Номер 2, страница 120 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

2. Составьте электронную формулу фенола и поясните, почему атом водорода в гидроксильной группе более подвижен, чем в молекула ходно атомных спиртов?

2. Электронная формула фенола ($C_6H_5OH$) представляет собой бензольное кольцо, у одного из атомов углерода которого атом водорода замещен на гидроксильную группу (-OH). Атом кислорода в гидроксильной группе имеет две неподеленные электронные пары.

Решение

Повышенная подвижность атома водорода в гидроксильной группе фенола по сравнению с одноатомными спиртами обусловлена взаимным влиянием бензольного кольца и гидроксогруппы.

1. В молекуле фенола атом кислорода гидроксильной группы связан с $sp^2$-гибридизованным атомом углерода бензольного кольца. Одна из неподеленных электронных пар атома кислорода вступает в сопряжение с π-электронной системой бензольного кольца (это называется положительным мезомерным эффектом, +M-эффект). В результате этого сопряжения электронная плотность смещается от атома кислорода в бензольное кольцо. Это приводит к следующим последствиям:

• Увеличивается полярность связи $O-H$. Атом кислорода, отдав часть электронной плотности в кольцо, приобретает частичный положительный заряд и сильнее притягивает к себе электроны связи $O-H$. Это ослабляет связь и облегчает отщепление атома водорода в виде протона $H^+$.

• Образующийся при диссоциации фенолят-ион ($C_6H_5O^−$) оказывается очень устойчивым. Отрицательный заряд, возникающий на атоме кислорода, не локализован на нем, а делокализован (рассредоточен) по всей π-системе бензольного кольца. Стабилизация продукта реакции (фенолят-иона) смещает равновесие диссоциации $C_6H_5OH \rightleftharpoons C_6H_5O^- + H^+$ вправо, что и означает большую кислотность (подвижность водорода) фенола.

2. В молекулах одноатомных спиртов (например, этанола $C_2H_5OH$) гидроксильная группа связана с алкильным радикалом (например, $-C_2H_5$). Алкильные группы проявляют положительный индуктивный эффект (+I-эффект), то есть являются донорами электронной плотности. Они "подталкивают" электронную плотность к атому кислорода. Это приводит к обратному эффекту:

• Электронная плотность на атоме кислорода увеличивается, что снижает полярность связи $O-H$ и делает ее более прочной.

• Образующийся при гипотетической диссоциации алкоголят-ион ($RO^−$) оказывается крайне неустойчивым, так как алкильная группа своим +I-эффектом дополнительно увеличивает и так избыточный отрицательный заряд на атоме кислорода, то есть дестабилизирует его. Поэтому равновесие диссоциации $ROH \rightleftharpoons RO^- + H^+$ сильно смещено влево, и спирты проявляют очень слабые кислотные свойства.

Таким образом, именно электронные эффекты сопряжения в молекуле фенола и стабилизация фенолят-иона делают атом водорода в его гидроксильной группе значительно более подвижным, чем в молекулах спиртов.

Ответ: Атом водорода в гидроксильной группе фенола более подвижен, чем в одноатомных спиртах, из-за сопряжения неподеленной электронной пары атома кислорода с π-системой бензольного кольца (+M-эффект). Это сопряжение приводит к поляризации и ослаблению связи $O-H$. Кроме того, образующийся при отщеплении протона фенолят-анион стабилизирован за счет делокализации отрицательного заряда по бензольному кольцу. В спиртах же алкильный радикал проявляет положительный индуктивный эффект (+I-эффект), который, наоборот, уменьшает полярность связи $O-H$ и дестабилизирует соответствующий алкоголят-анион.