Alquilação de Friedel-Crafts

A alquilação de Friedel-Crafts sintetiza produtos alquilados, como alquilbenzenos, por meio da reação de haletos ou alquenos de alquila com hidrocarbonetos aromáticos. A reação remove um átomo de hidrogênio do anel aromático e o substitui por um eletrófilo. Assim, ela ocorre via substituição eletrofílica aromática e é catalisada com o uso de ácidos de Lewis fortes, como AlCl₃ ou FeCl₃. Dependendo do número de substituintes no haleto de alquila (isto é, haleto de alquila primário, secundário ou terciário), a espécie de alquila positivamente carregada interage com o anel aromático como um carbocátion simples ou como um complexo de carbocátion do ácido de Lewis.

O mecanismo da alquilação de Friedel-Crafts ocorre em várias etapas. Inicialmente, o haleto de alquila e o ácido de Lewis reagem para formar o carbocátion. Em seguida, o carbocátion ataca o anel aromático, quebrando uma das ligações de anel duplo, o que resulta na formação de um intermediário não aromático. A desprotonação desse intermediário ocorre, o anel recupera a aromaticidade e o próton removido forma um ácido que restaura o catalisador do ácido de Lewis.

As reações de Friedel-Crafts estão entre as mais importantes na química orgânica para a ativação de C-H e formação de ligações C-C. Ao adicionar um grupo alquila a uma molécula de areno, as alquilações em estilo Friedel-Crafts formam a base para a produção de um conjunto diversificado de produtos industriais. A química pega a matéria-prima química comum, como o benzeno, e a converte em uma ampla faixa de produtos intermediários e finais. Uma das alquilações de Friedel-Crafts industriais clássicas é a reação catalisada por ácido de benzeno e etileno para produzir etilbenzeno. A escala de produção de etilbenzeno é enorme, medida em milhões de toneladas anualmente. É a molécula precursora de estireno, que por sua vez é utilizada na formação de polímeros de poliestireno. Cumeno, xileno e tolueno podem ser produzidos via reações do tipo Friedel-Craft. Por exemplo, o p-xileno é uma molécula precursora para formar o ácido tereftálico e os monômeros de tereftalato de dimetila usados na produção de tereftalato de polietileno (PET). Além disso, as alquilações de Friedel-Crafts cumprem funções importantes no desenvolvimento de produtos químicos finos e naturais. 

A diferença fundamental entre a alquilação de Friedel-Crafts e a acilação de Friedel-Crafts é que a primeira reação alquila um hidrocarboneto aromático, enquanto a última acila o areno. Além disso, a acilação de Friedel-Crafts ajuda a superar algumas das limitações fundamentais da síntese de alquilação de Friedel-Crafts. Essas limitações incluem que apenas certos compostos de alquilbenzeno podem ser feitos, devido ao rearranjo do carbocátion e à tendência à sobrealquilação da molécula, levando a subprodutos indesejáveis.

Na acilação de Friedel-Crafts, o grupo acila [-C (O) R] forma um íon acílio na presença de AlCl₃. O íon acílio ataca o anel de benzeno, formando um intermediário complexado no qual o anel perde sua aromaticidade. Em seguida, o íon de AlCL₄ remove um próton do anel, restaurando a aromaticidade do anel além de regenerar o catalisador de AlCl₃. O produto resultante é o anel com uma porção cetona ligada. Nenhum rearranjo ocorre devido à estabilização da ressonância do íon acílio e a desativação interrompe o ataque eletrofílico, eliminando substituições de anel adicionais.

A reação clássica de alquilação de Friedel-Crafts é uma reação de substituição eletrofílica catalisada que surge de um ataque de carbocátion na dupla ligação de uma molécula de areno. O catalisador para essa reação é tipicamente um cloreto, como o AlCl₃, que atua como um agente de condensação. Essa abordagem à alquilação levou ao desenvolvimento de diversas moléculas de hidrocarboneto. Além da alquilação das moléculas de areno, a reação de Friedel-Crafts foi estendida para incluir uma faixa de compostos resultantes da alquilação ou acilação de hidrocarbonetos alifáticos contendo duplas ligações. Assim, a reação da alquilação de Friedel-Crafts tem valor comprovado para a síntese de uma ampla faixa de polímeros importantes via polimerização de hidrocarbonetos insaturados.

A diversidade das alquilações (e acilações) do tipo Friedel-Crafts foi impulsionada pelo desenvolvimento de uma ampla faixa de diferentes catalisadores em suporte a várias aplicações. Isso geralmente inclui ácidos de Lewis (AlCl₃, FeCL₃) ou ácidos próticos de Brønsted (HF, H₂SO₄ etc.), bem como estruturas de rede sólida como resinas de troca catiônica ácida, zeólitos trocados com ácido anidro e materiais à base de carbono como grafeno.

Há uma ampla faixa de substratos, reagentes, catalisadores e condições de reação que são usados nas alquilações de Friedel-Crafts. Dado o escopo e a diversidade dessa classe de reação, uma compreensão profunda da cinética, termodinâmica e efeito das variáveis de reação é exigida para o desenvolvimento otimizado da reação, aumento de escala, segurança e para atender aos objetivos de qualidade e rendimento do produto.

Reatores químicos automatizados e calorímetros de reação cumprem funções importantes para garantir que a energia da reação seja bem compreendida e que o efeito das variáveis no desempenho da reação seja adequadamente modelado. FTIR e espectrômetros Raman são úteis para rastrear e monitorar as espécies da reação principal, fornecendo informações cinéticas e mecanísticas. Quando a análise offline das amostras de reação é exigida, o EasySampler permite a remoção de amostras in-situ totalmente automatizada e reprodutível.

Essas tecnologias fornecem uma compreensão profunda de como as condições e variáveis da reação estão relacionadas ao desempenho geral da reação. 

E Tang, Yinjiao Zhao, Wen Li, Weilin Wang, Meng Zhang, and Xin Dai, “Catalytic Selenium-Promoted Intermolecular Friedel−Crafts Alkylation with Simple Alkenes”, Org. Lett. 2016, 18, 5, 912-915.

Usando N-fenilselenoftalimida (NPSP) para fornecer selênio e trifluorometanossulfonato de trimetilsilila (TMSOTf) como catalisador, os autores relatam o desenvolvimento de um novo método de alquilação de flúor-carbono. A síntese formadora de ligações C-C tem alta regiosseletividade e diastereosseletividade. A reação produz alquenos substituídos por 1,1-diaril, tendo hidrocarbonetos quirais com uma porção arila no átomo de carbono estereogênico quando um reagente de selênio quiral é usado.

A tecnologia ReactIR foi usada para ajudar a oferecer suporte a um mecanismo proposto para a reação. Os experimentos de IR in situ mostraram a presença de uma banda de 1067 cm-1 que foi atribuída ao subproduto ftalimida e uma banda de 1033 cm-1 que foi atribuída ao O-Si de um intermediário de éter silil enol. O mecanismo proposto sugere que o TMSOTf ativa o NPSP para formar um íon episelenônio intermediário a partir dos alcenos. 

Corey M. Parada, Bin Yang, C. Garrett Campbell, Robson F. Storey, “Synthesis, characterization, and photopolymerization of (meth)acrylate-functional polyisobutylene macromers produced by cleavage/alkylation of butyl rubber”, J Polym Sci. 2020; 1–16. 

Usando um método de clivagem/alquilação catalisada por ácido, previamente descrito, os pesquisadores sintetizaram uma biblioteca de macrômeros de poli-isobutileno (PIB) lineares contendo múltiplas funcionalidades de fenoxipropil (met)acrilato. Por meio de cura por UV, os macrômeros foram polimerizados e suas propriedades comparadas a polímeros analógicos produzidos a partir da fotopolimerização de um macrômero de triacrilato de PIB feito por uma polimerização em vivo usando um iniciador trifuncional. Usando o ReactIR para rastrear a perda do pico de acrilato (1615-1638 cm⁻¹), os autores investigaram o efeito da concentração do fotoiniciador na taxa de cura dos PIB (met)acrilatos. Eles também usaram as medições do ReactIR para diferenciar a cinética de cura do controle de triacrilato de PIB em vivo e os vários macrômeros multifuncionais preparados por meio do processo de clivagem/alquilação.

Nayak, Y.N., Nayak, S., Nadaf, Y.F. Shetty, N.S., Gaonkar, S.L., “Zeolite Catalyzed Friedel-Crafts Reactions: A Review”, Letters in Organic Chemistry, 2020, Vol. 17, 7, 491-506.

Maji, B., “Stereoselective Haliranium, Thiiranium and Seleniranium Ion-Triggered Friedel-Crafts-Type Alkylations to Polyene Cyclizations”, Advanced Synthesis & Catalysis, 2019, 361, 15, 3543-3489.

Remya, V.R., Kurian, M. “Synthesis and Catalytic Applications of Metal–organic Frameworks: A Review on Recent Literature”, Int Nano Lett, 2019, 9, 17–29.

Heravi, M.M, Zadsirjan, V., Heydari, M., Masoumi, B., "Organocatalyzed Asymmetric Friedel‐Crafts Reactions: An Update", The Chemical Record, 2019, 19, 11, 2236-2340.

Rueping, M., Nachtsheim, B. “A Review of New Developments in the Friedel–Crafts Alkylation – From Green Chemistry to Asymmetric Catalysis”, Beilstein J. Org. Chem., 2010, 6, No. 6.