Ацилирование по Фриделю — Крафтсу
Ацилий-ион
Ацилхлорид \(\ce{R-COCl}\) с хлоридом алюминия образует ацилий-ион. Атом хлора отдаёт неподелённую пару алюминию, связь C–Cl рвётся, и положительный заряд на атоме углерода стабилизирует неподелённая пара кислорода: в резонансной структуре \(\ce{R-C#O+}\) у всех атомов октет.
Особенности ацилирования:
- Нет перегруппировок. Ацилий-ион устойчив, и гидридному сдвигу незачем происходить.
- Нет повторного замещения. Кетонная группа — акцептор, она дезактивирует кольцо (урок 79).
- Нужен эквивалент кислоты Льюиса. Атом кислорода кетона связывает \(\ce{AlCl3}\) в прочный комплекс; комплекс разрушают водой при выделении продукта. С ангидридом кислоты нужно больше двух эквивалентов.
edit_noteРазбор задачи: бутаноилхлорид и бензол
Что даёт бензол с бутаноилхлоридом \(\ce{CH3CH2CH2COCl}\) и \(\ce{AlCl3}\)? Образуется ацилий-ион \(\ce{C3H7-C#O+}\); он не перегруппировывается и атакует кольцо атомом углерода. Продукт — 1-фенилбутан-1-он \(\ce{C6H5-CO-CH2CH2CH3}\) с неизменённой цепью, тогда как 1-хлорбутан дал бы втор-бутилбензол.
boltСкелет сохраняется
В ацилировании углеродный скелет хлорангидрида переходит в продукт без изменений: к кольцу присоединяется атом углерода группы C=O.
history_eduКетоны Фриделя и Крафтса
Уже в работах 1877 года Фридель и Крафтс получили не только алкилбензолы, но и кетоны: хлорангидриды кислот с хлоридом алюминия ацилируют бензол. Ацилирование оказалось надёжнее алкилирования — без перегруппировок и смесей.
Ацилирование и восстановление
Линейную алкильную цепь нельзя ввести прямым алкилированием: первичный катион перегруппируется. Её вводят в две стадии: ацилирование и восстановление карбонильной группы до \(\ce{CH2}\).
- По Клемменсену: амальгама цинка и соляная кислота при нагревании.
- По Кижнеру — Вольфу: гидразин и щёлочь при нагревании; подходит для веществ, чувствительных к кислоте.
Попутно восстановление превращает мета-ориентант (кетонную группу) в орто/пара-ориентант (алкильную группу) — это используют при планировании синтеза (урок 81).
edit_noteРазбор задачи: пентилбензол
Как получить пентилбензол \(\ce{C6H5-(CH2)4-CH3}\)? 1-Хлорпентан с \(\ce{AlCl3}\) даст смесь продуктов перегруппировки. Поэтому бензол ацилируют пентаноилхлоридом: образуется 1-фенилпентан-1-он. Затем кетон восстанавливают по Клемменсену или по Кижнеру — Вольфу: группа C=O превращается в \(\ce{CH2}\), и получается пентилбензол с линейной цепью.
boltДве стадии вместо одной
Нужна линейная алкильная цепь длиннее двух атомов — ацилируйте хлорангидридом с тем же числом атомов углерода, а затем восстановите кетон.
history_eduКижнер из Томска
Николай Кижнер открыл восстановление кетонов гидразином в щелочной среде в 1911 году в Томском технологическом институте; годом позже ту же реакцию независимо описал Людвиг Вольф. Восстановление цинком и соляной кислотой предложил в 1913 году Эрик Клемменсен.
Формилирование и замыкание циклов
Формилирование
Формилхлорид неустойчив, поэтому альдегидную группу вводят иначе.
- Реакция Гаттермана — Коха: бензол и алкилбензолы с оксидом углерода(II) и HCl в присутствии \(\ce{AlCl3}\) и CuCl дают альдегиды; электрофил — формил-катион \(\ce{HC#O+}\).
- Реакция Вильсмайера — Хаака: диметилформамид и \(\ce{POCl3}\) формилируют только активированные кольца — фенолы, амины, гетероциклы.
Внутримолекулярное ацилирование
Если ацильная группа связана с тем же кольцом цепью, ацилирование замыкает новый цикл. Особенно легко образуются шестичленные циклы. На этом основан синтез Хеуорса.
edit_noteРазбор задачи: синтез Хеуорса
Бензол ацилируют янтарным ангидридом (\(\ce{AlCl3}\)): получается 4-оксо-4-фенилбутановая кислота. Восстановление по Клемменсену даёт 4-фенилбутановую кислоту. В полифосфорной кислоте карбоксильная группа ацилирует то же кольцо в орто-положение, и замыкается шестичленный цикл — α-тетралон. Его восстановление и дегидрирование дают нафталин. Так из бензола строят второе кольцо.
boltРазмер нового цикла
Считайте атомы нового цикла: атом кольца, к которому присоединена цепь, атомы цепи, атом углерода группы C=O и соседний атом кольца, который ацилируется. Легче всего замыкаются шестичленные циклы.
history_eduХеуорс и нафталины
Уолтер Хеуорс предложил этот путь к полициклическим аренам в 1932 году. Всемирную известность ему принесли работы по строению углеводов и синтезу витамина C, за которые он получил Нобелевскую премию 1937 года.
push_pinГлавное
Ацилхлорид с хлоридом алюминия даёт ацилий-ион \(\ce{R-C#O+}\), который стабилизирован неподелённой парой кислорода и не перегруппировывается. Ацилий-ион атакует кольцо, и образуется арилкетон. Кетонная группа дезактивирует кольцо, поэтому второе ацилирование не идёт, а продукт связывает хлорид алюминия в комплекс — кислоты Льюиса нужно не меньше эквивалента. Восстановление кетона по Клемменсену или по Кижнеру — Вольфу даёт алкилбензол с линейной цепью.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.