傅-克反应

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傅里德-克拉夫茨反应,简称傅-克反应,是一类芳香族亲电取代反应,1877年由法国化学家查尔斯·傅里德(Friedel C)和美国化学家詹姆斯·克拉夫茨(Crafts J)共同发现。[1] 该反应主要分为两类:烷基化反应和酰基化反应。

傅-克反应:(1)傅-克烷基化反应;(2)傅-克酰基化反应

相关的综述文献如下:[2][3][4][5]

傅-克烷基化反应[编辑]

傅-克烷基化反应在强路易斯酸的催化下使用卤代烃对一个芳环进行烷基化。假设使用无水氯化铁作为催化剂,在氯化铁的作用下,卤代物产生碳正离子,碳正离子进攻苯环并取代环上的氢,最后产生烷基芳香族化合物和氯化氢。总反应式如下:

傅-克烷基化机理

这类反应有个严重缺点:由于烷基侧链的供电性,反应产物比起原料具有更高的亲核性,于是产物苯环上的另一个氢继续被烷基所取代,导致了过烷基化现象而形成了众多副产物。由于这类反应是可逆的,还可能出现烷基被其他基团所取代的副产物(例如被氢取代时,也称为傅-克脱烷基化反应);另外长时间的反应也会导致基团的移位,通常是转移至空间位阻较小、热力学稳定的间位产物。另外如果氯不是处于三级碳原子(叔碳原子)上,还有可能发生碳正离子重排反应,而这取决于碳正离子的稳定性:即三级碳>二级碳>一级碳。 空间位阻效应可以被利用于限制烷基化的数量,比如1,4-二甲氧基苯的叔丁基化反应。

1,4-二甲氧基苯的叔丁基化

烷基化的底物并不局限于卤代烃类,傅-克烷基化可以使用任何的碳正离子中间体参与反应,如一些烯烃质子酸路易斯酸烯酮环氧化合物的衍生物。如合成1-氯-2-甲基-2-苯基丙烷就可以从苯与3-氯-2-甲基丙烯进行反应:[6]

1-氯-2-甲基-2-苯基丙烷的合成

曾有研究实例表明亲电试剂还能选用由烯烃和NBS生成的溴离子[7]

通过烯烃的傅-克烷基化

在这个反应中三氟甲磺酸钐被认为在卤离子形成中活化了NBS的供卤素能力。

傅-克去烷基化反应[编辑]

傅-克烷基化是一个可逆反应。在 逆向傅-克反应或者称之为傅-克去烷基化反应当中烷基可以在质子或者路易斯酸的存在下去除。

例如,在用溴乙烷的多重取代当中,由于烷基是一个活化基团,原来期待能够得到邻对位 取代的产物。然而真正的反应产物是1,3,5-三乙基苯,即所有烷基取代都是间位取代[8] 热力学反应控制使得该反应产生了热力学上更稳定的间位产物。通过化学平衡,间位产物比起邻对位产物降低了空间位阻。因此反应最终的产物是一系列烷基化与去烷基化共同作用的结果。

1,3,5-三乙基苯的合成

傅-克酰基化反应[编辑]

傅-克酰基化反应是在强路易斯酸做催化剂条件下,让酰氯苯环进行酰化的反应。此反应还可以使用羧酸酐作为酰化试剂,反应条件类似于烷基化反应的条件。酰化反应比起烷基化反应来说具有一定的优势:由于羰基的吸电子效应的影响(钝化基团),反应产物()通常不会像烷基化产物一样继续多重酰化。而且该反应不存在碳正离子重排,这是由于酰基正离子可以共振到氧原子上从而稳定碳离子(不同于烷基化形成的烷基碳正离子,正电荷非常容易重排到取代基较多的碳原子上)。生成的酰基可以用克莱门森还原反应沃尔夫-凯惜纳-黄鸣龙还原反应或者催化氢化等反应转化为烷基。

条件:氯化铝为催化剂,回流,无水

傅-克酰化的成功与否取决于酰氯试剂的稳定性。比如甲酰氯就由于不稳定而不能进行,因此合成苯甲醛就需要其他的方法,如Gattermann-Koch反应:在氯化铝氯化亚铜的催化下,通过一氧化碳氯化氢在高压当中合成。

反应机理[编辑]

第一步是在路易斯酸的条件下,氯的解离形成酰基碳正离子:

FC acylation step 1

第二步是接下来的芳环亲电试剂进攻酰基正离子:

FC acylation step II

最后一步,电荷转移至氯原子形成HCl,而AlCl3催化剂重新形成:

FC acylation step III

如果需要的话产生的芳香酮可以接着被还原形成相应的芳环烷基侧链,见:沃尔夫-凯惜纳-黄鸣龙还原反应或者Clemmensen还原,两者的区别在于溶剂的酸碱性。

傅-克羟基烷基化[编辑]

芳环和一定的形成相应的羟基取代的烷基化产物:[9]

Friedel–Crafts hydroxyalkylaiton

展望与变化[编辑]

该反应与以下经典的人名反应相关:

Bogert-Cook Synthesis.png

染料[编辑]

Friedel–Crafts反应应用于很多染料的合成,比如:三苯基甲烷氧杂蒽染料[14] 图例通过两当量的百里酚邻苯二甲酸酐合成百里酚酞(一种pH指示剂)。

百里酚酞的合成

图例通过邻苯二甲酸酐和间苯二酚氯化锌的催化下得到氟代荧光素。而在反应中用N,N-二乙基氨基酚取代间苯二酚做则得到罗丹明B:

罗丹明B的合成

Haworth 反应[编辑]

Haworth反应是合成1-四氢萘酮的一个传统方法。[15][16] 在这个例子当中琥珀酸酐反应,中间产物被还原,然后继续和羧酸进行FC酰化。 (参见: [1])

Haworth反应

另外一个相关反应,从作为原料合成就是利用琥珀酸酐进行了一系列的反应。

Haworth菲合成

利用傅-克反应进行芳香烃类的检测[编辑]

利用氯仿氯化铝催化剂和芳香化合物反应得到三芳香环取代甲烷,由于通常具有亮丽的颜色这种反应能够用来在实验室内检验芳香化合物。

拓展[编辑]

如同克莱森重排的发展一样,傅-克酰基化反应先是在芳香族化合物的反应中发现和应用,而后来发现该反应同样适用于非芳香族化合物(主要是烯烃)。比如环己烯与乙酰氯在三氯化铝的作用下生成共轭环己烯基酮,而这个方法已经发展为一种重要的合成共轭不饱和酮的方法(Nenitzescu反应)。

F-C RXN ALIPHATIC.png

比如在天然产物kelsoene的一种合成方法中就利用了分子内非芳香Friedel–Crafts反应: [17]

Kelsoene-Shultz.gif

非芳香族化合物中发生的傅克烷基化反应也很常见。最常见的是分子内发生的傅克烷基化反应(但往往冠以其他称呼,比如说阳离子成环反应之类,本质上就是傅-克反应的一种变体。)

参见[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ Friedel, C.; Crafts, J. M. Compt. Rend. 1877, 84, 1392 & 1450.
  2. ^ Price, C. C. Org. React. 1946, 3, 1. (Review)
  3. ^ Groves, J. K. The Friedel–Crafts acylation of alkenes. Chem. Soc. Rev. 1972, 1: 73. doi:10.1039/cs9720100073. 
  4. ^ Eyley, S. C. Comp. Org. Syn. 1991, 2, 707-731. (Review)
  5. ^ Heaney, H. Comp. Org. Syn. 1991, 2, 733-752. (Review)
  6. ^ W. T. Smith, Jr. and J. T. Sellas (1963). "Neophyl chloride". Org. Synth.. 
  7. ^ S. Hajra, B. Maji and S. Bar. Samarium Triflate-Catalyzed Halogen-Promoted Friedel–Crafts Alkylation with Alkenes. Org. Lett. 2007, 9 (15): 2783–2786. doi:10.1021/ol070813t. 
  8. ^ K. Wallace, R. Hanes, E. Anslyn, J. Morey, K. Kilway and J. Siegel. Preparation of 1,3,5-Tris(aminomethyl)-2,4,6-triethylbenzene from Two Versatile 1,3,5-Tri(halosubstituted) 2,4,6-Triethylbenzene Derivatives. Synthesis. 2005, 2005 (12): 2080–2083. doi:10.1055/s-2005-869963. 
  9. ^ R. C. Fuson, H. H. Weinstock and G. E. Ullyot. A New Synthesis of Benzoins. 2′,4′,6′-Trimethylbenzoin. J. Am. Chem. Soc. 1935, 57 (10): 1803–1804. doi:10.1021/ja01313a015. 
  10. ^ This reaction withphosphorus pentoxide: J. v. d. Kamp and E. Mosettig. Trans- And Cis-As-Octahydrophenanthrene. J. Am. Chem. Soc. 1936, 58 (6): 1062–1063. doi:10.1021/ja01297a514. 
  11. ^ Darzens-Nenitzescu Synthesis of Ketones
  12. ^ Nenitzescu Reductive Acylation
  13. ^ Sereda, Grigoriy A.; Rajpara, Vikul B. A Green Alternative to Aluminum Chloride Alkylation of Xylene. J. Chem. Educ. 2007, 2007 (84): 692. doi:10.1021/ed084p692. 
  14. ^ McCullagh, James V.; Daggett, Kelly A. Synthesis of Triarylmethane and Xanthene Dyes Using Electrophilic Aromatic Substitution Reactions. J. Chem. Educ. 2007, 84: 1799. 
  15. ^ Robert Downs Haworth. Syntheses of alkylphenanthrenes. Part I. 1-, 2-, 3-, and 4-Methylphenanthrenes. J. Chem. Soc. 1932: 1125. doi:10.1039/JR9320001125. 
  16. ^ Name Reactions: A Collection of Detailed Reaction Mechanisms By Jie Jack Li Published 2003 Springer ISBN 3540402039
  17. ^ Fietz-Razavian, S; Schulz, S; Dix, I; Jones, PG. J Chem Soc Chem Commun,2001, 2154

在有机合成杂志中的FC(Friedel–Crafts)反应[编辑]