Фенол

Фено́л (гидроксибензол, устар. карболовая кислота) C6H5OH — простейший представитель класса фенолов. Мировое производство фенола на 2006 год составляет 8,3 млн т/год. По объёму производства фенол занимает 33-е место среди всех выпускаемых химической промышленностью веществ и 17-е место среди органических веществ[источник не указан 419 дней]. Токсичен, сильный ирритант.

Фенол
Phenol2.svg
Phenol-3D-balls.png
Общие
Систематическое
наименование
Гидроксибензол
Традиционные названия Фенол, Карболовая кислота
Хим. формула C6H5OH
Рац. формула C6H6O
Физические свойства
Состояние бесцветные кристаллы
Молярная масса 94,11 г/моль
Плотность 1,07 г/см³
Энергия ионизации 8,5 ± 0,1 эВ[1]
Термические свойства
Температура
 • плавления 40,9 °C
 • кипения 181,84 °C
 • вспышки 79 (в закрытом тигле), 85 (в открытом) °C
Пределы взрываемости 1,8 ± 0,1 об.%[1]
Мол. теплоёмк. 134,7 (кр.) Дж/(моль·К)
Энтальпия
 • образования −162,944 кДж/моль
Давление пара 0,4 ± 0,1 мм рт.ст.[1]
Химические свойства
Константа диссоциации кислоты 9,89 ± 0,01[2]
Растворимость
 • в воде 6,5 г/100 мл
Структура
Гибридизация sp2
Классификация
Рег. номер CAS 108-95-2
PubChem
Рег. номер EINECS 203-632-7
SMILES
InChI
RTECS SJ3325000
ChEBI 15882
ChemSpider
Безопасность
ЛД50 427 мг/кг (морская свинка, внутрижелудочно)
Токсичность токсичен, весьма едкий, является сильным ирритантом
Фразы риска (R) R23/24/25, R34, R48/20/21/22, R68
Фразы безопасности (S) S24/25, S26, S28, S36/37/39, S45
Краткие характер. опасности (H)
H301, H311, H331, H314, H341, H373
Меры предостор. (P)
P260, P301+P310, P303+P361+P353, P305+P351+P338, P361, P405, P501
Пиктограммы СГС Пиктограмма «Коррозия» системы СГСПиктограмма «Череп и скрещенные кости» системы СГСПиктограмма «Опасность для здоровья» системы СГС
NFPA 704
Огнеопасность 2: Для воспламенения необходим некоторый нагрев или относительно высокая температура воздуха (например, дизельное топливо). Температура вспышки между 38 °C (100 °F) и 93 °C (200 °F)Опасность для здоровья 3: Кратковременное воздействие может привести к серьёзным временным или умеренным остаточным последствиям (например, хлор, серная кислота)Реакционноспособность 0: Стабильно даже при действии открытого пламени и не реагирует с водой (например, гелий)Специальный код: отсутствуетNFPA 704 four-colored diamond
2
3
0
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Commons-logo.svg Медиафайлы на Викискладе
Игольчатые кристаллы фенола

История

Фенол был обнаружен в 1834 году Фридлибом Фердинандом Рунге, который извлек его (в нечистом виде) из каменноугольной смолы[3]. Рунге назвал фенол «Karbolsäure» (угольно-масляная кислота, карболовая кислота). Каменноугольная смола оставалась основным источником получения фенола до развития нефтехимической промышленности. В 1841 году французский химик Огюст Лоран получил фенол в чистом виде[4].

В 1836 году Огюст Лоран придумал название «фон» для бензола[5] это корень слов «фенол» и «фенил». В 1843 году французский химик Шарль Герхардт придумал название «фенол»[6].

Антисептические свойства фенола использовал сэр Джозеф Листер (1827—1912) в своей пионерской технике антисептической хирургии. Листер решил, что сами раны должны быть тщательно очищены. Затем он покрыл раны кусочком тряпки или ворса[7], покрытого фенолом или «карболовой кислотой», как он её называл. Раздражение кожи, вызванное постоянным воздействием фенола, в конечном итоге привело к внедрению асептических методов в хирургию.

Получение

В настоящее время производство фенола в промышленном масштабе осуществляется тремя способами:

  • кумольный метод. В каскаде барботажных колонн кумол подвергают некаталитическому окислению воздухом с образованием гидропероксида кумола (ГПК). Полученный ГПК, при катализе серной кислотой, разлагают с образованием фенола и ацетона. Кроме того, ценным побочным продуктом этого процесса является α-метилстирол. 95 % всего производимого в мире фенола производят этим методом. Способ был изобретён советскими учёными П. Г. Сергеевым, Н. М. Горнасталевой, Р. Ю. Удрисом, Б. Д. Кружаловым. По сравнению с большинством других процессов, процесс кумола использует относительно мягкие условия синтеза и относительно недорогое сырье. Однако, чтобы работать экономно, должен быть спрос как на фенол, так и на ацетон[8][9]. В 2010 году мировой спрос на ацетон составлял примерно 6,7 миллиона тонн, 83 процента из которых были удовлетворены ацетоном, полученным кумольным методом;
  • окисление толуола, с промежуточным образованием бензойной кислоты (около 3-х %);
  • выделением из каменноугольной смолы.

Фенол также можно получить восстановлением хинона.

Физические свойства

Представляет собой бесцветные игольчатые кристаллы, розовеющие на воздухе из-за окисления, приводящего к образованию окрашенных веществ (это связано с промежуточным образованием хинонов). Обладает специфическим запахом (таким, как запах гуаши, так как в состав гуаши входит фенол). Умеренно растворим в воде (6 г на 100 г воды), в растворах щелочей, в спирте, в бензоле, в ацетоне. 5 % раствор в воде — антисептик, широко применявшийся в медицине в прошлом.

Химические свойства

Из-за наличия ароматического кольца и гидроксильной группы фенол проявляет химические свойства, характерные как для спиртов, так и для ароматических углеводородов.

По гидроксильной группе:

  • Обладает слабыми кислотными свойствами (более сильными, чем у спиртов), при действии щелочей образует соли — феноляты (например, фенолят натрия — C6H5ONa)[10]:
 

Фенол — очень слабая кислота; даже угольная кислота вытесняет его из фенолятов:

 

Более интенсивно феноляты разлагаются под действием сильных кислот, например, серной:

 

Взаимодействие с металлическим натрием:

 

Фенол непосредственно не этерифицируется карбоновыми кислотами, эфиры можно получить при взаимодействии фенолятов с ангидридами или галогенангидридами кислот:

 
 

Образование простых эфиров. Для получения простых эфиров фенола действуют галогеналканами или галогенпроизводными аренов на феноляты. В первом случае получают смешанные жирно-ароматические простые эфиры:

 

Во втором случае получают чисто-ароматические простые эфиры:

 

Реакция проводится в присутствии порошкообразной меди, которая служит катализатором.

При перегонке фенола с цинковой пылью происходит замещение гидроксильной группы водородом[11]:

 

Фенол вступает в реакции электрофильного замещения по ароматическому кольцу. Гидроксогруппа, являясь одной из самых сильных донорных групп (вследствие уменьшении электронной плотности на функциональной группе), увеличивает реакционную способность кольца к этим реакциям и направляет замещение в орто- и пара-положения[12]. Фенол с лёгкостью алкилируется, ацилируется, галогенируется, нитруется и сульфируется.

Реакция Кольбе — Шмитта служит для синтеза салициловой кислоты и её производных (ацетилсалициловой кислоты и других).

 
 

Взаимодействие с бромной водой (качественная реакция на фенол):

 

Образуется 2,4,6-трибромфенол — твёрдое вещество белого цвета.

Взаимодействие с концентрированной азотной кислотой:

 

Взаимодействие с хлоридом железа(III) (качественная реакция на фенол[13]):

 

Реакция присоединения: гидрированием фенола в присутствии металлических катализаторов получают циклогексанол и циклогексанон:

 

Окисление фенола: вследствие наличия гидроксильной группы в молекуле фенола устойчивость к окислению намного ниже, чем у бензола. В зависимости от природы окислителя и условия проведения реакции получаются различные продукты. Так, под действием пероксида водорода в присутствии железного катализатора образуется небольшое количество двухатомного фенола — пирокатехина:

 

При взаимодействии более сильных окислителей (хромовая смесь, диоксид марганца в кислой среде) образуется пара-хинон.

Биологическая роль

Протеиногенная аминокислота тирозин является структурным производным фенола и может быть рассмотрена как пара-замещённый фенол или α-замещённый пара-крезол. В природе распространены и другие фенольные соединения, в том числе полифенолы. В свободном виде фенол встречается у некоторых микроорганизмов и находится в равновесии с тирозином. Равновесие поддерживает фермент тирозин-фенол-лиаза (КФ 4.1.99.2).

Биологическое значение фенола обычно рассматривается в рамках его воздействия на окружающую среду. Фенол — один из промышленных загрязнителей. Фенол довольно токсичен для животных и человека. Фенол губителен для многих микроорганизмов, поэтому промышленные сточные воды с высоким содержанием фенола плохо поддаются биологической очистке.

Применение

По данным на 2006 год мировое потребление фенола имеет следующую структуру:

Фенол и его производные обусловливают консервирующие свойства коптильного дыма. Также фенол используют в качестве консерванта в вакцинах[17]. В косметологии как химический пилинг (токсично).

Токсические свойства

Фенол ядовит. Относится к высокоопасным веществам (Класс опасности II). При вдыхании вызывает нарушение функций нервной системы. Пыль, пары и раствор фенола раздражают слизистые оболочки глаз, дыхательных путей, кожу, вызывая химические ожоги. Доказательства канцерогенности фенола для людей отсутствуют[18].

Предельно допустимые концентрации (ПДК) фенола[19][20][21][22]:

  • ПДКр.з. = 1 мг/м³ (2 класс опасности)
  • ПДКр.с. = 0,3 мг/м³ (2 класс опасности)
  • ПДКм.р. = 0,01 мг/м³
  • ПДКс.с. = 0,006 мг/м³
  • ПДКв. = 0,001 мг/л.

Попадая на кожу, фенол очень быстро всасывается даже через неповреждённые участки и уже через несколько минут начинает воздействовать на ткани головного мозга. Сначала возникает кратковременное возбуждение, а потом и паралич дыхательного центра. Даже при воздействии минимальных доз фенола наблюдается чихание, кашель, головная боль, головокружение, бледность, тошнота, упадок сил. Тяжелые случаи отравления характеризуются бессознательным состоянием, синюшностью, затруднением дыхания, нечувствительностью роговицы, скорым, едва ощутимым пульсом, холодным потом, нередко судорогами. Смертельная доза для человека при попадании внутрь 1—10 г, для детей 0,05—0,5 г[23].

Охрана труда

При ПДК в воздухе рабочей зоны 1 мг/м³ (максимально-разовая) и 0,3 мг/м³ (среднесменная). Порог восприятия запаха фенола у разных людей разный; и он может достигать (среднее значение в группе) 5,8-7,5 мг/м³[24]. А у отдельных работников он может быть значительно больше среднего значения. По этой причине можно ожидать, что использование широко распространённых фильтрующих СИЗОД в сочетании с «заменой фильтров по появлении запаха под маской» (как это почти всегда рекомендуется в РФ поставщиками) приведёт к чрезмерному воздействию паров фенола на, по крайней мере, часть работников, и причинить вред их здоровью[25] — из-за запоздалой замены противогазных фильтров. Для защиты от фенола следует использовать более эффективные изменение технологии и средства коллективной защиты.

Фенольная катастрофа в Уфе

Наглядным примером воздействия фенола на окружающую среду стал случай весной 1990 года в Уфе. В результате техногенной аварии на предприятии ПО «Уфахимпром» произошла утечка большого количества фенола в речку Шугуровка, впадающую в более крупную реку Уфу, являющуюся источником хозяйственно-питьевого водоснабжения города Уфы. Загрязнение воды в районе Южного водозабора превышало ПДК более чем в 100 раз. Опасность загрязнения питьевой воды фенолом проявляется в том, что при очистке вод использовался хлор, который, взаимодействуя с фенолом, образовывал хлорпроизводные (смесь хлорфенолов) — более токсичные вещества (некоторые в 100—250 раз превышают токсичность самого фенола). Население Уфы было оповещено об опасности употребления водопроводной воды для питья. Общая численность населения, потреблявшего питьевую воду, загрязненную фенолом из Южного водозабора Уфы, составила 672 876 человек[26].

Примечания

  1. 1 2 3 http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0493.html
  2. Binas — 2 — Noordhoff Uitgevers, 1986. — ISBN 978-90-01-89351-4
  3. F. F. Runge (1834) «Ueber einige Produkte der Steinkohlendestillation» (On some products of coal distillation), Annalen der Physik und Chemie, 31: 65-78. On page 69 of volume 31, Runge names phenol «Karbolsäure» (coal-oil-acid, carbolic acid). Runge characterizes phenol in: F. F. Runge (1834) "Ueber einige Produkte der Steinkohlendestillation, " Annalen der Physik und Chemie, 31: 308—328.
  4. Auguste Laurent (1841) «Mémoire sur le phényle et ses dérivés» (Memoir on benzene and its derivatives), Annales de Chimie et de Physique, series 3, 3: 195—228. On page 198, Laurent names phenol «hydrate de phényle» and «l’acide phénique».
  5. Auguste Laurent (1836) "Sur la chlorophénise et les acides chlorophénisique et chlorophénèsique, " Annales de Chemie et de Physique, vol. 63, pp. 27-45, see p. 44: Je donne le nom de phène au radical fondamental des acides précédens (φαινω, j'éclaire), puisque la benzine se trouve dans le gaz de l'éclairage. (I give the name of «phène» (φαινω, I illuminate) to the fundamental radical of the preceding acid, because benzene is found in illuminating gas.)
  6. Gerhardt, Charles (1843) "Recherches sur la salicine, " Annales de Chimie et de Physique, series 3, 7: 215—229. Gerhardt coins the name «phénol» on page 221.
  7. Lister, Joseph. Antiseptic Principle Of The Practice Of Surgery. — 1867.
  8. Phenol -- The essential chemical industry online (11 января 2017). Дата обращения 2 января 2018.
  9. Direct Routes to Phenol. Дата обращения 9 апреля 2007. Архивировано 9 апреля 2007 года.
  10. Smith, Michael B. & March, Jerry (2007), Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure (6th ed.), New York: Wiley-Interscience, ISBN 978-0-471-72091-1, <https://books.google.com/books?id=JDR-nZpojeEC&printsec=frontcover> 
  11. Roscoe, Henry. A treatise on chemistry, Volume 3, Part 3. — London : Macmillan & Co., 1891. — P. 23.
  12. Organic Chemistry 2nd Ed. John McMurry ISBN 0-534-07968-7
  13. Качественная реакция на фенол — видеоопыт в Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов
  14. Plotkin, Jeffrey S. What's New in Phenol Production?. American Chemical Society (21 марта 2016). Дата обращения 2 января 2018.
  15. Яушев Р. Г., Усманов Р. М. Интенсификация процесса селективной очистки масел фенолом. — М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1988. — 76 с. — (Переработка нефти).
  16. Phenol spray. drugs.com.
  17. Ingredients of Vaccines - Fact Sheet. Centers for Disease Control and Prevention (12 июля 2018).
  18. U.S. Department of Health and Human Services. «How can phenol affect my health?» Toxicological Profile for Phenol: 24.
  19. s:Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313—03. «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ воздухе рабочей зоны»
  20. (Роспотребнадзор). № 535. Гидроксибензол (фенол) // ГН 2.2.5.3532-18 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны»  (рус.) / утверждены А.Ю. Поповой. — М., 2018. — С. 39. — 170 с. — (Санитарные правила).
  21. s:Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.1338—03. «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населённых мест»
  22. s:Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.1315—03. «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования»
  23. Неотложная помощь при острых отравлениях. Справочник по токсикологии. Под ред. Голикова С. Н. — М.: Медицина, 1977. — С. 174.
  24. Herbert Kohler und Willem Jan Homans. Kombination von Olfactometer und Flammenionisationsdetektor zur Bestimmung von Geruchsschweilwerten – Einsatz der mcBmethodik in der Praxis (нем.) // Staub, Reinhaltung der Luft. — Düsseldorf: VDI-Verlag GmbH, 1980. — August (vol. 40 (H. 8). — S. 331–335. — ISSN 0039-0771.
  25. Волкова З.А., Муратов В.К., Проказова Н.В. Фенолы // Большая медицинская энциклопедия : в 30 т. / гл. ред. Б.В. Петровский. — 3 изд. — Москва : Советская энциклопедия, 1985. — Т. 26. Углекислые воды - Хлор. — 560 с. — 150 000 экз.
  26. 1990 год — загрязнение питьевой воды г. Уфы фенолом Архивировано 15 января 2005 года.

Ссылки