Фенол

Фенол (карболовая кислота, гидроксибензол) — органическое соединение ароматического ряда, простейший представитель класса фенолов. Представляет собой бесцветные или слегка розоватые кристаллы с характерным резким запахом, растворимые в воде, спирте и эфире. Фенол является одним из важнейших продуктов химической промышленности, широко применяется в производстве пластмасс, лекарственных средств, пестицидов и красителей. Обладает сильными антисептическими свойствами, однако токсичен и требует осторожного обращения.

История

Первое упоминание о феноле относится к 1834 году, когда немецкий химик Фридрих Фердинанд Рунге выделил его из каменноугольной смолы и назвал «карболовой кислотой». В 1841 году французский химик Огюст Лоран установил его состав и предложил название «фенол» (от греч. φαίνω — «светить» и лат. oleum — «масло»). В 1860-х годах английский хирург Джозеф Листер начал использовать фенол в качестве антисептика при хирургических операциях, что значительно снизило смертность от послеоперационных инфекций. Промышленное производство фенола началось в конце XIX века с развитием коксохимической промышленности, где он выделялся из каменноугольной смолы. В XX веке были разработаны синтетические методы получения, в том числе из бензола, что позволило нарастить выпуск до миллионов тонн в год.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Фенол — кристаллическое вещество с температурой плавления 40,9 °C и температурой кипения 181,8 °C. При комнатной температуре он частично растворим в воде (около 8 г на 100 мл), но при нагревании до 65 °C смешивается с ней в любых пропорциях. Хорошо растворим в органических растворителях: этаноле, диэтиловом эфире, ацетоне, бензоле. Плотность фенола составляет 1,07 г/см³. Пары фенола тяжелее воздуха и могут образовывать взрывоопасные смеси.

Химические свойства

Фенол проявляет слабые кислотные свойства (pKa ≈ 10), что объясняется наличием гидроксильной группы, связанной с ароматическим кольцом. Он способен реагировать с щелочами, образуя феноляты (например, фенолят натрия). Вступает в реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце (нитрование, сульфирование, галогенирование), причём гидроксильная группа является активирующим заместителем, направляющим атаку в орто- и пара-положения. Фенол легко окисляется, особенно в щелочной среде, образуя хиноны. При конденсации с альдегидами (например, с формальдегидом) даёт фенолформальдегидные смолы. Взаимодействует с галогенангидридами и ангидридами кислот, образуя сложные эфиры.

Получение

Из каменноугольной смолы

Традиционный метод, при котором фенол извлекают из каменноугольной смолы, образующейся при коксовании угля. Смолу обрабатывают щелочью, фенол переходит в водный раствор в виде фенолята натрия, затем его осаждают кислотой. В настоящее время этот способ утратил промышленное значение из-за низкого выхода (около 1–2 % от массы смолы) и высокой энергоёмкости.

Кумульный метод

Основной промышленный метод получения фенола (более 90 % мирового производства). Процесс включает три стадии:

1. Алкилирование бензола пропиленом с образованием кумола (изопропилбензола).
2. Окисление кумола кислородом воздуха до гидропероксида кумола.
3. Разложение гидропероксида кумола в присутствии серной кислоты на фенол и ацетон.

Метод был разработан в 1940-х годах в СССР (П. Г. Сергеев, Р. Ю. Удрис) и независимо в США. Его преимущество — одновременное получение фенола и ацетона, который также является ценным продуктом.

Другие методы

• Гидролиз хлорбензола: обработка хлорбензола водным раствором щёлочи при высоком давлении и температуре (метод Рашига).
• Окисление толуола: через бензойную кислоту с последующим декарбоксилированием.
• Биотехнологический: с использованием микроорганизмов, способных превращать бензол в фенол (находится на стадии разработки).

Применение

Производство пластмасс и полимеров

Основная область применения фенола (около 40 % мирового потребления) — получение фенолформальдегидных смол, которые используются в производстве:

• фенопластов (текстолит, гетинакс);
• клеёв и связующих для древесно-стружечных плит;
• литейных форм и абразивных кругов.

Химическая промышленность

Фенол является сырьём для синтеза:

• капролактама (мономер для полиамидных волокон, например, капрона);
• бисфенола А (используется в производстве эпоксидных смол и поликарбонатов);
• адипиновой кислоты (для полиамидов);
• алкилфенолов (поверхностно-активные вещества, антиоксиданты).

Фармацевтика и медицина

Фенол и его производные применяются:

• как антисептики (например, карболовая кислота в растворах для дезинфекции);
• в составе лекарственных средств (аспирин, парацетамол, салициловая кислота);
• в качестве консерванта для вакцин и инъекционных препаратов (в малых концентрациях).

Сельское хозяйство

Фенол используется для синтеза пестицидов, гербицидов и фунгицидов. Например, 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота (2,4-Д) — широко распространённый гербицид.

Другие области

• Производство красителей (фенолфталеин, индикаторы).
• Взрывчатые вещества (пикриновая кислота).
• Дубильные вещества в кожевенной промышленности.

Токсичность и безопасность

Фенол относится к веществам 2-го класса опасности (высокоопасные). Он токсичен при вдыхании, попадании на кожу и внутрь организма. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воздухе рабочей зоны составляет 0,3 мг/м³, в атмосферном воздухе — 0,003 мг/м³. При контакте с кожей вызывает химические ожоги, вплоть до некроза тканей. При систематическом воздействии поражает печень, почки, центральную нервную систему. Хроническое отравление проявляется головными болями, слабостью, нарушением сна. Фенол обладает мутагенными и канцерогенными свойствами (Международное агентство по изучению рака относит его к группе 3 — «возможно канцерогенен для человека»). При работе с фенолом необходимо использовать средства индивидуальной защиты: резиновые перчатки, защитные очки, респиратор. Хранят фенол в герметичной таре, вдали от источников огня и окислителей.

Экологические аспекты

Фенол является распространённым загрязнителем окружающей среды. Он попадает в водоёмы со сточными водами коксохимических, нефтеперерабатывающих и химических предприятий. В природных водах фенол медленно разлагается микроорганизмами, но при высоких концентрациях вызывает гибель водной флоры и фауны. При хлорировании воды, содержащей фенол, образуются хлорфенолы — соединения с сильным неприятным запахом и токсичностью. Для очистки сточных вод от фенола применяют биологические методы (аэробные и анаэробные бактерии), адсорбцию активированным углём, озонирование и электрохимическое окисление.

Интересные факты

• Фенол входит в состав природных веществ: например, в эфирных маслах гвоздики, аниса, чабреца.
• В XIX веке фенол использовали как средство для контрацепции (в виде спринцеваний), что приводило к тяжёлым отравлениям.
• В 1907 году бельгийский химик Лео Бакеланд получил на основе фенола и формальдегида первую синтетическую пластмассу — бакелит.
• Фенол является одним из метаболитов, образующихся в кишечнике человека при разложении белков бактериями.

Источники

• Кнунянц И. Л. (ред.) Химическая энциклопедия. Т. 5. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.
• Лебедев Н. Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. — М.: Химия, 1988.
• Вредные вещества в промышленности. Справочник под ред. Н. В. Лазарева. — Л.: Химия, 1977.
• Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. — Wiley-VCH, 2012.
• ГОСТ 12.1.007-76. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.