Lý thuyết trọng tâm

I. Khái niệm

Phenol là những hợp chất hữu cơ trong phân tử có nhóm –OH liên kết trực tiếp với nguyên tử carbon của vòng benzene.

Hợp chất phenol đơn giản nhất có công thức là $\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}$ cũng có tên gọi riêng là phenol.

Tên thông thường của một số phenol:

Phân biệt phenol và alcohol:

• Phenol: nhóm –OH gắn trực tiếp vào vòng benzene (C của vòng thơm)
• Alcohol thơm: nhóm –OH gắn vào carbon no (không phải C của vòng benzene)
• Ví dụ: $\text{C}_6\text{H}_5\text{CH}_2\text{OH}$ (benzyl alcohol) là alcohol, không phải phenol

II. Đặc điểm cấu tạo của phenol

Trong phân tử phenol, do ảnh hưởng của vòng benzene nên liên kết O–H của phenol phân cực mạnh hơn so với alcohol → phenol thể hiện tính acid yếu.

Ngoài ra, do có vòng benzene nên phenol có thể tham gia phản ứng thế nguyên tử hydrogen của vòng benzene.

Tóm tắt ảnh hưởng qua lại:

III. Tính chất vật lí

Lưu ý an toàn: Phenol là chất độc, cần cẩn thận khi sử dụng. Khi bị bỏng do tiếp xúc với phenol, cần rửa vết thương bằng xà phòng có tính kiềm nhẹ.

IV. Tính chất hóa học

1. Phản ứng thế nguyên tử H của nhóm –OH (tính acid của phenol)

Trong dung dịch nước, phenol phân li theo cân bằng sau:

$$\text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{C}_6\text{H}_5\text{O}^- + \text{H}_3\text{O}^+$$

Đặc điểm tính acid của phenol:

• Phenol là một acid yếu
• Dung dịch phenol không làm đổi màu quỳ tím

Phenol có thể phản ứng được với:

• Kim loại kiềm (Na, K)
• Dung dịch base (NaOH, KOH)
• Muối sodium carbonate ($\text{Na}_2\text{CO}_3$)

Phương trình phản ứng:

a) Với dung dịch NaOH:

$$\text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + \text{NaOH} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{ONa} + \text{H}_2\text{O}$$

Sản phẩm: sodium phenolate ($\text{C}_6\text{H}_5\text{ONa}$)

b) Với dung dịch $\text{Na}_2\text{CO}_3$:

$$\text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + \text{Na}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{C}_6\text{H}_5\text{ONa} + \text{NaHCO}_3$$

Giải thích: Phenol có tính acid mạnh hơn nấc hai của carbonic acid ($\text{H}_2\text{CO}_3$) nên có thể phản ứng được với muối carbonate.

So sánh tính acid:

$$\text{H}_2\text{CO}_3 \text{ (nấc 1)} > \text{C}_6\text{H}_5\text{OH} > \text{H}_2\text{CO}_3 \text{ (nấc 2)} > \text{H}_2\text{O} > \text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$$

Hay viết gọn:

$$\boxed{\text{Carbonic acid} > \text{Phenol} > \text{Alcohol}}$$

Bảng so sánh phenol và alcohol:

2. Phản ứng thế ở vòng thơm

Phenol có thể tham gia phản ứng thế nguyên tử hydrogen của vòng benzene. Phản ứng thế ưu tiên vào vị trí 2, 4 và 6 (ortho và para so với nhóm –OH).

a) Phản ứng bromine hóa

Phenol phản ứng với nước bromine tạo sản phẩm thế kết tủa màu trắng.

Hiện tượng:

• Nước bromine mất màu (từ màu vàng cam → không màu)
• Xuất hiện kết tủa trắng (2,4,6-tribromophenol)

So sánh với benzene:

• Benzene: cần $\text{Br}_2$ khan, xúc tác $\text{FeBr}_3$, đun nóng → chỉ thế 1 Br
• Phenol: chỉ cần nước bromine, nhiệt độ thường, không cần xúc tác → thế 3 Br

→ Do ảnh hưởng của nhóm –OH, phản ứng thế nguyên tử hydrogen ở vòng benzene của phenol xảy ra dễ dàng hơn nhiều so với benzene.

b) Phản ứng nitro hóa

Phenol phản ứng với dung dịch nitric acid đặc trong dung dịch sulfuric acid đặc tạo thành sản phẩm 2,4,6-trinitrophenol (picric acid):

Điều kiện: $\text{HNO}_3$ đặc, $\text{H}_2\text{SO}_4$ đặc, đun nóng

Sản phẩm: 2,4,6-trinitrophenol (picric acid) – tinh thể màu vàng

V. Ứng dụng

VI. Điều chế

1. Từ cumene (isopropylbenzene)

Phenol được tổng hợp từ cumene bằng phản ứng oxi hóa bởi oxygen rồi thủy phân trong môi trường acid:

Sản phẩm: phenol + acetone

→ Hiện nay, phần lớn phenol và acetone đều được sản xuất trong công nghiệp theo phương pháp này.

2. Từ nhựa than đá

Phenol còn được điều chế từ nhựa than đá bằng phương pháp chưng cất.

Phương pháp giải các dạng bài tập

Ba số liệu phải thuộc lòng:

$$M_{\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}} = 94 \qquad M_{\text{C}_6\text{H}_2\text{Br}_3\text{OH}} = 331 \qquad M_{\text{C}_6\text{H}_5\text{ONa}} = 116$$

Bảng phân biệt phenol với alcohol và hydrocarbon – đây là công cụ dùng cho hầu hết các dạng tính toán của bài:

Đơn vị thể tích khí theo chương trình mới: ở điều kiện chuẩn (đkc: $25^\circ\text{C}$, 1 bar), $1$ mol khí chiếm $24{,}79$ lít.

Dạng 1: Xác định sản phẩm phản ứng thế ở vòng thơm

Phương pháp giải

Bước 1. Đánh số vòng benzene, đặt nhóm $-\text{OH}$ ở vị trí số 1.

Bước 2. Xác định các vị trí ưu tiên thế. Do ảnh hưởng của nhóm $-\text{OH}$, phản ứng thế ưu tiên vào vị trí 2, 4 và 6 (các vị trí ortho và para so với nhóm $-\text{OH}$).

Bước 3. Đếm số vị trí ưu tiên còn trống. Đây là bước quyết định:

$$\text{Số nguyên tử Br thế vào} = \text{số vị trí 2, 4, 6 chưa có nhóm thế nào}$$

Bước 4. Viết phương trình. Mỗi nguyên tử Br thế vào sinh ra một phân tử $\text{HBr}$:

$$\text{Phenol} + n\text{Br}_2 \longrightarrow \text{sản phẩm thế} + n\text{HBr}$$

Bước 5. Nêu hiện tượng: nước bromine mất màu và xuất hiện kết tủa trắng.

Điểm cần nhấn mạnh khi so với benzene: benzene cần $\text{Br}_2$ khan, xúc tác $\text{FeBr}_3$, đun nóng và chỉ thế được 1 nguyên tử Br. Phenol chỉ cần nước bromine ở nhiệt độ thường, không cần xúc tác mà thế được tới 3 nguyên tử Br. Đây là bằng chứng cho ảnh hưởng của nhóm $-\text{OH}$ lên vòng benzene.

Bài tập mẫu

Đề bài: Viết phương trình hoá học và nêu hiện tượng khi cho các chất sau tác dụng với nước bromine:

a) Phenol.

b) 4-methylphenol (p-cresol).

Lời giải

Câu a. Phenol có cả ba vị trí 2, 4, 6 đều trống nên thế được 3 nguyên tử Br:

$$\text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + 3\text{Br}_2 \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_2\text{Br}_3\text{OH}\downarrow + 3\text{HBr}$$

Sản phẩm là 2,4,6-tribromophenol, kết tủa màu trắng.

Câu b. 4-methylphenol có nhóm $-\text{CH}_3$ chiếm vị trí 4, chỉ còn hai vị trí 2 và 6 trống nên thế được 2 nguyên tử Br:

$$p\text{-CH}_3\text{C}_6\text{H}_4\text{OH} + 2\text{Br}_2 \longrightarrow \text{CH}_3\text{C}_6\text{H}_2\text{Br}_2\text{OH}\downarrow + 2\text{HBr}$$

Sản phẩm là 2,6-dibromo-4-methylphenol, kết tủa màu trắng.

Hiện tượng chung: nước bromine mất màu vàng cam, đồng thời xuất hiện kết tủa trắng.

Dạng 2: Bài toán phản ứng của phenol với nước bromine

Phương pháp giải

Bước 1. Viết phương trình và xác định tỉ lệ mol. Với phenol, kết tủa là 2,4,6-tribromophenol:

$$\text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + 3\text{Br}_2 \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_2\text{Br}_3\text{OH}\downarrow + 3\text{HBr}$$

$$n_{\text{phenol}} = n_{\downarrow} = \frac{1}{3}\,n_{\text{Br}_2}$$

Bước 2. Tính số mol kết tủa với $M_{\downarrow} = 331$:

$$n_{\downarrow} = \frac{m_{\downarrow}}{331}$$

Bước 3. Suy ra khối lượng phenol: $m_{\text{phenol}} = 94\,n_{\downarrow}$.

Bước 4 (nâng cao) – dùng phương pháp tăng giảm khối lượng để tìm công thức đồng đẳng của phenol.

Khi thay $k$ nguyên tử H bằng $k$ nguyên tử Br, khối lượng mol tăng:

$$\Delta M = k,(80 – 1) = 79k$$

Do đó:

$$n_{\text{chất}} = \frac{m_{\downarrow} – m_{\text{chất ban đầu}}}{79k} \qquad ; \qquad M_{\text{chất}} = \frac{m_{\text{chất ban đầu}}}{n_{\text{chất}}}$$

Với đồng đẳng của phenol đơn chức $\text{C}_n\text{H}_{2n-6}\text{O}$ thì $M = 14n + 10$.

Vì sao $331 – 94 = 237$? Vì $237 = 3 \times 79$, đúng bằng độ tăng khối lượng khi thay 3 nguyên tử H bằng 3 nguyên tử Br. Nhớ con số này giúp kiểm tra kết quả rất nhanh.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Cho dung dịch bromine dư vào dung dịch chứa $a$ gam phenol, thu được $33{,}1$ gam kết tủa trắng. Tính $a$.

Lời giải

Bước 1. Số mol kết tủa. Kết tủa là 2,4,6-tribromophenol với $M = 331$:

$$n_{\downarrow} = \frac{33{,}1}{331} = 0{,}1\,\text{mol}$$

Bước 2. Số mol phenol. Theo phương trình, tỉ lệ phenol và kết tủa là $1 : 1$:

$$n_{\text{phenol}} = n_{\downarrow} = 0{,}1\,\text{mol}$$

Bước 3. Khối lượng phenol

$$a = 0{,}1 \times 94 = 9{,}4\,\text{gam}$$

Kết luận: $a = 9{,}4$ gam.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Một dung dịch X chứa $5{,}4$ gam một chất đồng đẳng đơn chức của phenol. Cho X phản ứng hoàn toàn với nước bromine dư, thu được $17{,}25$ gam hợp chất chứa 3 nguyên tử bromine trong phân tử. Xác định công thức phân tử của chất đó.

Lời giải

Bước 1. Áp dụng tăng giảm khối lượng. Sản phẩm chứa 3 nguyên tử Br, tức đã thay 3 nguyên tử H, nên mỗi mol chất làm khối lượng tăng:

$$\Delta M = 3 \times (80 – 1) = 237$$

Bước 2. Số mol chất ban đầu

$$n = \frac{17{,}25 – 5{,}4}{237} = \frac{11{,}85}{237} = 0{,}05\,\text{mol}$$

Bước 3. Khối lượng mol

$$M = \frac{5{,}4}{0{,}05} = 108$$

Bước 4. Tìm công thức phân tử. Đồng đẳng đơn chức của phenol có dạng $\text{C}_n\text{H}_{2n-6}\text{O}$:

$$14n + 10 = 108 \Rightarrow 14n = 98 \Rightarrow n = 7$$

Kết luận: Chất đó là $\text{C}_7\text{H}_8\text{O}$, tức $\text{CH}_3-\text{C}_6\text{H}_4-\text{OH}$ (cresol).

Suy luận thêm về cấu tạo: vì sản phẩm chứa đúng 3 nguyên tử Br nên cả ba vị trí 2, 4, 6 đều phải còn trống. Chỉ có 3-methylphenol (m-cresol) thoả mãn; hai đồng phân o– và p-cresol có nhóm $-\text{CH}_3$ chiếm mất một vị trí ưu tiên nên chỉ thế được 2 nguyên tử Br.

Dạng 3: Bài toán hỗn hợp phenol và alcohol tác dụng với sodium

Phương pháp giải

Dạng này khai thác điểm khác nhau giữa hai chất: cả hai đều phản ứng với Na, nhưng chỉ phenol phản ứng với nước bromine. Nhờ đó tách được hai ẩn số.

Bước 1. Viết hai phương trình với Na. Cả phenol và alcohol đều có nhóm $-\text{OH}$ nên đều giải phóng $\text{H}_2$ theo cùng một tỉ lệ:

$$2\text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + 2\text{Na} \longrightarrow 2\text{C}_6\text{H}_5\text{ONa} + \text{H}_2\uparrow$$

$$2\text{R}-\text{OH} + 2\text{Na} \longrightarrow 2\text{R}-\text{ONa} + \text{H}_2\uparrow$$

$$\Rightarrow n_{\text{phenol}} + n_{\text{alcohol}} = 2\,n_{\text{H}_2}$$

Bước 2. Dùng phản ứng với nước bromine để tìm riêng số mol phenol:

$$n_{\text{phenol}} = n_{\downarrow} = \frac{m_{\downarrow}}{331}$$

Bước 3. Suy ra số mol alcohol:

$$n_{\text{alcohol}} = 2{\;}n_{\text{H}_2} – n_{\text{phenol}}$$

Bước 4. Tính khối lượng từng chất và phần trăm theo yêu cầu đề.

Bẫy thường gặp: nếu đề chia dung dịch thành hai phần bằng nhau rồi cho mỗi phần phản ứng với một thuốc thử khác nhau, thì kết quả tính được là của một phần. Muốn ra khối lượng của cả dung dịch ban đầu phải nhân đôi.

Bài tập mẫu

Đề bài: Cho hỗn hợp X gồm ethanol và phenol tác dụng với Na dư, thu được $3{,}7185$ lít khí $\text{H}_2$ (đkc). Mặt khác, cùng lượng hỗn hợp X đó tác dụng vừa đủ với nước bromine, thu được $19{,}86$ gam kết tủa trắng. Tính phần trăm khối lượng của phenol trong hỗn hợp X.

Lời giải

Bước 1. Tổng số mol hai chất

$$n_{\text{H}_2} = \frac{3{,}7185}{24{,}79} = 0{,}15\,\text{mol}$$

Cả hai chất đều có 1 nhóm $-\text{OH}$ nên:

$$n_{\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}} + n_{\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}} = 2 \times 0{,}15 = 0{,}3{\;}\text{mol}$$

Bước 2. Số mol phenol. Chỉ phenol tạo kết tủa với nước bromine:

$$n_{\text{C}_6\text{H}_5\text{OH}} = \frac{19{,}86}{331} = 0{,}06\,\text{mol}$$

Bước 3. Số mol ethanol

$$n_{\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}} = 0{,}3 – 0{,}06 = 0{,}24\,\text{mol}$$

Bước 4. Tính phần trăm khối lượng

$$m_{\text{phenol}} = 0{,}06 \times 94 = 5{,}64\,\text{gam}$$

$$m_{\text{ethanol}} = 0{,}24 \times 46 = 11{,}04\,\text{gam}$$

$$m_{\text{X}} = 5{,}64 + 11{,}04 = 16{,}68\,\text{gam}$$

$$\%m_{\text{phenol}} = \frac{5{,}64}{16{,}68} \times 100\% \approx 33{,}8\%$$

Kết luận: Phenol chiếm khoảng $33{,}8\%$ khối lượng hỗn hợp X.

Dạng 4: Bài toán phenol tác dụng với dung dịch NaOH

Phương pháp giải

Dạng này khai thác điểm khác nhau: chỉ phenol phản ứng với NaOH, alcohol và hydrocarbon thì không.

Bước 1. Viết phương trình:

$$\text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + \text{NaOH} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{ONa} + \text{H}_2\text{O} \qquad n_{\text{phenol}} = n_{\text{NaOH}}$$

Bước 2. Hiểu hiện tượng tách lớp khi hỗn hợp có hydrocarbon:

Bước 3. Tính khối lượng lớp chất lỏng khi đề cho thể tích và khối lượng riêng:

$$m = V \times D$$

Bước 4. Suy ra khối lượng phenol bằng hiệu số:

$$m_{\text{phenol}} = m_{\text{hỗn hợp ban đầu}} – m_{\text{lớp trên}}$$

Ứng dụng thực tế: đây chính là cách tách phenol ra khỏi hỗn hợp với hydrocarbon trong phòng thí nghiệm: cho tác dụng với NaOH để chuyển phenol thành muối tan, chiết lấy lớp nước, sau đó sục $\text{CO}_2$ vào để tái tạo phenol.

Bài tập mẫu

Đề bài: Một hỗn hợp gồm $25$ gam phenol và benzene được cho tác dụng với dung dịch NaOH dư, thấy tách ra hai lớp chất lỏng phân cách. Lớp chất lỏng phía trên có thể tích $19{,}5$ mL và khối lượng riêng $0{,}8$ g/mL. Tính khối lượng phenol trong hỗn hợp ban đầu.

Lời giải

Bước 1. Xác định thành phần từng lớp. Phenol phản ứng với NaOH tạo $\text{C}_6\text{H}_5\text{ONa}$ tan trong nước, nằm ở lớp dưới. Benzene không phản ứng, không tan trong nước và nhẹ hơn nước nên nổi lên lớp trên.

$$\text{C}_6\text{H}_5\text{OH} + \text{NaOH} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_5\text{ONa} + \text{H}_2\text{O}$$

Bước 2. Khối lượng benzene (lớp trên)

$$m_{\text{benzene}} = V \times D = 19{,}5 \times 0{,}8 = 15{,}6\,\text{gam}$$

Bước 3. Khối lượng phenol

$$m_{\text{phenol}} = 25 – 15{,}6 = 9{,}4\,\text{gam}$$

Kết luận: Hỗn hợp ban đầu chứa $9{,}4$ gam phenol (ứng với $0{,}1$ mol).

Bảng tra nhanh

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ