Friedel-Crafts alkilacija

Friedel-Craftsova alkilacija sintetizira alkilirane produkte, kot so alkilbenzeni, z reakcijo alkilhalogenidov ali alkenov z aromatskimi ogljikovodiki. Reakcija odstrani vodikov atom na aromatskem obroču in ga nadomesti z elektrofilom. Tako se pojavi z elektrofilno aromatsko substitucijo in se katalizira z močnimi Lewisovimi kislinami, kot sta AlCl₃ ali FeCl₃. Odvisno od števila substituentov na alkil halogenidu (tj. primarnem, sekundarnem ali terciarnem alkil halogenidu) pozitivno nabite alkilne vrste medsebojno delujejo z aromatičnim obročem kot preprost karbokation ali kot karbokationski kompleks Lewisove kisline.

Mehanizem alkilacije Friedel-Crafts poteka v več korakih. Na začetku alkil halogenid in Lewisova kislina reagirata in tvorita karbokation. Karbokation nato napade aromatski obroč in prekine eno od obročnih dvojnih vezi, kar povzroči nastanek nearomatskega vmesnega produkta. Nato pride do deprotonacije tega intermediata, obroč ponovno pridobi aromatičnost in odstranjeni proton tvori kislino, ki obnovi katalizator Lewisove kisline.

Friedel-Craftsove reakcije so med najpomembnejšimi v organski kemiji za aktivacijo C-H in tvorbo C-C vezi. Z dodajanjem alkilne skupine molekuli arene so alkilacije v slogu Friedel-Crafts osnova za proizvodnjo raznolikega nabora industrijskih izdelkov. Kemija vzame običajno kemično surovino, kot je benzen, in jo pretvori v široko paleto vmesnih in končnih izdelkov. Ena od klasičnih industrijskih alkilacij Friedel-Crafts je kislinsko katalizirana reakcija benzena in etilena za proizvodnjo etilbenzena. Obseg proizvodnje etilbenzena je ogromen, merjen v milijonih ton letno. To je predhodna molekula stirena, ki se nato uporablja pri tvorbi polistirenskih polimerov. Kumen, ksilen in toluen se lahko proizvedejo z reakcijami tipa Friedel-Craft. Na primer, p-ksilen je predhodna molekula, ki tvori monomere tereftalne kisline in dimetil tereftalata, ki se uporabljajo pri proizvodnji polietilen tereftalata (PET). Poleg tega imajo alkilacije Friedel-Crafts pomembno vlogo pri razvoju finih kemikalij in naravnih proizvodov. 

Temeljna razlika med Friedel-Craftsovo alkilacijo in Friedel-Craftsovo acilacijo je v tem, da prva reakcija alkilira aromatski ogljikovodik, medtem ko druga acilira areno. Poleg tega Friedel-Craftsova acilacija pomaga premagati nekatere temeljne omejitve Friedel-Craftsove alkilacijske sinteze. Te omejitve vključujejo, da se lahko zaradi preureditve karbokationa in nagnjenosti k prekomerni alkilaciji molekule proizvedejo le nekatere alkilzenske spojine, kar vodi do neželenih stranskih produktov.

Pri acilaciji Friedel-Crafts acilna skupina [-C(O)R] tvori acilijev ion v prisotnosti AlCl₃. Acilijev ion napade benzenski obroč in tvori kompleksni vmesni produkt, v katerem obroč izgubi svojo aromatičnost. Nato ion AlCL₄ odstrani proton iz obroča, ki obnovi aromatičnost obroča in regenerira katalizator AlCl₃ . Nastali produkt je obroč s pritrjenim ketonskim delom. Zaradi resonančne stabilizacije acilijevega iona ni nobenih preureditev, deaktivacija pa ustavi elektrofilni napad in odpravi nadaljnje zamenjave obročev.

Klasična Friedel-Craftsova alkilacijska reakcija je katalizirana elektrofilna substitucijska reakcija, ki nastane zaradi napada karbokationa na dvojno vez molekule arene. Katalizator za to reakcijo je običajno klorid, kot je AlCl₃, ki deluje kot kondenzacijsko sredstvo. Ta pristop k alkilaciji je privedel do razvoja različnih molekul ogljikovodikov. Poleg alkilacije molekul arene je bila Friedel-Craftsova reakcija razširjena tako, da vključuje vrsto spojin, ki nastanejo pri alkilaciji ali acilaciji alifatskih ogljikovodikov, ki vsebujejo dvojne vezi. Tako se je Friedel-Craftsova alkilacijska reakcija izkazala za pomembno za sintezo širokega spektra pomembnih polimerov s polimerizacijo nenasičenih ogljikovodikov.

Raznolikost alkilacij (in acilacij) tipa Friedel-Crafts je bila posledica razvoja širokega nabora različnih katalizatorjev, ki podpirajo različne aplikacije. Ti na splošno vključujejo Lewisove kisline (AlCl₃, FeCL₃) ali protične Brønstedove kisline (HF,_H2SO4 itd.), Pa tudi trdne mrežaste strukture, kot so kisle kationske izmenjevalne smole, brezvodni kislinsko izmenjani zeoliti in materiali na osnovi ogljika, kot je grafen.

Obstaja široka paleta substratov, reagentov, katalizatorjev in reakcijskih pogojev, ki se uporabljajo v alkilacijah Friedel-Crafts. Glede na obseg in raznolikost tega reakcijskega razreda je potrebno temeljito razumevanje kinetike, termodinamike in učinka reakcijskih spremenljivk za optimiziran razvoj reakcije, povečanje, varnost in doseganje ciljev kakovosti izdelka in donosa.

Avtomatizirani kemični reaktorji in reakcijski kalorimetri imajo pomembno vlogo pri zagotavljanju, da je reakcijska energija dobro razumljena in da je učinek spremenljivk na reakcijsko zmogljivost ustrezno modeliran. FTIR in Ramanovi spektrometri so uporabni za sledenje in spremljanje ključnih reakcijskih vrst, ki zagotavljajo tako kinetiko kot mehanistične informacije. Kadar je potrebna analiza reakcijskih vzorcev brez povezave, EasySampler omogoča popolnoma avtomatizirano in ponovljivo odstranjevanje vzorcev na kraju samem.

Te tehnologije zagotavljajo temeljito razumevanje, kako so reakcijski pogoji in spremenljivke povezani s splošno reakcijsko učinkovitostjo. 

E Tang, Yinjiao Zhao, Wen Li, Weilin Wang, Meng Zhang in Xin Dai, "Katalitična alkilacija intermolekularne friedel-obrti, ki jo spodbuja selen s preprostimi alkeni", Org. Lett. 2016, 18, 5, 912-915.

Z uporabo N-fenilselenoftalamida (NPSP) za zagotavljanje selena in trimetilsilil trifluorometansulfonata (TMSOTf) kot katalizatorja, avtorji poročajo o razvoju nove metode alkilacije fluor-ogljik. Sinteza, ki tvori C-C vezi, ima visoko regioselektivnost in diastereoselektivnost. Reakcija dobi 1,1-diarilsubstituirane alkene s kiralnimi ogljikovodiki z arilnim delom na stereogenem ogljikovem atomu, ko se uporabi kiralni selenski reagent.

Tehnologija ReactIR je bila uporabljena za podporo predlaganemu mehanizmu za reakcijo. Poskusi IR na kraju samem so pokazali prisotnost pasu 1067 cm-1, ki je bil dodeljen stranskemu produktu ftalimida, in pasu 1033 cm-1, ki je bil dodeljen O-Si vmesnega produkta silil enol etra. Predlagani mehanizem kaže, da TMSOTf aktivira NPSP, da tvori episelenonijev ionski vmesni produkt iz alkenov.

Corey M. Parada, Bin Yang, C. Garrett Campbell, Robson F. Storey, "Sinteza, karakterizacija in fotopolimerizacija (met)akrilatno-funkcionalnih poliizobutilenskih makromerov, ki nastanejo s cepitvijo / alkilacijo butilne gume", J Polym Sci. 2020; 1–16. 

Z uporabo predhodno opisane metode cepitve / alkilacije, katalizirane s kislino, so raziskovalci sintetizirali knjižnico linearnih poliizobutilenov (PIB) makromerov, ki vsebujejo več fenoksipropilnih (met)akrilatnih funkcij. Z UV-strjevanjem so bili makromeri polimerizirani in njihove lastnosti so bile primerjane z analognimi polimeri, proizvedenimi s fotopolimerizacijo PIB triakrilatnega makromera, ki je nastal z živo polimerizacijo z uporabo trifunkcionalnega iniciatorja. Z uporabo ReactIR za sledenje izgubi akrilatnega vrha (1615–1638 cm⁻¹) so avtorji raziskali vpliv koncentracije fotoiniciatorja na hitrost strjevanja PIB (met)akrilatov. Uporabili so tudi meritve ReactIR za razlikovanje kinetike strjevanja živega PIB triakrilatnega nadzora in različnih večfunkcionalnih makromerov, pripravljenih s postopkom cepitve / alkilacije.

• Beutner, GL, Albrecht, J., Fan, J., Fanfair, D. et al. (2017). Priprava zaviralca pritrditve na HIV BMS-663068. Del 3. Mehanistične študije omogočajo merilo, neodvisno od Friedel-obrtne acilacije, org. Proces 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).  Razvoj selektivnega Friedel-Crafts alkilacijskega nadomestka: varni pogoji delovanja z mehanističnim razumevanjem.  Org. Proces Res. Dev. 16, 12, 2043–2050. https://doi.org/10.1021/op300257z
• Csihony, S., Mehdi, H. & Horváth, I.T. (2001). In situ infrardeče spektroskopske študije Friedel-Craftsove acetilacije benzena v ionskih tekočinah z uporabo AlCl3 in FeCl3. Zelena kemija, 3, 307–309.
• Gigante, L., Lunghi, A., Martinelli, S. & Cardillo, P. (2003). Kalorimetrični pristop in simulacija za povečanje Friedelove reakcije.  Org. Postopek Res. Dev. 7, 1079−1082 10.1021/op030043a
• Heravi, M.M, Zadsirjan, V., Heydari, M., Masoumi, B.,(2019). Organokatalizirane asimetrične reakcije Friedel-Craft: posodobitev, Kemijski zapis, 19, 11, 2236-2340.
• Majia, B. (2019). Stereoselektivne alkilacije tipa Friedel, Thiiranium in Seleniranium, ki jih sprožijo ioni, do polienskih ciklizacij. Napredna sinteza in kataliza, 361,15, 3453-3489. https://doi.org/10.1002/adsc.201900028.
• Nayak, Y.N., Nayak, S., Nadaf, Y.F. Shetty, N.S., Gaonkar, SL, (2020). Zeolit je kataliziral reakcije Friedel-Crafts: pregled, Pisma v organski kemiji, 17, 7, 491-506. http://dx.doi.org/10.2174
• Rueping, M., Nachtsheim, B. "Pregled novega razvoja v Friedel-Crafts alkilaciji - od zelene kemije do asimetrične katalize", Beilstein Journal of Organic Chemistry, 2010, 6, 6.
• Tang, E., Zhao, Y., Li, W., Wang, W., Zhang, M., & Dai, X. (2016). Katalitska alkilacija medmolekularne friedel-obrti, ki jo spodbuja selen, s preprostimi alkeni. ChemInform, 47(30), 912–915. https://doi.org/10.1002/chin.201630228