Alkylierung

Die Alkylierung ist eine chemische Reaktion , bei der eine Alkylgruppe übertragen wird . Die Alkylgruppe kann als Alkylkation , freies Radikal , Carbanion oder Carben (oder deren Äquivalente) übertragen werden. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Alkylierungsmittel sind Reagenzien zur Durchführung der Alkylierung. Alkylgruppen können auch in einem als Dealkylierung bekannten Prozess entfernt werden . Alkylierungsmittel werden häufig nach ihrem nukleophilen oder elektrophilen Charakter klassifiziert. In der Erdölraffinerie bezeichnet Alkylierung die spezielle Alkylierung von Isobutan mit Olefinen . Zur Aufwertung von Erdöl wird durch Alkylierung ein hochwertiger Benzinzusatzstoff hergestellt. ^{[ 3 ]} In der Medizin wird die Alkylierung der DNA in der Chemotherapie eingesetzt , um die DNA von Krebszellen zu schädigen. Die Alkylierung erfolgt mit alkylierenden Antineoplastika .

Nukleophile Alkylierungsmittel liefern das Äquivalent eines Alkylanions ( Carbanions ). Das formale „Alkylanion“ greift ein Elektrophil an und bildet eine neue kovalente Bindung zwischen der Alkylgruppe und dem Elektrophil. Das Gegenion, ein Kation wie Lithium, kann in der Aufarbeitung abgetrennt und abgewaschen werden . Beispiele hierfür sind metallorganische Verbindungen wie Grignard- (Organomagnesium-) , Organolithium- , Organokupfer- und Organonatrium- Reagenzien. Diese Verbindungen können typischerweise an ein elektronenarmes Kohlenstoffatom, beispielsweise an eine Carbonylgruppe , addieren . Nukleophile Alkylierungsmittel können Halogenidsubstituenten an einem Kohlenstoffatom über den SN2- Mechanismus verdrängen. Mit einem Katalysator alkylieren sie auch Alkyl- und Arylhalogenide , wie beispielsweise bei Suzuki-Kupplungen .

Der SN2-Mechanismus ist für Arylsubstituenten nicht anwendbar, da der Angriffsweg zum Kohlenstoffatom innerhalb des Rings verlaufen würde. Daher sind nur Reaktionen möglich, die durch metallorganische Katalysatoren katalysiert werden.

Die C-Alkylierung ist ein Verfahren zur Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen. Das größte Beispiel hierfür findet sich in den Alkylierungsanlagen petrochemischer Anlagen, wo niedermolekulare Alkene in hochoktanige Benzinkomponenten umgewandelt werden . Auch elektronenreiche Verbindungen wie Phenole werden häufig alkyliert, um eine Vielzahl von Produkten herzustellen; Beispiele hierfür sind lineare Alkylbenzole, die zur Herstellung von Tensiden wie LAS verwendet werden , oder butylierte Phenole wie BHT , die als Antioxidantien eingesetzt werden . Dies kann entweder mit Säurekatalysatoren wie Amberlyst oder mit Lewis-Säuren wie Aluminium erreicht werden. ^{[ 4 ]} Im Labormaßstab werden bei der Friedel-Crafts-Reaktion Alkylhalogenide verwendet , da diese oft einfacher zu handhaben sind als die entsprechenden Alkene, die meist gasförmig sind. Die Reaktion wird durch Aluminiumtrichlorid katalysiert . Dieses Verfahren wird industriell selten angewendet, da Alkylhalogenide teurer sind als Alkene.

N-, P- und S-Alkylierung sind wichtige Prozesse zur Bildung von Kohlenstoff-Stickstoff-, Kohlenstoff-Phosphor- und Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen.

Amine lassen sich leicht alkylieren. Die Alkylierungsgeschwindigkeit nimmt in der Reihenfolge tertiäres Amin < sekundäres Amin < primäres Amin ab. Typische Alkylierungsmittel sind Alkylhalogenide. In der Industrie werden häufig umweltfreundliche Verfahren eingesetzt, bei denen Amine mit Alkoholen alkyliert werden, wobei Wasser als Nebenprodukt entsteht. Die Hydroaminierung ist ein weiteres umweltfreundliches Verfahren zur N-Alkylierung.

Bei der Menshutkin-Reaktion wird ein tertiäres Amin durch Reaktion mit einem Alkylhalogenid in ein quaternäres Ammoniumsalz umgewandelt . Ähnliche Reaktionen finden statt, wenn tertiäre Phosphine mit Alkylhalogeniden umgesetzt werden; die Produkte sind Phosphoniumsalze.

Thiole lassen sich leicht über die Thiol-En-Reaktion zu Thioethern alkylieren . ^{[ 5 ]} Die Reaktion wird typischerweise in Gegenwart einer Base oder mit der konjugierten Base des Thiols durchgeführt. Thioether reagieren mit der Alkylierung zu Sulfoniumionen .

Alkohole werden durch Alkylierung zu Ethern umgesetzt :

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

Wird als Alkylierungsmittel ein Alkylhalogenid verwendet, spricht man von Williamson-Ethersynthese . Auch Alkohole eignen sich in Gegenwart geeigneter Säurekatalysatoren als Alkylierungsmittel. So werden beispielsweise die meisten Methylamine durch Alkylierung von Ammoniak mit Methanol hergestellt. Die Alkylierung von Phenolen ist besonders unkompliziert, da sie weniger Nebenreaktionen unterliegt. ^{[ 6 ]}

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

(mit Na ⁺ als Zuschauerion )

Komplexere Alkylierungen von Alkoholen und Phenolen beinhalten die Ethoxylierung . Ethylenoxid ist in dieser Reaktion die Alkylierungsgruppe.

Bei der sogenannten oxidativen Addition reagieren niedrigvalente Metalle häufig mit Alkylierungsmitteln zu Metallalkylen. Diese Reaktion ist ein Schritt im Cativa-Verfahren zur Synthese von Essigsäure aus Methyliodid . Auch viele Kreuzkupplungsreaktionen verlaufen über oxidative Addition.

Elektrophile Alkylierungsmittel liefern das Äquivalent eines Alkylkations . Alkylhalogenide sind typische Alkylierungsmittel. Trimethyloxoniumtetrafluoroborat und Triethyloxoniumtetrafluoroborat sind aufgrund ihrer ausgeprägten positiven Ladung und einer inerten Abgangsgruppe (Dimethyl- bzw. Diethylether ) besonders starke Elektrophile. Dimethylsulfat weist eine mittlere Elektrophilie auf.

Diazomethan ist ein gängiges Methylierungsmittel im Labor, jedoch ist es aufgrund seiner hohen Gefährlichkeit (explosives Gas mit hoher akuter Toxizität) für den Einsatz im industriellen Maßstab ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen zu gefährlich. ^{[ 8 ]} Der Einsatz von Diazomethan konnte durch die Einführung des sichereren und gleichwertigen Reagenz Trimethylsilyldiazomethan deutlich reduziert werden . ^{[ 9 ]}

Elektrophile, lösliche Alkylierungsmittel sind aufgrund ihrer Fähigkeit, DNA zu alkylieren, häufig toxisch und karzinogen. Dieser Toxizitätsmechanismus ist relevant für die Wirkungsweise von Krebsmedikamenten in Form alkylierender Antineoplastika . Einige chemische Kampfstoffe wie Senfgas (Dichlorethylsulfid) wirken als Alkylierungsmittel. Alkylierte DNA kann sich entweder nicht korrekt auf- oder entspiralisieren oder von informationskodierenden Enzymen nicht verarbeitet werden. Ohne funktionsfähige DNA erlischt die Zellfunktion, was zum Zelltod führt. Daher sind diese Alkylierungsmittel zytotoxisch .

Bei der elektrophilen Alkylierung werden Lewis-Säuren und Brønsted-Säuren , mitunter auch beide, eingesetzt. Klassischerweise werden Lewis-Säuren, z. B. Aluminiumtrichlorid , bei der Alkylierung mit Alkylhalogeniden verwendet. Brønsted-Säuren kommen bei der Alkylierung mit Olefinen zum Einsatz. Typische Katalysatoren sind Zeolithe (feste Säurekatalysatoren) und Schwefelsäure. Silicowolframsäure wird zur Herstellung von Ethylacetat durch Alkylierung von Essigsäure mit Ethylen verwendet : ^{[ 10 ]}

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

Alkylierung verursacht in der Biologie DNA-Schäden . Dabei werden Alkylgruppen auf die Stickstoffbasen übertragen . Auslöser sind Alkylierungsmittel wie EMS (Ethylmethansulfonat). Bifunktionelle Alkylgruppen, die zwei Alkylgruppen enthalten, führen zu Quervernetzungen in der DNA. Durch Alkylierung geschädigte Stickstoffbasen werden über den Basenexzisionsreparaturweg (BER) repariert. ^{[ 11 ]}

Durch Alkylierung werden verschiedene Basischemikalien hergestellt. Dazu gehören einige grundlegende Benzol-basierte Ausgangsstoffe wie Ethylbenzol (Vorstufe von Styrol ), Cumol (Vorstufe von Phenol und Aceton ) und lineare Alkylbenzolsulfonate (für Detergenzien). ^{[ 12 ]}

In einer konventionellen Ölraffinerie wird Isobutan mit niedermolekularen Alkenen (hauptsächlich einem Gemisch aus Propen und Buten ) in Gegenwart eines Brønsted-Säure-Katalysators, zu dem auch feste Säuren (Zeolithe) gehören können , alkyliert . Der Katalysator protoniert die Alkene (Propen, Buten) und erzeugt so Carbokationen , die das Isobutan alkylieren. Das Produkt, das sogenannte Alkylat, besteht aus einem Gemisch hochoktaniger , verzweigtkettiger paraffinischer Kohlenwasserstoffe (hauptsächlich Isoheptan und Isooctan ). Alkylat ist ein hochwertiger Benzinbestandteil , da es hervorragende klopffeste Eigenschaften besitzt und sauber verbrennt. Es ist außerdem ein wichtiger Bestandteil von Flugbenzin (Avgas) . Durch die Kombination von Fluid Catalytic Cracking ( FCC), Polymerisation und Alkylierung können Raffinerien eine Benzinausbeute von 70 Prozent erzielen. Der weitverbreitete Einsatz von Schwefelsäure und Fluorwasserstoffsäure in Raffinerien birgt erhebliche Umweltrisiken. ^{[ 13 ]} Ionische Flüssigkeiten werden anstelle der älteren Generation starker Brønsted-Säuren verwendet. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

Die Umkehrreaktion der Alkylierungsreaktionen sind die Dealkylierungen. Häufig sind Demethylierungen , die in der Biologie, der organischen Synthese und anderen Bereichen, insbesondere bei Methylethern und Methylaminen , weit verbreitet sind .

• Hydrodealkylierung
• Transalkylierung
• Alkinylierung
• Friedel-Crafts-Reaktion
• Kategorie: Alkylierungsmittel
  • Kategorie: Ethylierungsmittel
  • Kategorie: Methylierungsmittel

• Macrogalleria-Seite zur Polycarbonatproduktion
• Alkylierende Substanzen in den Medical Subject Headings (MeSH) der US National Library of Medicine