3.4. Ацилирование по Фриделю-Крафтсу
Введение ацильной группы в ароматическое кольцо с помощью ацилирующего агента и кислоты Льюиса называют ацилированием по Фриделю-Крафтсу. Ацилирующими агентами обычно являются галогенангидриды и ангидриды кислот в присутствии галогенидов алюминия, трифторида бора или пентафторида сурьмы в качестве кислот Льюиса. Ацилгалогениды и ангидриды кислот образуют с кислотой Льюиса донорно-акцепторные комплексы состава 1:1 и 1:2. Спектральными методами было установлено, что хлорид алюминия, трифторид бора и пентафторид сурьмы координируются по карбонильному атому кислорода, так как он более основен чем соседний атом хлора. Электрофильным агентом в реакции ацилирования ароматических соединений является либо этот донорно-акцепторный комплекс, либо катион ацилия, образующийся при его диссоциации.
Координация по кислороду, а также образование катиона ацилия СН3СО+ доказано рентгеноструктурным анализом твердых комплексов ацетилхлорида с AlCl3 состава 1:1. Ацилгалогениды при взаимодействии с пятифтористой сурьмой в апротонной среде образуют ионно построенные соли RC+ =O SbF5X- , включающие катион ацилия.
Можно полагать, что медленной стадией реакции является атака одного из трех электрофилов (RCO+ , RCOCl . AlCl3, RCOCl . Al2Cl6 ) на арен, приводящая к -комплексу. Эффективность этих ацилирующих частиц зависит от природы субстрата, ацилгалогенида и растворителя, а также от количества взятого катализатора.
При ацилировании аренов ацилгалогенидами, катализируемом хлоридом или бромидом алюминия в полярных апротонных растворителях (нитробензоле, нитрометане и др.), ацилирующим агентом является катион ацилия, тогда как в малополярной среде (хлористом метилене, дихлорэтане или тетрахлорэтане) в реакции принимает участие донорно-акцепторный комплекс. Природа ацилгалогенида также оказывает влияние на образование и стабильность солей ацилия. Галогенангидриды ароматических карбоновых кислот легче превращаются в ацилиевые соли по сравнению с аналогами жирного ряда. Механизм реакции ацилирования аренов по Фриделю-Крафтсу под действием донорно-акцепторного комплекса
описывается
следующей схемой:
Ароматический кетон представляет собой более сильное основание Льюиса, чем ацилгалогенид и образует стабильный комплекс с AlCl3 или другой кислотой Льюиса. Поэтому для ацилирования ароматических соединений ацилгалогенидами требуется несколько больше эквимолярного количества катализатора, а при ацилировании ангидридами кислот два моля катализатора (т.к. они содержат два карбонильных атома кислорода). Кетон выделяют, разлагая его комплекс с AlCl3 водой или соляной кислотой.
Ацилирование по Фриделю-Крафтсу полностью лишено тех недостатков, которые присущи реакции алкилирования. При ацилировании вводится только одна ацильная группа, поскольку ароматические кетоны не вступают в дальнейшую реакцию (так же, как и другие арены, содержащие сильные электроноакцепторные группы: NO2, CN, COOR). Еще одним преимуществом этой реакции по сравнению с алкилированием является отсутствие перегруппировок в ацилирующем агенте. Кроме того, для ацилирования не характерны реакции диспропорционирования продуктов реакции. Все эти особенности делают ацилирование по Фриделю-Крафтсу важнейшим методом синтеза жирноароматических и ароматических кетонов, которые получаются, как правило, с очень высоким выходами. Первоначально в качестве растворителя использовали сероуглерод, нитрометан, нитробензол или избыток жидкого ароматического углеводорода. В настоящее время предпочтение отдается тетрахлорэтану, 1,2-дихлорэтану и прежде всего легко летучему хлористому метилену, хорошо растворяющему хлорид и бромид алюминия.
Возможно, такая селективность ацилирования нафталина связана с большим объемом комплекса CH3COCl . AlCl3 . PhNO2 по сравнению с комплексом CH3COCl . AlCl3 . CS2. Наиболее активными ацилирующими агентами являются смешанные ангидриды карбоновых кислот и трифторметансульфокислоты, обычно получаемые из ацилгалогенида и трифторметансульфокислоты непосредственно в реакционной смеси. Эти реагенты ацилируют бензол и другие ароматические углеводороды в отсутствие катализатора.
Ориентация входящей ацильной группы зависит от природы ацильной группы. Для хлоранангидридов и ангидридов алифатических кислот при реакции с аренами, содержащими заместители I-го рода, наблюдается очень высокая селективность замещения в пара-положение:
Соотношение орто/пара-изомеров в этом случае не превышает 0.03 и колеблется в интервале 0.01-0.03. Содержание мета-изомера также не превышает 0.5%. таким образом, ацилирование ароматических соединений хлорангидридами жирных кислот осуществляется чрезвычайно региоселективно в пара-положение. Доля орто-изомера резко возрастает при переходе к галогенангидридам ароматических карбоновых кислот. Для которых орто/пара-отношение изменяется в пределах 0.1 до 0.8. Эти данные находятся в хорошем соответствии с предположением о том, что для производных жирных кислот ацилирующим агентом является объемистый комплекс AlkCOCl . AlCl3, котрый атакует в ароматический субстрат в пространственно незатрудненное пара-положение. Меньшая селективность хлорангидридов ароматических кислот, возможно, объясняется тем, что в реакции принимает участие катион ацилия или его контактная ионная пара.
Важное значение для синтеза бициклических и полициклических кетонов имеет внутримолекулярное ацилирование по Фриделю-Крафтсу. Имеется много вариантов этой реакции, некоторые наиболее типичные примеры приведены ниже.
