Для введения формильной группы в ароматическое кольцо разработаны различные методы:
- реакция Гаттермана;
- реакция Гаттермана-Коха;
- реакция Вильсмейера-Хаака;
- реакция Геша.
Реакция Вильсмайера - Хаака
Активированые для электрофильного замещения ароматические соединения 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 эту реакцию 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 1.
Электрофильным реагентом в реакции Вильсмайера является хлороимониевый 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.
Реакция Гаттермана - Коха
Для введения формильной или ацетильной группировки в ароматические соединения можно использовать реакцию с оксидом углерода (II), гидрогенцианидом $HCN$ или нитрилом в присутствии сильных кислот или кислот Льюиса. Считают, что электрофильными частицами, которые участвуют в этих реакциях, является катионы, которые образуются при протонировании $CO$, $HCN$ или $RCN$.
Способом формилирования бензола и его производных, проходящим в условиях ацилирования по Фриделю - Крафтса, является реакция Гаттермана - Коха. Она заключается в использовании газообразных $CO$ и $HC1$ в присутствии $AlCl_3$, при взаимодействии которых генерируется неустойчивый формилирующий агент $HCOC1$ 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 орто-положение.
Рисунок 4.
Реакция Гаттермана
Способ введения формильной или ацетильной группировки в ароматические соединения с помощью $Zn(CN)_2$ и $HCl$ 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 оказались $Zn(CN)_2$ и $HCl$, генерирующие $HCN$ и $ZnCl_2$ 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, которая потом при реакции гидролизуется до альдегида.
Синтез Геша
Если вместо гидрогенцианида взять нитрил $RCN$, то при аналогичных условиях ацилирования (газообразный $HC1$ в присутствии кислоты Льюиса, обычно цинк хлорида $ZnCl_2$) ароматические субстраты превращаются в арилкетоны. Эта реакция известна как реакция Губена - Геша (синтез Геша). Он проходит с активированными субстратами типа фенолов или аминов. Нитрилы должны быть активированными, такими как хлорозамищенные алкилнитрилы или фенилацетонитрилы. Атакующим электрофилом считается $R-C=N^+HC1^-$ или имидохлорид $R-C^+=NHC1^-$, 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.
В этой реакции обычно используют реакционные двух- и трехатомные фенолы:
Рисунок 7.
Сам фенол и многие другие одноатомные фенолы в условиях реакции Геша дают не кетоны, а соли иминоэфиров $ArOC(R)=N^+H_2$ $Cl^-$.
