Friedelova–Craftsova reakce

Friedelova–Craftsova reakce (též Friedel–Craftsova reakce) je souhrnné označení organických reakcí, které objevili roku 1877 Charles Friedel a James Crafts. Tyto reakce slouží k zavedení substituentů na aromatická jádra.^[1] Dělí se na dva základní typy: alkylační a acylační reakce. V obou případech se jedná o elektrofilní aromatickou substituci.^[2][3][4][5]

Friedelova–Craftsova alkylace

Friedelova–Craftsova alkylace spočívá v alkylaci aromatického jádra alkylhalogenidem za přítomnosti silné Lewisovy kyseliny jako katalyzátoru.^[6] Při použití bezvodého chloridu železitého se alkylová skupina připojí na místo, kde se předtím vytvořil chloridový ion. Obecný mechanismus je uveden na následujícím obrázku:

Nevýhodou této reakce je větší nukleofilita produktu oproti reaktantu, což často vede k vícenásobné alkylaci. V praxi je využitelná pouze pro alkylace terciárními a některými sekundárními alkylačními činidly či činidly, která vytvářejí stabilizované karbokationty. U primárních alkylhalogenidů dochází u vzniklého karbokationtu k přesmykové reakci.

Počet možných alkylací může být omezen sterickými efekty; k tomu dochází například při t-butylaci 1,4-dimethoxybenzenu.

Friedelovy–Craftsovy reakce mohou proběhnout, ať už vznikne jakýkoliv karbokationtový meziprodukt, lze připojovat alkany, alkeny, enony i epoxidy. Příkladem může být příprava neofylchloridu z benzenu a methylallylchloridu:^[7]

H₂C=C(CH₃)CH₂Cl + C₆H₆ → C₆H₅C(CH₃)₂CH₂Cl

Při jedné studii byl jako elektrofil použit bromoniový ion odvozený od alkenu a N-bromsukcinimidu (NBS)^[8]

Při této reakci byl k aktivaci NBS sloužícího jako donor halogenů použit triflát samaritý.

Friedelova–Craftsova dealkylace

Friedelova–Craftsova dealkylace je vratná. Při obrácené Friedelově–Craftsově alkylaci či Friedelově–Craftsově dealkylaci se alkylové skupiny odstraňují za přítomnosti protonu nebo Lewisovy kyseliny.

Příkladem je vícenásobná substituce benzenu bromethanem. Při ní se dá očekávat, že se další substituenty naváží na pozice orto a para, jelikož jsou alkyly substituenty první třídy. Skutečným produktem trojnásobné substituce je však 1,3,5-triethylbenzen, který má substituenty v polohách meta,^[9] substituce do polohy meta je zde termodynamicky výhodnější, jelikož dochází k menšímu sterickému napětí, a při dosažení rovnováhy tak v soustavě převažuje právě tento produkt, který je výsledkem řady alkylací a dealkylací.

Friedelova–Craftsova acylace

Při Friedelově–Craftsově acylaci se na aromatické jádro připojuje acyl. Jako acylační činidlo se nejčastěji používá příslušný acylchlorid a jako Lewisova kyselina chlorid hlinitý. Acylačním činidlem může být i anhydrid karboxylové kyseliny.^[10] Podmínky reakce jsou velmi podobné jako u Friedelovy–Craftsovy alkylace. Díky snížení elektronové hustoty karbonylovou skupinou je vzniklý ketonový produkt vždy méně reaktivní než původní molekula, takže nedochází k vícenásobným substitucím; rovněž zde neprobíhají ani karbokationtové přesmyky, jelikož je acyliový ion stabilizován rezonanční strukturou s kladným nábojem na atomu kyslíku.

Využitelnost Friedelovy–Craftsovy acylace záleží na stabilitě použitého acylchloridu, formylchlorid je například příliš nestabilní na to, aby mohl být izolován. Syntéza benzaldehydu Friedelovým–Craftsovým postupem tak vyžaduje, aby byl formylchlorid připravován přímo na místě. Toho se dosahuje pomocí Gattermannovy reakce, kdy benzen reaguje s oxidem uhelnatým a chlorovodíkem za vysokého tlaku, přičemž jako katalyzátor slouží směs chloridu hlinitého a chloridu měďného.

Mechanismus reakce

Tato reakce začíná tvorbou acyliového centra a iontu AlCl −
4 :

Následně proběhne deprotonace areniového iontu a takto uvolněný proton reaguje s AlCl −
4 , čímž se obnoví původní AlCl₃.

Vzniklý keton může být následně redukován na odpovídající alkan a výsledný produkt je pak stejný jako u Friedelovy–Craftsovy alkylace. Při tomto postupu ovšem nemůže dojít k přesmyku.^[11]

Friedelova–Craftsova hydroxyalkylace

Areny mohou reagovat s některými aldehydy a ketony za vzniku hydroxyalkylovaných produktů, příkladem může být reakce mesitylderivátu glyoxalu s benzenem.^[12]

Aldehydy jsou většinou reaktivnějšími elektrofily než fenony.

Použití

Výroba barviv

Friedelovy–Craftsovy reakce se využívají při výrobě některých triarylmethanových a xanthenových barviv.^[13] Příkladem může být syntéza acidobazického indikátoru thymolftaleinu z thymolu a ftalanhydridu:

Reakcí ftalanhydridu s resorcinolem vzniká fluorescein. Pokud je místo resorcinolu použit N,N-diethylaminofenol, tak se vytvoří rodamin B:

Haworthova reakce

Haworthova reakce je reakce sloužící k výrobě 1-tetralonu.^[14] Dochází při ní k reakci benzenu s anhydridem kyseliny jantarové, vytvořený meziprodukt je redukován a následně dochází po přidání kyseliny k druhé Friedelově–Craftsově acylaci.^[15]

V podobném procesu se vytváří fenanthren z naftalenu a anhydridu kyseliny jantarové sérií reakcí, která začíná Friedelovou–Craftsovou acylací.

Friedelův–Craftsův test na aromatické sloučeniny

Reakcí chloroformu s aromatickými sloučeninami za přítomnosti chloridu hlinitého jako katalyzátoru vznikají triarylmethany, které často mají výrazné zabarvení (mnohé tyto sloučeniny se používají jako barviva). Tímto způsobem lze zjistit přítomnost aromatických sloučenin ve vzorku.^[16]