傅列德尔**-克拉夫茨反应,简称**傅**-**克反应,是一类芳香族亲电取代反,1877年由法国化学家查尔斯.傅列德尔(Friedel C)和美国化学家詹姆斯·克拉夫茨(Crafts J)共同发现。该反应主要分为两类:烷基化反应和酰基化反应。常用的催化剂有氯化铝、氯化铁、氯化锌、三氯化硼,其中氯化铝的活性最高。当反应中苯环上连有强吸电子基团,如硝基、磺酸基、酰基和氰基时,不发生此反应。
基本性质1、在烷基化反应中用三个以上碳原子的直链伯卤代烷的烷基化试剂时,特点为:
①烷基化反应亲电试剂为碳正离子,有重排现象,故烷基化产物有异构化现象;
②烷基化反应为可逆反应故烷基苯可进行歧化反应即一分子烷基苯脱烷基变成苯另一分子烷基苯增加烷基变成二烷基苯;
③生成的烷基苯更容易进行烷基化反应故烷基化反应能生成多元取代产物;
④苯环上有强吸电子基如硝基、磺基时不易发生烷基化反应。
2 、常用的酰基化试剂有,酰卤、酰酐和羧酸。酰基化反应催化剂的作用是形成酰基碳正离子,特点为:
①酰基化反应不发生酰基异构现象;
②酰基化反应不能生成多元酰基取代产物;
③酰基化产物含有羰基能与路易斯酸络合消耗催化剂催化剂用量一般至少是酰化试剂的二倍。 苯环上有强吸电子基时不发生酰基化反应。
反应机理第一步是在路易斯酸的条件下,氯的解离形成酰基碳正离子:
第二步是接下来的芳环亲电试剂进攻酰基正离子:
最后一步,电荷转移至氯原子形成HCl,而AlCl3催化剂重新形成:1
分类傅-克烷基化反应在强路易斯酸的催化下使用卤代烃对一个芳环进行烷基化。假设使用无水氯化铁作为催化剂,在氯化铁的作用下,卤代物产生碳正离子,碳正离子进攻苯环并取代环上的氢,最后产生烷基芳香族化合物和氯化氢。2
总反应式如下:
缺点:由于烷基侧链的供电性,反应产物比起原料具有更高的亲核性,于是产物苯环上的另一个氢继续被烷基所取代,导致了过烷基化现象而形成了众多副产物。由于这类反应是可逆的,还可能出现烷基被其他基团所取代的副产物(例如被氢取代时,也称为**傅****-**克脱烷基化反应);另外长时间的反应也会导致基团的移位,通常是转移至空间位阻较小、热力学稳定的间位产物。另外如果氯不是处于三级碳原子(叔碳原子)上,还有可能发生碳正离子重排反应,而这取决于碳正离子的稳定性:即三级碳>二级碳>一级碳。 空间位阻效应可以被利用于限制烷基化的数量,比如1,4-二甲氧基苯的叔丁基化反应。
烷基化的底物并不局限于卤代烃类,傅-克烷基化可以使用任何的碳正离子中间体参与反应,如一些烯烃,质子酸,路易斯酸,烯酮,环氧化合物的衍生物。如合成1-氯-2-甲基-2-苯基丙烷就可以从苯与3-氯-2-甲基丙烯进行反应:
傅-克去烷基化反应是一个可逆反应:在逆向傅-克反应或者称之为傅-克去烷基化反应当中烷基可以在质子或者路易斯酸的存在下去除。
例如,在用溴乙烷对苯的多重取代当中,由于烷基是一个活化基团,原来期待能够得到邻对位取代的产物。然而真正的反应产物是1,3,5-三乙基苯,即所有烷基取代都是间位取代。热力学反应控制使得该反应产生了热力学上更稳定的间位产物。通过化学平衡,间位产物比起邻对位产物降低了空间位阻。因此反应最终的产物是一系列烷基化与去烷基化共同作用的结果。3
傅-克酰基化反应在强路易斯酸做催化剂条件下,让酰氯与苯环进行酰化的反应。此反应还可以使用羧酸酐作为酰化试剂,反应条件类似于烷基化反应的条件。酰化反应比起烷基化反应来说具有一定的优势:由于羰基的吸电子效应的影响(钝化基团),反应产物(酮)通常不会像烷基化产物一样继续多重酰化。而且该反应不存在碳正离子重排,这是由于酰基正离子可以共振到氧原子上从而稳定碳离子(不同于烷基化形成的烷基碳正离子,正电荷非常容易重排到取代基较多的碳原子上),生成的酰基可以用克莱门森还原反应、沃尔夫-凯惜纳-黄鸣龙还原反应或者催化氢化等反应转化为烷基。
傅-克酰化的成功与否取决于酰氯试剂的稳定性。比如甲酰氯就由于不稳定而不能进行,因此合成苯甲醛就需要其他的方法,如Gattermann-Koch反应:在氯化铝和氯化亚铜的催化下,通过苯、一氧化碳与氯化氢在高压当中合成。4
傅-克羟基烷基化芳环和一定的醛酮形成相应的羟基取代的烷基化产物:
应用合成染料傅克反应应用于很多染料的合成,比如:三苯基甲烷和氧杂蒽染料。下图通过两当量的百里酚和邻苯二甲酸酐合成百里酚酞(一种pH指示剂)。
下图通过邻苯二甲酸酐和间苯二酚在氯化锌的催化下得到氟代荧光素。而在反应中用N,N-二乙基氨基酚取代间苯二酚做则得到罗丹明B:
检测芳香烃类利用氯仿和氯化铝催化剂和芳香化合物反应得到三芳香环取代甲烷,由于通常具有亮丽的颜色这种反应能够用来在实验室内检验芳香化合物。
拓展如同克莱森重排的发展一样,傅-克酰基化反应先是在芳香族化合物的反应中发现和应用,而后来发现该反应同样适用于非芳香族化合物(主要是烯烃)。比如环己烯与乙酰氯在三氯化铝的作用下生成共轭环己烯基酮,而这个方法已经发展为一种重要的合成共轭不饱和酮的方法。
比如在天然产物kelsoene的一种合成方法中就利用了分子内非芳香傅克反应:
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郑国忠 - 副教授 - 华北电力大学