Можно только удивляться тому, что гидроксильная группа в разных соединениях проявляет себя по-разному. Спирт, как мы знаем, — соединение нейтральное, а фенол, содержащий ту же гидроксильную группу, — хотя и слабая, но все же кислота. Что же заставляет эту группу так менять свое поведение?
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно всегда обращать внимание на то, с чем связана гидроксильная группа. Вот, оказывается, в чем дело! Если сравнить спирты и фенол, то видна разница: в спиртах гидроксил связан с алифатическими радикалами, а в фенолах — с бензольным кольцом. Если с гидроксильной группой связан обычный радикал, то он «отталкивает» от себя электронную плотность в сторону гидроксила, уменьшая тем самым его поляризацию, а значит, и способность водородного атома «отрываться» от молекулы. Что же касается бензольного кольца, то оно, наоборот, несколько оттягивает электронную плотность в свою сторону, увеличивая поляризацию гидроксильной группы. Это и способствует отрыву от нее атома водорода в виде протона:
Фенол, обладая слабокислотными свойствами, вступает со щелочами в обычные реакции нейтрализации:
Образующаяся соль фенола называется фенолятом (звучит так же, как алкоголят!). Эта соль неустойчива и легко разлагается даже оксидом углерода (IV):
Итак, фенол — слабая кислота. Но, оказывается, кислотные свойства фенола можно резко усилить. Для этого в молекулу фенола нужно ввести три нитрогруппы. И вот вам — довольно сильная кислота — пикриновая (от греч. пикрос — горький).
Эта кислота по силе превосходит уксусную кислоту.
Пикриновая кислота была получена в 1771 г. немецким химиком Питером Вульфом (1727(?)-1803) при действии на синий краситель (индиго) азотной кислотой. Образовавшаяся жидкость желтого цвета окрашивала шелк и шерсть в желтый цвет. Поэтому пикриновую кислоту стали использовать в качестве красителя. Однако ее строение долго оставалось неизвестным. Только в 1841 г. О. Лоран установил ее химическое строение.
Все шло, как обычно: химики получали эту кислоту, а текстильщики окрашивали ткани. И вдруг, спустя ровно 100 лет со дня открытия этой кислоты, оказалось, что она... взрывается! Обнаружили это в 1871 г., а в 1887 г. как бы в подтверждение этого произошел сильный взрыв на одной из красильных фабрик около г. Манчестера. Конечно, не обошлось, к сожалению, без жертв. Только после этого с пикриновой кислотой стали обращаться с осторожностью. Но ведь знали же, что кислота способна взрываться, и знали это на протяжении 16 лет до трагедии. Более того, за год до взрыва француз Тюрпен на основе пикриновой кислоты создал взрывчатое вещество — мелинит, которое было принято на вооружение во Франции...
Но продолжим разговор о феноле. Фенол — очень ценный продукт. Его используют для производства полимеров, красителей, лекарственных препаратов, взрывчатых веществ и др. Безвозвратно прошли те времена, когда фенолом обезвреживали выгребные ямы, свалки и даже туалеты. Сейчас фенол — настоящий клад для химиков. На основе этого вещества получают фенолформальдегидные полимеры, которые хорошо знакомы строителям, инженерам-конструкторам, специалистам многих профессий. Все началось с того, что А. Байер в 1872 г., нагревая фенол с формальдегидом, получил в колбе незнакомый смолообразный продукт. Такие продукты, от которых трудно отмыть лабораторную посуду, получали многие химики, вводя в реакцию некоторые вещества. Как обычно, такую посуду вместе со «смолой» выбрасывали на свалку. Точно так же поступил и А. Байер, не придав значения той «грязи», из-за которой пришлось проститься с колбой. Однако иначе поступил американский химик Лео Хендрик Бакеланд (1863-1944). Он не выбросил колбу со смолообразным веществом, а стал тщательно исследовать его. Он изменял условия проведения реакций, добавлял к полученной «смоле» различные вещества типа древесной муки или асбеста. В результате многочисленных экспериментов ученый получил полимер, пригодный к техническому использованию. Начиная с 1908 г. этот продукт стал широко применяться под названием бакелит. Можно так изобразить часть огромной молекулы этого полимера:
В настоящее время фенолформальдегидные полимеры используют для производства клеев, лаков, эмалей, твердых древесноволокнистых и древесностружечных плит (ДВП и ДСП), стеклотекстолита, а также для изготовления крупногабаритных панелей и плит для стен и перекрытий зданий, сборных конструкций складов, гаражей и т. д. В фенолформальдегидный полимер можно добавлять различные наполнители. С одной стороны, они снижают себестоимость полимера, а с другой — придают пластмассе новые качества. В зависимости от характера наполнителя полимерные материалы называются по-разному: фаолит (на основе асбеста), стекловолокнит (на основе стекловолокна), арзамит (на основе графита), гетинакс (на основе бумаги), текстолит (на основе тканей).
Всем знакомо слово «капрон». Но не все знают, что этот полимер (а именно он носит это название) вырабатывают из фенола. Правда, путь, который проделывает фенол, чтобы стать капроном, очень длительный и сложный. В конечном продукте (капроне) вы уже не увидите привычного бензольного кольца. Действительно, посмотрите на формулу капрона:
Капрон используют главным образом в качестве текстильных волокон, часто в комбинации с природными волокнами. Из них вырабатывают нити для вязания, канаты, парашютный шелк, небольшие детали (например, шестеренки) и т. д. Но особое значение это волокно приобрело для изготовления женских чулок, производство которых начато еще в 1939 г. (США).
Если в бензольное кольцо ввести две или три гидроксильные группы, то можно получить ряд двухатомных и трехатомных фенолов.
Многоатомные фенолы в химических реакциях могут участвовать одной, двумя и даже тремя гидроксильными группами. Такие фенолы — более сильные кислоты, чем обычный фенол. Они легче растворяются в воде, окисляются. Некоторые из производных этих фенолов применяют как лекарственные препараты, компоненты красителей, составные части фотопроявителей. Так, гидрохинон, полученный еще в 1830 г. при сухой перегонке хинной кислоты, нашел применение в фотографии в качестве восстановителя. Это связано с тем, что при окислении гидрохинон легко переходит в хинон (эта реакция обратима).
Эта реакция и легла в основу фотографического процесса. Гидрохинон при проявлении восстанавливает бромистое серебро до металлического, образуя черное изображение на бумаге.
Некоторые производные пирокатехина играют важную роль в жизнедеятельности человека и животных, например адреналин.
Адреналин — гормон. Его выделили из надпочечников и в 1902 г. установили его строение. Он способствует передаче нервного возбуждения, участвует в обмене веществ, а также влияет на деятельность сердечно-сосудистой системы.
Вот такая удивительная гидроксильная группа. И пусть не удивляет вас то, что в разных соединениях ее свойства проявляются по-разному.
Глава 6Два противоположных мира
6.1. Союз двух групп
Итак, водородный атом гидроксильной группы может иметь различную подвижность в зависимости от того, с чем связана эта группа. Например, в молекуле фенола этот водород гораздо подвижнее, чем в молекуле спирта. Поэтому спирт — вещество нейтральное, а фенол — слабокислое. Но, как известно, водород гидроксила может стать еще «кислее», т. е. подвижнее. Помните пикриновую кислоту? На усиление кислотных свойств в ней «работают» три нитрогруппы. Но есть вещества, в которых в качестве таких «усилителей» может быть карбонильная группа:
Попробуем мысленно связать гидроксильную группу с карбонильной. В результате получим новую группу следующего строения:
Такая группа существует в действительности и входит в состав карбоновых кислот. Ее называют карбоксильной группой. Это название вполне объяснимо. Оно произошло в результате слияния двух групп карбонильной («карб») и гидроксильной («окси»). Так появился химический термин — карбоксигруппа.
Для того чтобы узнать, как «работает» карбоксильная группа, мы снова расчленим ее на две составляющие — гидроксильную и карбонильную — и рассмотрим их в отдельности. Но сейчас эта задача намного упрощается. О гидроксильной группе мы многое знаем. Например, то, что она ведет себя по-разному в зависимости от того, с чем она связана. Например, в спиртах она одна, а в фенолах — другая. Но изменится ли что-нибудь, если в этих веществах между радикалами (алифатическими или ароматическими) и гидроксильной группой «внедрить» карбонильную группу? Но не будем спешить. Ведь мы не знаем еще строение карбонильной группы, которая должна усилить кислотные свойства гидроксила.
Карбонильная группа содержит двойную связь, которая, как и в алкенах, состоит из σ- и π-связей. Но в отличие от этиленовой двойной связи она достаточно поляризована (атом кислорода более электроотрицателен, чем атом углерода), поэтому π-электронная плотность в ней смещена в сторону атома кислорода:
Установлено также, что полярность карбонильной группы в 6 раз выше, чем гидроксильной группы. Это очень важно! Если гидроксильную группу соединить с карбонильной, то последняя будет усиливать поляризацию связи О—Н. А это приводит к тому, что гидроксильная группа будет достаточно легко отщеплять водород в виде протона:
Так протекает процесс, который называется кислотной диссоциацией. Почему кислотной? Потому что соединение, в молекуле которого радикал связан с карбоксильной группой (гидроксильная + карбонильная), будет уже карбоновой кислотой.
Однако карбоновые кислоты — слабые кислоты. Конечно, по кислотным свойствам они превосходят фенол, но очень сильно уступают многим минеральным кислотам (серной, азотной, соляной и другим). По силе карбоновые кислоты проигрывают им в миллионы раз.
Мы начали рассказ о карбоновых кислотах. Но прежде давайте ответим на главный вопрос: какие вещества называют кислотами, а какие — основаниями?