Реакции ацилирования находят широкое применение в современной
органическом синтезе. Наиболее распространенными являются реакции С-, O- и
N-ацилирования, с помощью которых получают соответственно кетоны, сложных
эфиры или амиды.
Частными случаями реакции ацилирования являются реакции формилирования
(введение НСО-группы), ацетилирования (СН3СО-группы) и бензоилирования
(С6Н5СО-группы).
Несмотря на различия в методах проведения реакций, общим для всех
вариантов ацилирования является реакция некого субстрата и ацилирующего
агента, протекающая как правило по механизму электрофильного замещения.
Наиболее распространенными ацилирующими агентами являются ангидриды и
хлорангидриды карбоновых кислот.
Реакции С-ацилирования
Наиболее распространенной реакцией С-ацилирования является открытая еще
в XIX веке реакция Фриделя-Крафтса. Механизм этой реакции достаточно долго
оставался загадкой, однако теперь является точно установленным, что реакция
протекает по механизму электрофильного замещения.
Реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду протекают по
одному и тому же пути и начинаются с атаки электрофильной частицы (будь то
катион или положительно заряженный конец сильнополяризованной связи) на
ароматическую p-электронную систему. При этом образуется резонансно
стабилизированный неароматический s-комплекс, или бензониевый ион. За этим
следуют потеря протона и сопутствующая ей реароматизация с образованием
соединения, в котором электрофильная частица заменила атом водорода у
первоначально атакованного углерода.
В случае реакции ацилирования в качестве ацилирующего агента как
правило применяются ацилхлориды в присутствии кислот Льюиса (чаще всего
хлорида алюминия). В таком случае реакция начинается с взаимодействия
ацилхлорида с катализатором с образованием собственно электрофильного
агента:
[pic]
Положение равновесия зависит от природы реагентов и от растворителя:
высокая диэлектрическая проницаемость сдвигает равновесие в сторону
образования карбениевого иона.
Затем электрофильный агент реагирует с ароматической молекулой:
[pic]
Выбор катализатора определяется реакционной способностью ароматического
соединения. Чаще всего применяют хлорид алюминия и только для очень
реакционноспособных систем (например, для тиофена) используются хлорид
цинка, серную кислоту и др.
Тригалогениды алюминия образуют комплексы и с ацилирующим средством, и
с образующимся карбонильным соединением; комплекс с последним в условиях
реакции устойчив. Для синтезов по Фриделю-Крафтцу с ацилгалогенидами
необходимы поэтому по меньшей мере мольные количества катализатора. При
взаимодействии с ангидридами кислот получающаяся кислота связывает еще
один моль катализатора, поэтому в целом необходимы по крайней мере два моль
катализатора. В каждом случае по окончании реакции образовавшийся комплекс
кетона с хлоридом алюминия должен быть гидролитически разрушен (соляной
кислотой со льдом).
Реакцию ацилирования по Фриделю-Крафтцу удается распространить на
ароматические углеводороды (в том числе полициклические),
галогенпроизводные, реакционноспособные гетероциклы (например, тиофен,
фуран). Ароматические амины образуют с катализатором неацилирующийся
комплекс. Если же аминогруппа защищена ацетилированием, то реакция удается.
Ароматические соединения с сильноинактивирующими заместителями,
например с нитро-, циан- и карбонильными группами, не ацилируются по
Фриделю-Крафтцу. Поэтому при ацилировании можно не опасаться вторичного и
полизамещения.
Интересным случаем реакции Фриделя-Крафтца является взаимодействие с
ангидридами дикарбоновых кислот, приводящее к образованию оксокислот,
которые в дальнейшем можно перевести в хиноны:
[pic]
Растворителем при ацилировании по Фриделю-Крафтцу может служить избыток
ацилируемого углеводорода. Иногда применяют дисульфид углерода, так как он
практически не влияет на реакционную способность хлорида алюминия, но
комплекс образовавшегося ароматического кетона с хлоридом алюминия остается
при этом чаще всего в твердой фазе, поэтому при больших загрузках
реакционная смесь с трудом перемешивается и обрабатывается. Кроме того,
дисульфид углерода ядовит и очень легко воспламеняется. В нитробензоле или
галогеноуглеродах (дихлорэтане или трихлороэтилене) активность катализатора
несколько понижена из-за комплексообразования, кроме того ацилирование по
Фриделю-Крафтцу в них можно применять только при температурах ниже 50oC,
так как в противном случаем они сами вступают в реакцию.
В менее полярном 1,2-дихлорэтане (этиленхлориде) из нафталина получают
a-кетон и, напротив, в сильнополяризованной среде (нитробензола) — b-кетон.
Общая методика ацилирования по Фриделю-Крафтцу.
В трегорлой колбе емкостью 1л, снабженной мешалкой и капельной воронкой
с хлоркальциевой трубкой, смешивают 400мл 1,2-дихлорэтана с 1,2 моля
тонкорастертого хлорида алюминия и добавляют по каплям при перемешивании и
охлаждении ледяной водой 1,05 моля ацилхлорида. Затем из капельной воронки
при охлаждении водой добавляют 1 моль ароматического соединения так, чтобы
температура смеси поддерживалась около 20оС. Реакционную смесь перемешивают
еще 1 ч. и оставляют на ночь. При ацилировании галогенбензолов нагревают 5
ч. при 50оС, причем ацилируемое соединение используемся в качестве
растворителя (все количества галогенбензола сразу помещают в колбу).
Для разложения комплекса кетона с хлоридом алюминия содержимое колбы
осторожно выливают на 500мл льда, выпадающий гидроксид алюминия переводят в
раствор, добавляя небольшое количество концентрированной соляной кислоты.
Затем в делительной воронке отделяют органический слой, а водные дважды
извлекают дихлорэтаном. Объединенные вытяжки тщательно промывают водой, 2%-
ным раствором гидроксида натрия и снова водой. После сушки карбонатом калия
растворитель отгоняют, а кетон перегоняют в вакууме.
Приведенная методика также пригодна для полумикросинтезов.
Реакции О-ацилирования.
Реакция этерификации, являющаяся по сути реакцией О-ацилирования,
используется в качестве основного способа получения сложных эфиров.
Вследствие малой активности карбонильных групп в карбоновых кислотах
они, как правило, медленно реагируют со спиртами. Этерификацию можно
существенно ускорить, добавляя сильные кислоты (серную кислоту, безводный
хлороводород, сульфоновые кислоты, кислые ионообменные смолы):
[pic]
Скорость этерификации карбоновой кислоты, как и следовало ожидать,
возрастает вместе с ростом положительного заряда на карбонильном углероде,
т.е. с ростом кислотности. Так, муравьиная, щавелевая, пировиноградная
кислоты реагируют достаточно быстро и без добавления катализатора.
Сильно влияют на этерификацию стерические факторы. С ростом объема
алкильных остатков, связанных с карбоксильной группой, а также спиртовым
гидроксилом, скорость этерификации падает. Поэтому разветвление у (-
углеродного атома, а также о-замещенные ароматические кислоты вступают в
реакцию медленно и с плохими выходами. В ряду от первичных к третичным
спиртам реакция затрудняется еще и тем, что в условиях реакции
(сильнокислая среда) параллельно возрастает и тенденция к превращению
спиртов в простые эфиры и олефины. Эфиры третичных спиртов получаются
прямой этерификацией лишь с очень малыми выходами.
Равновесие реакции этерификации не очень благоприятно для получения
сложных эфиров. Равновесие можно сдвинуть вправо, используя 5-10-кратный
избыток более дешевого исходного вещества (им обычно бывает спирт) либо
постоянно удаляя из реакционной смеси продукты реакции — воду или сложный
эфир.