Reazioni di Friedel-Crafts: alchilazione e acilazione

Per attaccare un gruppo carbonioso direttamente a un anello aromatico — una catena alchilica o un gruppo acilico — lo strumento classico sono le reazioni di Friedel-Crafts: l’alchilazione e l’acilazione. Sono tra le sostituzioni elettrofile aromatiche più usate in sintesi, ma hanno limiti precisi che vanno conosciuti per non sbagliare.

Vediamo il meccanismo comune, le due varianti, i loro limiti (riarrangiamenti, polialchilazione, anelli disattivati) e perché l’acilazione spesso è preferibile.

Un elettrofilo carbonioso generato da un acido di Lewis

Entrambe le reazioni di Friedel-Crafts seguono lo schema generale della sostituzione elettrofila aromatica: serve un elettrofilo forte, che qui è un carbocatione (o uno ione acilio). Questo elettrofilo si genera facendo reagire un alogenuro alchilico (o acilico) con un acido di Lewis, tipicamente il cloruro di alluminio AlCl₃, che strappa lo ione cloruro e lascia il carbonio carico positivamente. L’anello aromatico attacca poi questo elettrofilo, e alla fine si riforma l’aromaticità perdendo un protone.

Alchilazione di Friedel-Crafts

Nell’alchilazione si lega una catena alchilica all’anello usando un alogenuro alchilico e AlCl₃:

ArH + R–Cl →^AlCl₃ Ar–R + HCl  (alchilazione)

L’AlCl₃ genera un carbocatione R⁺ (o un complesso fortemente polarizzato) che funge da elettrofilo. È un modo diretto per introdurre gruppi alchilici, ma porta con sé due problemi seri, che ne limitano molto l’utilità pratica. Vale la pena notare che l’alogenuro alchilico non è l’unica fonte possibile di carbocatione: lo stesso elettrofilo si può ottenere protonando un alchene oppure disidratando un alcol in ambiente acido. In tutti i casi il punto critico resta lo stesso, cioè la formazione di un carbocatione che, prima di reagire con l’anello, ha il tempo di riarrangiarsi.

I limiti dell’alchilazione

Il primo problema sono i riarrangiamenti: il carbocatione formato può riarrangiarsi (per spostamento di idruro o di metile) in un carbocatione più stabile prima di reagire. Così, alchilando il benzene con 1-cloropropano, si ottiene in buona parte isopropilbenzene invece dell’atteso propilbenzene, perché il catione primario si trasforma nel più stabile catione secondario. Il secondo problema è la polialchilazione: il gruppo alchilico introdotto è attivante, quindi rende l’anello più reattivo del benzene di partenza e favorisce ulteriori sostituzioni, dando miscele di prodotti poli-sostituiti.

Acilazione di Friedel-Crafts

Nell’acilazione si lega un gruppo acilico (R–C=O) all’anello, usando un cloruro acilico (o un’anidride) con AlCl₃:

ArH + RCO–Cl →^AlCl₃ Ar–COR + HCl  (acilazione)

L’elettrofilo è lo ione acilio (R–C≡O⁺), stabilizzato per risonanza: a differenza del carbocatione alchilico, non si riarrangia. Inoltre il prodotto è un chetone aromatico, e il gruppo carbonilico introdotto è disattivante: rende l’anello meno reattivo, così la reazione si ferma al monoprodotto e non si ha poliacilazione. Per questi due motivi l’acilazione è spesso preferita all’alchilazione.

C’è un dettaglio pratico da non trascurare nell’acilazione: il gruppo carbonilico del prodotto complessa l’acido di Lewis, perciò l’AlCl₃ va usato in quantità almeno stechiometrica (e non in semplice traccia catalitica come a volte nell’alchilazione). Una parte dell’acido di Lewis resta «intrappolata» sul chetone formato e va liberata nella fase di lavorazione finale, idrolizzando il complesso con acqua. È un aspetto che spiega perché le acilazioni di Friedel-Crafts richiedano condizioni anidre e una resa nella resa, ma rimangano comunque preferibili per la pulizia del prodotto.

Il trucco dell’acilazione-riduzione

C’è un’eleganza pratica in tutto questo: per ottenere un gruppo alchilico lineare senza riarrangiamenti, conviene non usare l’alchilazione diretta, ma fare prima un’acilazione (che dà un chetone pulito, senza riarrangiamenti e senza poli-sostituzione) e poi ridurre il carbonile a metilene (per esempio con la riduzione di Clemmensen o di Wolff-Kishner). Il risultato è la catena alchilica lineare desiderata, ottenuta per via indiretta ma controllata. È un esempio tipico di come, in sintesi organica, un percorso più lungo sia spesso più affidabile.

Alchilazione e acilazione a confronto

Le differenze pratiche tra le due varianti, che spiegano perché spesso si preferisce l’acilazione:

La lettura della tabella è chiara: quando serve una catena alchilica lineare e pulita, la strada migliore è l’acilazione seguita da riduzione del carbonile, non l’alchilazione diretta.

Per unire due frammenti di carbonio in modo moderno si usano le reazioni di cross-coupling al palladio (Suzuki e Heck).

Domande frequenti

Che cosa sono le reazioni di Friedel-Crafts?

Sono sostituzioni elettrofile aromatiche che legano un gruppo carbonioso all’anello: l’alchilazione introduce una catena alchilica (–R), l’acilazione un gruppo acilico (–COR). Entrambe usano un alogenuro (alchilico o acilico) e un acido di Lewis come il cloruro di alluminio AlCl₃, che genera l’elettrofilo necessario alla reazione.

Perché l’alchilazione di Friedel-Crafts dà problemi?

Per due motivi. Il carbocatione che si forma può riarrangiarsi in uno più stabile prima di reagire, dando un prodotto diverso da quello atteso; e il gruppo alchilico introdotto attiva l’anello, favorendo ulteriori sostituzioni (polialchilazione) e quindi miscele di prodotti. Per questo spesso si preferisce l’acilazione.

Perché l’acilazione è più pulita dell’alchilazione?

Perché l’elettrofilo è lo ione acilio, stabilizzato per risonanza e quindi non soggetto a riarrangiamenti. Inoltre il gruppo carbonilico introdotto è disattivante: rende l’anello meno reattivo e impedisce ulteriori sostituzioni, così si ottiene il solo monoprodotto invece di una miscela.

Si può fare Friedel-Crafts su qualsiasi benzene?

No. La reazione non funziona su anelli fortemente disattivati, cioè che portano già gruppi attrattori di elettroni come –NO₂, –C≡N o gruppi carbonilici: l’anello è troppo povero di elettroni. L’alchilazione fallisce anche su ammine aromatiche, perché l’azoto basico complessa l’acido di Lewis.

Come si ottiene una catena alchilica lineare senza riarrangiamenti?

Si evita l’alchilazione diretta e si procede in due passaggi: prima un’acilazione di Friedel-Crafts, che lega un gruppo acilico in modo pulito e senza riarrangiamenti, poi una riduzione del carbonile a metilene (per esempio con Clemmensen o Wolff-Kishner). Il risultato è la catena alchilica desiderata, ottenuta per via indiretta ma controllata.