Номер 76, страница 94 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.76. При взаимодействии фенола с ацетоном в кислой среде образуется бис-фенол А, широко применяемый в производстве полимеров. Предложите механизм его образования.

Решение

Реакция образования бисфенола А из фенола и ацетона в кислой среде протекает по механизму электрофильного ароматического замещения. Этот процесс можно разделить на несколько ключевых стадий.

Стадия 1. Активация ацетона (образование электрофила)

В присутствии сильной кислоты (катализатор, $H^+$) происходит протонирование атома кислорода карбонильной группы ацетона. Это приводит к образованию резонансно-стабилизированного карбокатиона, который является гораздо более сильным электрофилом, чем исходный ацетон.

$(CH_3)_2C=O + H^+ \rightleftharpoons (CH_3)_2C=\stackrel{+}{O}H \leftrightarrow (CH_3)_2\stackrel{+}{C}-OH$

Стадия 2. Электрофильная атака первой молекулы фенола

Гидроксильная группа $(-OH)$ фенола является сильным активирующим заместителем, увеличивающим электронную плотность в бензольном кольце, особенно в орто- и пара-положениях. Молекула фенола атакует электрофильный атом углерода протонированного ацетона. Из-за стерических препятствий атака преимущественно происходит в пара-положение. В результате образуется промежуточный $\sigma$-комплекс (аренониевый ион).

Стадия 3. Восстановление ароматичности

Образовавшийся $\sigma$-комплекс неустойчив и стремится восстановить ароматическую систему путем отщепления протона. В качестве основания может выступать молекула воды или другая молекула фенола. В результате образуется 2-(4-гидроксифенил)пропан-2-ол.

$HOC_6H_4(H)C(CH_3)_2OH^+ + H_2O \rightarrow HOC_6H_4C(CH_3)_2OH + H_3O^+$

Стадия 4. Образование второго, более стабильного карбокатиона

Спиртовая гидроксильная группа в промежуточном продукте протонируется кислотой. Затем отщепляется молекула воды, что приводит к образованию нового, высокостабильного третичного карбокатиона. Его стабильность обусловлена как сопряжением с ароматическим кольцом (резонансный эффект), так и индуктивным эффектом двух метильных групп.

$HOC_6H_4C(CH_3)_2OH + H^+ \rightleftharpoons HOC_6H_4C(CH_3)_2\stackrel{+}{O}H_2$

$HOC_6H_4C(CH_3)_2\stackrel{+}{O}H_2 \rightarrow HOC_6H_4\stackrel{+}{C}(CH_3)_2 + H_2O$

Стадия 5. Электрофильная атака второй молекулы фенола

Образовавшийся стабильный карбокатион $HOC_6H_4\stackrel{+}{C}(CH_3)_2$ является сильным электрофилом и атакует вторую молекулу фенола, снова преимущественно в пара-положение, образуя второй $\sigma$-комплекс.

Стадия 6. Завершение реакции

Последняя стадия включает депротонирование второго $\sigma$-комплекса, что приводит к восстановлению ароматичности второго кольца, образованию конечного продукта — бисфенола А — и регенерации кислотного катализатора ($H^+$).

$[HOC_6H_4C(CH_3)_2C_6H_4(H)OH]^+ + H_2O \rightarrow (HOC_6H_4)_2C(CH_3)_2 + H_3O^+$

Ответ: Механизм образования бисфенола А представляет собой двухстадийное электрофильное ароматическое замещение. Сначала ацетон активируется кислотой, образуя карбокатион. Этот катион атакует одну молекулу фенола. Образовавшийся промежуточный спирт после протонирования и отщепления воды превращается в новый, более стабильный карбокатион, который затем атакует вторую молекулу фенола, образуя в итоге бисфенол А.