10. Fenole, bio, Chemia, Biofizyka, Toksykologia, Chemia Organiczna
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
10. F E N O L E
Aleksander Kołodziejczyk grudzień 2007
Fenolami
nazywane są
areny
zawierające grupę hydroksylową -
OH
związaną bezpośrednio z
pierścieniem aromatycznym. Podobnie jak w
enolach
atom tlenu grupy hydroksylowej
przyłączony jest w nich do atomu węgla o hybrydyzacji
sp
2
, jednak w przeciwieństwie do
enoli
,
które są zwykle nietrwałe, gdyż ulegają przekształceniu w
związki karbonylowe
,
fenole w
większości są trwałe; należą do nielicznych trwałych enoli
.
Do
fenoli
nie są zaliczane
areny
zawierające grupę -
OH
związaną z atomem węgla o
hybrydyzacji
sp
3
(w łańcuchu bocznym); te związki noszą nazwę
alkoholi aromatycznych
, ich
reprezentantem jest
alkohol benzylowy
.
OH
OH
OH
OH
OH
Przykłady
fenoli
COOH
fenol
CH
3
p
-krezol
kwas salicylowy
α
-naftol
β
-naftol
i
alkoholi aromatycznych
CH
2
OH
trifenylometanol
CH
2
OH
alkohol benzylowy
alkohol
β
-naftylowy
OH
Warto zwrócić uwagę, że
alkohol benzylowy
jest izomerem
krezoli
.
Fenole wielowodorotlenowe
OH
OH
OH
OH
OH
OH
H
O
OH
OH
OH
H
O
OH
H
O
OH
OH
pirokatechina rezorcyna
hydrochinon
pirogalol floroglucyna
hydroksyhydrochinon
Występowanie w przyrodzie
Fenole
są popularnymi
związkami naturalnymi
, chociaż nie występują w dużym stężeniu,
głównie; na szczęście, gdyż są bardzo toksyczne. Towarzyszą, np.
terpenom
w niektórych
olejkach eterycznych
. Do najbardziej znanych należą
tymol
i
karwakrol
z grupy
cymenoli
.
Fenole
nie są zaliczane do
terpenów
.
Tymol
znajduje się w macierzance, tymianku i innych
ziołach.
Karwakrol
zaś w olejku oregano i cząbrze.
Tymol
stosowany jest jako środek
dezynfekcyjny oraz do zwalczania robaczycy; jest 25 razy aktywniejszy od
fenolu
w działaniu
przeciwbakteryjnym, głównie z uwagi na wyższą hydrofobowość.
Eugenol
nadaje przyjemny
zapach goździkom.
CH
3
CH
3
OH
H
3
C
O
CH
2
OH
H
eugenol
(4-allilo-2-metoksyfenol)
H
3
C
CH
3
tymol
(
p
-cymen-3-ol)
H
3
C
CH
3
karwakrol
(
p
-cymen-2-ol)
Do popularnych
fenoli naturalnych
należy
kwas salicylowy
,
aldehyd salicylowy
(główny
składnik chińskiego olejku cynamonowego –
ang
.
cassia oil
) i
alkohol salicylowy
(
saligenina
):
OH
OH
OH
COOH
kwas salicylowy
CHO
aldehyd salicylowy
CH
2
OH
saligenina
1
Wolny
kwas salicylowy
występuje w wielu roślinach, jeszcze bardziej rozpowszechnione są jego
estry
i
glikozydy
.
Kwas salicylowy
pełni rolę hormonu roślinnego, jako tzw.
fytohormon
–
stymuluje wzrost pąków, kwiatów i korzeni. Ma działanie przeciwbakteryjne i przeciwgrzybowe.
Pochodną
kwasu salicylowego
jest znany lek –
aspiryna
(
kwas
O
-acetylosalicylowy
).
Wiele
fenoli naturalnych
występuje w postaci
estrów
lub
eterów
(np.
anizol
– w anyżu)).
Żeńskie hormony płciowe
i
morfina
zawierają grupę fenolową.
O-CH
3
OH
H
H
H H
OH
O
N
morfina
estriol
H
CH
3
H
H
anizol
żeński hormon płciowy
alkaloid
H
Pośród
hydroksyaminokwasów kodowanych
na uwagę zasługuje
L
-tyrozyna
, ze względu na
obecność grupy fenolowej. Warto również wiedzieć, że niektóre
antybiotyki
też zawierają grupę
fenolową, np.
adriamycyna
.
COOH
O
OH
CH
2
OH
CH
2
C
O
OH
H
H NH
2
L
-tyrozyna
CH
3
O
O
OH OR
adriamycyna
Alergogennymi składnikami trujących bluszczy (np. sumaka jadowitego) i trującego dębu (
ang.
poison-oak) są
alkilokatechole
alkilodihydroksybenzeny
), zwane
toksykodendrolami
(
urusziolami
). Są to alkilowe pochodne
pirokatechiny
, przy czym reszta alkilowa (lub
alkenylowa) usytuowana w pozycji
3
zawiera 15 atomów węgla.
OH
R: (CH
2
)
14
CH
3
; (CH
2
)
7
CH=CH(CH
2
)
5
CH
3
;
(CH
2
)
7
CH=CHCH
2
CH=CHCH
3
i inne
OH
urusziole
R
Źródła fenoli
Początkowo
fenol
i jego homologi wydobywano ze
smoły pogazowej
. Obecnie
fenole
wytarza się
na dużą skalę przemysłową. Niektóre
fenole
izoluje się z materiału biologicznego.
Otrzymywanie fenolu
Znanych jest wiele reakcji prowadzących do
fenolu
. Część z nich stosowana do przemysłowej
produkcji
fenolu
ma obecnie już tylko historyczne znaczenie. Do nich należą pierwsze metody
wykorzystane w przemyśle, jedna zwana
stapianiem
, polegająca na termicznym rozkładzie
benzenosulfonianu sodu
i druga – oparta na
zasadowej hydrolizie
chlorobenzenu
. W obu
przypadkach powstawało dużo szkodliwych ścieków.
1. Stapianie
SO
3
Na
OH
NaOH
+ NaHSO
3
benzenosulfonian sodu
fenol
>300
o
C
Cl
ONa
2.
Alkaliczna hydroliza chlorobenzenu
NaOH
+ NaCl
chlorobenzen
> 350
o
C, ciś.
fenol
3. Kwaśna hydroliza chlorobenzenu
2
Jedna ze współczesnych metod produkcji
fenolu
polega na
hydrolizie
chlorobenzenu
w
środowisku kwaśnym:
Cl
OH
H
+
/HOH, kat.
+ HCl
chlorobenzen
> 400
o
C, ciś.
fenol
Produktem kwaśnej hydrolizy
chlorobenzenu
obok
fenolu
jest chlorowodór, który służy do
otrzymywania
chlorobenzenu
w bezodpadowej technologii, tzw.
chlorowanie utleniające
.
Cl
+ HCl + 0,5 O
2
250
o
C
+ H
2
O
benzen
CuCl
2
/FeCl
3
chlorobenzen
4.
Metoda kumenowa
:
Ważną sposobem produkcji
fenolu
jest
utlenienie
kumenu
do
wodoronadtlenku
kumenu
i jego
rozkład do
fenolu
i
acetonu
.
ä
H
OOH
CH
3
H
3
C
C
H
3
C
C
CH
3
OH
O
H
+
/HOH
O
2
∆
+
CH
3
CCH
3
kumen
wodoronadtlenek kumenu
fenol
aceton
5.
Utlenianie
toluenu
Jedna z najnowocześniejszych metod otrzymywania
fenolu
polega na utlenienie
toluenu
powietrzem. Istotną rolę w tym procesie pełni katalizator.
CH
3
COOH
OH
powietrze, >100
o
C
powietrze, >200
o
C
toluen
- HOH
kwas benzoesowy
- CO
2
, kat.
fenol
Właściwości fizykochemiczne i fizjologiczne
Fenol
jest bezbarwną (jasnoróżową) substancją krystaliczną (tt.
43
o
C
., tw.
183
o
C
), szybko jednak
zmienia kolor pod wpływem pojawiających się produktów utlenienia, początkowo różowy staje
się ciemno-brunatny. Jest higroskopijny. W zimnej wodzie rozpuszcza się umiarkowanie (
8 g
w
100 ml
w
15
o
C
), ale wraz ze wzrostem temperatury jego rozpuszczalność szybko rośnie i
powyżej
65
o
C
miesza się z wodą w każdym stosunku. Podobnie w
etanolu
,
eterze
czy
benzenie
rozpuszcza się w każdej ilości tych rozpuszczalników. Jego roztwory, nawet rozcieńczone stają
się czerwonofioletowe w obecności
FeCl
3
,
krezole
w tych warunkach zabarwiają się na
niebiesko, a wiele innych
fenoli
na zielono. Jest to test na wykrywanie
fenoli
.
Fenol
należy do bardzo toksycznych związków, ma właściwości bakteriobójcze i przez długi
okres czasu, pod nazwą
krezolu
był stosowany jako popularny środek dezynfekujący. Obecnie
nowoczesne, bardziej skuteczne preparaty, które są mniej niebezpieczne i nie tak cuchnące jak
fenol
całkowicie go wyparły z tej roli. Na skórze po kontakcie z
fenolem
tworzą się trudno gojące
pęcherze.
Krezole
mają silniejsze działanie bakteriobójcze i też były stosowane jako środki
dezynfekujące (
lizol
).
Tymol
, jeszcze silniejszy preparat bakteriobójczy znalazł zastosowanie w
leczeniu zębów – do wyjaławiania oczyszczonych ubytków przed ich wypełnieniem. Silniejsze
bakteriobójcze działanie
tymolu
wynika z jego wysokiej lipofilowości – łatwiej przenika przez
błonę komórkową niż hydrofilowy
fenol
.
3
Właściwości fizykochemiczne
Fenole
są silniejszymi kwasami niż
alkohole
;
pK
a
fenolu
wynosi
9,9
, podczas gdy
etanolu
16
, a
cykloheksanolu
17
.
OH
OH
CH
3
CH
2
OH
pK
a
:
fenol
9,9
etanol
16
cykloheksanol
17
W reakcji
fenolu
z wodnymi roztworami wodorotlenków alkalicznych tworzą się
fenolany
.
OH
O
-
Na
+
+ NaOH
fenolan
sodu
+ HOH
fenol
Fenolany
, jako sole słabych kwasów
hydrolizują
częściowo w wodnych roztworach i przez to
ich odczyn jest zasadowy.
Fenol
z
fenolanów
jest wypierany ditlenkiem węgla, ponieważ kwas
węglowy jest silniejszym kwasem niż
fenol
. Z tej samej przyczyny
fenol
nie wypiera
CO
2
z
węglanów.
-
O
Na
+
OH
HOH
fenolan sodu
+ CO
2
+ NaHCO
3
Przyczyną podwyższonej kwasowości
fenoli
w porównaniu do
alkoholi
jest mezomeryczna
stabilizacja
jonu fenolanowego
.
O
::
:
:
-
:
O
:
O
:
O
.
.
.
-
-
-
..
Duży wpływ na kwasowość
fenoli
wywierają podstawniki obecne w pierścieniu. Mogą one
oddziaływać mezomerycznie lub indukcyjnie.
Efekt mezomeryczny
jest skuteczny z położenia
orto
- lub/i
para
-, a siła
efektu indukcyjnego
zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości od grupy
fenolowej.
Grupy elektrodonorowe wykazujące efekt
+M
(
EDG
), np.
-CH
3
,
-OCH
3
,
-NH
2
,
-NHR
czy
-NR
2
obniżają kwasowość
fenoli
, natomiast grupy o efekcie
-M
(
EWG
), np. halogeny,
-NO
2
, -
COOH
i
-CN
zwiększają moc kwasową
fenoli
.
OH
fenol
,
pK
a
= 9,9
OH
OH
OH
OH
OH
OH
NH
2
OMe
CH
3
Cl
NO
2
NO
2
EDG
EWG
pK
a
:
aminofenol
10,5
p
-metoksyfenol
10,2
p
-metylofenol
10,2
p
-chlorofenol
9,4
m
-nitrofenol
8,3
p
-nitrofenol
7,1
Na przykładzie
nitrofenoli
widać, że w przypadku
p
-nitrofenolu
efekty indukcyjny
i
mezomeryczny
(-
M
i -
I
) sumują się, a dla
m
-nitrofenolu
obserwowany jest jedynie efekt
-I
.
4
fenol
..
..
-
..
O
..
Każda dodatkowa, przyłączona do pierścienia grupa o zgodnym efekcie zwiększa efekt
oddziaływania na kwasowość
fenoli
:
OH
OH
2,4,6-trinitro-
fenol
(kwas pikrynowy)
O
2
N
NO
2
p
-nitrofenol
NO
2
pK
a
= 7,1
NO
2
pK
a
= 0,96
Czynniki wpływające na kwasowość związków organicznych
Rodzaj atomu związanego z atomem wodoru
wraz ze wzrostem liczby atomowej pierwiastka związanego z kwaśnym atomem wodoru
rośnie kwasowość związku, np.
tiole są silniejszymi kwasami niż alkohole
;
Rezonans
delokalizacja ujemnego ładunku anionu powstałego po oderwaniu protonu zwiększa
kwasowość;
fenole są silniejszymi kwasami niż alkohole
Grupy sąsiadujące
grupy wyciągające elektrony (
-I
lub/i
-M
) zwiększają kwasowość;
grupy oddające elektrony (
+I
lub/i
+M
) obniżają kwasowość.
Właściwości chemiczne fenoli
10.1.
Reakcje na grupie hydroksylowej
:
10.1.1 Alkilowanie
W wyniku reakcji
fenolanów
z odczynnikami alkilującymi powstają
etery alkilowo-arylowe
.
OH
:B
..
:
-
CH
3
CH
2
I
O Et
O
fenol
fenolan
jodek etylu
eter etylowo-fenylowy
H
3
C
OH
+
BrCH
2
NO
2
NaOH/HOH
∆
H
3
C
O
CH
2
NO
2
p
-krezol
bromek
p
-nitrobenzylowy
eter
p
-nitrobenzylowo-
p
-tolilowy
OH
K
2
CO
3
aceton
O
-n
-Bu
(80%)
+
n
-BuBr
NO
2
o
-nitrofenol
NO
2
bromek
n
-butylu
eter
n
-butylowo-
o
-nitrofenolfenolowy
o
-Nitrofenol
jest na tyle silnym kwasem, że do przekształcenia go w
fenolan
wystarczy węglan
sodu lub potasu.
10.1.2 Acylowanie
Fenole
podobnie jak
alkohole
łatwo ulegają
acylowaniu
tworząc odpowiednie
estry
. Do
acylowania
stosuje się
bezwodniki
lub
chlorki kwasowe
.
Estry fenylowe
można też otrzymywać
zgodnie z reakcją
estryfikacji Fischera
, tzn. poprzez działanie
kwasami
na
fenole
, przy czym
usuwanie wody ze środowiska reakcji, korzystnie azeotropowo, ułatwia przesunięcie równowagi
na prawo. Przykładem może być otrzymywanie
estru fenylowego
w reakcji estryfikacji
fenolu
kwasem benzoesowym
.
5
..
[ Pobierz całość w formacie PDF ]