傅克反应机理 Prepared on 24 November 2020
Friedel-Crafts反应机理
摘要：本文总结了傅-克反应提出以来，化学研究人员对该反应的机理方面的研究，包括动力学研究、中间体结构和性质的。提出傅一克反应机理目前存在的疑问及机理动力学的发展方向。
关键词：傅-克反应；动力学；中间体；反应机理
1、傅-克反应的发现
傅-克反应在整个化学发展史上是最为古老的化学之一[1]。1869年德国化学家Zincke[2]首次报道了在苯环上引入烷基的反应．这个反应的发现来源于一个偶然，当时Zincke想从苄氯和氯乙酸(以苯作为溶剂)出发，在铜粉(或银粉)和密封加热的条件下，通过类似Wurtz反应的方法制各苯丙酸，但他发现在反应过程中有大量的氯化氢产生，同时也生成了二苯甲烷。他意识到这是苄氯和溶剂苯发生反应产生的。为此，在接下来的几年里，他开始研究这类苯环上引入取代基的反应。Zincke的发现引起了化学家们的广泛关注，他们用不同芳烃进行反应，并且得到了相应芳烃的烷基化和酰基化产物．至此，他们一致认为铁、铜、银或锌等金属粉末可以作为此类反应的催化剂，这个反应也因此被命名为Zincke反应。
1877年，Friedel和Crafts[3-4]试图通过Gustavson反应将1，1，1一三氯乙烷(苯作溶剂)在铝粉和碘单质存在条件下转化为1，1，1．三碘乙烷，但出乎意料的是他们再次得到了Zincke反应的产物。经过他们的不断研究，他们又对各种金属卤化物、各种卤代烃以及各种酰卤分别进行了研究，表明Zincke提出的各种金属确实不是此类反应的催化剂，它们的卤代物才是真正意
义上的催化剂。至此傅一克反应被正式提出，包括傅一克烷基化反应和傅一克酰基化反应。
傅一克反应虽然说是非常古老的化学，但是直到现在其应用依然非常的广泛[5-6]。一直以来，许多化学工作者对傅一克反应机理的研究非常感兴趣，同时也做了许多工作。目前有关该反应机理方面的报道相对较少，直至现在还是没有非常清楚地指明该反应的机理，最主要的是至今仍然没有明确提出该反应实际的反应活性中间体．这未免有些遗憾，但研究者们出色的工作还是给出了大量的信息，为傅一克反应机理的进一步探索做出了巨大贡献。
2、傅-克反应的发展及应用概况
傅-克反应自从被发现以来，大量的论文、书籍或者专利介绍这类反应，它在学术或者工业领域上迅速成为有机合成化学的基础反应。
由于傅一克酰基化反应是实现碳碳成键的最有效方式之一，并且是制备各种芳基酮，杂环芳烃酮等的重要手段，所以它在医药、农药、染料、香料等工业生产中具有非常广泛的应用，因此化学家们对傅一克酰基化反应一直怀有很高的兴趣。一般来讲，傅一克酰基化反应使用的是路易斯酸，如氯化锌、氯化铝、氯化铁、四氯化锡、四氯化钛等或者是很强的质子酸，如氢氟酸、硫酸等．在反应结束以后，这些路易斯酸与产物配位从而以配合物的形式存在，所以在水解后才可以得到目标产物，这就会造成环境的污染[7，8]．所以，在过去的几十年里，傅一克酰基化反应一直努力朝着绿色化学的方向发展．通过开发更加有效的催化剂，比如催化量的Ln(OTf)3．使得反应效率得到提高，或者优化反应条件，如微波条件下，离子液体中的傅一克酰基化反应，实现催化剂的回收再
利用；抑或是使用石墨作为固体催化剂，以及各种异相催化剂的发展都使得傅一克酰基化反应不断地向前推进。
傅-克烷基化反应
傅-克烷基化反应的反应机理与磺化、硝化类似，首先在催化剂的作用下产生烷基碳正离子，它作为亲和试剂向苯环进攻，形成碳正离子，然后失去一个质子生成烷基苯。卤代烷、烯烃、醇、环氧乙烷等在适当的催化剂的作用下都能产生烷基碳正离子，卤代烃、烯烃、醇是常用的烷基化试剂。最初用的催化剂是三氯化铝，后经过证明，许多Lewis酸同样可以起到催化剂作用，现在常用的Lewis酸催化剂的催化活性活动顺序大致如下：
AlCl3>FeCl3>SbCl3>BF3>TiCl4>ZnCl2
其中三氯化铝是效力最强，也是最常用的，但催化剂的活性常因反应物和反应条件的改变而发生变化，效力最强的催化剂并不一定在所有情况下都是最合适的催化剂，操作者应根据被取代氢的活性、烷基化试剂的类别和反应条件来选择合适的催化剂。
卤代烷产生碳正离子的过程是：催化剂如三氯化铝和卤代烷生成一个络合物RCl·AlCl3,使卤原子和烷基之间的键变弱，然后成为R+及AlCl4-离子。这种Lewis酸和卤代烷的络合物在一定条件下是可以分离出来的。例如三氟化硼和氟化烷在低温下可以形成稳定的络合物：C2H5F·BF3。有的烷基化反应不是碳正离子，而是解离以前的络合物去进攻苯环。碳正离子进攻苯环还是络合物进攻苯环要取决于卤代烷的极化程度和Lewis酸的催化活性，但两种情况的实质是相同的。
这类反应有个严重缺点：由于烷基侧链的供电性，反应产物比起原料具有更高的亲核性，于是产物苯环上的另一个氢继续被烷基所取代，导致了过烷基化现象而形成了众多副产物。由于这类反应是可逆的，还可能出现烷基被其他基团所取代的副产物（例如被氢取代时，也称为傅－克脱烷基化反应）；另外长时间的反应也会导致基团的移位，通常是转移至空间位阻较小、热力学稳定的间位产物。另外如果氯不是处于三级碳原子（叔碳原子）上，还有可能发生碳正离子重排反应，而这取决于碳正离子的稳定性：即三级碳>二级碳>一级碳。同时空间位阻效应可以被利用于限制烷基化的数量。
假设使用无水氯化铁作为催化剂，在氯化铁的作用下，卤代物产生碳正离子，碳正离子进攻苯环并取代环上的氢，最后产生烷基芳香族化合物和氯化氢。总反应式如下：
傅-克酰基化反应
傅-克酰基化反应的反应机理和烷基化是类似的，也是催化剂的作用下，首先生成酰基正离子，然后和芳环发生亲电取代。常用的酰基化试剂是酰卤和酸酐。酰卤的反应活性顺序RCOI>RCOBr>RCOCl>RCOF,常用的催化剂是三氯化铝。由于AlCl能与羰基络合，因此酰基化反应的催化剂用量比烷基化反应多，含一个羰基的酰卤为酰基化试剂时，催化剂用量多于1mol，反应时，酰卤先与催化剂生产络合物，少许过量的催化剂再发生催化作用使反应进行。傅－克酰基化反应在强路易斯酸做催化剂条件下，让酰氯与苯环进行酰化的反应。此反应还可以使用羧酸酐作为酰化试剂，反应条件类似于烷基化反应的条件。酰化反应比起烷基化反应来说具有一定的优势：由于羰基的吸电子效应的影响（钝化基团），反应产物（酮）通常不会像烷基化产物一样继续多重酰
化。而且该反应不存在碳正离子重排，这是由于酰基正离子可以共振到氧原子上从而稳定碳离子（不同于烷基化形成的烷基碳正离子，正电荷非常容易重排到取代基较多的碳原子上）。生成的酰基可以用克莱门森还原反应、沃尔夫－凯惜纳－黄鸣龙还原反应或者催化氢化等反应转化为烷基。傅－克酰化的成功与否取决于酰氯试剂的稳定性。比如甲酰氯就由于不稳定而不能进行，因此合成苯甲醛就需要其他的方法，如Gattermann-Koch反应：在氯化铝和氯化亚铜的催化下，通过苯、一氧化碳与氯化氢在高压当中合成。
反应机理：
第一步是在路易斯酸的条件下，氯的解离形成酰基碳正离子：
第二步是接下来的芳环亲电试剂进攻酰基正离子：
最后一步，电荷转移至氯原子形成HCL,而AlCl3催化剂重新形成：
与烷基化反应类似，有间位定位基的芳烃极难发生傅-克反应，因此在强酸性条件下苯胺的傅克烷基化反应反应很难进行，因为氨基会与酸成盐而转化为间位定位基，为此可通过乙酰化将氨基保护起来，反应结束后，再水解除去乙酰基。
结束语：鉴于20世纪50～70年代仪器分析手段的限制，人们很难对整个傅一克反应进行在线研究，所以对反应过程中实际的中间体结构上的认识也存在偏差．随着科学的发展及技术上的改进，人们越来越侧重于反应过程的研究，在机理探索的过程中，在线分析仪器成为必不可少的研究工具，所以当人们重新回归到原始的傅一克反应时，从新的角度去探索人们可能会有很多新的发现，而一旦有这样的发现，那对傅一克反应来说将是重要的变革，也许会改变人们一致认为的理所当然或者是根深蒂固的结论，从而重新认识傅一克反应的机
理．我们相信，在不久的将来，人们对傅一克反应会有更深的理解，傅一克反应也将会被广泛的应用于很多领域!
参考文献：
1、Roberts，R．M．；Khalaf,A．A．Friedel-Crafts Alkylation
Chemistry：a Century of Discovery，Marcel Dekker,NewYork，1984．
2、Zhang，Y．Chemistry 2000，59(in Chinese)．(张殷全，化学通报，
2000，59．)
3、Fdedel，C．；Crafts，J．M．Comp．Rend．1877，84，1450．
4、Friedel，C．；Crafts，J．M．Comp．Rend．1877，84，1392．
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6、Kozhevnikov，I．V．Appl．Catal．，A 2003，256,3．
7、Friedel，C．：Crafts，J．M．Comp．Rend．1885，100，692．
8、Dzudza，A．；Marks，T．J．，Org．Chem．2008，73，4004
9、刑其毅等，基础有机化学第三版，2009，5