Reaktionsmechanismen

Friedel-Crafts-Acylierung

Wie Aromaten mit Säurechloriden oder Anhydriden über das Acylium-Ion zu Arylketonen reagieren und welche Reagenzien und Substrate sich dafür eignen.

Prüfungsrelevanz: relevant ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Die Friedel-Crafts-Acylierung ist eine elektrophile aromatische Substitution, bei der ein Säurechlorid oder Anhydrid mit \(\ce{AlCl3}\) einen Aromaten zum Arylketon acyliert.
  • Elektrophil ist das lineare, mesomeriestabilisierte Acylium-Ion \(\ce{CH3-C#O+}\), es lagert sich nicht um.
  • \(\ce{AlCl3}\) wird stöchiometrisch gebraucht, weil das Keton bis zur wässrigen Aufarbeitung als \(\ce{AlCl3}\)-Komplex am Sauerstoff vorliegt.
  • Die Reaktion ist irreversibel, und die desaktivierende Acylgruppe verhindert eine Zweitacylierung.
  • Anisol, Biphenyl und Brombenzol werden para-acyliert, stark desaktivierte Aromaten wie Nitrobenzol und basische wie Anilin oder Pyridin reagieren nicht.

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Worum es geht

Die Friedel-Crafts-Acylierung ist der Standardweg zu Arylketonen wie Acetophenon. Sie gehört zu den elektrophilen aromatischen Substitutionen. In der Arzneistoffsynthese liefert sie Bausteine für viele Ketone und Aminoketone.

Acylium-Ion und Ablauf

Bei der Friedel-Crafts-Acylierung überträgt ein Carbonsäurechlorid seinen Acylrest auf einen Aromaten. Die Lewis-Säure \(\ce{AlCl3}\) aktiviert das Säurechlorid. Aus Benzen und Acetylchlorid entsteht so Acetophenon. Die Reaktion ist eine elektrophile aromatische Substitution.

\[\ce{C6H6 + CH3COCl ->[AlCl3] C6H5COCH3 + HCl}\]

Reaktionsschema: Benzolring plus Acetylchlorid, über dem Pfeil Aluminiumchlorid, ergibt Acetophenon und Chlorwasserstoff.

Friedel-Crafts-Acylierung von Benzen mit Acetylchlorid zu Acetophenon.
📖 Definition: Acylium-Ion

Das Kation \(\ce{R-C#O+}\) entsteht, wenn eine Lewis-Säure das Chlorid aus einem Säurechlorid abzieht. Die positive Ladung ist über C und O mesomeriestabilisiert, das Ion ist linear gebaut.

Der Ablauf in vier Schritten:

  1. Aktivierung: \(\ce{AlCl3}\) bindet das Chlor des Acetylchlorids. Es bilden sich \(\ce{CH3-C#O+}\) und \(\ce{AlCl4-}\).
  2. Angriff: Das π-System des Benzens greift das Carbonyl-C an. Es entsteht der σ-Komplex.
  3. Rearomatisierung: \(\ce{AlCl4-}\) nimmt das Proton auf. HCl entweicht, \(\ce{AlCl3}\) wird frei.
  4. Komplexierung und Hydrolyse: Das Keton bindet \(\ce{AlCl3}\) am Carbonyl-Sauerstoff. Erst Wasser setzt es frei.

Mechanismus mit Elektronenpfeilen: Acetylchlorid und Aluminiumchlorid bilden das lineare Acylium-Ion, Benzol greift an, der σ-Komplex wird deprotoniert, das Keton bindet Aluminiumchlorid am Sauerstoff.

Mechanismus der Friedel-Crafts-Acylierung über Acylium-Ion und σ-Komplex bis zum Keton-AlCl3-Komplex.

An Strukturformeln erkennst du die Intermediate also an drei Stationen: Acylium-Ion, σ-Komplex und Keton-\(\ce{AlCl3}\)-Komplex.

⚠️ Achtung: Kein tetraedrisches Addukt

Am σ-Komplex tritt kein tetraedrisches Addukt mit Chlor und Oxid-Sauerstoff auf. Solche Intermediate gehören zur Additions-Eliminierung an Carbonsäure-Derivaten, hier geht das Chlorid schon vor dem Angriff.

🎯 Examensrelevant: Stöchiometrisches Aluminiumchlorid

Wird im Examen gerne gefragt: \(\ce{AlCl3}\) braucht man in stöchiometrischer Menge, nicht katalytisch. Grund ist das Produktketon, das \(\ce{AlCl3}\) am Sauerstoff als Komplex festhält, bis wässrig aufgearbeitet wird.

Das Acylium-Ion lagert sich nicht um. Isobutyrylchlorid liefert deshalb sauber Isobutyrophenon. Funktionelle Gruppen in der Kette bleiben erhalten: β-Chlorpropionylchlorid ergibt 3-Chlor-1-phenylpropan-1-on. Dessen Chlor tauscht Piperidin danach per nucleophiler Substitution aus, es entsteht ein β-Piperidinoketon.

Zur Friedel-Crafts-Alkylierung gibt es vier klare Unterschiede:

A Alkylierung
  • Elektrophil: Carbenium-Ion, lagert sich um
  • \(\ce{AlCl3}\) katalytisch
  • Produkt aktiviert, Mehrfachalkylierung
  • reversibel
B Acylierung
  • Elektrophil: Acylium-Ion, keine Umlagerung
  • \(\ce{AlCl3}\) stöchiometrisch
  • Acylgruppe desaktiviert, keine Zweitacylierung
  • irreversibel

Weil die Acylgruppe den Ring desaktiviert, wird Acetophenon kein zweites Mal acyliert.

Acylierungsmittel

Geeignet sind reaktive Acyldonoren, die mit \(\ce{AlCl3}\) leicht ein Acylium-Ion bilden. Das sind vor allem Säurechloride wie Acetylchlorid und Benzoylchlorid sowie Anhydride wie Propionsäureanhydrid. Amidartige Derivate taugen nicht, etwa N,N-Dimethylformamid oder Carbamate wie Piperidin-1-carbonsäuremethylester. Ihr Stickstoff schwächt durch Mesomerie die Carbonylgruppe und bindet die Lewis-Säure. Das Substrat muss ein Aromat sein: Methan hat keine π-Elektronen und wird von Benzoylchlorid und \(\ce{AlCl3}\) nicht acyliert.

Geeignete und ungeeignete Substrate

Der Aromat muss nucleophil genug sein, um das Acylium-Ion anzugreifen. Aktivierte und schwach desaktivierte Ringe reagieren, bevorzugt in para-Stellung. Der sperrige Acyl-\(\ce{AlCl3}\)-Komplex meidet die ortho-Position. Wie Substituenten wirken, erklären Substituenteneffekte und die dirigierende Wirkung.

Substrat Substituent Ergebnis mit \(\ce{CH3COCl}\)/\(\ce{AlCl3}\)
Anisol \(\ce{-OCH3}\), aktivierend o/p-Produkte, vor allem para
Biphenyl Phenyl, schwach aktivierend 4-Acetylbiphenyl
Brombenzol Br, schwach desaktivierend, o/p 4-Bromacetophenon
Nitrobenzol, Benzonitril, Benzoesäure, Cyanonaphthaline stark desaktivierend keine Reaktion
Anilin, Pyridin basisches N keine Reaktion

Stark desaktivierte Ringe sind zu elektronenarm. Bei Anilin und Pyridin bindet der Stickstoff \(\ce{AlCl3}\). Der Ring trägt dann eine positive Ladung und ist blockiert. Auch die Friedel-Crafts-Alkylierung scheitert an diesen Substraten.

Zwei Spalten mit Strukturformeln: links reagierende Aromaten mit para-Acetylprodukt, rechts stark desaktivierte und basische Aromaten mit markierter Nitro-, Cyano-, Carboxy- oder Aminogruppe.

Acylierbare und nicht acylierbare Aromaten im Vergleich.

Für ein vorgelegtes Acylprodukt prüfst du den Erstsubstituenten. Steht die Acylgruppe ortho oder para zu einem o/p-dirigierenden Rest, ist der Weg plausibel. Ein meta-acylierter Anisolring oder 3-Nitroacetophenon kann so nicht entstanden sein.

Quiz

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Aussage 1

Nitrobenzol reagiert mit Acetylchlorid und \(\ce{AlCl3}\) meta-selektiv zu 3-Nitroacetophenon.

Nitrobenzol ist zu stark desaktiviert und geht keine Friedel-Crafts-Acylierung ein.

Aussage 2

Benzol und Isobutyrylchlorid liefern mit \(\ce{AlCl3}\) Isobutyrophenon, weil das Acylium-Ion sich nicht umlagert.

Das mesomeriestabilisierte Acylium-Ion lagert nicht um, anders als Carbenium-Ionen der Alkylierung.

Aussage 3

Brombenzol lässt sich mit Acetylchlorid und \(\ce{AlCl3}\) zu 4-Bromacetophenon acylieren.

Brom desaktiviert nur schwach und dirigiert ortho/para. Die Acylierung erfolgt bevorzugt in para-Stellung.

Aussage 4

Bei der Friedel-Crafts-Acylierung genügen katalytische Mengen \(\ce{AlCl3}\), weil die Lewis-Säure nach der Deprotonierung vollständig zurückgebildet wird.

Das Produktketon bindet \(\ce{AlCl3}\) am Carbonyl-Sauerstoff. Deshalb braucht man stöchiometrische Mengen, frei wird das Keton erst bei der wässrigen Aufarbeitung.

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