Alkylation of Phenol: A Mechanistic View

化学 烷基化 烷基酚 质子化 苯酚 烷基 乙醚 碳离子 催化作用 药物化学 有机化学 离子
作者
Qisheng Ma,Deb Chakraborty,Francesco Faglioni,Rick P. Muller,William A. Goddard,Thomas M. Harris,Curt B. Campbell,Yongchun Tang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:110 (6): 2246-2252 被引量:48
标识
DOI:10.1021/jp0560213
摘要

The current work utilizes the ab initio density functional theory (DFT) to develop a molecular level of the mechanistic understanding on the phenol alkylation in the presence of a cation-exchange resin catalyst, Amberlyst-15. The catalyst is modeled with the benzene sulfonic acid, and the effect of this acid on olefins such as isopropene (i-Pr) and tributene (t-Bu) in a phenol solution mimics the experimental condition. A neutral-pathway mechanism is established to account for early-stage high concentration of the phenolic ether observed in experiments. The mechanism involves an exothermic reaction between olefin and the benzene sulfonic acid to form ester followed by three reaction pathways leading to direct O-alkylation, o-C-alkylation, and p-C-alkylation. Our calculations conclude that O-alkylation to form the phenolic ether is the most energetically favorable in the neutral condition. An ionic rearrangement mechanism describes intramolecular migrations of the alkyl group from the phenolic ether to form C-alkylphenols, while the positively charged protonation significantly lowers transition barriers for these migrations. The ionic rearrangement mechanism accounts for high yields of o-C-alkylphenol and p-C-alkylphenol. Competition between the H atom and the alkyl R group at the substitutive site of the protonated ortho configuration is found to be the determining factor to the ortho/para ratio of C-alkylation products.
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