Définitions
On appelle phénols les dérivés hydroxylés du benzène et des hydrocarbures aromatiques, dans lesquels le groupe OH est lié à un atome de carbone du cycle benzénique. Les dérivés polyhydroxylés sont appelés polyphénols. Rappelons que chez les alcools le groupe OH est lié à un atome de carbone saturé.

Nomenclature
Ils sont nommés comme des phénols substitués. Le numéro le plus petit est affecté à l’atome de carbone porteur du groupe -OH.

Certains dérivés sont connus sous un nom d'usage. Le 6-isopropyl-2-méthyphénol est le thymol. Le 2-méthoxy-4-(prop-2-ényle)-phénol est l'eugénol. Les phénols dérivés du toluène sont appelés crésols. 

A l'heure actuelle le phénol est préparé par oxydation de l'isopropylbenzène ou cumène par l'oxygène de l'air (procédé Hock). Le sous-produit de la réaction est la propanone (acétone) qui est également un produit important utilisé notamment comme solvant. Ce procédé particulièrement avantageux illustre une des caractéristiques de la chimie industrielle moderne : limiter le coût des réactifs (ici O₂ de l'air) et valoriser au maximum les sous-produits.

La réaction est de type radicalaire. Le radical benzilique formé possède une certaine stabilité. Il se forme intermédiairement un hydroperoxyde de cumène qui est ensuite décomposé grâce à une catalyse acide. Un procédé plus ancien consistait à effectuer la fusion alcaline d’un sel d’acide sulfonique.

Les substitutions nucléophiles sur un cycle aromatique non désactivé sont toujours difficiles, la réaction nécessite une température élevée (250 °C < T < 300 °C et soude très concentrée).

Cette réaction peut permettre l'introduction d'un groupe OH sur un cycle aromatique mais en raison des conditions drastiques qu'elle implique, elle est peu utilisée dans la synthèse des molécules complexes et fragiles.

Remarque : il est peu vraisemblable que le mécanisme soit du type addition- élimination (via un complexe de type Meisenheimer) comme chez les aromatiques possèdant des cycles très désactivés. Le mécanisme exact de cette réaction n'est pas connu actuellement.

Structure de la molécule de phénol
L'énergie de résonance évaluée grâce à la réaction d'hydrogénation vaut 167 kJ.mol^-1. Elle est donc plus élevée que pour le benzène (150 kJ.mol^-1). On interprète ce résultat par la participation d'un doublet non liant de l’atome d’oxygène à la résonance. Les mesures aux rayons X montrent que la molécule est plane ce qui autorise une délocalisation maximale. Cette participation à la délocalisation électronique se traduit aussi par le raccourcissement de la longueur de la liaison C-O et par l'augmentation de l'énergie de cette liaison par rapport à celle d'un alcool comme le cyclohexanol.

Constantes physiques
Les températures de changement d'état des phénols sont plus élevées que celle des hydrocarbures de même masse molaire. On l'interprète par le fait que ces composés sont associés par liaison hydrogène intermoléculaire. Le phénol lui même est un solide à la température ordinaire.

La miscibilité avec l'eau dépend beaucoup de la température. Elle est totale si T > 63 °C.

Spectroscopie infrarouge

• En solution dans un solvant apolaire, on observe un pic fin à 3610 cm^-1. Il s'agit de la vibration d'élongation de la liaison O-H libre.

• Pour le composé pur, on observe une bande large 3200 cm^-1 < s < 3400 cm^-1. Il s'agit des liaisons O-H associées par liaison hydrogène intermoléculaire.

Certains composés polyfonctionnels comme le 2-hydroxybenzaldéhyde (salicylaldéhyde) possèdent une liaison hydrogène intramoléculaire (s # 3480 cm^-1). Ce type de liaison se distingue facilement d'une liaison intermoléculaire. En effet, un tel pic n'est pas affecté lors de la dilution du composé dans un solvant inerte comme CCl₄.

Spectroscopie UV-Visible
Le phénol absorbe dans l'ultraviolet. Ses solutions sont incolores. La déprotonation et le passage à l'ion phénolate provoquent un effet bathochrome (déplacement de la bande d'absorption vers les grandes longueurs d'onde) et hyperchrome (renforcement de l'intensité de l'absorption).

Le nitrophénol possède une bande d'absorption centrée à 270 nm. Il absorbe dans l'ultraviolet et il est incolore. Par addition de soude il est transformé quantitativement en sa base conjuguée : l'ion nitrophénolate qui absorbe dans le visible l _m # 400 nm et qui possède une couleur jaune. De ce fait, le système nitrophénol - ion nitrophénolate est utilisé comme indicateur coloré acido-basique.

L'oxydation du phénol peut avoir lieu sous l'action de très nombreux oxydants : Fe³⁺, O₂, etc. symbolisés par [O]. Elle conduit à la formation de radicaux phénoxyles relativement stables, qui évoluent pour donner par couplage des produits complexes souvent colorés, dont la structure est mal définie. C'est la raison pour laquelle les récipients contenant du phénol doivent être soigneusement conservés à l'abri de l'air.

Acidité
Comparons les pK_a des couples phénol/phénolate et cyclohexanol/cyclohexanolate :

Le phénol est donc environ cent million de fois plus acide que le cyclohexanol. Il est déprotoné de façon quantitative par la soude (pK OH^-/H₂O = 14) pour donner une solution de phénolate de sodium.

D'une façon générale, les phénols sont beaucoup plus acides que les alcools. La charge négative dispersée dans le cycle, est mieux supportée par la structure et la stabilisation qui en résulte est à l'origine de la diminution de la basicité. On peut rendre compte de cette propriété en écrivant les formes mésomères suivantes :

Les charges négatives apparaissent sur les atomes de carbone en position ortho et para. L'acidité est accrue par la présence de groupes attracteurs sur le cycle.

Le 2, 4, 6-trinitrophénol est un acide quasiment fort pour lequel le pK_a du couple vaut 0,8. Son nom d'acide picrique témoigne de cette propriété.

Basicité
Les phénols sont des bases beaucoup plus faibles que les alcools : pK_a (PhO⁺H₂/PhOH) = -7
On peut l'interpréter par une protonation de l'oxygène beaucoup plus difficile que chez les alcools du fait de la délocalisation du doublet.

Formation de complexes
Les ions phénolate peuvent jouer le rôle de ligands par leur atome d'oxygène négatif.

La réaction peut servir de test des phénols car la valeur de l_m d'absorption dépend des substituants portés par le cycle. Les groupes donneurs (alkyle, hydroxy, etc.) provoquent un effet bathochrome (déplacement de l'absorption vers des longueurs d'onde plus grandes). Il faut cependant faire attention que d'autres composés comme les acides carboxyliques donnent des complexes colorés avec l'ion Fe³⁺. Ce test n'est donc pas caractéristique des phénols.

Alkylation : synthèse d'éthers
Les ions phénolate sont de meilleurs nucléophiles que les ions alcoolate bien que de basicité plus faible car la présence du cycle aromatique les rend très polarisables. L'alkylation des ions phénolate sur l'oxygène est un cas particulier de la synthèse de Williamson des éthers.

Avec un halogénure d'alkyle primaire, le mécanisme est de type S_N2 et dans ce cas, la réaction est accélérée dans un solvant dipolaire aprotique (DMSO, DMF) qui solvate le contre-ion et exalte le caractère nucléophile de l'oxygène.

Avec un halogénure tertiaire, le mécanisme est de type S_N1 car le substrat forme facilement un carbocation.

Acylation : synthèse d'esters
La diminution du caractère nucléophile de l'oxygène, quand on passe des alcools aux phénols, apparaît nettement dans la réaction d'acylation. Les phénols sont acylés par les halogénures d’acyles et par les anhydrides mais pas par les acides carboxyliques. Rappelons qu'avec les alcools cette réaction conduit à un état d'équilibre.

Le dérivé acétylé de l'acide salicylique est l'acide 2-acétyloxybenzoïque couramment appelé acide acétylsalicylique et qui est commercialisé sous le nom d’aspirine.

Le mécanisme de la réaction implique une addition nucléophile de l'oxygène du phénol sur le groupe carbonyle du chlorure d'acyle, suivie d'une fragmentation de l'intermédiaire tétraédrique formé. Il est donc du même type qu'avec les alcools.

Activation & régiosélectivité
Le groupement OH est activant et les réactions sont donc beaucoup plus rapides qu'avec le benzène. Un catalyseur n'est généralement pas nécessaire. On doit ralentir la réaction si l'on veut éviter les polysubstitutions.

Le groupe OH oriente exclusivement en ortho et para. On obtient fréquemment des dérivés polysubstitués.

Bromation
Elle est réalisable sans catalyseur par union directe des réactifs. A la température ordinaire, en milieu aqueux, on obtient directement le tribromophénol. Cette réaction témoigne de la grande réactivité du phénol si on la compare à celle du benzène. Rappelons qu'avec le benzène un acide de Lewis comme AlCl₃ est nécessaire et à froid, la réaction s'arrête au stade de la monobromation.

En milieu acide dilué l'entité électrophile est l'ion NO⁺. Ecrivons le mécanisme pour la formation du dérivé para.

Le nitrosophénol est oxydé en nitrophénol.

Notons que les nitrophénols sont des composés particulièrement toxiques.

Carboxylation
L'introduction directe d'un groupe acide carboxylique dans le cycle aromatique d'un phénol est réalisable alors qu'elle ne l'était pas pour le benzène.

La réaction de Kolbe-Schmidt consiste à faire passer un courant de CO₂ gazeux dans du phénate de sodium solide, fluidisé, à température et pression élevées (180 °C, 100 bar).

Le produit de la réaction est le 2-hydroxybenzoate de sodium (salicylate de sodium).

L’acylation de l’acide conjugué, l'acide 2-hydroxybenzoïque ou acide salicylique conduit à l’aspirine.

Synthèse de la phénolphtaléine
La réaction entre le phénol et l'anhydride phtalique en présence de ZnCl₂ comme catalyseur permet la synthèse d'un colorant utilisé comme indicateur acido-basique : la phénolphtaléine.

Pour pH < 7, la phénolphtaléine est un composé moléculaire noté PH qui, comme le phénol, absorbe dans l'U.V et qui est incolore. Pour pH > 10, une fonction phénol est déprotonée. L'intermédiaire initialement formé est instable et conduit à l'ion P^- dans lequel l'atome de carbone joignant les cycles est dans un environnement localement plan ce qui permet une délocalisation des électrons p sur un système assez vaste pour que le maximum de la bande d'absorption soit située dans le visible (l _m = 554 nm). La solution est fortement colorée en rose.

Si le mélange est très basique, la solution se décolore lentement. OH^- s'additionne sur l'atome de carbone électrophile insaturé de la structure quinonique pour donner l'ion POH^2- que sa structure non conjuguée rend incolore.

Hydroxyméthylation
Le phénol réagit avec le méthanal dans la réaction d'hydroxyméthylation. Celle-ci rappelle la condensation aldol mais ici l'équilibre de tautomérie est en faveur de la forme phénol qui est la plus stable en raison de son caractère aromatique.

Le composé obtenu dans la réaction d'hydroxyméthylation peut perdre de l'eau par chauffage. On obtient un intermédiaire appelé quinométhane. La réaction qui implique les positions ortho et para est catalysée par les ions H⁺ ou OH^-. Ecrivons la réaction en milieu acide.

Le composé précédent réagit facilement avec un excès de phénol selon une réaction de type Michaël (addition conjuguée sur un composé carbonylé a, b - insaturé).

Les positions ortho et para peuvent être toutes impliquées par polymérisation. On obtient une résine thermodurcissable, de structure tridimensionnelle : la bakélite. On a représenté ci-dessous une structure simplifiée bidimensionnelle.

La bakélite fut l'un des premiers polymères industriel. Ce composé a été préparé par le chimiste américain d'origine Belge L.H Bakeland (1863-1944) qui fonda une usine de production (Bakelite corp). La bakélite possède des usages nombreux et variés (contre-plaqués, plastiques moulés, revêtements de têtes de fusées).

Alkylation des halogénures allyliques
Les ions phénolates peuvent être alkylés au niveau de l'atome d'oxygène (O-alkylation), dans des solvants aprotiques comme le DMF, pour conduire aux éthers. Ils peuvent aussi réagir au niveau des atomes de carbone en position ortho et para (C-alkylation). Comme les ions énolates, ce sont des nucléophiles ambidents. La C-alkylation est favorisée dans les solvants protiques qui, comme l'eau, contractent des liaisons hydrogène et solvatent l'atome d'oxygène. La C-alkylation est cependant moins favorisée que la O-alkylation car l'aromaticité du cycle est perdue au cours de la réaction.

Le produit correspondant à la réaction sur la position ortho est le 2-(prop-2-ényl)-phénol (orthoallylphénol).

Les pourcentages des produits précédents dépendent des conditions expérimentales : température, nature du solvant, du contre-ion.

Lorsque la réaction est conduite dans les conditions d'un contrôle cinétique (température basse, durée courte) le produit de O-alkylation est majoritaire. Sous contrôle thermodynamique (température plus haute, équilibre entre les composés) c'est le produit de C-alkylation qui prédomine. Le produit de O-alkylation se forme plus rapidement que celui de C-alkylation car dans le second cas l'état de transition perd son caractère aromatique.

Transposition de Claisen du prop-2-ényloxybenzène
Lorsqu'on chauffe à 200 °C le prop-2-ényloxybenzène (oxyde d'allyle et de phényle), on obtient le 2-(prop-2-ényl)-phénol (orthoallylphénol). La réaction constitue un exemple d'une réaction très générale qui affecte les éthers de vinyle et d'allyle : la transposition de Claisen mise en évidence par Ludwig Claisen (1851-1930).

Réaction de Reimer-Tiemann
Les aldéhydes aromatiques peuvent être obtenus par formylation directe des hydrocarbures aromatiques au moyen d'un mélange de CO, HCl et d'un acide de Lewis tel que AlCl₃ jouant le rôle de catalyseur. Cette réaction de Gatterman-Koch n'est pas facilement utilisable avec les phénols (ni avec les éhers après protection de la fonction) car ces derniers complexent l'acide de Lewis et bloquent son activité catalytique. La réaction de Reimer-Tiemann est une méthode générale de formylation des phénols dans laquelle on utilise un électrophile très puissant : un dichlorocarbène sans qu'on ait besoin d'un catalyseur. Le dichlorocarbène est préparé in-situ par réaction entre le chloroforme et une base forte.

Il s'agit d'un exemple d'a - élimination car l'hydrogène arraché et le nucléofuge sont liés au même atome de carbone. L'intermédiaire obtenu est extrêmement réactif.

L'addition du dichlorocarbène sur le cycle est suivie de sa réaromatisation après l'arrachage d'un proton par la base.

Catéchol

Le poison ivy
Le 3-Pentadécylcatechol est un dérivé alkylé du catéchol. Ce composé, représenté ci-dessous est l'un des constituants principaux d'une substance irritante synthétisée par une plante commune en Amérique du Nord : le poison Ivy.

Alizarine

Vitamine K₁
La vitamine K₁ est une naphtoquinone qui possède des propriétés anti-hémorragiques.

Réactions d'oxydo-réduction des diphénols et des quinones

Oxydation des diphénols
L'oxydation ménagée du benzène-1,2-diol ou hydroquinone est réalisable avec différents oxydants (FeCl₃, Ag₂O, Na₂Cr₂O₇). Elle conduit à la cyclohexa-2,5-diène-1,4-dione ou parabenzoquinone.

L'oxydation du catéchol fournit la quinone correspondante mais avec un moins bon rendement.

Le système quinone Q - hydroquinone H₂Q présente l'importante particularité pour un système organique d'être réversible :

avec : E⁰ = 0,7 V

Le potentiel d'un fil de platine plongeant dans une solution aqueuse de quinhydrone est donné par la formule de Nernst. Puisque [Q] = [H₂Q], il a pour expression (T = 298 K) :

E = E⁰ - 0,06 pH

Ce système a été utilisé comme électrode de pH avant la généralisation des électrodes de verre. La méthode n'est pas applicable au delà de pH = 9 car l'hydroquinone est déprotonée pour donner sa base conjuguée QH^-.

Les propriétés réductrices de l'hydroquinone expliquent son utilisation comme révélateur en photographie. La réduction s'effectue en milieu basique (pH = 12) et ne concerne que les ions Ag⁺ qui ont été activés par la lumière.

Oxydation en milieu biologique
En milieu biologique, l'ubiquinone (molécule de gauche symbolisée par Q) peut être réduite en ubiquinol (molécule de droite symbolisée par QH₂).

Le système Q/QH₂ possède un potentiel normal (dans les conditions biologiques) E^'0= 0,10 V. L'ubiquinone intervient dans la chaîne respiratoire en tant que transporteur d'équivalents réducteurs. Au cours d'une cascade de réactions, l'ubiquinone Q est réduite en QH₂ qui est à son tour réoxydée en Q.

Réactions d'addition

Additions conjuguées sur les quinones
L'addition nucléophile conjuguée de Cl^- s'effectue comme sur un composé carbonylé a, b - insaturé ordinaire. La cétone conjuguée obtenue se tautomérise rapidement pour donner un diphénol substitué beaucoup plus stable.

Réactions de Diels-Alder des quinones
Les quinones sont de bons diénophiles dans les réactions de Diels-Alder. La réaction entre la p-benzoquinone et le buta-1,3-diène, conduit dans un premier temps à une dicétone qui, en milieu acide, se tautomérise en diphénol.

[1] Manuel d'expériences de chimie - UNESCO Société chimique de France - Université de Montpellier.
[2] P. Rendle, M. V. Vokins, P. Davis, Experimental Chemistry (Edward Arnold).
[3] L. F. Fieser, K. L. Williamson - Organic Experiments (D. C. Heath and Company).
[4] R. Adams, J. R. Johnson, C. F. Wilcox - Laboratory Experiments in Organic Chemistry (The Macmillan Company, Collier-Macmillan Limited).
[5] G. K. Helmkamp, H. W. Johnson Jr, Selected Experiments in Organic Chemistry (W. H. Freeman and Co).
[6] Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry (Longman).
[7] J. R. Mohrig, D. C Neckers, Laboratory Experiments in Organic Chemistry (D. Van Nostrand Company).
[8] R. Q. Brewster, C. A. Van der Werf, W. E. Mc Ewen, Unitized Experiments in Organic Chemistry (D. Van Nostrand Company).
[9] F. G. Mann, B. C. Saunders, Practical Organic Chemistry (Longman).
[10] M. T. Yip, D. R. Dalton, Organic Chemistry in the Laboratory (D. Van Nostrand Company).
[11] Journal of Chemical Education.
[12] S. Hünig, E. Lücke, W. Brenninger, Organic Syntheses.

Liens

[14] l'aspirine histoire de l'aspirine
[15] poison ivy compléments sur le poison ivy

Ouvrages théoriques

A. Streitwieser Jr, C. H. Heathcock - Introduction to Organic Chemistry, Macmillan Publishing Co.
J. March - Advanced organic chemistry, Wiley Interscience.
F. A. Carey, R. S. Sunberg - Advanced Organic Chemistry, Plenum Press 1990.
J. Koolman K-H. Röhm - Atlas de biochimie (Médecine- Sciences Flammarion).
N. T. Ahn - Introduction à la chimie moléculaire, Ellipses 1994.
R. Brückner - Mécanismes réactionnels en chimie organique, De Boeck Université 1999.
J. C. Chottard, J. C. Depezay, J. P Leroux - Chimie fondamentale, Hermann 1982.
P. Laszlo - Logique de la synthèse organique. Cours de l'Ecole Polytechnique, Ellipses, 1993.

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Texte, dessins, photographies : Gérard Dupuis - Lycée Faidherbe de LILLE
décembre 2001