Alquilación

A alquilación é a transferencia dun grupo funcional alquilo desde unha molécula a outra. O grupo alquilo pode ser transferido por medio dun alquil carbocatión, un radical libre, un carbanión ou un carbeno (ou os seus equivalentes). Os axentes alquilantes utilízanse amplamente en química porque os grupos alquilo son un dos grupos máis comúns que se encontran nas moléculas orgánicas. Moitas moléculas diana biolóxicas ou os seus precursores sintéticos están compostas por unha cadea alquilo con grupos funcionais específicos nunha determinada orde. A alquilación selectiva, ou engadir partes á cadea cos grupos funcionais desexados, utilízase especialmente cando non hai ningún precursor biolóxico do que se poida dispoñer comunmente. A alquilación cun grupo alquilo dun só carbono denomínase metilación.
En contextos referentes á refinación do petróleo, a alquilación refírese a unha determinada alquilación de isobutano con olefinas. Para converter o bitume ou o petróleo pesado en cru sintético, a alquilación produce alquilato C7–C8 sintético, que é un produto para mesturar coa gasolina súper.
En medicina, a alquilación de ADN utilízase en quimioterapia para danar o ADN de células cancerosas. A alquilación realízase cun tipo de fármacos chamados axentes alquilantes antineoplásticos. Axentes alquilantes
Os axentes alquilantes clasifícanse segundo o seu carácter nucleofílico ou electrofílico.
Axentes alquilantes nucleofílicos
Os axentes alquilantes nucleofílicos ceden o equivalente dun anión alquilo (carbanión). Exemplos son compostos organometálicos como os reactivos Grignard (organomagnesio), organolitio, organocobre, e organosodio. Estes compostos tipicamente poden engadir grupos a un átomo de carbono deficiente en electróns como por exemplo a un grupo carbonilo. Os axentes nucleofílicos alquilantes poden tamén desprazar substituíntes haluros nun átomo de carbono. En presenza de catalizadores, tamén alquilan alquil haluros e aril haluros, como se exemplifica no acoplamento de Suzuki.
Axentes alquilantes electrofílicos
Os axentes alquilantes electrofílicos ceden o equivalente dun catión alquilo. Exemplos son os alquil haluros cun ácido de Lewis como catalizador que alquilan substratos aromáticos en reaccións de Friedel-Crafts. Os alquil haluros poden tamén reaccionar directamente con aminas para formar enlaces C-N; e o mesmo ocorre con outros nucleófilos como alcohois, ácidos carboxílicos, tiois etc. O trimetiloxonio tetrafluoroborato e o trietiloxonio tetrafluoroborato son electrófilos especialmente fortes debido á súa carga positiva e un grupo que sae inerte (dimetil ou dietil éter).
Os axentes alquilantes electrofílicos solubles son a miúdo moi tóxicos, debido á súa capacidade de alquilar o ADN, polo que deberían manexarse con equipos de protección persoal adecuados. Este mecanismo de toxicidade é tamén responsable da capacidade dalgúns axentes alquilantes para funcionar como fármacos anticancro en forma de axentes antineoplásticos alquilantes, e tamén como armas químicas como o gas mostaza. O ADN cando está alquilado non se pode enrolar ou non o fai axeitadamente, ou non pode ser procesado polos encimas que descodifican a información. Isto orixina citotoxicidade co efecto de inhibir o crecemento da célula, iniciar a morte celular programada ou apoptose. Porén, tamén desencadean mutacións, incluíndo mutacións carcinoxénicas, o que explica a alta incidencia de cancro despois da exposición a eles.
Os alcohois e fenois poden ser alquilados para orixinar alquil éteres: R-OH + R'-X → R-O-R' + H-X
O ácido HX producido é retirado cunha base, ou, alternativamente, o alcohol é desprotonado primeiro para dar un alcóxido ou fenóxido. Por exemplo, o dimetil sulfato alquila o sal de sodio do fenol para dar anisol, que é o metil éter do fenol. O dimetil sulfato é desalquilado a metil sulfato de sodio. Ph-O− Na+ + Me2SO4 → Ph-O-Me + Na+ MeSO4−
Ao contrario, a alquilación de aminas introduce o problema de que a alquilación dunha amina a fai máis nucleofílica. Así, cando se introduce un axente alquilante electrofílico nunha amina primaria, este alquilará preferentemente todos os pasos ata formar un catión de amonio cuaternario. R-NH2 → R-NH-R' → R-N(R')2 → R-N(R')3+ (o axente alquilante foi omitido para máis claridade)
Se o amonio cuaternario non é o produto desexado, son necesarias unhas rutas máis complicadas como a aminación redutiva.
Axentes alquilantes carbenos
Os carbenos son extremadamente reactivos e atacan mesmo a enlaces C-H inactivados. Os carbenos poden xerarse por eliminación dun grupo diazo. A diferenza dos axentes alquilantes nucleofílicos e electrofílicos, os carbenos son neutros, e insírense directamente en enlaces. Un metal pode formar un equivalente carbeno que se denomina complexo carbeno de metal de transición. En bioloxía
A metilación é o tipo máis común de alquilación, e está asociada á transferencia dun grupo metilo. A metilación diferénciase doutras alquilacións en que transfire especificamente un carbono, mentres que a alquilación pode referirse á transferencia de grupos de longas cadeas carbonadas. A metilación na natureza realízana xeralmente encimas con partes derivadas da vitamina B12 (e co concurso da S-adenosilmetionina), nos que na transferencia do grupo metil intervén o cobalto. Na metanoxénese, o coencima M é metilado pola tetrahidrometanopterina.
Os compostos electrofílicos poden alquilar diferentes nucleófilos no corpo. A toxicidade, carcinoxenicidade e, paradoxalmente, son un exemplo as capacidades de matar células cancerosas dos diferentes axentes alquilantes. Refinación do petróleo
No proceso de refinación do petróleo estándar, o isobutano é alquilado con alquenos de baixo peso molecular (principalmente unha mestura de propeno e buteno) en presenza dun catalizador ácido de Bronsted, como o ácido sulfúrico ou o ácido fluorhídrico. Nas refinerías de petróleo hai unha unidade de alquilación de ácido sulfúrico ou unha unidade de alquilación de ácido fluorhídrico onde se realizan as alquilacións. O catalizador protona os alquenos (propeno, buteno) para producir carbocatións reactivos, os cales alquilan o isobutano. A reacción lévase a cabo a temperaturas suaves (0 e 30 °C) nunha reacción en dúas fases. Como a reacción é exotérmica, cómpre facer un arrefriamento. As plantas de alquilación de ácido sulfúrico necesitan baixas temperaturas polo que o medio de arrefriamento debe ser refrixerado, pero nas unidades de alquilación de ácido fluorhídrico abonda con utilizar como refrixerante auga normal. É importante manter unha alta proporción isobutano/alqueno no punto de reacción para impedir reaccións colaterais que producirían un produto cunha octanaxe máis baixa, de modo que as plantas teñen que reciclar o isobutano e vólveno a engadir. As fases sepáranse espontaneamente, polo que a fase ácida é mesturada vigorosamente coa fase hidrocarbonada para crear unha superficie de contacto suficiente.
O produto denomínase alquilato e está composto por unha mestura de hidrocarburos parafínicos de cadea ramificada de alta octanaxe (principalmente isoheptano e isooctano). O alquilato é un produto para mesturar coa gasolina súper porque ten excepcionais propiedades antidetonantes e arde limpamente. O alquilato é tamén un compoñente clave do avgas (gasolina para aviación). O número de octanos do alquilato depende principalmente do tipo de alquenos usados e das condicións de funcionamento. Por exemplo, o isooctano orixínase pola combinación de buteno con isobutano e ten unha octanaxe de 100 por definición. Hai outros produtos no alquilato, polo que o número de octano (ou octanaxe) variará en consecuencia.
Como o cru xeralmente contén só do 10 ao 40 % de constituíntes hidrocarburos que estean no rango utilizado nas gasolinas, as refinerías usan un proceso chamado cracking catalítico fluído para converter hidrocarburos de alto peso molecular en compostos máis pequenos e volátiles, que son despois convertidos en hidrocarburos líquidos do tamaño apropiado para as gasolinas. Os procesos de alquilación transforman alquenos de baixo peso molecular e moléculas de iso-parafinas en iso-parafinas máis grandes cun maior número de octano.
Combinando o cracking, a polimerización, e a alquilación pode obterse un rendemento en gasolina que chegue ao 70 % do petróleo cru inicial. Desenvolvéronse tamén procesos máis avanzados, como a ciclación de parafinas e a deshidroxenación de naftenos que forman hidrocarburos aromáticos nun reformador catalítico, que incrementan a proporción de octanos da gasolina. A produción nunha refinaría moderna pode cambiarse para producir case calquera tipo de combustible con criterios de funcionamento especificados partindo dun só cru inicial.
As refinerías avalían se ten senso economicamente instalar ou non unidades de alquilación. As unidades de alquilación son complexas, e teñen unha economía de escala substancial. Ademais de engadir unha cantidade axeitada de materia prima, a diferenza de prezo entre o valor do produto alquilato e o valor da materia prima debe ser dabondo grande como para xustificar a instalación. Usos alternativos da alquilación da materia prima nas refinerías son a produción de gas de petróleo licuado, a mestura de fluxos de C4 directamente na gasolina e as materias primas utilizables en plantas químicas. As condicións do mercado local varían considerablemnente entre unhas plantas e outras. A variación na especificación da RVP para as gasolinas da lexislación de cada país e en cada temporada ten un impacto drástico na cantidade de butano que se pode mesturar directamente coa gasolina. O transporte de tipos específicos de gas de petróleo licuado poden ser caras, polo que as disparidades locais nas condicións económicas a miúdo non son mitigadas completamente polos movementos no mercado xeral das materias primas para a alquilación.
A dispoñibilidade dun catalizador axeitado é outro importante factor para decidir se se constrúe unha planta de alquilación. Se se usa o ácido sulfúrico, cómpren volumes significativos de dito produto. É necesario un acceso a unha planta adecuada para subministrar o ácido novo e para retirar o ácido gastado. Se hai que construír unha planta de ácido sulfúrico especificamente para manter unha unidade de alquilación, dita construción terá un considerable impacto nas necesidades iniciais de capital e custos regulares de operación. Alternativamente é posible instalar unha unidade de proceso WSA para rexenerar o ácido gastado. Non se produce un secado do gas. Isto significa que non haberá perdas de ácido, e que non se perde ningún residuo de material ácido nin de calor no proceso de requentado do gas. A condensación selectiva no condensador WSA asegura que o ácido novo obtido por rexeneración será o 98% w/w mesmo no gas do proceso húmido. É posible combinar a rexeneración do ácido gastado coa eliminación de sulfuro de hidróxeno usando o sulfuro de hidróxeno como un combustible interno na refinaría ou noutro lugar.
A segunda opción importante de catalización é usar ácido fluorhídrico (HF). Nas plantas de alquilación con HF típicas, o consumo de ácido é moito menor que no caso de usar ácido sulfúrico. Estas plantas tamén producen alquilato con mellor octanaxe que o das plantas de ácido sulfúrico. Con todo, debido á súa perigosa natureza, o ácido fluorhídrico prodúcese en moi poucos lugares e o seu transporte debe ser xestionado con moito rigor.