La alquilación es una reacción química que implica la transferencia de un grupo alquilo . El grupo alquilo puede transferirse como un carbocatión de 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 a menudo se clasifican según su carácter nucleófilo o electrófilo . En contextos de refinación de petróleo, la alquilación se refiere a una alquilación particular de isobutano con olefinas . Para la mejora del petróleo , la alquilación produce una mezcla premium para gasolina. [2] En medicina, la alquilación del ADN se utiliza en 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 nucleofílicos 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 en el procesamiento . Los ejemplos incluyen el uso de compuestos organometálicos como reactivos de Grignard (organomagnesio) , organolitio , organocobre y organosodio . Estos compuestos normalmente se pueden agregar a un átomo de carbono deficiente en electrones, como en un grupo carbonilo . Los agentes alquilantes nucleofílicos 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 de Suzuki .
El mecanismo SN2 no está disponible para sustituyentes arilo, donde la trayectoria para atacar al átomo de carbono sería dentro del anillo. Por lo tanto, solo son posibles las reacciones catalizadas por catalizadores organometálicos.
La alquilación de C es un proceso para la formación de enlaces carbono-carbono. El mayor ejemplo de esto tiene lugar en las unidades de alquilación de 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 surfactantes 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 a menudo son más fáciles de manejar que sus alquenos correspondientes, 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 N-, P- y S-alquilación 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 suele recurrir a métodos de química ecológica que implican la alquilación de aminas con alcoholes, cuyo subproducto es el agua. La hidroaminación es otro método ecológico de N-alquilación.
En la reacción de Menshutkin , una amina terciaria se convierte en una sal de amonio cuaternario mediante la reacción con un haluro de alquilo . Se producen reacciones similares cuando las fosfinas terciarias se tratan con haluros de alquilo, siendo los productos sales de fosfonio.
Los tioles se alquilan fácilmente para dar tioéteres a través de la reacción tiol-eno . [4] La reacción se lleva a cabo típicamente en presencia de una base o utilizando la base conjugada del tiol. Los tioéteres experimentan 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 de 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 la 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 la etoxilación . El óxido de etileno es el grupo alquilante en esta reacción.
En el proceso denominado adición oxidativa , los metales de baja valencia suelen reaccionar con agentes alquilantes para dar alquilos metálicos. Esta reacción es un paso del proceso Cativa para la síntesis de ácido acético a partir de yoduro de metilo . Muchas reacciones de acoplamiento cruzado también se producen mediante adición oxidativa.
Los agentes alquilantes electrofílicos proporcionan 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 a un grupo saliente inerte (éter dimetílico o dietílico). El sulfato de dimetilo es intermedio en electrofilia.
El diazometano es un agente metilante popular en el laboratorio, pero es demasiado peligroso (gas explosivo con una alta toxicidad aguda) para emplearlo a escala industrial sin precauciones especiales. [7] El uso de diazometano se ha reducido significativamente con la introducción del reactivo más seguro y equivalente trimetilsilildiazometano . [8]
Los agentes alquilantes solubles y electrofílicos 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 contra el cáncer en forma de agentes antineoplásicos alquilantes . Algunas armas químicas , como el gas mostaza (sulfuro de dicloroetil) funcionan como agentes alquilantes. El ADN alquilado no se enrolla o desenrolla correctamente, o no puede ser procesado por enzimas decodificadoras de información.
La alquilación electrofílica utiliza ácidos de Lewis y ácidos de Brønsted , a veces ambos. Clásicamente, se emplean ácidos de Lewis, por ejemplo, tricloruro de aluminio , cuando se utilizan haluros de alquilo. Los ácidos de Brønsted se utilizan cuando se alquila con olefinas. Los catalizadores típicos son las zeolitas, es decir, catalizadores ácidos sólidos, y el ácido sulfúrico. El ácido silicotúngstico se utiliza para fabricar acetato de etilo mediante la alquilación de ácido acético con 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 EMS (Etil Metil Sulfonato). Los grupos alquilo bifuncionales que tienen dos grupos alquilo en ellos causan enlaces cruzados en el ADN. Las bases nitrogenadas del anillo dañadas por alquilación se reparan a través de la vía de reparación por escisión de bases (BER). [10]
Varios productos químicos básicos se producen mediante alquilación. Entre ellos se incluyen varias materias primas fundamentales basadas en benceno, como el etilbenceno (precursor del estireno ), el cumeno (precursor del fenol y la acetona ) y los 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 de 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 de una mezcla de hidrocarburos parafínicos de cadena ramificada y alto octanaje (principalmente isoheptano e isooctano ). El alquilato es un material de mezcla de gasolina premium porque tiene propiedades antidetonantes excepcionales y se quema de manera limpia. El alquilato también es un componente clave del avgas . Al combinar el craqueo catalítico fluido , la polimerización y la 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 riesgos ambientales significativos. [12] Se utilizan líquidos iónicos en lugar de la generación anterior de ácidos Bronsted fuertes. [13] [14]
Las reacciones de alquilación complementarias son las inversas, las desalquilaciones. Las más frecuentes son las desmetilaciones , que son comunes en biología, síntesis orgánica y otras áreas, especialmente para los metiléteres y las metilaminas .
