三氯化鋁促進的有機反應研究及應用發(fā)展

周新(呼倫貝爾職業(yè)技術學院，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000)

0 引言

三氯化鋁化學式為AICI3，三氯化鋁是有離子性的共價化合物，會升華，熔點、沸點都比較低。并且大多數(shù)含鹵素離子的鹽類相比，熔化后的三氯化鋁具有極大的不同，不容易導電。三氯化鋁為AI立方最密堆積層狀結構，采取“YCI3”結構，其中Br最密堆積框架中，AIBr3中AI占有相鄰四面體間隙。熔融的時候，AICI3含有兩個三中心四電子氯橋鍵，可生產(chǎn)二聚體AI2CI6，其是一種可揮發(fā)體。更高溫度下，這種二聚體與BF3結構類似，會離解生成平面三角形AICI3。也就是說，氯化鋁的蒸汽或溶于非極性溶劑中活處于熔融狀態(tài)時，可溶于水和許多有機溶劑，會以共價的二聚分子形式存在，水溶液呈酸性。其主要用于在傅-克反應、有機化學、有機合成的催化劑、烴類聚合反應、異構化反應、制造農(nóng)藥、有機鋁化合物、金屬冶煉、食品級產(chǎn)品、分析試劑等領域中。尤其是在在有機化學中，三氯化鋁具有廣泛的應用，可以催化Ene反應。從分子軌道理論上來講，通過一個3s軌道和兩個3p軌道，每個鋁原子都會形成不等性的sp2雜化，并在單體時，整個分子幾乎成平面結構，分別與氯原子形成σ鍵。

1 三氯化鋁促進傅克反應研究

在歷史上，第一個傅克反應是Friede1和Crafts在1877年，為了得到了戊苯，用A1C13與1-氯戊烷和苯的混合液反應。此后，他們?yōu)榱俗C明此反應，還用了其他金屬鹵化物進行催化，并提出了傅克烷基化和傅克?；磻M程。截止目前，在傅克反應中，A1C13是重要催化劑之一。作為親核試劑芳環(huán)，在A1C13作用下，鹵代烴或酰氯會產(chǎn)生?；x子或烷基正離子，最后失去一個質(zhì)子生成烷基芳烴或芳香酮，A1C13會再生繼續(xù)催化循環(huán)。通常情況下，酰基化試劑和烷基化試劑分別包括酰氯、羧酸酐和鹵代烴、烯烴、醇等。近些年來，在A1C13催化作用下，除了一些基本的芳基酮、取代芳烴的合成之外，還可以合成多種雜環(huán)、不飽和烯酮等結構。

2013年，通過A1C13促進芳基β-鹵代胺分子內(nèi)傅克烷基化，Chong課題組合成了4-取代四氫異喹啉2。其具有高達95%的收率，具有較高的對映選擇性。但芳基β-鹵代胺同芳基β-碘代胺一樣，可以進行該反應，并不限于芳基β-溴代胺。并且該反應主要與中間體氮雜環(huán)丙烷離子產(chǎn)生區(qū)域選擇性和立體轉移性，產(chǎn)物的單晶結構保持了分子內(nèi)反應的手性中心構型：一方面，在A1C13催化下，通過分子內(nèi)SN2途徑，芳基β-鹵代胺1a生成了氮雜環(huán)丙烷離子3，接著經(jīng)過N-C鍵斷裂之后形成了碳正離子4。為了得到碳正離子中間體5，通過N端芳環(huán)進攻碳正離子4完成分子內(nèi)傅克烷基化反應，最終消除質(zhì)子形成4-取代四氫異喹啉。

在傅克?；磻?，A1C13中的α，β-不飽和酮是用于邁克爾加成、環(huán)氧化反應等的重要模塊，不僅適用與芳香族化合物，還能利用該反應，由烯烴引入酰基。如：2019年，通過A1C13和2,6-二溴吡啶的聯(lián)用，Tanaka課題組成功地實現(xiàn)了烯烴與酰氯的傅克?；磻?。他們認為在A1C13作用下酰氯7生成?；x子9，然后與酰基正離子9一起，烯烴6經(jīng)過2,6-二溴吡啶提取質(zhì)子，反應得到的碳正離子中間體10之后，生成烯酮8。而Kim課題組為了研究高選擇性合成(E)-β-氯代乙烯基酮14的目的，使用流動化學的方法，通過減少流動烯酮中其他反映組分的相互作用，使生成(E)-β-氯代乙烯基酮及時從反應體系分離出來。他們在流動體系中，將A1C13與酰氯通過一條道混合，并在另一條通道中加入了炔烴，這樣不但提升了E式的選擇性，還大大縮短了產(chǎn)物與酰氯、A1C13形成復合物的時間。由此可見，在(E)-β-氯代乙烯基酮的合成上，流動化學方法能夠提供一條快速、高產(chǎn)、立體選擇性的路線。

2 三氯化鋁促進氧反應的研究

在對氧反應的研究中，許多課題組從多方面對三氯化鋁促進進行了研究。如：在加成環(huán)合反應研究中；賈學順課題組2014年，以1,2-二氯乙烷為溶劑，在A1C13促進下，發(fā)現(xiàn)吲哚啉酮與乙基-2,3-丁二烯酸酯依賴于吲哚啉酮碳碳雙鍵的連接官能團R2種類，發(fā)生了區(qū)域選擇性邁克爾加成合成雙取代吲哚啉酮17與螺吲哚啉酮已酮18；在縮合環(huán)合反應研究中，Singh課題組2013年，提出了一種可能的機理，A1C13催化下通過進行縮合反應，酚類和β-羰基二硫酯的收率可達85%以上，合成了2H-苯并吡喃-2-硫酮，消除了甲硫醇；在脫水環(huán)合反應研究中，樊曉輝課題組2017年，通過A1C13催化肉桂醛與對甲苯磺酰胺環(huán)化反應，產(chǎn)率良好，具有良好的底物相容性，生成了茚胺28和芴胺29衍生物；2018年，佟碩課題組選擇性地合成多取代鄰氨基醇和吡咯衍生物33。

在親電環(huán)合反應中，通過相關的控制實驗，通過A1C13催化，使用N-硫代丁二酰亞胺為硫源，反應合成了3-硫代喹啉銅39即3-硫代氮雜螺烯酮40。并發(fā)現(xiàn)使用A1C13促進N-芳基硫代丁二酰亞胺可以完成由2-炔基-1-甲氧基酮肟到4-硫代異惡唑47的轉化；在取代反應的研究中，2013年王忠衛(wèi)課題組使用A1C13促進2H-苯并吡喃與各種烯基硅醚之間的親核取代反應，合成了4-取代-2-三氟甲基-3-乙氧甲酰基-4H-苯并吡喃54等系列；在跨環(huán)反應研究中，宋西西課題組通過A1C13促進螺環(huán)丙基巴比妥酸重排反應生成各種二氫呋喃嘧啶64，其具有各種潛在要用價值，收率最高可達98%，并提出了反應機理。2019年，郭春課題組由A1C13促進環(huán)丙烷衍生物開環(huán)合取代苯并七元雜環(huán)衍生物的方法，生成了酮式和烯醇式混合物；在偶聯(lián)反應研究中，Severin課題組2014年，通過C-N偶聯(lián)反應，使用氮雜環(huán)卡賓與N2O的加合物NHC-N2O與芳烴，一類在A1C13促進下合成多種偶氮咪唑燃料，證明了N2O可以直接作為有機合成中有效的N2供體。

在氰基化反應研究中，康彥彪課題組2016年，利用A1C13促進C(sp3)-C(sp2)鍵斷鏈脫?；粤畠r易得的NaNO2為氧化劑和氮源，實現(xiàn)酮和醛的氧化胺化得到脂肪族與芳香族氰衍生物93，反應條件溫和，避免了劇毒氰化物，順利得到含芳基、雜芳基、烷基等的腈；在對串聯(lián)反應研究中，翁志強課題組2018年，報道了吡咯烷酮與三氟乙酸酐之間由A1C13促進的串聯(lián)反應，得到了結構多樣的1-氯-2,2,2-三氟乙基取代吡咯烷酮98；在多組分反應研究中，2015年，汪君課題組報道了A1C13催化異氰、肉桂醛和醇生成α-烷氧基-β,γ-烯酰胺衍生物108的O-烷基化的Passerini反應；在聚合反應研究中，2012年，F(xiàn)aust課題組報道了H2O/A1C13·R2O共印發(fā)劑體系印發(fā)異丁烯的聚合反應，并證實了使用異丙醚時異丁烯的轉化率最高；在其他反應類型研究中，毛金成課題組2015年報道了一種以DTBP為氧化劑，通過A1C13促進，以磺酰肼為硫源，N,N-二甲基酰胺為底物，合成S-芳基硫代氨基甲酸酯120的方法。

3 三氯化鋁促進對氮的活化作用

2014年，在A1C13催化加成反應研究中，徐帆課題組高效地合成了3-羥基-3-氮雜芳基吲哚-2-酮127，利用A1C13催化2-甲基吡啶與靛紅的加成反應。并且他們利用原位核磁共振的方法，對兩者的相互作用前后分子內(nèi)特征質(zhì)子的化學位移變化進行了跟蹤；在環(huán)化反應研究中，李月明課題組2016年，報道了一種通過氮雜Prins環(huán)化反應，A1C13催化的N-烯丙基對甲苯磺酰胺合成反式-2-取代-4-鹵代哌啶133的方法；在芳基化反應研究中，Pal課題組2012年，報道了一種通過調(diào)控加入芳基化試劑的種類及比例，A1C13促進2,3-二氯帶喹喔啉芳基化的反應，是首例使用A1C13催化實現(xiàn)喹喔啉芳基化的方法；2013年，該課題組還提供了進一步的合成方法，報道了A1C13促進的2-氯代-3-炔基-喹喔啉和芳烴之間的芳基化反應；在插入反應研究上，Kambe課題組2015年，報道了AlCl3催化異腈化物插入次磺酰胺148的氮硫鍵合成異硫脲150的反應最高可達93%，芳香族等反應效果最好；在串聯(lián)反應研究中，Hachiya課題組2019年，報道了AlCl3促進連炔亞胺與三甲基硅氧基烯的串聯(lián)1,6-加成反應合成多種烯基亞胺基環(huán)丁烯酮156和1,4-加成反應。

另外，在對硫的活化作用中，三氯化鋁的活化報道較少。Nair課題組2016年，報道了在A1C13促進下，以環(huán)己烷為溶劑，以芳基異硫氰酸酯和富電子芳香族化合物為原料，對傅克硫?；M行了反應；董志兵課題組2018年，報道了一種利用二甲基二硫代氨基甲酸鈉合成2-巰基苯并噻唑、苯并唑及苯并咪唑衍生物168(或者169)的方法。

4 應用展望

作為一種催化劑、促進劑，三氯化鋁通過對鹵素、氧、氮、硫原子化合物等的活化完成的多種新型有機轉化，鑒于三氯化鋁廉價易得、反應溫和、活化位點多等特點，可以看出，在未來，會逐漸被應用到合成相關的藥物活性分子、中間體骨架以及材料分子中。但目前，與底物用量相比，一些反應中的三氯化鋁還非常高，亟需提升催化效率。并且許多新型反應還需要化學家們進一步探索和開發(fā)，如：A1C13與助催化劑、載體、離子液體共同使用等。可以預見，在未來，三氯化鋁的應用領域還能得到不斷的發(fā)展。