Reakcje fenoli i kwasów

PRZEDRUK, oryginał dostępny pod adresem www
Tytuł oryginalny: Analiza Organiczna

Autor: dr Barbara Drożdż

Uniwersytet Jagielloński (www)
Wydział Farmaceutyczny Collegium Medicum (www)
Katedra Chemii Organicznej (www)
Kierownik: Prof. UJ, dr hab. Marek Cegła

Adres:
ul. Medyczna 9
30-688 Kraków
Kontakt: tel. 012 620 55 00

Fenole

Fenole są krystalicznymi substancjami stałymi z wyjątkiem o-bromofenolu, o-chlorofenolu, m-krezolu i m-metoksyfenolu. Rozpuszczalność w wodzie fenoli rośnie ze wzrostem liczby grup wodorotlenowych w cząsteczce. Cechą fenoli jednowodorotlenowych jest charakterystyczny zapach. Fenole dają w obrębie grupy OH reakcje podobne do reakcji alkoholi (z przewagą charakteru kwasowego), jako związki aromatyczne fenole ulegają łatwo ( ze względu na aktywujący wpływ grupy OH) typowym reakcjom substytucji elektrofilowej, z których bromowanie i sprzęganie ze związkami diazoniowymi jest wykorzystywane w analizie. Przydatne do identyfikacji fenoli są również barwne kompleksy z FeCl3 oraz produkty reakcji z mieszaniną stęż. H2SO4 + HNO2.

Próba ogólna na fenole
badanie odczynu

Ze względu na dużo większą w porównaniu z alkoholami kwasowość fenoli ich wodne roztwory często wykazują odczyn kwaśny.
Jako słabe kwasy fenole rozpuszczają się w 5% roztworze NaOH, ale są nierozpuszczalne (w przeciwieństwie do kwasów) w 5% NaHCO3 z wyjątkiem fenoli z silnie elektroujemnymi grupami w pierścieniu ( kwas pikrynowy, 2,4-dinitrofenol, 2,4,6-tribromofenol) mającymi silne własności kwasowe.

Wykonanie
Niewielką ilość badanej próbki (około 50 mg) należy rozpuścić w wodzie a w wypadku słabej rozpuszczalności w wodnym roztworze etanolu i zbadać odczyn za pomocą papierka uniwersalnego. Rozpuszczalność w NaOH i NaHCO3 jest badana przy kwalifikacji związku do grupy rozpuszczalności.

Próba z chlorkiem żelaza(III)

Fenole tworzą barwne związki kompleksowe z FeCl3 powstające zgodnie z równaniem: 6C6H5OH + FeCl3 = H3[Fe(C6H5O)6] + HCl

Wykonanie
Około 0.05g, lub 3 krople fenolu rozpuszcza się w 3 cm3 wody, lub 40% etanolu. Następnie dodaje się po jednej kropli 1% wodny roztwór FeCl3 obserwując pojawienie się zabarwienia ( czasem tylko przejściowego) po dodaniu każdej kolejnej kropli (maksymalnie 5 kropli). Fenole dają zabarwienia zielone, niebieskie, fioletowe lub purpurowe, zabarwienie żółte i pomarańczowe jest negatywnym wynikiem próby. Większość nitrofenoli nie daje reakcji pozytywnej z FeCl3. Barwne (najczęściej czerwone) produkty reakcji z FeCl3 dają również związki zdolne do enolizacji w których udział formy enolowej jest stosunkowo duży (przykładowo acetyloaceton, acetylooctan etylu). Reakcji nie należy prowadzić w środowisku alkalicznym i ze zbyt stężonymi odczynnikami. Dla porównania wskazane jest wykonanie ślepej próby ze stosowanymi odczynnikami bez dodatku badanej substancji.

Reakcja Liebermanna – indofenolowa (dla fenoli nie posiadających podstawników w pozycji orto i para)

Fenole z kwasem nitrozylosiarkowym (stężony H2SO4 + HNO2) tworzą barwne produkty Cnitrozowania w położeniu para. Reakcję tę dają też związki aromatyczne z grupami dialkiloaminowymi. Negatywny wynik tej reakcji dają nitrofenole i fenole z grupami CHO, COOH i COCH3. Przebieg reakcji pokazano na przykładzie fenolu.

Wykonanie – reakcję należy wykonać pod digestorium
Około 20 mg fenolu umieszcza się w suchej probówce, dodaje kryształek NaNO2 i zadaje kilkoma kroplami stężonego kwasu siarkowego – zawartości próbki nie należy mieszać. W wypadku obecności fenolu po kilku minutach pojawia się zabarwienie zielone, niebieskie lub czerwone pogłębiające się po dodaniu kilku kropli wody.

Próba z odczynnikiem Millona

Próba Millona jest charakterystyczna dla fenoli, o co najmniej jednej niepodstawionej pozycji orto. Jest szczególnie cenna dla fenoli podstawionych w położeniu para, które nie dają reakcji Liebermanna.
Monofenole z odczynnikiem Millona ulegają reakcji nitrozowania w pozycji orto, której produkt – o-nitrozopochodna – tworzy barwny kompleks z jonami Hg2+.

Wykonanie
Kroplę etanolowego, wodnego lub eterowego roztworu badanej substancji miesza się z kroplą odczynnika Millona i pozostawia na kilka minut. W obecności fenoli roztwór przyjmuje zabarwienie czerwone. Jeżeli zabarwienie nie pojawia się na zimno, mieszaninę należy krótko ogrzać we wrzącej łaźni wodnej. Pozytywną reakcję daje również anilina.
Odczynnik Millona – l g rtęci w l cm3 dymiącego HNO3, rozcieńczony 2 cm3 wody.

Próba z bromem

Ze względu na obecność aktywującej pierścień grupy hydroksylowej fenole reagują z bromem w temperaturze pokojowej bez użycia katalizatorów. Jeżeli do bromowania używa się wody bromowej wytrąca się trudno rozpuszczalny w wodzie najczęściej biały lub lekko żółty produkt bromowania. Produkty reakcji bromowania są również używane do identyfikacji fenoli jako ich stałe pochodne. Monohydroksylowe fenole tworzą polibromopochodne:

Fenole polihydroksylowe w reakcjach bromowania ulegają równocześnie bromowaniu i utlenieniu do chinonów:

Wykonanie – reakcję należy wykonać pod digestorium
Do 0.5 cm3 nasyconego wodnego roztworu substancji (dla fenoli trudno rozpuszczalnych używa się około 20% etanolu) dodaje się kroplami wodę bromową, aż do utrzymania się jasnożółtej barwy. Na obecność fenolu wskazuje początkowe odbarwianie wody bromowej i następnie wydzielanie osadu produktu bromowania.
Powstanie brązowego zabarwienia wskazuje często na obecność chinonu.

Fenole

Pochodna bromowa

Wykonanie – reakcję należy wykonać pod digestorium
W małej erlenmajerce do 0.25 g analizowanego fenolu rozpuszczonego lub zawieszonego w 10 cm3 wody dodaje się powoli, ciągle wstrząsając po kilka kropli wody bromowej, aż do uzyskania trwałego, żółtego zabarwienia roztworu. Następnie dodaje się około 30 cm3 wody i wstrząsa mocno, aby rozbić większe grudki wydzielającego się osadu. Osad ten odsącza się, przemywa rozcieńczonym roztworem NaHSO3 a potem wodą i krystalizuje z czystego lub rozcieńczonego etanolu.

Octan

Octany fenoli otrzymuje się w reakcji:

Wykonanie – reakcję należy wykonać pod digestorium
Syntezę prowadzi się w kolbie okrągłodennej o pojemności 50 cm3 pod chłodnicą zwrotną. Cały zestaw musi być dokładnie wysuszony. Do 0.5 g badanego fenolu dodaje się 0.5 cm3 pirydyny suszonej nad KOH, następnie ostrożnie 2 cm3 świeżo destylowanego bezwodnika octowego. Po ustaniu samorzutnej reakcji mieszaninę ogrzewa się 10-15 min na łaźni wodnej pod chłodnicą zwrotną. Najłatwiej reagują fenole polihydroksylowe. Po ochłodzeniu mieszaninę reakcyjną wlewa się do ok. 50 cm3 wody z lodem i (po hydrolizie nadmiaru bezwodnika) zadaje 2 M HC1 do zaniku zapachu pirydyny. Osad odsącza się, przemywa wodą do reakcji obojętnej, suszy i krystalizuje z etanolu.

3,5- dinitrobenzoesan

Chlorek 3,5-dinitrobenzoilu w reakcji z fenolami w roztworze zawierającym pirydynę tworzy 3,5-dinitrobenzoesany według reakcji:

Wykonanie – reakcję należy wykonać pod digestorium
Syntezę prowadzi się w kolbie okrągłodennej o pojemności 50 cm3 pod chłodnicą zwrotną. Cały zestaw musi być dokładnie wysuszony. Do 0.5 g badanego fenolu dodaje się 4 cm3 pirydyny suszonej nad KOH, następnie dodaje 1.3 g chlorku 3,5-dinitrobenzoilu i ogrzewa przez 30 min. Po ochłodzeniu mieszaninę reakcyjną wlewa się do około 40 cm3 2 M HC1 (do zaniku zapachu pirydyny). Następnie osad odsącza się i przemywa najpierw 10 cm3 1 M Na2CO3, a następnie wodą do reakcji obojętnej. Osad suszy się i krystalizuje z czystego lub rozcieńczonego etanolu.

Kwasy

O obecności kwasu świadczy przede wszystkim rozpuszczalność badanego związku w zasadach, co można stwierdzić w próbie oznaczania rozpuszczalności i zaliczeniu związku do grupy Kw lub badając odczyn roztworu. W analizie kwasów najważniejszą rolę spełniają reakcje zachodzące w obrębie grupy karboksylowej. Wykorzystywane są te, które wiążą się bezpośrednio z charakterem kwasowym tych związków (próba ze wskaźnikiem uniwersalnym, próba jodan-jodek, próba z NaHCO3). Charakterystyczną reakcją jest też estryfikacja. Inne reakcje analityczne związane są z indywidualnymi właściwościami różnych rodzajów kwasów.

Próba ogólna na kwasy
badanie odczynu.

Próba ze wskaźnikiem uniwersalnym

Wykonanie
Próbę można wykonywać z roztworem wskaźnika lub z papierkiem uniwersalnym, który zanurza się na sekundę w wodnym roztworze badanego związku, odczekuje minutę i porównuje zabarwienie z wzorcową skalą barw odpowiadających określonemu zakresowi pH. Do związków nierozpuszczalnych w wodzie należy najpierw dodać kilka kropli alkoholu lub acetonu a następnie dopiero wody. Równolegle przygotowuje się próbę kontrolną z wodą i użytym rozpuszczalnikiem oraz kroplą wskaźnika.

Próba z fenoloftaleiną

Wykonanie
Na szkiełku zegarkowym umieszcza się jedną kroplę 0.01 M NaOH, jedną kroplę etanolowego roztworu fenoloftaleiny i 4 krople wody, a następnie 4 krople lub niewielką ilość dobrze sproszkowanej badanej substancji. Związki słabo rozpuszczalne w wodzie należy rozpuścić lub zawiesić w 3 kroplach etanolu. Odbarwienie fenoloftaleiny potwierdza charakter kwasowy związku.

Próba jodan-jodek na obecność słabych kwasów

Próba pozwala wykryć obecność słabych kwasów, gdy reakcja ze wskaźnikiem nie jest jednoznaczna. W warunkach reakcji obecność kwasu powoduje powstawanie wolnego jodu wg równania:

5I + IO3 + 6H+ = 3H2O + 3I2

Wolny jod powoduje niebieskie zabarwienie skrobii.

Wykonanie
Około 5 mg badanej substancji (nasycony roztwór w 2 kroplach etanolu) zadaje się w probówce 2 kroplami 2% roztworu KI i 2 kroplami 4% roztworu KIO3. Probówkę zamyka się zwitkiem waty i ogrzewa przez minutę we wrzącej łaźni wodnej. Po oziębieniu dodaje się 4 krople 0.1% roztworu skrobii. W razie obecności kwasów powstaje fioletowe lub fioletowoniebieskie zabarwienie.

Reakcja z wodorowęglanem sodu

W reakcji tej można odróżnić kwasy od większości fenoli.

Wykonanie
Około 1 cm3 5% roztworu NaHCO3 umieszcza się w probówce i dodaje kroplę (lub 0.01 g) substancji badanej. Wydzielanie się pęcherzyków CO2 wskazuje na obecność kwasu.

Reakcja z chlorkiem żelaza(III)

Rozcieńczony roztwór FeCl3 daje zabarwienie lub nierozpuszczalne osady z wieloma kwasami. Fenolokwasy dają osady czerwone lub niebieskie, kwasy alifatyczne brunatnoczerwone, alfa- hydroksykwasy żółte. Reakcja przebiega z utworzeniem podanego poniżej produktu:

Wykonanie
Niewielką ilość badanego kwasu rozpuszcza się w rozcieńczonym roztworze amoniaku. Nadmiar amoniaku usuwa się przez ogrzanie roztworu do wrzenia. Następnie roztwór chłodzi się, dodaje kilka kropli 3% obojętnego roztworu FeCl3 i porównuje zabarwienie z równocześnie przygotowaną próbą kontrolną.

Reakcja z rezorcyną

Reakcja ta jest charakterystyczna dla kwasów 1,2-dikarboksylowych oraz ich pochodnych (estrów, bezwodników, imidów). Związki te tworzą z rezorcyną w obecności H2SO4 barwniki typu fluoresceiny, które w środowisku alkalicznym wykazują żółtoczerwoną fluorescencję w świetle dziennym, a zieloną lub niebieską w nadfioletowym.

Wykonanie
Około 3 mg badanej substancji miesza się z niewielką ilością rezorcyny, dodaje kilka kropli stęż. H2SO4, po czym mieszaninę ogrzewa się przez 10 min we wrzącej łaźni wodnej (utrzymanie stałej temperatury jest konieczne dla właściwego przebiegu reakcji). Uzyskaną mieszaninę rozpuszcza się ostrożnie w wodzie, a następnie dodaje 20% roztwór NaOH do reakcji alkalicznej. Pojawienie się fluorescencji, szczególnie intensywnej w świetle nadfioletowym, wskazuje na obecność kwasu 1,2-dikarboksylowego lub l-hydroksy-l,2-dikarboksylowego. Równolegle do próby badanej przeprowadza się próbę kontrolną z tymi samymi odczynnikami, gdyż produkty rozpadu samej rezorcyny dają zieloną fluorescencję.

Stałe pochodne dla kwasów

Ester p-nitrobenzylowy

Sole kwasów karboksylowych reagują z chlorkiem lub bromkiem p-nitrobenzylu, dając odpowiednie estry p-nitrobenzylowe wg reakcji:

Wykonanie
Najpierw sporządza się słabo kwaśny roztwór soli sodowej badanego kwasu. W kolbie okrągłodennej (50 cm3) umieszcza się 0.5 g badanego kwasu oraz 5 cm3 wody. Następnie dodaje się kroplami 5% roztwór NaOH, aż do pH = 6 wobec wskaźnika uniwersalnego. Roztwór nie może być alkaliczny, bowiem alkalia hydrolizują bromek p-nitrobenzylowy. Do roztworu w kolbce dodaje się 1.3 g chlorku p-nitrobenzylowego w 10 cm3 etanolu. Kobę zaopatruje się w chłodnicę zwrotną, ogrzewa do wrzenia i jeśli roztwór pozostaje mętny, dodaje się kroplami etanol, aż do uzyskania klarownej cieczy. Mieszaninę ogrzewa się nadal przez 1-3 godz., zależnie od zasadowości kwasu (ok. 1 godz. na każdą grupę karboksylową). Wydzielony po ochłodzeniu ester (czasem do wydzielenia konieczny jest dodatek kilku kropli wody) odsącza się i przemywa ostrożnie 70% etanolem, suszy i krystalizuje z 70% etanolu, acetonu lub rozcieńczonego kwasu octowego. Przy wszystkich operacjach zalecana jest ostrożność, gdyż halogenki p-nitrobenzylowe są związkami silnie drażniącymi błony śluzowe i parząco działają na skórę.

Anilidy i p-toluidydy

Anilidy i p-toluidydy kwasów karboksylowych otrzymuje się przeprowadzając kwas najpierw w odpowiedni chlorek kwasowy za pomocą chlorku tionylu:

RCOOH + SOCl2 = RCOCl + SO2 + HCl

Otrzymany w tej reakcji chlorek kwasowy pod wpływem aniliny lub p-toluidyny przechodzi w odpowiedni amid kwasowy:

RCOCl + C6H5NH2 = RCONH – C6H5 + HCl

Wykonanie – reakcję należy wykonać pod digestorium
W kolbie o pojemności 25 cm3 ogrzewa się pod chłodnicą zwrotną (zabezpieczoną przed dostępem wilgoci) 1g kwasu z 5 cm3 świeżo destylowanego chlorku tionylu przez 30 min. Po tym czasie wymienia się chłodnicę zwrotną na chłodnicę destylacyjną i oddestylowuje się nadmiar SOCl2 (temp. wrzenia 78oC). Jeżeli temperatura chlorku kwasowego jest zbliżona do temperatury wrzenia SOCl2, chlorek tionylu można rozłożyć przez dodanie kwasu mrówkowego:

SOCl2 + HCOOH == SO2 + CO + 2HCl