Фенолы представляют собой ароматические соединения, содержащие гидроксильную группу, непосредственно связанную с атомом углерода бензольного кольца. Их кислотные свойства обусловлены особенностями взаимодействия гидроксильной группы с π-электронной системой ароматического кольца. В отличие от спиртов, фенолы проявляют заметно более выраженные кислотные свойства, что связано со стабилизацией фенолята за счёт мезомерного эффекта.
Поляризация связи O–H. Электроотрицательный атом кислорода создаёт значительную поляризацию связи O–H, что облегчает отщепление протона.
Резонансная стабилизация аниона. Образующийся при диссоциации фенолят-анион стабилизируется благодаря делокализации отрицательного заряда по всей ароматической системе. Отрицательный заряд распределяется на орто- и пара-положения бензольного кольца, что снижает энергию аниона и повышает склонность фенола к отдаче протона.
Сравнение со спиртами. У спиртов образующийся алкоксид-анион стабилизируется только за счёт индуктивного эффекта алкильных заместителей. У фенолов же присутствует дополнительный фактор – мезомерная стабилизация, делающая их заметно более сильными кислотами.
Фенолы обладают кислотностью сильнее спиртов, но слабее карбоновых кислот. Константа кислотности (pK_a) фенола составляет около 10, тогда как у этанола pK_a ≈ 16. Для карбоновых кислот характерны значения pK_a в пределах 4–5, что указывает на их большую силу.
Сила кислотности фенолов существенно зависит от природы заместителей в ароматическом кольце.
Электроноакцепторные группы (–NO₂, –CN, –COOH, –CHO, –Cl). Эти заместители усиливают кислотность фенола, так как стабилизируют отрицательный заряд на кислороде и кольце. Особенно сильно проявляется влияние нитрогруппы, особенно если она занимает орто- или пара-положение. Например, пикриновая кислота (2,4,6-тринитрофенол) является значительно более сильной кислотой, чем фенол.
Электронодонорные группы (–CH₃, –OCH₃, –NH₂). Донорные заместители ослабляют кислотные свойства, так как они повышают электронную плотность в кольце и дестабилизируют фенолят-анион.
Реакция с активными металлами. Фенолы реагируют с щелочными и щёлочноземельными металлами с образованием фенолятов и выделением водорода:
2C6H5OH + 2Na → 2C6H5ONa + H2
Взаимодействие с щелочами. В отличие от спиртов, фенолы легко растворяются в растворах щелочей, образуя феноляты:
C6H5OH + NaOH → C6H5ONa + H2O
Реакция с углекислым газом (реакция Колбе). Феноляты реагируют с углекислым газом при нагревании и давлении с образованием гидроксибензойных кислот. Этот процесс демонстрирует анионный характер фенолятов и их высокую реакционную способность.
В водной среде фенолы частично диссоциируют по уравнению:
C6H5OH ⇌ C6H5O− + H+
Равновесие смещено в сторону недиссоциированной формы, что подтверждает их принадлежность к слабым кислотам. Однако наличие электронноакцепторных заместителей заметно усиливает степень диссоциации.
Кислотные свойства фенолов имеют большое значение для их использования в органическом синтезе. Феноляты применяются как нуклеофильные реагенты в реакциях замещения, алкилирования и ацилирования. Усиление кислотности за счёт введения акцепторных групп используется для получения фенольных кислот и производных, обладающих выраженными антисептическими и взрывчатыми свойствами (например, пикриновая кислота).