Алкилирование

Алкилирование - это перенос алкильной группы от одной молекулы к другой. Алкильная группа может быть передана как алкильная карбокатионе , А свободный радикал , в карбанионе или карбены (или их эквиваленты). ^[1] Алкильная группа - это часть молекулы с общей формулой C _n H _{2 n +1} , где n - целое число, обозначающее количество связанных вместе атомов углерода. Например, метильная группа ( n = 1, CH ₃ ) представляет собой фрагмент молекулы метана (CH ₄ ).Алкилирующие агенты используют селективное алкилирование путем добавления желаемой алифатической углеродной цепи к ранее выбранной исходной молекуле. Это один из многих известных химических синтезов. Алкильные группы также можно удалить в процессе, известном как деалкилирование . Алкилирующие агенты часто классифицируют по их нуклеофильному или электрофильному характеру.

В нефтеперерабатывающих контекстах, алкилирование относится к конкретному алкилировании изобутана с олефинами . Для повышения качества нефти при алкилировании получают смесь для бензина премиум-класса. ^[2]

В медицине алкилирование ДНК используется в химиотерапии для повреждения ДНК раковых клеток. Алкилирование осуществляется с помощью класса препаратов, называемых алкилирующими противоопухолевыми средствами .

Типичный способ алкилирования бензола этиленом и ZSM-5 в качестве гетерогенного катализатора

Нуклеофильные алкилирующие агенты

Нуклеофильные алкилирующие агенты доставить эквивалент алкильного аниона ( карбанион ). Формальный «алкил-анион» атакует электрофила , образуя новую ковалентную связь между алкильной группой и электрофилом. Противоион, который представляет собой катион, такой как литий, может быть удален и смыт во время обработки . Примеры включают использование металлоорганических соединений, таких как реактивы Гриньяра (магнийорганический) , литийорганический , медноорганический и натрийорганический реагенты. Эти соединения обычно могут присоединяться к электронно-дефицитному атому углерода, например, прикарбонильная группа . Нуклеофильные алкилирующие агенты могут замещать галогенидные заместители на атоме углерода по механизму SN2 . С помощью катализатора они также алкилируют алкил- и арилгалогениды, как показано на примере сочетаний Сузуки .

Муфты Кумада использует как нуклеофильная стадию алкилировании после окислительного добавления арилгалогенида (L = Лиганд , Ar = арил ).

Механизм SN2 недоступен для арильных заместителей, где траектория атаки атома углерода будет внутри кольца. Таким образом, возможны только реакции, катализируемые металлоорганическими катализаторами.

Алкилирование углеродными электрофилами

C-алкилирование

C-алкилирование - это процесс образования углерод-углеродных связей. Для алкилирования на углероде электрофильность алкилгалогенидов увеличивается за счет присутствия кислоты Льюиса, такой как трихлорид алюминия . Кислоты Льюиса особенно подходят для C-алкилирования. C-алкилирование также может осуществляться алкенами в присутствии кислот.

N- и P-алкилирование

N- и P-алкилирование являются важными процессами для образования связей углерод-азот и углерод-фосфор.

Амины легко алкилируются. Скорость алкилирования соответствует порядку третичный амин <вторичный амин <первичный амин. Типичными алкилирующими агентами являются алкилгалогениды. Промышленность часто полагается на методы экологически чистой химии, включающие алкилирование аминов спиртами, побочным продуктом которого является вода. Гидроаминирование - еще один зеленый метод N-алкилирования.

В реакции Меншуткина , A третичный амин превращают в соль четвертичного аммония путем реакции с алкилгалогенидом . Подобные реакции происходят, когда третичные фосфины обрабатывают алкилгалогенидами, продукты которых являются солями фосфония.

S-алкилирование

Тиолы легко алкилируются с образованием тиоэфиров . ^[3] Реакцию обычно проводят в присутствии основания или с использованием конъюгата основания тиола. Тиоэфиры подвергаются алкилированию с образованием ионов сульфония .

О-алкилирование

Алкилируют спирты с образованием простых эфиров :

ROH + R'X → ROR '

Когда алкилирующий агент представляет собой галогенид алкила, 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 в нем участвует меньше конкурирующих реакций. ^[4]

\mathrm {Ph{-}O^{-}\ +\ Me_{2}{-}SO_{4}\ \longrightarrow \ Ph{-}O{-}Me\ +\ Me{-}SO_{4}^{-}}

(с Na ⁺ в качестве иона- наблюдателя )

Более сложное алкилирование спиртов и фенолов включает этоксилирование . Окись этилена является алкилирующей группой в этой реакции.

Окислительная добавка к металлам

В процессе, называемом окислительным присоединением , низковалентные металлы часто реагируют с алкилирующими агентами с образованием алкилов металлов. Эта реакция является одной из стадий процесса Cativa синтеза уксусной кислоты из метилиодида . Многие реакции кросс-сочетания также протекают через окислительное присоединение.

Электрофильные алкилирующие агенты

Электрофильные алкилирующие агенты доставляют эквивалент алкильного катиона . Алкилгалогениды являются типичными алкилирующими агентами. Триметилоксония тетрафторборат и триэтилоксонийфторборат тетрафторборат особенно сильные электрофильные из - за их явный положительный заряд и инертный уход щей группы (диметил или диэтиловый эфир). Диметилсульфат является промежуточным по электрофильности.

Тетрафторборат триэтилоксония - один из самых электрофильных алкилирующих агентов. ^[5]

Опасности

Электрофильные растворимые алкилирующие агенты часто токсичны и канцерогены из-за их склонности к алкилированию ДНК. Этот механизм токсичности имеет отношение к функции противораковых препаратов в форме алкилирующих противоопухолевых агентов . Некоторые виды химического оружия, такие как иприт, действуют как алкилирующие агенты. Алкилированная ДНК либо не свертывается, либо не раскручивается должным образом, либо не может быть обработана ферментами, декодирующими информацию.

Катализаторы

Алкилирование бензола по Фриделю-Крафтсу часто катализируется трихлоридом алюминия.

Электрофильного алкилирование использовать кислоты Льюиса и Бренстеда , иногда оба. Обычно при использовании галогенида алкила используются кислоты Льюиса, например трихлорид алюминия . Кислоты Бренстеда используются при алкилировании олефинами. Типичными катализаторами являются цеолиты, т.е. твердые кислотные катализаторы, и серная кислота. Кремнийвольфрамовая кислота используется для производства этилацетата алкилирования уксусной кислоты с помощью этилена : ^[6]

С ₂ Н ₄ + СН ₃ СО ₂ Н → СН ₃ СО ₂ С ₂ Н ₅

В биологии

Метилирование - наиболее распространенный тип алкилирования. Метилирование в природе часто осуществляется ферментами на основе витамина B12 и SAM .

S _N 2-подобная реакция переноса метила при метилировании ДНК . Для простоты показаны только кофактор SAM и цитозиновое основание.

В метаногенезе , кофермент М метилируются по тетрагидрометаноптерину .

Товарные химикаты

Несколько товарных химикатов получают путем алкилирования. Включено несколько основных видов сырья на основе бензола, таких как этилбензол (предшественник стирола ), кумол (предшественник фенола и ацетона ), линейные алкилбензолсульфонаты (для моющих средств). ^[7]

Додецилбензол натрия, полученный путем алкилирования бензола додеценом, является предшественником моющих средств на основе линейных алкилбензолсульфонатов .

Производство бензина

Типичный путь получения 2,4-диметилпентана, катализируемый кислотой .

В обычном нефтеперерабатывающем заводе , изобутан алкилируют с низким молекулярным весом алкенов ( в основном смеси пропена и бутена ) в присутствии кислотного катализатора Бренстеда, которые могут включать твердые кислоты (цеолиты). Катализатор протонирует алкены (пропен, бутен) с образованием карбокатионов , которые алкилируют изобутан. Продукт, называемый «алкилат», состоит из смеси высокооктановых парафиновых углеводородов с разветвленной цепью (в основном изогептана и изооктана ). Алкилат - бензин премиум-класса.смесь, потому что она имеет исключительные антидетонационные свойства и чистое горение. Алкилат также является ключевым компонентом авиационного газа . Комбинируя каталитический крекинг с псевдоожиженным слоем , полимеризацию и алкилирование, нефтеперерабатывающие заводы могут получить выход бензина на уровне 70 процентов. Широкое использование серной и плавиковой кислот на нефтеперерабатывающих заводах создает значительные экологические риски. ^[8] Ионные жидкости используются вместо сильных кислот Бренстеда более старого поколения. ^[9]^[10]

Смотрите также

Гидродеалкилирование
Трансалкилирование
Алкинилирование
Реакция Фриделя – Крафтса
Категория: Алкилирующие агенты
- Категория: Этилирующие агенты
- Категория: Метилирующие агенты

использованная литература

^ Марш Джерри; (1985). Продвинутая органическая химия реакции, механизмы и структура (3-е изд.). Нью-Йорк: John Wiley & Sons, inc. ISBN 0-471-85472-7
^ Стефанидакис, G .; Гвин, Дж. Э. (1993). «Алкилирование». В Джоне Дж. МакКетте (ред.). Справочник по химической обработке . CRC Press. С. 80–138. ISBN 0-8247-8701-3.
^ Д. Ландини; Ф. Ролла (1978). «Синтез сульфидов при получении диалкил- и алкиларилсульфидов: неопентилфенилсульфид». Орг. Synth . 58 : 143. DOI : 10,15227 / orgsyn.058.0143 .
^ GS Hiers и FD Hager (1941). «Анизол» . Органический синтез .; Сборник , 1 , стр. 58
^ Х. Перст; Д. Г. Сипи (2008). «Триэтилоксония тетрафторборат». Энциклопедия реагентов для органического синтеза . DOI : 10.1002 / 047084289X.rt223.pub2 . ISBN 978-0471936237.
^ Misono, Макото (2009). «Недавний прогресс в практическом применении гетерополикислот и перовскитных катализаторов: Каталитическая технология для устойчивого общества». Катализ сегодня . 144 (3–4): 285–291. DOI : 10.1016 / j.cattod.2008.10.054 .
^ Бипин В. Вора; Джозеф А. Кокал; Пол Т. Баргер; Роберт Дж. Шмидт; Джеймс А. Джонсон (2003). «Алкилирование». Кирк-Отмер Энциклопедия химической технологии . DOI : 10.1002 / 0471238961.0112112508011313.a01.pub2 . ISBN 0471238961.
^ Майкл Ропер, Eugen Герер, Томас Narbeshuber, Вольфганг Siegel "ацилирование и алкилирование" в энциклопедии Ульмана промышленной химии, Wiley-VCH, Weinheim, 2000. DOI : 10.1002 / 14356007.a01_185
^ Коре, Раджкумар; Scurto, Aaron M .; Шифлетт, Марк Б. (2020). «Обзор технологии алкилирования изобутана с использованием катализаторов на основе ионной жидкости - где мы находимся?». Промышленные и инженерные химические исследования . 59 (36): 15811–15838. DOI : 10.1021 / acs.iecr.0c03418 . S2CID 225512999 .
^ "Нефтегазовая инженерия | Технология ионного жидкостного алкилирования получает награду" . 2 января 2018.

внешние ссылки

Страница макрогалерий по производству поликарбоната
Алкилирующие + агенты по медицинским предметным рубрикам Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)

[1] Марш Джерри; (1985). Продвинутая органическая химия реакции, механизмы и структура (3-е изд.). Нью-Йорк: John Wiley & Sons, inc. ISBN 0-471-85472-7

[2] Стефанидакис, G .; Гвин, Дж. Э. (1993). «Алкилирование». В Джоне Дж. МакКетте (ред.). Справочник по химической обработке . CRC Press. С. 80–138. ISBN 0-8247-8701-3.

[3] Д. Ландини; Ф. Ролла (1978). «Синтез сульфидов при получении диалкил- и алкиларилсульфидов: неопентилфенилсульфид». Орг. Synth . 58 : 143. DOI : 10,15227 / orgsyn.058.0143 .

[4] GS Hiers и FD Hager (1941). «Анизол» . Органический синтез .; Сборник , 1 , стр. 58

[5] Х. Перст; Д. Г. Сипи (2008). «Триэтилоксония тетрафторборат». Энциклопедия реагентов для органического синтеза . DOI : 10.1002 / 047084289X.rt223.pub2 . ISBN 978-0471936237.

[Misono-6] Misono, Макото (2009). «Недавний прогресс в практическом применении гетерополикислот и перовскитных катализаторов: Каталитическая технология для устойчивого общества». Катализ сегодня . 144 (3–4): 285–291. DOI : 10.1016 / j.cattod.2008.10.054 .

[7] Бипин В. Вора; Джозеф А. Кокал; Пол Т. Баргер; Роберт Дж. Шмидт; Джеймс А. Джонсон (2003). «Алкилирование». Кирк-Отмер Энциклопедия химической технологии . DOI : 10.1002 / 0471238961.0112112508011313.a01.pub2 . ISBN 0471238961.

[8] Майкл Ропер, Eugen Герер, Томас Narbeshuber, Вольфганг Siegel "ацилирование и алкилирование" в энциклопедии Ульмана промышленной химии, Wiley-VCH, Weinheim, 2000. DOI : 10.1002 / 14356007.a01_185

[9] Коре, Раджкумар; Scurto, Aaron M .; Шифлетт, Марк Б. (2020). «Обзор технологии алкилирования изобутана с использованием катализаторов на основе ионной жидкости - где мы находимся?». Промышленные и инженерные химические исследования . 59 (36): 15811–15838. DOI : 10.1021 / acs.iecr.0c03418 . S2CID 225512999 .

[10] "Нефтегазовая инженерия | Технология ионного жидкостного алкилирования получает награду" . 2 января 2018.

[1]