CC BY
96УДК 544.43+547.572
АЛКИЛИРОВАНИЕ ПО ФРИДЕЛЮ-КРАФТСУ FRIEDEL-KRAFTS ALKYLATION
©Дмитриева А. А.
Тверской государственный технический университет г. Тверь, Россия, science@science.tver.ru
©Dmitrieva A.
Tver State Technical University Tver, Russia, science@science.tver.ru ©Степачёва А. А. канд. хим. наук,
Тверской государственный технический университет г. Тверь, Россия, a.a.stepacheva@mail.ru
©Stepacheva A.
Ph.D., Tver State Technical University Tver, Russia, a.a.stepacheva@mail.ru
Аннотация. Рассматривается механизм реакции алкилирования ароматических соединений по Фриделю-Крафтсу. В отличие от реакции ацилирования, алкилирование является обратимым процессом. Общий принцип реакции состоит в промежуточном образовании карбениевых ионов, способных реагировать как элекрофил в ароматических реакциях электрофильного замещения. Устанавливается, что механизм данной реакции обеспечивается обнаружением о-комплекса при низких температурах. Рассматривается возможность использования внутримолекулярного варианта алкилирования Фриделя-Крафтса, отмечаются ограничения применимости реакции в целом.
Abstract. The mechanism of the reaction of alkylation of aromatic compounds according to Friedel-Crafts is considered. Unlike the acylation reaction, alkylation is a reversible process. The general principle of the reaction is the intermediate formation of carbenium ions capable of reacting as an electrophile in the aromatic reactions of electrophilic substitution. It is established that the mechanism of this reaction is ensured by the detection of the o-complex at low temperatures. The possibility of using the intramolecular variant of Friedel-Crafts alkylation is considered; limitations of the applicability of the reaction as a whole are noted.
Ключевые слова: реакция Фриделя-Крафтса, алкилирование, механизм.
Keywords: Friedel-Crafts reaction, alkylation, mechanism.
Алкилирование ароматических соединений протекает в соответствии с реакцией (1):
Or"
3
(1)
научный журнал (scientific journal) №8 2017 г.
http://www. bulletennauki. com
Синтез алкилированного ароматического соединения 3 посредством реакции ароматического субстрата 1 с алкилгалогенидом 2, катализируемой кислотой Льюиса, называют реакцией алкилирования по Фриделю-Крафтсу [1-4]. Данный метод тесно связан с ацилированием по Фриделю-Крафтсу. Вместо того алкилгалогенида в качестве реагента для ароматического субстрата в условиях реакции Фриделя-Крафтса может быть использован спирт или алкен. Общий принцип состоит в промежуточном образовании вида карбениевых ионов, которые способны реагировать как электрофил в ароматических реакциях электрофильного замещения.
Первым шагом является согласование алкилгалогенида 2 с кислотой Льюиса с получением комплекса 4 (реакция 2). Полярный комплекс 4 может реагировать как электрофильный реагент. В тех случаях, когда группа R может образовывать стабильный карбениевый ион, например трет-бутиловый катион, она, взамен комплекса, может действовать в качестве электрофильного соединения. Степень поляризации или даже расщепления связи R-X зависит от структуры R, а также от используемой кислоты Льюиса. Добавление вида карбениевых ионов к ароматическому реагенту, например бензолу 1, приводит к образованию о-комплекса, например циклогексадиенильного катиона 6, из которого ароматическую систему восстанавливают путем потери протона (реакция 3):
(2)
(3)
Данный механизм обеспечивается обнаружением таких о-комплексов при низких температурах [5, 6]. Аналогичный механизм может быть осуществлен с поляризованным соединением 4 вместо свободного карбениевого иона 5.
Если алкилгалогенид содержит более одного центра С-галоген, то они, как правило, будут реагировать в равной степени как одна молекула алкилгалогенида к одной молекуле ароматического субстрата. Например, дихлорметан реагирует с бензолом с получением дифенилметана, и хлороформ даст трифенилметан. Однако, реакция тетрахлорметана с бензолом прекращается с образованием трифенилхлорметана 7 (тритилхлорида), потому что дальнейшая реакция стерически затруднена (реакция 4):
+ са4
катализатор
с-а
научный журнал (scientific journal) №8 2017 г.
http://www. bulletennauki. com
Внутримолекулярный вариант [3] реакции Фриделя-Крафтса также является синтетически пригодным, особенно для закрытия шестичленных колец, например, синтез тетралина 8; но пяти- и семичленные кольца также доступны (реакция 5):
Алкилирование с алкенами может быть катализировано протонами. Углерод-углеродная двойная связь алкена протонируется в соответствии с правилом Марковникова с получением карбениевого иона 10, который затем вступает в реакцию по описанному механизму с выделением алкилированного ароматического продукта 11 (реакция 6):
Спирты могут быть превращены в активные соединения путем реакции с кислотой Льюиса, например А1С1з, или путем протонирования и последующей потерей Н2О с получением иона карбения 12 (реакции 7 и 8).
ROH 4 AICI3 -ROAlCh
R + OAICI2 12
(7)
В отличие от ацилирования по Фриделю-Крафтсу, алкилирование является обратимой реакцией. Это качество может быть использовано для региоселективного синтеза замещенных ароматических производных [6]. Трет-бутиловая группа может быть использована в качестве крупной защитной группы, которая может быть удалена позднее. В следующем примере должен быть синтезирован орто-замещенный фенол: без трет-бутиловой группы наблюдается пара-замещенное по отношению к заместителю R, обычная реакционная способность по отношению к входящему второму заместителю, может привести к смеси или отдельно к орто-и пара-замещенным продуктам. С помощью трет-бутиловой группы, блокирующей пара-положение, сульфирование происходит только в орто-положение относительно R. После превращения сульфоновой кислоты в фенол и удаления трет-бутиловой группы достигается получение орто-замещенного фенола 13 (реакция 9):
научный журнал (scientific journal) №8 2017 г.
http://www. bulletennauki. com
RR R
13 (9)
Применимость реакции алкилирования Фриделя-Крафтса в органическом синтезе несколько ограничено по причинам, рассматриваемым далее. Из-за активирующего эффекта алкильной группы, связанной с ароматическим кольцом, моноалкилированные продукты реакции являются более реакционноспособными в направлении электрофильного замещения, чем первоначальное исходное соединение. Этот эффект способствует образованию ди- или даже полизамещенных продуктов. Масштаб реакции органичен реакционной способностью некоторых исходных веществ. Нафталины и родственные полициклические ароматические субстраты могут подвергаться побочным реакциям из-за их высокой реакционной способности по отношению к катализатору и дают низкие выходы моноалкилированного продукта. Многие ароматические гетероциклы не являются подходящими субстратами для алкилирования по Фриделю-Крафтсу. Функциональные группы типа -ОН, -ЫН и -ОЯ, которые координируются с кислотой Льюиса, также не должны присутствовать в ароматическом кольце. Еще одной проблемой является формирование перестроенных продуктов в результате либо реакции перестроенных карбениевых ионов, либо миграции алкильных заместителей в ароматическом кольце [7]. Когда бензол 1 подвергают воздействию 1-бромпропана при условиях реакции Фриделя-Крафтса, перестроенный изопропилбензол (кумол) 15 получают в качестве основного продукта вместе с предполагаемым н-пропилбензолом 14 (реакция 10):
1 14 15 (Ю)
Так как реакция алкилирования является обратимой, может иметь место перегруппировка исходного продукта алкилирования, что приводит к миграции алкильной группы в ароматическом кольце. Это может быть использовано для преднамеренной изомеризации алкилированных продуктов. Ввиду данных осложнений, это может быть более эффективно для подготовки алкилированного ароматического производного по первой проводимой реакции ацилирования Фриделя-Крафтса, а затем для преобразования кетогруппы в метиленовую группу, для того чтобы получить алкильную боковую цепь. Данный путь имеет один дополнительный шаг, но позволяет избежать недостатки, уже упомянутые выше.
В качестве катализаторов используют кислоты Льюиса типа А1С1з, Т1СЦ, 8ЬБ5, ВБз, 2пСЬ или FeClз. Также применяют протонные кислоты, например ШБО4 или ОТ, особенно в реакциях с алкенами или спиртами. Недавние разработки включают в себя использование
№8 2017 г.
кислых полимерных смол, например Нафион-Н, в качестве катализаторов для алкилирования по Фриделю-Крафтсу [8] и применение асимметричных катализаторов [9].
Список литературы:
1. Friedel C., Crafts J. M. Organic chemistry // Journal of the Chemical Society. 1877. V. 32. P. 725-791.
2. Price C. C. The Alkylation of Aromatic Compounds by the Friedel-Crafts Method // Organic Reactions. 1946. V. 3. P. 1-82.
3. Olah G. A. Friedel-Crafts and Related Reactions // Wiley, New York. 1963. V. 1; 1964. V. 2.
4. Taylor R. Electrophilic Aromatic Substitution // Wiley, New York. 1990. P. 187-203.
5. Olah G. A., Kuhn S. J. Aromatic Substitution. VI. Intermediate Complexes and the Reaction Mechanism of Friedel-Crafts Alkylations and Acylations // Journal of the American Chemical Society. 1958. V. 80. P. 6541-6545.
6. Effenberger F. Neues über die elektrophile Aromatensubstitution // Chemie in unserer Zeit. 1979. V. 13. P. 87-94.
7. Yakobson G. G., Furin G. G. Antimony Pentahalides as Catalysts of Friedel-Crafts Type Reactions // Synthesis. 1980. V. 5. P. 345-364.
8. Olah G. A., Iyer P. S., Prakash G. K. S. Perfluorinated Resinsulfonic Acid (Nafion-H®) Catalysis in Synthesis // Synthesis. 1986. V. 7. P. 513-531.
9. Jorgensen K. A. Asymmetric Friedel-Crafts Reactions: Catalytic Enantioselective Addition of Aromatic and Heteroaromatic C-H Bonds to Activated Alkenes, Carbonyl Compounds, and Imines // Synthesis. 2003. V. 7. P. 1117-1125.
References:
1. Friedel, C., & Crafts, J. M. (1877). Organic chemistry. Journal of the Chemical Society, 32, 725-791
2. Price, C. C. (1946). The Alkylation of Aromatic Compounds by the Friedel-Crafts Method. Organic Reactions, 3, 1-82
3. Olah, G. A. (1963; 1964). Friedel-Crafts and Related Reactions. Wiley, 1; 2.
4. Taylor, R. (1990). Electrophilic Aromatic Substitution. Wiley, 187-203
5. Olah, G. A., & Kuhn, S. J. (1958). Aromatic Substitution. VI. Intermediate Complexes and the Reaction Mechanism of Friedel-Crafts Alkylations and Acylations. Journal of the American Chemical Society, 80, 6541-6545
6. Effenberger, F. (1979). Neues über die elektrophile Aromatensubstitution. Chemie in unserer Zeit, 13. 87-94
7. Yakobson, G. G., & Furin, G. G. (1980). Antimony Pentahalides as Catalysts of Friedel-Crafts Type Reactions. Synthesis, 5, 345-364.
8. Olah, G. A., Iyer, P. S., & Prakash, G. K. S. (1986). Perfluorinated Resinsulfonic Acid (Nafion-H®) Catalysis in Synthesis. Synthesis, 7, 513-531
9. Jorgensen, K. A. (2003). Asymmetric Friedel-Crafts Reactions: Catalytic Enantioselective Addition of Aromatic and Heteroaromatic C-H Bonds to Activated Alkenes, Carbonyl Compounds, and Imines. Synthesis, 7, 1117-1125
Работа поступила Принята к публикации
в редакцию 22.07.2017 г. 26.07.2017 г.
№8 2017 г.
Ссылка для цитирования:
Дмитриева А. А., Степачева А. А. Алкилирование по Фриделю-Крафтсу // Бюллетень науки и практики. Электрон. журн. 2017. №8 (21). С. 43-48. Режим доступа: http://www.bulletennauki.com/dmitrieva-1 (дата обращения 15.08.2017).
Cite as (APA):
Dmitrieva, A., & Stepacheva, A. (2017). Friedel-Krafts alkylation. Bulletin of Science and Practice, (8), 43-48
