傅里德-克拉夫茨反應
| 傅里德-克拉夫茨反應 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 命名根據 | 查爾斯·弗里德爾 詹姆斯·克拉夫茨 | ||||||||
| 反應類型 | 偶聯反應 | ||||||||
| 反應 | |||||||||
| |||||||||
| 反應條件 | |||||||||
| 催化劑 | |||||||||
| 標識 | |||||||||
| RSC序號 | RXNO:0000369 | ||||||||
傅里德-克拉夫茨反應（英文：Friedel–Crafts reaction），簡稱傅-克反應，是一類芳香族親電取代反應，1877年由法國化學家查爾斯·弗里德爾（Charles Friedel）和美國化學家詹姆斯·克拉夫茨（James Mason Crafts）共同發現[1]。該反應主要分為兩類：烷基化反應和酰基化反應。
傅-克烷基化反應
[編輯]| 傅-克烷基化反應 | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 命名根據 | 查爾斯·弗里德爾 詹姆斯·克拉夫茨 | ||||||||||
| 反應類型 | 偶聯反應 | ||||||||||
| 反應 | |||||||||||
| |||||||||||
| 反應條件 | |||||||||||
| 催化劑 | |||||||||||
| 標識 | |||||||||||
| 有機化學網站對應網頁 | friedel-crafts-alkylation | ||||||||||
| RSC序號 | RXNO:0000046 | ||||||||||
傅-克烷基化反應在強路易斯酸的催化下使用鹵代烴對一個芳環進行烷基化。假設使用無水氯化鐵作為催化劑，在氯化鐵的作用下，鹵代物產生碳正離子，碳正離子進攻苯環並取代環上的氫，最後產生烷基芳香族化合物和鹵化氫（視鹵化烴和催化劑的陰離子決定鹵化氫的鹵素原子）。總反應式如下：
這類反應有個嚴重缺點：由於烷基側鏈的供電性，反應產物比起原料具有更高的親核性，於是產物苯環上的另一個氫繼續被烷基所取代，導致了過烷基化現象而形成了眾多副產物。由於這類反應是可逆的，還可能出現烷基被其他基團所取代的副產物（例如被氫取代時，也稱為傅-克脫烷基化反應）；另外長時間的反應也會導致基團的移位，通常是轉移至空間位阻較小、熱力學穩定的間位產物。另外如果氯不是處於三級碳原子（叔碳原子）上，還有可能發生碳正離子重排反應，而這取決於碳正離子的穩定性：即三級碳>二級碳>一級碳。
空間位阻效應可以被利用於限制烷基化的數量，比如1，4-二甲氧基苯的叔丁基化反應。
烷基化的底物並不局限於鹵代烴類，傅-克烷基化可以使用任何的碳正離子中間體參與反應，如一些烯烴，質子酸，路易斯酸，烯酮，環氧化合物的衍生物。如合成1-氯-2-甲基-2-苯基丙烷就可以從苯與3-氯-2-甲基丙烯進行反應:[6]
曾有研究實例表明親電試劑還能選用由烯烴和NBS生成的溴離子。[7]
在這個反應中三氟甲磺酸釤被認為在鹵離子形成中活化了NBS的供鹵素能力。
傅-克去烷基化反應
[編輯]傅-克烷基化是一個可逆反應。在 逆向傅-克反應或者稱之為傅-克去烷基化反應當中烷基可以在質子或者路易斯酸的存在下去除。
例如,在用溴乙烷對苯的多重取代當中，由於烷基是一個活化基團，原來期待能夠得到鄰對位取代的產物。然而真正的反應產物是1,3,5-三乙基苯，即所有烷基取代都是間位取代[8]。熱力學反應控制使得該反應產生了熱力學上更穩定的間位產物。通過化學平衡，間位產物比起鄰對位產物降低了空間位阻。因此反應最終的產物是一系列烷基化與去烷基化共同作用的結果。
傅-克酰基化反應
[編輯]傅-克酰基化反應是在強路易斯酸做催化劑條件下，讓酰氯與苯環進行酰化的反應。此反應還可以使用羧酸酐作為酰化試劑，反應條件類似於烷基化反應的條件。酰化反應比起烷基化反應來說具有一定的優勢：由於羰基的吸電子效應的影響（鈍化基團），反應產物（酮）通常不會像烷基化產物一樣繼續多重酰化。而且該反應不存在碳正離子重排，這是由於酰基正離子可以共振到氧原子上從而穩定碳離子（不同於烷基化形成的烷基碳正離子，正電荷非常容易重排到取代基較多的碳原子上）。生成的酰基可以用克萊門森還原反應、沃爾夫－凱惜納－黃鳴龍還原反應或者催化氫化等反應轉化為烷基。
傅-克酰化的成功與否取決於酰氯試劑的穩定性。比如甲酰氯就由於不穩定而不能進行，因此合成苯甲醛就需要其他的方法，如Gattermann-Koch反應：在氯化鋁和氯化亞銅的催化下，通過苯、一氧化碳與氯化氫在高壓當中合成。
反應機理
[編輯]第一步是在路易斯酸的條件下，氯的解離形成酰基碳正離子：
第二步是接下來的芳環親電試劑進攻酰基正離子：
最後一步，電荷轉移至氯離子形成HCl,而AlCl3催化劑重新形成：
如果需要的話產生的芳香酮可以接着被還原形成相應的芳環烷基側鏈，見：沃爾夫－凱惜納－黃鳴龍還原反應或者Clemmensen還原，兩者的區別在於溶劑的酸鹼性。
傅-克羥基烷基化
[編輯]
展望與變化
[編輯]該反應與以下經典的人名反應相關:
- 酰化產物可以通過Clemmensen還原轉化成烷基化產物。
- Gattermann-Koch反應可以通過苯來合成苯醛。
- Gattermann反應可以通過氫氰酸對芳環進行甲酰化。
- Houben-Hoesch反應可以通過氰類化合物來合成芳醛。
- Fries重排反應可以通過芳基酯重排得到芳基酮。
- Scholl反應可以讓兩個芳基直接偶聯（有些時候被稱作 Friedel–Crafts芳香化）。
- Zincke–Suhl反應可以讓甲基苯酚和四氯化碳反應得到環己烯二酮。
- 布蘭克氯甲基化反應：通過鹽酸，氯化鋅的催化通過甲醛將氯甲基引入芳基。
- Bogert-Cook合成（1933）通過脫水反應和異構化，將1-β-苯乙環己醇合成菲。[10]
- Darzens-Nenitzescu酮合成法（1910、1936）[11] 將環己烯和乙酰氯反應得到甲基環己基酮。
- Nenitzescu還原酰化（1936）[12]
- 綠色化學當中，氯化鋁被石墨代替用於和2－溴丁烷進行對二甲苯的烷基化。因為其碳正離子的穩定性更弱，此類反應不適用於一級鹵代烴。[13]
染料
[編輯]Friedel–Crafts反應應用於很多染料的合成，比如：三苯基甲烷和氧雜蒽染料[14]。圖例通過兩當量的百里酚和鄰苯二甲酸酐合成百里酚酞(一種pH指示劑)。
百里酚酞的合成
圖例通過鄰苯二甲酸酐和間苯二酚在氯化鋅的催化下得到氟代熒光素。而在反應中用N,N-二乙基氨基酚取代間苯二酚做則得到羅丹明B:
羅丹明B的合成
Haworth 反應
[編輯]Haworth反應是合成1-四氫萘酮的一個傳統方法[15][16]。 在這個例子當中苯和琥珀酸酐反應，中間產物被還原，然後繼續和羧酸進行FC酰化[17]。
Haworth反應
另外一個相關反應，從萘作為原料合成菲就是利用琥珀酸酐進行了一系列的反應。
Haworth菲合成
利用傅-克反應進行芳香烴類的檢測
[編輯]利用氯仿和氯化鋁催化劑和芳香化合物反應得到三芳香環取代甲烷，由於通常具有亮麗的顏色這種反應能夠用來在實驗室內檢驗芳香化合物。
拓展
[編輯]如同克萊森重排的發展一樣，傅-克酰基化反應先是在芳香族化合物的反應中發現和應用，而後來發現該反應同樣適用於非芳香族化合物（主要是烯烴）。比如環己烯與乙酰氯在三氯化鋁的作用下生成共軛環己烯基酮，而這個方法已經發展為一種重要的合成共軛不飽和酮的方法（Nenitzescu反應）。
比如在天然產物kelsoene的一種合成方法中就利用了分子內非芳香Friedel–Crafts反應： [18]
非芳香族化合物中發生的傅克烷基化反應也很常見。最常見的是分子內發生的傅克烷基化反應，但往往冠以其他稱呼，比如「陽離子成環反應」等，本質上是傅-克反應的一種變體。
參見
[編輯]參考資料
[編輯]- ^ Friedel, C.; Crafts, J. M. Compt. Rend. 1877, 84, 1392 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） & 1450 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.
- ^ Price, C. C. Org. React. 1946, 3, 1. (Review)
- ^ Groves, J. K. The Friedel–Crafts acylation of alkenes. Chem. Soc. Rev. 1972, 1: 73. doi:10.1039/cs9720100073.
- ^ Eyley, S. C. Comp. Org. Syn. 1991, 2, 707-731. (Review)
- ^ Heaney, H. Comp. Org. Syn. 1991, 2, 733-752. (Review)
- ^ W. T. Smith, Jr. and J. T. Sellas (1963). "Neophyl chloride". Org. Synth..
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ Darzens-Nenitzescu Synthesis of Ketones. [2011-02-21]. （原始內容存檔於2019-06-20）.
- ^ Nenitzescu Reductive Acylation. [2011-02-21]. （原始內容存檔於2018-10-02）.
- ^ Sereda, Grigoriy A.; Rajpara, Vikul B. A Green Alternative to Aluminum Chloride Alkylation of Xylene. J. Chem. Educ. 2007, 2007 (84): 692 [2011-02-21]. doi:10.1021/ed084p692. （原始內容存檔於2009-07-18）.
- ^ McCullagh, James V.; Daggett, Kelly A. Synthesis of Triarylmethane and Xanthene Dyes Using Electrophilic Aromatic Substitution Reactions. J. Chem. Educ. 2007, 84: 1799 [2011-02-21]. （原始內容存檔於2008-06-13）.
- ^ Robert Downs Haworth. Syntheses of alkylphenanthrenes. Part I. 1-, 2-, 3-, and 4-Methylphenanthrenes. J. Chem. Soc. 1932: 1125. doi:10.1039/JR9320001125.
- ^ Name Reactions: A Collection of Detailed Reaction Mechanisms By Jie Jack Li Published 2003 Springer ISBN 3540402039
- ^ Li, Jie Jack (2003) Name Reactions: A Collection of Detailed Reaction Mechanisms （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Springer, ISBN 3-540-40203-9, p. 175.
- ^ Fietz-Razavian, S; Schulz, S; Dix, I; Jones, PG. J Chem Soc Chem Commun,2001, 2154
在《有機合成》上發表的傅-克反應
[編輯]- 烷基化:
- Diphenylacetone, Organic Syntheses, Coll. Vol. 3, p. 343 (1955); Vol. 29, p. 38 (1949) Article link （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.
- Reaction of p-xylene with chloromethane to durene Organic Syntheses, Coll. Vol. 2, p. 248 (1943); Vol. 10, p. 32 (1930). Article link （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Synthesis of benzophenone from benzene and tetrachloromethane Organic Syntheses, Coll. Vol. 1, p. 95 (1941); Vol. 8, p. 26 (1928).Article link （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- 酰基化:
- Dibenzoylethylene Organic Syntheses, Coll. Vol. 3, p. 248 (1955); Vol. 20, p. 29 (1940) Article link （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.
- reaction of acenaphthene plus succinic acid Organic Syntheses, Coll. Vol. 3, p. 6 (1955); Vol. 20, p. 1 (1940).Article link （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Desoxybenzoin Organic Syntheses, Coll. Vol. 2, p. 156 (1943); Vol. 12, p. 16 (1932). Article link （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Acylation of a phenanthrene compound Organic Syntheses, Vol. 80, p. 227 Link （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Reaction of bromobenzene with acetic anhydride Organic Syntheses, Coll. Vol. 1, p. 109 (1941); Vol. 5, p. 17 (1925). Article link （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- beta-methylanthraquinone, Organic Syntheses, Coll. Vol. 1, p. 353 (1941); Vol. 4, p. 43 (1925). Article link （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- Benzoylation of ferrocene Organic Syntheses, Coll. Vol. 6, p. 625 (1988); Vol. 56, p. 28 (1977). Article link （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
