Friedel-Crafts-Alkylierung
Die Friedel-Crafts-Alkylierung ist eine Namensreaktion in der Organischen Chemie und benannt nach ihren Entdeckern Charles Friedel und James Mason Crafts. Unter katalytischer Wirkung einer Lewissäure (z. B. FeCl3, AlCl3, H2SO4, H3PO4, HF, HgSO4) wird in der Friedel-Crafts-Alkylierung ein Aromat mit einem Alkylhalogenid umgesetzt. Dabei entstehen Alkylaromaten.
Die Alkylierung kann auch intramolekular erfolgen. Ein Beispiel ist die Synthese von Tetralin.[1]
Reaktionsmechanismus
Der Mechanismus wird im folgenden Abschnitt an der Reaktion eines Alkylchlorids mit Benzol erläutert. Die Friedel-Crafts-Alkylierung wird dadurch eingeleitet, dass die Lewissäure an das Chlor des Alkylhalogenids 1 koordiniert und dadurch den benachbarten Kohlenstoff noch weiter positiviert (2). Der so gebildete Komplex kann als elektrophiles Reagenz wirken. Für den Fall, dass der Alkylrest in der Lage ist, ein stabiles Carbeniumion 3 zu bilden (z.B. tert.-Butyl-Kation), kann auch dieser den Aromaten (hier: Benzol) elektrophil angreifen. Dabei wird vorübergehend die Aromatizität des Rings aufgehoben. Nach der Abgabe eines Protons rearomatisiert das vorläufige Endprodukt 5.[2]
Als alternative Alkylierungsreagenzien (Edukte, Ausgangsstoffe) werden bei der Friedel-Crafts-Alkylierung auch Alkohole oder Alkene genutzt. Diese müssen jedoch zunächst durch Katalysatoren aktiviert werden. Neben Aluminiumchlorid werden unter anderem Eisen(III)-chlorid und -bromid sowie Phosphorsäure, Schwefelsäure, Fluorwasserstoff und Quecksilber(II)-sulfat als Katalysatoren verwendet. Weiterhin können auch substituierte Aromaten verwendet werden.
Mehrfachsubstitution
Eine bereits vorhandene Alkylgruppe am Aromaten aktiviert den Ring gegenüber weiteren Substitutionsreaktionen. Der Grund dafür ist ihr positiver Induktiver Effekt. Das hat zur Folge, dass bei Alkylierungen oft mehrfachsubstituierte Produkte isoliert werden können. Um einfachsubstituierte Produkte zu erhalten, muss mit einem Überschuss des Aromaten gearbeitet werden, weshalb die Friedel-Crafts-Alkylierung für teure Benzolderivate nicht geeignet ist. Polyalkylaromaten können durch einen Überschuss an Alkylierungsreagenz gewonnen werden. Im Fall von Benzol ist dabei zu beachten, dass durch das Einführen eines Alkylrestes in einen unsubstituierten Ring die Äquivalenz der Positionen am Ring abhandenkommt. Substituenten haben einen sogenannten dirigierenden Einfluss auf die Position der nachfolgenden Substitutionsreaktion. Man spricht von ortho-, meta- und para-dirigierenden Substituenten (siehe dazu: Konstitution, Konstitutionsisomerie). Die Mehrfachsubstitution ist meist unerwünscht, da aufgrund des geringen induktiven Effekts der Alkylgruppe oftmals ein Produktgemisch aus mehreren Isomeren erhalten wird. Wegen der durch jede neu hinzugefügte Alkylgruppe gesteigerten Affinität des Aromaten gegenüber Elektrophilen, ist es beispielsweise möglich, bei Hexamethylbenzol eine siebte Methylgruppe einzuführen. Die Reaktion endet dann mit einem relativ stabilen Phenoniumion.
Problem durch Umlagerung
Probleme tauchen besonders bei der Umsetzung primärer Alkylhalogenide und Alkoholen auf. Das hieraus durch Einwirkung des Katalysators entstandene primäre Carbokation neigt dazu, sich durch Umlagerung zu stabilisieren. Meist tritt hierbei die Wagner-Meerwein-Umlagerung auf. Das hieraus entstandene isomere Carbokation kann nun ebenfalls als Elektrophil dienen, was zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte führt.
Nachteile bei der Alkylierung
Vor allem bei präparativer Methodik stellt sich ein großer Nachteil heraus: das bei der Alkylierung von Benzol entstehende Monoalkylierungsprodukt, C6H5–R, ist durch den +I-Effekt des Alkylsubstituenten am aromatischen Ring elektronenreicher und reaktionsfreudiger als Benzol selbst und wird durch ein elektrophiles Reagens leichter angegriffen als Benzol. Daher stoppt die Reaktion nicht auf der Stufe der Monosubstitution und es entstehen – meist unerwünschte – Mehrfachalkylierungsprodukte. Synthetisch nutzbar ist die Friedel-Crafts-Alkylierung, wenn der sterische Anspruch der eingeführten Alkylgruppe den Substitutionsgrad begrenzt, z. B. bei Einführung einer tert-Butylgruppe.
Transalkylierung
Die Friedel-Crafts-Alkylierung ist eine reversible Reaktion. Daher lassen sich Alkylreste von Alkylaromaten durch Erhitzen und unter Einfluss eines Katalysators auf andere Aromaten übertragen.
Kinetische und thermodynamische Kontrolle
Unter relativ milden Reaktionsbedingungen sind Alkylgruppen ortho- und para-dirigierend. Es entsteht das kinetisch kontrollierte Endprodukt. Bei höherer Temperatur oder mit starken Lewis-Säuren entstehen bevorzugt die thermodynamisch stabileren meta-Produkte.
Siehe auch
Weblinks
- Animation der Friedel-Crafts-Alkylierung
- Ergänzende Informationen des Fachinformationszentrums Chemie in Berlin
- M. Rueping and B. J. Nachtsheim, A review of new developments in the Friedel–Crafts alkylation – From green chemistry to asymmetric catalysis, Beilstein J. Org. Chem. 2010, 6, No. 6. doi:10.3762/bjoc.6.6 (Open Access)