Формилирование

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 $POCl_3$,
• оксидом углерода (II),
• циановодородом $HCN$ или комбинации $Zn(CN)_2$ с $HC1$
• нитрилом в присутствии сильных кислот или кислот Льюиса.

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 $POCl_3$ 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 - $\alpha$-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 $AlCl_3$, 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 $ZnCl_2$, однако удобнее оказались $Zn(CN)_2$ и $HC1$, генерирующие $HCN$ и $ZnCl_2$ непосредственно в реакционной смеси.

Рисунок 5.

Подобно реакции Гаттермана - Коха, электрофильный реагент $H-C \equiv N^+H$ 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 $ZnCl_2$) 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 $R-C \equiv N^+HCl^-$ 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.