1. Friedel-Crafts 알킬화 반응의 메커니즘
- Friedel-Crafts 알킬화 반응: AlCl3 촉매 존재 하에 방향족 고리에 알킬기(R)를 도입하는 방법
- AlCl3 촉매가 알킬 할라이드의 해리를 도와 친전자체인 카보카티온(R+)을 생성함.
- 반응 매커니즘
- Step 1: 벤젠 고리의 전자쌍이 카보카티온을 공격하여 새로운 C-C 결합을 형성하고, 비방향족 카보카티온 중간체가 형성됨.
- Step 2: 중간체로부터 양성자(H+)가 이탈하면서 방향족성이 재생되고 중성의 알킬화 생성물이 얻어짐.
2. Friedel-Crafts 알킬화의 제한점
- 기질의 제한: 알킬 할라이드만 반응 가능.
- 아릴(aryl) 할라이드나 비닐(vinylic) 할라이드는 반응하지 않음. (카보카티온이 너무 불안정)
- 치환기 효과: 고리에 -NO2, -CN 등 강한 electron withdrawing group이나 양성자화될 수 있는 아미노기(-NH2 등)가 있으면 반응이 일어나지 않음.
- 다중 알킬화: 알킬기가 도입되면 고리의 반응성이 출발 물질보다 커지므로, 추가적인 알킬화가 일어나 폴리알킬화(polyalkylation) 생성물이 생기기 쉬움.
- 카보카티온 재배열: 반응 중 더 안정한 카보카티온을 형성하기 위해 수소 이동(hydride shift)이나 알킬 이동(alkyl shift)이 빈번하게 발생함.
- sec-Butylbenzene: primary alkyl carbocation보다 secondary alkyl carbocation이 더욱 안정하여 H shift하는 경우
- (1,1-Dimethylpropyl)benzene: Methyl group이 더 안정한 carbocation을 만들기 위해 shift됨
3. Friedel-Crafts 아실화 반응 (Friedel-Crafts Acylation)
- Aromatic ring + AlCl3 + 산 클로라이드(RCOCl) → 아실기(-COR) 도입
- 친전자체: 산 클로라이드와 AlCl3가 반응하여 생성된 아실 카티온(R-C=O+)은 비공유 전자쌍과의 공명으로 안정화되어 재배열이 일어나지 않음.
- 반응 특성: 생성물인 아실벤젠(케톤)은 비활성화기이므로 다중 치환이 일어나지 않는 장점이 있음.
- 예시: 벤젠과 acetyl chloride가 반응하면 acetophenone(95%)이 생성됨.
4. 생물학적 Friedel-Crafts 반응
- 생체 내에서는 AlCl3 대신 금속 이온(Mg2+ 등)과 효소가 촉매 역할을 하며, 유기 이인산(organodiphosphate)의 해리를 통해 카보카티온을 생성함.
- 비타민 K1(Phylloquinone) 합성: 1,4-디하이드록시나프토익산에 피틸 이인산(phytyl diphosphate)으로부터 유도된 피틸 측쇄가 도입되는 과정이 대표적임.
Problem 16-5. Which of the following alkyl halides would you expect to undergo Friedel–Crafts reaction with rearrangement and which without? Explain.
(a) CH3CH2Cl (b) CH3CH2CH(Cl)CH3 (c) CH3CH2CH2Cl (d) (CH3)3CCH2Cl (e) Chlorocyclohexane
Answer.
Rearrangement: (c), (d)
Without rearrangement: (a), (b), (e).
Problem 16-6. What is the major monosubstitution product from the Friedel–Crafts reaction of benzene with 1-chloro-2-methylpropane in the presence of AlCl3?
Answer.
tert-butylbenzene
Problem 16-7. Identify the carboxylic acid chloride that might be used in a Friedel–Crafts acylation reaction to prepare each of the following acylbenzenes:
(a) 2-methyl-1-phenylpropan-1-one (b) benzophenone
Answer.
(a) 2-methylpropanoyl chloride (b) benzoyl chloride.