’eau de brome, qui réagit avec le phénol pour produire un précipité blanc. Cette réaction provoque également la décoloration de l’eau de brome.

    Ce test diffère légèrement de celui permettant la détection d’alcènes et d’alcynes, où une solution incolore est formée, mais sans précipité.

Exemple 5: Identifier un réactif pour détecter le phénol

Lequel des réactifs suivants pourrait être utilisé pour la détection du phénol?

  1. CaCl2
  2. HgSO4
  3. CuSO4
  4. KMnO4
  5. FeCl3

Réponse

Il y a deux tests courants que l’on peut effectuer pour détecter le phénol. Dans l’un, on ajoute de l’eau de brome qui devient incolore si du phénol est présent, et qui provoque à la fois la formation d’un précipité blanc. Cependant, l’eau de brome ne fait pas partie des réactifs donnés dans la question. Un autre test, consiste à ajouter une solution de chlorure de fer (III). Si du phénol est présent, la solution devient violette. Le chlorure de fer(III)a la formule chimique FeCl3, qui correspond à l’option E dans la liste des réactifs donnés. Donc, la bonne réponse est E, FeCl3.

Points clés

  • Les phénols constituent une classe de molécules contenant un groupe hydroxyle (OH) directement lié à un cycle aromatique.
  • La présence du groupe hydroxyle dans le phénol fait que celui-ci a un point de fusion, un point d’ébullition et une solubilité beaucoup plus élevés que ceux du benzène et du toluène.
  • Le phénol peut être obtenu à partir de la distillation du goudron de houille, ou être synthétisé par hydrolyse du chlorobenzène en présence d’hydroxyde de sodium.
  • Le phénol est un acide faible, mais plus fort que les alcools, et il réagit avec l’hydroxyde de sodium.
  • La nitration du phénol par l’acide nitrique concentré produit du 2,4,6-trinitrophénol, également connu sous le nom d’acide picrique.
  • Le phénol peut réagir avec le formaldéhyde lors d’une polymérisation par condensation pour produire un polymère connu sous le nom de Bakélite.
  • La présence de phénol peut être détectée par un changement de couleur lors de l’addition d’une solution de chlorure de fer(III)ou d’eau de brome.

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