Pengalkilan

Pengalkilan atau alkilasi ialah tindak balas kimia yang melibatkan pemindahan kumpulan alkil. Kumpulan alkil boleh dipindahkan sebagai alkil karbokation, radikal bebas, karbanion atau karbena (atau setara dengannya).^[1] Agen pengalkilan ialah reagen untuk melaksanakan pengalkilan. Kumpulan alkil juga boleh disingkirkan dalam proses yang dikenali sebagai penyahalkilan. Agen pengalkilasi sering dikelaskan mengikut sifat nukleofilik atau elektrofiliknya. Dalam konteks penapisan minyak, alkilasi merujuk kepada pengalkilan khusus isobutana dengan olefin. Untuk menaik taraf petroleum, alkilasi menghasilkan stok campuran premium untuk petrol.^[2] Dalam perubatan, pengalkilan DNA digunakan dalam kemoterapi untuk merosakkan DNA sel kanser. Alkilasi dicapai dengan kelas ubat yang dipanggil agen antineoplastik pengalkilan.

Agen pengalkilan nukleofilik

Agen pengalkilan nukleofilik menyampaikan kumpulan setara anion alkil (karbanion). "Anion alkil" formal menyerang elektrofil, membentuk ikatan kovalen baharu antara kumpulan alkil dan elektrofil. Kounterion, iaitu kation seperti litium, boleh ditanggalkan dan dihanyutkan semasa kerja. Contohnya termasuk penggunaan sebatian organologam seperti reagen Grignard (organomagnesium), organolitium, organokuprum, dan organonatrium. Biasanya, sebatian ini boleh menambah di atom karbon kekurangan elektron seperti kumpulan karbonil. Ejen alkilasi nukleofilik boleh menggantikan substituen halida di atom karbon melalui mekanisme SN2. Dengan pemangkin, ia juga mengalkilkan alkil dan aril halida seperti yang ditunjukkan oleh gandingan Suzuki.

Gandingan Kumada menggunakan kedua-dua langkah alkilasi nukleofilik selepas penambahan oksidatif aril halida (L = Ligan, Ar = Aril).

Mekanisme SN2 tidak tersedia bagi substituen aril, di mana trajektori untuk menyerang atom karbon akan berada di dalam cincin. Oleh itu, hanya tindak balas yang dimangkinkan oleh mangkin organologam dapat dibuat.

Pengalkilan oleh elektrofil karbon

Pengalkilan C

Pengalkilan C ialah proses pembentukan ikatan karbon-karbon. Contoh terbesar ini berlaku dalam unit pengalkilan loji petrokimia yang menukar alkena berat molekul rendah kepada komponen petrol oktana tinggi. Spesies yang kaya dengan elektron seperti fenol juga biasanya dialkilkan untuk menghasilkan pelbagai produk; contohnya termasuk alkilbenzena linear yang digunakan dalam penghasilan surfaktan seperti LAS, atau fenol berbutil seperti BHT yang digunakan sebagai antioksidan. Ini boleh dicapai sama ada dengan pemangkin asid seperti Amberlyst, atau asid Lewis seperti aluminium.^[3] Dalam skala makmal, tindak balas Friedel-Crafts menggunakan alkil halida kerana ini selalunya lebih mudah dikendalikan daripada alkena yang sepadan yang cenderung menjadi gas. Tindak balas ini dimangkinkan oleh aluminium triklorida. Pendekatan ini jarang digunakan dalam industri kerana alkil halida lebih mahal daripada alkena.

Pengalkilan N, P, S

Pengalkilan N, P, dan S ialah proses penting untuk pembentukan ikatan karbon-nitrogen, karbon-fosforus dan karbon-sulfur.

Amina mudah teralkil. Kadar alkilasi mengikut susunan ialahː amina tertier< amina sekunder< amina primer. Agen pengalkilan biasa ialah alkil halida. Industri sering bergantung pada kaedah kimia hijau yang melibatkan pengalkilasi amina dengan alkohol, dengan hasil sampingannya ialah air. Hidroaminasi ialah satu lagi kaedah pengalkilan N hijau.

Dalam tindak balas Menshutkin, amina tertier ditukar menjadi garam ammonium kuaterner melalui tindak balas dengan alkil halida. Tindak balas yang sama berlaku apabila fosfina tertier dirawat dengan alkil halida, hasil daripada garam fosfonium.

Menshutkin-reaction — Menshutkin-tindak balas

Tiol mudah dialkilasi untuk memberikan tioeter melalui tindak balas tiol-ena.^[4] Tindak balas biasanya dijalankan dengan kehadiran bes atau menggunakan bes konjugat tiol. Tioeter menjalani pengalkilan untuk memberikan ion sulfonium.

Pengalkilan O

Alkohol beralkil untuk memberikan eter:

{\ce {R-OH + R'-X -> R-O-R'}}

Apabila agen pengalkilan ialah alkil halida, penukaran terjana dipanggil sebagai sintesis eter Williamson. Alkohol juga merupakan agen pengalkilan yang baik dengan adanya pemangkin asid yang sesuai. Sebagai contoh, kebanyakan metil amina tersedia melalui pengalkilan ammonia dengan metanol. Pengalkilan fenol adalah sangat mudah kerana ia tertakluk kepada tindak balas bersaing yang lebih sedikit^[5]

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

(dengan sebagai ion penonton)

Alkilasi alkohol dan fenol yang lebih kompleks melibatkan pengetoksilan. Etilena oksida ialah kumpulan pengalkilasi dalam tindak balas ini.

Penambahan oksidatif terhadap logam

Dalam proses yang dipanggil penambahan oksidatif, logam bervalensi rendah sering bertindak balas dengan agen pengalkilan untuk memberikan alkil logam. Tindak balas ini merupakan satu langkah dalam proses Cativa bagi sintesis asid asetik daripada metil iodida. Banyak tindak balas gandingan silang diteruskan melalui penambahan oksidatif juga.

Agen pengalkilan elektrofilik

Agen pengalkilan elektrofilik menyampaikan molekul setara dengan kation alkil. Alkil halida adalah agen pengalkil lazim. Trimetiloksonium tetrafluoroborat dan trietiloksonium tetrafluoroborat ialah elektrofil yang sangat kuat kerana cas positifnya yang terang-terangan, dan kumpulan keluar yang lengai (dimetil atau dietil eter). Dimetil sulfat ialah molekul perantara dalam keelektrofilikan.

Pemetilan dengan diazometana

Diazometana ialah agen metilasi yang popular di makmal, tetapi ia terlalu berbahaya (gas letupan dengan ketoksikan akut yang tinggi) untuk digunakan dalam skala industri tanpa langkah berjaga-jaga khas.^[7] Penggunaan diazometana telah dikurangkan dengan ketara dengan pengenalan reagen trimetilsilildiazometana yang lebih selamat serta reagen-reagen setara.^[8]

Bahaya

Agen pengalkil yang elektrofilik dan larut selalunya beracun dan karsinogenik oleh kerana kecenderungannya untuk mengalkil DNA. Mekanisme ketoksikan ini adalah berkaitan dengan fungsi ubat antikanser dalam bentuk agen antineoplastik pengalkilan. Beberapa senjata kimia seperti gas mustard (sulfida dikloroetil) berfungsi sebagai agen pengalkil. DNA teralkil sama ada tidak bergelung atau membuka dengan betul, atau tidak boleh diproses oleh enzim penyahkod maklumat.

Pemangkin

Pengalkilan Friedel-Crafts benzena selalunya dimangkinkan oleh aluminium triklorida.

Pengalkilan elektrofilik menggunakan asid Lewis dan asid Brønsted, atau kadangkala kedua-duanya. Secara klasik, asid Lewis seperti aluminium triklorida digunakan apabila alkil halida digunakan. Asid Brønsted digunakan apabila mengalkil dengan olefin. Pemangkin biasa ialah zeolit, sejenis mangkin asid pepejal, dan asid sulfurik. Asid silikotungstik digunakan untuk menghasilkan etil asetat melalui pengalkilasi asid asetik oleh etilena:^[9]

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

Dalam biologi

Alkilasi dalam biologi menyebabkan kerosakan DNA. Ia merupakan pemindahan kumpulan alkil terhadap bes nitrogen. Ia disebabkan oleh agen pengalkil seperti EMS (etil metil sulfonat). Kumpulan alkil dwifungsi yang mempunyai dua kumpulan alkil di dalamnya menyebabkan ikatan silang dalam DNA. Bes nitrogen cincin yang rosak akibat pengalkilan dibaiki melalui pembaikan pemotongan bes (BER).^[10]

Bahan kimia komoditi

Beberapa bahan kimia komoditi dihasilkan melalui alkilasi. Termasuk beberapa bahan suapan asas benzena seperti etilbenzena (pendahulu kepada stirena), kumena (pendahulu kepada fenol dan aseton), alkilbenzena sulfonat linear (untuk detergen).^[11]

Pengeluaran petrol

Laluan biasa bermangkin asid ke 2,4-dimetilpentana.

Dalam penapisan minyak konvensional, isobutana dialkilkan dengan alkena berat molekul rendah (terutamanya campuran propena dan butena) dengan kehadiran pemangkin asid Brønsted, yang boleh termasuk asid pepejal (zeolit). Mangkin memprotonasikan alkena (propena, butena) untuk menghasilkan karbokation, iaitu alkilat isobutana. Produk yang dipanggil "alkilat" ini terdiri daripada campuran hidrokarbon parafin beroktan tinggi dengan rantai bercabang (kebanyakannya isoheptana dan isooktana). Alkilat ialah stok campuran petrol premium kerana ia mempunyai ciri antiketukan yang luar biasa serta pembakaran bersih. Alkylate juga merupakan komponen utama avgas. Dengan menggabungkan peretakan pemangkin cecair, pempolimeran, dan pengalkilan, kilang penapisan boleh memperoleh hasil petrol sebanyak 70 peratus. Penggunaan meluas asid sulfurik dan asid hidrofluorik dalam penapisan menimbulkan risiko alam sekitar yang ketara. Cecair ionik digunakan sebagai gantian asid Bronsted kuat generasi lama.^[12]^[13]

Penyahalkilan

Pelengkap tindak balas pengalkilan ialah tindak balass penyahalkilan yang bertentangan. Tindak balas lazim ialah penyahmetilan yang lazim dalam biologi, sintesis organik, dan kawasan lain, terutamanya bagi metil eter dan metil amina.

Rujukan

^ March Jerry; (1985). Advanced Organic Chemistry reactions, mechanisms and structure (3rd ed.). New York: John Wiley & Sons, inc. ISBN 0-471-85472-7
^ Stefanidakis, G.; Gwyn, J.E. (1993). "Alkylation". Dalam John J. McKetta (penyunting). Chemical Processing Handbook. CRC Press. m/s. 80–138. ISBN 0-8247-8701-3.
^ Ma, Qisheng; Chakraborty, Deb; Faglioni, Francesco; Muller, Rick P.; Goddard, William. A.; Harris, Thomas; Campbell, Curt; Tang, Yongchun (1 February 2006). "Alkylation of Phenol: A Mechanistic View". The Journal of Physical Chemistry A. 110 (6): 2246–2252. Bibcode:2006JPCA..110.2246M. doi:10.1021/jp0560213. PMID 16466262.
^ D. Landini; F. Rolla (1978). "Sulfide Synthesis In Preparation Of Dialkyl And Alkyl Aryl Sulfides: Neopentyl Phenyl Sulfide". Org. Synth. 58: 143. doi:10.15227/orgsyn.058.0143.
^ "Anisole". Organic Syntheses.
^ H. Perst; D. G. Seapy (2008). "Triethyloxonium Tetrafluoroborate". Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis. doi:10.1002/047084289X.rt223.pub2. ISBN 978-0471936237.
^ Proctor, Lee D.; Warr, Antony J. (November 2002). "Development of a continuous process for the industrial generation of diazomethane". Organic Process Research & Development. 6 (6): 884–892. doi:10.1021/op020049k.
^ "Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis". e-EROS Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis. 2001. doi:10.1002/047084289X.rt298.pub2. ISBN 0471936235.
^ Misono, Makoto (2009). "Recent progress in the practical applications of heteropolyacid and perovskite catalysts: Catalytic technology for the sustainable society". Catalysis Today. 144 (3–4): 285–291. doi:10.1016/j.cattod.2008.10.054.
^ Bouziane, M.; Miao, F.; Ye, N.; Holmquist, G.; Chyzak, G.; O'Connor, T. R. (1998). "Repair of DNA alkylation damage". Acta Biochimica Polonica. 45 (1): 191–202. ISSN 0001-527X. PMID 9701511.
^ "Alkylation". Kirk‐Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 2003. doi:10.1002/0471238961.0112112508011313.a01.pub2. ISBN 0471238961.
^ Kore, Rajkumar; Scurto, Aaron M.; Shiflett, Mark B. (2020). "Review of Isobutane Alkylation Technology Using Ionic Liquid-Based Catalysts—Where Do We Stand?". Industrial & Engineering Chemistry Research. 59 (36): 15811–15838. doi:10.1021/acs.iecr.0c03418.
^ "Oil & Gas Engineering | Ionic liquid alkylation technology receives award". 2 January 2018.

Pautan luar

Halaman Macrogalleria mengenai pengeluaran polikarbonat
Alkylating+agents dalam Tajuk Subjek Perubatan (MeSH) di Perpustakaan Perubatan Negara AS

[1] March Jerry; (1985). Advanced Organic Chemistry reactions, mechanisms and structure (3rd ed.). New York: John Wiley & Sons, inc. ISBN 0-471-85472-7

[2] Stefanidakis, G.; Gwyn, J.E. (1993). "Alkylation". Dalam John J. McKetta (penyunting). Chemical Processing Handbook. CRC Press. m/s. 80–138. ISBN 0-8247-8701-3.

[3] Ma, Qisheng; Chakraborty, Deb; Faglioni, Francesco; Muller, Rick P.; Goddard, William. A.; Harris, Thomas; Campbell, Curt; Tang, Yongchun (1 February 2006). "Alkylation of Phenol: A Mechanistic View". The Journal of Physical Chemistry A. 110 (6): 2246–2252. Bibcode:2006JPCA..110.2246M. doi:10.1021/jp0560213. PMID 16466262.

[4] D. Landini; F. Rolla (1978). "Sulfide Synthesis In Preparation Of Dialkyl And Alkyl Aryl Sulfides: Neopentyl Phenyl Sulfide". Org. Synth. 58: 143. doi:10.15227/orgsyn.058.0143.

[5] "Anisole". Organic Syntheses.

[6] H. Perst; D. G. Seapy (2008). "Triethyloxonium Tetrafluoroborate". Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis. doi:10.1002/047084289X.rt223.pub2. ISBN 978-0471936237.

[proctor-7] Proctor, Lee D.; Warr, Antony J. (November 2002). "Development of a continuous process for the industrial generation of diazomethane". Organic Process Research & Development. 6 (6): 884–892. doi:10.1021/op020049k.

[8] "Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis". e-EROS Encyclopedia of Reagents for Organic Synthesis. 2001. doi:10.1002/047084289X.rt298.pub2. ISBN 0471936235.

[Misono-9] Misono, Makoto (2009). "Recent progress in the practical applications of heteropolyacid and perovskite catalysts: Catalytic technology for the sustainable society". Catalysis Today. 144 (3–4): 285–291. doi:10.1016/j.cattod.2008.10.054.

[10] Bouziane, M.; Miao, F.; Ye, N.; Holmquist, G.; Chyzak, G.; O'Connor, T. R. (1998). "Repair of DNA alkylation damage". Acta Biochimica Polonica. 45 (1): 191–202. ISSN 0001-527X. PMID 9701511.

[11] "Alkylation". Kirk‐Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. 2003. doi:10.1002/0471238961.0112112508011313.a01.pub2. ISBN 0471238961.

[12] Kore, Rajkumar; Scurto, Aaron M.; Shiflett, Mark B. (2020). "Review of Isobutane Alkylation Technology Using Ionic Liquid-Based Catalysts—Where Do We Stand?". Industrial & Engineering Chemistry Research. 59 (36): 15811–15838. doi:10.1021/acs.iecr.0c03418.

[13] "Oil & Gas Engineering | Ionic liquid alkylation technology receives award". 2 January 2018.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]