三氯化鋁促進的有機反應研究及應用發展

周新(呼倫貝爾職業技術學院，內蒙古 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，可生產二聚體AI2CI6，其是一種可揮發體。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、制造農藥、有機鋁化合物、金屬冶煉、食品級產品、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，他們為了證明此反應，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酰基化反應進程。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，在A1C13作用下，鹵代烴或酰氯會產生酰基正離子或烷基正離子，最后失去一個質子生成烷基芳烴或芳香酮，A1C13會再生繼續催化循環。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、不飽和烯酮等結構。

2013年，通過A1C13促進芳基β-鹵代胺分子內傅克烷基化，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丙烷離子產生區域選擇性和立體轉移性，產物的單晶結構保持了分子內反應的手性中心構型：一方面，在A1C13催化下，通過分子內SN2途徑，芳基β-鹵代胺1a生成了氮雜環丙烷離子3，接著經過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端芳環進攻碳正離子4完成分子內傅克烷基化反應，最終消除質子形成4-取代四氫異喹啉。

在傅克酰基化反應中，A1C13中的α，β-不飽和酮是用于邁克爾加成、環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2,6-二溴吡啶的聯用，Tanaka課題組成功地實現了烯烴與酰氯的傅克酰基化反應。他們認為在A1C13作用下酰氯7生成酰基正離子9，然后與酰基正離子9一起，烯烴6經過2,6-二溴吡啶提取質子，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、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，發現吲哚啉酮與乙基-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，發生了區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化反應，產率良好，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。并發現使用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；在跨環反應研究中，宋西西課題組通過A1C13促進螺環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促進環丙烷衍生物開環合取代苯并七元雜環衍生物的方法，生成了酮式和烯醇式混合物；在偶聯反應研究中，Severin課題組2014年，通過C-N偶聯反應，使用氮雜環卡賓與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)鍵斷鏈脫酰基，以廉價易得的NaNO2為氧化劑和氮源，實現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，Faust課題組報道了H2O/A1C13·R2O共印發劑體系印發異丁烯的聚合反應，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特征質子的化學位移變化進行了跟蹤；在環化反應研究中，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1,6-加成反應合成多種烯基亞胺基環丁烯酮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，對傅克硫酰化進行了反應；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，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展。