Алкилирование – это химическая реакция , которая влечет за собой перенос алкильной группы. Алкильная группа может быть перенесена как алкилкарбокатион , свободный радикал , карбанион или карбен (или их эквиваленты). [1] Алкилирующие агенты представляют собой реагенты для осуществления алкилирования. Алкильные группы также можно удалить в процессе, известном как деалкилирование . Алкилирующие агенты часто классифицируют в зависимости от их нуклеофильного или электрофильного характера. В контексте нефтепереработки алкилирование относится к конкретному алкилированию изобутана олефинами . Для облагораживания нефти путем алкилирования получают смесь премиум-класса для бензина. [2] В медицине алкилирование ДНК используется в химиотерапии для повреждения ДНК раковых клеток. Алкилирование осуществляется с помощью класса препаратов, называемых алкилирующими противоопухолевыми агентами .
Нуклеофильные алкилирующие агенты доставляют эквивалент алкил- аниона ( карбаниона ). Формальный «алкиланион» атакует электрофил , образуя новую ковалентную связь между алкильной группой и электрофилом. Противоион, который представляет собой катион, такой как литий, можно удалить и смыть при обработке . Примеры включают использование металлоорганических соединений, таких как реактивы Гриньяра (магнийорганические) , литийорганические , медноорганические и натрийорганические реагенты. Эти соединения обычно могут присоединяться к атому углерода с дефицитом электронов, например, к карбонильной группе . Нуклеофильные алкилирующие агенты могут замещать галогенидные заместители у атома углерода по механизму SN2 . С помощью катализатора они также алкилируют алкил- и арилгалогениды , на примере реакций Сузуки .
Механизм SN2 недоступен для арильных заместителей, где траектория атаки атома углерода будет находиться внутри кольца. Таким образом, возможны только реакции, катализируемые металлоорганическими катализаторами.
С-алкилирование – это процесс образования углерод-углеродных связей. Самый крупный пример этого имеет место на установках алкилирования нефтехимических заводов, которые преобразуют низкомолекулярные алкены в высокооктановые компоненты бензина . Богатые электронами соединения, такие как фенолы , также обычно алкилируются с получением 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, используя либо кислотные катализаторы, такие как Amberlyst , либо кислоты Льюиса, такие как алюминий. [3] В лабораторном масштабе в реакции Фриделя-Крафтса используются алкилгалогениды , поскольку с ними часто легче обращаться, чем с соответствующими алкенами, которые, как правило, представляют собой газы. Реакцию катализирует трихлорид алюминия . Этот подход редко используется в промышленности, поскольку алкилгалогениды дороже алкенов.
N-, P- и S-алкилирование являются важными процессами образования связей углерод-азот, углерод-фосфор и углерод-сера.
Амины легко алкилируются. Скорость алкилирования соответствует порядку третичный амин < вторичный амин < первичный амин. Типичными алкилирующими агентами являются алкилгалогениды. Промышленность часто полагается на методы зеленой химии , включающие алкилирование аминов спиртами, побочным продуктом которых является вода. Гидроаминирование — еще один экологически чистый метод N-алкилирования.
В реакции Меншуткина третичный амин превращается в четвертичную аммониевую соль при взаимодействии с алкилгалогенидом . Аналогичные реакции происходят при обработке третичных фосфинов алкилгалогенидами, продуктами которых являются фосфониевые соли.
Тиолы легко алкилируются с образованием тиоэфиров посредством тиол-еновой реакции . [4] Реакцию обычно проводят в присутствии основания или с использованием основания, сопряженного с тиолом. Тиоэфиры подвергаются алкилированию с образованием ионов сульфония .
Спирты алкилируются с образованием простых эфиров :
Когда алкилирующим агентом является алкилгалогенид, такое превращение называется синтезом эфира Вильямсона . Спирты также являются хорошими алкилирующими агентами в присутствии подходящих кислотных катализаторов. Например, большинство метиламинов получают алкилированием аммиака метанолом. Алкилирование фенолов особенно просто, поскольку оно протекает с меньшим количеством конкурирующих реакций. [5]
Более сложное алкилирование спиртов и фенолов включает этоксилирование . Оксид этилена является алкилирующей группой в этой реакции.
В процессе, называемом окислительным присоединением , низковалентные металлы часто реагируют с алкилирующими агентами с образованием алкилов металлов. Эта реакция является одним из этапов процесса Cativa синтеза уксусной кислоты из йодистого метила . Многие реакции кросс-сочетания также протекают посредством окислительного присоединения.
Электрофильные алкилирующие агенты доставляют эквивалент алкильного катиона . Алкилгалогениды являются типичными алкилирующими агентами. Тетрафторборат триметилоксония и тетрафторборат триэтилоксония являются особенно сильными электрофилами из-за их явного положительного заряда и инертной уходящей группы (диметилового или диэтилового эфира). Диметилсульфат занимает промежуточное положение по электрофильности.
Диазометан — популярный в лабораторных условиях метилирующий агент , 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 было значительно сокращено за счет внедрения более безопасного и эквивалентного реагента триметилсилилдиазометана . [8]
Электрофильные растворимые алкилирующие агенты часто токсичны и канцерогенны из-за их склонности к алкилированию ДНК. Этот механизм токсичности имеет отношение к функции противораковых препаратов в форме алкилирующих противоопухолевых средств . Некоторые виды химического оружия , такие как горчичный газ (сульфид дихлорэтила), действуют как алкилирующие агенты. Алкилированная ДНК либо не скручивается, либо не разворачивается должным образом, либо не может обрабатываться ферментами, декодирующими информацию.
При электрофильном алкилировании используются кислоты Льюиса и кислоты Бренстеда , а иногда и те и другие. Классически при использовании алкилгалогенида используются кислоты Льюиса, например трихлорид алюминия . 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 к азотистым основаниям . Это вызвано алкилирующими агентами, такими как EMS (этилметилсульфонат). Бифункциональные алкильные группы, содержащие две алкильные группы, вызывают поперечные сшивки в ДНК. Азотистые основания кольца, поврежденные алкилированием, восстанавливаются с помощью пути эксцизионного восстановления оснований (BER). [10]
Некоторые химические вещества производятся путем алкилирования. Включено несколько основных видов сырья на основе бензола, таких как этилбензол (прекурсор стирола ), кумол (предшественник фенола и ацетона ), линейные алкилбензолсульфонаты (для моющих средств). [11]
На обычном нефтеперерабатывающем заводе изобутан алкилируют низкомолекулярными алкенами (в первую очередь смесью пропена и бутена ) в присутствии катализатора на основе кислоты Бренстеда, который может включать твердые кислоты (цеолиты). Катализатор протонирует алкены (пропен, бутен) с образованием карбокатионов , которые алкилируют изобутан. Продукт, называемый «алкилатом», состоит из смеси высокооктановых парафиновых углеводородов с разветвленной цепью (в основном изогептана и изооктана ). Алкилат — это смесь бензинов премиум-класса , поскольку он обладает исключительными антидетонационными свойствами и обеспечивает чистое горение. Алкилат также является ключевым компонентом авиационных бензинов . Комбинируя флюид-каталитический крекинг , полимеризацию и алкилирование, нефтеперерабатывающие заводы могут получить выход бензина 70 процентов. Широкое использование серной и плавиковой кислот на нефтеперерабатывающих заводах создает значительные экологические риски. [12] Ионные жидкости используются вместо сильных кислот Бренстеда предыдущего поколения. [13] [14]
Дополняющими реакциями алкилирования являются обратные реакции деалкилирования. Преобладают эфирные деалкилирования. [15]
