La alquilación es una reacción química que implica la transferencia de un grupo alquilo . El grupo alquilo puede transferirse como un carbocatión alquilo , un radical libre , un carbanión o un carbeno (o sus equivalentes). [1] Los agentes alquilantes son reactivos para efectuar la alquilación. Los grupos alquilo también se pueden eliminar en un proceso conocido como desalquilación . Los agentes alquilantes se clasifican a menudo según su carácter nucleofílico o electrófilo . En contextos de refinación de petróleo, alquilación se refiere a una alquilación particular de isobutano con olefinas . Para mejorar el petróleo , la alquilación produce una mezcla premium para la gasolina. [2] En medicina, la alquilación del ADN se utiliza en la quimioterapia para dañar el ADN de las células cancerosas. La alquilación se logra con la clase de medicamentos llamados agentes antineoplásicos alquilantes .
Los agentes alquilantes nucleófilos liberan el equivalente de un anión alquilo ( carbanión ). El "anión alquilo" formal ataca a un electrófilo , formando un nuevo enlace covalente entre el grupo alquilo y el electrófilo. El contraión, que es un catión como el litio, se puede eliminar y lavar durante el tratamiento . Los ejemplos incluyen el uso de compuestos organometálicos como reactivos de Grignard (organomagnesio) , organolitio , organocobre y organosodio . Estos compuestos normalmente pueden agregarse a un átomo de carbono con deficiencia de electrones, como en un grupo carbonilo . Los agentes alquilantes nucleófilos pueden desplazar sustituyentes de haluro en un átomo de carbono a través del mecanismo SN2 . Con un catalizador , también alquilan haluros de alquilo y arilo , como lo ejemplifican los acoplamientos Suzuki .
El mecanismo SN2 no está disponible para sustituyentes arilo, donde la trayectoria para atacar al átomo de carbono sería dentro del anillo. Por tanto, sólo son posibles reacciones catalizadas por catalizadores organometálicos.
La alquilación C es un proceso para la formación de enlaces carbono-carbono. El mayor ejemplo de esto tiene lugar en las unidades de alquilación de las plantas petroquímicas, que convierten alquenos de bajo peso molecular en componentes de gasolina de alto octanaje . Las especies ricas en electrones, como los fenoles , también se alquilan comúnmente para producir una variedad de productos; los ejemplos incluyen alquilbencenos lineales utilizados en la producción de tensioactivos como LAS , o fenoles butilados como BHT , que se utilizan como antioxidantes . Esto se puede lograr utilizando catalizadores ácidos como Amberlyst o ácidos de Lewis como el aluminio. [3] A escala de laboratorio, la reacción de Friedel-Crafts utiliza haluros de alquilo , ya que suelen ser más fáciles de manejar que sus correspondientes alquenos, que tienden a ser gases. La reacción está catalizada por tricloruro de aluminio . Este enfoque rara vez se utiliza industrialmente ya que los haluros de alquilo son más caros que los alquenos.
La alquilación N, P y S son procesos importantes para la formación de enlaces carbono-nitrógeno, carbono-fósforo y carbono-azufre.
Las aminas se alquilan fácilmente. La velocidad de alquilación sigue el orden amina terciaria < amina secundaria < amina primaria. Los agentes alquilantes típicos son los haluros de alquilo. La industria a menudo depende de métodos de química verde que implican la alquilación de aminas con alcoholes, siendo el subproducto el agua. La hidroaminación es otro método ecológico para la N-alquilación.
En la reacción de Menshutkin , una amina terciaria se convierte en una sal de amonio cuaternario mediante reacción con un haluro de alquilo . Se producen reacciones similares cuando se tratan fosfinas terciarias con haluros de alquilo, siendo los productos sales de fosfonio.
Los tioles se alquilan fácilmente para dar tioéteres mediante la reacción tiol-eno . [4] La reacción normalmente se lleva a cabo en presencia de una base o utilizando la base conjugada del tiol. Los tioéteres se someten a alquilación para dar iones sulfonio .
Los alcoholes se alquilan para dar éteres :
Cuando el agente alquilante es un haluro de alquilo, la conversión se denomina síntesis del éter de Williamson . Los alcoholes también son buenos agentes alquilantes en presencia de catalizadores ácidos adecuados. Por ejemplo, la mayoría de las metilaminas se preparan mediante alquilación de amoníaco con metanol. La alquilación de fenoles es particularmente sencilla ya que está sujeta a menos reacciones competitivas. [5]
La alquilación más compleja de alcoholes y fenoles implica etoxilación . El óxido de etileno es el grupo alquilante en esta reacción.
En el proceso llamado adición oxidativa , los metales de baja valencia a menudo reaccionan con agentes alquilantes para dar alquilos metálicos. Esta reacción es un paso en el proceso de Cativa para la síntesis de ácido acético a partir de yoduro de metilo . Muchas reacciones de acoplamiento cruzado también se realizan mediante adición oxidativa.
Los agentes alquilantes electrófilos liberan el equivalente de un catión alquilo . Los haluros de alquilo son agentes alquilantes típicos. El tetrafluoroborato de trimetiloxonio y el tetrafluoroborato de trietiloxonio son electrófilos particularmente fuertes debido a su carga positiva manifiesta y un grupo saliente inerte (éter dimetílico o dietílico). El sulfato de dimetilo tiene una electrofilicidad intermedia.
El diazometano es un agente metilante popular en el laboratorio, pero es demasiado peligroso (gas explosivo con una alta toxicidad aguda) para ser empleado a escala industrial sin precauciones especiales. [7] El uso de diazometano se ha reducido significativamente mediante la introducción del reactivo trimetilsilildiazometano, más seguro y equivalente . [8]
Los agentes alquilantes electrófilos y solubles suelen ser tóxicos y cancerígenos debido a su tendencia a alquilar el ADN. Este mecanismo de toxicidad es relevante para la función de los fármacos anticancerígenos en forma de agentes antineoplásicos alquilantes . Algunas armas químicas , como el gas mostaza (sulfuro de dicloroetilo), funcionan como agentes alquilantes. El ADN alquilado no se enrolla ni desenrolla correctamente, o no puede ser procesado por enzimas que decodifican información.
La alquilación electrófila utiliza ácidos de Lewis y ácidos de Brønsted , a veces ambos. Clásicamente, cuando se utiliza el haluro de alquilo, se emplean ácidos de Lewis, por ejemplo, tricloruro de aluminio . Los ácidos de Brønsted se utilizan para la alquilación con olefinas. Los catalizadores típicos son zeolitas, es decir, catalizadores ácidos sólidos y ácido sulfúrico. El ácido silicotungstico se utiliza para fabricar acetato de etilo mediante la alquilación del ácido acético por etileno : [9]
La alquilación en biología causa daño al ADN . Es la transferencia de grupos alquilo a las bases nitrogenadas . Es causada por agentes alquilantes como el EMS (Etilmetilsulfonato). Los grupos alquilo bifuncionales que tienen dos grupos alquilo provocan enlaces cruzados en el ADN. Las bases nitrogenadas de los anillos dañados por alquilación se reparan mediante la vía de reparación por escisión de bases (BER). [10]
Varios productos químicos básicos se producen mediante alquilación. Se incluyen varias materias primas fundamentales a base de benceno, como etilbenceno (precursor del estireno ), cumeno (precursor del fenol y acetona ), sulfonatos de alquilbenceno lineales (para detergentes). [11]
En una refinería de petróleo convencional , el isobutano se alquila con alquenos de bajo peso molecular (principalmente una mezcla de propeno y buteno ) en presencia de un catalizador ácido de Brønsted, que puede incluir ácidos sólidos (zeolitas). El catalizador protona los alquenos (propeno, buteno) para producir carbocationes , que alquilan el isobutano. El producto, llamado "alquilato", está compuesto por una mezcla de hidrocarburos parafínicos de cadena ramificada de alto octanaje (principalmente isoheptano e isooctano ). El alquilato es un material de mezcla de gasolina de primera calidad porque tiene propiedades antidetonantes excepcionales y una combustión limpia. El alquilato también es un componente clave del avgas . Combinando craqueo catalítico fluido , polimerización y alquilación, las refinerías pueden obtener un rendimiento de gasolina del 70 por ciento. El uso generalizado de ácido sulfúrico y ácido fluorhídrico en las refinerías plantea importantes riesgos medioambientales. [12] Los líquidos iónicos se utilizan en lugar de la generación anterior de ácidos de Bronsted fuertes. [13] [14]
Las reacciones de alquilación complementarias son las inversas, las desalquilaciones. Prevalecen las desmetilaciones , que prevalecen en biología, síntesis orgánica y otras áreas, especialmente para éteres metílicos y aminas metílicos .
