Friedel-Crafts-Alkylierung

Bei der Friedel-Crafts-Alkylierung werden durch die Reaktion von Alkylhalogeniden oder Alkenen mit aromatischen Kohlenwasserstoffen alkylierte Produkte wie z. B. Alkylbenzole synthetisiert. Während der Reaktion wird ein Wasserstoffatom vom aromatischen Ring abgespalten und durch ein Elektrophil ersetzt. Sie erfolgt also über eine elektrophile aromatische Substitution und wird mithilfe von starken Lewis-Säuren wie z. B. AlCl₃ oder FeCl₃ katalysiert. Je nach Anzahl der Substituenten am Alkylhalogenid (primäres, sekundäres oder tertiäres Alkylhalogenid) interagiert die positiv geladene Alkylspezies mit dem aromatischen Ring als simples Carbokation oder als Carbokation-Komplex der Lewis-Säure.

Der Mechanismus der Friedel-Crafts-Alkylierung erfolgt in mehreren Schritten. Zuerst reagieren das Alkylhalogenid und die Lewis-Säure und bilden das Carbokation. Das Carbokation greift anschliessend den aromatischen Ring an und bricht eine der Ring-Doppelbindungen auf, was zur Bildung eines nicht-aromatischen Zwischenprodukts führt. Anschliessend kommt es zur Deprotonierung dieses Zwischenprodukts, der Ring erlangt wieder Aromazität und das entfernte Proton bildet einer Säure, die den Lewis-Säure-Katalysator wiederherstellt.

Friedel-Crafts-Reaktionen gehören zu den wichtigsten Reaktionen in der organischen Chemie für die C-H-Aktivierung und die Bildung von C-C-Bindungen. Alkylierungen vom Friedel-Crafts-Typ bilden die Grundlage für die Produktion diverser Industrieprodukte, indem sie eine Alkylgruppe zu einem Arenmolekül hinzufügen. Die chemische Reaktion nutzt einen chemischen Grundstoff wie Benzol und wandelt ihn in verschiedene Zwischen- und Endprodukte um. Zu den klassischen Friedel-Crafts-Alkylierungen zählt die säurekatalysierte Reaktion von Benzol und Ethylen zur Erzeugung von Ethylbenzol. Der Produktionsumfang von Ethylbenzol ist enorm und beläuft sich jährlich auf Millionen von Tonnen. Es handelt sich nämlich um das Vorläufermolekül von Styrol, das wiederum zur Produktion von Polystyrolpolymeren verwendet wird. Kumol, Xylol und Toluol lassen sich allesamt mittels Friedel-Crafts-Reaktionen herstellen. Beispielsweise ist p-Xylol ein Vorläufermolekül zur Bildung von Terephthalsäure und Dimethylterephthalat-Monomeren, die für die Produktion von Polyethylenterephthalat (PET) verwendet werden. Darüber hinaus spielen Friedel-Crafts Alkylierungen für die Entwicklung von Chemikalien und Naturprodukten eine zentrale Rolle. 

Der Hauptunterschied zwischen der Friedel-Crafts-Alkylierung und der Friedel-Crafts-Acylierung besteht darin, dass bei ersterer ein aromatischer Kohlenstoff alkyliert wird, während bei letzterer das Aren acyliert wird. Darüber hinaus hilft die Friedel-Crafts-Acylierung bei der Überwindung einiger Einschränkungen bei der Synthese mittels Friedel-Crafts-Alkylierung. Zu diesen Einschränkungen gehört, dass nur bestimmte Alkylbenzol-Verbindungen hergestellt werden können und dass die Tendenz zur Überalkylierung des Moleküls zu unerwünschten Nebenprodukten führt.

Bei der Friedel-Crafts-Alkylierung bildet die Acylgruppe [-C(O)R] ein Akylium-Ion in Gegenwart von AlCl₃. Das Acylium-Ion greift den Benzolring an, wobei ein komplexiertes Zwischenprodukt gebildet wird, in dem der Ring seine Aromazität verliert. Als nächstes entfernt das AlCL₄-Ion ein Proton aus dem Ring, wodurch die Aromazität wieder hergestellt und der AlCl₃-Katalysator wieder gebildet wird. Das entstandene Produkt ist der Ring mit einer angekoppelten Ketoneinheit. Aufgrund der Resonanzstabilisierung des Acylium-Ions finden keine Umlagerungen statt, und die Deaktivierung stoppt den elektrophilen Angriff, wodurch weitere Ring-Substitutionen ausbleiben.

Die klassische Friedel-Crafts-Alkylierungsreaktion ist eine katalysierte, elektrophile Substitutionsreaktion, die sich aus dem Angriff eines Carbokations auf die Doppelbindung eines Arenmoleküls ergibt. Der bei dieser Reaktion entstehende Katalysator ist normalerweise ein Chlorid wie z. B. AlCl₃, das als Kondensationsmittel fungiert. Dieser Alkylierungsansatz hat zur Entwicklung zahlreicher verschiedener Kohlenwasserstoffmoleküle geführt. Zusätzlich zur Alkylierung von Arenmolekülen wurde die Friedel-Crafts-Reaktion erweitert, um verschiedene Verbindungen einzubeziehen, ausgehend von der Alkylierung oder Acylierung von aliphatischen Kohlenwasserstoffen mit Doppelbindungen. Somit hat die Friedel-Crafts-Alkylierungsreaktion ihren Wert für die Synthese verschiedener bedeutender Polymere durch die Polymerisation ungesättigter Kohlenwasserstoffe bewiesen.

Die Verschiedenheit der Friedel-Crafts-Alkylierungen (und -Acylierungen) wurde durch die Entwicklung verschiedener Katalysatoren zur Unterstützung der vielfältigen Anwendungen zusätzlich verstärkt. Diese umfassen im Allgemeinen Lewis-Säuren (AlCl₃, FeCL₃) oder protische Brønsted-Säuren (HF, H₂SO_4, etc.) sowie feste Gitterstrukturen, wie z. B. saure Kationenaustauschharze, und kohlenstoffbasierte Materialien, wie z. B. Graphen.

Es existieren verschiedene Substrate, Reagenzien, Katalysatoren und Reaktionsbedingungen, die für Friedel-Crafts-Alkylierungen eingesetzt werden. Angesichts der Diversität dieser Reaktionsklasse ist ein tiefgreifendes Verständnis über die Kinetik, Thermodynamik und die Auswirkung von Reaktionsvariablen für eine optimierte Reaktionsentwicklung, -skalierung und -sicherheit erforderlich, um hochwertige Produkte zu gewährleisten und die Ausbeuteziele zu erreichen.

Automatisierte chemische Reaktoren und Reaktionskalorimeter spielen bei der Sicherstellung, dass die Reaktionsenergetik gut nachvollziehbar ist und dass die Auswirkungen von Variablen auf die Reaktionsleistung auf angemessene Weise gestaltet werden. FTIR und Raman-Spektrometer sind hilfreich für die Verfolgung und Überwachung entscheidender Reaktionsspezies zur Gewinnung kinetischer und mechanistischer Informationen. Wenn Offline-Analysen von Reaktionsproben erforderlich sind, sorgt der EasySampler für eine vollständig automatisierte und reproduzierbare In-situ-Probenentfernung.

Diese Technologien ermöglichen ein tiefgreifendes Verständnis über den Zusammenhang zwischen den Reaktionsbedingungen/-variablen und der allgemeinen Reaktionsleistung.

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

Die Autoren berichten über die Entwicklung einer neuen Fluor-Kohlenstoff Alkylierungsmethode unter Verwendung von N-Phenylselenophthalimiden (NPSP) zur Bereitstellung von Selen und Trimethylsilyl-Trifluormethansulfonat (TMSOTf) als Katalysator. Die Synthese zur Bildung von C-C-Bindungen weist eine hohe Regio- und Diastereoselektivität auf. Bei der Reaktion entstehen 1,1-diarylsubstituierte Alkene, die chirale Kohlenwasserstoffe mit einer Arylkomponente am stereogenen Kohlenstoffatom besitzen, wenn ein chirales Selenreagenz verwendet wird.

Die ReactIR-Technologie wurde eingesetzt, um einen vorgeschlagenen Mechanismus für die Reaktion zu unterstützen. Die In-situ-IR-Experimente zeigten das Vorhandensein einer 1067 cm-1-Bande, die dem Nebenprodukt Phthalimid zugeordnet werden konnte, und einer 1033 cm-1-Bande, die der O-Si-Bindung eines Silylenolether-Zwischenprodukts zugeordnet werden konnte. Der vorgeschlagene Mechanismus zeigt, dass TMSOTf NPSP aktiviert, um ein Episelenonium-Ion-Zwischenprodukt aus Alkenen zu bilden.

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. 

Unter Anwendung einer zuvor beschriebenen Methode zur säurekatalysierten Spaltung/Alkylierung haben die Wissenschaftler verschiedene lineare Polyisobutylen (PIB)-Makromere synthetisiert, die mehrere Phenoxypropyl-(Meth)acrylat-Funktionalitäten aufweisen. Durch UV-Härtung wurden die Makromere polymerisiert und ihre Eigenschaften mit analogen Polymeren verglichen, die durch Photopolymerisation eines PIB-Triacrylat-Makromers hergestellt wurden, das durch eine lebende Polymerisation mithilfe eines trifunktionellen Initiators hergestellt wurde. Durch die Verwendung von ReactIR zur Verfolgung des Verlusts des Acrylat-Peaks (1615–1638 cm⁻¹) untersuchten die Autoren den Einfluss der Photoinitiator-Konzentration auf die Aushärtungsrate der PIB-(Meth)acrylate. Ausserdem nutzten sie das ReactIR zur Unterscheidung der Aushärtekinetiken bei der Kontrolle des lebenden PIB-Triacrylats und der verschiedenen multifunktionalen Makromere, die mittels des Spaltungs-/Alkylierungsprozesses hergestellt wurden.

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, Nr. 6.