Алкилирование по Фриделю — Крафтсу

В процессе алкилирования по Фриделю — Крафтсу в результате реакции алкилгалогенидов или алкенов с ароматическими углеводородами образуются алкилированные продукты, например алкилбензолы. В ходе реакции происходит электрофильное замещение атома водорода в ароматическом кольце. В качестве катализаторов электрофильного замещения используются кислоты Льюиса, например AlCl₃ или FeCl₃. В зависимости от расположения галогена в молекуле (первичный, вторичный или третичный алкилгалогенид) положительно заряженные алкильные частицы взаимодействуют с ароматическим кольцом в виде простого карбокатиона либо карбокатионового комплекса кислоты Льюиса.

Алкилирование по Фриделю — Крафтсу проходит в несколько этапов. Вначале алкилгалогенид и кислота Льюиса образуют карбокатион. Карбокатион взаимодействует с ароматическим кольцом, разрывая одну из его двойных связей, что приводит к образованию неароматического промежуточного соединения. Затем происходит депротонирование этого промежуточного продукта с восстановлением ароматического кольца, а удаленный протон возвращает кислотный катализатор Льюиса в исходное состояние.

Реакции Фриделя — Крафтса часто применяются в органической химии для активации групп C–H с целью образования связей C–C. Алкилирование по Фриделю — Крафтсу за счет присоединения алкильной группы к ароматической молекуле создает основу для получения разнообразных промышленных продуктов. Метод позволяет из обычного химического сырья, например бензола, получать множество промежуточных и конечных продуктов. Реакция Фриделя — Крафтса лежит в основе одного из важнейших промышленных процессов алкилирования, где для получения этилбензола используется взаимодействие бензола и этилена в присутствии кислотного катализатора. Ежегодный объем производства этилбензола достигает огромной величины, измеряемой миллионами тонн. Этилбензол — исходное вещество для получения стирола, при полимеризации которого образуется полистирол. Путем алкилирования по Фриделю — Крафтсу получают также толуол, ксилол и кумол. Параксилол используется для получения терефталевой кислоты и диметилтерефталата — мономера для производства полиэтилентерефталата (ПЭТ). Кроме того, аллилирование по Фриделю — Крафтсу играет важную роль в тонком химическом синтезе и переработке природного сырья. 

Разница между алкилированием и ацилированием по Фриделю — Крафтсу состоит в том, что в первом случае ароматический углеводород алкилируется, а во втором — ацилируется. Путем ацилирования по Фриделю — Крафтсу можно обойти некоторые ограничения, присущие процессу алкилирования. В частности, из-за перегруппировки карбокатиона можно получить только определенные алкилбензольные соединения. Кроме того, возможно избыточное алкилирование, ведущее к образованию нежелательных побочных продуктов.

В процессе ацилирования Фриделя — Крафтса ацильная группа [-C(O)R] в присутствии AlCl₃образует ион ацилия. Ион ацилия формирует промежуточный комплекс с бензольным кольцом, которое при этом теряет ароматичность. Затем ион AlCl₄ отнимает протон у бензольного кольца, вследствие чего возвращается ароматичность и восстанавливается катализатор AlCl₃. Конечный продукт представляет собой кольцо с присоединенной кетонной группой. Благодаря резонансной стабилизации иона ацилия никаких перегруппировок не происходит, а дезактивация останавливает электрофильную атаку, устраняя возможность дальнейшего замещения.

Классическое алкилирование по Фриделю — Крафтсу основано на каталитической реакции электрофильного замещения, которая происходит в результате атаки карбокатиона на двойную связь молекулы ароматического углеводорода. В качестве катализатора этого процесса обычно используются хлориды, такие как AlCl₃, играющие роль конденсирующего агента. Такой подход к алкилированию позволил получать разнообразные углеводородные молекулы. Помимо алкилирования аренов, реакцию Фриделя — Крафтса можно использовать для алкилирования и ацилирования алифатических углеводородов, содержащих двойные связи. Таким образом, реакция алкилирования по Фриделю — Крафтсу оказалась эффективным методом синтеза для получения ряда важных мономеров.

Область применения реакций алкилирования (и ацилирования) по Фриделю — Крафтсу значительно расширилась благодаря разработке различных катализаторов. К их числу относятся кислоты Льюиса (AlCl₃, FeCl₃), протонные кислоты Бренстеда (HF, H₂SO_4, и т. д.), твердые кристаллические структуры, например кислые катионитовые смолы, обезвоженные кислотные цеолиты, а также материалы на основе углерода, например графен.

Для проведения алкилирования по Фриделю — Крафтсу используется множество субстратов, реагентов и катализаторов, а также множество сочетаний технологических параметров. Учитывая объем и разнообразие этого класса реакций, для оптимального ведения процесса, его масштабирования, обеспечения безопасности и достижения целей по качеству и выходу продукта требуется полное понимание кинетики, термодинамики и параметров реакции.

Автоматизированные химические реакторы и реакционные калориметры играют важную роль в изучении энергетического баланса. Они необходимы для эффективного моделирования зависимости между параметрами процесса и качеством конечного продукта. ИКФС и рамановские спектрофотометры позволяют наблюдать за составом реакционной смеси, чтобы получать информацию о кинетике и механизме реакций. Когда возникает необходимость в автономном анализе реакционной смеси, система автоматического отбора проб EasySampler обеспечивает получение стандартизированных проб.

Используя эти системы, ученые могут выяснить, как условия и параметры реакции влияют на общую эффективность процесса. 

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

Авторы сообщают о разработке нового метода фтор-углеродного алкилирования с использованием N-фенилселенфталимида (NPSP) для включения селена и триметилсилил трифторметансульфоната (TMSOTf) в качестве катализатора. Реакция, протекающая с образованием связи C–C, отличается высокой регио- и диастереоселективностью. Благодаря использованию хирального селенсодержащего реагента получены 1,1-диарилзамещенные алкены, содержащие хиральные углеводороды с арильной группой у стереогенного атома углерода.

Для контроля механизма реакции использован погружной зондовый ИК-Фурье спектрофотометр ReactIR. По мнению авторов, ИКФС-спектры, полученные in situ, содержат полосу 1067 см-1, соответствующую побочному продукту (фталимид), и полосу 1033 см-1, соответствующую связи O–Si в промежуточном продукте (силиловый эфир енола). Предполагаемый механизм включает активацию N-фенилселенфталимида (NPSP) с помощью TMSOTf, что приводит к образованию промежуточных ионов эписеленония из алкенов. 

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. 

Используя ранее описанный метод кислотно-катализируемого расщепления-алкилирования, исследователи синтезировали ряд макромеров линейного полиизобутилена (ПИБ), содержащих несколько феноксипропилметакрилатных функциональных групп. Эти макромеры, полимеризованные под действием УФ-облучения, сравнивали с аналогичными полимерами, произведенными путем фотополимеризации триакрилатного макромера ПИБ, полученного полимеризацией по механизму живых цепей с использованием трехфункционального инициатора. Определяя точку исчезновения акрилатного пика (1615–1638 см⁻¹) с помощью ReactIR, авторы исследовали влияние концентрации фотоинициатора на скорость отверждения ПИБ-метакрилатов. Также систему ReactIR использовали для различения кинетики полимеризации контрольного триакрилата ПИБ по механизму живых цепей и различных многофункциональных макромеров, полученных методом расщепления-алкилирования.

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.