Реакция алкилирования ароматических углеводородов в органическом синтезе

Ароматические углеводороды легко алкилируются под действием самых разнообразных алкилгалогенидов, аллилгалогенидов, бензилгалогенидов и триарилметилгалогенидов в присутствии AlCl₃ или AlBr₃, а также FeCl₃ или FeBr₃ при 0-25^оС или при более высокой температуре. Реакционная способность уменьшается в ряду (C₆H₅)₃CX> (C₆H₅)₂CHX> C₆H₅CH₂X> CH₂=CHCH₂X> R₃CX> R₂CHX> RCH₂X> CH₃X.

Алкилирование аренов по Фриделю-Крафтсу как синтетический метод имеет три серьезных недостатка, ограничивающих его применение в органическом синтезе. Один из них заключается в том, что первоначально образующийся продукт алкилирования более реакционноспособен, чем исходный арен. Поэтому алкилирование аренов алкилгалогенидами при соотношении реагентов, близком к эквимольному, приводит к образованию значительного количества продуктов полиалкилирования. В этом отношении алкилирование сильно отличается от нитрования и галогенирования. Для того, чтобы свести полиалкилирование к минимуму, используют большой избыток ароматического углеводорода. В этом случае он выполняет роль и реагента, и растворителя.

Другой недостаток метода алкилирования по Фриделю-Крафтсу связан с изомеризацией алкилирующего агента в ходе реакции, в результате чего образуется смесь изомерных продуктов алкилирования. Классическим примером является алкилирование бензола н-пропилхлоридом, где получается смесь н-пропил- и изопропилбензолов, в которой изомеризованный продукт оказывается доминирующим.

Изопропилбензол получается в результате изомеризации 1-хлорпропана в 2-хлорпропан под действием кислоты Льюиса.

Вторичные алкилгалогениды в реакции алкилирования ароматических углеводородов более реакционноспособны, чем первичные, поэтому доля изомеризованного продукта оказывается выше, чем алкилбензола с первичной алкильной группой.

Таким образом, из первичных алкилгалогенидов образуется смесь первичных и вторичных алкилбензолов. По этой причине н-алкил-бензолы целесообразно получать не алкилированием, а ацилированием аренов по Фриделю-Крафтсу с последующим восстановлением жирно-ароматических кетонов по Клемменсену.

При алкилировании бензола неопентилхлоридом или изобутилхлоридом получается только трет-алкилбензол.

Третье ограничение, препятствуещее применению реакции алкилирования по Фриделю-Крафтсу, связано с миграцией алкильных групп в конечном продукте реакции. Алкилирование толуола 2-хлорпропаном и AlCl₃ в ацетонитриле при 0^оС приводит к смеси 63% орто-цимола (орто-изопропилтолуола), 25% пара-цимола и 12% мета-цимола. Однако уже при 25^оС в присутствии AlCl₃ (2 моля) и HCl образуется только мета-изомер цимола. При растворении смеси трех изомерных цимолов в смеси безводной HF и BF₃ уже через10 минут образуется чистый мета-цимол. Аналогичный результат наблюдается при алкилировании пара-ксилола 2-хлорпропаном, где наряду с ожидаемым продуктом 2,5-диметилкумолом получается и 3,5-диметилкумол.

Алкилирование по Фриделю-Крафтсу относится к немногочисленной группе обратимых реакций электрофильного ароматического замещения, подчиняющихся термодинамическому контролю, когда в продуктах реакции преобладает более стабильные 1,3-диалкил- или 1,3,5,-триалкилбензолы.

Изомеризация первоначально образующихся продуктов алкилирования в присутствии галогеноводорода и кислоты Льюиса происходит на стадии образования аренониевого иона за счет внутримолекулярного 1,2-сдвига алкильной группы. Для взаимных превращений пара-, мета- и орто-ксилолов изомеризация описывается следующим образом:

В результате перемещения метильной группы в аренониевых ионах между тремя изомерами ксилола устанавливается равновесие, в котором всегда преобладает наиболее стабильный мета-ксилол. В зависимости от температуры в смеси содержится 52-60% мета-ксилола, 23-24% пара-ксилола и 16-25% орто-ксилола. В жестких условиях изомеризация алкилбензолов приобретает межмолекулярный характер, в результате чего из ксилолов образуется смесь, содержащая три-, тетра- и пентаметилбензолы наряду с эквивалентными количествами толуола и бензола.

Ароматические соединения, содержащие электроноакцепторные заместители NO_2, NO,CN,COOR и др., не алкилируются в условиях реакции Фриделя-Крафтса. Ароматические амины и фенолы связывают кислоты Льюиса в нереакционноспособный донорно-акцепторный комплекс, где неподеленная пара электронов кислорода или азота координируется с атомом металла кислоты Льюиса. Поэтому для алкилирования этих соединений в ароматическое ядро используют другие методы.

Для алкилирования ароматических углеводородов вместо алкилгалогенидов можно использовать спирты; в качестве катализаторов в этом случае берут BF₃, фосфорную, полифосфорную или серную кислоты.

Катализатор следует применять в стехиометрическом количестве, так как вода, образующаяся в результате реакции, связывает BF₃ или другой кислотный агент. Недостатки этого метода алкилирования те же, что и при алкилировании с помощью алкилгалогенидов.

Два изомерных спирта - пентанол-2 и пентанол-3 при взаимодействии с бензолом в присутствии BF₃ образуют смесь 2-фенилбутана и 3-фенилбутана в одном и том же соотношении 2:1.

Оба катиона (или донорно-акцепторных комплекса), образующихся из изомерных спиртов, являются вторичными и близки по стабильности, поэтому соотношение продуктов алкилирования 2:1 отражает статистическую предпочтительность 2-пентилкатиона.

Алкилирование можно проводить и внутримолекулярно, что составляет одно из наиболее важных синтетических приложений этой реакции. Циклизация происходит только в том случае, когда образуется новый шести- или пятичленный цикл.

Наиболее дешевыми реагентами для алкилирования аренов в промышленном масштабе являются алкены - этилен, пропилен, изобутилен и др. Эти реакции лежат в основе крупнотоннажного производства этилбензола, кумола. Типичными катализаторами таких процессов служат системы HCl - AlCl₃, или HF - BF₃; H₃PO₄, HF.

Наряду с моноалкилбензолами всегда образуются продукты диалкилирования.

Кроме спиртов и алкенов для алкилирования ароматических систем довольно широко используется формальдегид. Так в присутствии минеральных кислот реакция бензола с формальдегидом приводит к дифенилметану с высоким выходом (при использовании 85%-ной серной кислоты выход составляет 80%).

Если реакцию алкилирования ароматических соединений формальдегидом проводить в присутствии избытка газообразного хлористого водорода, то ее результатом будет образование соответствующих хлорметильных производных (реакция хлорметилирования).

Толуол и анизол хлорметилируются в системе CH₂O-ZnCl₂-HCl исключительно в пара-положение. Реакция хлорметилирования протекает через первоначальное образование гидроксиметильных производных, которые в присутствии избытка HCl (газ) превращаются в хлорметильные производные.