Friedel-Craftsova alkylace

Friedel-Craftsova alkylace syntetizuje alkylované produkty, jako jsou alkylbenzeny, reakcí alkylhalogenidů nebo alkenů s aromatickými uhlovodíky. Reakce odstraní atom vodíku na aromatickém kruhu a nahradí jej elektrofilem. Dochází k němu tedy prostřednictvím elektrofilní aromatické substituce a je katalyzován pomocí silných Lewisových kyselin, jako je AlCl₃ nebo FeCl₃. V závislosti na počtu substituentů na alkylhalogenidu (tj. primární, sekundární nebo terciární alkylhalogenid) interaguje kladně nabitý alkylový druh s aromatickým kruhem jako jednoduchý karbokation nebo jako karbokationový komplex Lewisovy kyseliny.

Mechanismus Friedel-Craftsovy alkylace probíhá v několika krocích. Zpočátku alkylhalogenid a Lewisova kyselina reagují za vzniku karbokationtu. Karbokation pak napadá aromatický kruh a přerušuje jednu z dvojných vazeb kruhu, což vede k vytvoření nearomatického meziproduktu. Poté dojde k deprotonaci tohoto meziproduktu, kruh znovu získá aromaticitu a odstraněný proton vytvoří kyselinu, která obnoví katalyzátor Lewisovy kyseliny.

Friedel-Craftsovy reakce patří mezi nejdůležitější v organické chemii pro aktivaci C-H a tvorbu C-C vazeb. Přidáním alkylové skupiny k molekule arene tvoří alkylace ve stylu Friedel-Crafts základ pro výrobu rozmanité sady průmyslových produktů. Chemie bere běžné chemické suroviny, jako je benzen, a převádí je na širokou škálu meziproduktů a konečných produktů. Jednou z klasických průmyslových Friedel-Craftsových alkylací je kyselinou katalyzovaná reakce benzenu a ethylenu za vzniku ethylbenzenu. Rozsah výroby ethylbenzenu je obrovský, měří se v milionech tun ročně. Je to prekurzorová molekula styrenu, která se zase používá při tvorbě polystyrenových polymerů. Kumen, xylen a toluen mohou být produkovány pomocí reakcí typu Friedel-Craft. Jako příklad lze uvést p-xylen jako prekurzorovou molekulu pro tvorbu monomerů kyseliny tereftalové a dimethyltereftalátu používaných při výrobě polyethylentereftalátu (PET). Kromě toho mají Friedel-Craftsovy alkylace důležitou roli ve vývoji čistých chemikálií a přírodních produktů. 

Základní rozdíl mezi Friedel-Craftsovou alkylací a Friedel-Craftsovou acylací spočívá v tom, že první reakce alkyluje aromatický uhlovodík, zatímco druhá acyluje areen. Kromě toho Friedel-Craftsova acylace pomáhá překonat některá základní omezení Friedel-Craftsovy alkylační syntézy. Tato omezení zahrnují to, že mohou být vyrobeny pouze určité alkylbenzenové sloučeniny v důsledku přeskupení karbokationtu a tendence k přealkylaci molekuly, což vede k nežádoucím vedlejším produktům.

Při Friedel-Craftsově acylaci tvoří acylová skupina [-C(O)R] acylový iont v přítomnosti AlCl₃. Acylový iont napadá benzenový kruh a vytváří komplexovaný meziprodukt, ve kterém kruh ztrácí svou aromaticitu. Dále iont AlCL₄ odstraní proton z kruhu, čímž obnoví aromaticitu kruhu a také regeneruje katalyzátor AlCl₃ . Výsledným produktem je kruh s připojenou ketonovou částí. Nedochází k žádným přeskupením v důsledku rezonanční stabilizace acyliového iontu a deaktivace zastaví elektrofilní útok, čímž se eliminují další substituce kruhu.

Klasická Friedel-Craftsova alkylační reakce je katalyzovaná elektrofilní substituční reakce, která vzniká z útoku karbokationtu na dvojnou vazbu molekuly arenu. Katalyzátorem pro tuto reakci je obvykle chlorid, jako je AlCl₃, který působí jako kondenzační činidlo. Tento přístup k alkylaci vedl k vývoji různých uhlovodíkových molekul. Kromě alkylace molekul arenu byla Friedelova-Craftsova reakce rozšířena tak, aby zahrnovala řadu sloučenin vznikajících z alkylace nebo acylace alifatických uhlovodíků obsahujících dvojné vazby. Friedel-Craftsova alkylační reakce tedy prokázala hodnotu pro syntézu široké škály důležitých polymerů prostřednictvím polymerace nenasycených uhlovodíků.

Rozmanitost alkylatací (a acylací) Friedel-Craftsova typu byla poháněna vývojem široké škály různých katalyzátorů, které podporují různé aplikace. Mezi ně obecně patří Lewisovy kyseliny (AlCl₃, FeCL₃) nebo protické Brønstedovy kyseliny (HF, H₂SO₄ atd.), stejně jako pevné mřížkové struktury, jako jsou kyselé katexové pryskyřice, bezvodé kyselinou vyměněné zeolity a materiály na bázi uhlíku, jako je grafen.

Existuje široká škála substrátů, činidel, katalyzátorů a reakčních podmínek, které se používají ve Friedel-Craftsových alkylacích. Vzhledem k rozsahu a rozmanitosti této třídy reakcí je pro optimalizovaný vývoj reakce, škálování, bezpečnost a splnění cílů kvality a výtěžnosti produktu vyžadováno důkladné pochopení kinetiky, termodynamiky a vlivu reakčních proměnných.

Automatizované chemické reaktory a reakční kalorimetry hrají důležitou roli při zajišťování toho, aby byla dobře pochopena reakční energetika a aby byl adekvátně modelován vliv proměnných na reakční výkon. FTIR a Ramanovy spektrometry jsou užitečné pro sledování a monitorování klíčových reakčních částic poskytujících jak kinetické, tak mechanické informace. Pokud je vyžadována offline analýza reakčních vzorků, umožňuje EasySampler plně automatické a reprodukovatelné odebrání vzorku in-situ.

Tyto technologie poskytují důkladné pochopení toho, jak reakční podmínky a proměnné souvisejí s celkovým reakčním výkonem. 

E Tang, Yinjiao Zhao, Wen Li, Weilin Wang, Meng Zhang a Xin Dai, "Mezimolekulární alkylace friedel-crafts podporovaná katalytickým selenem s jednoduchými alkeny", Org. Lett. 2016, 18, 5, 912-915.

Použitím N-fenylselenoftalimidu (NPSP) k poskytnutí selenu a trimethylsilyltrifluormethanesulfonátu (TMSOTf) jako katalyzátoru autoři uvádějí vývoj nové metody alkylace fluor-uhlík. Syntéza vytvářející vazbu C-C má vysokou regioselektivitu a diastereoselektivitu. Reakcí se získají 1,1-diarylsubstituované alkeny s chirálními uhlovodíky s arylovou částí na stereogenním atomu uhlíku, když se použije chirální činidlo selenu.

Technologie ReactIR byla použita k podpoře navrhovaného mechanismu reakce. In-situ IR experimenty ukázaly přítomnost pásma 1067 cm-1, který byl přiřazen vedlejšímu produktu ftalimidu, a pásma 1033 cm-1, který byl přiřazen O-Si meziproduktu silyl enol etheru. Navrhovaný mechanismus naznačuje, že TMSOTf aktivuje NPSP za vzniku episelenoniaového iontového meziproduktu z alkenů.

Corey M. Parada, Bin Yang, C. Garrett Campbell, Robson F. Storey, "Syntéza, charakterizace a fotopolymerizace (meth)akrylát-funkčních polyisobutylenových makromerů produkovaných štěpením/alkylací butylového kaučuku", J Polym Sci. 2020; 1–16. 

Pomocí dříve popsané kyselinou katalyzované metody štěpení/alkylace vědci syntetizovali knihovnu lineárních polyisobutylenových (PIB) makromerů obsahující více fenoxypropyl (meth)akrylátových funkcí. Pomocí UV vytvrzování byly makromery polymerizovány a jejich vlastnosti byly porovnány s analogickými polymery vyrobenými fotopolymerizací PIB triakrylátového makromeru vyrobeného živou polymerací za použití trifunkčního iniciátoru. Pomocí ReactIR ke sledování ztráty akrylátového píku (1615–1638 cm⁻¹) autoři zkoumali vliv koncentrace fotoiniciátoru na rychlost vytvrzování PIB (meth)akrylátů. Použili také měření ReactIR k diferenciaci kinetiky vytvrzování živé PIB triakrylátové kontroly a různých multifunkčních makromerů připravených procesem štěpení/alkylace.

• Beutner, G.L., Albrecht, J., Fan, J., Fanfair, D. et al. (2017). Příprava inhibitoru uchycení HIV BMS-663068. Část 3. Mechanistické studie umožňují na měřítku nezávislou Friedel−Craftsovu acylaci, Org. Process Res. Dev., 21, 8, 1174–1185. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.7b00138
• Bream, R.N., Hulcoop, D.G., Gooding, S.J., Watson, S.A & Blore, C. (2012).  Vývoj selektivní Friedel-Craftsovy alkylační náhrady: Bezpečné provozní podmínky díky mechanistickému porozumění.  Org. proces Res. Dev. 16, 12, 2043–2050. https://doi.org/10.1021/op300257z
• Csihony, S., Mehdi, H. & Horváth, I.T. (2001). In situ infračervené spektroskopické studie Friedel-Craftsovy acetylace benzenu v iontových kapalinách pomocí AlCl3 a FeCl3. Zelená chemie, 3, 307–309.
• Gigante, L., Lunghi, A., Martinelli, S. & Cardillo, P. (2003). Kalorimetrický přístup a simulace pro škálování Friedel-Craftsovy reakce.  Org. proces Res. Dev. 7, 1079−1082 10.1021/op030043a
• Heravi, M.M, Zadsirjan, V., Heydari, M., Masoumi, B.,(2019). Organokatalyzované asymetrické Friedel-Craftsovy reakce: Aktualizace, Chemický záznam, 19, 11, 2236-2340.
• Majia, B. (2019). Stereoselektivní alkylace Friedel-Craftsova typu spouštěné ionty haliranium, thiiranium a seleniranium na polyenové cyklizace. Pokročilá syntéza a katalýza, 361,15, 3453-3489. https://doi.org/10.1002/adsc.201900028.
• Nayak, YN, Nayak, S., Nadaf, YF Shetty, NS, Gaonkar, SL, (2020). Zeolit katalyzoval Friedel-Craftsovy reakce: Přehled, Dopisy v organické chemii, 17, 7, 491-506. http://dx.doi.org/10.2174
• Rueping, M., Nachtsheim, B. "Přehled nového vývoje ve Friedel-Craftsově alkylaci – od zelené chemie k asymetrické katalýze", Beilstein Journal of Organic Chemistry, 2010, 6, 6.
• Tang, E., Zhao, Y., Li, W., Wang, W., Zhang, M., & Dai, X. (2016). Katalytická mezimolekulární Friedel-Crafts alkylace podporovaná selenem s jednoduchými alkeny. ChemInform, 47(30), 912–915. https://doi.org/10.1002/chin.201630228