Friedel-Crafts-Reaktion

Die Friedel-Crafts-Reaktionen sind eine Gruppe von Reaktionen, die 1877 von Charles Friedel und James Crafts entwickelt wurden, um Substituenten an einen aromatischen Ring zu binden . ^{[ 1 ]} Man unterscheidet zwei Haupttypen von Friedel-Crafts-Reaktionen: Alkylierungsreaktionen und Acylierungsreaktionen . Beide verlaufen durch elektrophile aromatische Substitution . ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

In kommerziellen Anwendungen werden als Alkylierungsmittel im Allgemeinen Alkene eingesetzt ; es handelt sich dabei um einige der industriell am häufigsten durchgeführten Reaktionen. Solche Alkylierungen sind von großer industrieller Bedeutung, z. B. für die Herstellung von Ethylbenzol , dem Vorläufer von Polystyrol, aus Benzol und Ethylen sowie für die Herstellung von Cumol aus Benzol und Propen im Cumolverfahren .

Bei der industriellen Produktion werden typischerweise feste Säuren, die aus einem Zeolith gewonnen werden , als Katalysator verwendet.

Die Friedel-Crafts-Alkylierung ist die Alkylierung eines aromatischen Rings . Traditionell werden Alkylhalogenide als Alkylierungsmittel verwendet. Anstelle von Alkylhalogeniden können jedoch viele andere Alkylierungsmittel eingesetzt werden. Beispielsweise eignen sich Enone und Epoxide in Gegenwart von Protonen. Die Reaktion erfordert typischerweise eine starke Lewis-Säure , wie beispielsweise Aluminiumchlorid , als Katalysator, um die Elektrophilie des Alkylierungsmittels zu erhöhen. ^{[ 6 ]}

Diese Reaktion hat den Nachteil, dass das Produkt nukleophiler ist als das Edukt, da Alkylgruppen Aktivatoren der Friedel-Crafts-Reaktion sind. Folglich kann es zu einer Überalkylierung kommen. Die sterische Hinderung kann jedoch genutzt werden, um die Anzahl der aufeinanderfolgenden Alkylierungszyklen zu begrenzen, wie beispielsweise bei der tert- Butylierung von 1,4-Dimethoxybenzol, die nur das Produkt zweier Alkylierungszyklen und davon nur eines von drei möglichen Isomeren liefert: ^{[ 7 ]}

Des Weiteren ist die Reaktion für primäre Alkylhalogenide intramolekular nur dann sinnvoll, wenn ein 5- oder 6-gliedriger Ring gebildet wird. Intermolekular beschränkt sich die Reaktion auf tertiäre Alkylierungsmittel, einige sekundäre Alkylierungsmittel (solche, bei denen die Carbokation-Umlagerung entartet ist) oder Alkylierungsmittel, die stabilisierte Carbokationen (z. B. benzylische oder allylische) liefern. Bei primären Alkylhalogeniden unterliegt der carbokationartige Komplex (R ⁽⁺⁾ ---X---Al ^(-) Cl₃ _{) einer} Carbokation- Umlagerungsreaktion , wobei fast ausschließlich das Umlagerungsprodukt eines sekundären oder tertiären Carbokations entsteht. ^{[ 8 ]}

Die Protonierung von Alkenen erzeugt Carbokationen , die Elektrophile. Ein Beispiel im Labormaßstab ist die Synthese von Neophylchlorid aus Benzol und Methallylchlorid unter Verwendung von Schwefelsäure als Katalysator. ^{[ 9 ]}

Der allgemeine Mechanismus für primäre Alkylhalogenide ist in der folgenden Abbildung dargestellt. ^{[ 8 ]}

Bei primären (und möglicherweise auch sekundären) Alkylhalogeniden ist eher ein carbokationartiger Komplex mit der Lewis-Säure, [R ⁽⁺⁾ ---(X---MX _n ) ^(–) ], beteiligt als ein freies Carbokation.

Friedel-Crafts-Alkylierungen können reversibel sein . Obwohl dies im Allgemeinen unerwünscht ist, kann es genutzt werden, beispielsweise zur Erleichterung von Transalkylierungsreaktionen . ^{[ 10 ]}

Es ermöglicht außerdem die reversible Anfügung von Alkylketten als Schutzgruppen . Dieses Verfahren wird industriell bei der Synthese von 4,4'-Biphenol durch oxidative Kupplung und anschließende Dealkylierung von 2,6-Di-tert-butylphenol eingesetzt . ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Die Friedel-Crafts-Acylierung ist die Acylierung aromatischer Ringe. Typische Acylierungsmittel sind Acylchloride . Auch Säureanhydride und Carbonsäuren eignen sich. Ein typischer Lewis-Säure -Katalysator ist Aluminiumtrichlorid . Da das entstehende Keton jedoch mit Lewis-Säuren wie AlCl₃ einen relativ stabilen Komplex bildet _, muss im Gegensatz zur Friedel-Crafts-Alkylierung, bei der der Katalysator ständig regeneriert wird, in der Regel eine stöchiometrische Menge oder mehr des Katalysators eingesetzt werden. ^{[ 13 ]} Die Reaktionsbedingungen ähneln denen der Friedel-Crafts-Alkylierung. Diese Reaktion bietet gegenüber der Alkylierung mehrere Vorteile. Aufgrund des elektronenziehenden Effekts der Carbonylgruppe ist das entstehende Keton stets weniger reaktiv als das Ausgangsmolekül, sodass keine Mehrfachacylierungen auftreten. Außerdem finden keine Carbokation- Umlagerungen statt, da das Acylium-Ion durch eine Resonanzstruktur stabilisiert wird, in der die positive Ladung am Sauerstoffatom lokalisiert ist.

Die Durchführbarkeit der Friedel-Crafts-Acylierung hängt von der Stabilität des Acylchlorid-Reagenzes ab. Formylchlorid ist beispielsweise zu instabil, um isoliert zu werden. Daher erfordert die Synthese von Benzaldehyd über den Friedel-Crafts-Weg die In-situ -Synthese von Formylchlorid . Dies geschieht durch die Gattermann-Koch-Reaktion , bei der Benzol unter hohem Druck mit Kohlenmonoxid und Chlorwasserstoff umgesetzt wird , katalysiert durch ein Gemisch aus Aluminiumchlorid und Kupfer(I)-chlorid . Einfache Ketone, die durch Friedel-Crafts-Acylierung zugänglich wären, werden industriell mit alternativen Methoden, z. B. durch Oxidation, hergestellt.

Die Reaktion verläuft über die Bildung eines Acyliumzentrums. Sie wird durch Deprotonierung des Arenium-Ions mit AlCl₄⁻ _{abgeschlossen} , wodurch der AlCl₃-Katalysator regeneriert wird ^. _Im Gegensatz zur rein katalytischen Alkylierungsreaktion ist das gebildete Keton jedoch eine moderate Lewis-Base, die mit der starken Lewis-Säure Aluminiumtrichlorid einen Komplex bildet. Die Bildung dieses Komplexes ist unter den Reaktionsbedingungen typischerweise irreversibel. Daher wird eine stöchiometrische Menge AlCl₃ _benötigt . Der Komplex wird bei der wässrigen Aufarbeitung zerstört, wobei das gewünschte Keton erhalten wird. Beispielsweise erfordert die klassische Synthese von Desoxybenzoin 1,1 Äquivalente AlCl₃ _bezogen auf den limitierenden Reaktanden Phenylacetylchlorid. ^{[ 14 ]} In bestimmten Fällen, insbesondere wenn der Benzolring aktiviert ist, kann die Friedel-Crafts-Acylierung auch mit katalytischen Mengen einer milderen Lewis-Säure (z. B. Zn(II)-Salze) oder eines Brønsted-Säure-Katalysators durchgeführt werden, wobei das Anhydrid oder sogar die Carbonsäure selbst als Acylierungsmittel dient.

Falls gewünscht, kann das resultierende Keton anschließend durch Wolff-Kishner- oder Clemmensen- Reduktion zum entsprechenden Alkan-Substituenten reduziert werden . Das Endergebnis entspricht der Friedel-Crafts-Alkylierung, mit der Ausnahme, dass eine Umlagerung nicht möglich ist. ^{[ 15 ]}

Arene reagieren mit bestimmten Aldehyden und Ketonen unter Bildung der Hydroxyalkylprodukte, zum Beispiel bei der Reaktion des Mesitylderivats von Glyoxal mit Benzol: ^{[ 16 ]}

Wie üblich ist die Aldehydgruppe ein reaktiveres Elektrophil als das Phenon .

Diese Reaktion steht in Zusammenhang mit mehreren klassischen Namensreaktionen:

• Das acylierte Reaktionsprodukt kann mittels einer Clemmensen- oder einer Wolff-Kishner-Reduktion in das alkylierte Produkt überführt werden . ^{[ 17 ]}
• Die Gattermann-Koch-Reaktion kann zur Synthese von Benzaldehyd aus Benzol verwendet werden. ^{[ 18 ]}
• Die Gatterman-Reaktion beschreibt Reaktionen von Arenen mit Cyanwasserstoff. ^{[ 19 ] [ 20 ]}
• Die Houben-Hoesch-Reaktion beschreibt Reaktionen von Arenen mit Nitrilen. ^{[ 21 ]}
• Eine Reaktionsmodifikation mit einem aromatischen Phenylester als Reaktanten wird als Fries-Umlagerung bezeichnet .
• Bei der Scholl-Reaktion verbinden sich zwei Arene direkt (manchmal auch Friedel-Crafts-Arylierung genannt ). ^{[ 22 ]}
• Bei der Blanc-Chlormethylierung wird eine Chlormethylgruppe mit Formaldehyd, Salzsäure und Zinkchlorid an ein Aren addiert.
• Die Bogert–Cook-Synthese (1933) beinhaltet die Dehydratisierung und Isomerisierung von 1-β-Phenylethylcyclohexanol zum Octahydroderivat von Phenanthren ^{[ 23 ].}
• Die Darzens-Nenitzescu-Synthese von Ketonen (1910, 1936) beinhaltet die Acylierung von Cyclohexen mit Acetylchlorid zu Methylcyclohexenylketon.
• Bei der verwandten reduktiven Acylierung nach Nenitzescu (1936) wird ein gesättigter Kohlenwasserstoff addiert, wodurch eine reduktive Acylierung zu Methylcyclohexylketon entsteht.
• Die Nencki-Reaktion (1881) ist die Ringacetylierung von Phenolen mit Säuren in Gegenwart von Zinkchlorid. ^{[ 24 ]}
• In einer Variante der grünen Chemie wird Aluminiumchlorid bei der Alkylierung von p -Xylol mit 2-Brombutan durch Graphit ersetzt . Diese Variante ist bei primären Halogeniden, bei denen eine geringere Beteiligung von Carbokationen zu erwarten ist, nicht anwendbar. ^{[ 25 ]}

Friedel-Crafts-Reaktionen wurden bei der Synthese verschiedener Triarylmethan- und Xanthenfarbstoffe eingesetzt . ^{[ 26 ]} Beispiele hierfür sind die Synthese von Thymolphthalein (einem pH-Indikator) aus zwei Äquivalenten Thymol und Phthalsäureanhydrid :

Die Reaktion von Phthalsäureanhydrid mit Resorcin in Gegenwart von Zinkchlorid ergibt den Fluorophor Fluorescein . Ersetzt man Resorcin durch N,N-Diethylaminophenol in dieser Reaktion, erhält man Rhodamin B.

Die Haworth-Synthese ist eine klassische Methode zur Herstellung polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe. Dabei wird ein Aren mit Bernsteinsäureanhydrid umgesetzt, das resultierende Produkt anschließend entweder durch eine Clemmensen- oder eine Wolff-Kishner-Reduktion reduziert . Abschließend erfolgt eine zweite Friedel-Crafts-Acylierung unter Säurezugabe. ^{[ 27 ]}

Das bei dieser Reaktion gebildete Produkt wird dann analog reduziert, gefolgt von einer Dehydrierungsreaktion (beispielsweise mit dem Reagenz SeO₂ ₎ , um das aromatische Ringsystem zu erweitern. ^{[ 28 ]}

Die Reaktion von Chloroform mit aromatischen Verbindungen unter Verwendung von Aluminiumchlorid als Katalysator liefert Triarylmethane, die oft leuchtend gefärbt sind, wie beispielsweise Triarylmethanfarbstoffe. Dies ist ein Labortest für aromatische Verbindungen. ^{[ 29 ]}

• Familie Friedel , eine Linie französischer Wissenschaftler
• Hydrodealkylierung
• Transalkylierung

• Alkylierungen:
  • Everett M. Schultz; Sally Mickey (1949). „Diphenylaceton“ (PDF) . Organic Syntheses . 29 : 38.Die
  • Lee Irvin Smith (1930). „Duren“ (PDF) . Organic Syntheses . 10 : 32Die
  • C. S. Marvel; W. M. Sperry (1928). „Benzophenon“ (PDF) . Organic Syntheses . 8 : 26Die
• Acylierungen:
  • R. E. Lutz (1940). „trans-Dienzoethylen“ (PDF) . Organic Syntheses . 20 : 29Die
  • LF Fieser (1940). „β-(3-Acenaphthoyl)propionsäure“ (PDF) . Organic Syntheses . 20 :1Die
  • CFH Allen; WE Barker (1932). „Desoxybenzoin“ (PDF) . Organic Syntheses . 12 : 16Die
  • Kamil Paruch, Libor Vyklicky, Thomas J. Katz (2003). „Darstellung von 9,10-Dimethoxyphenanthren und 3,6-Diacetyl-9,10-dimethoxyphenanthren“ (PDF) . Organic Syntheses . 80 : 227.Die
  • Roger Adams; C. R. Noller (1925). „p-Bromacetophenon“ (PDF) . Organic Syntheses . 5 : 17Die
  • LF Fieser (1925). „β-Methyanthrachinon“ (PDF) . Organische Synthesen . 4:43​Die
  • Perry C. Reeves (1977). „Carboxylierung aromatischer Verbindungen: Ferrocencarbonsäure“ (PDF) . Organic Syntheses . 56 : 28Die