Страница 257 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Почему фенолы выделяют в особый класс, отличный от спиртов?

Почему фенолы выделяют в особый класс, отличный от спиртов?

Фенолы выделяют в особый класс соединений, отличный от спиртов, из-за фундаментальных различий в их химическом строении, которые ведут к кардинально разным химическим свойствам. Хотя и спирты, и фенолы содержат гидроксильную группу (–OH), её поведение определяется тем, с каким атомом углерода она связана.

Ключевое различие в строении заключается в следующем: в спиртах гидроксильная группа присоединена к насыщенному атому углерода (находящемуся в состоянии $sp^3$-гибридизации), как, например, в этаноле $C_2H_5OH$. В фенолах же гидроксильная группа связана непосредственно с атомом углерода, входящим в состав ароматического бензольного кольца (этот атом углерода находится в состоянии $sp^2$-гибридизации), как в молекуле фенола $C_6H_5OH$.

Это структурное различие порождает эффект взаимного влияния ароматического кольца и гидроксильной группы, которого нет в спиртах. Этот эффект проявляется в двух направлениях:

1. Влияние ароматического кольца на гидроксильную группу.
Неподеленная электронная пара атома кислорода в гидроксильной группе вступает во взаимодействие с делокализованной $\pi$-системой бензольного кольца. Этот эффект называется p,$\pi$-сопряжением. В результате этого сопряжения электронная плотность смещается от атома кислорода в сторону кольца, связь O–H становится более полярной и ослабленной, и протон ($H^+$) отщепляется значительно легче, чем в спиртах. Это приводит к главному химическому отличию: фенолы проявляют заметные кислотные свойства, в то время как спирты практически нейтральны. Кислотность фенола ($pK_a \approx 10$) примерно в миллион раз выше кислотности этанола ($pK_a \approx 16$). Поэтому фенолы, в отличие от спиртов, реагируют с растворами щелочей, образуя соли — феноляты:
$C_6H_5OH + NaOH \rightarrow C_6H_5ONa + H_2O$
$C_2H_5OH + NaOH \nrightarrow$ (реакция не идёт)

2. Влияние гидроксильной группы на ароматическое кольцо.
Смещение электронной плотности от гидроксильной группы к кольцу делает его более реакционноспособным. Электронная плотность повышается преимущественно в орто- и пара-положениях (атомы углерода 2, 4 и 6). Вследствие этого ароматическое кольцо фенола гораздо активнее вступает в реакции электрофильного замещения (например, галогенирование, нитрование), чем бензол. Например, фенол легко реагирует с бромной водой даже без катализатора, образуя белый осадок 2,4,6-трибромфенола, что является качественной реакцией на фенолы.

Кроме того, из-за p,$\pi$-сопряжения связь углерод–кислород в фенолах имеет частично двоесвязный характер и является более прочной, чем в спиртах. Поэтому фенолы не вступают в реакции с разрывом этой связи (например, с галогеноводородами), которые характерны для спиртов.

Ответ: Фенолы выделяют в отдельный класс, так как прямая связь гидроксильной группы с ароматическим кольцом приводит к уникальному электронному эффекту — p,$\pi$-сопряжению. Это сопряжение кардинально меняет химические свойства: оно значительно увеличивает кислотность гидроксильной группы и активирует ароматическое кольцо к реакциям замещения, делая химическое поведение фенолов принципиально отличным от поведения спиртов, у которых такого взаимодействия нет.

2. Изобразите предельные резонансные формы молекулы фенола. Объясните, почему вклад резонансных структур, в которых на атоме кислорода присутствует положительный заряд, минимален.

Изобразите предельные резонансные формы молекулы фенола.

Молекула фенола ($C_6H_5OH$) представляет собой гибрид нескольких резонансных (предельных) структур. Резонанс возникает из-за сопряжения неподеленной электронной пары атома кислорода гидроксильной группы с $\pi$-системой бензольного кольца. Это явление называется положительным мезомерным эффектом (+M-эффект).

Движение электронов начинается с одной из неподеленных пар кислорода, которая смещается для образования двойной связи $C=O$. Это, в свою очередь, вызывает смещение $\pi$-электронов в бензольном кольце, приводя к появлению отрицательного заряда в орто- и пара-положениях кольца и положительного заряда на атоме кислорода.

Основные резонансные структуры фенола (I-V) выглядят следующим образом:

Здесь структуры II, III и IV являются структурами с разделением зарядов. Структуры I и V — это две эквивалентные электронейтральные структуры (структуры Кекуле для фенола), которые являются наиболее стабильными.

Ответ: Предельные резонансные формы фенола включают основную нейтральную структуру и три структуры с разделением зарядов, в которых на атоме кислорода находится положительный заряд, а на орто- и пара-положениях бензольного кольца — отрицательный.

Объясните, почему вклад резонансных структур, в которых на атоме кислорода присутствует положительный заряд, минимален.

Вклад резонансных структур с положительным зарядом на атоме кислорода (структуры II, III, IV на рисунке выше) в общую электронную структуру молекулы фенола значительно меньше, чем вклад основной нейтральной структуры (I и V). Минимальным его называют в сравнении с основной структурой по двум главным причинам:

1. Наличие и разделение формальных зарядов. Наиболее стабильными и, следовательно, вносящими наибольший вклад в резонансный гибрид, являются структуры с наименьшим количеством формальных зарядов и их наименьшим разделением. Структуры I и V являются электронейтральными. Структуры II, III и IV содержат разделенные положительный и отрицательный заряды. Создание и разделение зарядов в молекуле требует затрат энергии, поэтому такие структуры менее стабильны, чем нейтральные.
2. Электроотрицательность атомов. Кислород — это высокоэлектроотрицательный элемент. Это означает, что он очень сильно притягивает к себе электроны и стремится удерживать их. В резонансных структурах II, III и IV на атоме кислорода находится положительный формальный заряд, что означает недостаток электронной плотности. Появление положительного заряда на высокоэлектроотрицательном атоме энергетически крайне невыгодно. Напротив, отрицательный заряд на менее электроотрицательном атоме углерода (как в этих же структурах) является более приемлемым. Таким образом, структуры с положительным зарядом на кислороде обладают значительно более высокой энергией и, как следствие, меньшей стабильностью.

Из-за этих двух факторов основной вклад в резонансный гибрид вносит нейтральная форма фенола. Тем не менее, вклад структур с разделением зарядов очень важен, так как именно он объясняет многие химические свойства фенола, например, его более высокую кислотность по сравнению со спиртами и то, что гидроксильная группа является орто-, пара-ориентантом в реакциях электрофильного замещения.

Ответ: Вклад резонансных структур с положительным зарядом на атоме кислорода минимален по сравнению с основной нейтральной формой, потому что: 1) эти структуры имеют разделение зарядов, что энергетически менее выгодно, чем электронейтральное состояние; 2) размещение положительного заряда на высокоэлектроотрицательном атоме кислорода делает эти структуры особенно нестабильными.

3. Сравните химические свойства фенола и этанола, фенола и бензола. Сделайте вывод о взаимном влиянии гидроксильной группы и бензольного ядра.

Сравнение химических свойств фенола и этанола

Общим в химических свойствах фенола ($\ce{C6H5OH}$) и этанола ($\ce{C2H5OH}$) является наличие гидроксильной группы ($\ce{-OH}$), что обусловливает их способность реагировать с активными металлами, например, с натрием. В обоих случаях выделяется водород и образуются соли — фенолят и этилат натрия соответственно.

Реакция фенола с натрием: $2\ce{C6H5OH} + 2\ce{Na} \rightarrow 2\ce{C6H5ONa} + \ce{H2}\uparrow$

Реакция этанола с натрием: $2\ce{C2H5OH} + 2\ce{Na} \rightarrow 2\ce{C2H5ONa} + \ce{H2}\uparrow$

Основное различие заключается в кислотных свойствах. Фенол проявляет значительно более сильные кислотные свойства, чем этанол. Это связано с влиянием бензольного кольца на гидроксильную группу. Неподеленная электронная пара атома кислорода вступает в сопряжение с пи-системой бензольного кольца. В результате этого электронная плотность смещается от атома кислорода к кольцу, что приводит к увеличению полярности связи $\ce{O-H}$ и облегчает отщепление протона ($\ce{H+}$). Поэтому фенол (карболовая кислота) реагирует не только с активными металлами, но и со щелочами, образуя феноляты, в то время как этанол, будучи нейтральным соединением, в такую реакцию не вступает.

Реакция фенола со щелочью: $\ce{C6H5OH} + \ce{NaOH} \rightarrow \ce{C6H5ONa} + \ce{H2O}$

Реакция этанола со щелочью не идет: $\ce{C2H5OH} + \ce{NaOH} \nrightarrow$

Ответ: В отличие от этанола, который является нейтральным веществом, фенол проявляет слабые кислотные свойства. Это объясняется влиянием бензольного кольца, которое усиливает полярность связи $\ce{O-H}$. Поэтому фенол реагирует со щелочами, а этанол — нет. Общим свойством является реакция с активными металлами.

Сравнение химических свойств фенола и бензола

Общим свойством фенола ($\ce{C6H5OH}$) и бензола ($\ce{C6H6}$) является наличие бензольного кольца, которое способно вступать в реакции электрофильного замещения (например, галогенирование, нитрование).

Различие заключается в реакционной способности бензольного кольца. Гидроксильная группа в молекуле фенола является сильным активатором бензольного кольца и ориентантом первого рода. За счет положительного мезомерного эффекта (+M-эффект) она повышает электронную плотность в кольце, особенно в орто- и пара-положениях (атомы углерода в положениях 2, 4, 6). Это делает фенол гораздо более активным в реакциях электрофильного замещения, чем бензол.

Например, фенол легко реагирует с бромной водой при комнатной температуре без катализатора с образованием белого осадка 2,4,6-трибромфенола.

$\ce{C6H5OH} + 3\ce{Br2} \rightarrow \ce{C6H2Br3OH}\downarrow + 3\ce{HBr}$

Бензол же реагирует с бромом только в присутствии катализатора (например, $\ce{FeBr3}$) и при нагревании, причем замещается только один атом водорода.

$\ce{C6H6} + \ce{Br2} \xrightarrow{\ce{FeBr3}} \ce{C6H5Br} + \ce{HBr}$

Ответ: Наличие гидроксильной группы в молекуле фенола сильно активирует бензольное кольцо, облегчая реакции электрофильного замещения по сравнению с бензолом. Реакции для фенола протекают в значительно более мягких условиях и приводят к замещению нескольких атомов водорода в орто- и пара-положениях.

Вывод о взаимном влиянии гидроксильной группы и бензольного ядра

В молекуле фенола наблюдается взаимное влияние атомов: бензольное кольцо (фенил, $\ce{C6H5-}$) влияет на свойства гидроксильной группы, а гидроксильная группа ($\ce{-OH}$) влияет на свойства бензольного кольца.

1. Влияние бензольного кольца на гидроксильную группу: Бензольное кольцо оттягивает на себя электронную плотность от атома кислорода гидроксогруппы. Это приводит к увеличению полярности связи $\ce{O-H}$, облегчает ее разрыв по гетеролитическому механизму с отщеплением катиона водорода. В результате этого кислотные свойства фенола выражены значительно сильнее, чем у предельных одноатомных спиртов (например, этанола).
2. Влияние гидроксильной группы на бензольное кольцо: Гидроксильная группа, в свою очередь, отдает свою неподеленную электронную пару в пи-систему бензольного кольца. Это повышает электронную плотность в кольце, особенно в орто- и пара-положениях. В результате бензольное кольцо в феноле становится гораздо более активным в реакциях электрофильного замещения по сравнению с бензолом.

Ответ: Взаимное влияние в молекуле фенола проявляется в том, что бензольное кольцо усиливает кислотные свойства гидроксильной группы, а гидроксильная группа, в свою очередь, повышает реакционную способность бензольного кольца в реакциях электрофильного замещения, направляя заместители в орто- и пара-положения. Это взаимное влияние и определяет специфические химические свойства фенола, отличающие его как от спиртов, так и от ароматических углеводородов.

4. Пентахлорфенолят натрия используют в качестве консерванта древесины. Какие вещества образуются при взаимодействии его с соляной кислотой? Напишите уравнение реакции.

Решение

Пентахлорфенолят натрия (химическая формула $C_6Cl_5ONa$) представляет собой соль, образованную слабой кислотой — пентахлорфенолом ($C_6Cl_5OH$) — и сильным основанием — гидроксидом натрия ($NaOH$).

Соляная кислота ($HCl$) является сильной кислотой. Взаимодействие соли слабой кислоты с сильной кислотой является классической реакцией обмена, в ходе которой сильная кислота вытесняет слабую из её соли.

Таким образом, при добавлении соляной кислоты к раствору пентахлорфенолята натрия, ион водорода ($H^+$) из кислоты соединится с пентахлорфенолят-анионом ($C_6Cl_5O^-$), образуя малорастворимый пентахлорфенол, а ион натрия ($Na^+$) соединится с хлорид-ионом ($Cl^-$), образуя растворимую соль хлорид натрия.

В результате реакции образуются два вещества: пентахлорфенол и хлорид натрия.

Уравнение реакции:

$C_6Cl_5ONa + HCl \rightarrow C_6Cl_5OH\downarrow + NaCl$

Ответ: При взаимодействии пентахлорфенолята натрия с соляной кислотой образуются пентахлорфенол ($C_6Cl_5OH$) и хлорид натрия ($NaCl$). Уравнение реакции: $C_6Cl_5ONa + HCl \rightarrow C_6Cl_5OH + NaCl$.

5. Дифениловый эфир представляет собой кристаллическое вещество с запахом герани. Его получают нагреванием смеси фенолята калия, бромбензола и медного порошка (катализатор) до 210 °С. Напишите уравнение реакции. Какое количество эфира можно теоретически получить из 31 г фенолята калия и 35 г бромбензола?

Напишите уравнение реакции.

Данная реакция является синтезом простых эфиров по Ульману. Фенолят калия реагирует с бромбензолом в присутствии медного порошка в качестве катализатора при высокой температуре с образованием дифенилового эфира и бромида калия.

Уравнение реакции:

$C_6H_5OK + C_6H_5Br \xrightarrow{Cu, 210^\circ C} C_6H_5OC_6H_5 + KBr$

Ответ: $C_6H_5OK + C_6H_5Br \xrightarrow{Cu, t^\circ} C_6H_5OC_6H_5 + KBr$

Какое количество эфира можно теоретически получить из 31 г фенолята калия и 35 г бромбензола?

Дано:

$m(C_6H_5OK) = 31 \text{ г}$

$m(C_6H_5Br) = 35 \text{ г}$

Найти:

$n(C_6H_5OC_6H_5) - ?$

Решение:

1. Для решения задачи необходимо определить, какое из исходных веществ находится в недостатке, так как именно оно определит максимальное количество продукта. Для этого найдем количество вещества каждого реагента.

2. Рассчитаем молярные массы фенолята калия ($C_6H_5OK$) и бромбензола ($C_6H_5Br$), используя относительные атомные массы элементов из периодической таблицы: $Ar(C) = 12$, $Ar(H) = 1$, $Ar(O) = 16$, $Ar(K) = 39$, $Ar(Br) = 80$.

Молярная масса фенолята калия:

$M(C_6H_5OK) = 6 \cdot Ar(C) + 5 \cdot Ar(H) + Ar(O) + Ar(K) = 6 \cdot 12 + 5 \cdot 1 + 16 + 39 = 132 \text{ г/моль}$

Молярная масса бромбензола:

$M(C_6H_5Br) = 6 \cdot Ar(C) + 5 \cdot Ar(H) + Ar(Br) = 6 \cdot 12 + 5 \cdot 1 + 80 = 157 \text{ г/моль}$

3. Вычислим количество вещества каждого реагента по формуле $n = m/M$:

Количество вещества фенолята калия:

$n(C_6H_5OK) = \frac{m(C_6H_5OK)}{M(C_6H_5OK)} = \frac{31 \text{ г}}{132 \text{ г/моль}} \approx 0.235 \text{ моль}$

Количество вещества бромбензола:

$n(C_6H_5Br) = \frac{m(C_6H_5Br)}{M(C_6H_5Br)} = \frac{35 \text{ г}}{157 \text{ г/моль}} \approx 0.223 \text{ моль}$

4. Согласно уравнению реакции $C_6H_5OK + C_6H_5Br \rightarrow C_6H_5OC_6H_5 + KBr$, реагенты взаимодействуют в мольном соотношении 1:1. Сравним полученные количества веществ:

$n(C_6H_5Br) < n(C_6H_5OK)$

$0.223 \text{ моль} < 0.235 \text{ моль}$

Следовательно, бромбензол находится в недостатке и прореагирует полностью, а фенолят калия — в избытке. Расчет количества продукта ведем по лимитирующему реагенту (бромбензолу).

5. По уравнению реакции, из 1 моль бромбензола образуется 1 моль дифенилового эфира. Таким образом, количество вещества дифенилового эфира равно количеству вещества бромбензола, вступившего в реакцию.

$n(C_6H_5OC_6H_5) = n(C_6H_5Br) \approx 0.223 \text{ моль}$

Ответ: теоретически можно получить 0.223 моль дифенилового эфира.

6. Напишите уравнения реакций фенола с калием, гидроксидом калия, бромной водой, разбавленной азотной кислотой.

с калием

Фенол ($C_6H_5OH$) обладает слабыми кислотными свойствами, достаточными для реакции с активными металлами, такими как калий ($K$). В ходе этой реакции происходит замещение атома водорода в гидроксильной группе на атом металла, что приводит к образованию фенолята калия и выделению газообразного водорода.

Ответ: $2C_6H_5OH + 2K \rightarrow 2C_6H_5OK + H_2\uparrow$

с гидроксидом калия

Фенол является более сильной кислотой, чем спирты, и поэтому способен вступать в реакцию нейтрализации со щелочами, например, с гидроксидом калия ($KOH$). Продуктами реакции являются соль — фенолят калия — и вода.

Ответ: $C_6H_5OH + KOH \rightarrow C_6H_5OK + H_2O$

с бромной водой

Гидроксильная группа ($–OH$) в молекуле фенола является сильным активирующим заместителем, который значительно повышает реакционную способность бензольного кольца в реакциях электрофильного замещения и направляет атаку в орто- и пара-положения. При взаимодействии фенола с бромной водой ($Br_2$) происходит замещение атомов водорода в положениях 2, 4 и 6, что приводит к образованию белого осадка 2,4,6-трибромфенола. Эта реакция является качественной на фенол.

Ответ: $C_6H_5OH + 3Br_2 \rightarrow C_6H_2Br_3OH\downarrow + 3HBr$

с разбавленной азотной кислотой

Реакция фенола с разбавленной азотной кислотой ($HNO_3$) также является реакцией электрофильного замещения (нитрование). В этих условиях образуется смесь орто- и пара-нитрофенолов, так как гидроксильная группа направляет нитрогруппу ($–NO_2$) в эти положения.

Ответ: Реакция приводит к образованию смеси изомерных продуктов:

$C_6H_5OH + HNO_3 \text{ (разб.)} \rightarrow o\text{-}HOC_6H_4NO_2 + H_2O$

$C_6H_5OH + HNO_3 \text{ (разб.)} \rightarrow p\text{-}HOC_6H_4NO_2 + H_2O$

7. Как получить из бензола фенетол — этиловый эфир фенола? Напишите уравнения реакций.

Решение

Получение фенетола (этилового эфира фенола) из бензола представляет собой многостадийный синтез. Один из возможных путей включает в себя получение фенола как промежуточного продукта с последующим синтезом простого эфира (реакция Вильямсона).

Процесс можно разделить на две основные стадии:

Стадия 1: Получение фенола из бензола.

Этот этап можно осуществить через последовательность следующих реакций: нитрование, восстановление, диазотирование и гидролиз.

1.Нитрование бензола для получения нитробензола. Реакция проводится с использованием нитрующей смеси (смесь концентрированных азотной и серной кислот).

$C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4, t} C_6H_5NO_2 + H_2O$

2.Восстановление нитробензола до анилина. Часто для этого используют железо или олово в кислой среде (например, в соляной кислоте). Эта реакция известна как реакция Зинина.

$C_6H_5NO_2 + 6[H] \xrightarrow{Fe, HCl} C_6H_5NH_2 + 2H_2O$

3.Диазотирование анилина. Анилин реагирует с азотистой кислотой ($HNO_2$), которую обычно получают на месте из нитрита натрия ($NaNO_2$) и сильной кислоты (например, $HCl$), при низкой температуре ($0-5^\circ C$). В результате образуется соль бензолдиазония.

$C_6H_5NH_2 + NaNO_2 + 2HCl \xrightarrow{0-5^\circ C} [C_6H_5N_2]^+Cl^- + NaCl + 2H_2O$

4.Гидролиз соли диазония. При нагревании водного раствора соли бензолдиазония происходит её разложение с выделением азота и образованием фенола.

$[C_6H_5N_2]^+Cl^- + H_2O \xrightarrow{t} C_6H_5OH + N_2\uparrow + HCl$

Стадия 2: Получение фенетола из фенола.

Полученный фенол используется для синтеза фенетола по реакции Вильямсона.

5.Образование фенолята натрия. Фенол проявляет кислотные свойства и реагирует с сильным основанием, таким как гидроксид натрия ($NaOH$), с образованием соли — фенолята натрия.

$C_6H_5OH + NaOH \rightarrow C_6H_5ONa + H_2O$

6.Синтез фенетола. Фенолят натрия является хорошим нуклеофилом и вступает в реакцию с этилгалогенидом (например, этилиодидом $C_2H_5I$ или этилбромидом $C_2H_5Br$) с образованием целевого продукта — фенетола.

$C_6H_5ONa + C_2H_5I \rightarrow C_6H_5OC_2H_5 + NaI$

Ответ:

Цепочка превращений и соответствующие уравнения реакций:

1. $C_6H_6 + HNO_3 \xrightarrow{H_2SO_4, t} C_6H_5NO_2 + H_2O$

2. $C_6H_5NO_2 + 6[H] \xrightarrow{Fe, HCl} C_6H_5NH_2 + 2H_2O$

3. $C_6H_5NH_2 + NaNO_2 + 2HCl \xrightarrow{0-5^\circ C} [C_6H_5N_2]^+Cl^- + NaCl + 2H_2O$

4. $[C_6H_5N_2]^+Cl^- + H_2O \xrightarrow{t} C_6H_5OH + N_2\uparrow + HCl$

5. $C_6H_5OH + NaOH \rightarrow C_6H_5ONa + H_2O$

6. $C_6H_5ONa + C_2H_5I \rightarrow C_6H_5OC_2H_5 + NaI$

8. В трёх пробирках без этикеток находятся водные растворы этанола, глицерина и фенола. Как определить, в какой пробирке находится какой раствор?

Дано:

Три пробирки с водными растворами следующих веществ:
- Этанол ($C_2H_5OH$)
- Глицерин ($C_3H_5(OH)_3$)
- Фенол ($C_6H_5OH$)

Найти:

Определить, в какой пробирке находится какой раствор.

Решение:

Для определения содержимого каждой из трех пробирок необходимо провести качественные реакции, которые отличают данные классы органических соединений. Этанол является одноатомным спиртом, глицерин – многоатомным, а фенол проявляет слабые кислотные свойства. Эти различия в строении и свойствах позволяют их идентифицировать.

Этап 1. Определение фенола.

Качественной реакцией на фенолы является взаимодействие с раствором хлорида железа(III) ($FeCl_3$). В результате реакции образуются комплексные соединения, имеющие характерную фиолетовую окраску. Спирты в такую реакцию не вступают.

Ход эксперимента: В каждую из трех пробирок добавляем по несколько капель раствора хлорида железа(III).

Наблюдение: В одной из пробирок раствор окрасится в интенсивный фиолетовый цвет. Эта пробирка содержит раствор фенола.

Уравнение реакции (упрощенное):
$6C_6H_5OH + FeCl_3 \rightarrow H_3[Fe(OC_6H_5)_6] + 3HCl$

Этап 2. Определение глицерина и этанола.

После определения фенола остаются две пробирки с растворами этанола и глицерина. Для их распознавания используется качественная реакция на многоатомные спирты – взаимодействие со свежеосажденным гидроксидом меди(II) ($Cu(OH)_2$).

Ход эксперимента: В две оставшиеся пробирки добавляем сначала несколько капель раствора сульфата меди(II) ($CuSO_4$), а затем избыток раствора щелочи (например, $NaOH$). В обеих пробирках образуется голубой студенистый осадок гидроксида меди(II).

Уравнение получения гидроксида меди(II):
$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$

Далее содержимое пробирок встряхиваем.

Наблюдения:
- В пробирке с глицерином голубой осадок $Cu(OH)_2$ растворяется, и образуется прозрачный раствор ярко-синего (василькового) цвета – глицерат меди(II).
- В пробирке с этанолом (одноатомный спирт) видимых изменений не происходит, голубой осадок $Cu(OH)_2$ не растворяется.

Таким образом, все три вещества идентифицированы.

Ответ:

1. Для обнаружения фенола следует во все три пробирки добавить раствор хлорида железа(III) ($FeCl_3$). В пробирке с фенолом появится фиолетовое окрашивание.
2. В две оставшиеся пробирки нужно добавить свежеосажденный гидроксид меди(II) ($Cu(OH)_2$). В пробирке с глицерином осадок растворится с образованием ярко-синего раствора. В пробирке с этанолом изменений не произойдет.

9. Определите структурную формулу соединения состава $C_7H_8O_2$, которое реагирует с гидроксидом натрия с образованием $C_7H_7O_2Na$, а при взаимодействии с бромной водой, подкисленной бромоводородом, дает $C_7H_5OBr_3$.

Дано:

Соединение A имеет состав $C_7H_8O_2$.

1. $A + NaOH \rightarrow B (C_7H_7O_2Na) + H_2O$

2. $A + Br_2 (\text{в } H_2O, \text{подкисленной } HBr) \rightarrow C (C_7H_5OBr_3) + \text{другие продукты}$

Найти:

Структурную формулу соединения A.

Решение:

1. Проанализируем состав исходного соединения $C_7H_8O_2$.

Степень ненасыщенности (индекс водородного дефицита) рассчитывается по формуле: $IHD = C + 1 - \frac{H}{2}$.

$IHD = 7 + 1 - \frac{8}{2} = 4$.

Такая степень ненасыщенности характерна для ароматических соединений, содержащих бензольное кольцо (которое имеет 3 двойные связи и 1 цикл, что в сумме дает 4).

2. Проанализируем первую реакцию: взаимодействие с гидроксидом натрия.

$C_7H_8O_2 + NaOH \rightarrow C_7H_7O_2Na + H_2O$.

В ходе реакции один атом водорода в молекуле A замещается на атом натрия. Это типичная кислотно-основная реакция, указывающая на наличие в молекуле A одного кислотного протона. В контексте ароматических соединений это, скорее всего, фенольная гидроксильная группа (–OH, связанная непосредственно с бензольным кольцом), так как спиртовые гидроксилы недостаточно кислые для реакции с $NaOH$.

Исходя из брутто-формулы и наличия одной фенольной группы, можно предположить две основные изомерные структуры:

• Метоксифенолы: $HO-C_6H_4-OCH_3$.
• Гидроксибензиловые спирты: $HO-C_6H_4-CH_2OH$.

Обе структуры имеют формулу $C_7H_8O_2$ и содержат одну фенольную группу.

3. Проанализируем вторую реакцию: взаимодействие с бромной водой.

$C_7H_8O_2 + Br_2 \rightarrow C_7H_5OBr_3 + \dots$

Продукт реакции имеет формулу $C_7H_5OBr_3$. Сравним его состав с исходным веществом $C_7H_8O_2$: число атомов углерода сохранилось (7), а число атомов кислорода уменьшилось на единицу (с 2 до 1). При этом в молекулу вошли три атома брома, заместив три атома водорода.

Формула $C_7H_5OBr_3$ соответствует трибромкрезолу, то есть трибромпроизводному метилфенола ($CH_3-C_6H_4-OH$).

Это означает, что в ходе реакции исходное вещество не только бромировалось по ароматическому кольцу, но и одна из его функциональных групп, содержащая кислород, превратилась в метильную группу (–$CH_3$). Такое превращение возможно для группы бензилового спирта (–$CH_2OH$), которая может восстанавливаться до метильной группы (–$CH_3$) в жестких условиях.

$ -CH_2OH \rightarrow -CH_3 $

Таким образом, исходное вещество A, скорее всего, является гидроксибензиловым спиртом ($HO-C_6H_4-CH_2OH$), а не метоксифенолом.

4. Определим взаимное положение заместителей в бензольном кольце.

Реакция с бромом приводит к образованию трибромпроизводного. Это возможно только в том случае, если в бензольном кольце есть три незамещенных положения, которые сильно активированы для реакции электрофильного замещения.

В молекуле гидроксибензилового спирта есть две группы-ориентанта первого рода (орто- и пара-ориентанты): фенольная –$OH$ и спиртовая –$CH_2OH$.

• Если заместители находятся в орто- или пара-положении друг к другу, в кольце будет только два положения, максимально активированных обеими группами. Это приведет к образованию дибромпроизводного.
• Если заместители находятся в мета-положении (как в 3-гидроксибензиловом спирте), то фенольная группа (в положении 1) активирует положения 2, 4 и 6, и спиртовая группа (в положении 3) также активирует положения 2, 4 и 6. Происходит согласованная ориентация, и все три положения (2, 4, 6) легко подвергаются бромированию.

Следовательно, исходное соединение – это 3-гидроксибензиловый спирт.

Реакция с бромной водой протекает в две стадии: сначала происходит бромирование кольца, а затем восстановление спиртовой группы до метильной, предположительно под действием образующегося бромоводорода.

Ответ:

Искомое соединение – 3-гидроксибензиловый спирт. Его структурная формула: