Alquilação

Alquilação é a transferência de um grupo alquila de uma molécula para outra. O grupo alquila pode ser transferido como um carbocátion alquídico, um radical livre, um carbânion ou um carbeno (ou seus equivalentes).

Agentes de alquilação são largamente usados em química porque o grupo alquila é provavelmente o mais comum grupo encontrado em moléculas orgânicas. Muitas moléculas biológicas objetivo ou seus precursores compreendem cadeias alquila, com grupos funcionais específicos e, uma ordem específica. Alquilação seletiva, ou adição de partes à cadeia com os grupos funcionais desejados, é usada, especialmente se não há precursor biológico normalmente disponível.

No contexto do refino de petróleo, alquilação refere-se a particular alquilação de isobutano com olefinas. É um aspecto principal do tratamento do petróleo para obtenção de moléculas maiores (mais complexas) específicas.

Em medicina, a alquilação de DNA é utilizada em quimioterapia para danificar o DNA das células cancerosas. A alquilação é realizada com a classe de medicamentos chamados alquilantes antineoplásicos.

Agentes alquilantes

Os agentes alquilantes classificam-se de acordo com o seu caráter nucleofílico ou electrofílico.

Agentes alquilantes nucleofílicos

Os agentes alquilantes nucleofílicos cedem o equivalente a um anião alquilo (carbanião). Exemplos são compostos organometálicos como os reagentes Grignard (organomagnésio), organolítio, organocobre e organossódio. Estes compostos tipicamente podem adicionar grupos a um átomo de carbono deficiente em eletrões, como por exemplo a um grupo carbonilo. Os agentes nucleofílicos alquilantes podem também deslocar substituintes haletos num átomo de carbono. Na presença de catalisadores, também alquilam alquil haletos e aril haletos, como se exemplifica no acoplamento de Suzuki.

Agentes alquilantes eletrofílicos

Os agentes alquilantes electrofílicos cedem o equivalente a um catião alquilo. Exemplos são os alquil haletos com um ácido de Lewis como catalisador que alquilam substratos aromáticos em reações de Friedel-Crafts. Os alquil haletos podem também reagir diretamente com aminas para formar ligações C-N; e o mesmo ocorre com outros nucleófilos como álcoois, ácidos carboxílicos, tióis etc. O tetrafluoroborato de trimetiloxónio e o tetrafluoroborato de trietiloxónio são eletrófilos especialmente fortes devido à sua carga positiva e a um grupo de saída inerte (dimetil ou dietil éter).

Os agentes alquilantes eletrofílicos solúveis são muitas vezes muito tóxicos, devido à sua capacidade de alquilar o ADN, pelo que devem ser manuseados com equipamento de proteção pessoal adequado. Este mecanismo de toxicidade é também responsável pela capacidade de alguns agentes alquilantes funcionarem como fármacos anticancro na forma de agentes antineoplásicos alquilantes, e também como armas químicas como o gás mostarda. O ADN quando está alquilado não consegue enrolar-se ou não o faz adequadamente, ou não pode ser processado pelas enzimas que descodificam a informação. Isto origina citotoxicidade com o efeito de inibir o crescimento da célula, iniciar a morte celular programada ou apoptose. No entanto, também desencadeiam mutações, incluindo mutações carcinogénicas, o que explica a alta incidência de cancro após a exposição a eles.

Os álcoois e fenóis podem ser alquilados para originar alquil éteres:

R-OH + R'-X → R-O-R' + H-X

O ácido HX produzido é removido com uma base, ou, alternativamente, o álcool é desprotonado primeiro para dar um alcóxido ou fenóxido. Por exemplo, o sulfato de dimetilo alquila o sal de sódio do fenol para dar anisol, que é o metil éter do fenol. O sulfato de dimetilo é desalquilado a metil sulfato de sódio.

Ph-O⁻ Na⁺ + Me₂SO₄ → Ph-O-Me + Na⁺ MeSO₄⁻

Pelo contrário, a alquilação de aminas introduz o problema de que a alquilação de uma amina a torna mais nucleofílica. Assim, quando se introduz um agente alquilante eletrofílico numa amina primária, este irá alquilar preferencialmente todos os passos até formar um catião de amónio quaternário.

R-NH₂ → R-NH-R' → R-N(R')₂ → R-N(R')₃⁺ (o agente alquilante foi omitido para maior clareza)

Se o amónio quaternário não for o produto desejado, são necessárias rotas mais complicadas, como a aminação redutiva.

Refinação do petróleo

A alquilação de alquenos (aqui se mostra o propeno) pelo isobutano é um importante processo realizado nas refinarias de petróleo. É catalisado por ácidos fortes como o ácido fluorídrico (HF) e o ácido sulfúrico.

No processo de refinação do petróleo padrão, o isobutano é alquilado com alcenos de baixo peso molecular (principalmente uma mistura de propeno e buteno) na presença de um catalisador ácido de Brønsted, como o ácido sulfúrico ou o ácido fluorídrico. Nas refinarias de petróleo existe uma unidade de alquilação de ácido sulfúrico ou uma unidade de alquilação de ácido fluorídrico onde se realizam as alquilações. O catalisador protona os alquenos (propeno, buteno) para produzir carbocatiãos reativos, os quais alquilam o isobutano. A reação é conduzida a temperaturas amenas (entre 0 e 30 °C) numa reação em duas fases. Como a reação é exotérmica, é necessário arrefecimento. As fábricas de alquilação de ácido sulfúrico requerem baixas temperaturas, pelo que o meio de arrefecimento deve ser refrigerado, mas nas unidades de alquilação de ácido fluorídrico é suficiente utilizar água normal como refrigerante. É importante manter uma alta proporção isobutano/alqueno no ponto de reação para impedir reações colaterais que produziriam um produto com uma octanagem mais baixa, de modo que as fábricas têm de reciclar o isobutano e adicioná-lo novamente. As fases separam-se espontaneamente, pelo que a fase ácida é misturada vigorosamente com a fase hidrocarbonada para criar uma superfície de contacto suficiente.

O produto denomina-se alquilato e é composto por uma mistura de hidrocarbonetos parafínicos de cadeia ramificada de alta octanagem (principalmente iso-heptano e iso-octano). O alquilato é um produto para misturar com a gasolina super porque tem excecionais propriedades antidetonantes e queima de forma limpa. O alquilato é também um componente chave do avgas (gasolina para aviação). O número de octanas do alquilato depende principalmente do tipo de alquenos usados e das condições de funcionamento. Por exemplo, o iso-octano é originado pela combinação de buteno com isobutano e tem uma octanagem de 100 por definição. Existem outros produtos no alquilato, pelo que o número de octanas variará em conformidade.

Como o cru geralmente contém apenas 10 a 40 % de constituintes hidrocarbonados que se encontram no intervalo utilizado nas gasolinas, as refinarias usam um processo denominado craqueamento catalítico fluidizado para converter hidrocarbonetos de alto peso molecular em compostos mais pequenos e voláteis, que são depois convertidos em hidrocarbonetos líquidos do tamanho apropriado para as gasolinas. Os processos de alquilação transformam alquenos de baixo peso molecular e moléculas de iso-parafinas em iso-parafinas maiores com um maior número de octanas.

Combinando o craqueamento, a polimerização e a alquilação pode obter-se um rendimento em gasolina que atinja os 70 % do petróleo cru inicial. Desenvolveram-se também processos mais avançados, como a ciclização de parafinas e a desidrogenação de naftenos que formam hidrocarbonetos aromáticos num reformador catalítico, que aumentam a proporção de octanas da gasolina. A produção numa refinaria moderna pode ser alterada para produzir quase qualquer tipo de combustível com critérios de funcionamento especificados a partir de um único cru inicial.

As refinarias avaliam se faz sentido economicamente instalar ou não unidades de alquilação. As unidades de alquilação são complexas e têm uma economia de escala substancial. Além de adicionar uma quantidade adequada de matéria-prima, a diferença de preço entre o valor do produto alquilato e o valor da matéria-prima deve ser suficientemente grande para justificar a instalação. Usos alternativos da alquilação da matéria-prima nas refinarias são a produção de gás de petróleo liquefeito, a mistura de fluxos de C₄ diretamente na gasolina e as matérias-primas utilizáveis em fábricas químicas. As condições do mercado local variam consideravelmente entre umas fábricas e outras. A variação na especificação da RVP para as gasolinas da legislação de cada país e em cada época tem um impacto drástico na quantidade de butano que se pode misturar diretamente com a gasolina. O transporte de tipos específicos de gás de petróleo liquefeito pode ser caro, pelo que as disparidades locais nas condições económicas muitas vezes não são mitigadas completamente pelos movimentos no mercado geral das matérias-primas para a alquilação.

A disponibilidade de um catalisador adequado é outro fator importante para decidir se se constrói uma fábrica de alquilação. Se for usado o ácido sulfúrico, são necessários volumes significativos desse produto. É necessário acesso a uma fábrica adequada para fornecer o ácido novo e para remover o ácido gasto. Se for necessário construir uma fábrica de ácido sulfúrico especificamente para manter uma unidade de alquilação, essa construção terá um impacto considerável nas necessidades iniciais de capital e nos custos regulares de operação. Alternativamente, é possível instalar uma unidade de processo WSA para regenerar o ácido gasto. Não se produz uma secagem do gás. Isto significa que não haverá perdas de ácido e que não se perde nenhum resíduo de material ácido nem de calor no processo de reaquecimento do gás. A condensação seletiva no condensador WSA assegura que o ácido novo obtido por regeneração será de 98% p/p, mesmo no gás do processo húmido. É possível combinar a regeneração do ácido gasto com a eliminação de sulfureto de hidrogénio usando o sulfureto de hidrogénio como um combustível interno na refinaria ou noutro local.

A segunda opção importante de catalisação é usar ácido fluorídrico (HF). Nas fábricas de alquilação com HF típicas, o consumo de ácido é muito menor do que no caso de usar ácido sulfúrico. Estas fábricas também produzem alquilato com melhor octanagem do que as fábricas de ácido sulfúrico. Contudo, devido à sua natureza perigosa, o ácido fluorídrico é produzido em muito poucos locais e o seu transporte deve ser gerido com muito rigor.

Ver também

• Alquilação de Friedel-Crafts