Friedel-Craftsova reakcija

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Jump to navigation Jump to search

Friedel–Craftsove reakcije so niz kemijskih reakcij, ki sta jih razvila Charles Friedel in James Mason Crafts leta 1877,[1] v katerih aromatski ogljikovodiki pod katalitskim vplivom ene od Lewisovih kislin, na primer FeCl3, AlCl3, H2SO4, H3PO4, HF ali HgSO4, reagirajo z alkilhalidi, alkoholi, alkeni ali alkini[2] in tvorijo alkilirane aromate. Vse reakcije so aromatske elektrofilne substitucije.

Friedel–Craftsovo alkilacijo se lahko zapiše z naslednjo splošno enačbo:

Intermolekularno Friedel-Craftsovo alkiliranje

Reakcija lahko poteče tudi znotraj molekule. Takšna je na primer sinteza dekalina:[3]

Intramolekularno Friedel-Craftsovo alkiliranje

Friedel-Craftsova alkilacija[uredi | uredi kodo]

Med Friedel–Craftsove alkilacije spada alkilacija aromatskega obroča z alkil halidom in močno Lewisovo kislino kot katalizatorjem.[4] Z brezvodnim železovim(III) kloridom kot katalizatorjem se alkilna skupina veže na mestu, kjer je bil pred tem vezan kloridni ion. Splošni mehanizem reakcije je prikazan na naslednji shemi:[5]

Mehanizem Friedel-Craftsovega alkiliranja

Reakcija ima to veliko pomanjkljivost, da je zaradi alkilne verige, ki je donor elektronov, produkt bolj nukleofilen kot reaktant. Posledica tega je, da se bo substitiural tudi drugi vodikov atom na aromatskem obroču in molekula se bo prealkilirala. Če klorid ni vezan na terciarnem ali sekundarnem ogljikovem atomu, bo poleg tega prišlo tudi do prerazporeditve karbokationa. Ta reaktivnost je posledica relativne stabilnosti terciarnega in sekundarnega karbokationa v primerjavi s primarnimi karbokationi.[5] Za omejevanje števila alkilacij se lahko izkoristi sterične ovire, kot na primer pri t-butiliranju 1,4-dimetoksibenzena:

t-butiliranje 1,4-dimetoksibenzena

Alkilacije niso omejene samo na alkil halide. Friedel-Craftsove reakcije potekajo z vsemi karbokationskimi intermediati, tudi tistimi, ki izhajajo iz alkenov, kislin, Lewisovih kislin, enonov, in epoksidov. Takšna je na primer sinteza neofil klorida iz benzena in metalil klorida.[6]

H2C=C(CH3)CH2Cl + C6H6 → C6H5C(CH3)2CH2Cl

V eni od študij je bil elektrofil bromonijev ion, dobljen iz alkena in N-bromosukcinimida (NBS):[7]

Friedel–Crafts alkylation by an alkene

V tej reakciji je verjetno samarijev(III) triflat tisti, ki aktivira donorja halogena NBS pri tvorjenju halonijevega iona.

Friedel-Craftsova dealkilacija[uredi | uredi kodo]

Friedel-Craftsova alkilacija je dvosmerna reakcija. Če poteka v obratni smeri, se imenuje Friedel-Craftsova dealkilacija. Alkilno skupino se lahko odstrani z aromatskega obroča v prisotnosti protonov in Lewisove kisline.

V multipli adiciji etil bromida na benzen na primer bi pričakovali, da se bo po prvi substituciji substituiranje nadaljevalo na orto in para položaju, v resnici pa je reakcijski produkt zmes 1,3,5-trietil benzena z vsemi alkilnimi skupinami kot meta substituentami.[8] Za takšen potek reakcije so očitno odločilne sterične ovire, ki favorizirajo meta substitucijo pred sicer termodinamsko bolj ugodnima položajema orto in para. Končen produkt je torej rezultat niza alkilacij in dealkilacij.

Friedel-Craftsova acilacija[uredi | uredi kodo]

Friedel-Craftsova acilacija je acilacija aromatskih obročev z acil kloridom in močno Lewisovo kislino kot katalizatorjem. Reakcija poteka tudi s kislinskimi anhidridi. Reakcijski pogoji so podobni pogojem za Friedel-Craftsove alkilacije. Reakcija ima v primerjavi z alkilacijo več prednosti. Zaradi značilnosti karbonilne skupine, da pritegne elektrone, so nastali ketoni vedno manj reaktivni kot izhodne molekule in prekomerna acilacija se ne pojavi. Poleg tega se zaradi stabilizacije, ki jo povzroči resonančna struktura, v kateri je pozitivni naboj na kisikovem atomu, karbokation ne preuredi.

Friedel–Craftsova acilacija

Uspešnost Friedel-Craftsove acilacije je odvisna od stabilnosti acil klorida. Formil klorid, na primer, je preveč nestabilen in zato neobstojen. Sinteza benzaldehida po Friedel-Craftsovem postopku je zato mogoča samo tako, da formil klorid nastaja sproti v sami reakcijski zmesi. To se doseže z Gattermann-Kochovo reakcijo, v kateri se benzen obdela z ogljikovim monoksidom in vodikovim kloridom pot visokim tlakom in zmesjo katalizatorjev aluminijevega klorida in bakrovega(I) klorida.

Reakcijski mehanizem[uredi | uredi kodo]

Prvi korak je disociacija kloridnega iona in nastanek acilnega kationa:

FC acilacija, 1. korak

V nekaterih primerih se Lewisova kislina veže na kisikov atom acil klorida in tvori adukt. [5] Sledi nukleofilni napad arena na acilni kation (ali morebitni adukt):

FC acilacija, 2. korak

V tretjem koraku kloridni anion (AlCl
4
) deprotonira obroč (arenijev ion) in tvori HCl, s čemer se katalizator AlCl3 regenerira:

FC aciliranje, 3. korak

Nastali keton se lahko kasneje z Wolff–Kishnerjevo redukcijo ali Clemmensenovo redukcijo reducira v alkansko substituento. Končni rezultat zaporedja reakcij je enak Friedel–Craftsovi alkilaciji, samo da preureditev ni mogoča.[9]

Friedel-Craftsova hidroksialkilacija[uredi | uredi kodo]

Areni reagirajo z nekaterimi aldehidi in ketoni in tvorijo hidroksialkilirane produkte. Takšna je na primer reakcija mezitilnega derivata glioksala z benzenom,[10] v kateri nastane benzoin z alkoholno namesto s karbonilno skupino:

Friedel–Craftsova hidroksialkilacija

Friedel-Craftsovo sulfuriranje[uredi | uredi kodo]

Pod pogoji, v katerih potekajo Friedel-Craftsove reakcije, areni reagirajo s sulfonil halidi (R-SO2-X, X=halogen) in anhidridi sulfonskih kislin in tvorijo sulfone (R-SO2-R'). Reakcijo katalizirajo AlCl3, FeCl3, GaCl3, BF3, SbCl5, BiCl3, Bi(OTf)3 in drugi.[11][12] Intramolekularna Friedel–Craftsova ciklizacija poteka z 2-fenil-1-etansulfonil kloridom, 3-fenil-1-propansulfonil kloridom in 4-fenil-1-butansulfonil kloridom s segrevanjem v nitrobenzenu z AlCl3.[13] Reagirajo tudi sulfenil kloridi in sulfinil kloridi in tvorijo sulfide oziroma sulfokside.[14] Sulfinil kloridi in diaril sulfoksidi se lahko pripravijo iz arenov z reakcijo s tionil kloridom v pristonosti katalizatorjev BiCl3, Bi(OTf)3, LiClO4 ali NaClO4.[15][16]

Različice[uredi | uredi kodo]

Bogert-Cook Synthesis.png
  • Darzens–Nenitzescujeva sinteza ketonov (1910, 1936) je acilacija cikloheksena z acetil kloridom v metilcikloheksenilketon.[34]
  • Nenitzescujeva reduktivna acilacija (1936) je sorodna Darzens–Nenitzescujevi sintezi ketonov, v kateri se doda nasičen ogljikovodik. Produkt je metilcikloheksilketon.[35]
  • Nenckijeva reakcija (1881) je acetilacija fenolov s kislinami v prisotnosti cinkovega klorida.[36][37]
  • V zeleni kemiji je v alkilaciji p-ksilena z 2-bromobutanom AlCl3 zamenjan z grafitom. Za primarne halide reakcija ni uporabna.[38]

Barvila[uredi | uredi kodo]

Friedel-Craftsove reakcije se uporabljajo za sintezo več triarilmetanskih in ksantenskih barvil.[39] Ena od njih je sinteza timolftaleina (indikator pH) iz timola in ftalanhidrida:

Sinteza timolftaleina

Reakcija ftalanhidrida z resorcinolom v prisotnosti cinkovega klorida daje fluorofor fluorescein. Z zamenjavo resorcinola z N,N-dietilaminofenolom nastane rodamin B.

Sinteza rodamina B

Haworthove reakcije[uredi | uredi kodo]

Haworthova reakcija je klasičen postopek za sintezo 1-tetralona.[40] V prvem koraku se benzen acilira s sukcinanhidridom (anhidrid butandiojske ali jantarne kisline). Nastali vmesni produkt se reducira in nato z drugo Friedel-Craftsovo acilacijo pretvori v 1-tetralon.[41]

Haworth reaction

V sorodni reakciji se iz naftalena in sukcinanhidrida v več korakih sintetizira fenantren.

Haworthova sinteza fenantrena

Friedel-Craftsovi preskusi za aromatske ogljikovodike[uredi | uredi kodo]

V reakciji kloroforma z aromatskimi spojinami v prisotnosti katalizatorja AlCl3, nastanejo triaril metani, ki so pogosto živo obarvani, kot na primer triarilmeranska barvila. Reakcija je standarden preskus za prisotnost aromatov.

Sklici[uredi | uredi kodo]

  1. C. Friedel, J.M. Crafts (1877). Sur une nouvelle méthode générale de synthèse d’hydrocarbures, d’acétones, etc.. Compt. Rend. 84: 1392 in 1450.
  2. Friedel-Crafts-Reaktion. Römpp Online. Georg Thieme Verlag. Pridobljeno 18. oktobra 2013.
  3. G. A. Olah. Friedel-Crafts and Related Reactions. Wiley, New York. 1963–1964, 1. in 2. del.
  4. M. Rueping, B.J. Nachtsheim (2010). A review of new developments in the Friedel–Crafts alkylation – From green chemistry to asymmetric catalysis. Beilstein J. Org. Chem. 6. doi: 10.3762/bjoc.6.6.
  5. 5,0 5,1 5,2 M.B. Smith, J. March (2007). Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure. 6. izdaja. New York: Wiley-Interscience, ISBN 0-471-72091-7.
  6. W. T. Smith, J.T. Sellas (1963). Neophyl chloride. Org. Synth. 32, 90.
  7. S. Hajra, B. Maji, S. Bar (2007). Samarium Triflate-Catalyzed Halogen-Promoted Friedel–Crafts Alkylation with Alkenes. Org. Lett. 9 (15): 2783–2786. doi: 10.1021/ol070813t.
  8. E. Anslyn, K.J. Wallace, R. Hanes, J. Morey, K.V. Kilway, J. Siegel (2005). Preparation of 1,3,5-Tris(aminomethyl)-2,4,6-triethylbenzene from Two Versatile 1,3,5-Tri(halosubstituted) 2,4,6-Triethylbenzene Derivatives. Synthesis 2005 (12): 2080. doi: 10.1055/s-2005-869963.
  9. Friedel-Crafts Acylation. Organic-chemistry.org. Pridobljeno 11. januarja 2014.
  10. R. C. Fuson, H.H. Weinstock, G.E. Ullyot (1935). A New Synthesis of Benzoins. 2′,4′,6′-Trimethylbenzoin. J. Am. Chem. Soc. 57 (10): 1803–1804. doi: 10.1021/ja01313a015.
  11. W.E. Truce, C.W. Vriesen (1953). Friedel—Crafts Reactions of Methanesulfonyl Chloride with Benzene and Certain Substituted Benzenes. J. Am. Chem. Soc. 75 (20): 5032–5036. doi: 10.1021/ja01116a043.
  12. S. Répichet, C. Le Roux, P. Hernandez, J. Dubac, J.R. Desmurs (1999). Bismuth(III) Trifluoromethanesulfonate: An Efficient Catalyst for the Sulfonylation of Arenes. The Journal of Organic Chemistry 64 (17): 6479. doi: 10.1021/jo9902603.
  13. W.E. Truce, J.P. Milionis (1952). Friedel-Crafts Cyclization of ω-Phenylalkanesulfonyl Chlorides. J. Am. Chem. Soc. 74 (4): 974–977. doi: 10.1021/ja01124a031.
  14. T. Fujisawa, M. Kakutani, N. Kobayashi (1973). On the Reaction of p-Toluenesulfinyl Chloride with Anisole. Bull. Chem. Soc. Jpn. 46 (11): 3615–3617. doi: 10.1246/bcsj.46.3615.
  15. C. Le Roux, S.P. Mazières, M. Peyronneau, N. Roques (2003). Catalytic Lewis Acid Activationof Thionyl Chloride: Application to the Synthesis of ArylSulfinyl Chlorides Catalyzed by Bismuth(III) Salts. Synlett (5): 0631. doi: 10.1055/s-2003-38358.
  16. B.P. Bandgar, S.S. Makone (2004). Lithium/Sodium Perchlorate Catalyzed Synthesis of Symmetrical Diaryl Sulfoxides. Syn. Commun. 34 (4): 743–750. doi: 10.1081/SCC-120027723.
  17. E. Clemmensen (1913). Chemische Berichte 46: 1837.
  18. E. Clemmensen (1914). Chemische Berichte 47: 51 in 681.
  19. L. Gattermann, J.A. Koch (1897). Eine Synthese aromatischer Aldehyde. Chemische Berichte 30: 1622. DOI 10.1002/cber.18970300288.
  20. L. Gattermann, W. Berchelmann (1898). Synthese aromatischer Oxyaldehyde. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 31 (2): 1765–1769. doi: 10.1002/cber.18980310281.
  21. Kurt Hoesch (1915). Eine neue Synthese aromatischer Ketone. I. Darstellung einiger Phenol-ketone. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 48 (1): 1122–1133, doi:10.1002/cber.191504801156.
  22. J. Houben (1926). Über die Kern-Kondensation von Phenolen und Phenol-äthern mit Nitrilen zu Phenol- und Phenol-äther-Ketimiden und -Ketonen (I.). Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (A and B Series) 59 (11): 2878–2891. doi:10.1002/cber.19260591135.
  23. K. Fries, G. Finck (1908). Über Homologe des Cumaranons und ihre Abkömmlinge. Chemische Berichte 41 (3): 4271–4284. doi: 10.1002/cber.190804103146.
  24. K. Fries, W. Pfaffendorf (1910). Über ein Kondensationsprodukt des Cumaranons und seine Umwandlung in Oxindirubin. Chemische Berichte 43 (1): 212–219. doi: 10.1002/cber.19100430131.
  25. J. March (1985). Advanced Organic Chemistry. 3. izdaja. John Wiley & Sons: Chichester, str. 499.
  26. A.H. Blatt. Org. React. 1942, 1.
  27. M B Smith, J. March (2001). March's Advanced Organic Chemistry. Wiley. ISBN 0-471-58589-0.
  28. M. Grzybowski, K. Skonieczny, H. Butenschön, D.T. Gryko (2013), Comparison of Oxidative Aromatic Coupling and the Scholl Reaction. Angew. Chem. Int. Ed., 52: 9900–9930. doi: 10.1002/anie.201210238.
  29. M. Newman (1954). A Study of the Zincke and Suhl Reaction. J. Am. Chem. Soc. 19 (6): 978.
  30. M. Newman (1954). The Aluminum Chloride-catalyzed Reaction of Benzotrichloride with p-Cresol. J. Am. Chem. Soc. 19(6): 985.
  31. T. Zincke, R. Suhl (1906). Über die Einwirkung von Tetrachlorkohlenstoff und Aluminiumchlorid auf p-Kresol und p-Kresolderivate. Chemische Berichte 39 (4): 4148–4153. doi: 10.1002/cber.190603904115.
  32. G.L. Blanc (1923). Bull. Soc. Chim. France 33: 313.
  33. J. V. D. Kamp, E. Mosettig (1936). Trans- and Cis-As-Octahydrophenanthrene. Journal of the American Chemical Society 58 (6): 1062. doi: 10.1021/ja01297a514.
  34. Darzens-Nenitzescu Synthesis of Ketones. Drugfuture.com. Pridobljeno 11. januarja 2014.
  35. 277. Nenitzescu Reductive Acylation. drugfuture.com.
  36. 275. Nencki Reaction. drugfuture.com.
  37. M. Nencki, N. Sieber (1881). Über die Verbindungen der ein- und zweibasischen Fettsäuren mit Phenolen. J. Prakt. Chem. 23: 147. doi: 10.1002/prac.18810230111.
  38. G.A. Sereda, V.B. Rajpara (2007). A Green Alternative to Aluminum Chloride Alkylation of Xylene. J. Chem. Educ. 2007 (84): 692. Bibcode: 2007JChEd..84..692S. doi: 10.1021/ed084p692.
  39. J.V. McCullagh, K.A. Daggett (2007). Synthesis of Triarylmethane and Xanthene Dyes Using Electrophilic Aromatic Substitution Reactions. J. Chem. Educ. 84: 799. doi:10.1021/ed084p1799.
  40. R.D. Haworth (1932). Syntheses of alkylphenanthrenes. Part I. 1-, 2-, 3-, and 4-Methylphenanthrenes. J. Chem. Soc.: 1125. doi:10.1039/JR9320001125.
  41. >J.J. Li (2003). Name Reactions: A Collection of Detailed Reaction Mechanisms. Springer. Str. 175. ISBN 3-540-40203-9.