Friedel-Crafts-Acylierung
Wie Aromaten mit Säurechloriden oder Anhydriden über das Acylium-Ion zu Arylketonen reagieren und welche Reagenzien und Substrate sich dafür eignen.
Das Wichtigste in Kürze
- 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.
\[\ce{C6H6 + CH3COCl ->[AlCl3] C6H5COCH3 + HCl}\]
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:
- Aktivierung: \(\ce{AlCl3}\) bindet das Chlor des Acetylchlorids. Es bilden sich \(\ce{CH3-C#O+}\) und \(\ce{AlCl4-}\).
- Angriff: Das π-System des Benzens greift das Carbonyl-C an. Es entsteht der σ-Komplex.
- Rearomatisierung: \(\ce{AlCl4-}\) nimmt das Proton auf. HCl entweicht, \(\ce{AlCl3}\) wird frei.
- Komplexierung und Hydrolyse: Das Keton bindet \(\ce{AlCl3}\) am Carbonyl-Sauerstoff. Erst Wasser setzt es frei.
An Strukturformeln erkennst du die Intermediate also an drei Stationen: Acylium-Ion, σ-Komplex und Keton-\(\ce{AlCl3}\)-Komplex.
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.
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:
- Elektrophil: Carbenium-Ion, lagert sich um
- \(\ce{AlCl3}\) katalytisch
- Produkt aktiviert, Mehrfachalkylierung
- reversibel
- 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.
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
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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