В органической химии огромное значение имеет то, как построен углеродный скелет молекулы. Его можно изменить различными реакциями. Одним из таких процессов является алкилирование – реакция синтеза новых веществ под действием алкилирующих агентов (например, галогенпроизводных, спиртов, простых и сложных эфиров, непредельных соединений типа этилена).
Особенно популярны такие процессы в химии лекарственных веществ – с помощью алкилирования получают антибиотики.
Разные вещества вступают в такую реакцию по-разному, поэтому катализаторы и алкилирующие агенты в каждом отдельном случае применяются индивидуально.
Алкилирование по Фриделю Крафтсу
Классическим примером данной реакции является алкилирование по Фриделю-Крафтсу. В целом схема реакции такая: в качестве катализатора используются кислоты Льюиса (чаще всего хлористый алюминий), а атом водорода в соединении замещается на необходимую алкильную группу из алкилирующего агента. Обычно это галогеналкан в избытке бензола.
Реакцией по Фриделю-Крафтсу обычно получают производные бензола – его гомологи. Если в процессе алкилирования используются спирты, катализатор подбирают другой – сильную минеральную кислоту.
Чаще всего алкилированию подвергаются ароматические соединения.
Процесс проводится в следующих условиях:
Обычно для получения алкилпроизводных из ароматики используют непредельные углеводороды (с двойной связью в молекуле).
С помощью такой реакции можно получить из бензола и этилена этилбензол. Процесс каталитический, требует нагревания примерно до 130 градусов и создания давления около 0.18 МПа. Требуется хорошо осушить реагенты, иначе катализатор будет расходоваться слишком быстро – обычно для этого используется азеотропная перегонка.
После реакции образуются следующие соотношения в продуктах:
Этилен, тем не менее, используется реже, чем пропилен, для этой реакции, так как последний имеет большую реакционную способность. Но образующийся продукт другой.
Процесс алкилирования является обратимым. На это указывает то, что в присутствии кислоты Льюиса может легко произойти противоположный процесс – деалкилирование. При этом образуются одиночные алкилбензолы из полиалкилбензолов.
Если провести реакцию бензола с пропиленом в присутствии катализатора, образуется вещество с тривиальным названием кумол (изопропиловый бензол). Катализатор здесь именной – комплекс Густавсона. Получается он при нагревании хлористого алюминия с соляной кислотой, бензолом и пропеном. Иногда используется в качестве катализатора данной реакции не кислота Льюиса, а фосфорнокислые соединения. Но так можно получить только изопропилбензол.
Как и при алкилировании бензола этиленом, из этой реакции выход составляет не более половины от всего объема реагентов.
В процессе алкилирования аминов принимают участие галогенпроизводные алкильных соединений, либо их сульфаты. Здесь имеет значение то, в каком соотношении взяты реагенты – это определяет и продукты, и выход.
Обычно при таком алкилировании в большей степени образуются вторичные и третичные амины, а первичные присутствуют в смеси в виде неизрасходованного в реакции реагента. Иногда также содержатся следовые количества четвертичных оснований аммония. Такая неоднородность продуктов объясняется тем, что галоген в реакции соединяется с водородом.
Полученная кислота с аминами легко образует соли, которые мешают протеканию реакции алкилирования. Степень солеобразования прямо зависит от основности аминов – чем они основнее, тем больше солей получается.
Если амин относится к ароматике, в продуктах можно обнаружить много исходного реагента в солеобразном состоянии. Чтобы этого избежать, в реакционную смесь вводят агенты для связывания галогеновых кислот (например, карбонат натрия).
Алкилирование фенола
Прямая реакция алкилирования для фенола не проводится, так как фенол с кислотой Льюиса образует соединения (хлористый алюминий замещает водород в гидроксильной группе).
Необходимую реакцию для фенолов можно провести со спиртами или алкенами в кислотной среде. Катализатор этого процесса – серная, фтороводородная кислоты, либо смолы-катионобменники.
При этом происходит ориентация присоединяющихся групп в орто-, мета- и пара-положения. Молекулы имеют пространственные затруднения, так как являются разветвленными.
Для аминокислотных соединений реакцию можно провести галогеналкилами (как и для аминов) по аминогруппе. Углеводородный радикал при этом присоединяется к азоту в группе. Если взять избыток реагента, можно получить четвертичную аммонийную соль.
Катализатор процесса типичный – любая кислота Льюиса.
В случае с алкенами алкилирование проводится с присоединением насыщенного углеводородного соединения. Например, если в качестве катализатора используются минеральные кислоты типа серной, можно получить изооктан из изобутена и изобутана.
При этом сначала алкен димеризуется, после чего происходит его атака насыщенным радикальным соединением. Выход – около 50%.
Метильный радикал в толуоле является ориентантом первого рода (при реакции с избытком алкилирующего вещества посылает все заместители в положения бензольного кольца 2,4,6). В качестве алкилирующего агента используется пропилен. Если в реакции его мало, преимущественно образуется 2-изопропилтолуол.
Если реакция проводится с кислотными катализаторами, могут получиться ксилолы всех возможных типов. Для их разделения достаточно сделать перегонку.
Процесс алкилирования проводится по-разному – все зависит от того, к какому классу относится соединение-реагент и что нужно получить в качестве продукта.
От этого зависит выбор условий протекания процесса и катализаторы.
Посмотрите также:Куда сдать на утилизацию отходы, технику и другие вещи в Вашем городе
