Алкилирование — это химическая реакция , которая влечет за собой перенос алкильной группы. Алкильная группа может быть передана как алкильный карбокатион , свободный радикал , карбанион или карбен (или их эквиваленты). [1] Алкилирующие агенты — это реагенты для осуществления алкилирования. Алкильные группы также могут быть удалены в процессе, известном как деалкилирование . Алкилирующие агенты часто классифицируются в соответствии с их нуклеофильным или электрофильным характером. В контексте переработки нефти алкилирование относится к конкретному алкилированию изобутана олефинами . Для улучшения качества нефти алкилирование производит высококачественный смешиваемый материал для бензина. [2] В медицине алкилирование ДНК используется в химиотерапии для повреждения ДНК раковых клеток. Алкилирование осуществляется с помощью класса препаратов, называемых алкилирующими противоопухолевыми средствами .
Нуклеофильные алкилирующие агенты доставляют эквивалент алкильного аниона ( карбаниона ). Формальный «алкильный анион» атакует электрофил , образуя новую ковалентную связь между алкильной группой и электрофилом. Противоион, который является катионом, таким как литий, может быть удален и вымыт в процессе обработки . Примеры включают использование металлоорганических соединений, таких как реагенты Гриньяра (органомагний) , литийорганические , медноорганические и натрийорганические . Эти соединения обычно могут присоединяться к атому углерода с дефицитом электронов, например, к карбонильной группе . Нуклеофильные алкилирующие агенты могут замещать галогенидные заместители на атоме углерода через механизм SN2 . С катализатором они также алкилируют алкил- и арилгалогениды , как показано на примере реакций Сузуки .
Механизм SN2 недоступен для арильных заместителей, где траектория атаки атома углерода будет проходить внутри кольца. Таким образом, возможны только реакции, катализируемые металлоорганическими катализаторами.
C-алкилирование — это процесс образования углерод-углеродных связей. Самый большой пример этого происходит в установках алкилирования нефтехимических заводов, которые преобразуют низкомолекулярные алкены в высокооктановые компоненты бензина . Электронно-богатые виды, такие как фенолы, также обычно алкилируются для получения различных продуктов; примеры включают линейные алкилбензолы, используемые в производстве поверхностно-активных веществ, таких как LAS , или бутилированные фенолы, такие как BHT , которые используются в качестве антиоксидантов . Этого можно достичь с помощью либо кислотных катализаторов, таких как Amberlyst , либо кислот Льюиса , таких как алюминий. [3] В лабораторных масштабах реакция Фриделя-Крафтса использует алкилгалогениды , так как с ними часто легче обращаться, чем с соответствующими им алкенами, которые, как правило, являются газами. Реакция катализируется трихлоридом алюминия . Этот подход редко используется в промышленности, так как алкилгалогениды дороже алкенов.
N-, P- и S-алкилирование являются важными процессами для образования связей углерод-азот, углерод-фосфор и углерод-сера.
Амины легко алкилируются. Скорость алкилирования следует порядку третичный амин < вторичный амин < первичный амин. Типичные алкилирующие агенты — алкилгалогениды. Промышленность часто полагается на методы зеленой химии, включающие алкилирование аминов спиртами, побочным продуктом которых является вода. Гидроаминирование — еще один зеленый метод N-алкилирования.
В реакции Меншуткина третичный амин превращается в четвертичную аммониевую соль в результате реакции с алкилгалогенидом . Аналогичные реакции происходят при обработке третичных фосфинов алкилгалогенидами, продуктами которых являются соли фосфония.
Тиолы легко алкилируются с образованием тиоэфиров посредством реакции тиол-ен . [4] Реакция обычно проводится в присутствии основания или с использованием сопряженного основания тиола. Тиоэфиры подвергаются алкилированию с образованием ионов сульфония .
Спирты алкилируются с образованием эфиров :
Когда алкилирующим агентом является алкилгалогенид, конверсия называется синтезом эфира Уильямсона . Спирты также являются хорошими алкилирующими агентами в присутствии подходящих кислотных катализаторов. Например, большинство метиламинов получают алкилированием аммиака метанолом. Алкилирование фенолов особенно просто, поскольку оно подвержено меньшему количеству конкурирующих реакций. [5]
Более сложное алкилирование спиртов и фенолов включает этоксилирование . Окись этилена является алкилирующей группой в этой реакции.
В процессе, называемом окислительным присоединением , низковалентные металлы часто реагируют с алкилирующими агентами, давая алкилы металлов. Эта реакция является одним из этапов процесса Cativa для синтеза уксусной кислоты из метилйодида . Многие реакции кросс-сочетания также протекают через окислительное присоединение.
Электрофильные алкилирующие агенты обеспечивают эквивалент алкильного катиона . Алкилгалогениды являются типичными алкилирующими агентами. Триметилоксоний тетрафторборат и триэтилоксоний тетрафторборат являются особенно сильными электрофилами из-за их явного положительного заряда и инертной уходящей группы (диметиловый или диэтиловый эфир). Диметилсульфат является промежуточным по электрофильности.
Диазометан является популярным метилирующим агентом в лабораторных условиях, но он слишком опасен (взрывоопасный газ с высокой острой токсичностью), чтобы его можно было использовать в промышленных масштабах без специальных мер предосторожности. [7] Использование диазометана значительно сократилось благодаря введению более безопасного и эквивалентного реагента триметилсилилдиазометана . [8]
Электрофильные, растворимые алкилирующие агенты часто токсичны и канцерогенны из-за их тенденции алкилировать ДНК. Этот механизм токсичности имеет отношение к функции противораковых препаратов в форме алкилирующих противоопухолевых агентов . Некоторые виды химического оружия, такие как горчичный газ (сульфид дихлорэтила), действуют как алкилирующие агенты. Алкилированная ДНК либо не скручивается, либо не раскручивается должным образом, либо не может быть обработана ферментами, декодирующими информацию.
Электрофильное алкилирование использует кислоты Льюиса и кислоты Бренстеда , иногда обе. Классически кислоты Льюиса, например, трихлорид алюминия , используются при использовании алкилгалогенида. Кислоты Бренстеда используются при алкилировании олефинами. Типичными катализаторами являются цеолиты, т.е. твердые кислотные катализаторы, и серная кислота. Кремневольфрамовая кислота используется для производства этилацетата путем алкилирования уксусной кислоты этиленом : [9]
Алкилирование в биологии вызывает повреждение ДНК . Это перенос алкильных групп на азотистые основания . Это вызывается алкилирующими агентами, такими как EMS (этилметилсульфонат). Бифункциональные алкильные группы, которые имеют в себе две алкильные группы, вызывают сшивание в ДНК. Поврежденные алкилированием кольцевые азотистые основания восстанавливаются посредством пути репарации вырезания оснований (BER). [10]
Несколько товарных химикатов производятся путем алкилирования. Включены несколько основных видов сырья на основе бензола, таких как этилбензол (предшественник стирола ), кумол (предшественник фенола и ацетона ), линейные алкилбензолсульфонаты (для моющих средств). [11]
На обычном нефтеперерабатывающем заводе изобутан алкилируется низкомолекулярными алкенами (в основном смесью пропена и бутена ) в присутствии катализатора на основе кислоты Бренстеда, который может включать твердые кислоты (цеолиты). Катализатор протонирует алкены (пропен, бутен) для получения карбокатионов , которые алкилируют изобутан. Продукт, называемый «алкилатом», состоит из смеси высокооктановых парафиновых углеводородов с разветвленной цепью (в основном изогептана и изооктана ). Алкилат является высококачественным компонентом для смешивания бензина , поскольку он обладает исключительными антидетонационными свойствами и полностью горит. Алкилат также является ключевым компонентом авиационного бензина . Объединяя каталитический крекинг в жидкой фазе , полимеризацию и алкилирование, нефтеперерабатывающие заводы могут получать выход бензина в размере 70 процентов. Широкое использование серной кислоты и плавиковой кислоты на нефтеперерабатывающих заводах создает значительные экологические риски. [12] Ионные жидкости используются вместо сильнодействующих кислот Бренстеда старого поколения. [13] [14]
Дополняющими реакциями алкилирования являются обратные реакции — деалкилирования. Распространенными являются деметилирования , которые распространены в биологии, органическом синтезе и других областях, особенно для метиловых эфиров и метиламинов .
