En \( 1865 \) , le chirurgien britannique Joseph Lister a fait quelque chose d'assez radical : il a utilisé du phénol, alors connu sous le nom d'acide carbolique, pour stériliser la fracture ouverte d'un jeune garçon pendant une opération. Le traitement a été un succès, et Lister a réussi à prévenir l'infection tout au long du processus de guérison. Il préconise l'utilisation de pansements imbibés d'acide carbolique pour traiter les plaies et encourage tous ses collègues chirurgiens à se laver les mains dans une solution d'acide carbolique à \( 5 \% \) avant et après l'opération. L'utilisation du phénol a permis de réduire d'un tiers le taux de mortalité dû aux maladies infectieuses après les opérations.
En conséquence, il est largement considéré comme le père de la chirurgie moderne. Dans ce résumé de cours, nous allons explorer la molécule qui a fait la renommée de Lister : le phénol.
- Ce résumé de cours est une introduction au phénol en chimie organique.
- Nous commencerons par voir ce qu'est exactement le phénol, notamment sa structure et sa formule.
- Nous examinerons le terme phénolique, le composé phénolique et l'acide phénolique.
- Nous aborderons ensuite ses propriétés, telles que ses points de fusion et d'ébullition, sa toxicologie, son acidité et ses effets directs.
- Ensuite, nous aborderons la production du phénol.
- Nous te donnerons un aperçu des réactions du phénol. Celles-ci comprennent la bromation, la chloration et la nitration.
- Nous terminerons notre résumé de cours par l'utilisation du phénol.
Phénol : Acide phénique
Le phénol (connu systématiquement sous le nom d'hydroxybenzène, ou acide phénique ou encore acide carbolique) est un composé organique aromatique constitué du groupe phényle \( C_6H_5- \) relié à un groupe hydroxyle \( -OH \).
Le phénol est un exemple de dérivé du benzène. Les dérivés du benzène sont formés lorsque nous prenons une molécule de benzène et que nous remplaçons un ou plusieurs de ses atomes d'hydrogène par différents substituants. L'élimination d'un atome d'hydrogène du benzène forme le groupe phényle \( C_6H_5- \) ; le substituant de remplacement détermine l'identité du dérivé du benzène. Dans le phénol, on remplace l'atome d'hydrogène du benzène par le groupe hydroxyle \( -OH \) .
Comme tous les dérivés du benzène, le phénol contient toujours l'anneau d'électrons délocalisés caractéristique du benzène. Un cycle benzénique est également connu sous le nom de groupe fonctionnel arène. Cela permet au phénol d'agir de la même manière que le benzène. Cependant, il se comporte de manière unique grâce à son groupe hydroxyle. Nous l'étudierons plus en détail lorsque nous examinerons les propriétés et les réactions du phénol.
Le benzène ne t'est pas familier ? Il s'agit probablement de l'exemple le plus simple et le plus connu de composé aromatique. Nous te recommandons de te familiariser avec cette molécule, sa structure et ses réactions typiques, car elles te préparent bien au reste de la chimie aromatique.
Les composés aromatiques constituent un bon point de départ - consulte le résumé pour tout ce que tu dois savoir sur le benzène.
Phénol : Dérivé du benzène
Comme nous l'avons mentionné, le phénol est constitué d'un groupe phényle \( C_6H_5- \) lié à un groupe hydroxyle \( -OH \) . Mets les deux ensemble, et tu obtiens la formule du phénol : \( C_6H_5OH \) .
Pour montrer la relation entre le phénol et le benzène, nous avons représenté leurs deux structures ci-dessous.
Fig.1- Les structures du benzène (à gauche) et du phénol (à droite), avec leurs groupes fonctionnels mis en évidence.
Que signifie le terme" phénolique " ?
Le terme phénolique a deux significations différentes.
Il désigne plus simplement tout composé aromatique, comme le phénol lui-même, où un ou plusieurs atomes d'hydrogène du cycle aromatique ont été remplacés par le groupe hydroxyle. Pour rendre la vie plus compliquée, tous ces composés peuvent également être appelés phénols !
Polyphénols : composé phénolique
Par exemple, un noyau benzénique aromatique avec des groupes hydroxyles à la place des atomes d'hydrogène attachés aux carbones \( 1 \) et \( 3 \) est un composé phénolique connu systématiquement sous le nom de 1,3-dihydroxybenzène.
Le terme phénolique peut également être utilisé plus spécifiquement pour désigner les résines synthétiques thermodurcissables fabriquées en faisant réagir du phénol avec un aldéhyde. Ces résines sont utilisées comme adhésifs et revêtements.
Fig.2- 1,3-dihydroxybenzène : Un exemple de composé phénolique, également connu sous le nom de type de phénol.
Qu'est-ce qu'un acide phénolique ?
Les acides phénoliques sont des types de composés acides aromatiques.
Un acide phénolique est un composé organique comportant au moins une fonction carboxylique et un hydroxyle phénolique.
Fig.3- L'acide salicylique est un type d'acide phénolique.
L'acide salicylique est un type d'acide phénolique. Il joue un rôle important dans la synthèse de l'aspirine.
Rends-toi sur le résumé de cours "synthèse organique" pour en savoir plus sur la synthèse de l'aspirine.
Quelles sont les propriétés du phénol ?
Maintenant que nous savons ce qu'est le phénol, nous pouvons examiner ses propriétés. En particulier, nous pouvons étudier les interactions entre ses deux groupes fonctionnels (le groupe phényle et le groupe hydroxyle) et la façon dont elles distinguent le phénol des molécules similaires.
Point de fusion et d'ébullition
Tu sais peut-être, grâce à des résumés comme celui sur les alcools, que les molécules dotées du groupe fonctionnel hydroxyle \(-OH \) peuvent former des liaisons hydrogène entre elles. Cela est dû à la grande différence d'électronégativité entre l'oxygène et l'hydrogène. Les liaisons hydrogène sont le type de liaisons intermoléculaires le plus puissant et nécessitent beaucoup d'énergie pour être surmontées. Par conséquent, les molécules qui présentent des liaisons hydrogène ont des points de fusion et d'ébullition élevés.
Rends-toi sur la page Liaisons intermoléculaires pour en savoir plus sur la liaison hydrogène.
Par exemple, compare le méthylbenzène \( C_6H_5CH_3 \) et le phénol. Tous deux ont le même nombre d'électrons, mais des points d'ébullition très différents. Cela s'explique par le fait que le phénol est lié à l'hydrogène, grâce à son groupe \( -OH \) , alors que le méthylbenzène ne l'est pas.
| Espèce | Méthylbenzène | Phénol |
| Formule | \( C_6H_5CH_3 \) | \( C_6H_5OH \) |
| Nombre d'électrons | \( 50 \) | \( 50 \) |
| Point d'ébullition \( (°C) \) | \( 111 \) | \( 182 \) |
Solubilité
De nombreuses molécules à chaîne courte comportant un groupe fonctionnel hydroxyle sont solubles dans l'eau. Cela est dû au fait qu'elles peuvent former des liaisons hydrogène avec les molécules de \( H_2O \) . Par exemple, l'éthanol \( C_2H_5OH \) et le propanol \( C_3H_7OH \) , deux exemples d'alcools, forment facilement des solutions aqueuses. Mais le phénol, comme d'autres alcools à chaîne plus longue, n'est que légèrement soluble dans l'eau. Cela est dû au fait que son groupe phényle non polaire perturbe la liaison hydrogène entre son groupe hydroxyle et les molécules d'eau, affaiblissant l'attraction entre eux.
Toxicologie
Le phénol est toxique. Les signes et symptômes du phénol sont appelés carbolisme.
- Le phénol est très rapidement absorbé par toutes les surfaces, même la peau intacte, et il provoque des nécroses et la desquamation des tissus à cause de sa remarquable propriété de pénétration.
- Il provoque une douleur brûlante, une anastase de la parole et difficile déglutition. Il n'y a pas de vomissement en raison de l'action anesthésique de l'acide carbolique.
- Les lèvres et la bouche sont corrodées et les brûlures sont blanches puis, plus tard, deviennent brunes en raison de la desquamation des tissus.
- Maintenant, les effets à distance sont principalement le choc, en raison de ses effets corrosifs et dépresseurs du SNC. Le patient est étourdi avec une peau froide et moite.
- Il y a une forte respiration avec une odeur phénolique et cela peut être confondu avec un empoisonnement à l'opium ou une surdose.
La dose fatale et la période fatale
- La dose fatale de phénol est d'environ 20 gouttes de phénol pur et probablement le double de la quantité de la plupart des désinfectants à base d'acide carbolique.
- La période fatale est d'environ 3 ou 4 heures. Le minimum enregistré est de trois minutes et le maximum de 60 heures.
Acidité
Le phénol est faiblement acide. Il perd un proton de son groupe hydroxyle lorsqu'il est en solution aqueuse, formant un ion phénoxyde \( C_6H_5O- \) .
Fig.4- Le phénol est faiblement acide et s'ionise donc en solution aqueuse.
Acidité du phénol, de l'éthanol et de l'eau
L'éthanol \( C_2H_5OH \) et l'eau \( H_2O \) contiennent tous deux le groupe hydroxyle et, comme le phénol, ils sont légèrement acides. Mais comment les acidités de ces trois molécules se comparent-elles ? Tout dépend de la stabilité de l'ion négatif formé lorsqu'elles cèdent un proton en solution. Le phénol s'ionise en ions phénoxyde, l'eau en ions hydroxyde et l'éthanol en ions éthoxyde. Plus l'ion résultant est stable, plus la molécule est acide.
- Le phénol est plus acide que l'éthanol et l'eau. Lorsqu'il s'ionise, il parvient à répartir la charge négative de l'atome d'oxygène sur l'ensemble du cycle aromatique d'électrons délocalisés, stabilisant ainsi l'ion phénoxyde.
- L'eau est moins acide que le phénol, mais plus acide que l'éthanol. L'ion hydroxyde formé lorsque l'eau s'ionise n'a aucun facteur influençant sa distribution de charge ou sa stabilité.
- L'éthanol est moins acide que le phénol et l'eau. Cela est dû au fait que son atome d'oxygène est lié à un groupe alkyle, qui est donneur d'électrons. Lorsque l'éthanol s'ionise, le groupe alcoolique repousse la charge négative de l'atome d'oxygène et augmente la densité de charge de l'oxygène, ce qui rend l'ion éthoxyde moins stable.
Fig.5- Les acidités relatives du phénol, de l'eau et de l'éthanol.
Le phénol est le plus acide, car il forme l'ion le plus stable lorsqu'il cède un proton en solution.
Effets directifs
Le phénol, comme de nombreux dérivés du benzène, prend part à des réactions de substitution électrophile. Ces réactions échangent un des atomes d'hydrogène du cycle benzénique aromatique du groupe phényle contre un autre atome ou groupe. Cependant, les réactions de substitution ne sont pas aléatoires, et le groupe hydroxyle joue un rôle dans la détermination de l'atome d'hydrogène à remplacer. Le groupe hydroxyle encourage les électrophiles à attaquer certains atomes de carbone du cycle benzénique ; c'est ce qu'on appelle un effet directeur.
En particulier, les groupes hydroxyles sont des groupes donneurs d'électrons. Si nous considérons le carbone lié au \( C-OH \) du phénol comme le numéro \( 1 \) du cycle aromatique, le groupe hydroxyle encourage les électrophiles à attaquer les carbones \( 2, 4 \) et \( 6 \) . Cela signifie que les substituants ont tendance à se lier à ces carbones, en remplaçant un atome d'hydrogène.
Fig.6- Les effets directeurs du groupe hydroxyle du phénol favorisent la substitution des atomes d'hydrogène liés aux carbones 2, 4 et 6.
Production de phénol
Avant de connaître les réactions du phénol, il est utile de comprendre comment on le produit.
Production de phénol à l'aide de phénylamine
Pour tes examens, tu dois savoir comment produire du phénol à partir d'amines aromatiques. Il s'agit d'une procédure en trois étapes, bien que les deux premières étapes se déroulent in situ. En bref, nous faisons réagir la phénylamine \( C_6H_5NH_2 \) avec l'acide nitreux \( HNO_2 \) pour produire un sel de diazonium instable. Le sel se décompose ensuite en phénol. Voici la réaction.
Formation de l'acide nitreux
Notre deuxième réactif, outre la phénylamine, est l'acide nitreux. L'acide nitreux \( HNO_2 \) ; également connu sous le nom d'acide nitrique \( (III) \) est un acide très instable et doit donc être fabriqué in situ en mélangeant du nitrite de sodium \( NaNO_2 \) avec un acide (généralement de l'acide chlorhydrique, \( HCl \) ). Nous réalisons cette étape dans un bain de glace, en maintenant la température en dessous de \( 10^{ \circ } C \) . La réaction forme également un sel, selon l'acide utilisé, mais ici, nous avons simplement représenté l'acide par \( H^+ \) :
$$ NaNO_2 + H^+ \rightarrow HNO_2 + Na^+ $$
Formation d'un sel de diazonium
Dans l'étape suivante de la réaction, l'acide nitreux réagit avec la phénylamine et un acide. La réaction est une fois de plus refroidie à moins de \( 10^{ \circ } C \) en utilisant un bain de glace. Globalement, on obtient un sel de diazonium et de l'eau.
$$ C_6H_5NH_2 + HNO_3 + H^+ \rightarrow C_6H_5N^+ \equiv N +2H_2O $$
Formation du phénol
Les sels de diazonium ne sont pas très stables. En chauffant la solution que nous venons de former, le sel de diazonium réagit avec l'eau. Il se décompose en phénol \( C_6H_5OH \) et en azote \( N_2 \) , et régénère l'acide \( H^+ \) utilisé à l'étape \( 2 \) :
$$ C_6H_5N^+ \equiv N + H_2O \rightarrow C_6H_5OH + N_2 + H^+ $$
Reconnais-tu ce processus ? C'est la même réaction que celle utilisée au début de la production des composés azoïques. Les composés azoïques sont utilisés comme colorants, et tu peux explorer leur synthèse dans le résumé "Utilisation des amines".
Autres méthodes de production de phénols
La production de phénols à partir de sels de phénylamine et de diazonium n'est pas très viable économiquement, c'est pourquoi d'autres méthodes sont utilisées dans l'industrie. Il s'agit notamment des méthodes suivantes :
- Le procédé au cumène, qui fait réagir le cumène\( C_6H_5CH(CH_3)_2 \) ; également connu sous le nom de 1-(méthyléthyl)benzène ou de propan-2-ylbenzène) avec de l'oxygène. Cette méthode représente environ \( 95 \% \) de la production mondiale de phénol.
- L'oxydation directe du benzène. Bien que théorique, cette méthode n'est pas encore industriellement rentable en utilisant l'oxygène gazeux seul. Cependant, l'oxyde d'azote \( NO_2 \) présente un potentiel en tant qu'agent oxydant bon marché et plus efficace.
Réactions du phénol
Pour conclure, nous allons te présenter les réactions du phénol. Nous pouvons grossièrement les diviser en deux catégories :
- Les réactions impliquant le groupe hydroxyle \( -OH \) .
- Réactions impliquant le groupe phényle \( C_6H_5- \) .
Réactions impliquant le groupe hydroxyle
Le groupe hydroxyle du phénol réagit de la même manière que le groupe hydroxyle de l'eau ou des alcools. C'est pratique pour toi en tant qu'étudiant, car cela signifie que tu as moins de réactions à apprendre !
- Le groupe hydroxyle du phénol est faiblement acide et réagit donc avec des bases fortes pour produire un sel phénoxyde et de l'eau. Par exemple, la réaction du phénol avec l'hydroxyde de sodium \( NaOH \) produit du phénoxyde de sodium \( C_6H_5O^-Na^+ \) et de l'eau. Les sels de phénoxyde se dissolvent facilement en solution aqueuse.
- Le groupe hydroxyle du phénol réagit également avec le sodium lui-même, ou en fait avec tout autre métal réactif. Cela forme à nouveau un type de sel phénoxyde, mais cette fois le produit supplémentaire est de l'hydrogène gazeux \( H_2 \) . Par exemple, la réaction du sodium métallique avec le phénol produit du phénoxyde de sodium et de l'hydrogène.
Il ne s'agit pas d'une liste exhaustive des réactions impliquant le groupe hydroxyle du phénol. Parmi les autres réactions, citons l'estérification, dans laquelle le phénol réagit avec un dérivé d'acide pour former un ester. Consulte les spécifications de ton examen pour savoir quelles sont les réactions que tu dois connaître.
Réactions impliquant le groupe phényle
Le phénol participe également à certaines des réactions typiques du benzène, grâce à son groupe phényle aromatique. Il s'agit notamment de réactions de substitution électrophile telles que la bromation.
- Le phénol réagit avec l'acide nitrique dilué \( HNO_3 \) à température ambiante pour former du nitrophénol et de l'eau. L'augmentation de la concentration de l'acide provoque des substitutions multiples. C'est un exemple de nitration.
- Le phénol réagit également avec de l'eau bromée \( Br_2 \) à température ambiante pour former un tribromophénol, dans lequel trois des atomes d'hydrogène du phénol ont été remplacés par des atomes de brome. Une réaction similaire se produit si tu utilises du chlore ou de l'iode à la place. C'est un exemple d'halogénation.
- Le phénol réagit également avec les sels de diazonium dans des conditions alcalines pour former des composés azoïques.
Tu remarqueras peut-être que les conditions de nitration et de bromation du phénol sont beaucoup plus douces que les conditions des réactions respectives avec le benzène. Tu découvriras pourquoi en explorant plus en profondeur toutes les réactions du phénol ci-dessus dans le résumé " Réactions du phénol ".
La production de composés azoïques est également abordée plus en détail dans le résumé "Usages des amines", comme nous l'avons mentionné précédemment.
Voici une carte heuristique résumant les réactions du phénol.
Fig.7- Une carte heuristique des réactions du phénol.
Nous avons mis en évidence les changements de structure des molécules formées par rapport au phénol lui-même.
Utilisation du phénol
- Les phénols sont largement utilisés dans les produits ménagers.
- les agents antiseptiques.
- lorsqu'il est mélangé à d'autres réactifs, le phénol est un désinfectant efficace pour les toilettes, les étables, les fosses d'aisance, les sols et l'agent désinfectant des drains.
- Les pommades en vente libre, les anesthésiques topiques, et comme produit chimique d'épluchage de la peau.
Phénol - Points clés
- Le phénol (connu sous le nom d'acide phénique) est un composé organique aromatique constitué du groupe phényle \( C_6H_5- \) joint à un groupe hydroxyle \( -OH \) .
- Il contient un noyau benzénique aromatique et répond à la formule \( C_6H_5OH \) .
- Le terme phénolique désigne tout composé aromatique, comme le phénol lui-même, où un ou plusieurs atomes d'hydrogène du cycle aromatique ont été remplacés par le groupe hydroxyle.
- Un acide phénolique est un composé organique comportant au moins une fonction carboxylique et un hydroxyle phénolique.
- Le phénol a des points de fusion et d'ébullition élevés est légèrement soluble dans l'eau et est faiblement acide.
- Le phénol est toxique.
- Le phénol se forme en faisant réagir la phénéthylamine avec l'acide nitreux.
- Les réactions du phénol sont caractérisées par son groupe hydroxyle et son groupe phényle.
- Le groupe hydroxyle du phénol réagit avec les bases fortes et les métaux réactifs.
- Le groupe phényle du phénol participe aux réactions de nitration et d'halogénation. Il réagit également avec les sels de diazonium.
- Les phénols sont largement utilisés dans les produits ménagers et dans le domaine pharmaceutique.
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