フリーデルクラフツアルキル化では、ハロゲン化アルキルまたはアルケンと芳香族炭化水素との反応によって、アルキルベンゼンなどのアルキル化生成物を合成します。 この反応では芳香環の水素原子が除去され、求電子試薬に置換されます。 つまり、これは芳香族求電子置換によって起こる、AlCl3やFeCl3などの強いルイス酸を使用した触媒反応です。 ハロゲン化アルキルの置換基の数（すなわち一級/二級/三級ハロゲン化アルキル）に応じて、正に帯電したアルキル化学種が、単純なカルボカチオンまたはカルボカチオンとルイス酸との複合体として芳香環と反応します。
フリーデルクラフツアルキル化の反応機構は複数のステップで構成されています。 最初に、ハロゲン化アルキルとルイス酸が反応し、カルボカチオンを形成します。 次に、このカルボカチオンが芳香環を攻撃して芳香環の二重結合の1つを切断し、非芳香族中間体を形成します。 これによりこの中間体の脱プロトン化が起こり、環は再び芳香環になります。離脱したプロトンは酸を形成し、ルイス酸触媒は元に戻ります。
フリーデルクラフツ反応は、C-H結合を活性化し、C-C結合を形成する有機化学における最も重要な反応の1つです。 アルキル基がアレーン分子に付加されるフリーデルクラフツ型のアルキル化は、多様な工業製品を製造するための基礎となります。 この化学反応では、ベンゼンなどの一般的な化学原料を使用し、これを幅広い中間体や最終生成物に変換します。 産業分野における古典的なフリーデルクラフツアルキル化の一例として、エチルベンゼンを生成するためのベンゼンとエチレンの酸触媒反応があります。 エチルベンゼンの製造規模はきわめて大きく、1年間に数百万トンに達します。 これはスチレンの前駆体分子で、ポリスチレンポリマーの形成に使用されます。 クメン、キシレン、トルエンは、すべてフリーデルクラフツ型反応で生成することができます。 たとえば、p-キシレンは、ポリエチレンテレフタル酸（PET）の製造で使用するテレフタル酸とテレフタル酸ジメチルモノマーを形成する前駆体分子です。 さらに、フリーデルクラフツアルキル化は、ファインケミカルと天然物の開発においても重要な役割を果たしています。
フリーデルクラフツアルキル化とフリーデルクラフツアシル化の基本的な違いは、前者の反応が芳香族炭化水素をアルキル化し、後者がアレーンをアシル化する点です。 さらに、フリーデルクラフツアシル化では、フリーデルクラフツアルキル化合成が抱える一部の基本的な制約を解消できます。 こうした制約として、カルボカチオンの転位により特定のアルキルベンゼン化合物だけが生成されることや、不要な副生成物につながる分子の過アルキル化が発生する傾向があることなどが挙げられます。
フリーデルクラフツアシル化では、AlCl3の存在下でアシル基[-C（O）R]がアシリウムイオンを形成します。 アシリウムイオンはベンゼン環を攻撃して複雑な中間体を形成し、環は芳香族性を失います。 次に、AlCL4イオンが環からプロトンを除去します。これにより環は芳香環に戻り、さらにAlCl3触媒が再生されます。 得られる生成物は、ケトン部分が結合した環です。 アシリウムイオンの共鳴安定化により転位は発生せず、非活性化によって求電子攻撃が停止し、それ以降は環の置換は発生しません。
古典的なフリーデルクラフツアルキル化反応として、アレーン分子の二重結合に対するカルボカチオンの攻撃によって起こる、触媒による求電子置換反応です。 この反応の触媒は、通常はAlCl3などの塩化物であり、縮合剤として機能します。 このアルキル化へのアプローチによりさまざまな炭化水素分子が開発されてきました。 フリーデルクラフツ反応の用途は、アレーン分子のアルキル化に加えて、二重結合が含まれる脂肪族炭化水素のアルキル化またはアシル化によって生成される幅広い化合物にまで広がっています。 このように、フリーデルクラフツアルキル化反応は、不飽和炭化水素の重合による幅広い重要なポリマーの合成に有効であることが実証されています。
さまざまなアプリケーションをサポートする広範な触媒の開発により、多様なフリーデルクラフツ型アルキル化（そしてアシル化）が推進されてきました。 一般的にこうした触媒には、ルイス酸（AlCl3、FeCL3）やプロトン性ブレンステッド酸（HF、H2SO4、など）に加えて、酸性陽イオン交換樹脂、無水酸交換ゼオライト、炭素系材料（グラフェンなど）を始めとする固体格子構造があります。
フリーデルクラフツアルキル化には、幅広い基質、試薬、触媒、反応条件が使用されます。 この反応クラスの適用範囲と多様性を考えると、最適化された反応の開発、スケールアップ、安全性、生成物の品質と収率の目標を達成するためには、反応速度、熱力学、反応変数の影響を綿密に把握する必要があります。
自動化学合成装置と反応熱量計は、反応エネルギーが十分に把握され、変数が反応パフォーマンスに与える影響が適切にモデリングされるようにする上で重要な役割を果たします。 FTIRとラマン分光計は、主要な反応化学種の追跡とモニタリングに有効であり、反応速度と機構に関する情報を提供します。 反応サンプルのオフライン分析が必要な場合は、EasySamplerによって再現性が高い、全自動式in-situサンプル取り出しが可能になります。
これらの技術によって、反応条件/変数と総合的な反応パフォーマンスとの関連を十分に把握できます。
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年、18、5、912～915項
著者らは、N-フェニルセレノフタルイミド（NPSP）のセレンを使用し、トリフルオロメタンスルホン酸トリメチルシリル（TMSOTf）を触媒とする、革新的なフッ素-炭素アルキル化メソッドの開発について報告しています。 C-C結合を形成するこの合成には、高い位置選択性とジアステレオ選択性があります。 キラルセレン試薬を使用した場合、ステレオジェニックな炭素原子にアリル部分を含むキラル炭化水素を持った1,1-ジアリール置換アルケンがこの反応によって生成されます。
この反応について提案された機構を裏付けるためにReactIR技術が使用されました。 in-situ IR実験により、副生成物であるフタルイミドに割り当てられた1067cm-1のバンドと、シリルエノールエーテル中間体のO-Si結合に割り当てられた1033cm-1のバンドの存在が明らかになりました。 提案された機構は、TMSOTfがNPSPを活性化し、アルケンからエピセレノニウムイオン中間体を形成することを示しています。
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.
前述の酸触媒による開裂/アルキル化メソッドを使用して、研究者らは複数のフェノキシプロピル（メタ）アクリレート官能基を含む直鎖ポリイソブチレン（PIB）マクロマーのライブラリを合成しました。 UV硬化によってこのマクロマーを重合し、その特性を類似のポリマーと比較しました。このポリマーは、三官能性開始剤を使用したリビング重合によってPIBトリアクリレートマクロマーを生成し、これを光重合することで生成したものです。 著者らは、ReactIRを使用してアクリレートピーク（1615～1638cm−1）の喪失を追跡し、PIB（メタ）アクリレートの硬化速度に与える光開始剤濃度の影響を調べました。 さらに、ReactIR測定を使用して、リビングPIBトリアクリレートコントロールと、開裂/アルキル化プロセスによって生成したさまざまな多機能マクロマーの硬化速度を識別しました。
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.
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