アルキル化
エチレンと不均一触媒としてのZSM-5を用いたベンゼンのアルキル化の典型的な経路

アルキル化はアルキル基の移動を伴う化学反応である。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、またはカルベン（またはそれらの等価物）として移動され得る。[ 1 ] [ 2 ]アルキル化剤はアルキル化を行うための試薬である。アルキル基は、脱アルキル化として知られるプロセスで除去することもできる。アルキル化剤は、求核性または求電子性によって分類されることが多い。石油精製の文脈では、アルキル化はオレフィンによるイソブタンの特定のアルキル化を指す。石油のアップグレードでは、アルキル化によりガソリン用の高級ブレンドストックが製造される。[ 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る。アルキル化は、アルキル化抗腫瘍剤と呼ばれるクラスの薬剤によって達成される。

求核アルキル化剤

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します。正式な「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の間に新たな共有結合を形成します。リチウムなどの陽イオンである対イオンは、後処理で除去・洗い流すことができます。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ます。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反応を起こします。求核アルキル化剤は、 SN2機構によって炭素原子上のハロゲン化物置換基を置換することができます。また、触媒を用いることで、鈴木カップリング反応に代表されるアルキルハロゲン化物やアリールハロゲン化物もアルキル化します。

熊田カップリングは、ハロゲン化アリール（L =配位子、Ar =アリール）の酸化的付加に続く求核アルキル化ステップの両方を採用しています。出発物質である臭化アリール（Ar-Br）は、配位子を持つニッケル（NiL 2）と反応します。次に、グリニャール試薬（R-MgBr）がニッケル中心をアルキル化し、臭化物配位子（Br）をアルキル配位子（R）に置き換えます。このニッケル-アリール-アルキル錯体は転位と還元的脱離を起​​こしてアルキル化アリール（Ar-R）を放出します。この反応の結果、アリール基（Ar）がアルキル基（R）でアルキル化され、臭化物（Br）が置き換えられ、目的の生成物であるアルキル化アリール（Ar-R）が生成されます。臭化物は臭化マグネシウム（MgBr 2）として放出されます。配位子を持つニッケル（NiL 2）は触媒として作用し、複数回再利用されます。

SN2機構はアリール置換基には適用できません。アリール置換基の場合、炭素原子を攻撃する軌道は環の内側を通るためです。したがって、有機金属触媒による反応のみが可能です。

炭素求電子剤によるアルキル化

C-アルキル化

C-アルキル化は、炭素間結合を形成するプロセスである。その最も大きな例は、低分子量アルケンを高オクタン価ガソリン成分に変換する石油化学工場のアルキル化装置で行われる。フェノールなどの電子豊富種も、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る。例として、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、酸化防止剤として使用されるBHTなどのブチル化フェノールが挙げられる。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る。[ 4 ]実験室規模では、フリーデル・クラフツ反応ではハロゲン化アルキルを使用する。これは、気体になる傾向がある対応するアルケンよりも扱いやすいことが多いためである。この反応は三塩化アルミニウムによって触媒される。ハロゲン化アルキルはアルケンよりも高価なため、この方法は工業的にはほとんど使用されない。

N-,P-,S-アルキル化

N-、P-、S-アルキル化は、炭素-窒素、炭素-リン、炭素-硫黄結合の形成に重要なプロセスである。

アミンは容易にアルキル化されます。アルキル化速度は、第三級アミン＜第二級アミン＜第一級アミンの順です。代表的なアルキル化剤はアルキルハライドです。産業界では、アミンとアルコールをアルキル化し、副産物として水を得るグリーンケミストリー手法がしばしば利用されています。ヒドロアミノ化は、 N-アルキル化のためのもう一つのグリーンな方法です。

メンシュトキン反応では、第三級アミンはアルキルハライドとの反応によって第四級アンモニウム塩に変換されます。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同様の反応が起こり、生成物はホスホニウム塩です。

メンシュトキン反応
メンシュトキン反応

チオールはチオール-エン反応によって容易にアルキル化され、チオエーテルを与える。[ 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与える。

O-アルキル化

アルコールはアルキル化してエーテルを生成する。

R−おお+R′−X⟶R−お−R′{\displaystyle {\ce {R-OH + R'-X -> ROR'}}}

アルキル化剤がアルキルハライドである場合、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、特に容易です。[ 6 ]

電話番号−お−+自分2−それで4⟶電話番号−お−自分+自分−それで4−{\displaystyle {\ce {Ph-O- + Me2-SO4 -> Ph-O-Me + Me-SO4-}}}
（Na +を傍観イオンとして）

アルコールやフェノールのより複雑なアルキル化にはエトキシル化が含まれます。 この反応におけるアルキル化基はエチレンオキシドです。

金属への酸化付加

酸化的付加と呼ばれるプロセスでは、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与えることがよくあります。この反応は、ヨウ化メチルから酢酸を合成するCativaプロセスにおける一つのステップです。多くのクロスカップリング反応も酸化的付加を介して進行します。

求電子アルキル化剤

トリエチルオキソニウムテトラフルオロボレートは、最も求電子性の高いアルキル化剤の一つである。[ 7 ]

求電子アルキル化剤はアルキルカチオンと同等の反応を起こします。アルキルハライドは代表的なアルキル化剤です。トリメチルオキソニウムテトラフルオロボレートとトリエチルオキソニウムテトラフルオロボレートは、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） により、特に強力な求電子剤です。ジメチル硫酸は求電子性が中程度です。

ジアゾメタンによるメチル化

ジアゾメタンは実験室ではよく使われるメチル化剤ですが、非常に危険（急性毒性の高い爆発性ガス）であるため、特別な注意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量は大幅に削減されました。[ 9 ]

危険

求電子性の可溶性アルキル化剤は、DNAをアルキル化する性質のため、しばしば毒性と発がん性を示します。この毒性メカニズムは、アルキル化抗腫瘍剤という形態をとる抗がん剤の機能と関連しています。マスタードガス（ジクロロエチル硫化物）などの一部の化学兵器はアルキル化剤として機能することがあります。アルキル化されたDNAは、適切にコイル状に巻かれたりほどけたりしないか、あるいは情報解読酵素によって処理されません。機能的なDNAがなければ、細胞の機能は停止し、細胞死に至ります。したがって、これらのアルキル化剤は細胞毒性を示します。

触媒

ベンゼンのフリーデルクラフツアルキル化は、多くの場合、三塩化アルミニウムによって触媒されます。

求電子アルキル化では、ルイス酸とブレンステッド酸が用いられ、場合によっては両方が用いられる。古典的には、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る。オレフィンによるアルキル化にはブレンステッド酸が用いられる。典型的な触媒としては、固体酸触媒であるゼオライトと硫酸が挙げられる。 ケイタングステン酸は、酢酸をエチレンでアルキル化して酢酸エチルを製造する際に用いられる。[ 10 ]

C2H4+CH3二酸化炭素2H⟶CH3二酸化炭素2C2H5{\displaystyle {\ce {C2H4 + CH3CO2H -> CH3CO2C2H5}}}

生物学では

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反応で、 EMS （エチルメタンスルホネート）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に架橋を引き起こします。アルキル化によって損傷した環窒素塩基は、塩基除去修復（BER）経路によって修復されます。[ 11 ]

DNAメチル化におけるS N 2様メチル基転移反応。簡略化のため、 SAM補因子とシトシン塩基のみを示している。

汎用化学品

アルキル化によって様々な汎用化学品が生産されています。これには、エチルベンゼン（スチレンの前駆体）、クメン（フェノールおよびアセトンの前駆体）、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩（洗剤用）といったベンゼンをベースとした基本的な原料が含まれます。[ 12 ]

ドデシルベンゼンナトリウムは、ベンゼンをドデセンでアルキル化して得られるもので、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩洗剤の前駆体です。

ガソリン生産

2,4-ジメチルペンタンへの典型的な酸触媒経路。

従来の石油精製所では、固体酸（ゼオライト）を含む可能性のあるブレンステッド酸触媒の存在下で、イソブタンを低分子量アルケン（主にプロペンとブテンの混合物）でアルキル化します。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。「アルキレート」と呼ばれるこの生成物は、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性とクリーンな燃焼性を有するため、高級ガソリンのブレンドストックとして使用されています。また、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、旧世代の強ブロンステッド酸の代わりに使用されます。[ 14 ] [ 15 ]

脱アルキル化

アルキル化反応を補完するものとして、その逆である脱アルキル化反応があります。最もよく使われるのは脱メチル化反応で、生物学、有機合成、その他の分野で広く用いられており、特にメチルエーテルやメチルアミンに多く用いられています。

参照

参考文献

  1. ^マーチ・ジェリー（1985年）『上級有機化学 反応、メカニズム、構造』（第3版）ニューヨーク：ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社ISBN 0-471-85472-7
  2. ^ 「アルキル化（定義）」 .エネルギー辞典. 2025年9月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2025年9月13日閲覧。
  3. ^ Stefanidakis, G.; Gwyn, JE (1993). 「アルキル化」. John J. McKetta (編).化学処理ハンドブック. CRC Press. pp.  80– 138. ISBN 0-8247-8701-3。
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  15. ^ 「石油・ガス工学 | イオン液体アルキル化技術が賞を受賞」 2018年1月2日。
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