5. Алкілювання

Реакціями алкілювання називають реакції, що включають заміну атома водню органічної сполуки алкільним радикалом. Залежно від того, при якому атомі в молекулі відбувається заміщення водню, розрізняють N-, О- і С-алкілювання.

Механізм реакції. Незалежно від природи реакційного центру субстрату і його будови, а також від будови алкілюючого агента у всіх випадках процеси протікають за електрофільним механізмом. На прикладі алкілювання амінів спиртами (у присутності сильної мінеральної кислоти) схема виглядає так:

AlkOH + Н⁺ Alk–ОН⁺₂; Alk–OH⁺₂  Alk⁺ + Н₂О

Ar–NH₂ + Alk⁺ → Ar–N⁺H₂–Alk  ArNHAlk + H⁺

За аналогічним механізмом відбувається алкілювання гідроксопохідних з утворенням відповідних алкілових ефірів.

Механізм С-алкілювання ароматичного ядра включає участь каталізаторів, які сприяють утворенню карбкатіонів:

Алкілюючі агенти. В синтезі алкілпохідних використовуються одно-, двох- і багатоатомні спирти аліфатичного ряду, а також жирно-ароматичні спирти і феноли. Не меншого значення набули галогеналкіли і галогенарили.

У разі малої реакційної здатності субстратів застосовують діалкілсульфати – алкілові ефіри сірчаної кислоти (Alk)₂SO₄. Більш зручні в роботі в порівнянні з діалкілсульфатами метилові ефіри бензол- і толуолсульфокислот (С₆Н₅SО₂ОСН₃ і СН₃С₆H₄SO₂ОСН₃), які абсолютно нешкідливі. Як м'який алкілюючий засіб використовують діазометан. Його перевага в тому, що побічний продукт реакції – азот – легко видаляється з реакційної суміші. Для добування С-алкілпохідних застосовуються також і ненасичені вуглеводні.

Умови проведення реакцій. Алкілювання амінів. Реакція алкілювання спиртами в звичайних умовах протікає дуже повільно. Тому процес проводять при нагріванні і підвищеному тиску. Залежно від природи алкілюємого субстрату і каталізатора час і температура, при яких здійснюється алкілювання, можуть бути різними. Істотний вплив надає каталізатор – галогеноводневі кислоти. Так, з бромоводневою кислотою швидкість реакції вища, ніж з хлороводневою. У присутності йодоводневої кислоти вона зростає ще більше.

Значний вплив на хід реакції справляє співвідношення аміну і кислоти, яке може змінюватися від 20:1 до 1:1. Хлороводень вводять у реакцію у вигляді гідрохлориду аміну. При використанні сірчаної кислоти її кількість складає 0,05 – 0,3 моль на моль аміну. Воду, яка виділяється в процесі реакції видаляють азеотропною відгонкою або водовіднімаючими засобами.

Алкілювання аміногруп може бути досягнуто також обробкою аміну галогеналкілами. Їх застосування представляє інтерес для введення таких алкільних груп, галогенопохідні яких більш доступні і легше вступають у взаємодію з амінами, ніж відповідні спирти. Застосування найпростіших галогеналкілів, наприклад, хлористого етилу, реалізується в тих випадках, коли аміни не можуть бути алкільовані спиртами. Галогеноводень, що виділяється в процесі реакції іноді зв'язують надлишком аміну, але найчастіше додаванням до реакційної маси гідроксидів лужних і лужноземельних металів, карбонатів натрію і кальцію. Температура реакції, як правило, не перевищує 100°С, тому синтези проводять у колбі зі зворотним холодильником. З низькокиплячими галогеналкілами реакції проводять в автоклавах.

Алкілювання спиртів і фенолів. Алкілювання гідроксогрупи дією спирту і мінеральної кислоти має обмежене застосування, переважно для сполук нафталінового і антраценового рядів. У бензоловому ряді спиртом в кислому середовищі можуть бути алкільовані резорцин і особливо легко флороглюцин. Для алкілювання і, зокрема, для метилювання гідроксосполук широко використовують диметилсульфат і метилові ефіри бензол- і n-толуолсульфокислот. Процес проводять, як правило, з надлишком лугу:

ArONa + (СН₃О)₂SO₂ → АrOСН₃ + CH₃OS₃ONa

Натрієва сіль монометилового ефіру сірчаної кислоти, що утворюється спочатку, при тривалому нагріванні до 100 – 110°С метилює другу молекулу гідроксипохідного:

ArONa + CH₃OSO₃Na → АrОСН₃ + Na₂SO₄

Перспективними алкілюючими агентами, особливо для фенолів, виявилися галогеналкіли. В цьому випадку найкраще для редакції використовувати феноляти натрію або калію.

Алкілювання ароматичних вуглеводнів. Для алкілювання цих сполук використовуються ті ж реагенти, що і для амінів і спиртів. У разі застосування як алкілюючих агентів спиртів реакція протікає лише з участю кислот. Добрі результати досягаються в синтезах з вищими аліфатичними спиртами, головним чином з третинними. В процесі реакції відбувається ізомеризація радикала спирту, тому у такий спосіб не можна ввести в ядро замісники з нормальним ланцюгом. Первинні спирти ізомеризуються у вторинні, а вторинні – в третинні.

Як правило, при алкілюванні ароматичних вуглеводнів спиртами за присутності сірчаної кислоти останню нагрівають до 70 – 80°С і до неї при перемішуванні повільно, протягом 3 – 5 год., підливають суміш ароматичного вуглеводню і спирту.

Запобіжні засоби. Особливу увагу при проведенні реакцій алкілювання звертають на правила роботи з диметилсульфатом. Останній, будучи отруйним продуктом, вимагає проведення синтезу у витяжній шафі з приспущеними дверцями і використання гумових рукавичок для захисту рук. Роботу з галогеноводнями також проводять у витяжній шафі, дотримуючи всі правила роботи з кислотами.

Ідентифікація. Для ідентифікації продуктів алкілювання можна використовувати як ІЧ-спектри, так і спектри ЯМР.