アルキル化

アルキル化は、アルキル基の移動を伴う化学反応です。アルキル基は、アルキルカルボカチオン、フリーラジカル、カルバニオン、またはカルベン（またはそれらの同等物）として移動することができます。^[1]アルキル化剤は、アルキル化を行うための試薬です。アルキル基は、脱アルキル化と呼ばれるプロセスで除去することもできます。アルキル化剤は、求核性または求電子性によって分類されることが多いです。石油精製の文脈では、アルキル化はオレフィンによるイソブタンの特定のアルキル化を指します。石油のアップグレードでは、アルキル化によりガソリン用の高級ブレンドストックが生成されます。^{[2]医学では、} DNAのアルキル化は化学療法で癌細胞のDNAを損傷するために使用されます。アルキル化は、アルキル化抗腫瘍剤と呼ばれるクラスの薬剤によって達成されます。

求核アルキル化剤は、アルキル アニオン（カルバニオン）と同等のものを生成します。正式な「アルキルアニオン」は求電子剤を攻撃し、アルキル基と求電子剤の間に新しい共有結合を形成します。リチウムなどの陽イオンである対イオンは、後処理で除去および洗い流すことができます。例として、グリニャール（有機マグネシウム）、有機リチウム、有機銅、有機ナトリウム試薬などの有機金属化合物の使用があります。これらの化合物は通常、カルボニル基などの電子不足の炭素原子に付加できます。求核アルキル化剤は、SN2メカニズムを介して炭素原子上のハロゲン化物置換基を置換できます。触媒を使用すると、鈴木カップリングで例示されるように、アルキルおよびアリールハロゲン化物もアルキル化します。

SN2 機構は、炭素原子を攻撃する軌道が環の内側にあるアリール置換基には利用できません。したがって、有機金属触媒によって触媒される反応のみが可能です。

C-アルキル化は、炭素-炭素結合を形成するプロセスである。この最も大きな例は、低分子量アルケンを高オクタン価ガソリン成分に変換する石油化学工場のアルキル化ユニットで行われる。フェノールなどの電子豊富な種も、さまざまな製品を生成するために一般的にアルキル化される。例としては、LASなどの界面活性剤の製造に使用される直鎖アルキルベンゼンや、抗酸化剤として使用されるBHTなどのブチル化フェノールが挙げられる。これは、 Amberlystなどの酸触媒、またはアルミニウムなどのルイス酸を使用して達成できる。^[3]実験室規模では、フリーデル・クラフツ反応はアルキルハライドを使用する。これは、ガスになる傾向がある対応するアルケンよりも扱いやすいことが多いためである。この反応は三塩化アルミニウムによって触媒される。アルキルハライドはアルケンよりも高価なため、この方法は工業的にはほとんど使用されない。

N-、P-、S-アルキル化は、炭素-窒素、炭素-リン、炭素-硫黄結合の形成に重要なプロセスである。

アミンは容易にアルキル化されます。アルキル化の速度は、第三級アミン < 第二級アミン < 第一級アミンの順になります。一般的なアルキル化剤はアルキルハライドです。業界では、アミンをアルコールでアルキル化し、副産物として水を生成するグリーンケミストリー手法がしばしば利用されています。ヒドロアミノ化は、 N-アルキル化のもう 1 つのグリーン手法です。

メンシュトキン反応では、第三級アミンがアルキルハライドとの反応によって第四級アンモニウム塩に変換されます。第三級ホスフィンをアルキルハライドで処理すると同様の反応が起こり、生成物はホスホニウム塩です。

チオールはチオール-エン反応によって容易にアルキル化されチオエーテルを与える。^{[4]この反応は通常、塩基の存在下で、またはチオールの共役塩基を使用して行われる。チオエーテルはアルキル化されて}スルホニウムイオンを与える。

アルコールはアルキル化してエーテルを生成します。

${\displaystyle {\ce {R-OH + R'-X -> ROR'}}}$

アルキル化剤がアルキルハライドの場合、この変換はウィリアムソンエーテル合成と呼ばれます。アルコールも適切な酸触媒の存在下では優れたアルキル化剤です。例えば、ほとんどのメチルアミンはアンモニアとメタノールのアルキル化によって製造されます。フェノールのアルキル化は競合反応が少ないため特に簡単です。^[5]

${\displaystyle {\ce {Ph-O- + Me2-SO4 -> Ph-O-Me + Me-SO4-}}}$

（Na ⁺を傍観イオンとして）

アルコールとフェノールのより複雑なアルキル化にはエトキシル化が含まれます。 エチレンオキシドはこの反応におけるアルキル化基です。

酸化的付加と呼ばれるプロセスでは、低原子価金属がアルキル化剤と反応して金属アルキルを生成することがよくあります。この反応は、ヨウ化メチルから酢酸を合成するCativa プロセスの 1 つのステップです。多くのクロスカップリング反応も酸化的付加によって進行します。

求電子アルキル化剤はアルキルカチオンと同等のものを供給します。アルキルハライドは典型的なアルキル化剤です。トリメチルオキソニウムテトラフルオロボレートとトリエチルオキソニウムテトラフルオロボレートは、その明らかな正電荷と不活性な脱離基 (ジメチルまたはジエチルエーテル) により、特に強力な求電子剤です。 ジメチル硫酸は求電子性が中間です。

ジアゾメタンは実験室ではよく使われるメチル化剤ですが、特別な注意なしに工業規模で使用するには危険すぎる（急性毒性の高い爆発性ガス）です。 ^{[7]より安全で同等の試薬である}トリメチルシリルジアゾメタンが導入されたことにより、ジアゾメタンの使用は大幅に削減されました。^[8]

親電子性の可溶性アルキル化剤は、DNAをアルキル化する傾向があるため、毒性があり発がん性があることが多い。この毒性のメカニズムは、アルキル化抗腫瘍剤の形での抗がん剤の機能に関連している。マスタードガス（ジクロロエチルの硫化物）などの一部の化学兵器はアルキル化剤として機能する。アルキル化されたDNAは、適切にコイル状になったりほどけたりしないか、または情報解読酵素によって処理されない。

求電子アルキル化ではルイス酸とブレンステッド酸が使用され、両方が使用されることもあります。従来、アルキルハロゲン化物を使用する場合は、三塩化アルミニウムなどのルイス酸が使用されます。オレフィンでアルキル化する場合はブレンステッド酸が使用されます。典型的な触媒はゼオライト、つまり固体酸触媒と硫酸です。 ケイタングステン酸は、エチレンによる酢酸のアルキル化によって酢酸エチルを製造するために使用されます。^[9]

${\displaystyle {\ce {C2H4 + CH3CO2H -> CH3CO2C2H5}}}$

生物学におけるアルキル化はDNA損傷を引き起こします。これはアルキル基の窒素塩基への転移です。これはEMS（エチルメチルスルホン酸）などのアルキル化剤によって引き起こされます。2つのアルキル基を持つ二官能性アルキル基はDNAの架橋を引き起こします。アルキル化によって損傷した環窒素塩基は塩基除去修復（BER）経路によって修復されます。^[10]

いくつかの汎用化学物質はアルキル化によって生産されます。これには、エチルベンゼン（スチレンの前駆体）、クメン（フェノールとアセトンの前駆体）、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩（洗剤用）などのいくつかの基本的なベンゼンベースの原料が含まれます。^[11]

従来の石油精製所では、固体酸（ゼオライト）を含むこともあるブレンステッド酸触媒の存在下で、イソブタンを低分子量アルケン（主にプロペンとブテンの混合物）でアルキル化する。触媒はアルケン（プロペン、ブテン）をプロトン化してカルボカチオンを生成し、これがイソブタンをアルキル化する。「アルキレート」と呼ばれるこの生成物は、高オクタン価の分岐鎖パラフィン系炭化水素（主にイソヘプタンとイソオクタン）の混合物からなる。アルキレートは、優れたアンチノック特性を持ち、燃焼がクリーンであることから、高級ガソリンのブレンド原料である。アルキレートは、航空ガソリンの主要成分でもある。流動接触分解、重合、およびアルキル化を組み合わせることで、製油所は70パーセントのガソリン収率を得ることができる。製油所で硫酸とフッ化水素酸が広く使用されているため、環境に対する重大なリスクがある。^[12]イオン液体は、旧世代の強ブロンステッド酸の代わりに使用されます。^{[13] [14]}

アルキル化反応を補完するのは、その逆である脱アルキル化です。最も一般的なのは脱メチル化で、これは生物学、有機合成、その他の分野で広く行われており、特にメチルエーテルやメチルアミンで多く使用されています。

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• 米国国立医学図書館医学件名表(MeSH)のアルキル化剤