Friedel–Crafts-reakciók

Bevezetés

Charles Friedel és James Crafts 1877-ben (egymástól függetlenül) érdekes megfigyelést tettek. Azt vették észre hogy az amil-klorid alumínium hatására decil-kloriddá kondenzálódik. Vizsgálataikat tovább folytatva kiderült hogy a reakciót valójában a vízmentes alumínium-klorid indítja. Ezen felfedezés után Friedel és Crafts nem hagyott fel a kutatómunkával. Az alumínium-klorid katalitikus vizsgálata során a két felfedező már a kezdetekben kimutatta, hogy rendkívül hatásos katalizátor acilezésben, alkilezésben és dezalkilezésben. Továbbá megállapították, hogy az alumínium-klorid mellett egyéb Lewis savak (pl. ZnCl2) valamint a Brönsted savak (pl. kénsav) is katalizáló hatásúak. Később számos reakcióban kerültek előtérbe a Friedel-Crafts katalizátorok.

Definíció szerint Friedel-Crafts reakciónak nevezzük azokat a szubsztitúciós, izomerizációs, eliminációs polimerizációs illetve addiciós reakciókat, melyekre Lewis és Brönsted savak egyaránt katalizáló hatást fejt ki (vízmentes közegben).

A Friedel-Crafts katalizátorok által aktivált reakciók olyan nagy számban fordulnak elő, hogy az már tárgyalhatatlan egy témakörben. Ezért szűkebb értelemben Friedel-Crafts reakcióként annak két leggyakoribb típusát (Friedel-Crafts acilezés ill. alkilezés) tárgyalják.

Friedel-Crafts alkilezés

Friedel-Crafts alkilezésnek azokat a reakciókat nevezzük, melyben egy aromás gyűrű egy vagy több hidrogénatomját vagy más helyettesítő csoportját F.-C. katalizátor jelenlétében alkilcsoportra cseréljük.

Erre példa a benzol metilezése metilkloriddal:

Fájl:F-C alkil.png

Friedel-Crafts acilezés

A reakciók másik fő típusát a Friedel-Crafts típusú acilezési reakciók alkotják

Friedel-Crafts acilezés során az aromás gyűrűbe F.-C. katalizátor jelenlétében acilcsoportot viszünk be vagy egy meglévőt cserélünk ki. Attól függően milyen acilcsoportot viszünk be a szerves molekulába aldehidek vagy ketonok képződnek termékként. Ha az acilezés során formilcsoport bevitele történik (formilezés) aldehidhez jutunk. Erre példa a benzaldehid előállítása (formilezés, Gattermann-Koch szintézis): A reakció szobahőmérsékleten véghezvihető réz(I)-kloriddal aktivált vízmentes alumínium-klorid katalizátor segítségével.

Fájl:Benzaldehid.png

Formil helyett egyéb más acilcsoportot is bevihető a molekulába, ekkor ketonok keletkeznek. Például benzolból és ecetsavanhidridből acetofenon állítható elő:

Fájl:Acetofenon.png

Friedel-Crafts katalizátorok

1. Proton (Brönsted) savak,ezek egyben a reakcióközeget is jelentik. Nemcsak katalizátor, hanem egyben oldószer is. Megfelelő katalizáló hatással csak az erős elektrolit bír. Leggyakrabban alkalmazott protonsav katalizátor a kénsav (szenesít, korrozív hatás), a folysav (üveg szerkezeti elemeket megmarja).

2. Lewis savak.Ezek általában fém-alkilek illetve fém-halogenidek. Leggyakrabban az $AlCl_{3}$-ot és az $AlBr_{3}$-t használják, ezért ezeket Friedel-Crafts katalizátornak is nevezik. Hasonló, gyakorlati szempotból jelentős (bár kevésbé aktív) katalizátor a bór-trifluorid, az ón-tetraklorid, a cink-klorid és a bórsav vízmentes állpotban.

Katalizátor mennyisége

Friedel-Crafts reakció lejátszódásakor a keletkező melléktermék (például víz, ecetsav) katalizátorméregként viselkedik. Ezért a folyamat lejátaszatásakor a katalizátorból legalább sztöchiometrikus mennyiséget kell alkalmazni.

Termékek homogenitása

Alkilezés során minden esetben összetett termék keletkezik. Ebben nagymennyiségben találhatóak többszörösen szubsztituált származékok is. Továbbá a lejátszódó reakció mindig egyensúlyra vezet, ezért a termékelegyben számottevő mennyiségben a kiindulási anyagok is megtalálhatóak. Ezzel szemben Friedel-Crafts acilezésnél többszörösen helyettesített származék képződésétől nem kell tartani.

Forrás

Szerves laboratóriumi gyakorlatok - Az ipari technikumok számára III., Tankönyvkiadó 1952

Dr. Csűrös Zoltán Szerves vegyipari alapfolyamatok (kézirat), BME vegyészmérnöki kar, Tankönyvkiadó 1978

Szerves vegyipari alapfolyamatok kézikönyve, Műszaki könyvkiadó 1978

Organikum, Szerves kémiai praktikum, 1967