Fenolul la BAC: structură și substituție pe nucleu

Fenolul are formula C₆H₅OH, cu grupa hidroxil legată direct de nucleul aromatic. La BAC, această conectare îl deosebește de un alcool și explică modul în care interpretăm substituțiile pe nucleu. Într-o schemă de mononitrare, se înlocuiește un hidrogen aromatic cu o grupă nitro, iar grupa OH rămâne în moleculă.

Lecția aparține variantei chimie organică și urmărește recunoașterea fenolului, pozițiile de substituție și bilanțurile formale. Exemplul de nitrare este tratat exclusiv ca analiză de structură pe hârtie, fără condiții de preparare, cantități experimentale sau proceduri de sinteză. Nu discutăm polinitrarea.

Fenol sau alcool: unde este legat oxigenul?

În fenol, oxigenul grupei OH este legat direct de un carbon al nucleului aromatic. În alcoolul benzilic, C₆H₅–CH₂–OH, între nucleu și oxigen se află carbonul CH₂. Cele două structuri nu sunt aceeași substanță și nu aparțin aceleiași subclase de compuși hidroxilici.

Numărătoarea atomilor confirmă diferența: fenolul are C₆H₆O, iar alcoolul benzilic C₇H₈O. Totuși, criteriul de clasificare rămâne conectivitatea, nu numai formula moleculară. Un compus aromatic poate conține o grupă alcoolică în catena laterală fără să fie fenol.

Structură	Legarea grupei OH	Încadrare
C₆H₅–OH	Direct de nucleul aromatic	Fenol
C₆H₅–CH₂–OH	De carbonul saturat lateral	Alcool aromatic
CH₃–CH₂–OH	De carbon saturat alifatic	Alcool
CH₃–COOH	În funcțiunea carboxil	Acid carboxilic

Ultimul exemplu arată că nu orice fragment OH trebuie numărat ca grupă alcoolică. În carboxil, oxigenii și carbonul carbonilic formează împreună o funcțiune cu proprietăți proprii. Identificarea pe fragmente izolate poate conduce la clasificări greșite.

Cum numerotăm nucleul fenolului?

Carbonul care poartă OH primește poziția unu. Față de acesta, pozițiile doi și șase sunt orto, trei și cinci meta, iar patru para. În fenolul nesubstituit suplimentar, cele două poziții orto sunt echivalente între ele, la fel cele două meta.

Un produs numit 2-nitrofenol are grupa NO₂ pe carbonul vecin celui care poartă OH. În 4-nitrofenol, grupele sunt în poziții opuse ale inelului. Denumirile ortonitrofenol și paranitrofenol exprimă aceleași relații de poziție. Nu adaugi un „6-nitrofenol” ca o constituție nouă față de 2-nitrofenol.

Ce se schimbă într-o mononitrare formală?

Ecuația globală de bilanț este C₆H₅OH + HNO₃ → C₆H₄(OH)NO₂ + H₂O, pentru modelul unei singure substituții. Un hidrogen al nucleului este înlocuit cu NO₂. Hidrogenul grupei OH nu este cel înlocuit în această schemă.

Produsul mononitrat are formula moleculară C₆H₅NO₃: patru hidrogeni pe nucleu, unul pe OH, un azot și trei oxigeni în total. Două dintre aceste oxigene aparțin grupei nitro, iar unul grupei hidroxil. Numărarea structurii este mai sigură decât copierea formulei din memorie.

Verificarea ecuației arată șapte hidrogeni în stânga și tot șapte în dreapta, dacă includem apa. Carbonul rămâne șase, azotul unu, iar oxigenul total patru. O ecuație fără apă ar pierde doi hidrogeni și un oxigen din bilanț.

De ce apar orientările orto și para?

Grupa OH influențează distribuția electronică a nucleului și activează pozițiile orto și para pentru substituția electrofilă aromatică discutată. În modelul școlar al mononitrării, urmărim predominant aceste două orientări. Nu deducem un raport numeric între produși numai din această regulă.

OpenStax explică efectele substituenților asupra orientării. Pentru această lecție reținem criteriul structural și orientarea, fără a transforma o schemă generală într-o predicție cantitativă pentru orice condiții.

Faptul că există două poziții orto echivalente și una para nu justifică automat un raport doi la unu al produșilor. Reactivitatea și condițiile influențează distribuția. Numărul locurilor și cantitatea efectivă de produs sunt informații diferite.

Exemplu rezolvat: formula produsului

Se cere formula moleculară a unui mononitrofenol, fără alegerea izomerului de poziție. Pornim de la fenol, C₆H₆O. Înlocuirea unui hidrogen cu NO₂ înseamnă scăderea unui H și adăugarea unui N și a doi O. Rezultă C₆H₅NO₃.

Formula este aceeași pentru izomerii orto și para. Ea nu stabilește poziția relativă a grupelor. Pentru o identificare structurală unică trebuie adăugat un indice sau desenată conectarea. Două substanțe pot avea aceeași masă molară și totuși structuri diferite.

Exemplu rezolvat: interpretarea unei distribuții date

Un exercițiu pur teoretic declară că totalul produselor mononitrate este 0,20 mol și că fracția molară a izomerului orto în acest total este 40%. Cantitatea izomerului orto este 0,08 mol, iar a izomerului para 0,12 mol, dacă numai acești doi produși sunt incluși.

Procentul este o dată a exercițiului, nu o valoare generală atribuită reacției. Deoarece izomerii au aceeași masă molară, fracțiile lor masice în amestecul alcătuit exclusiv din ei coincid numeric cu fracțiile molare. Această coincidență nu este valabilă pentru orice amestec de substanțe.

Separă hidrogenii nucleului de hidrogenul OH

Fenolul conține cinci hidrogeni legați de carbonii aromatici și unul legat de oxigen. La o mononitrare pe nucleu, numărul hidrogenilor aromatici scade la patru, dar hidrogenul OH rămâne. De aceea, formula condensată C₆H₄(OH)NO₂ conține în total cinci hidrogeni.

Aceeași atenție este necesară când compari fenolul cu benzenul. Benzenul are șase hidrogeni aromatici, iar fenolul cinci. Grupa OH a înlocuit deja unul dintre hidrogenii benzenului în descrierea structurală; nu se adaugă la C₆H₆ fără ajustarea numărului hidrogenilor nucleului.

Exerciții cu soluții

1. C₆H₅CH₂OH este fenol? Nu. Grupa OH este legată de carbonul saturat CH₂, nu direct de nucleul aromatic. Compusul este alcool benzilic.

2. Sunt 2-nitrofenolul și 6-nitrofenolul două constituții diferite în acest inventar? Nu. Numerotarea în sens opus al nucleului arată echivalența pozițiilor. Se folosește indicele mai mic pentru aceeași structură.

3. Câți hidrogeni are C₆H₄(OH)NO₂? Cinci în total: patru pe nucleu și unul pe oxigen. Omiterea hidrogenului OH ar produce o formulă moleculară greșită.

4. Putem afla raportul orto–para doar din regula de orientare? Nu. Regula indică pozițiile favorizate, iar un raport cantitativ trebuie dat sau susținut de informații experimentale potrivite.

5. De ce produsul formal nu este C₆H₆NO₃? O substituție înlocuiește un hidrogen al fenolului. Dacă păstrăm toți cei șase și adăugăm NO₂, nu mai descriem bilanțul acestei transformări.

Exersează citirea formulelor în subiectele de BAC. Înțelegerea locului unei grupe funcționale ajută la evitarea confuziei dintre alcool și fenol. Un profesor de chimie poate verifica numerotarea și bilanțul atomilor pe fiecare structură.

Întrebări frecvente

Fenolul este orice moleculă care are benzen și OH?

Nu. Grupa OH trebuie să fie legată direct de carbonul aromatic. O grupă OH din catena laterală are altă încadrare.

Orto și para au formule moleculare diferite?

Nu pentru aceeași pereche de substituenți și același grad de substituție. Diferența este poziția relativă în structură.

Ecuația globală oferă și proporțiile izomerilor?

Nu. Ea exprimă bilanțul de atomi și raportul global al transformării, fără a determina singură distribuția izomerilor.

Reper curricular

Recunoașterea compușilor hidroxilici și nitrarea fenolului ca exemplu de substituție apar în programa oficială istorică de chimie organică. Lecția se limitează la analiza curriculară teoretică.