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アルキル化はアルキル基の転移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、カルベン（またはそれらの等価物）として転移されることがあります。[ 1 ] [ 2 ]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の性質に基づいて分類されることがよくあります。石油精製の文脈では、アルキル化はイソブタンとオレフィ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、アルキル化によってガソリン用のプレミアムブレンドストックが生成されます。[ 3 ]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薬物クラスによって行われます。
求核アルキル化剤は、アルキルアニオン（カルバニオン）に相当するものを生成する。形式的な「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との間に新しい共有結合を形成する。対イオン（リチウムなどのカチオン）は、後処理で除去して洗い流すことができる。例としては、グリニャール試薬（有機マグネシウム）、有機リチウム試薬、有機銅試薬、有機ナトリウム試薬などの有機金属化合物の使用が挙げられる。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することができる。求核アルキル化剤は、 SN2機構を介して炭素原子上のハロゲン置換基を置換することができる。触媒を用いると、鈴木カップリングに代表されるように、アルキルおよびアリールハロゲン化物もアルキル化する。
SN2機構はアリール置換基には適用できない。なぜなら、炭素原子を攻撃する軌道が環の内側を通るからである。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となる。
C-アルキル化は、炭素-炭素結合を形成するプロセスです。この最大の例は、石油化学プラントのアルキル化ユニットで行われ、低分子量アルケンを高オクタン価ガソリン成分に変換します。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ます。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あります。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ます。 [ 4 ]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します。これは、アルキルハライドが、気体になりやすい対応するアルケンよりも扱いやすいことが多いためです。この反応は、三塩化アルミニウムによって触媒されます。アルキルハライドはアルケンよりも高価であるため、この方法は工業的にはほとんど使用されません。
N-アルキル化、P-アルキル化、S-アルキル化は、炭素-窒素結合、炭素-リン結合、炭素-硫黄結合の形成において重要なプロセスである。
アミンは容易にアルキル化される。アルキル化の速度は、第三級アミン＜第二級アミン＜第一級アミンの順である。代表的なアルキル化剤はハロゲン化アルキルである。産業界では、アミンをアルコールでアルキル化するグリーンケミストリー手法がよく用いられ、副生成物は水である。ヒドロアミノ化も、N-アルキル化のためのグリーンな手法の一つである。
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反応して第四級アンモニウム塩に変換される。同様の反応は、第三級ホスフィンをアルキルハライドで処理した場合にも起こり、生成物はホスホニウム塩となる。
チオールはチオール-エン反応により容易にアルキル化されてチオエーテルを生成する。[ 5 ]この反応は通常、塩基の存在下、またはチオールの共役塩基を用いて行われる。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生成する。
アルコールはアルキル化してエーテルを生成する。
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となります。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。[ 6 ]
アルコールやフェノールのより複雑なアルキル化反応には、エトキシ化反応が含まれる。 この反応では、酸化エチレンがアルキル化基となる。
酸化付加と呼ばれる反応では、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多い。この反応は、ヨウ化メチルから酢酸を合成するカティバ法の工程の一つである。多くのクロスカップリング反応も、酸化付加を経て進行する。
求電子アルキル化剤は、アルキルカチオンに相当する物質を生成する。アルキルハライドは典型的なアルキル化剤である。テトラフルオロボレートトリメチルオキソニウムとテトラフルオロボレートトリエチルオキソニウムは、その顕著な正電荷と不活性な脱離基（ジメチルエーテルまたはジエチルエーテル） のため、特に強力な求電子剤である。硫酸ジメチルは、求電子性において中間的な性質を示す。
ジアゾメタンは実験室では一般的なメチル化剤ですが、危険度が高すぎる（急性毒性の高い爆発性ガス）ため、特別な予防措置なしに工業規模で使用することはできません。[ 8 ]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の導入により、ジアゾメタンの使用は大幅に減少しました。[ 9 ]
求電子性で可溶性のアルキル化剤は、DNAをアルキル化する傾向があるため、しばしば毒性があり発がん性も有する。この毒性メカニズムは、アルキル化抗腫瘍剤という形で抗がん剤が作用するメカニズムと関連している。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作用する。アルキル化されたDNAは、適切に巻き付いたり巻き戻したりすることができず、情報解読酵素によって処理されない。機能的なDNAがなければ、細胞の機能は停止し、細胞死に至る。したがって、これらのアルキル化剤は細胞毒性を持つ。
求電子アルキル化では、ルイス酸とブレンステッド酸、場合によっては両方が用いられます。従来、アルキルハライドを用いる場合は、三塩化アルミニウムなどのルイス酸が用いられます。オレフィンとのアルキル化にはブレンステッド酸が用いられます。代表的な触媒としては、ゼオライト（固体酸触媒）や硫酸などがあります。 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際に用いられます。[ 10 ]
生物学におけるアルキル化はDNA損傷を引き起こします。これはアルキル基が窒素塩基に転移することです。これはEMS （エチルメタンスルホン酸）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を受けた環状窒素塩基は、塩基除去修復（BER）経路を介して修復されます。[ 11 ]
アルキル化によっていくつかの汎用化学品が製造される。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系原料が含まれる。[ 12 ]
従来の石油精製では、イソブタンはブレンステッド酸触媒（固体酸（ゼオライト）を含む）の存在下で低分子量アルケン（主にプロペンとブテンの混合物）でアルキル化されます。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します。生成物は「アルキレート」と呼ばれ、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）の混合物で構成されています。アルキレートは、優れたアンチノック特性とクリーン燃焼性を持つため、プレミアムガソリンのブレンド原料として使用されています。アルキレートは航空ガソリンの主要成分でもあります。流動接触分解、重合、アルキル化を組み合わせることで、製油所は70%のガソリン収率を得ることができます。製油所における硫酸とフッ化水素酸の広範な使用は、重大な環境リスクをもたらします。[ 13 ]イオン液体は、旧世代の強ブレンステッド酸の代わりに使用されています。[ 14 ] [ 15 ]
アルキル化反応を補完する反応として、脱アルキル化反応がある。中でも脱メチル化反応は広く行われており、生物学、有機合成、その他の分野、特にメチルエーテルやメチルアミンにおいて頻繁に見られる。
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