Alkylation - Arukiruuka (English spelling) alkylation

Japanese: アルキル化 - あるきるか（英語表記）alkylation

It usually refers to a reaction in which an alkyl group, C _n H _{2 n +1} -, is bonded to an atom that constitutes an organic compound. Depending on the type of atom that bonds with the alkyl group, it is distinguished as C-alkylation for carbon, N-alkylation for nitrogen, O-alkylation for oxygen, etc. The alkylation of oxygen and metals in inorganic compounds is also known. It is widely used as one of the most important unit reactions in the chemical industry, and is also important in the synthesis of organic compounds and in reaction processes in living organisms.

[Masahiro Hirota]

C-Alkylation

Alkylation at carbon atoms is actually known as a substitution or addition reaction in organic compounds. The main methods of C-alkylation reactions are coupling reactions, alkylation of carboanions such as enolates, formation of C-C bonds by addition reactions, and Friedel-Crafts reactions.

(1) Coupling reaction Generally, this is a reaction in which the alkyl groups of an alkyl metal and an alkyl halide form a C-C bond. Examples of this reaction include the long-known Wurtz-Fittig reaction and the reaction of a Grignard reagent with an alkyl halide. Recently, many coupling reactions using transition metal catalysts such as palladium have been developed.

(2) Reaction of carboanions with alkyl halides Carboanions such as enolates can be C-alkylated by electrophilic attack from alkyl halides. For example, the anion of a malonate ester can be easily alkylated at the α-carbon.

Na ⁺ C ^- H(COOC ₂ H ₅ ) ₂ +R-X
―→RCH(COOC ₂ H ₅ ) ₂ +N _a -X
(3) Addition reactions Nucleophilic addition, in which organic metals are added to unsaturated compounds with double or triple bonds, and radical addition, in which free radicals are added, are used in C-alkylation. If the new alkyl radicals produced by the addition further add to the raw unsaturated compound, and the reaction occurs in a chain reaction, it becomes a polymerization reaction (addition polymerization. See the diagram ).

C-alkylation also occurs in the Michael addition reaction. Although not usually classified as an alkylation, cycloaddition reactions also produce C-C bonds.

(4) Friedel-Crafts reaction This is an electrophilic substitution reaction that is often used for the alkylation of aromatic hydrocarbons (Ar-H). In a typical reaction, alkylation is carried out using a Lewis acid such as anhydrous aluminum chloride as a catalyst and an alkyl halide (RX) as an alkylating agent. This reaction proceeds by reacting aluminum chloride with an alkyl halide to generate an alkyl cation (R ⁺ ), which attacks the π (pi) electrons of the aromatic ring. If an equimolar or greater amount of alkyl halide is used, a large number of alkyl groups can be introduced into the aromatic ring. Alkylation can also be carried out using a combination of an alcohol R-OH with sulfuric acid or phosphoric acid.

In the petrochemical industry, an alkylation process using an acid catalyst is used to produce branched isoparaffins with high antiknock properties.

[Masahiro Hirota]

O-Alkylation

Alkylation of oxygen in organic compounds is used to synthesize ethers from alcohols and phenols. Alkyl halides, dialkyl sulfates, and alcohols are commonly used as alkylating agents. Diazomethane ( _CH2N2 ₎ is used as a reagent for methylation under mild conditions. When O-alkylation is performed with alkyl halides, the alcohol or phenol is first converted to an alkoxide or phenoxide with sodium and then reacted.

[Masahiro Hirota]

N-Alkylation

Alkylation of nitrogen is used to convert primary amines to secondary amines, secondary amines to tertiary amines, and tertiary amines to quaternary ammonium salts. It is usually carried out with alkyl halides. A variety of alkylamines can be synthesized by this method. Ammonia can also be alkylated to produce primary amines.

Alkylation of nonmetallic and metallic elements such as sulfur, selenium, phosphorus, and silicon is also possible. Alkylation of metal atoms can be accomplished by reaction of alkyl halides with the metal or by transalkylation of alkylmetal compounds with more electropositive metals.

[Masahiro Hirota]

[Reference] | Alkyl group | Ethylation | Friedel-Crafts reaction | Methylation

Addition reaction (diagram)
©Shogakukan ">

Addition reaction (diagram)

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

通常は、有機化合物を構成する原子にアルキル基C_nH_2n+1-を結合させる反応をいう。アルキル基と結合する原子の種類により、炭素の場合はC-アルキル化、窒素の場合はN-アルキル化、酸素の場合はO-アルキル化など、それぞれの区別がある。無機化合物中の酸素や金属のアルキル化も知られている。化学工業のもっとも重要な単位反応の一つとして広く利用されているほか、有機化合物の合成、生体内の反応過程としても重要である。

［廣田　穰］

C-アルキル化

炭素原子上でのアルキル化は、実際には有機化合物の置換反応や付加反応として知られている。C-アルキル化反応のおもな方法としては、カップリング反応、エノラートなどの炭素陰イオンのアルキル化、付加反応によるC-C結合の形成、フリーデル‐クラフツ反応がある。

(1)カップリング反応　一般的にアルキル金属とハロゲン化アルキルのアルキル基どうしがC-C結合を形成する反応である。古くから知られているウルツ‐フィティッヒ反応、グリニャール試薬とハロゲン化アルキルとの反応などがあり、最近ではパラジウムなどの遷移金属触媒を用いる多くのカップリング反応が開発されている。

(2)炭素陰イオンとハロゲン化アルキルの反応　エノラートなどの炭素陰イオンはハロゲン化アルキルによる求電子的攻撃を受けてC-アルキル化される。たとえば、マロン酸エステルの陰イオンは容易にα(アルファ)-炭素上にアルキル化される。

　　Na⁺C^-H(COOC₂H₅)₂＋R-X
　　　―→RCH(COOC₂H₅)₂＋N_a-X
(3)付加反応　二重結合や三重結合をもつ不飽和化合物に対して有機金属などが付加する求核付加や、フリーラジカル（遊離基）が付加するラジカル付加などが、C-アルキル化に使われる。付加によりできた新しいアルキルラジカルが、さらに原料の不飽和化合物に付加して、反応が連鎖的におこると重合反応になる（付加重合。図参照）。

　マイケル付加反応でもC-アルキル化がおこる。また、普通アルキル化には含めないが、付加環化反応もC-C結合を生成する反応である。

(4)フリーデル‐クラフツ反応　芳香族炭化水素（Ar-H）のアルキル化にしばしば用いられる反応で、求電子的置換反応である。典型的な反応では、無水塩化アルミニウムなどのルイス酸を触媒とし、ハロゲン化アルキル（R-X）をアルキル化剤として用いてアルキル化を行う。この反応は、塩化アルミニウムとハロゲン化アルキルが反応してアルキル陽イオン（R⁺）が生成し、これが芳香環のπ(パイ)電子を攻撃する機構で進行する。ハロゲン化アルキルを等モル以上用いると、多数のアルキル基を芳香環に導入できる。アルコールR-OHと硫酸やリン酸との組合せを用いても、アルキル化を行うことができる。

　石油化学工業ではアンチノック性の高い枝分れしたイソパラフィンの製造法として、酸触媒を用いるアルキル化のプロセスが応用されている。

［廣田　穰］

O-アルキル化

有機化合物中の酸素のアルキル化は、アルコールやフェノールからエーテルを合成する際に利用される。アルキル化剤としてはハロゲン化アルキル、硫酸ジアルキル、アルコールが一般に使われる。穏和な条件下でメチル化を行う試薬としてはジアゾメタンCH₂N₂が使われる。ハロゲン化アルキルによりO-アルキル化を行う場合には、アルコールやフェノールをナトリウムによりアルコキシドまたはフェノキシドにして反応させる。

［廣田　穰］