ฟรีเดล-คราฟต์ อัลคิลเลชัน

อัลคิลเลชันของ Friedel-Crafts สังเคราะห์ผลิตภัณฑ์อัลคิลเลต เช่น อัลคิลเบนซีน ผ่านปฏิกิริยาของอัลคิลฮาไลด์หรืออัลคีนกับอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน ปฏิกิริยาจะขจัดอะตอมของไฮโดรเจนบนวงแหวนอะโรมาติกและแทนที่ด้วยอิเล็กโทรฟิล ดังนั้นจึงเกิดขึ้นจากการทดแทนอะโรมาติกด้วยอิเล็กโทรฟิลิกและถูกเร่งปฏิกิริยาโดยใช้กรดลูอิสที่แข็งแกร่งเช่น AlCl₃ หรือ FeCl₃ ขึ้นอยู่กับจํานวนสารทดแทนบนอัลคิลฮาไลด์ (เช่น อัลคิลฮาไลด์ปฐมภูมิ ทุติยภูมิ หรือตติยภูมิ) สายพันธุ์อัลคิลที่มีประจุบวกจะทําปฏิกิริยากับวงแหวนอะโรมาติกเป็นคาร์โบเคชั่นธรรมดาหรือเป็นคาร์โบเคชั่นเชิงซ้อนของกรดลูอิส

กลไกของอัลคิลเลชัน Friedel-Crafts เกิดขึ้นในหลายขั้นตอน ในขั้นต้นอัลคิลฮาไลด์และกรดลูอิสจะทําปฏิกิริยาเพื่อสร้างคาร์โบเคชั่น จากนั้นคาร์โบเคชั่นจะโจมตีวงแหวนอะโรมาติกทําลายพันธะคู่วงแหวนอันใดอันหนึ่งส่งผลให้เกิดตัวกลางที่ไม่ใช่อะโรมาติก จากนั้น Deprotonation ของตัวกลางนี้จะเกิดขึ้นวงแหวนจะฟื้นตัวมีกลิ่นหอมและโปรตอนที่ถูกลบออกจะสร้างกรดที่ฟื้นฟูตัวเร่งปฏิกิริยากรดลูอิส

ปฏิกิริยา Friedel-Crafts เป็นหนึ่งในปฏิกิริยาที่สําคัญที่สุดในเคมีอินทรีย์สําหรับการกระตุ้น CH และการสร้างพันธะ CC ด้วยการเพิ่มหมู่อัลคิลลงในโมเลกุลอารีน อัลคิลเลชั่นสไตล์ Friedel-Crafts เป็นพื้นฐานสําหรับการผลิตชุดผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมที่หลากหลาย เคมีใช้วัตถุดิบเคมีทั่วไป เช่น เบนซิน และแปลงเป็นผลิตภัณฑ์ระดับกลางและผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่หลากหลาย หนึ่งในอัลคิลเลชั่น Friedel-Crafts อุตสาหกรรมคลาสสิกคือปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยากรดของเบนซินและเอทิลีนเพื่อผลิตเอทิลเบนซีน ขนาดของการผลิตเอทิลเบนซีนมีขนาดใหญ่ วัดเป็นล้านตันต่อปี เป็นโมเลกุลสารตั้งต้นของสไตรีนซึ่งในทางกลับกันถูกนํามาใช้ในการก่อตัวของโพลีสไตรีนโพลีเมอร์ คิวมีน ไซลีน และโทลูอีนทั้งหมดสามารถผลิตได้ผ่านปฏิกิริยาประเภท Friedel-Craft ตัวอย่างเช่น p-xylene เป็นโมเลกุลสารตั้งต้นในการสร้างกรดเทเรฟทาลิกและได เมทิลเทเรฟทาเลตโมโนเมอร์ที่ใช้ในการผลิตโพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลต (PET) นอกจากนี้ อัลคิลไลออนของ Friedel-Crafts ยังมีบทบาทสําคัญในการพัฒนาสารเคมีชั้นดีและผลิตภัณฑ์จาก ธรรมชาติ

ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างอัลคิลเลชันของ Friedel-Crafts และอะซิเลชันของ Friedel-Crafts คือปฏิกิริยาเดิมทําให้อัลคิลเลตเป็นอะโรมาติกไฮโดรคาร์บอน นอกจากนี้ การสังเคราะห์อะซิเลชันของ Friedel-Crafts ยังช่วยเอาชนะข้อจํากัดพื้นฐานบางประการของการสังเคราะห์อัลคิลเลชันของ Friedel-Crafts ข้อจํากัดเหล่านี้รวมถึงการสามารถทําได้เฉพาะสารประกอบอัลคิลเบนซีนบางชนิดเท่านั้นเนื่องจากการจัดเรียงคาร์โบเคชั่นใหม่และแนวโน้มที่จะเกิดอัลคิลเลชันมากเกินไปของโมเลกุลซึ่งนําไปสู่ผลพลอยได้ที่ไม่พึงประสงค์

ในการเกิด acyation ของ Friedel-Crafts กลุ่มอะซิล [-C(O)R] ก่อตัวเป็นอะซิเลียมไอออนเมื่อมี AlCl₃ อะไซเลียมไอออนโจมตีวงแหวนเบนซินก่อตัวเป็นตัวกลางที่ซับซ้อนซึ่งวงแหวนจะสูญเสียกลิ่นหอม ต่อไป ไอออน AlCL₄ จะขจัดโปรตอนออกจากวงแหวนเพื่อฟื้นฟูความเป็นกลิ่นหอมของวงแหวน ตลอดจนการสร้างตัวเร่งปฏิกิริยา AlCl₃ ขึ้นมาใหม่ ผลิตภัณฑ์ที่ได้คือวงแหวนที่มีส่วนคีโตนติดอยู่ ไม่มีการจัดเรียงใหม่เนื่องจากการรักษาเสถียรภาพของเรโซแนนซ์ของอะซิเลียมไอออนและการปิดใช้งานจะหยุดการโจมตีด้วยไฟฟ้าซึ่งช่วยขจัดการทดแทนวงแหวนเพิ่มเติม

ปฏิกิริยาอัลคิลเลชันแบบคลาสสิกของ Friedel-Crafts เป็นปฏิกิริยาทดแทนอิเล็กโทรฟิลิกที่เร่งปฏิกิริยาซึ่งเกิดจากการโจมตีของคาร์โบเคชั่นบนพันธะคู่ของโมเลกุลอารีน ตัวเร่งปฏิกิริยาสําหรับปฏิกิริยานี้มักเป็นคลอไรด์ เช่น AlCl₃ ซึ่งทําหน้าที่เป็นสารควบแน่น แนวทางในการเกิดอัลคิลเลชันนี้นําไปสู่การพัฒนาโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่หลากหลาย นอกเหนือจากอัลคิลเลชันของโมเลกุลอารีนแล้วปฏิกิริยา Friedel-Crafts ยังได้รับการขยายให้รวมถึงสารประกอบต่างๆที่เกิดจากอัลคิลเลชันหรืออะซิเลชันของอะลิฟาติกไฮโดรคาร์บอนที่มีพันธะคู่ ดังนั้นปฏิกิริยาอัลคิลเลชันของ Friedel-Crafts จึงได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีคุณค่าในการสังเคราะห์โพลีเมอร์ที่สําคัญในวงกว้างผ่านพอลิเมอไรเซชันของไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัว

ความหลากหลายของอัลคิลไลออนชนิด Friedel-Crafts (และอะซิเลชัน) ได้รับแรงหนุนจากการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่หลากหลายซึ่งรองรับการใช้งานที่หลากหลาย โดยทั่วไปรวมถึงกรดลูอิส (AlCl₃, FeCL₃) หรือกรดโปรติก Brønsted (HF, H₂SO₄ เป็นต้น) ตลอดจนโครงสร้างตาข่ายที่เป็นของแข็ง เช่น เรซินแลกเปลี่ยนไอออนบวกที่เป็นกรด ซีโอไลต์แลกเปลี่ยนกรดปราศจากน้ํา และวัสดุที่ใช้คาร์บอน เช่น กราฟีน

มีสารตั้งต้น รีเอเจนต์ ตัวเร่งปฏิกิริยา และสภาวะปฏิกิริยาที่หลากหลายที่ใช้ในอัลคีเลชั่นของ Friedel-Crafts ด้วยขอบเขตและความหลากหลายของคลาสปฏิกิริยานี้จําเป็นต้องมีความเข้าใจอย่างถ่องแท้เกี่ยวกับจลนศาสตร์อุณหพลศาสตร์และผลกระทบของตัวแปรปฏิกิริยาสําหรับการพัฒนาปฏิกิริยาที่เหมาะสมที่สุดการขยายขนาดความปลอดภัยและเพื่อให้เป็นไปตามวัตถุประสงค์ด้านคุณภาพและผลผลิตของผลิตภัณฑ์

เครื่องปฏิกรณ์เคมีอัตโนมัติและเครื่องวัดปริมาณความร้อนของปฏิกิริยามีบทบาทสําคัญในการทําให้แน่ใจว่าพลังงานของปฏิกิริยาเป็นอย่างดีและผลกระทบของตัวแปรต่อประสิทธิภาพปฏิกิริยาได้รับการจําลองอย่างเพียงพอ สเปกโตรมิเตอร์FTIR และ Raman มีประโยชน์สําหรับการติดตามและตรวจสอบสายพันธุ์ปฏิกิริยาที่สําคัญ ให้ข้อมูลทั้งจลนศาสตร์และกลไก เมื่อจําเป็นต้องวิเคราะห์ตัวอย่างปฏิกิริยาแบบออฟไลน์ EasySampler ช่วยให้สามารถกําจัดตัวอย่างในแหล่งกําเนิดได้โดยอัตโนมัติและทําซ้ําได้

เทคโนโลยีเหล่านี้ให้ความเข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าสภาวะปฏิกิริยาและตัวแปรเกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพปฏิกิริยา โดยรวมอย่างไร

Tang, Yinjiao Zhao, Wen Li, Weilin Wang, Meng Zhang และ Xin Dai, "Catalytic Selenium-Promoted Intermolecular Friedel−Crafts Alkylation with Simple Alkenes", Org. Lett. 2016, 18, 5, 912-915.

การใช้ N-phenylselenophthalimide (NPSP) เพื่อให้ซีลีเนียมและไตรเมทิลซิลิลไตรฟลูออโรมีเทนซัลโฟเนต (TMSOTf) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาผู้เขียนรายงานการพัฒนาวิธีการอัลคิลเลชันฟลูออรีนคาร์บอนแบบใหม่ การสังเคราะห์การสร้างพันธะ CC มี regioselectivity และ diastereoselectivity สูง ปฏิกิริยาให้อัลคีนทดแทน 1,1-diaryl ที่มีไครัลไฮโดรคาร์บอนที่มีส่วนอะริลที่อะตอมของคาร์บอนสเตอริโอเจนิกเมื่อใช้รีเอเจนต์ซีลีเนียมไครัล

เทคโนโลยี ReactIR ถูกนํามาใช้เพื่อช่วยสนับสนุนกลไกที่เสนอสําหรับปฏิกิริยา การทดลอง IR ในแหล่งกําเนิดแสดงให้เห็นถึงการมีแถบ 1067 cm-1 ที่กําหนดให้กับผลพลอยได้พยานพทาลิไมด์ และแถบ 1033 cm-1 ที่กําหนดให้กับ O-Si ของซิลิลอีนอลอีเทอร์ตัวกลาง กลไกที่เสนอชี้ให้เห็นว่า TMSOTf กระตุ้น NPSP เพื่อสร้างไอออน episelenonium ตัวกลางจากอัลคีน

Corey M. Parada, Bin Yang, C. Garrett Campbell, Robson F. Storey, "การสังเคราะห์ การกําหนดลักษณะ และโฟโตพอลิเมอไรเซชันของมาโครเมอร์โพลีไอโซบิวทิลีนที่ทําหน้าที่ (เมธ)อะคริเลตที่เกิดจากการแตกแยก/อัลคิลเลชันของยางบิวทิล", J Polym Sci. 2020; 1–16. 

นักวิจัยได้สังเคราะห์ห้องสมุดของแมคโครเมอร์โพลีไอโซบิวทิลีนเชิงเส้น (PIB) ที่มีฟังก์ชันฟีนอกซีโพรพิล (เมธ)อะคริเลตหลายฟังก์ชัน แมคโครเมอร์ถูกพอลิเมอไรเซชันและคุณสมบัติของพวกมันถูกเปรียบเทียบกับโพลีเมอร์ที่คล้ายคลึงกันที่เกิดจากโฟโตพอลิเมอไรเซชันของแมคโครเมอร์ไตรอะคริเลต PIB ที่ทําโดยพอลิเมอไรเซชันที่มีชีวิตโดยใช้ตัวริเริ่มไตรฟังก์ชั่น ด้วยการใช้ ReactIR เพื่อติดตามการสูญเสียของพีคอะคริเลต (1615–1638 ซม. ⁻¹⁾ ผู้เขียนได้ตรวจสอบผลกระทบของความเข้มข้นของโฟโตริจิเนียต่ออัตราการบ่มของ PIB (meth)acrylates พวกเขายังใช้การวัด ReactIR เพื่อแยกความแตกต่างของจลนพลศาสตร์การบ่มของการควบคุมไตรอะคริเลต PIB ที่มีชีวิตและมาโครเมอร์อเนกประสงค์ต่างๆ ที่เตรียมผ่านกระบวนการแตกแยก/อัลคิลเลชั่น

• Beutner, GL, Albrecht, J., Fan, J., Fanfair, D. และคณะ (2017). การเตรียมสารยับยั้งการยึดติดเอชไอวี BMS-663068 ส่วนที่ 3. การศึกษาเชิงกลไกช่วยให้สามารถ Friedel−Crafts Acylation ที่ไม่ขึ้นกับมาตราส่วน Org. Process Res. Dev., 21, 8, 1174–1185 https://doi.org/10.1021/acs.oprd.7b00138
• Bream, RN, Hulcoop, DG, Gooding, SJ, Watson, SA & Blore, C. (2012).  การพัฒนาตัวแทน Friedel−Crafts Alkylation แบบคัดเลือก: เงื่อนไขการทํางานที่ปลอดภัยผ่านความเข้าใจเชิงกลไก  องค์กร กระบวนการ Res. Dev. 16, 12, 2043–2050. https://doi.org/10.1021/op300257z
• Csihony, S., Mehdi, H. & Horváth, IT (2001). การศึกษาสเปกโตรสโกปีอินฟราเรดในแหล่งกําเนิดของ Friedel–Crafts acetylation ของเบนซินในของเหลวไอออนิกโดยใช้ AlCl3 และ FeCl3 เคมีสีเขียว, 3, 307–309.
• Gigante, L., Lunghi, A., Martinelli, S. & Cardillo, P. (2003). แนวทางการวัดความร้อนและการจําลองสําหรับการขยายขนาดของปฏิกิริยา Friedel-Crafts  องค์กร กระบวนการ Res. Dev. 7, 1079−1082 10.1021/op030043a
• Heravi, MM, Zadsirjan, V., Heydari, M., Masoumi, B., (2019). ปฏิกิริยา Friedel-Crafts แบบอสมมาตรแบบออร์กาโนคัทไลซ์: การอัปเดต บันทึกทางเคมี 19, 11, 2236-2340
• มาเจีย, บี. (2019). อัลคิลเลชันชนิด Friedel-Crafts ที่กระตุ้นไอออนแบบ stereoselective haliranium, thiiranium- และ seleniranium เป็นไซเคิลไลเซชันโพลีอีน การสังเคราะห์และการเร่งปฏิกิริยาขั้นสูง, 361,15, 3453-3489. https://doi.org/10.1002/adsc.201900028.
• Nayak, YN, Nayak, S., Nadaf, YF Shetty, NS, Gaonkar, SL, (2020). ปฏิกิริยา Friedel-Crafts ที่เร่งปฏิกิริยาซีโอไลต์: บทวิจารณ์จดหมาย ในเคมีอินทรีย์, 17, 7, 491-506. http://dx.doi.org/10.2174
• Rueping, M., Nachtsheim, B. "การทบทวนการพัฒนาใหม่ในอัลคิลเลชันของ Friedel–Crafts – จากเคมีสีเขียวสู่การเร่งปฏิกิริยาแบบอสมมาตร", Beilstein Journal of Organic Chemistry, 2010, 6, 6.
• Tang,., Zhao, Y., Li, W., Wang, W., Zhang, M., & Dai, X. (2016). ตัวเร่งปฏิกิริยาซีลีเนียมที่ส่งเสริมระหว่างโมเลกุล Friedel-Crafts Alkylate ด้วยแอลคีนอย่างง่าย เคมีอินฟอร์ม, 47(30), 912–915. https://doi.org/10.1002/chin.201630228