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Friedel–Crafts烷基化反应:有机合成中的碳-碳键形成策略

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Friedel–Crafts烷基化反应


Friedel–Crafts反应,也称作傅-克反应,是由法国化学家Charles Friedel和美国化学家James Mason Crafts在1877年首次报道。该反应芳香化合物在酸(Lewis酸或质子酸)催化下与卤代烃、酰卤等亲电试剂作用,从而在芳环上导入烷基或酰基的反应。Friedel–Crafts反应主要分为两类:Friedel–Crafts烷基化反应和Friedel–Crafts酰基化反应。今天我们先来聊一聊Friedel–Crafts烷基化反应。


图 1

1

关于机理


图 2

Friedel-Crafts烷基化反应的机理相对比较简单,它是一种典型的芳香亲电取代过程,其中亲电试剂是碳正离子。在这一反应的机理中,最关键的步骤是碳正离子的形成。现在,让我们深入探讨这一核心环节。

2

关于碳正离子的生成


图 3

Friedel-Crafts烷基化的碳正离子一般是由生成碳正离子的底物在lewis酸催化下生成的。因此也就涉及到了两个方面,即底物与Lewis酸。我们先来看lewis酸部分。

2.1 lewis酸

Friedel-Crafts烷基化反应常用的Lewis酸有:AlCl3、FeCl3、SbCl5、SnCl4、BF3、TiCl4、 ZnCl2等三卤代镧系金属盐和烷基卤化铝 (AlRX2)。其中烷基卤代物的Friedel-Crafts反应中最常用的就是AlCl3和BF3。

当然催化剂的活性常因反应物和反应条件的改变而发生变化,效力最强的催化剂并不—定在所有情况下都是最合适的催化剂,应根据被取代氢的活性、烷基化试剂的类别和反应条件来选择合适的催化剂。除去lewis酸,我们再来看一看底物部分。

2.2 生成碳正离子的底物

一般而言,生成碳正离子的底物有三类:即卤代烃,烯烃以及醇。

卤代烷为烷基化试剂时卤代烷的结构直接影响烷基化的难易,通常三级卤代烷最活泼。若烷基相同,以氟化物最活泼,碘化物最不活泼。当卤代烷或烯烃为烷基化试剂时,只需要催化量的Lewis酸即可。

相较于卤代烃,醇要稍微复杂那么一点点。由于羟基难以离去,醇先与Lewis酸作用形成容易离去的H2O。随后,醇分子中的O-H键断裂,形成碳正离子。因此,若以醇为底物那么Lewis酸的当量数至少为1 eq。

3

关于副反应

从反应机理来看,该反应涉及到了碳正离子,只要涉及到碳正离子必然躲不开碳正离子重排的问题。此外,由于烷基具有一定的供电子效应,因此在完成第一次Friedel-Crafts烷基化反应后可能会继续发生反应,即存在多烷基化的可能。

3.1 碳正离子重排导致的副反应


图 4

如图4所示,在烷基化反应中,形成的碳正离子可能发生重排,导致产物中烷基的位置与预期不同,降低了目标产物的产率和纯度,且可能使产物结构复杂化。

3.2 多取代导致的副反应


图 5

由苯和苄氯制备二苯甲烷的反应是一个很实用的反应,但其产物有两个比苯本身更活泼的苯环,这将与苯竞争与苄氯的反应。该反应需要苯大大过量,以确保它能竞争过更为活泼,更为富电子的产物。

4

反应实例


Tetrahedron Lett. 1999, 40, 4437-4438.


J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 10378-10379.


J. Org. Chem. 1999, 64, 5858-5866.


Tetrahedron Lett. 2013, 54, 2018-2021.

4

总结

Friedel–Crafts烷基化反应主要用于在芳环上引入烷基基团。然而多取代以及碳正离子重排会导致副反应的发生。庆幸的是对于这两个问题,我们可以用 Friedel–Crafts 酰基化替代烷基化解决。下一期我们接着聊Friedel–Crafts 酰基化反应。欢迎持续关注,不见不散!

微信号|xkchem0103

本文是个人对于相关知识的理解与总结,仅用于学习交流,欢迎各位小伙伴批评指正。

参考文献:

1.《基础有机化学》第四版,刑其毅等

2.《Organic chemistry》Jonathan Clayden等

3. Name Reactions (A Collection of Detailed Reaction Mechanisms), Jie Jack Li, Friedel–Crafts reaction,page 261-264.

4. Strategic Applications of Named Reactions in Organic Synthesis, László Kürti and BarbaraCzakó, Friedel-Crafts Alkylation. page 178-179.

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