Алкилирование по Фриделю-Крафтсу

Алкилирование по Фриделю-Крафтсу состоит в реакции бензола с алкилгалогенидами в присутствии кислот Льюиса (AlBr₃, AlCl₃, FeCl₃, SbCl₅, BF₃, ZnCl₂ и др.).

Электрофильная частица образуется при взаимодействии алкилгалогенида (основание Льюиса) с катализатором (кислотой Льюиса). Взаимодействие протекает через следующие стадии.

В донорно-акцепторном комплексе (ДАК) на атоме хлора появляется полный положительный заряд, что приводит к сильной поляризации связи С – Cl. Возможен даже гетеролитический разрыв этой связи, противоположно заряженные ионы удерживаются в тесной ионной паре за счет кулоновского притяжения без образования ковалентной связи.

Какое строение имеет электрофил, атакующий ароматическое ядро, определить трудно. Строение электрофильной частицы постепенно меняется от структуры ДАК до ионной пары при переходе от первичного галогеналкана к третичному. Чем более устойчив образующийся карбокатион, тем более равновесие смещено в сторону образования свободных ионов.

Возможно, комплекс трет -алкилгалогенидов с хлоридом алюминия распадается с образованием карбокатиона, который и атакует ароматическое ядро.

Способность атома галогена в R – Hal к образованию ДАК с кислотой Льюиса уменьшается от фтора к иоду. Следовательно, активность алкилирующих агентов в реакции Фриделя-Крафтса уменьшается в ряду

R – F > R – Cl > R – Br > R – I

Тенденция галогена в алкилгалогенидах к комплексообразованию с кислотами Льюиса обратно пропорциональна ионным объемам, поэтому устойчивость комплекса возрастает от алкилиодида к алкилфториду. По этой же причине возрастает поляризация связи С–Х от алкилиодида к алкилфториду, т. е. атом углерода алкилгалогенида обладает всё большим положительным зарядом, который определяет его реакционную способность по отношению к нуклеофильному ароматическому соединению. Так, например, метилбромид в присутствии бромистого алюминия реагирует с бензолом примерно в 200 раз быстрее, чем метилиодид. Поэтому для реакций алкилирования по Фриделю - Крафтсу алкилиодиды мало пригодны. Различие в реакционной способности алкилгалогенидов позволяет селективно замещать атом фтора в присутствии брома в одной и той же молекуле.

Ароматические углеводороды легко алкилируются под действием разнообразных галогенпроизводных углеводородов, их реакционная способность уменьшается в ряду:

(C₆H₅)₃C–Hal > (C₆H₅)₂CH–Hal > C₆H₅CH₂-Hal > CH₂=CH-CH₂-Hal > > R₃C-Hal > R₂CH-Hal > RCH₂-Hal > CH₃-Hal.

В реакции алкилирования по Фриделю-Крафтсу нельзя использовать в качестве алкилирующих агентов арилгалогениды Ar-Hal и винилгалогениды R-CH=CH-Hal.

Стадии образования и стабилизации σ-комплекса аналогичны рассмотренным ранее.

Алкилирование по Фриделю-Крафтсу имеет ряд серьезных недостатков.

Во-первых, реакция алкилирования по Фриделю-Крафтсу связана с изомеризацией алкилирующего агента в ходе реакции, в результате чего образуется смесь изомерных продуктов алкилирования.

Основным продуктом алкилирования является изопропилбензол – результат взаимодействия бензола с вторичным карбокатионом (CH₃)₂CH^Å. Возможно, перегруппировка осуществляется на стадии образования ДАК.

Для получения алкилбензолов с неразветвленной цепью атомов углерода используют двухстадийный синтез (п. 1.6.1.4).

Во-вторых, образующийся при алкилировании бензола продукт является более реакционноспособным, чем бензол. Поэтому алкилирование аренов алкилгалогенидами при соотношении реагентов, близком к эквимолярному, приводит к образованию значительного количества продуктов полиалкилирования.

В этом отношении алкилирование сильно отличается от нитрования и галогенирования. Для того чтобы свести полиалкилирование к минимуму, используют большой избыток ароматического углеводорода. В этом случае он выполняет роль и реагента, и растворителя.

Еще одно ограничение для использования реакции алкилирования по Фриделю-Крафтсу связано с миграцией алкильной группы в конечном продукте (диспропорционирование продуктов). Например, алкилирование толуола хлористым изопропилом при 0 ^оС (AlCl₃, растворитель – ацетонитрил CH₃CN) приводит к смеси изомеров.

Однако при 25 ^оС в присутствии AlCl₃ (2 моль) и HCl образуется только мета -изомер.

Из смеси трех изомерных цимолов в присутствии катализатора BF₃ ×HCl уже через 10 минут образуется только мета- изомер.

Алкилирование по Фриделю-Крафтсу относится к немногочисленной группе обратимых реакций электрофильного ароматического замещения, подчиняющихся термодинамическому контролю: в продуктах реакции, протекающей при более высокой температуре, преобладает наиболее термодинамически устойчивый 1,3-диалкил- или 1,3,5-триалкилбензол.

Изомеризация первоначально образующихся продуктов алкилирования происходит на стадии образования s-комплекса за счет 1,2-сдвига отрицательно заряженной алкильной группы (карбоаниона).

В результате перемещения группы CH₃^Θ в карбокатионах между тремя изомерами ксилола устанавливается равновесие, в котором всегда преобладает наиболее стабильный мета -изомер. В зависимости от температуры массовая доля м -ксилола в смеси равна 52-60 %, п -ксилола – 23-24 % и о- ксилола – 16-25 %. В более жестких условиях изомеризация алкилбензолов приобретает межмолекулярный характер. В результате из ксилолов образуется смесь, содержащая три-, тетра- и пентаметилбензолы наряду с толуолом и бензолом, происходит диспропорционирование.

Таким образом, при алкилировании правила ориентации соблюдаются только до тех пор, пока процесс протекает в мягких условиях, благоприятствующих кинетическому контролю (низкая температура, малые количества катализатора). Напротив, в условиях термодинамического контроля (более высокая температура, продолжительное время реакции, большие количества катализатора) алкилирование приводит преимущественно к мета -замещенным продуктам.

Некоторые ограничения алкилирования по Фриделю-Крафтсу связаны с группами, которые уже имеются в ароматическом кольце: 1) соединения, содержащие только электроноакцепторные группы (-NO₂, -COOH, -CHO, -CN) не алкилируются; 2) ароматические соединения с группами –NH₂, -NHR, -NR₂, -OH не вступают в реакции алкилирования по Фриделю-Крафтсу из-за связывания кислоты Льюиса основными группами с образованием межмолекулярного ДАК.

Для алкилирования ароматических углеводородов вместо алкилгалогенидов можно использовать спирты. В этом случае в качестве катализаторов используют трехфтористый бор, фосфорную или серную кислоты.

Катализатор следует применять в стехиометрическом количестве, т. к. вода, образующаяся в результате реакции, связывает трехфтористый бор.

Наиболее дешевыми реагентами для алкилирования аренов в промышленности являются алкены. Типичными катализаторами таких процессов служат системы HCl–AlCl₃, HF–BF₃ или H₃PO₄, HF.

Электрофильная частица образуется в результате следующих реакций:

Образование s -комплекса и его стабилизация происходят в соответствии с механизмом S_EAr.

Для алкилирования ароматических углеводородов широко используется формальдегид. В присутствии минеральных кислот реакция бензола с формальдегидом приводит к дифенилметану с высоким выходом.

Дата добавления: 2015-07-26