Для формилирования ароматических галогенметильных производных можно использовать амбидентный анион 2-нитропропана, который действует по атому кислорода:
Рисунок 1.
Этот метод формилирования был предложенны Хассом, и является общим способом получения различных ароматических альдегидов, которые могут содержать самые разнообразные заместители. Исключение является только $п$-нитробензильные производные, которые алкилируют анион 2-нитропропана по атому углерода по ион-радикальному цепному механизму.
Кроме метода Хасса для формилирования ароматических соединений используют ряд других методов, а именно:
- реакцию Вильсмайера - Хаака;
- реакцию Гаттермана - Коха;
- реакцию Гаттермана;
- реакцию Губена - Гёша;
- реакцию Раймера - Тимана.
Реакции Вильсмайера - Хаака
По реакциям формилирования в ароматические соединения можно ввести альдегидные группы. Активированые для электрофильного замещения ароматические третичные амины подвергаются удобному варианту ацилирования по Фриделем - Кафтсом - реакции Вильсмайера - Хаака, заключающейся во взаимодействии ароматического соединения с диметилформамидом и фосфороксихлоридом $POCl_3$ с образованием альдегида. В реакции вступают такие активированные ароматические субстраты, как фенолы или амины, и она не проходит с ароматическими соединениями с умеренной реакционной способностью, такими как бензол, толуол или хлоробензол.
Рисунок 2.
Электрофильным реагентом в реакции Вильсмайера является хлорои-мониевий ион, который образуется по следующей схеме:
Рисунок 3.
Продукт, который образующийся сначала - $\alpha$-хлороамин - быстро гидролизует во время обработки с образованием альдегида.
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 отказу от этого способа.
Рисунок 4.
Для введения формильной или ацетильной группы в ароматические соединения можно использовать реакцию с оксидом углерода (II), водородом цианидом $HCN$ или нитрилом в присутствии сильных кислот или кислот Льюиса. Считают, что электрофильными частицами, которые участвуют в этих реакциях, является катионы, образующиеся при протонирования $CO$, $HCN$ или $RCN$.
Реакция Гаттермана - Коха
Способом формилирование бензола и его алкилпроизводных, 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 $HCOC1$ непосредственно в реакционной смеси. К катализатору добавляют каталитическое количество меди (I) хлорида, 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 п-толуоловый альдегид.
С аминами, фенолами и их эфирами реакция не происходит вследствие образования комплексов с катализатором.
Рисунок 5.
Реакциея Гаттермана
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 $HCN$, $HCl$ и $ZnCl_2$, однако удобнее использовать $Zn(Cn)_2$ и $HCl$, генерирующие $HCN$ и $ZnCl_2$ непосредственно в реакционной смеси.
Рисунок 6.
Подобно реакции Гаттермана - Коха, электрофильный реагент $H-C=N^+H$ генерируется при протонировании $HCN$, а промежуточным соединением считают иминиеву соль, образующуюся из ароматического субстрата, которую потом гидролизуют до альдегида.
Реакция Губена - Гёша
Если вместо гидрогенцианида взять нитрил $RCN$, то при аналогичных условиях ацилирования (газообразный $HCl$ в присутствии кислоты Льюиса, обычно хлорида цинка $ZnCl_2$) ароматические субстраты превращаются в арилкетоны. Эта реакция известна как реакция Губена - Гёша (синтез Гёша), она проходит с активированными субстратами типа фенолов или аминов. Нитрилы должны быть активированными, такими как хлорозамещенные алкилнитрилы или фенилацетонитрилы. Атакующим электророфилом считается $R-C{\equiv}N^+HCl^-$ или иминохлорид $R-C{^+}{\equiv}NHCl^-$, который с ароматическим субстратом образует промежуточное соединение - соль кетимина, которая может быть выделена отдельно. Конечный арилкетон получают в последующим гидролизом.
Рисунок 7.
Реакцию преимущественно используют для ацилирования фенолов, их эфиров, пиррола и субстратов, которые плохо ацилируются в условиях реакции Фриделя - Крафтса. Частным случаем реакции Губена -Гёша является реакция Гаттермана.
Реакция Раймера - Тимана
Фенолы и некоторые гетероциклические соединения типа пиррола и индола можно проформилировать хлороформом в щелочной среде (реакция Раймера - Тимана). Вхождение альдегидной группировки ориентируется в ортоположение, и только в случае, когда они оба заняты, образуются пара-замещенные производные.
Рисунок 8.
Известно, что хлороформ в присутствии сильных оснований образует дихлорокарбен $:CCl_2$, который и является настоящей электрофильной частицей.
Рисунок 9.
Подтверждением этого является образование продуктов расширения цикла, характерных для действия $:CCl_2$, а именно, пиридина в реакции с пирролом, а также выделение продуктов присоединения дихлорокарбена к ароматическому кольцу в ипсо-положение, так как это наблюдается в реакции формилирования пара-крезола. В последнем случае меттильная группа не может отщепляться, как протон, под действием электрофила, и стабилизация происходит путем миграции протона к дихлорометильной группировке.
