stringtranslate.com

Реакция Фриделя-Крафтса

Реакции Фриделя–Крафтса представляют собой набор реакций, разработанных Чарльзом Фриделем и Джеймсом Крафтсом в 1877 году для присоединения заместителей к ароматическому кольцу . [1] Реакции Фриделя–Крафтса бывают двух основных типов: реакции алкилирования и реакции ацилирования . Обе протекают путем электрофильного ароматического замещения . [2] [3] [4] [5]

Алкилирование

С алкенами

В коммерческих приложениях алкилирующие агенты обычно являются алкенами , некоторые из самых масштабных реакций, практикуемых в промышленности. Такие алкилирования имеют важное промышленное значение, например, для производства этилбензола , предшественника полистирола, из бензола и этилена и для производства кумола из бензола и пропена в кумоловом процессе :

Алкилирование бензола пропиленом в кумольном процессе

В промышленном производстве в качестве катализатора обычно используются твердые кислоты, полученные из цеолита .

С алкилгалогенидами

Алкилирование Фриделя-Крафтса включает алкилирование ароматического кольца . Традиционно алкилирующими агентами являются алкилгалогениды . Многие алкилирующие агенты могут быть использованы вместо алкилгалогенидов. Например, еноны и эпоксиды могут быть использованы в присутствии протонов. Реакция обычно использует сильную кислоту Льюиса , такую ​​как хлорид алюминия в качестве катализатора, для увеличения электрофильности алкилирующего агента. [6]

Эта реакция страдает от недостатка, что продукт более нуклеофилен , чем реагент, поскольку алкильные группы являются активаторами для реакции Фриделя-Крафтса . Следовательно, может произойти сверхалкилирование. Однако стерические препятствия могут быть использованы для ограничения числа последовательных циклов алкилирования, которые происходят, как в t -бутилировании 1,4-диметоксибензола, которое дает только продукт двух циклов алкилирования и только с одним из трех возможных изомеров: [7]

t-бутилирование 1,4-диметоксибензола

Более того, реакция полезна только для первичных алкилгалогенидов во внутримолекулярном смысле, когда образуется 5- или 6-членное кольцо. Для межмолекулярного случая реакция ограничивается третичными алкилирующими агентами, некоторыми вторичными алкилирующими агентами (теми, для которых перегруппировка карбокатиона вырождена) или алкилирующими агентами, которые дают стабилизированные карбокатионы (например, бензильные или аллильные). В случае первичных алкилгалогенидов карбокатионоподобный комплекс (R (+) ---X---Al (-) Cl 3 ) будет подвергаться реакции перегруппировки карбокатиона , давая почти исключительно перегруппированный продукт, полученный из вторичного или третичного карбокатиона. [8]

Протонирование алкенов приводит к образованию карбокатионов , электрофилов. Лабораторный пример синтеза неофилхлорида из бензола и металлилхлорида с использованием сернокислотного катализатора. [9]

Механизм

Общий механизм для первичных алкилгалогенидов показан ниже. [8]

Механизм алкилирования Фриделя–Крафтса.
Для первичных (и, возможно, вторичных) алкилгалогенидов более вероятно участие карбокатиоподобного комплекса с кислотой Льюиса [R (+) ---(X---MX n ) (–) ], а не свободного карбокатиона.

Деалкилирование по Фриделю-Крафтсу

Алкилирование Фриделя-Крафтса может быть обратимым . Хотя это обычно нежелательно, его можно использовать; например, облегчая реакции трансалкилирования . [10]

1,3-Диизопропилбензол получают путем трансалкилирования — особой формы алкилирования Фриделя–Крафтса.

Он также позволяет обратимо добавлять алкильные цепи в качестве защитных групп . Этот подход используется в промышленности при синтезе 4,4'-бифенола через окислительное связывание и последующее деалкилирование 2,6-ди-трет-бутилфенола . [11] [12]

Ацилирование

Ацилирование по Фриделю-Крафтсу включает ацилирование ароматических колец. Типичными ацилирующими агентами являются ацилхлориды . Также жизнеспособны ангидриды кислот , а также карбоновые кислоты. Типичным катализатором кислоты Льюиса является трихлорид алюминия . Однако, поскольку полученный кетон образует довольно стабильный комплекс с кислотами Льюиса, такими как AlCl 3 , обычно необходимо использовать стехиометрическое количество или больше «катализатора», в отличие от случая алкилирования по Фриделю-Крафтсу, при котором катализатор постоянно регенерируется. [13] Условия реакции аналогичны алкилированию по Фриделю-Крафтсу. Эта реакция имеет несколько преимуществ по сравнению с реакцией алкилирования. Из-за электроноакцепторного эффекта карбонильной группы продукт кетона всегда менее реакционноспособен, чем исходная молекула, поэтому множественных ацилирований не происходит. Кроме того, не происходит никаких перегруппировок карбкатионов , поскольку ион ацилия стабилизирован резонансной структурой, в которой положительный заряд находится на кислороде.

Обзор ацилирования Фриделя–Крафтса

Жизнеспособность ацилирования Фриделя-Крафтса зависит от стабильности реагента ацилхлорида. Например, формилхлорид слишком нестабилен, чтобы его можно было выделить. Таким образом, синтез бензальдегида по пути Фриделя-Крафтса требует, чтобы формилхлорид был синтезирован in situ . Это достигается с помощью реакции Гаттермана-Коха , которая осуществляется путем обработки бензола оксидом углерода и хлористым водородом под высоким давлением, катализируемой смесью хлорида алюминия и хлорида меди . Простые кетоны, которые могут быть получены ацилированием Фриделя-Крафтса, производятся альтернативными методами, например, окислением, в промышленности.

Механизм реакции

Реакция протекает через образование ацильного центра. Реакция завершается депротонированием арениевого иона AlCl 4 − , восстанавливая катализатор AlCl 3 . Однако, в отличие от истинно каталитической реакции алкилирования, образующийся кетон является умеренным основанием Льюиса, которое образует комплекс с сильной кислотой Льюиса трихлоридом алюминия. Образование этого комплекса обычно необратимо в условиях реакции. Таким образом, необходимо стехиометрическое количество AlCl 3 . Комплекс разрушается при водной обработке, давая желаемый кетон. Например, классический синтез дезоксибензоина требует 1,1 эквивалента AlCl 3 по отношению к лимитирующему реагенту, фенилацетилхлориду. [14] В некоторых случаях, как правило, когда активировано бензольное кольцо, ацилирование по Фриделю-Крафтсу также можно проводить с каталитическими количествами более мягкой кислоты Льюиса (например, солей Zn(II)) или катализатора кислоты Бренстеда, используя ангидрид или даже саму карбоновую кислоту в качестве ацилирующего агента.

При желании полученный кетон может быть впоследствии восстановлен до соответствующего заместителя алкана либо восстановлением Вольфа-Кишнера , либо восстановлением Клемменсена . Конечный результат такой же, как и при алкилировании Фриделя-Крафтса, за исключением того, что перегруппировка невозможна. [15]

Гидроксиалкилирование

Арены реагируют с некоторыми альдегидами и кетонами с образованием гидроксиалкилированных продуктов, например, в реакции мезитильного производного глиоксаля с бензолом: [16]

Гидроксиалкилирование Фриделя-Крафтса

Как обычно, альдегидная группа является более реакционноспособным электрофилом, чем феноновая .

Область применения и вариации

Алкилирование бензола и этилена — одна из самых масштабных реакций, практикуемых в коммерческих целях.

Эта реакция связана с несколькими классическими реакциями:

Красители

Реакции Фриделя-Крафтса использовались в синтезе нескольких триарилметановых и ксантеновых красителей . [26] Примерами являются синтез тимолфталеина (индикатора pH) из двух эквивалентов тимола и фталевого ангидрида :

Синтез тимолфталеина

Реакция фталевого ангидрида с резорцином в присутствии хлорида цинка дает флуорофор флуоресцеин . Замена резорцина на N,N-диэтиламинофенол в этой реакции дает родамин B :

Синтез родамина В

Синтез Хаворта

Синтез Хаворта является классическим методом синтеза полициклических ароматических углеводородов. В этой реакции арен реагирует с янтарным ангидридом , последующий продукт затем восстанавливается либо по Клемменсену , либо по Вольфу-Кишнеру . Наконец, происходит второе ацилирование Фриделя-Крафтса с добавлением кислоты. [27]

реакция Хаворта

Продукт, образующийся в этой реакции, затем аналогичным образом восстанавливается, после чего следует реакция дегидрирования ( например, с реагентом SeO2 ) для расширения ароматической кольцевой системы. [28]

Тест Фриделя-Крафтса для ароматических углеводородов

Реакция хлороформа с ароматическими соединениями с использованием катализатора хлорида алюминия дает триарилметаны, которые часто ярко окрашены, как в случае триарилметановых красителей. Это стендовый тест для ароматических соединений. [29]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Фридель, К.; Крафтс, Дж. М. (1877) «Новый общий метод синтеза углеводородов, ацетонов и т. д.», Compt. Ренд. , 84 : 1392 и 1450.
  2. ^ Прайс, CC (1946). "Алкилирование ароматических соединений методом Фриделя-Крафтса". Org. React . 3 : 1. doi :10.1002/0471264180.or003.01. ISBN 0471264180.
  3. ^ Гроувс, Дж. К. (1972). «Ацилирование алкенов по Фриделю–Крафтсу». Chem. Soc. Rev. 1 : 73. doi :10.1039/cs9720100073.
  4. ^ Eyley, SC (1991). «Алифатическая реакция Фриделя–Крафтса». Compr. Org. Synth . 2 : 707–731. doi :10.1016/B978-0-08-052349-1.00045-7. ISBN 978-0-08-052349-1.
  5. ^ Хини, Х. (1991). «Бимолекулярная ароматическая реакция Фриделя–Крафтса». Compr. Org. Synth . 2 : 733–752. doi :10.1016/B978-0-08-052349-1.00046-9. ISBN 978-0-08-052349-1.
  6. ^ Rueping, M.; Nachtsheim, BJ (2010). «Обзор новых разработок в области алкилирования Фриделя–Крафтса – от зеленой химии к асимметричному катализу». Beilstein J. Org. Chem . 6 (6): 6. doi :10.3762/bjoc.6.6. PMC 2870981. PMID  20485588 . 
  7. ^ Л., Уильямсон, Кеннет (4 января 2016 г.). Органические эксперименты в макро- и микромасштабе . Мастерс, Кэтрин М. (Седьмое изд.). Бостон, Массачусетс, США. ISBN 9781305577190. OCLC  915490547.{{cite book}}: CS1 maint: местоположение отсутствует издатель ( ссылка ) CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ ab Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2007), Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, ISBN 978-0-471-72091-1
  9. ^ Смит, У. Т. Мл.; Селлас, Дж. Т. (1952). "Неофил Хлорид". Органические синтезы . 32 : 90. doi :10.15227/orgsyn.032.0090.
  10. ^ Цай, Ценг-Чанг «Диспропорционирование и трансалкилирование алкилбензолов на цеолитных катализаторах». Elsevier Science, 1999
  11. ^ Хельмут Фиге; Хайнц-Вернер Фогес; Тошиказу Хамамото; и др. (2002). «Производные фенола». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a19_313. ISBN 3527306730.
  12. ^ Хей, Аллан С. (1969). "p,p'-Бифенолы". Журнал органической химии . 34 (4): 1160–1161. doi :10.1021/jo01256a098.
  13. ^ Somerville, LF; Allen, CFH (1933). "β-Бензоилпропионовая кислота". Органические синтезы . 13 : 12. doi :10.15227/orgsyn.013.0012.
  14. ^ "Дезоксибензоин". orgsyn.org . Получено 26 января 2019 г. .
  15. ^ Ацилирование Фриделя-Крафтса. Organic-chemistry.org. Получено 11.01.2014.
  16. ^ Fuson, RC; Weinstock, HH; Ullyot, GE (1935). «Новый синтез бензоинов. 2 ′ ,4 ′ ,6 ′ -Триметилбензоин». J. Am. Chem. Soc. 57 (10): 1803–1804. doi :10.1021/ja01313a015.
  17. ↑ Смит и Март 2001, стр. 1835.
  18. ↑ Смит и Март 2001, стр. 745.
  19. ^ Смит, Майкл Б.; Марч, Джерри (2007), Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure (6-е изд.), Нью-Йорк: Wiley-Interscience, стр. 725, ISBN 978-0-471-72091-1
  20. ^ Смит, МБ; Марч, Дж. (2001). Продвинутая органическая химия Марча . стр. 725. ISBN 0-471-58589-0.
  21. ↑ Смит и Март 2001, стр. 732.
  22. ^ Гржибовски, М.; Сконечны, К.; Бутеншён, Х.; Грыко, Д.Т. (2013). «Сравнение окислительного ароматического сочетания и реакции Шолля». Angew. Chem. Int. Ed . 52 (38): 9900–9930. doi :10.1002/anie.201210238. PMID  23852649.
  23. ^ Эта реакция с пентоксидом фосфора : Kamp, JVD; Mosettig, E. (1936). «Транс- и цис-октагидрофенантрен». Журнал Американского химического общества . 58 (6): 1062–1063. doi :10.1021/ja01297a514.
  24. ^ Ненцки, М.; Зибер, Н. (1881). «Ueber die Verbindungen der ein- und zweibasischen Fettsäuren mit Phenolen». Ж. Практ. хим. (на немецком языке). 23 : 147–156. дои : 10.1002/prac.18810230111.
  25. ^ Середа, Григорий А.; Раджпара, Викул Б. (2007). «Зеленая альтернатива алкилированию ксилена хлоридом алюминия». J. Chem. Educ. 2007 (84): 692. Bibcode :2007JChEd..84..692S. doi :10.1021/ed084p692.
  26. ^ МакКуллах, Джеймс В.; Даггетт, Келли А. (2007). «Синтез триарилметановых и ксантеновых красителей с использованием реакций электрофильного ароматического замещения». J. Chem. Educ. 84 (11): 1799. Bibcode :2007JChEd..84.1799M. doi :10.1021/ed084p1799.
  27. ^ Ли, Джи Джек (2003) Реакции имен: сборник подробных механизмов реакций, Springer, ISBN 3-540-40203-9 , стр. 175. 
  28. ^ Меникагли, Рита; Пикколо, Оресте (июнь 1980 г.). «Оптически активные производные .альфа.- и .бета.-нафталина. 5. Стереохимический курс синтеза типа Хаворта оптически активного 2-(1-метилпропил)нафталина». Журнал органической химии . 45 (13): 2581–2585. doi :10.1021/jo01301a007. ISSN  0022-3263.
  29. ^ Джон К. Гилберт., Стивен Ф. Мартин. Brooks/Cole CENGAGE Learning, 2011. стр. 872. 25.10 Ароматические углеводороды и арилгалогениды – Тест на классификацию. ISBN 978-1-4390-4914-3 

Реакции Фриделя–Крафтса опубликованы наОрганический синтез