فنول

فنول (Phenol)

فنول ( Phenol) با فرمول شیمیایی ​\( C_{6}H_{5}OH \)​ ساده‌ترین عضو خانواده الکل‌های آروماتیک و یکی از مهم‌ترین مواد اولیه در صنعت شیمی است. این ماده اولین بار در سال ۱۸۳۴ از قطران زغال‌سنگ جدا شد و نام اولیه آن کربولیک اسید (Carbolic acid) بود. از یک حلقه بنزن و یک گروه هیدروکسیل تشکیل شده است. فنول اولین ترکیب آلی با ساختار آروماتیک بود که گروه ​\( -OH \)​داشت .

ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی

• ظاهر: جامد بلوری سفید یا بی‌رنگ (در دمای اتاق). با جذب رطوبت هوا به تدریج صورتی یا قرمز می‌شود. زیرا در حضور اکسیژن هوا به آرامی به کینون ها و ترکیبات پلیمری رنگی اکسید می شود
• بوی مشخص: بوی تند و مشخص (شبیه بوی بیمارستان‌های قدیمی)
• نقطه ذوب: ۴۰/۵ درجه سانتی‌گراد
• نقطه جوش: ۱۸۱/۷ درجه سانتی‌گراد
• حلالیت: تا حدی در آب حل می‌شود (حدود ۸/۳ گرم در ۱۰۰ میلی‌لیتر آب در ۲۰ درجه) اما کاملاً در حلال‌های آلی مثل الکل، اتر و بنزن حل می‌شود.
• اسیدیته: فنول اسیدی ضعیف است (pKa ≈ ۱۰) و قوی‌تر از الکل‌های معمولی اما ضعیف‌تر ازکربنیک اسید

تاریخچه و کشف

• ۱۸۳۴: توسط فریدلیب فردیناند رونگه از قطران زغال‌سنگ جدا شد.
• ۱۸۶۵: جوزف لیستر (پدر جراحی مدرن ضدعفونی) از فنول به عنوان اولین ضدعفونی‌کننده جراحی استفاده کرد و مرگ‌ومیر ناشی از عفونت‌های بعد از عمل را به شدت کاهش داد.
• تا قبل از جنگ جهانی اول، تقریباً تمام فنول جهان از قطران زغال‌سنگ به دست می‌آمد.

روش‌های تولید صنعتی کنونی

امروز بیش از ۹۵٪ فنول جهان از روش‌های پتروشیمی تولید می‌شود:

الف )کومن (Cumene Process) : رایج‌ترین روش (بیش از ۹۵٪ تولید جهانی)

​\( C_{6}H_{6}(l)+H_{3}C-CH=CH_{2}(g)\xrightarrow[\hspace{1.5cm}]{AlCl_{3}}C_{6}H_{5}-CH(CH_{3})_{2}(l) \\ C_{6}H_{5}-CH(CH_{3})_{2}(l)+O_{2}(g)\xrightarrow[\hspace{1.5cm}]{50-130^{\circ}C}C_{6}H_{5}-C(CH_{3})_{2}-OOH(l) \\ C_{6}H_{5}-C(CH_{3})_{2}-OOH(l)\xrightarrow[H_{2}SO_{4}]{60-100^{\circ}C}C_{6}H_{5}OH(l)+H_{3}CCOCH_{3}(l) \)​

ب ) تولوئن–بنزوئیک اسید

​\( C_{6}H_{5}CH_{3}(l)+3O_{2}(g)\xrightarrow[Co/Mn]{\Delta}C_{6}H_{5}COOH(aq)+H_{2}O(l)\\ C_{6}H_{5}COOH(aq)+NaOH(aq)\xrightarrow[\hspace{1cm}]{}C_{6}H_{5}COONa(aq)+H_{2}O(l) \\ C_{6}H_{5}COONa(s)+2NaOH(aq)\xrightarrow[320-350^{\circ}C]{2-5atm}C_{6}H_{5}ONa(aq)+Na_{2}CO_{3}(aq) \\ C_{6}H_{5}ONa(aq)+HCl(aq)\xrightarrow[\hspace{1cm}]{}C_{6}H_{5}OH(aq)+NaCl(aq) \)​

پ )سولفوناسیون بنزن (قدیمی‌تر و البته در ایران هنوز استفاده می‌شود) تولید جهانی فنول در سال ۲۰۲۴ حدود ۱۳–۱۴ میلیون تن در سال بود.

​\( C_{6}H_{6}(l)+H_{2}SO_{4}(aq)\xrightarrow[60-80^{\circ}C]{SO_{3}}C_{6}H_{5}SO_{3}H(aq)+H_{2}O(l)\\ C_{6}H_{5}SO_{3}H(aq)+NaOH(aq)\xrightarrow[\hspace{1cm}]{}C_{6}H_{5}SO_{3}Na(aq)+H_{2}O(l) \\ C_{6}H_{5}SO_{3}Na(aq)+2NaOH(aq)\xrightarrow[320-350^{\circ}C]{O_{2}/air}C_{6}H_{5}ONa(aq)+Na_{2}SO_{4}(aq) \\ C_{6}H_{5}ONa(aq)+HCl(aq)\xrightarrow[\hspace{1cm}]{}C_{6}H_{5}OH(aq)+NaCl(aq) \)​

کاربردهای فنول

فنول ماده اولیه بسیار مهمی است و حدود ۹۰٪ آن به محصولات زیر تبدیل می‌شود:

الف ) رزین‌های فنولیک (۴۵٪ مصرف)

• • معروف‌ترین: رزین باکلیت (اولین پلاستیک صنعتی تاریخ)
  • چسب‌های چوب، تخته‌های چندلا، عایق‌های الکتریکی

ب )بیسفنول A (BPA) (۳۰–۳۵٪ مصرف)

• • ماده اولیه پلی‌کربنات و رزین‌های اپوکسی
  • (توجه: به دلیل نگرانی‌های سلامتی، استفاده از BPA در برخی کشورها محدود شده)

پ )تبدیل کاپرولاکتام به نایلون-۶

ت )سالیسیلیک اسید  در تهیه آسپیرین و داروها ( در این روش کربن دی اکسید را از سالیسیلیک اسید حذف می کنند. )

​\( C_{6}H_{4}(OH)COOH(aq)\xrightarrow[200-250^{\circ}C]{1atm/H_{2}O}C_{6}H_{5}OH(aq)+CO_{2}(g) \)​

ث )فنول‌فرمالدئید در رزین‌های قالب‌گیری

ج )مواد نگهدارنده و ضدعفونی‌کننده (در غلظت‌های پایین)

ح )ترکیبات آلی واسطه در تولید رنگ، عطر، دارو و آفت‌کش‌ها

خطرات و سمیت فنول

فنول یکی از خطرناک‌ترین مواد شیمیایی رایج است:

• بسیار سمی و خورنده است
• جذب سریع از طریق پوست (حتی ۶۰٪ محلول آبی می‌تواند در چند دقیقه کشنده باشد)
• باعث سوختگی شیمیایی شدید پوست می‌شود (ابتدا بی‌حس می‌کند، بعد پوست سفید و سپس می‌سوزد)
• آسیب شدید به کبد، کلیه و سیستم عصبی مرکزی
• در گذشته از آن برای اعدام (تزریق فنول) در برخی اردوگاه‌های کار اجباری استفاده می‌شد
• در غلظت‌های بسیار رقیق (کمتر از ۱٪) هنوز به عنوان ضدعفونی‌کننده و ماده نگهدارنده استفاده می‌شود (مثلاً در برخی واکسن‌ها و قطره‌های بینی)

نکات جالب

• فنول اولین ضدعفونی‌کننده‌ای بود که جراحی را از «قصابی» به علم تبدیل کرد.
• استون (محصول جانبی تولید فنول) خودش یکی از مهم‌ترین حلال‌های صنعتی است.
• نام «فنول» از کلمه یونانی phaino به معنی «درخشیدن» گرفته شده چون در گذشته از آن برای تولید رنگ‌های درخشان استفاده می‌شد.

استفاده به‌عنوان ضدعفونی‌کننده و آنتی‌سپتیک

فنول زمانی یکی از اولین ضدعفونی‌کننده‌های بیمارستانی بود ، در دههٔ ۱۸۶۰، مرگ‌ومیر ناشی از عفونت‌های پس از عمل جراحی بسیار زیاد بود. لایستر متوجه شد که میکروب‌ها عامل اصلی این عفونت‌ها هستند (با الهام از نظریهٔ میکروب‌شناسی لویی پاستور) او برای ازبین‌بردن میکروب‌ها از فنول (کربولیک اسید) به‌عنوان ضدعفونی‌کننده استفاده کرد.امروزه مشتقات کم‌خطرتر فنول مانند:کلروفنول‌ها ، هگزی‌کلروفن ، تری‌کلوسان در صابون‌ها، دهان‌شویه‌ها و مواد ضدعفونی استفاده می‌شوند.

نوآوری‌های لایستر

لایستر اولین کسی بود که ، ابزار جراحی را با فنول ضدعفونی کرد ،  زخم‌های بیمار را با محلول فنول شست‌وشو داد

 اتاق عمل و پانسمان‌ها را با فنول اسپری کرد . نتیجه اینکه میزان عفونت به‌شدت کاهش یافت و این روش به‌عنوان «جراحی آنتی‌سپتیک» شناخته شد.

واکنش‌های مهم فنول

• تشکیل نمک با بازهای قوی

​\( C_{6}H_{5}OH(s)+NaOH(aq)\xrightarrow[]{}C_{6}H_{5}ONa(aq)+H_{2}O(l) \)​

• برم‌دار شدن (تشکیل رسوب کریستالی 2 ،4 ،6 -تری‌برموفنول)

​\( C_{6}H_{5}OH(s)+3Br_{2}(l)\xrightarrow[CHCl_{3}]{25^{\circ}C}C_{6}H_{2}(Br_{3})OH(s)+3HBr(aq) \)​

• نیتراسیون (تشکیل نیتروفنول‌ها)

​\( C_{6}H_{5}OH(s)+HNO_{3}(aq)\xrightarrow[]{25^{\circ}C}C_{6}H_{4}(NO_{2})OH(s)+H_{2}O(l) \)​

• واکنش با اسیدهای آلی برای تولید استر

فنول بر خلاف الکل های معمولی ، به سادگی با اسیدهای کربوکسیلیک واکنش مستقیم استرسازی فیشر نمی دهد ، زیرا قدرت اسیدی فنول از کربوکسیلیک اسید کمتر بوده و تعادل تمایلی به تشکیل استر ندارد . گروه ​\( -OH \)​در فنول به دلیل پدیدۀ رزونانس با حلقۀ بنزن خاصیت نوکلئوفیلی بسیار ضعیف تری دارد .

​\( C_{6}H_{5}OH(s)+CH_{3}COCl(aq)\xrightarrow[\hspace{1cm}]{}C_{6}H_{5}COOCH_{3}(l)+HCl(aq) \)​

• اکسیداسیون و تشکیل کینون‌ها

در این واکنش از فنول در حضور اکسنده هایی مثل پرمنگنات ، دی کرومات ، فروسیانید یا اکسیژن فعال ، پارا بنزوکینون حاصل می شود .که در جریان آن ، فنول دو اتم هیدروژن از دست داده و یک مولکول آب تشکیل می شود . حلقۀ آروماتیک اکسید شده و دو گروه کربونیل ​\( C=O \)​در موقعیت های پارا ایجاد می شود .

​\( 3C_{6}H_{5}OH(s)+4Cr_{2}O_{7}^{2-}(aq)+32H^{+}\xrightarrow[\hspace{1cm}]{}3C_{6}H_{4}O_{2}(s)+8Cr^{3+}+25H_{2}O(l) \)​

تهیه فنول از سالیسیلیک اسید