傅克反应及芳香族亲核取代反应简介

傅克反应原理及实验技巧目录简介Friedel–Crafts烷基化反应Friedel–Crafts酰基化反应傅克反应的操作方法烷基化与酰基化的异同一、简介傅里德-克拉夫茨反应，简称傅-克反应，英文Friedel–Craftsreaction，是一类芳香族亲电取代反应，1877年由法国化学家查尔斯·傅里德(FriedelC)和美国化学家詹姆斯·克拉夫茨(CraftsJ)共同发现。Friedel–Crafts反应是一种重要的形成碳碳单键的反应，而碳碳单键的形成是有机合成中极为重要的一部分内容。定义：芳香烃在无水AlCl3作用下，环上的氢原子能被烷基和酰基所取代的反应称为傅克反应。该反应主要分为两类:烷基化反应和酰基化反应。有机化合物分子中的氢原子被烷基所取代的反应被称为傅克烷基化反应，被酰基所取代的反应被称为傅克酰基化反应。苯环上有强吸电子基（如－NO2、－SO3H、－COR）时，不发生傅-克反应。二、Friedel–Crafts烷基化反应定义：在酸的催化作用下，芳香烃与烷基化试剂作用，芳环上的氢原子被烷基所取代的反应，称为傅克烷基化反应。烷基化试剂：常用的烷基化试剂有卤代烃、烯烃、醇、环醚（如环氧乙烷）等，其中一卤代烃为最常用的。催化剂：常用的催化剂可分为两大类。一类是Lewis酸，主要为金属卤化物，其中AlCl3最常用，也是催化活性最强的。另一类是质子酸，如HF、H2SO4、H3PO4等。此外，还有其他类型的催化剂，如酸性氧化物、有机铝化合物。反应机理傅克烷基化反应是碳正离子对芳环的亲电进攻。通常碳正离子来自卤代烃与Lewis酸的络合物，其它如质子化的醇及质子化的烯等也可以作为碳正离子源。影响因素（1）卤原子对反应的影响①对于卤代烷，不同的卤代烷以及不同结构的烷基，对烷基化反应均有影响，当烷基相同而卤原子不同时，反应活性次序为：RCl˃RBr˃RI②当卤原子相同，而烷基不同时，其活性次序为：H2C=CH-CH2X˃R3CX˃R2CHX˃RCH2X˃CH3X（2）芳环结构对反应的影响由于烷基是供电子基，当芳环上引入烷基后，环上的电子云密度增加，使芳环更加活泼，更加容易进行亲电取代反应，因此苯在烷基化时生成单取代烷基苯很容易进一步进行反应生成二取代烷基苯或多取代烷基苯。（3）催化剂对反应的影响①催化剂的作用在于与卤代烷反应，生成碳正离子后，对苯环进攻。Lewis酸的催化活性大于质子酸，其强弱程度因具体反应及条件的不同而改变。下面的顺序来自催化甲苯与酰氯反应的活性。AlCl3˃FeCl3˃SbCl3˃SnCl4˃BF3˃TiCl4˃ZnCl2②酸的活性顺序通常认为是：HF˃H2SO4˃P2O5˃H3PO4③当用烯类、醇类作为烷基化试剂时，催化剂用BF3和HF效果最好。④在某些反应中，不同催化剂，产生不同的产物。例如，3-氯丙烯，由于有两个不同的反应基团，催化剂对这两个基团的活泼性，各不相同，它们能产生不同的产物：注意几点（1）当使用含三个或三个以上碳原子的烷基化试剂时，会生成多种异构产物，主要原因是烷基正离子发生重排的结果。例如苯与1-氯丙烷反应，得到的主产物是异丙苯而不是正丙苯。（2）烷基化反应不容易停留在一取代阶段，通常在反应中有多烷基苯生成。这是因为取代的烷基使苯环上的电子云密度增大，增强了苯环的反应活性。但是有些基团由于位阻关系，只能得到一取代产物。应该注意的是：在低温、低浓度、弱催化剂、较短反应时间的情况下，取代基团的进入位置是按照亲电取代反应规律的。但是在较高温度、较高浓度，较强催化剂、较长反应时间，特别是催化剂用量过剩的情况下，产物往往是不按规律的。（3）由于烷基化反应是可逆的，烷基苯在强酸的催化下，能够发生烷基的歧化和转移。当苯过量时，则有利于发生烷基的转移，使多烷基苯向单烷基苯转化。利用这一性质，在制备单取代烷基苯时，可使副产物的多烷基苯与苯发生烷基转移，即脱烷基再与苯进行烷基化，以增加单取代烷基苯的收率。（4）芳环上的取代基对傅克烷基化反应有较大影响，当芳环上连有硝基、氰基等吸电子基团时，反应不易进行，甚至不能发生。三、Friedel–Crafts酰基化反应定义：羧酸和羧酸衍生物在Lewis酸或质子酸的催化下，对芳烃进行亲电取代生成芳酮的反应，称为Friedel–Crafts酰基化反应。酰化剂：常用的酰基化试剂是酰卤（主要为酰氯、酰溴）和酸酐。①酰卤的反应活性顺序如下：R-CO-I˃R-CO-Br˃R-CO-Cl②酸酐也是很好的酰化剂，但是它需要比酰卤多50%的氯化铝。③羧酸也可以直接用作酰化剂，但是催化剂不宜选用氯化铝，而要用硫酸，磷酸，最好是氟化氢。被酰化物：包括各种电子云密度较高的取代芳环、芳杂环类化合物。催化剂：包括Lewis酸（如AlCl3、SnCl4、BF3、ZnCl2）或质子酸。反应的溶剂：一般为醚类、卤代烷类、苯及其同系物、乙酸乙酯等。反应机理酰化剂在催化剂的作用下生成活性中间体-碳正离子，由正离子攻击电子密度较大的芳环，取代氢原子，形成芳酮和氢离子。注意几点（1）酰基是一个间位定位基，当一个酰基取代苯环的氢后，使苯环的活性降低，反应终止，产物一般为一元取代苯，而不会生成多元取代苯的混合物，因此芳烃的烷基化反应的产率一般比较好。（2）酰基化反应是不可逆的，也不发生重排，因此酰基化反应在合成上很有价值。（3）由于酰基化反应的产物单纯，可以用此反应先生成酮，再来还原制备芳烃的烷基衍生物。四、傅克反应的操作方法一般操作法把无水氯化铝和干燥溶剂放置在装有搅拌器、滴液漏斗和回流冷凝管的三口瓶中。在冷却下加入芳环化合物搅拌。卤化物或酰卤慢慢滴入，产生的氯化氢，由冷凝管末端，经过氯化钙管，通道气阱。滴完后搅拌、温热直到反应完全。把反应物慢慢滴加到浓盐酸与冰水的混合物（1:5-10）中。分出有机层，用少量稀酸、水、稀碱、水一次洗涤。干燥后，蒸去溶剂（如实硝基苯，可用水汽蒸馏），纯化产物。其它特殊情况下的操作方法如果溶剂是非极性的，如二硫化碳之类，反应后，产物如形成复合物，一般不溶，可以倒掉二硫化碳，把固体上法处理。在用硫酸为催化剂时，可将反应物混合，慢慢加到过剩的浓硫酸中，维持一定的温度（0-100℃）。倒如大量的碎冰中，分离产物。如用氟化氢作催化剂，就把反应物溶解在大量液体氟化氢中，在室温下放置一定时间，让氟化氢自行蒸发掉，设备要用聚乙烯材料，铜、镍和不锈钢器具也可以用。用氟化硼为催化剂时，可以把反应物和溶剂混合，在搅拌下通入氟化硼气体。五、烷基化与酰基化的异同相同点：催化剂相同；反应机理相似；苯环上带有强吸电子基时（如硝基、磺基、酰基和氰基等），一般不发生反应。不同点：烷基化反应是可逆的，而酰基化反应不可逆；由于烷基化反应的可逆性，所以常常伴随着歧化反应，即一份子的烷基苯脱烷基，另一分子则增加烷基。芳香族亲核取代反应目录1芳香族化合物亲核取代历程芳香族亲核取代反应的反应活性与电子效应芳香族取代反应在有机合成上的应用