Реакция Фриделя - Крафтса. Органическая химия

При получении в промышленности разного вида алкилбензолов и ацилбензолов широкое распространение получила реакция Фриделя‒Крафтса. Она является одним из двух известных способов синтеза данных соединений, а ее параметры подвергаются регулированию для достижения более высокого выхода продукта.

Подробнее о способах алкилирования аренов

Самым известным примером реакции Фриделя‒Крафтса является взаимодействие хлористого метила (CH₃Cl) с бензолом (C₆H₆) в присутствии хлористого алюминия (AlCl₃), где на выходе получают толуол (C₇H₉). Эту реакцию получили в 1877 г. двое ученых - Чарльз Фридель и Джеймс Крафтс. Она впоследствии стала одной из важных составляющих для промышленного производства алкиларенов.

Основным синтезом является взаимодействие бензола и его гомологов с любыми алкилгалогенидами в присутствии так называемых кислот Льюиса. Суть от изменения реагентов не меняется: реакция всегда проходит по одному и тому же принципу. Производными данного способа стало получение в органической химии алкилбензолов путем взаимодействия спирта и неорганической кислоты, карбониевого иона и ароматического кольца.

Вторым способом считают метод превращения боковой цепи различных ароматических кетонов в присутствии амальгамы цинка (ZnHg) с соляной кислотой (HCl) или гидразина (N₂H₂) с сильным основанием. Обе реакции носят восстановительный характер: первая называется реакцией по Клемменсу, вторая – по Кижнеру‒Вольфу.

Также если в боковой цепи находятся ненасыщенные связи, их можно восстановить путем реакции на никелевом катализаторе (Ni) в присутствии газообразного водорода (H₂).

Механизмы реакции

В литературе описывают два возможных пути протекания реакции, и оба они проходят по принципу электрофильного замещения. Разница заключается лишь в природе электрофила: в первом случае это алкильный карбониевый ион (другое название – карбокатион), образующийся в результате присоединения галоген-иона к кислоте Льюиса по донорно-акцепторному принципу, а во втором – одностадийное создание внутреннего комплекса между всеми участвующими реагентами по тому же способу. Ниже подробно рассмотрены каждый из возможных вариантов.

Реакция с образованием карбониевого иона

Данный механизм предполагает прохождение синтеза в 3 стадии, где кислоты Льюиса, например AlCl₃, TiCl₄, SnCl₄, FeCl₃, BF₃, HF выступают в качестве катализатора процесса.

Для рассмотрения типичной реакции Фриделя-Крафтса было выбрано взаимодействие между бензолом и 1-фторпропаном (C₃H₆F) в присутствии трехфтористого бора BF₃ как катализатора.

В первой стадии процесса C₃H₆‒F реагирует с BF₃, присоединяя галоген-ион по донорно-акцепторному принципу. На внешнем энергетическом уровне у бора есть свободная ячейка (акцептор), которую занимает фтор с неподеленной парой электронов (донор). Благодаря такому присоединению атом углерода C, стоящий рядом с галогеном F в 1-фторпропане, приобретает положительный заряд и становится очень реакционноспособным пропил-карбониевым ионом. Это свойство данных ионов увеличивается в ряду первичный→ вторичный→ третичный, поэтому в зависимости от условий в продуктах реакции алкилирования возможна перегруппировка боковой цепи в более выгодное положение.

Далее, полученный карбокатион реагирует с бензолом и присоединяется в месте связи атомов углерода и водорода, передавая электронную плотность на C ароматического кольца.

В третьей стадии образовавшаяся частица реагирует с ионизированной кислотой Льюиса, где атом H отщепляется от арена и присоединяется к оторвавшемуся F с образованием фтороводорода HF, а продуктами реакции становится н-пропилбензол, изопропилбензол и восстановленный BF₃.

Синтез с образованием внутреннего комплекса

Механизм реакции предполагает образование промежуточного общего комплекса, где в одну стадию алкильная группа перемещается от галогена к ароматическому кольцу, а галоген к кислоте Льюиса, создавая при этом ионную пару, которая распадается на алкилбензол, минеральное соединение и восстановленный катализатор.

Виды производных реакций

Реакция Фриделя‒Крафтса для бензола и его гомологов со спиртами в присутствии минеральных кислот проходит по тем же механизмам. В этом случае атом водорода присоединяется к гидроксид-иону и, отрываясь, образует молекулу воды. Образовавшийся карбониевый ион прикрепляется к углероду в ароматическом кольце по месту связи с H. Этот атом отщепляется, присоединяясь к кислотному остатку, а в результате синтезируется алкилбензол.

В ненасыщенных углеводородах по месту двойной связи встает оторвавшийся водород, образуя все тот же карбокатион, связанный с кислотным остатком. Гидрирование алкена проходит возле того атома углерода, который образует наиболее выгодную структуру. Затем реакция проходит как в предыдущем случае.

Одним из производных синтезов также является реакция ацилирования по Фриделю-Крафтсу, где вместо алкилгалогенидов используются хлорангидриды (RCOCl) с образованием ароматических кетонов.

Присоединение двух и более алкильных остатков

Бензол в реакции Фриделя-Крафтса может присоединять от 2 до 6 заместителей. Стоит отметить, что с каждым разом взаимодействие проходит быстрее, так как связь в ароматическом кольце ослабляется уже при первом синтезе. Процесс образования полиалкилбензолов может осуществляться в ходе одной реакции, поэтому для контроля получения необходимого продукта пользуются избытком ароматического соединения. С помощью этого способа можно постепенно вводить по одной группе в структуру бензола и его гомологов.

В реакции Фриделя-Крафтса толуол легко присоединяет следующую алкильную группу, так как арен уже был активирован по отношению к электрофильному замещению. В продуктах реакции при 0 °C будет равновесная смесь орто- и пара-ксилола, а при повышении температуры до 80 °C синтезироваться будет, в основном, только мета-соединение. Это объясняется, как будет описано ниже, энергетической выгодой образования тех или иных положений в зависимости от нагревания смеси.

Продолжением данного синтеза является возможная способность полигалогеналканов присоединять более одного ароматического кольца по основному механизму.

Особенности синтеза

В органической химии образование смеси изомеров алкилбензолов объясняется двумя причинами. Во-первых, как было сказано выше, образование карбокатиона иногда предполагает более выгодную перегруппировку, за счет чего и образовываются различные структуры продукта. Во-вторых, их количественный состав регулируется температурным режимом (от 0 °C до 80 °C), то есть при повышении температуры с целью компенсации энергозатратности образования конкретной структуры можно добиться более высокого выхода одного из изомеров. Этот же принцип действует и при образовании диалкилбензолов, где орто- и пара-положения при повышении температуры уступают мета-ориентации.

Ограничения в применении синтеза

Существуют 3 нюанса, из-за которых реакция Фриделя‒Крафтса может идти с побочными эффектами или же не идти вовсе.

Ввод электродефицитных заместителей в ароматическое кольцо сопровождается дезактивацией арена по отношению к дальнейшим реакциям замещения. Так, например, при присоединении иона нитрония к алкилбензолам синтез проходит труднее, так как он оттягивает электронную плотность на себя из-за стремления азота заполнить пустую ячейку на внешнем энергетическом уровне. Из этих же соображений, полинитрование или, например, полисульфирование проходит при очень жестких условиях, так как с каждым последующим синтезом ароматическое кольцо теряет реакционную способность.

Поэтому синтез по Фриделю-Крафтсу не идет, если в ароматическом кольце есть электродефицитные заместители, в особенности, имеющие сильноосновные свойства, связывающие кислоты Льюиса (например -NH₂, –NHR, -NR₂). А вот реакции, например, с галогенбензолами или ароматическими карбоновыми кислотами идут по типичному механизму, хотя они и обладают меньшей реакционной способностью.

Важным моментом также является перегруппировка карбониевого иона в процессе или же продукта в конце, так как на нее оказывает большое влияние условия проведения синтеза, в частности, температура и избыток алкилируемого вещества.

Вместо алкилгалогенидов R‒X (R = алкильная группа, X = галоген) нельзя использовать галогенарены Ar‒X (Ar = ароматическое соединение), так как они очень тяжело вступают в реакцию отщепления заместителя даже под влиянием кислот Льюиса.