Friedel-Crafts Alkylácia

Alkylácia Friedel-Crafts syntetizuje alkylované produkty, ako sú alkylbenzény, reakciou alkylhalogenidov alebo alkénov s aromatickými uhľovodíkmi. Reakcia odstráni atóm vodíka na aromatickom kruhu a nahradí ho elektrofilom. Dochádza teda prostredníctvom elektrofilnej aromatickej substitúcie a je katalyzovaný pomocou silných Lewisových kyselín, ako sú AlCl₃ alebo FeCl₃. V závislosti od počtu substituentov na alkylhalogenide (tj primárny, sekundárny alebo terciárny alkylhalogenid) kladne nabité alkylové druhy interagujú s aromatickým kruhom ako jednoduchý karbokatión alebo ako karbokatiónový komplex Lewisovej kyseliny.

Mechanizmus alkylácie Friedel-Crafts prebieha v niekoľkých krokoch. Spočiatku alkylhalogenid a Lewisova kyselina reagujú za vzniku karbokatiónu. Karbokatión potom napáda aromatický kruh a preruší jednu z dvojitých väzieb prstenca, čo vedie k vytvoreniu nearomatického medziproduktu. Potom dôjde k deprotonácii tohto medziproduktu, kruh znovu získa aromaticitu a odstránený protón vytvorí kyselinu, ktorá obnoví katalyzátor Lewisovej kyseliny.

Friedel-Craftsove reakcie patria medzi najdôležitejšie v organickej chémii pre aktiváciu C-H a tvorbu väzieb C-C. Pridaním alkylovej skupiny do molekuly areny tvoria alkylácie v štýle Friedel-Crafts základ pre výrobu rôznorodej sady priemyselných produktov. Chémia berie bežnú chemickú surovinu, ako je benzén, a premieňa ju na širokú škálu medziproduktov a konečných produktov. Jednou z klasických priemyselných alkylácií Friedel-Crafts je kyselinou katalyzovaná reakcia benzénu a etylénu za vzniku etylbenzénu. Rozsah výroby etylbenzénu je obrovský, meria sa v miliónoch ton ročne. Je to prekurzorová molekula styrénu, ktorá sa zase používa pri tvorbe polystyrénových polymérov. Kumén, xylén a toluén môžu byť vyrobené reakciami typu Friedel-Craft. Napríklad p-xylén je prekurzorová molekula na tvorbu kyseliny tereftalovej a monomérov dimetyltereftalátu používaných pri výrobe polyetyléntereftalátu (PET). Okrem toho majú alkylácie Friedel-Crafts dôležitú úlohu vo vývoji jemných chemikálií a prírodných produktov. 

Základný rozdiel medzi Friedel-Craftsovou alkyláciou a Friedel-Craftsovou acyláciou je v tom, že prvá reakcia alkyluje aromatický uhľovodík, zatiaľ čo druhá acyluje arénu. Okrem toho Friedel-Craftsova acylácia pomáha prekonať niektoré zo základných obmedzení Friedel-Craftsovej alkylačnej syntézy. Tieto obmedzenia zahŕňajú, že v dôsledku preskupenia karbokatiónu a tendencie k nadmernej alkylácii molekuly je možné vytvoriť iba určité zlúčeniny alkylácie, čo vedie k nežiaducim vedľajším produktom.

Pri Friedel-Craftsovej acylácii tvorí acylová skupina [-C(O)R] acylium ión v prítomnosti AlCl₃. Acylium ión napáda benzénový kruh a vytvára komplexný medziprodukt, v ktorom kruh stráca svoju aromaticitu. Ďalej ión AlCL₄ odstráni protón z kruhu, čím obnoví aromaticitu kruhu a tiež regeneruje katalyzátor AlCl₃ . Výsledným produktom je krúžok s pripojenou ketónovou časťou. Nedochádza k žiadnym preskupeniam v dôsledku rezonančnej stabilizácie aciliového iónu a deaktivácia zastaví elektrofilný útok a eliminuje ďalšie substitúcie kruhu.

Klasická Friedel-Craftsova alkylačná reakcia je katalyzovaná elektrofilná substitučná reakcia, ktorá vzniká pri útoku karbokationu na dvojitú väzbu molekuly arény. Katalyzátorom tejto reakcie je zvyčajne chlorid, ako je AlCl₃, ktorý pôsobí ako kondenzačné činidlo. Tento prístup k alkylácii viedol k vývoju rôznych molekúl uhľovodíkov. Okrem alkylácie molekúl areny bola Friedel-Craftova reakcia rozšírená o celý rad zlúčenín, ktoré sú výsledkom alkylácie alebo acylácie alifatických uhľovodíkov obsahujúcich dvojité väzby. Friedel-Craftsova alkylačná reakcia sa teda osvedčila pri syntéze širokej škály dôležitých polymérov prostredníctvom polymerizácie nenasýtených uhľovodíkov.

Rozmanitosť alkylácií (a acylácií) typu Friedel-Crafts bola poháňaná vývojom širokej škály rôznych katalyzátorov, ktoré podporujú rôzne aplikácie. Vo všeobecnosti medzi ne patria Lewisove kyseliny (AlCl₃, FeCL₃) alebo protické Brønstedove kyseliny (HF,_H2SO4 atď.), ako aj pevné mriežkové štruktúry, ako sú kyslé katiónomeničové živice, bezvodé zeolity vymieňané kyselinami a materiály na báze uhlíka, ako je grafén.

Existuje široká škála substrátov, činidiel, katalyzátorov a reakčných podmienok, ktoré sa používajú v alkyláciách Friedel-Crafts. Vzhľadom na rozsah a rozmanitosť tejto reakčnej triedy je potrebné dôkladné pochopenie kinetiky, termodynamiky a účinku reakčných premenných na optimalizovaný vývoj reakcie, rozšírenie, bezpečnosť a splnenie cieľov kvality a výťažnosti produktu.

Automatizované chemické reaktory a reakčné kalorimetre zohrávajú dôležitú úlohu pri zabezpečovaní dobrého pochopenia reakčnej energetiky a adekvátneho modelovania vplyvu premenných na výkon reakcie. FTIR a Ramanove spektrometre sú užitočné na sledovanie a monitorovanie kľúčových reakčných druhov, ktoré poskytujú kinetické aj mechanistické informácie. Ak je potrebná offline analýza reakčných vzoriek, EasySampler umožňuje plne automatizovaný a reprodukovateľný odber vzoriek in situ.

Tieto technológie poskytujú dôkladné pochopenie toho, ako reakčné podmienky a premenné súvisia s celkovým reakčným výkonom. 

E Tang, Yinjiao Zhao, Wen Li, Weilin Wang, Meng Zhang a Xin Dai, "Katalytická selénom podporovaná intermolekulárna friedel-remeselná alkylácia s jednoduchými alkénami", Org. Lett. 2016, 18, 5, 912-915.

Použitím N-fenylselenoftalamidu (NPSP) na poskytnutie selénu a trimetylsilyltrifluórmetánsulfonátu (TMSOTf) ako katalyzátora autori uvádzajú vývoj novej metódy fluór-uhlíková alkylacia. Syntéza tvoriaca väzby C-C má vysokú regioselektivitu a diastereoselektivitu. Reakciou sa získajú 1,1-diarylsubstituované alkény s chirálnymi uhľovodíkmi s arylovou časťou na stereogénnom atóme uhlíka, keď sa použije chirálne selénové činidlo.

Technológia ReactIR bola použitá na podporu navrhovaného mechanizmu reakcie. In-situ IR experimenty ukázali prítomnosť pásu 1067 cm-1, ktorý bol priradený vedľajšiemu produktu ftalimidu, a pásu 1033 cm-1, ktorý bol priradený k O-Si silylenoléterového medziproduktu. Navrhovaný mechanizmus naznačuje, že TMSOTf aktivuje NPSP za vzniku medziproduktu episeléniového iónu z alkénov.

Corey M. Parada, Bin Yang, C. Garrett Campbell, Robson F. Storey, "Syntéza, charakterizácia a fotopolymerizácia polyizobutylénových makromérov (met)akrylátových funkcií produkovaných štiepením/alkyláciou butylového kaučuku", J Polym Sci. 2020; 1–16. 

Pomocou predtým opísanej metódy štiepenia/alkylácie katalyzovanej kyselinou vedci syntetizovali knižnicu lineárnych polyizobutylénových (PIB) makromérov obsahujúcich viaceré fenoxypropyl (met)akrylátové funkcie. Pomocou UV vytvrdzovania boli makroméry polymerizované a ich vlastnosti boli porovnané s analogickými polymérmi vyrobenými fotopolymerizáciou PIB triakrylátového makroméru vyrobeného živou polymerizáciou pomocou trifunkčného iniciátora. Použitím ReactIR na sledovanie straty akrylátového píku (1615–1638 cm⁻¹) autori skúmali vplyv koncentrácie fotoiniciátora na rýchlosť vytvrdzovania PIB (met)akrylátov. Použili tiež merania ReactIR na rozlíšenie kinetiky vytvrdzovania živej kontroly triakrylátu PIB a rôznych multifunkčných makromérov pripravených procesom štiepenia/alkylácie.

• Beutner, GL, Albrecht, J., Fan, J., Fanfair, D. a kol. (2017). Príprava inhibítora pripojenia HIV BMS-663068. Časť 3. Mechanistické štúdie umožňujú acyláciu Friedel-Crafts nezávislú od mierky, 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 selektívnej alkylačnej náhrady Friedel-Crafts: Bezpečné prevádzkové podmienky prostredníctvom mechanistického porozumenia.  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 štúdie Friedel-Craftsovej acetylácie benzénu v iónových kvapalinách pomocou AlCl3 a FeCl3. Zelená chémia, 3, 307–309.
• Gigante, L., Lunghi, A., Martinelli, S. & Cardillo, P. (2003). Kalorimetrický prístup a simulácia pre škálovanie Friedelovej-Craftovej reakcie.  Org. Proces Rez. Dev. 7, 1079−1082 10.1021/op030043a
• Heravi, M.M., Zadsirjan, V., Heydari, M., Masoumi, B.,(2019). Organokatalyzované asymetrické reakcie Friedel-Crafts: Aktualizácia, Chemický záznam, 19, 11, 2236-2340.
• Majia, B. (2019). Stereoselektívne alkylácie typu Friedel-craft spúšťané haliraniom, tiiraniom a seleniraniom na polyénové cyklizácie. Pokročilá syntéza a katalýza, 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 katalyzoval reakcie Friedel-Crafts: Prehľad, Listy v organickej chémii, 17, 7, 491-506. http://dx.doi.org/10.2174
• Rueping, M., Nachtsheim, B. "Prehľad nového vývoja v alkylácii Friedel-Crafts – od zelenej chémie po asymetrickú katalýzu", Beilstein Journal of Organic Chemistry, 2010, 6, 6.
• Tang, E., Zhao, Y., Li, W., Wang, W., Zhang, M., & Dai, X. (2016). Katalytická selénom podporovaná medzimolekulová alkylácia Friedel-Crafts s jednoduchými alkénami. ChemInform, 47(30), 912–915. https://doi.org/10.1002/chin.201630228