Травень В.Ф. - Органическая химия. В 3 т. Т. 2

К числу реакций Фриделя–Крафтса относят и другие процессы алкилирования, в которых также могут образоваться карбокатионы, способные выступать электрофильными агентами.

При применении алкенов как алкилирующих агентов в качестве катализатора применяют смеси HCl + AlCl3 и HF + BF3, а также фосфорную кислоту. Алкилирование спиртами проводят в присутствии BF3 или сильных минеральных кислот (Н3РО4, H2SO4, полифосфорная кислота).

Частным случаем алкилирования считают реакцию хлорметилирования. В ходе этой реакции нагреванием бензола с формальдегидом и HCl в при-

сутствии хлорида цинка с хорошим выходом получают бензилхлорид. Такая модификация реакции алкилирования аренов носит название «хлорметилирование по Блану» (1923 г.):

CH2Cl

+ CH2O HCl + ZnCl2

Электрофильный агент при этом образуется за счет комплексообразования формальдегида с ZnCl2:

CH2O + ZnCl2 CH2O ZnCl2 CH2 O ZnCl2

Последующая атака арена дает сначала σ-комплекс, который затем превращается в Zn-соль бензилового спирта и далее — в хлорметильное производное:

CH2 O ZnCl

бензол

CH2Cl

бензилхлорид

Алкилирование по Фриделю–Крафтсу может проходить и внутримолекулярно. В таких реакциях шестичленное кольцо образуется легче, чем пятичленное. Так, 4-фенил-1-бутанол в фосфорной кислоте дает продукт циклизации с выходом 50 %, а 3-фенил-1-пропанол преимущественно дегидратируется в алкенилбензол:

Получение 1,2,3,4-тетрагидронафталина (тетралин) с применением реакций Фриделя–Крафтса представляет собой один из способов аннелирова-

ния* в синтезе конденсированных бензоидных углеводородов (подробнее см. в разд. 11.2.1).

Задача 9.2. Когда бензол реагирует с неопентилхлоридом (CH3)3CCH2Cl в присутствии хлористого алюминия, преобладающим продуктом оказывается 2-метил-2-фенилбутан. Объясните этот факт написанием механизма реакции.

* Аннелированием называют образование в молекуле конденсированного цикла (обычно пятиили шестичленного), например, по приведенной выше схеме.

Вкачестве кислоты Льюиса применяют галогениды алюминия, трифторид бора, пентафторид сурьмы. Чаще всего, однако, ацилирование проводят

вприсутствии AlCl3, используя нитробензол, сероуглерод, тетрахлорэтан, 1,2-дихлорэтан или хлористый метилен как растворитель.

Вреакциях с активными аренами в качестве растворителя также можно применять бензол.

Ацетофенон. К охлаждаемой смеси безводного хлорида алюминия (53 г; 0,4 моль) в сухом бензоле (88 г; 1,13 моль) медленно при хорошем размешивании прибавляют ацетилхлорид (29 г; 0,37 моль). По окончании смешения реакционную массу нагревают 1 ч при 50 °С и охлаждают. Реакционный комплекс разрушают водой со льдом. Органический слой отделяют, промывают водой и сушат. Продукт выделяют перегонкой, т. кип. 201 °С. Выход 27 г (61%).

Поскольку продукт реакции — жирно-ароматический или ароматический кетон — находится в конечной реакционной смеси в виде комплекса с AlCl3, в ацилировании по Фриделю–Крафтсу применяют более, чем эквимольное количество катализатора (обычно 1,1 моль катализатора на 1 моль галоген-ангидрида или 2,1 моль катализатора на 1 моль ангидрида).

Стадия 1 — образование электрофильного агента:

Стадия 2 — каждая из образующихся при этом электрофильных частиц (ДАК, ионная пара, ацетил-катион) может реализовать последующую атаку арена. Такая атака протекает по стандартной схеме реакций электрофильного ароматического замещения:

O AlCl3

C

CH3

+ HCl

В отличие от алкилирования ацилирование по Фриделю–Крафтсу не сопровождается побочными процессами (изомеризация, полизамещение).

Причиной отсутствия изомеризации ацилирующего агента является высокая резонансная стабилизация ацилий-иона по сравнению с любым другим ионом, который мог бы образоваться за счет 1,2-сдвига гидрид-иона или алкильной группы. Благодаря отсутствию процессов изомеризации при ацилировании легко могут быть получены алкилбензолы, труднодоступные прямым алкилированием. С этой целью жирно-ароматические кетоны, полученные в реакции ацилирования, подвергают затем восстановлению по одной из следующих реакций:

а) действием амальгамированного цинка в концентрированной HCl (реакция Клемменсена, 1913 г.);

б) действием гидразина в присутствии гидроксида калия (реакция Киж- нера–Вольфа, 1911 г.) при нагревании в высококипящем спирте (диэтилен-

гликоль или триэтиленгликоль):

пропилбензол (85%)

н-Пропилбензол. Пропиофенон (25 г; 0,19 моль) и амальгамированный цинк (100 г; 1,53 моль) нагревают в течение 4 ч в смеси равных частей технической соляной кислоты и воды. Через 5 мин после смешения реагентов начинается бурная реакция. В ходе нагревания время от времени к реакционной смеси добавляют конц. HCl. Продукт экстрагируют хлороформом и выделяют перегонкой, т. кип. 155–160 °С. Выход 20,5 г (90%).

Оценивая синтетические возможности реакций алкилирования и ацилирования, следует иметь в виду следующие ограничения:

1.Алкилирование ароматических углеводородов по Фриделю–Крафтсу сопровождается процессами изомеризации электрофильного агента, а также побочными процессами полиалкилирования.

2.И в реакцию алкилирования, и в реакцию ацилирования по Фриде- лю–Крафтсу не вступают соединения, имеющие в кольце сильные электроноакцепторные заместители. Помимо дезактивирования бензольного кольца к электрофильной атаке эти заместители способны к комплексо-

образованию с AlCl3. По той же причине реакцию Фриделя–Крафтса не применяют также для анилина, фенола и подобных им соединений (основания Льюиса). Наличие НЭП на гетероатомах в этих соединениях ведет к связыванию катализатора — молекулы хлорида алюминия — и тем самым к его дезактивированию.

3.И арил-, и винилгалогениды не применяют в реакциях Фриде- ля–Крафтса, поскольку они в этих условиях не способны к образованию карбокатионов:

В связи с указанными ограничениями следует обратить внимание на новые ацилирующие агенты — ацилпроизводные трифторметансульфоновой кислоты (ацилтрифлаты). Эти соединения представляют собой смешанные ангидриды карбоновых кислот и трифторметансульфоновой кислоты и обладают высокой активностью. Они способны, например, ацилировать бензол в отсутствие какого-либо катализатора:

C6H6 + CF3SO2OCOCH3 C6H5COCH3 + CF3SO3H

9.3.ПРАВИЛА ОРИЕНТАЦИИ

В молекуле бензола все шесть атомов углерода равноценны. Вследствие этого не имеет значения, какой атом водорода подвергается замещению. Если бензольное кольцо содержит заместитель X, то положения, остающиеся свободными, неравноценны, в том числе по отношению к реакциям

SEAr. В общем случае электрофильное замещение в монозамещенном бензоле может протекать в трех направлениях:

E

дизамещенные бензолы

При рассмотрении этих реакций следует обсудить два важных вопроса:

1)какие изомеры преимущественно образуются в результате замещения,

т.е. каково ориентирующее влияние заместителя X?

2)в каком случае скорость реакции выше: когда реагентом является бен-

зол или замещенный бензол С6Н5Х, т. е. какова относительная реакционная способность (относительная скорость реакции)

kотн = kC6H5X/kC6H6

соединения С6Н5Х?

Если бы заместитель Х не изменял реакционную способность свободных положений в C6H5X, результаты электрофильного замещения в C6H5X определялись бы статистическим фактором, согласно которому молекула бензола имеет шесть положений для атаки электрофила E , а молекула C6H5X — только пять. При этом kотн равнялась бы 5/6. Соотношение орто-, мета- и пара-изомеров в этом случае составило бы 2 : 2 : 1:

Ниже приведены экспериментальные результаты нитрования толуола, хлорбензола и нитробензола нитрующей смесью в стандартных условиях (табл. 9.1). Как видно из данных этой таблицы, учет только статистического фактора недостаточен для объяснения экспериментальных результатов нитрования.

Если в качестве заместителей выступают метильная группа и атом хлора, при нитровании образуются в основном орто- и пара-изомеры. Поэтому метильную группу и атом хлора следует рассматривать как орто,пара-ори- ентанты. Если же в исходном соединении имеется группа NO2, то новая нитрогруппа вступает преимущественно в мета-положение. Нитрогруппа является мета-ориентантом.

Кроме того, скорость нитрования толуола, например, в 24 раза выше скорости нитрования бензола (kотн). Напротив, при наличии хлора в бензольном кольце реакционная способность соединения в нитровании ниже (kотн = = 0,033), чем реакционная способность бензола. Нитробензол нитруется значительно труднее, чем бензол и хлорбензол.

Определяющее влияние заместителя на результаты реакции SEAr характерно практически для всех реакций электрофильного ароматического замещения. По своему влиянию на ориентацию в этих реакциях все заместители делятся, таким образом, на орто,пара- и мета-ориентанты. При этом заместители в бензольном кольце по отношению к реакциям электрофильного ароматического замещения могут выступать или как активирующие, или как дезактивирующие. (В разд. 9.5 можно познакомиться с количественной оценкой такого влияния.)

Таблица 9.1. Результаты нитрования ряда замещенных бензолов С6H5X нитрующей смесью