Friedelova-Craftsova alkylace

V tomto videu se zaměříme na Friedelovu-Craftsovu alkylaci. Začneme benzenovým kruhem. K němu přidáme alkylchlorid a chlorid hlinitý jako katalyzátor. Výsledkem je nahrazení R skupiny, tedy alkylového substrátu z alkylchloridu, za proton v benzenovém kruhu. Podíváme se na mechanismus Friedelovy-Craftsovy alkylace. Začneme alkylchloridem a přidáme chlorid hlinitý. Ten, jak už dobře víme, může fungovat jako Lewisova kyselina. Je to Lewisova kyselina, protože může přijímat elektronový pár. Lewisovou bází pak bude tento alkylchlorid a bude elektronový pár poskytovat. Chlorid hlinitý bude přijímat tento elektronový pár z alkylchloridu. Pojďme sem nakreslit výsledek reakce této Lewisovy kyseliny s Lewisovou bází. Chlor je nyní navázán na hliník. Hliník má vazby se třemi původními chlory. Volné elektronové páry teď nebudeme kreslit, abychom neztráceli čas. Z hlediska formálních nábojů má teď hliník náboj minus jedna a tento chlor má náboj plus jedna. Víme, že halogeny mají vysokou elektronegativitu. Proto chlor může přijmout tyto elektrony. Přesun těchto elektronů na atom chloru si zde znázorníme. Výsledkem tohoto kroku je rozbití této vazby s alkylovým substituentem R. Proto tento substituent R získá náboj roven plus jedné. Je to tedy karbokation. Je elektrofilem v tomto mechanismu elektrofilní aromatické substituce. Jelikož během reakce dochází ke vzniku karbokationtu, může vždy dojít i k jeho přesmyku. Na tohle je třeba dávat pozor, když se snažíme předvídat produkty Friedelovy-Craftsovy alkylace. Co vznikne kromě karbokationtu? Pořád tu máme hliník se třemi původními atomy chloru a se čtvrtým chlorem z alkylchloridu. Tento čtvrtý chlor teď má tři volné elektronové páry, jeden elektronový pár pochází z vazby mezi chlorem a substituentem R, poté co se roztrhla vazba uhlík-chlor. Proto atom hliníku pořád má náboj minus jedna. Připravili jsme elektrofil, kterým je náš karbokation. Víme, že benzenové jádro bude reagovat s elektrofily. Zde je benzenové jádro a zde je kladně nabitý karbokation. Pí elektrony benzenového jádra budou v roli nukleofilu atakovat elektrofil. Záporný náboj se bude přitahovat ke kladnému. Pojďme si nakreslit výsledek tohoto nukleofilního ataku. Na benzenu máme pořád tento atom vodíku. Substituent R jsme mohli navázat na libovolný z těchto dvou atomů. Zvýrazníme to. Můžeme zvolit libovolný atom, jenom musíme být konzistentní s tím, jak jsme to dělali v předchozích videích. Chceme například navázat skupinu R na tento horní uhlík. Znamená to, že odebereme vazbu z tohoto spodního uhlíku. Pojďme tohle zvýraznit. Odebrali jsme zde tuto vazbu, a proto se tam musí objevit formální náboj plus jedna. Máme tu kladný náboj, takže to je karbokation. Nebudeme ztrácet čas a kreslit zde rezonanční struktury tohoto karbokationtu, Tohle představuje vzniklý sigma komplex. Můžete se podívat na předchozí video, ve kterém jsme kreslili rezonanční struktury podobných karbokationtů. V posledním kroku mechanismu dojde k vrácení aromaticity systému. Proběhne deprotonace tohoto sigma komplexu. Můžeme si to představit tak, že elektrony se pohybují ven, aby převzaly proton, a tyto elektrony jdou sem, by odebraly náboj plus jedna. Dojde ke znovuvytvoření aromatického jádra. Máme zpět aromatický systém, na kterém je navázaná alkylová skupina R. Druhým produktem reakce bude HCl a také dojde k regeneraci chloridu hlinitého. Pojďme se podívat na pohyb elektronů. Zde máme tyto purpurové elektrony. Po deprotonaci tyto purpurové elektrony vytváří vazbu, čímž dochází k regeneraci aromatického systému. Tyto elektrony vytváří vazbu mezi protonem a chlorem, čímž vzniká kyselina chlorovodíková. Takto vypadá mechanismus Friedelovy-Craftsovy alkylace. Podíváme se na několik konkrétních příkladů této reakce. Začneme benzenem a budeme přidávat 2-chlorpropan. Nakreslíme strukturu 2-chlorpropanu. To bude naším alkylchloridem. A také budeme potřebovat chlorid hlinitý jako katalyzátor. Jelikož provádíme Friedelovu-Craftsovu alkylaci, musíme uvažovat, jaký druh karbokationtu bude vznikat. I bez kreslení celého mechanismu už víme, že chlor bude odstupovat z alkylchloridu. To znamená, že po odstranění vazby z tohoto uhlíku, vznikne na horním uhlíku náboj plus jedna. Měli bychom uvažovat možnost přesmyku tohoto karbokationtu. V tomto případě však máme sekundární karbokation, který se nemůže přesmyknout na nějaký terciární karbokation. Sekundární karbokationty jsou relativně stabilní, a proto bude tento karbokation beze změn reagovat s benzenovým jádrem. Znovu si připomeneme, že tyto pí elektrony tvoří vazbu s tímto uhlíkem. Pojďme si nakreslit výsledek tohoto nukleofilního ataku. Je tu aromatické jádro, dále pí elektrony a na aromatickém kruhu máme tento vodík. No a vytvořili jsme vazbu s těmito třemi uhlíky. Pojďme se podívat na pohyb elektronů během tohoto kroku. Tyto purpurové elektrony vytvořily vazbu mezi těmito dvěma uhlíky. Je vždycky dobré kontrolovat počet uhlíků na karbokationtu. Na karbokationtu máme jeden, dva, tři uhlíky. Musíme mít stejný počet i zde. Jeden, dva, tři. V posledním kroku musí proběhnout deprotonace vzniklého sigma komplexu. Zde je formální náboj plus jedna. Deprotonací sigma komplexu se zbavíme formálního náboje plus jedna a zároveň se vrátíme k aromatickému systému. Tyto elektrony se přemístí sem a vznikne produkt. V produktu je benzonové jádro a na něm isopropylový substituent. Takže konečným produktem je isopropylbenzen. Uděláme ještě jednu Friedelovu-Craftsovu alkylaci. Tento příklad bude zahrnovat přesmyk karbokationtu. Znovu začneme benzenovým jádrem. Máme benzenové jádro, které bude reagovat s butylchloridem, tedy jeden, dva, tři, čtyři uhlíky. Zde je atom chloru. Přidáváme chlorid hlinitý jako katalyzátor. Nejdříve musíme zjistit, jaký druh karbokationtu vznikne během mechanismu. Víme. že tento chlor bude během mechanismu odstupovat, převezme na sebe elektrony z původní vazby uhlík-chlor, proto na tomto uhlíku vznikne formální náboj plus jedna. Nakreslím tu čtyři uhlíky butylového karbokationtu. A na koncovém uhlíku bude formální náboj plus jedna. Vidíme, že vznikl primární karbokation, který není moc stabilní. Proto může dojít k přesmyku tohoto karbokationtu. Zajímá nás, který nejstabilnější karbokation lze získat přesmykem z tohoto primárního karbokationtu. Víme, že na uhlíku sousedícím s kladným uhlíkem máme vodíky. Dochází zde k hydridovému posunu. Z předchozích videí už jej umíme provést. Tento vodík se spolu se dvěma elektrony přemístí sem. Pojďme nakreslit výsledek tohoto hydridového posunu. Vodík se dvěma elektrony se přemístí sem, čímž z tohoto posledního uhlíku zmizí formální náboj plus jedna. Odebrali jsme vazbu z tohoto uhlíku, takže teď zde bude formální náboj +1. Získali jsme sekundární karbokation. Jenom připomenu, že je to sekundární karbokation, jelikož tento purpurový uhlík je vázán na dva další uhlíky. Takže máme sekundární karbokation, který je stabilnější než primární. Budeme rozhodovat mezi dvěma možnými produkty reakce. Benzenové jádro může reagovat buď s primárním karbokationtem, nebo pravděpodobněji bude reagovat se stabilnějším sekundárním karbokationtem. Pojďme nakreslit výsledek reakce benzenu se sekundárním karbokationtem. Tyto elektrony a tyto pí vazby se přesunou sem a budou reagovat se sekundárním karbokationtem. Nakreslíme výsledek tohoto nukleofilního ataku. Máme tu tyto pí elektrony. Máme zde atom vodíku, navázaný na aromatické jádro. Vytvoříme vazbu mezi benzenem a původním karbokationtem. Podíváme se na to, co jsme udělali. Na vzniklém sigma komplexu máme náboj plus jedna. Tyto pí elektrony na benzenu vytvořily novou vazbu uhlík-uhlík. Podíváme se na to, co je vázáno na uhlíky, Označíme barevně některé atomy. Začneme červenou. Tento uhlík zde je tento uhlík. Tento dolní purpurový uhlík je uhlík, který je vázaný na aromatické jádro. Dále tu samozřejmě máme několik dalších uhlíků. Tento zelený uhlík je tímto uhlíkem zde. A poslední tento modrý uhlík je tímto uhlíkem. Je dobré si vždy takto počítat uhlíky, aby se žádný neztratil a struktury byly nakreslené správně. V posledním kroku dochází k deprotonaci sigma komplexu a tyto elektrony se přemístí sem. Získali jsme jeden z konečných produktů. Nakreslíme tento produkt, který je hlavním produktem této reakce. Primární karbokation ale také může reagovat s benzenovým jádrem, takže nakreslíme i výsledek této reakce. Pokud tyto pí elektrony reagují s primárním karbokationtem, dochází ke vzniku nové vazby s tímto uhlíkem. Nakreslíme výsledek reakce. Nakreslíme si znovu aromatické jádro. A znovu máme tento atom vodíku a máme čtyři atomy na tomto uhlíku aromatického jádra. Jeden, dva, tři, čtyři. A znovu máme náboj plus jedna na sigma komplexu. Podíváme se podrobněji na tyto purpurové elektrony. Tyto purpurové elektrony vytvořily tuto vazbu uhlík-uhlík. A teď mají vazbu s uhlíkem. Tento červený uhlík je teď zde. Dále tu máme tento purpurový uhlík, který je tímto uhlíkem. Abychom používali stejné barvy, další uhlík označíme zeleně a ten bude zde. A poslední modrý uhlík je tímto uhlíkem. Důvodem, proč se takhle podrobně díváme na každý uhlík, je to, že v tom studenti velmi často dělají chyby. Proto je důležité takhle sledovat polohu všech elektronů a neztratit žádný z uhlíků při kreslení produktu. Po deprotonací sigma komplexu se tyto elektrony přemístí sem, a vzniká butylbenzen jako vedlejší produkt této reakce. Na benzenovém jádře máme čtyř-uhlíkatý substituent, který je vedlejším produktem, protože vzniká z méně stabilního karbokationtu. Primární karbokationty jsou méně stabilní, než jsou sekundární. Z toho vyplývá jedno z omezení Friedelovy-Craftsovy alkylace. Nemůžeme zaručit konkrétní alkylové substituenty, které zavádíme na benzenové jádro, protože může dojít k přesmyku způsobeného přítomností kationtového meziproduktu. Proto pokud byla naším cílem syntéza butylbenzenu, nemůžeme Friedelovou-Craftsovou alkylaci získat jej ve vysokém výtěžku. Lepší cestou, které se budeme věnovat v příštím videu, je Friedelova-Craftsova acylace.