Bài học

Cấu tạo và tính chất hoá học của phenol

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được phenol với alcohol thơm dựa trên vị trí nhóm –OH, viết đúng PTHH phản ứng của phenol với NaOH và với nước bromine, và giải thích được vì sao phenol thể hiện tính acid yếu còn alcohol thì không phản ứng với NaOH.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 7 (Arene), em đã học benzene phản ứng thế với Br $_2$ chỉ khi có xúc tác Fe, đun nóng: C $_6$ H $_6$ + Br $_2$ $\xrightarrow{\text{xt Fe}, t°}$ C $_6$ H $_5$ Br + HBr. Bài này sẽ cho thấy phenol — cũng mang vòng benzene — phản ứng với Br $_2$ dễ dàng hơn benzene rất nhiều, không cần xúc tác. Ở Course 2 (Cân bằng trong dung dịch nước), em đã học thuyết Brønsted–Lowry: acid là chất cho proton (H $^+$ ); một chất phản ứng được với base mạnh như NaOH tạo muối và nước chính là biểu hiện của tính acid. Bài này áp dụng đúng tiêu chí đó để nhận ra tính acid yếu của phenol.

Ở Course 7 (Arene), em đã học benzene phản ứng thế với Br$_2$ chỉ khi có xúc tác Fe, đun nóng: C$_6$H$_6$ + Br$_2$ $\xrightarrow{\text{xt Fe}, t°}$ C$_6$H$_5$Br + HBr. Bài này sẽ cho thấy phenol — cũng mang vòng benzene — phản ứng với Br$_2$ dễ dàng hơn benzene rất nhiều, không cần xúc tác. Ở Course 2 (Cân bằng trong dung dịch nước), em đã học thuyết Brønsted–Lowry: acid là chất cho proton (H$^+$); một chất phản ứng được với base mạnh như NaOH tạo muối và nước chính là biểu hiện của tính acid. Bài này áp dụng đúng tiêu chí đó để nhận ra tính acid yếu của phenol.

Khởi động

Cùng mang nhóm –OH và cùng có vòng benzene, nhưng ethanol không phản ứng với NaOH, còn phenol thì có. Cùng là hợp chất thơm, nhưng benzene cần đun nóng với xúc tác Fe mới phản ứng với nước bromine, còn phenol phản ứng ngay ở điều kiện thường, tạo kết tủa trắng. Vị trí một nhóm –OH có thể làm thay đổi tính chất hoá học nhiều đến vậy sao?

Kiến thức trọng tâm

Phenol là hợp chất mà nhóm –OH liên kết trực tiếp với một nguyên tử carbon của vòng benzene. Cần phân biệt phenol với alcohol thơm — trường hợp –OH gắn trên một carbon mạch nhánh no chứ không phải trực tiếp trên vòng, ví dụ benzyl alcohol C $_6$ H $_5$ –CH $_2$ –OH. Alcohol thơm vẫn mang đầy đủ tính chất của alcohol thông thường (không phản ứng NaOH), trong khi phenol có tính chất hoá học hoàn toàn khác.

Tính acid yếu: cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử oxygen của nhóm –OH bị hút một phần vào vòng benzene (do hiệu ứng liên hợp), làm liên kết O–H trong phenol phân cực mạnh hơn và dễ tách proton (H $^+$ ) hơn hẳn alcohol thông thường. Vì vậy phenol thể hiện tính acid — tuy rất yếu (yếu hơn cả carbonic acid, không làm đổi màu quỳ tím) — nhưng đủ để phản ứng với dung dịch base mạnh như NaOH, tạo muối phenolate và nước: $\text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{ONa} + \text{H}_2\text{O}$ Alcohol thông thường (như ethanol) không phản ứng với NaOH, vì liên kết O–H của nó không đủ phân cực để tách H $^+$ trước một base yếu như NaOH trong điều kiện phòng.

Ảnh hưởng ngược lại lên vòng benzene: chính cặp electron của oxygen được "nhường bớt" vào vòng lại làm tăng mật độ electron ở các vị trí ortho và para trên vòng, khiến vòng benzene của phenol hoạt động hoá học mạnh hơn hẳn benzene thường — phản ứng thế với nước bromine xảy ra ngay ở điều kiện thường, không cần xúc tác Fe, tạo kết tủa trắng: $\text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + 3\text{Br}_2 (aq) \rightarrow \text{C}_6\text{H}_2\text{Br}_3\text{OH}\downarrow + 3\text{HBr}$ Phản ứng này (tạo 2,4,6-tribromophenol, kết tủa trắng) là một phép thử đặc trưng để nhận biết phenol, khác hẳn phản ứng thế chậm và cần xúc tác của benzene.

**Phenol** là hợp chất mà nhóm **–OH** liên kết trực tiếp với một nguyên tử carbon của vòng benzene. Cần phân biệt phenol với **alcohol thơm** — trường hợp –OH gắn trên một carbon mạch nhánh no chứ không phải trực tiếp trên vòng, ví dụ benzyl alcohol C$_6$H$_5$–CH$_2$–OH. Alcohol thơm vẫn mang đầy đủ tính chất của alcohol thông thường (không phản ứng NaOH), trong khi phenol có tính chất hoá học hoàn toàn khác. **Tính acid yếu**: cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử oxygen của nhóm –OH bị hút một phần vào vòng benzene (do hiệu ứng liên hợp), làm liên kết O–H trong phenol phân cực mạnh hơn và dễ tách proton (H$^+$) hơn hẳn alcohol thông thường. Vì vậy phenol thể hiện tính acid — tuy rất yếu (yếu hơn cả carbonic acid, không làm đổi màu quỳ tím) — nhưng đủ để phản ứng với dung dịch base mạnh như NaOH, tạo muối phenolate và nước: $$\text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + \text{NaOH} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{ONa} + \text{H}_2\text{O}$$ Alcohol thông thường (như ethanol) **không** phản ứng với NaOH, vì liên kết O–H của nó không đủ phân cực để tách H$^+$ trước một base yếu như NaOH trong điều kiện phòng. **Ảnh hưởng ngược lại lên vòng benzene**: chính cặp electron của oxygen được "nhường bớt" vào vòng lại làm tăng mật độ electron ở các vị trí ortho và para trên vòng, khiến vòng benzene của phenol hoạt động hoá học mạnh hơn hẳn benzene thường — phản ứng thế với nước bromine xảy ra ngay ở điều kiện thường, không cần xúc tác Fe, tạo kết tủa trắng: $$\text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + 3\text{Br}_2 (aq) \rightarrow \text{C}_6\text{H}_2\text{Br}_3\text{OH}\downarrow + 3\text{HBr}$$ Phản ứng này (tạo 2,4,6-tribromophenol, kết tủa trắng) là một phép thử đặc trưng để nhận biết phenol, khác hẳn phản ứng thế chậm và cần xúc tác của benzene.

Ví dụ minh hoạ

Ví dụ

So sánh phản ứng của phenol và ethanol với NaOH

1
Cho hai ống nghiệm: ống 1 chứa phenol, ống 2 chứa ethanol. Nhỏ dung dịch NaOH vào cả hai. Nêu hiện tượng và viết PTHH nếu có.
2
Phenol tan trong dung dịch NaOH, xảy ra phản ứng: C $_6$ H $_5$ OH + NaOH $\rightarrow$ C $_6$ H $_5$ ONa + H $_2$ O. Đây là phản ứng trung hoà giữa một acid rất yếu (phenol) và một base mạnh (NaOH).
Phenol tan trong dung dịch NaOH, xảy ra phản ứng: C$_6$H$_5$OH + NaOH $\rightarrow$ C$_6$H$_5$ONa + H$_2$O. Đây là phản ứng trung hoà giữa một acid rất yếu (phenol) và một base mạnh (NaOH).
3
Ethanol không phản ứng với NaOH — không có hiện tượng gì xảy ra, hai chất chỉ trộn lẫn vào nhau.
4
Phản ứng với NaOH là phép thử phân biệt rõ ràng: phenol có tính acid (dù yếu) nên phản ứng được, alcohol thông thường thì không.

Ví dụ

Viết phản ứng của phenol với nước bromine

1
Viết PTHH phản ứng của phenol với nước bromine dư. Giải thích vì sao phenol phản ứng dễ hơn benzene nhiều dù cùng có vòng benzene.
2
C $_6$ H $_5$ OH + 3Br $_2$ (aq) $\rightarrow$ C $_6$ H $_2$ Br $_3$ OH↓ (trắng) + 3HBr.
C$_6$H$_5$OH + 3Br$_2$ (aq) $\rightarrow$ C$_6$H$_2$Br$_3$OH↓ (trắng) + 3HBr.
3
Nhóm –OH của phenol đẩy một phần mật độ electron vào vòng benzene (hiệu ứng liên hợp), làm tăng mật độ electron tại vị trí ortho, para. Vòng benzene giàu electron hơn phản ứng dễ dàng hơn với tác nhân electrophin như Br $_2$ , nên không cần xúc tác Fe như benzene thường.
Nhóm –OH của phenol đẩy một phần mật độ electron vào vòng benzene (hiệu ứng liên hợp), làm tăng mật độ electron tại vị trí ortho, para. Vòng benzene giàu electron hơn phản ứng dễ dàng hơn với tác nhân electrophin như Br$_2$, nên không cần xúc tác Fe như benzene thường.
4
Ba nguyên tử Br thế đồng thời vào cả ba vị trí ortho, para còn trống quanh nhóm –OH, tạo kết tủa trắng 2,4,6-tribromophenol — hiện tượng dùng để nhận biết phenol trong phòng thí nghiệm.

Ví dụ

Đề bài dạng thi — thiết kế thí nghiệm phân biệt ba chất lỏng

1
Có ba lọ mất nhãn chứa riêng biệt: ethanol, dung dịch phenol, benzene. Trình bày cách phân biệt ba chất bằng thí nghiệm hoá học, viết PTHH nếu có.
2
Nhỏ NaOH vào từng mẫu thử. Mẫu nào tan tạo dung dịch trong (có phản ứng) là phenol: C $_6$ H $_5$ OH + NaOH $\rightarrow$ C $_6$ H $_5$ ONa + H $_2$ O. Hai mẫu còn lại (ethanol, benzene) không hiện tượng.
Nhỏ NaOH vào từng mẫu thử. Mẫu nào tan tạo dung dịch trong (có phản ứng) là phenol: C$_6$H$_5$OH + NaOH $\rightarrow$ C$_6$H$_5$ONa + H$_2$O. Hai mẫu còn lại (ethanol, benzene) không hiện tượng.
3
Cho Na dư vào hai mẫu còn lại. Mẫu có bọt khí thoát ra (H $_2$ ) là ethanol: 2C $_2$ H $_5$ OH + 2Na $\rightarrow$ 2C $_2$ H $_5$ ONa + H $_2$ ↑. Mẫu không phản ứng với Na là benzene, vì benzene không có nhóm –OH.
Cho Na dư vào hai mẫu còn lại. Mẫu có bọt khí thoát ra (H$_2$) là ethanol: 2C$_2$H$_5$OH + 2Na $\rightarrow$ 2C$_2$H$_5$ONa + H$_2$↑. Mẫu không phản ứng với Na là benzene, vì benzene không có nhóm –OH.
4
Chỉ cần hai phép thử theo đúng thứ tự — NaOH trước để tách phenol, rồi Na để phân biệt ethanol với benzene — là nhận biết đủ cả ba chất, không cần thêm thuốc thử nào khác.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nhầm mọi hợp chất có cả vòng benzene lẫn nhóm –OH đều là phenol và đều phản ứng với NaOH. Thực ra chỉ khi –OH gắn TRỰC TIẾP trên vòng mới là phenol; nếu –OH gắn trên carbon mạch nhánh (như benzyl alcohol C $_6$ H $_5$ CH $_2$ OH) thì đó vẫn là alcohol thông thường, không phản ứng với NaOH — phải nhìn đúng vị trí liên kết của –OH, không chỉ đếm xem phân tử có vòng benzene hay không.

Nhiều em nhầm mọi hợp chất có cả vòng benzene lẫn nhóm –OH đều là phenol và đều phản ứng với NaOH. Thực ra chỉ khi –OH gắn TRỰC TIẾP trên vòng mới là phenol; nếu –OH gắn trên carbon mạch nhánh (như benzyl alcohol C$_6$H$_5$CH$_2$OH) thì đó vẫn là alcohol thông thường, không phản ứng với NaOH — phải nhìn đúng vị trí liên kết của –OH, không chỉ đếm xem phân tử có vòng benzene hay không.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Phenol là hợp chất có –OH gắn trực tiếp trên vòng benzene, khác với alcohol thơm (–OH trên nhánh). Phenol có tính acid yếu (phản ứng với NaOH) mà alcohol không có; đồng thời vòng benzene của phenol phản ứng thế với Br2 dễ hơn benzene thường, không cần xúc tác — hai phép thử này dùng để nhận biết phenol.

Cầu nối

Bài sau tìm hiểu ứng dụng thực tế của phenol trong công nghiệp, độ độc và cách xử lí an toàn, đồng thời tổng hợp bảng so sánh đầy đủ phản ứng đặc trưng của alcohol, phenol và benzene.