По реакциям формилирования в ароматические соединения можно ввести формильные (альдегидные) группы.
Для ввода формильной или ацетильных группировок в ароматические соединения можно использовать реакции с различными реагентами:
- с диметилформамидом и фосфороксихлоридом POCl3,
- оксидом углерода (II),
- циановодородом HCN или комбинации Zn(CN)2 с HC1
- нитрилом в присутствии сильных кислот или кислот Льюиса.
Считают, что электрофильными частицами, которые участвуют в этих реакциях, являются катионы, которые образуются при протонировании CO, HCN или RCN.
Формилирование аминов
Активированые для электрофильного замещения ароматические третичные амины подвергаются удобному варианту ацилирования по Фриделю-Кафтсу - реакции Вильсмайера-Хаака, заключающимся во взаимодействии ароматического соединения с диметилформамидом и фосфороксихлоридом POCl3 с образованием альдегида. В реакции формилирования вступают такие активированные ароматические субстраты, как фенолы или амины, но они не проходят с ароматическими соединениями с умеренной реакционной способностью, такими как бензол, толуол или хлоробензол.
Рисунок 1.
Электрофильным реагентом в реакции Вильсмайера является хлор-имониевый ион, который образуется по следующей схеме:
Рисунок 2.
Продукт, образующийся сначала - α-хлороамин - быстро гидролизуется во время обработки с образованием альдегида.
Рисунок 3.
Реакция Вильсмайера стала важным промышленным процессом, в частности, для формилирования реакционных гетероциклических соединений. Однако необходимость использования большого количества фосфороксихлорида и его накопления как загрязняющего вещества составляет все возрастающую проблему, что приводит к тенденции отказа от этого способа.
Формилировании при помощи оксида углерода (II)
Способом формилирования бензола и его алкилпроизвводных, проходящим в условиях ацилирования по Фриделю-Крафтсу, является реакция Гаттермана-Коха. Она заключается в использовании газообразных CO и HCl в присутствии AlCl3, при взаимодействии которых генерируется неустойчивый формилирующий агент HCOCl непосредственно в реакционной смеси. К катализатору добавляют каталитическое количество хлорида меди (I), который из-за образования комплекса с CO может ускорять стадию его протонирования и образования промежуточного иона ацилия. Формилирование происходит преимущественно в пара-положение. Так, из толуола можно получить пара-толуиловый альдегид.
С аминами, фенолами и их эфирами реакция не происходит вследствие образования комплексов с катализатором.
Рисунок 4.
Формилирование при помощи циано соединений
Способ формилирования ароматических соединений с помощью Zn(CN)2 и HC1 называют реакцией Гаттермана. Ее можно применить для формилирования алкилбензолов, а также фенолов и их эфиров, но не ароматических аминов. Сначала реакцию проводили с помощью HCN, HC1 и ZnCl2, однако удобнее оказались Zn(CN)2 и HC1, генерирующие HCN и ZnCl2 непосредственно в реакционной смеси.
Рисунок 5.
Подобно реакции Гаттермана - Коха, электрофильный реагент H−C≡N+H генерируется при протонировании HCN, а промежуточным соединением считают иминиевую соль, образующуюся из ароматического субстрата и потом при реакции гидролизует до альдегида.
Формилирование нитрилами
Если вместо HCN взять нитрил RCN, то при аналогичных условиях ацилирования (газообразный HCl в присутствии кислоты Льюиса, обычно цинк хлорида ZnCl2) ароматические субстраты превращаются в арилкетоны. Эта реакция известна как реакция Губена -Геша (синтез Геша), она проходит с активированными субстратами типа фенолов или аминов. Нитрилы должны быть активированными, такими как хлорозамищенные алкилнитрилы или фенилацетонитрилы. Атакующим электрофилом считается R−C≡N+HCl− или имидохлорид R−C+=NHCl−, который с ароматическим субстратом образует промежуточное соединение - соль кетимина, которая может быть выделена. Конечный арилкетон получают последующим гидролизом.
Рисунок 6.
Реакцию преимущественно используют для ацилирования фенолов, их эфиров, пиррола и субстратов, которые плохо ацилируються в условиях реакции Фриделя - Крафтса. Частным случаем реакции Губена - Геша является реакция Гаттермана.
Фенолы и некоторые гетероциклические соединения типа пиррола и индола можно проформилировать хлороформом при основных условиях (реакция Раймера - Тимана). Вхождение альдегидной группировки ориентируется в oрто-положение, и только в случае, когда они оба заняты, образуются пара-замещенные производные.
Рисунок 7.