Friedel-Crafts alkilezés

A Friedel-Crafts alkilezés alkilezett termékeket, például alkil-benzolokat szintetizál az alkil-halogenidek vagy alkének aromás szénhidrogénekkel való reakciója révén. A reakció eltávolítja az aromás gyűrű hidrogénatomját, és elektrofillel helyettesíti. Így elektrofil aromás szubsztitúció útján történik, és erős Lewis-savakkal, például AlCl_3-mal vagy FeCl_3-mal katalizálják. Az alkil-halogenid (azaz primer, másodlagos vagy harmadlagos alkil-halogenid) szubsztituenseinek számától függően a pozitív töltésű alkilfajták egyszerű karbokationként vagy a Lewis-sav karbokationkomplexeként kölcsönhatásba lépnek az aromás gyűrűvel.

A Friedel-Crafts alkilezés mechanizmusa több lépésben történik. Kezdetben az alkil-halogenid és a Lewis-sav reakcióba lépve karbokationt képez. A karbokation ezután megtámadja az aromás gyűrűt, megszakítva az egyik gyűrűs kettős kötést, ami nem aromás intermedier képződését eredményezi. Ezután ennek az intermediernek a deprotonálása megtörténik, a gyűrű visszanyeri az aromásságot, és az eltávolított proton savat képez, amely helyreállítja a Lewis-savas katalizátort.

A Friedel-Crafts reakciók a szerves kémiában a legfontosabbak a CH aktiválása és a C-C kötések kialakítása szempontjából. Az arénmolekulához alkilcsoportot adva a Friedel-Crafts stílusú alkilezések képezik az ipari termékek változatos előállításának alapját. A kémia a szokásos vegyi alapanyagokat, például a benzolt veszi át, és köztes és végtermékek széles skálájává alakítja. Az egyik klasszikus ipari Friedel-Crafts alkilezés a benzol és az etilén savas katalizált reakciója etil-benzol előállítására. Az etil-benzol termelésének mértéke óriási, évente több millió tonnában mérve. Ez a sztirol prekurzor molekulája, amelyet viszont polisztirol polimerek képződésére használnak. A kumén, a xilol és a toluol mind előállítható Friedel-Craft típusú reakciókkal. Például a p-xilol egy prekurzor molekula, amely tereftálsavat és dimetil-tereftalát monomereket képez, amelyeket polietilén-tereftalát (PET) előállításához használnak. Ezenkívül a Friedel-Crafts alkilezések fontos szerepet játszanak a finom vegyszerek és természetes termékek fejlesztésében. 

Az alapvető különbség a Friedel-Crafts alkilezés és a Friedel-Crafts acilezés között az, hogy az előbbi reakció alkilezi az aromás szénhidrogént, míg az utóbbi az arénát. Ezenkívül a Friedel-Crafts acilezés segít leküzdeni a Friedel-Crafts alkilezési szintézis néhány alapvető korlátját. Ezek a korlátozások magukban foglalják, hogy csak bizonyos alkil-benzolvegyületek állíthatók elő a karbokation átrendeződése és a molekula túlalkilezésére való hajlam miatt, ami nemkívánatos melléktermékekhez vezet.

A Friedel-Crafts acilezés során az acilcsoport [-C(O)R] aciliumiont képez AlCl₃ jelenlétében. Az aciliumion megtámadja a benzolgyűrűt, komplex köztiterméket képezve, amelyben a gyűrű elveszíti aromás jellegét. Ezután az AlCL₄ ion eltávolít egy protont a gyűrűből, helyreállítva a gyűrű aromás jellegét, valamint regenerálja az AlCl₃ katalizátort. A kapott termék a gyűrű egy csatolt ketonrésszel. Az aciliumion rezonancia-stabilizálása miatt nem történik átrendeződés, és a deaktiválás megállítja az elektrofil támadást, kiküszöbölve a további gyűrűszubsztitúciókat.

A klasszikus Friedel-Crafts alkilezési reakció egy katalizált elektrofil szubsztitúciós reakció, amely egy arénmolekula kettős kötésének karbokációs támadásából származik. Ennek a reakciónak a katalizátora jellemzően egy klorid, például az AlCl₃, amely kondenzálószerként működik. Az alkilezésnek ez a megközelítése különféle szénhidrogénmolekulák kifejlesztéséhez vezetett. Az arénmolekulák alkilezése mellett a Friedel-Crafts reakciót kiterjesztették a kettős kötéseket tartalmazó alifás szénhidrogének alkilezéséből vagy acilezéséből származó vegyületek széles skálájára. Így a Friedel-Crafts alkilezési reakció értékesnek bizonyult a fontos polimerek széles körének szintézisében a telítetlen szénhidrogének polimerizációja révén.

A Friedel-Crafts típusú alkilezések (és acilezések) sokféleségét a különböző katalizátorok széles skálájának kifejlesztése vezérelte, amelyek támogatják a különböző alkalmazásokat. Ezek közé tartoznak általában a Lewis-savak (AlCl₃, FeCL₃) vagy a protikus Brønsted-savak (HF,_H2SO₄ stb.), valamint a szilárd rácsszerkezetek, például savas kationcserélő gyanták, vízmentes savcserélő zeolitok és szénalapú anyagok, például grafén.

A Friedel-Crafts alkilezéshez szubsztrátok, reagensek, katalizátorok és reakciókörülmények széles skáláját használják. Tekintettel ennek a reakcióosztálynak a terjedelmére és sokszínűségére, a reakcióváltozók kinetikájának, termodinamikájának és hatásának alapos megértése szükséges az optimalizált reakciófejlesztéshez, a méretezéshez, a biztonsághoz, valamint a termékminőségi és hozamcélok eléréséhez.

Az automatizált vegyi reaktorok és a reakciókaloriméterek fontos szerepet játszanak a reakcióenergetika megfelelő megértésében és a változók reakcióteljesítményre gyakorolt hatásának megfelelő modellezésében. Az FTIR és a Raman spektrométerek hasznosak a kulcsfontosságú reakciófajok nyomon követésére és megfigyelésére, mind a kinetikai, mind a mechanisztikus információkat szolgáltatva. Ha a reakcióminták offline elemzésére van szükség, az EasySampler lehetővé teszi a teljesen automatizált és reprodukálható in situ mintaeltávolítást.

Ezek a technológiák alapos megértést nyújtanak arról, hogy a reakciófeltételek és változók hogyan kapcsolódnak az általános reakcióteljesítményhez. 

E Tang, Yinjiao Zhao, Wen Li, Weilin Wang, Meng Zhang és Xin Dai, "Katalitikus szelénnel támogatott intermolekuláris friedel−kézműves alkilezés egyszerű alkénekkel", Org. Lett. 2016, 18, 5, 912-915.

Az N-fenil-szelenoftalimidet (NPSP) szelén előállítására és a trimetil-szilil-trifluor-metán-szulfonátot (TMSOTf) katalizátorként használva a szerzők egy új fluor-szén alkilezési módszer kifejlesztéséről számolnak be. A C-C kötésképző szintézis nagy regioszelektivitással és diasztereoszelektivitással rendelkezik. A reakció során királis szelén-reagens használata esetén 1,1-diaril-szubsztituált alkéneket kapunk, amelyek királis szénhidrogénjei a sztereogén szénatomnál aril-részsel rendelkeznek.

A ReactIR technológiát a reakció javasolt mechanizmusának támogatására használták. Az in situ IR kísérletek egy 1067 cm-1 sáv jelenlétét mutatták ki, amelyet a ftalimid melléktermékhez rendeltek, és egy 1033 cm-1 sávot, amelyet egy szililenol-éter intermedier O-Si-jához rendeltek. A javasolt mechanizmus azt sugallja, hogy a TMSOTf aktiválja az NPSP-t, hogy alkénekből episzelenonium ion-intermediert képezzen.

Corey M. Parada, Bin Yang, C. Garrett Campbell, Robson F. Storey, "Butilgumi hasításával/alkilezésével előállított (met)akrilát-funkcionális poliizobutilén makromerek szintézise, jellemzése és fotopolimerizációja", J Polym Sci. 2020; 1–16. 

Egy korábban leírt savkatalizált hasítási/alkilezési módszerrel a kutatók szintetizálták a lineáris poliizobutilén (PIB) makromerek könyvtárát, amelyek több fenoxipropil (met)akrilát funkciót tartalmaznak. UV-keményedéssel a makromereket polimerizáltuk, és tulajdonságaikat összehasonlítottuk analóg polimerekkel, amelyeket egy PIB triakrilát makromer fotopolimerizációjából állítottak elő, amelyet élő polimerizációval állítottak elő trifunkcionális iniciátor segítségével. A szerzők a ReactIR segítségével követték nyomon az akrilátcsúcs (1615–1638 cm⁻¹) veszteségének nyomon követését, és a fotoiniciátor koncentrációjának hatását vizsgálták a PIB (met)akrilátok kikeményedési sebességére. ReactIR méréseket is használtak az élő PIB triakrilátkontroll és a hasítási/alkilezési eljárással előállított különböző multifunkcionális makromerek kikeményedési kinetikájának megkülönböztetésére.

• Beutner, G.L., Albrecht, J., Fan, J., Fanfair, D. et al. (2017). A BMS-663068 HIV kötődésgátló elkészítése. 3. rész. A mechanisztikus vizsgálatok lehetővé teszik a léptékfüggetlen Friedel−Crafts acilációt, 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. és Blore, C. (2012).  Szelektív Friedel−Crafts alkilezési helyettesítő kifejlesztése: Biztonságos működési feltételek a mechanisztikus megértés révén.  Org. Process Res. Dev. 16, 12, 2043–2050. https://doi.org/10.1021/op300257z
• Csihony, S., Mehdi, H. és Horváth, I.T. (2001). A benzol Friedel–Crafts acetilációjának in situ infravörös spektroszkópiai vizsgálata ionos folyadékokban AlCl3 és FeCl3 segítségével. Zöld kémia, 3, 307–309.
• Gigante, L., Lunghi, A., Martinelli, S. és Cardillo, P. (2003). Kalorimetriás megközelítés és szimuláció a Friedel-Crafts reakció felskálázásához.  Org. Process Res. Dev. 7, 1079−1082 10.1021/op030043a
• Heravi, M.M., Zadsirjan, V., Heydari, M., Masoumi, B.,(2019). Organocatalyzed Asymmetric Friedel-Crafts reakciók: Frissítés, The Chemical Record, 19, 11, 2236-2340.
• Majia, B. (2019). Sztereoszelektív haliránium-, tiiránium- és szeleniránium-ionok által kiváltott Friedel-Crafts-típusú alkilezések polién ciklizációkká. Fejlett szintézis és katalízis, 361,15, 3453-3489. https://doi.org/10.1002/adsc.201900028.
• Nayak, Y.N., Nayak, S., Nadaf, Y.F. Shetty, N.S., Gaonkar, S.L., (2020). Zeolit katalizált Friedel-Crafts reakciók: áttekintés, Levelek a szerves kémiában, 17, 7, 491-506. http://dx.doi.org/10.2174
• Rueping, M., Nachtsheim, B. "A Friedel-Crafts alkilezés új fejleményeinek áttekintése – a zöld kémiától az aszimmetrikus katalízisig", Beilstein Journal of Organic Chemistry, 2010, 6, 6.
• Tang, E., Zhao, Y., Li, W., Wang, W., Zhang, M. és Dai, X. (2016). Katalitikus szelénnel támogatott intermolekuláris Friedel-Crafts alkilezés egyszerű alkénekkel. ChemInform, 47(30), 912–915. https://doi.org/10.1002/chin.201630228