Алкилирование по Фриделю-Крафтсу

Алкилирование ароматических соединений осуществляют действием алкилгалогенидов в присутствии в качестве катализатора кислот Льюиса (AlBr₃, AlCl₃, FeCl₃, SbCl₅, TiCl₄, BF₃, BCl₃, SnCl₄ и др.). Самым распространенным катализатором этой реакции является сублимированный хлористый алюминий.

Механизм реакции можно представить следующей схемой:

где В: = AlCl₄^- ; H₂O или другое основание.

Скорость реакции лимитируется стадией образования -комплекса.

Точное строение интермедиата (RCl ^.AlCl₃) не известно. Можно представить целый ряд структур от молекулярного комплекса до диссоциированных карбокатионов.

+  -

RClAlCl₃ RCl  AlCl₃ R⁺AlCl₄^- R⁺ + AlCl₄^-

молекулярный координационный контактная свободные ионы

комплекс комплекс ионная пара

Наиболее вероятно, что строение комплексов RX^. MX_n постепенно изменяется от структуры координационного комплекса до структуры ионной пары в зависимости от природы R. Участие в реакции молекулярных комплексов и свободных карбокатионов маловероятно.

Способность атома галогена в RX к комплексообразованию с AlCl₃ или другой жесткой кислотой Льюиса резко уменьшается от фтора к иоду, вследствие чего активность алкилгалогенидов в качестве алкилирующих агентов в реакции Фриделя-Крафтса уменьшается в ряду RF> RCl> RBr> RI.

Реакционная способность галогенпроизводных зависит также от природы углеводородного радикала и уменьшается в ряду (C₆H₅)₃CX> (C₆H₅)₂CHX> C₆H₅CH₂X> CH₂=CHCH₂X> R₃CX> R₂CHX> RCH₂X> CH₃X.

Алкилирование аренов по Фриделю-Крафтсу как синтетический метод имеет три серьезных недостатка, ограничивающих его применение в органическом синтезе.

Во-первых, реакция имеет низкую селективность по продукту монозамещения, так как первоначально образующийся продукт моноалкилирования более реакционноспособен, чем исходный арен. Алкилирование аренов алкилгалогенидами при соотношении реагентов, близком к эквимолярному, приводит к образованию значительного количества продуктов полиалкилирования. Для того чтобы свести полиалкилирование к минимуму, используют большой избыток ароматического углеводорода, который выполняет роль и реагента, и растворителя.

Во-вторых, в ходе реакции происходит изомеризации алкилирующего агента, в результате чего образуется смесь изомерных продуктов алкилирования. Классическим примером является алкилирование бензола н-пропилхлоридом, приводящее к смеси н-пропил- и изопропилбензолов.

П ричина образования изопропилбензола - изомеризация 1-хлорпропана в 2-хлорпропан под действием кислоты Льюиса.

Поскольку вторичные алкилгалогениды в реакции алкилирования ароматических углеводородов более реакционноспособны, чем первичные, доля изомеризованного продукта оказывается выше, чем алкилбензола с первичной алкильной группой. По этой причине н-алкилбензолы целесообразно получать не алкилированием, а ацилированием аренов по Фриделю-Крафтсу с последующим восстановлением (см. далее).

Третье ограничение, препятствующее применению реакции алкилирования по Фриделю-Крафтсу, связано с миграцией алкильных групп в конечном продукте реакции. Алкилирование по Фриделю-Крафтсу относится к немногочисленной группе обратимых реакций электрофильного ароматического замещения, подчиняющихся термодинамическому контролю, когда в продуктах реакции преобладает более стабильные 1,3-диалкил- или 1,3,5,-триалкилбензолы.

П реимущественное образование продуктов мета-замещения связано с миграцией алкильных групп в первоначально образующихся продуктах алкилирования. Так, при нагревании п-ксилола в присутствии галогеноводорода и кислоты Льюиса образуется равновесная смесь, в которой преобладает более стабильный м-ксилол.

В жестких условиях изомеризация алкилбензолов приобретает межмолекулярный характер, так что сами они могут выступать в качестве алкилирующих реагентов (переалкилирование).

C₆H₄(C₂H₅)₂ + C₆H₆ [AlCl3] 2C₆H₅C₂H₅

К роме алкилгалогенидов в качестве алкилирующих реагентов используют спирты в присутствии протонных кислот или кислот Льюиса: (H₃PO₄, H₂SO₄, BF₃):

и ли алкены в присутствии протонных кислот (H₃PO₄, HF) или систем HCl-AlCl₃; HF-BF₃:

В этих случаях электрофильными реагентами являются карбокатионы или близкие к ним ионные пары. Алкилирование спиртами и алкенами имеет те же недостатки, что и алкилирование алкилгалогенидами.

Ароматические соединения, содержащие электроноакцепторные заместители (NO_2, NO,CN,COOR и др.), не алкилируются в условиях реакции Фриделя-Крафтса. Ароматические амины и фенолы связывают кислоты Льюиса в нереакционноспособный донорно-акцепторный комплекс, где неподеленная пара электронов кислорода или азота координируется с атомом металла кислоты Льюиса. Поэтому для алкилирования этих соединений в ароматическое ядро используют другие методы.