傅克反應(yīng)機(jī)理

1、 Friedel-Crafts反應(yīng)機(jī)理摘要：本文總結(jié)了傅-克反應(yīng)提出以來，化學(xué)研究人員對(duì)該反應(yīng)的機(jī)理方面的研究，包括動(dòng)力學(xué)研究、中間體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的。提出傅一克反應(yīng)機(jī)理目前存在的疑問及機(jī)理動(dòng)力學(xué)的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：傅-克反應(yīng)；動(dòng)力學(xué)；中間體；反應(yīng)機(jī)理1、 傅-克反應(yīng)的發(fā)現(xiàn) 傅-克反應(yīng)在整個(gè)化學(xué)發(fā)展史上是最為古老的化學(xué)之一1。1869年德國化學(xué)家Zincke2首次報(bào)道了在苯環(huán)上引入烷基的反應(yīng)這個(gè)反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)來源于一個(gè)偶然，當(dāng)時(shí)Zincke想從芐氯和氯乙酸(以苯作為溶劑)出發(fā)，在銅粉(或銀粉)和密封加熱的條件下，通過類似Wurtz反應(yīng)的方法制各苯丙酸，但他發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)過程中有大量的氯化氫產(chǎn)生，同時(shí)也生成

2、了二苯甲烷。他意識(shí)到這是芐氯和溶劑苯發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的。為此，在接下來的幾年里，他開始研究這類苯環(huán)上引入取代基的反應(yīng)。Zincke的發(fā)現(xiàn)引起了化學(xué)家們的廣泛關(guān)注，他們用不同芳烴進(jìn)行反應(yīng)，并且得到了相應(yīng)芳烴的烷基化和?；a(chǎn)物至此，他們一致認(rèn)為鐵、銅、銀或鋅等金屬粉末可以作為此類反應(yīng)的催化劑，這個(gè)反應(yīng)也因此被命名為Zincke反應(yīng)。1877年，F(xiàn)riedel和Crafts3-4試圖通過Gustavson反應(yīng)將1，1，1一三氯乙烷(苯作溶劑)在鋁粉和碘單質(zhì)存在條件下轉(zhuǎn)化為1，1，1三碘乙烷，但出乎意料的是他們?cè)俅蔚玫搅薢incke反應(yīng)的產(chǎn)物。經(jīng)過他們的不斷研究，他們又對(duì)各種金屬鹵化物、各種鹵代烴以及各

3、種酰鹵分別進(jìn)行了研究，表明Zincke提出的各種金屬確實(shí)不是此類反應(yīng)的催化劑，它們的鹵代物才是真正意義上的催化劑。至此傅一克反應(yīng)被正式提出，包括傅一克烷基化反應(yīng)和傅一克?；磻?yīng)。傅一克反應(yīng)雖然說是非常古老的化學(xué)，但是直到現(xiàn)在其應(yīng)用依然非常的廣泛5-6。一直以來，許多化學(xué)工作者對(duì)傅一克反應(yīng)機(jī)理的研究非常感興趣，同時(shí)也做了許多工作。目前有關(guān)該反應(yīng)機(jī)理方面的報(bào)道相對(duì)較少，直至現(xiàn)在還是沒有非常清楚地指明該反應(yīng)的機(jī)理，最主要的是至今仍然沒有明確提出該反應(yīng)實(shí)際的反應(yīng)活性中間體這未免有些遺憾，但研究者們出色的工作還是給出了大量的信息，為傅一克反應(yīng)機(jī)理的進(jìn)一步探索做出了巨大貢獻(xiàn)。2、傅-克反應(yīng)的發(fā)展及應(yīng)用概

4、況傅-克反應(yīng)自從被發(fā)現(xiàn)以來，大量的論文、書籍或者專利介紹這類反應(yīng)，它在學(xué)術(shù)或者工業(yè)領(lǐng)域上迅速成為有機(jī)合成化學(xué)的基礎(chǔ)反應(yīng)。由于傅一克?；磻?yīng)是實(shí)現(xiàn)碳碳成鍵的最有效方式之一，并且是制備各種芳基酮，雜環(huán)芳烴酮等的重要手段，所以它在醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、香料等工業(yè)生產(chǎn)中具有非常廣泛的應(yīng)用，因此化學(xué)家們對(duì)傅一克?；磻?yīng)一直懷有很高的興趣。一般來講，傅一克?；磻?yīng)使用的是路易斯酸，如氯化鋅、氯化鋁、氯化鐵、四氯化錫、四氯化鈦等或者是很強(qiáng)的質(zhì)子酸，如氫氟酸、硫酸等在反應(yīng)結(jié)束以后，這些路易斯酸與產(chǎn)物配位從而以配合物的形式存在，所以在水解后才可以得到目標(biāo)產(chǎn)物，這就會(huì)造成環(huán)境的污染7，8所以，在過去的幾十年里，

5、傅一克?；磻?yīng)一直努力朝著綠色化學(xué)的方向發(fā)展通過開發(fā)更加有效的催化劑，比如催化量的Ln(OTf)3使得反應(yīng)效率得到提高，或者優(yōu)化反應(yīng)條件，如微波條件下，離子液體中的傅一克?；磻?yīng)，實(shí)現(xiàn)催化劑的回收再利用；抑或是使用石墨作為固體催化劑，以及各種異相催化劑的發(fā)展都使得傅一克?；磻?yīng)不斷地向前推進(jìn)。3.1傅-克烷基化反應(yīng) 傅-克烷基化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理與磺化、硝化類似，首先在催化劑的作用下產(chǎn)生烷基碳正離子，它作為親和試劑向苯環(huán)進(jìn)攻，形成碳正離子，然后失去一個(gè)質(zhì)子生成烷基苯。鹵代烷、烯烴、醇、環(huán)氧乙烷等在適當(dāng)?shù)拇呋瘎┑淖饔孟露寄墚a(chǎn)生烷基碳正離子，鹵代烴、烯烴、醇是常用的烷基化試劑。最初用的催化劑是三

6、氯化鋁，后經(jīng)過證明，許多Lewis酸同樣可以起到催化劑作用，現(xiàn)在常用的Lewis酸催化劑的催化活性活動(dòng)順序大致如下：AlCl3FeCl3SbCl3BF3TiCl4ZnCl2其中三氯化鋁是效力最強(qiáng)，也是最常用的，但催化劑的活性常因反應(yīng)物和反應(yīng)條件的改變而發(fā)生變化，效力最強(qiáng)的催化劑并不一定在所有情況下都是最合適的催化劑，操作者應(yīng)根據(jù)被取代氫的活性、烷基化試劑的類別和反應(yīng)條件來選擇合適的催化劑。鹵代烷產(chǎn)生碳正離子的過程是：催化劑如三氯化鋁和鹵代烷生成一個(gè)絡(luò)合物RClAlCl3,使鹵原子和烷基之間的鍵變?nèi)?，然后成為R+及AlCl4-離子。這種Lewis酸和鹵代烷的絡(luò)合物在一定條件下是可以分離出來的。例

7、如三氟化硼和氟化烷在低溫下可以形成穩(wěn)定的絡(luò)合物：C2H5FBF3。有的烷基化反應(yīng)不是碳正離子，而是解離以前的絡(luò)合物去進(jìn)攻苯環(huán)。碳正離子進(jìn)攻苯環(huán)還是絡(luò)合物進(jìn)攻苯環(huán)要取決于鹵代烷的極化程度和Lewis酸的催化活性，但兩種情況的實(shí)質(zhì)是相同的。這類反應(yīng)有個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)：由于烷基側(cè)鏈的供電性，反應(yīng)產(chǎn)物比起原料具有更高的親核性，于是產(chǎn)物苯環(huán)上的另一個(gè)氫繼續(xù)被烷基所取代，導(dǎo)致了過烷基化現(xiàn)象而形成了眾多副產(chǎn)物。由于這類反應(yīng)是可逆的，還可能出現(xiàn)烷基被其他基團(tuán)所取代的副產(chǎn)物（例如被氫取代時(shí)，也稱為傅克脫烷基化反應(yīng)）；另外長(zhǎng)時(shí)間的反應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致基團(tuán)的移位，通常是轉(zhuǎn)移至空間位阻較小、熱力學(xué)穩(wěn)定的間位產(chǎn)物。另外如果氯不是處于

8、三級(jí)碳原子（叔碳原子）上，還有可能發(fā)生碳正離子重排反應(yīng)，而這取決于碳正離子的穩(wěn)定性：即三級(jí)碳二級(jí)碳一級(jí)碳。同時(shí)空間位阻效應(yīng)可以被利用于限制烷基化的數(shù)量。假設(shè)使用無水氯化鐵作為催化劑，在氯化鐵的作用下，鹵代物產(chǎn)生碳正離子，碳正離子進(jìn)攻苯環(huán)并取代環(huán)上的氫，最后產(chǎn)生烷基芳香族化合物和氯化氫。總反應(yīng)式如下：3.2傅-克?；磻?yīng) 傅-克酰基化反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理和烷基化是類似的，也是催化劑的作用下，首先生成?；x子，然后和芳環(huán)發(fā)生親電取代。常用的?；噭┦酋｛u和酸酐。酰鹵的反應(yīng)活性順序RCOIRCOBrRCOClRCOF,常用的催化劑是三氯化鋁。由于AlCl能與羰基絡(luò)合，因此?；磻?yīng)的催化劑用量比烷基

9、化反應(yīng)多，含一個(gè)羰基的酰鹵為酰基化試劑時(shí)，催化劑用量多于1mol，反應(yīng)時(shí)，酰鹵先與催化劑生產(chǎn)絡(luò)合物，少許過量的催化劑再發(fā)生催化作用使反應(yīng)進(jìn)行。傅克酰基化反應(yīng)在強(qiáng)路易斯酸做催化劑條件下，讓酰氯與苯環(huán)進(jìn)行?；姆磻?yīng)。此反應(yīng)還可以使用羧酸酐作為?；噭?，反應(yīng)條件類似于烷基化反應(yīng)的條件。?；磻?yīng)比起烷基化反應(yīng)來說具有一定的優(yōu)勢(shì)：由于羰基的吸電子效應(yīng)的影響（鈍化基團(tuán)），反應(yīng)產(chǎn)物（酮）通常不會(huì)像烷基化產(chǎn)物一樣繼續(xù)多重?；６以摲磻?yīng)不存在碳正離子重排，這是由于酰基正離子可以共振到氧原子上從而穩(wěn)定碳離子（不同于烷基化形成的烷基碳正離子，正電荷非常容易重排到取代基較多的碳原子上）。生成的?；梢杂每巳R門森還原

10、反應(yīng)、沃爾夫凱惜納黃鳴龍還原反應(yīng)或者催化氫化等反應(yīng)轉(zhuǎn)化為烷基。傅克?；某晒εc否取決于酰氯試劑的穩(wěn)定性。比如甲酰氯就由于不穩(wěn)定而不能進(jìn)行，因此合成苯甲醛就需要其他的方法，如Gattermann-Koch反應(yīng)：在氯化鋁和氯化亞銅的催化下，通過苯、一氧化碳與氯化氫在高壓當(dāng)中合成。反應(yīng)機(jī)理：第一步是在路易斯酸的條件下，氯的解離形成酰基碳正離子：第二步是接下來的芳環(huán)親電試劑進(jìn)攻?；x子：最后一步，電荷轉(zhuǎn)移至氯原子形成HCL,而AlCl3催化劑重新形成： 與烷基化反應(yīng)類似，有間位定位基的芳烴極難發(fā)生傅-克反應(yīng)，因此在強(qiáng)酸性條件下苯胺的傅克烷基化反應(yīng)反應(yīng)很難進(jìn)行，因?yàn)榘被鶗?huì)與酸成鹽而轉(zhuǎn)化為間位定位基，為

11、此可通過乙?；瘜被Ｗo(hù)起來，反應(yīng)結(jié)束后，再水解除去乙?；＝Y(jié)束語：鑒于20世紀(jì)5070年代儀器分析手段的限制，人們很難對(duì)整個(gè)傅一克反應(yīng)進(jìn)行在線研究，所以對(duì)反應(yīng)過程中實(shí)際的中間體結(jié)構(gòu)上的認(rèn)識(shí)也存在偏差隨著科學(xué)的發(fā)展及技術(shù)上的改進(jìn)，人們?cè)絹碓絺?cè)重于反應(yīng)過程的研究，在機(jī)理探索的過程中，在線分析儀器成為必不可少的研究工具，所以當(dāng)人們重新回歸到原始的傅一克反應(yīng)時(shí)，從新的角度去探索人們可能會(huì)有很多新的發(fā)現(xiàn)，而一旦有這樣的發(fā)現(xiàn)，那對(duì)傅一克反應(yīng)來說將是重要的變革，也許會(huì)改變?nèi)藗円恢抡J(rèn)為的理所當(dāng)然或者是根深蒂固的結(jié)論，從而重新認(rèn)識(shí)傅一克反應(yīng)的機(jī)理我們相信，在不久的將來，人們對(duì)傅一克反應(yīng)會(huì)有更深的理解，傅一克反應(yīng)也將會(huì)被廣泛的應(yīng)用于很多領(lǐng)域!參考文獻(xiàn)：1、 Roberts，RM；Khalaf,AAFriedel-Crafts Alkylation Chemistry：a Century of Discovery，Marcel Dekker,NewYork，19842、 Zhang，YChemistry 2000，59(in Chinese)(張殷全，化學(xué)通報(bào)，2000，59)3、Fdedel，C；Crafts，JMCompRend1877，84，14504、Friedel，C；Crafts，JMCompRend1877，84，13925、Sartori，G；