Введение

Набор реакций для присоединения заместителей к ароматическому кольцу.

Реакции Фриделя — Крафтса — это набор реакций, разработанных Чарльзом Фриделем и Джеймсом Крафтсом в 1877 году для присоединения заместителей к ароматическому кольцу. Реакции Фриделя — Крафтса бывают двух основных типов: алкилирование и ацилирование. Обе протекают по механизму электрофильного ароматического замещения.

С алкенами

В коммерческих применениях алкилирующими агентами обычно выступают алкены, что делает их одними из самых масштабных реакций, используемых в промышленности. Такие алкилирования имеют важное промышленное значение, например, в производстве этилбензола – предшественника полистирола – из бензола и этилена, а также кумола из бензола и пропена в кумольном процессе.

В промышленном производстве в качестве катализатора обычно используются твердые кислоты, полученные на основе цеолитов.

с алкилгалоидами

Алкилирование по Фриделю-Крафтсу включает в себя введение алкильной группы в ароматическое кольцо. Традиционно в качестве алкилирующих агентов используют алкилгалогениды. Однако вместо алкилгалогенидов можно применять множество других алкилирующих агентов. Например, эноны и эпоксиды могут быть использованы в присутствии протонов. Традиционно реакция также требует сильную кислоту Льюиса, например, хлорид алюминия, в качестве катализатора. Недостатком этой реакции является то, что продукт более нуклеофилен, чем исходное вещество, поскольку алкильные группы активируют реакцию Фриделя-Крафтса. В результате может происходить полиалкилирование. Стерические затруднения можно использовать для ограничения числа алкилирований, как, например, при трет-бутилировании 1,4-диметоксибензола. Кроме того, реакция эффективна только для первичных алкилгалогенидов в случае внутримолекулярной реакции с образованием 5- или 6-членного кольца. Для межмолекулярного случая реакция ограничена третичными алкилирующими агентами, некоторыми вторичными алкилирующими агентами (для которых перегруппировка карбокатиона вырождена) или алкилирующими агентами, образующими стабилизированные карбокатионы (например, бензильные или аллильные). В случае первичных алкилгалогенидов, комплекс, подобный карбокатиону (R(+) X Al() Cl3), претерпевает перегруппировку карбокатиона, приводящую к образованию практически исключительно перегруппированного продукта, полученного из вторичного или третичного карбокатиона.

Механизм

Общий механизм для первичных алкилгалогенидов показан ниже. Для первичных (и, возможно, вторичных) алкилгалогенидов более вероятно образование комплекса, подобного карбокатиону, с кислотой Льюиса, [R(+) (X MXn)(–)], чем образование свободной карбокатионной частицы.

Фридель

Алкилирование по Фриделю-Крафтсу может быть обратимым, что иллюстрируется многочисленными реакциями переалкилирования.

Ацилирование

Ацилирование по Фриделю-Крафтсу включает в себя ацилирование ароматических колец. Типичными ацилирующими агентами являются ацилхлориды. Также применимы ангидриды кислот и карбоновые кислоты. Типичным катализатором кислоты Льюиса является трихлорид алюминия. Однако, поскольку образующийся кетонный продукт формирует достаточно стабильный комплекс с кислотами Льюиса, такими как AlCl3, в отличие от алкилирования по Фриделю-Крафтсу, где катализатор постоянно регенерируется, обычно требуется стехиометрическое количество или больше "катализатора". Условия реакции аналогичны условиям алкилирования по Фриделю-Крафтсу. Эта реакция имеет ряд преимуществ по сравнению с реакцией алкилирования. Благодаря электроноакцепторному эффекту карбонильной группы, кетоновый продукт всегда менее реакционноспособен, чем исходная молекула, поэтому множественное ацилирование не происходит. Кроме того, не происходит перегруппировок карбокатионов, поскольку ацилиевый ион стабилизирован резонансной структурой, в которой положительный заряд находится на атоме кислорода. Возможность проведения ацилирования по Фриделю-Крафтсу зависит от стабильности ацилхлоридного реагента. Например, формилхлорид слишком нестабилен для выделения. Таким образом, синтез бензальдегида по Фриделю-Крафтсу требует синтеза формилхлорида *in situ*. Это достигается реакцией Гаттермана-Коха, заключающейся в обработке бензола монооксидом углерода и хлороводородом под высоким давлением в присутствии катализатора – смеси хлорида алюминия и хлорида меди. Простые кетоны, которые можно получить посредством ацилирования по Фриделю-Крафтсу, в промышленности производятся альтернативными методами, например, окислением.

Механизм реакции

Реакция протекает через образование ацилиевого центра. Реакция завершается депротонированием арениевого иона AlCl4−, регенерируя катализатор AlCl3. Однако, в отличие от истинно каталитической реакции алкилирования, образовавшийся кетон является умеренным основанием Льюиса, который образует комплекс с сильной кислотой Льюиса – трихлоридом алюминия. Образование этого комплекса обычно необратимо в условиях реакции. Таким образом, требуется стехиометрическое количество AlCl3. Комплекс разрушается при водной обработке с образованием целевого кетона. Например, в классическом синтезе дезоксибензоина требуется 1,1 эквивалента AlCl3 по отношению к лимитирующему реагенту, фенилацетилхлориду. В некоторых случаях, как правило, когда бензольное кольцо активировано, ацилирование по Фриделю-Крафтсу также может быть проведено с использованием каталитических количеств более мягкой кислоты Льюиса (например, солей цинка(II)) или катализатора Брёнстеда, используя ангидрид или даже саму карбоновую кислоту в качестве ацилирующего агента. При желании, полученный кетон может быть впоследствии восстановлен до соответствующего алканового заместителя либо восстановлением по Вольфу-Кишнеру, либо восстановлением по Клемменсену. Конечный результат тот же, что и при алкилировании по Фриделю-Крафтсу, за исключением того, что перегруппировка невозможна.

Цветы

Реакции Фриделя-Крафтса использовались в синтезе ряда триарилметановых и ксантенных красителей. Примером является синтез тимолфталеина (индикатора pH) из двух эквивалентов тимола и фталевого ангидрида:

Реакция фталевого ангидрида с резорцином в присутствии хлорида цинка приводит к образованию флуорофора флуоресцеина. Замена резорцина на N,N-диэтиламинофенол в этой реакции дает родамин B:

Реакции Хаворта

Реакция Хаворта — классический метод синтеза 1-тетралона. В этой реакции бензол взаимодействует с янтарным ангидридом, промежуточный продукт восстанавливается и происходит второе FC-ацилирование с добавлением кислоты. В близкой по типу реакции фенантрен синтезируется из нафталина и янтарного ангидрида в несколько стадий, начинающихся с FC-ацилирования.

Испытание FriedelCrafts на ароматические углеводороды

Реакция хлороформа с ароматическими соединениями в присутствии катализатора – хлорида алюминия – приводит к образованию триарилметанов, которые часто имеют яркую окраску, как, например, триарилметановые красители. Эта реакция служит качественной пробой на ароматические соединения.