硫酸二甲酯是優秀的甲基化試劑，可以作為苯酚類、胺類、硫醇類的甲基化試劑。甲基的轉移是通過Sn2反應，第一個甲基的轉移比第二個容易。由於硫酸二甲酯具有高毒性，現在有被其它低毒性的甲基化試劑替代的趨勢。
該試劑可以作為羧酸的甲基化試劑，高產率地得到甲酯類產物。有鄰位位阻的底物也能高產率地得到甲基化產物（式1)[1]。
用該試劑與烷基或芳基醇化合物反應，可以得到相應的甲醚產物(式2)[2]。
如式3所示[3]：該試劑可以選擇性地和酚羥基反應生成相應的甲醚產物，而對仲胺基沒有影響。
該試劑還能和肟反應，生成相應的O-甲基化的產物.(式4)[4]。
該試劑還能用於製備N-甲基的脂肪胺、芳香胺、醯胺和季銨鹽。伯胺可以通過合成席夫鹼、醯胺等保護氨基，用該試劑甲基化再水解的方法合成單甲基的取代物。直接用該試劑處理醯胺可以得到N-甲基化的產物（式5)[5]。
該試劑還能用於製備N-甲基取代的吡啶鹽類化合物（式6)[6]。
該試劑和含硫的化合物反應生產甲硫醚和鋶鹽等也是重要的合成方法(式7)[7]。
參考文獻
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