Alkylation de Friedel-Crafts

L'alkylation de Friedel-Crafts synthétise les produits alkylatés comme les alkylbenzènes, via la réaction d'halogénures d'alkyle ou d'alcènes avec des hydrocarbures aromatiques. La réaction entraîne la suppression d'un atome d'hydrogène sur l'anneau atomique et son remplacement par un électrophile. Cette substitution électrophile aromatique est catalysée à l'aide d'acides de Lewis puissants, comme de l'AlCl₃ ou du FeCl₃. En fonction du nombre de remplaçants de l'halogénure d'alkyle (halogénure d'alkyle primaire, secondaire ou tertiaire), les espèces d'alkyle chargées positivement interagissent avec l'anneau aromatique comme un simple carbocation ou un complexe de carbocations de l'acide de Lewis.

Le mécanisme de l'alkylation de Friedel-Crafts se déroule en plusieurs étapes. Au départ, l'halogénure d'alkyle et l'acide de Lewis réagissent pour former le carbocation. Le carbocation attaque ensuite l'anneau aromatique, en cassant l'une des doubles liaisons de l'anneau, ce qui entraîne la formation d'un intermédiaire non aromatique. La déprotonation de ce produit intermédiaire se produit alors, l'anneau retrouve son aromaticité et le proton supprimé forme un acide qui restaure l'acide de Lewis catalyseur.

Les réactions de Friedel-Crafts font partie des principales réactions chimiques organiques pour activer des liaisons C-H et former des liaisons C-C. En ajoutant un groupe d'alkyles à une molécule d'arène, les alkylations de Friedel-Crafts sont les réactions de base pour produire tout un ensemble de produits industriels divers. La réaction chimique repose sur des matières premières chimiques courantes, comme du benzène, qui sont converties en un large éventail de produits intermédiaires et finaux. L'une des principales alkylations de Friedel-Crafts dans l'industrie est la catalysation par acide de benzène et d'éthylène pour produire de l'éthylbenzène. L'éthylbenzène est produit en volumes considérables, plusieurs millions de tonnes par an. Cette molécule est le précurseur du styrène, qui est utilisé pour former des polymères de polystyrène. Le cumène, le xylène et le toluène peuvent tous être produits à partir de réactions de Friedel-Crafts. Par exemple, le p-xylène est la molécule précurseur permettant de former un acide téréphtalique et des monomères de diméthyltéréphtalates utilisés pour produire du polyéthylène téréphtalate (PET). En outre, les alkylations de Friedel-Crafts jouent un rôle important dans le développement de produits chimiques et naturels. 

La différence fondamentale entre une alkylation et une acylation de Friedel-Crafts est que la première déclenche l'alkylation d'un hydrocarbure aromatique, alors que la deuxième déclenche l'acylation d'arène. En outre, l'acylation permet de contourner les restrictions fondamentales propres à la synthèse d'alkylation de Friedel-Crafts. Ces restrictions incluent l'impossibilité de produire certains composés d'alkylbenzène en raison de la restructuration du carbocation, et la tendance à la suralkylation de la molécule entraînant des produits dérivés indésirables.

Dans l'acylation de Friedel-Crafts, le groupe acyle [-C(O)R] forme un ion acylium en présence d'AlCl₃. L'ion acylium attaque l'anneau de benzène, formant un produit intermédiaire complexe dans lequel l'anneau perd son aromaticité. Ensuite, l'ion AlCL₄ supprime un proton de l'anneau et rétablit ainsi l'aromaticité de l'anneau, tout en régénérant le catalyseur AlCl₃. Le produit qui en résulte est un anneau auquel est fixée une moitié de molécule cétone. Aucune restructuration ne se produit en raison de la stabilisation par résonance de l'ion acylium, et la désactivation arrête l'attaque électrophile et empêche toute autre substitution au niveau de l'anneau.

La réaction classique de Friedel-Crafts est une substitution électrophile catalysée qui résulte d'une attaque de carbocation au niveau de la double liaison d'une molécule arène. Le catalyseur de cette réaction est généralement un chlorure, comme de l'AlCl₃, qui agit comme agent de condensation. Cette approche de l'alkylation a permis de développer plusieurs molécules d'hydrocarbures. En plus de l'alkylation de molécules arènes, la réaction de Friedel-Crafts a été élargie pour inclure une gamme de composés résultant de l'alkylation ou l'acylation d'hydrocarbures aliphatiques contenant des doubles liaisons. Ainsi, la réaction d'alkylation de Friedel-Crafts s'est avérée pertinente pour synthétiser un large panel de polymères importants, par la polymérisation d'hydrocarbures non saturés.

La diversité des alkylations (et acylations) de Friedel-Crafts est due au développement d'un large éventail de catalyseurs différents prenant en charge diverses applications. Parmi ces catalyseurs figurent des acides de Lewis (AlCl₃, FeCL₃) ou des acides protiques de Brønsted (HF, H₂SO_4, etc.), ainsi que des structures en treillis comme des résines acides échangeuses de cations, des zéolithes anhydres à échange d'acide et des matériaux à base de carbone, comme du graphène.

Un large éventail de substrats, de réactifs, de catalyseurs et de conditions de réactions sont utilisés pour les alkylations de Friedel-Crafts. Étant donné la portée et la diversité de cette classe de réactions, une parfaite compréhension de la cinétique, de la thermodynamique et de l'effet des variables de réaction est requise pour optimiser le développement, l'extrapolation et la sécurité des réactions, ainsi que pour répondre aux objectifs de qualité et de rendement des produits.

Les réacteurs chimiques automatisés et les calorimètres réactionnels jouent un rôle fondamental dans la compréhension des énergies de réaction et dans la modélisation des variables sur les performances de réaction. Les spectromètres FTIR et Raman sont utiles pour le suivi et la surveillance des espèces de réactions clés, et fournissent des informations sur la cinétique et sur les mécanismes de réaction. Lorsqu'une analyse hors ligne des échantillons de réaction est requise, EasySampler permet de prélever les échantillons in situ de façon entièrement automatisée et reproductible.

Ces technologies permettent de bien comprendre le rapport entre les conditions et les variables de la réaction, et les performances globales de cette dernière. 

E Tang, Yinjiao Zhao, Wen Li, Weilin Wang, Meng Zhang, et Xin Dai, « Catalytic Selenium-Promoted Intermolecular Friedel−Crafts Alkylation with Simple Alkenes », Org. Lett. 2016, 18, 5, 912-915.

En utilisant du N-phénylsélénophthalimide (NPSP) pour produire du sélénium et du trifluorométhylsulfonate de triméthylsilyle (TMSOTf) comme catalyseur, les auteurs ont mis au point une nouvelle méthode d'alkylation du fluor-carbone. La synthèse formant la liaison C-C présente une régiosélectivité et une diastéréosélectivité élevées. La réaction génère des alcènes diaryles 1,1 substitués contenant des hydrocarbures chiraux avec une moitié d'aryle sur l'atome de carbone stéréogénique lorsqu'un réactif de sélénium chiral est utilisé.

La technologie ReactIR a été utilisée pour prendre en charge un mécanisme proposé pour cette réaction. Les expériences IR in situ ont montré la présence d'une bande de 1 067 cm-1 attribuée au produit dérivé phthalimide, et une bande de 1 033 cm-1 attribuée au O-Si d'un produit intermédiaire d'éther d'énol silylé. Le mécanisme proposé suggère que ce TMSOTf active le NPSP pour former un ion épisélénonium intermédiaire à partir d'alcènes. 

Corey M. Parada, Bin Yang, C. Garrett Campbell, Robson F. Storey, « Synthesis, characterization, and photopolymerization of (meth)acrylate-functional polyisobutylene macromers produced by cleavage/alkylation of butyl rubber », J Polym Sci. 2020; 1–16. 

En utilisant la méthode décrite précédemment d'alkylation/clivage catalysé par acide, des chercheurs ont synthétisé une bibliothèque de macromères de polyisobutylène (PIB) linéaire intégrant plusieurs fonctionnalités de phénoxypropyl (meth)acrylate. Grâce à la polymérisation UV, les macromères ont été polymérisés et leurs propriétés ont été comparées à des polymères analogues produits par la photopolymérisation d'un macromère PIB triacrylate généré par polymérisation vivante à l'aide d'un déclencheur trifonctionnel. En utilisant ReactIR pour suivre la perte de pic acrylate (1 615–1 638 cm⁻¹), les auteurs ont analysé l'effet de la concentration du photoinitiateur sur la vitesse de polymérisation des PIB (meth)acrylates. Ils ont également exploité les mesures ReactIR pour différencier la cinétique de polymérisation vivante du PIB triacrylate et les différents macromères multifonctionnels préparés par clivage/alkylation.

Nayak, Y.N., Nayak, S., Nadaf, Y.F. Shetty, N.S., Gaonkar, S.L., « Zeolite Catalyzed Friedel-Crafts Reactions: A Review », Letters in Organic Chemistry, 2020, Vol. 17, 7, 491-506.

Maji, B., « Stereoselective Haliranium, Thiiranium and Seleniranium Ion-Triggered Friedel-Crafts-Type Alkylations to Polyene Cyclizations », Advanced Synthesis & Catalysis, 2019, 361, 15, 3543-3489.

Remya, V.R., Kurian, M. « Synthesis and Catalytic Applications of Metal–organic Frameworks: A Review on Recent Literature », Int Nano Lett, 2019, 9, 17–29.

Heravi, M.M, Zadsirjan, V., Heydari, M., Masoumi, B., « Organocatalyzed Asymmetric Friedel‐Crafts Reactions: An Update », The Chemical Record, 2019, 19, 11, 2236-2340.

Rueping, M., Nachtsheim, B. « A Review of New Developments in the Friedel–Crafts Alkylation – From Green Chemistry to Asymmetric Catalysis », Beilstein J. Org. Chem., 2010, 6, No. 6.