Номер 278, страница 67 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

2.278. В чём заключаются недостатки реакции алкилирования аренов по Фриделю–Крафтсу?

Решение

Реакция алкилирования аренов по Фриделю—Крафтсу является классическим методом введения алкильных групп в ароматическое ядро, однако она обладает рядом существенных недостатков, которые ограничивают её синтетические возможности.

Основные недостатки заключаются в следующем:

1. Полиалкилирование

Алкильная группа является активирующим (электронодонорным) заместителем. Это означает, что продукт реакции, алкиларен, вступает в реакцию электрофильного замещения легче, чем исходный арен. Вследствие этого реакция не останавливается на образовании моноалкилпроизводного, а продолжается с образованием смеси ди-, три- и полиалкилированных продуктов. Это снижает селективность и выход целевого продукта. Например, при реакции бензола с метилхлоридом в присутствии $AlCl_3$ образуется толуол, который является более активным, чем бензол, и может далее реагировать, образуя ксилолы и другие полиметилбензолы.

Уравнение реакции: $C_6H_6 + CH_3Cl \xrightarrow{AlCl_3} C_6H_5CH_3 \xrightarrow{CH_3Cl, AlCl_3} C_6H_4(CH_3)_2 + \dots$

2. Перегруппировки карбкатионов

Реакция протекает через образование карбкатионного интермедиата. Первичные карбкатионы, образующиеся из первичных алкилгалогенидов, очень нестабильны и склонны к перегруппировке в более стабильные вторичные или третичные карбкатионы путем 1,2-гидридного или 1,2-алкильного сдвига. Это приводит к образованию изомерных продуктов. Например, попытка получить н-пропилбензол алкилированием бензола 1-хлорпропаном приводит к образованию преимущественно изопропилбензола (кумола), так как первичный пропилкатион перегруппировывается в более стабильный вторичный изопропилкатион.

Схема перегруппировки: $CH_3-CH_2-\overset{+}{C}H_2 \xrightarrow{\text{1,2-гидридный сдвиг}} \overset{+}{C}H(CH_3)_2$

Этот недостаток не позволяет вводить в ароматическое кольцо неразветвленные алкильные группы длиннее этильной. Для синтеза таких соединений обычно используют ацилирование по Фриделю—Крафтсу с последующим восстановлением полученного кетона.

3. Ограничения по субстрату (дезактивированные арены)

Реакция неэффективна или не идет совсем для аренов, содержащих сильные электроноакцепторные (дезактивирующие) группы. К таким группам относятся $-NO_2$, $-CN$, $-SO_3H$, $-COR$, $-COOH$, $-NR_3^+$. Эти заместители понижают нуклеофильность ароматического кольца настолько, что оно становится неспособным атаковать электрофильную частицу (карбкатион). Кроме того, многие из этих групп могут образовывать комплексы с катализатором (кислотой Льюиса), что приводит к еще большей дезактивации кольца.

4. Ограничения по алкилирующему агенту

В качестве алкилирующих агентов нельзя использовать арил- и винилгалогениды. Связь углерод-галоген в этих соединениях значительно прочнее, чем в алкилгалогенидах, и образование соответствующих арильных и винильных катионов энергетически крайне невыгодно в условиях реакции.

5. Реакция с аренами, содержащими основные группы

Арены, содержащие заместители с неподеленной парой электронов на гетероатоме, такие как фенолы ($-OH$) и анилины ($-NH_2$, $-NHR$, $-NR_2$), не вступают в реакцию алкилирования по Фриделю—Крафтсу. Атом кислорода или азота является центром основности (основание Льюиса) и реагирует с катализатором (кислотой Льюиса, например $AlCl_3$), образуя комплекс. В этом комплексе на гетероатоме возникает положительный заряд, что превращает заместитель в сильную дезактивирующую группу и ингибирует реакцию электрофильного замещения.

Пример: $C_6H_5NH_2 + AlCl_3 \rightarrow C_6H_5\overset{+}{N}H_2-AlCl_3^-$

Недостатки реакции алкилирования аренов по Фриделю—Крафтсу включают:

• Полиалкилирование: продукт реакции более активен, чем исходный арен, что приводит к образованию смеси полизамещенных продуктов.
• Перегруппировки карбкатионов: нестабильные первичные и вторичные карбкатионы перегруппировываются в более стабильные, что приводит к получению изомерных продуктов.
• Неприменимость к дезактивированным аренам: реакция не идет с аренами, содержащими сильные электроноакцепторные группы.
• Ограничения на алкилирующий агент: невозможность использования арил- и винилгалогенидов.
• Комплексообразование: субстраты с основными группами (например, амины, фенолы) образуют комплексы с катализатором, дезактивируя кольцо и останавливая реакцию.