Αντίδραση Grignard

Μηχανισμός αντίδρασης

Η προσθήκη του αντιδραστηρίου Grignard σε ένα καρβονύλιο γίνεται συνήθως μέσω μιας κατάστασης μετάπτωσης εξαμερούς δακτυλίου.

Ωστόσο, με αντιδραστήρια Grignard που παρεμποδίζονται στερικά, η αντίδραση μπορεί να προχωρήσει με μεταφορά ενός ηλεκτρονίου.

Οι αντιδράσεις Grignard δεν θα λειτουργήσουν εάν υπάρχει νερό- το νερό προκαλεί ταχεία αποσύνθεση του αντιδραστηρίου. Έτσι, οι περισσότερες αντιδράσεις Grignard πραγματοποιούνται σε διαλύτες όπως ο άνυδρος διαιθυλαιθέρας ή το τετραϋδροφουράνιο (THF), επειδή το οξυγόνο σε αυτούς τους διαλύτες σταθεροποιεί το αντιδραστήριο μαγνησίου. Το αντιδραστήριο μπορεί επίσης να αντιδράσει με το οξυγόνο που υπάρχει στην ατμόσφαιρα. Αυτό θα εισάγει ένα άτομο οξυγόνου μεταξύ της βάσης άνθρακα και της ομάδας αλογονιδίου του μαγνησίου. Συνήθως, αυτή η δευτερεύουσα αντίδραση μπορεί να περιοριστεί από τους πτητικούς ατμούς του διαλύτη που εκτοπίζουν τον αέρα πάνω από το μίγμα της αντίδρασης. Ωστόσο, οι χημικοί μπορούν να εκτελέσουν τις αντιδράσεις σε ατμόσφαιρα αζώτου ή αργού. Σε αντιδράσεις μικρής κλίμακας, οι ατμοί του διαλύτη δεν έχουν αρκετό χώρο για να προστατεύσουν το μαγνήσιο από το οξυγόνο.

Παραγωγή αντιδραστηρίου Grignard

Τα αντιδραστήρια Grignard σχηματίζονται με τη δράση ενός αλκυλικού ή αρυλικού αλογονιδίου σε μέταλλο μαγνησίου. Η αντίδραση πραγματοποιείται με την προσθήκη του οργανικού αλογονιδίου σε εναιώρημα μαγνησίου σε αιθέρα, το οποίο παρέχει τα ligands που απαιτούνται για τη σταθεροποίηση της οργανομαγνησιακής ένωσης. Τυπικοί διαλύτες είναι ο διαιθυλαιθέρας και το τετραϋδροφουράνιο. Το οξυγόνο και οι πρωτικοί διαλύτες, όπως το νερό ή οι αλκοόλες, δεν είναι συμβατοί με τα αντιδραστήρια Grignard. Η αντίδραση εξελίσσεται μέσω μεταφοράς ενός ηλεκτρονίου.

R-X + Mg → R-X-- + Mg-+

R-X-- → R- + X-

X- + Mg-+ → XMg-

R- + XMg- → RMgX

Οι αντιδράσεις Grignard συχνά ξεκινούν αργά. Αρχικά, υπάρχει μια περίοδος επαγωγής κατά την οποία το αντιδραστικό μαγνήσιο εκτίθεται στα οργανικά αντιδραστήρια. Μετά από αυτή την περίοδο επαγωγής, οι αντιδράσεις μπορεί να είναι ιδιαίτερα εξώθερμες. Τα βρωμιούχα και ιωδιούχα αλκύλια και αρύλια είναι κοινά υποστρώματα. Χρησιμοποιούνται επίσης χλωρίδια, αλλά τα φθορίδια είναι γενικά μη αντιδραστικά, εκτός από το ειδικά ενεργοποιημένο μαγνήσιο, όπως το μαγνήσιο Rieke.

Πολλά αντιδραστήρια Grignard, όπως το χλωριούχο μεθυλομαγνήσιο, το βρωμιούχο φαινυλομαγνήσιο και το βρωμιούχο αλλυλομαγνήσιο διατίθενται στο εμπόριο σε διαλύματα τετραϋδροφουρανίου ή διαιθυλαιθέρα.

Χρησιμοποιώντας την ισορροπία Schlenk, τα αντιδραστήρια Grignard σχηματίζουν ποικίλες ποσότητες ενώσεων διοργανομαγνησίου (R = οργανική ομάδα, X = αλογονίδιο):

2 RMgX _R2Mg + MgX2

Έναρξη

Έχουν αναπτυχθεί πολλές μέθοδοι για την έναρξη αντιδράσεων Grignard που είναι αργές στην έναρξη. Αυτές οι μέθοδοι αποδυναμώνουν το στρώμα MgO που καλύπτει το μαγνήσιο. Εκθέτουν το μαγνήσιο στο οργανικό αλογονίδιο για να ξεκινήσει η αντίδραση που δημιουργεί το αντιδραστήριο Grignard.

Οι μηχανικές μέθοδοι περιλαμβάνουν τη σύνθλιψη των τεμαχίων Mg επί τόπου, την ταχεία ανάδευση ή τη χρήση υπερήχων (sonication) του εναιωρήματος. Το ιώδιο, το ιωδιούχο μεθύλιο και το 1,2-διβρωμοαιθάνιο είναι συνήθως χρησιμοποιούμενα μέσα ενεργοποίησης. Οι χημικοί χρησιμοποιούν το 1,2-διβρωμοαιθάνιο επειδή η δράση του μπορεί να παρακολουθηθεί με την παρατήρηση φυσαλίδων αιθυλενίου. Επίσης, τα παραπροϊόντα είναι αβλαβή:

Mg + BrC2H4Br → _C2H4 + MgBr2

Η ποσότητα Mg που καταναλώνεται από αυτούς τους παράγοντες ενεργοποίησης είναι συνήθως ασήμαντη.

Η προσθήκη μιας μικρής ποσότητας χλωριούχου υδραργύρου θα αμαλγάσει την επιφάνεια του μετάλλου, επιτρέποντάς του να αντιδράσει.

Βιομηχανική παραγωγή

Τα αντιδραστήρια Grignard παράγονται στη βιομηχανία για χρήση στη θέση τους ή για πώληση. Όπως και στην κλίμακα πάγκου, το κύριο πρόβλημα είναι αυτό της εκκίνησης. Συχνά χρησιμοποιείται ως εκκινητής ένα μέρος μιας προηγούμενης παρτίδας αντιδραστηρίου Grignard. Οι αντιδράσεις Grignard είναι εξώθερμες- αυτή η εξώθερμη πρέπει να λαμβάνεται υπόψη όταν μια αντίδραση κλιμακώνεται από το εργαστήριο σε μονάδα παραγωγής.

Αντιδράσεις αντιδραστηρίων Grignard

Αντιδράσεις με καρβονυλικές ενώσεις

Τα αντιδραστήρια Grignard αντιδρούν με μια ποικιλία καρβονυλικών παραγώγων.

Η πιο συνηθισμένη εφαρμογή είναι για την αλκυλίωση αλδεϋδών και κετονών, όπως σε αυτό το παράδειγμα:

Σημειώστε ότι η λειτουργία της ακετάλης (ένα καλυμμένο καρβονύλιο) δεν αντιδρά.

Τέτοιες αντιδράσεις περιλαμβάνουν συνήθως μια όξινη επεξεργασία με βάση το νερό (υδατικό), αν και αυτό σπάνια φαίνεται στα σχήματα αντιδράσεων. Σε περιπτώσεις όπου το αντιδραστήριο Grignard προστίθεται σε μια προχειρική αλδεΰδη ή κετόνη, το μοντέλο Felkin-Anh ή ο κανόνας του Cram μπορούν συνήθως να προβλέψουν ποιο στερεοϊσομερές θα σχηματιστεί.

Αντιδράσεις με άλλα ηλεκτρόφιλα

Επιπλέον, τα αντιδραστήρια Grignard αντιδρούν με τα ηλεκτρόφιλα.

Ένα άλλο παράδειγμα είναι η παρασκευή σαλικυλαλδεΰδης (δεν φαίνεται παραπάνω). Αρχικά, το βρωμοαιθάνιο αντιδρά με Mg σε αιθέρα. Δεύτερον, η φαινόλη σε THF μετατρέπει τη φαινόλη σε Ar-OMgBr. Τρίτον, προστίθεται βενζόλιο παρουσία σκόνης παραφορμαλδεΰδης και τριαιθυλαμίνης. Τέταρτον, το μείγμα αποστάζεται για την απομάκρυνση των διαλυτών. Στη συνέχεια, προστίθεται 10% HCl. Η σαλικυλαλδεΰδη θα είναι το κύριο προϊόν εφόσον όλα είναι πολύ ξηρά και υπό αδρανείς συνθήκες. Η αντίδραση λειτουργεί επίσης με ιωδοαιθάνιο αντί για βρωμοαιθάνιο.

Σχηματισμός δεσμών με B, Si, P, Sn

Το αντιδραστήριο Grignard είναι πολύ χρήσιμο για το σχηματισμό δεσμών άνθρακα-ετεροατομάτων.

Αντιδράσεις σύζευξης άνθρακα-άνθρακα

Ένα αντιδραστήριο Grignard μπορεί επίσης να συμμετέχει σε αντιδράσεις σύζευξης. Για παράδειγμα, το βρωμιούχο νιονυλομαγνήσιο αντιδρά με το p-χλωροβενζοϊκό μεθύλιο για να δώσει p-νιονυλοβενζοϊκό οξύ, παρουσία Tris(acetylacetonato)iron(III), που συχνά συμβολίζεται ως Fe(acac)₃, μετά από επεξεργασία με NaOH για την υδρόλυση του εστέρα, που φαίνεται ως εξής. Χωρίς το Fe(acac)₃, το αντιδραστήριο Grignard θα επιτίθετο στην ομάδα του εστέρα πάνω από το αρυλαλογονίδιο.

Για τη σύζευξη αρυλικών αλογονιδίων με αρυλικούς Grignard, το χλωριούχο νικέλιο σε τετραϋδροφουράνιο (THF) είναι επίσης καλός καταλύτης. Επιπλέον, ένας αποτελεσματικός καταλύτης για τις συζεύξεις αλκυλαλογονιδίων είναι το τετραχλωρικό διλίθιο (Li2CuCl4), το οποίο παρασκευάζεται με ανάμιξη χλωριούχου λιθίου (LiCl) και χλωριούχου χαλκού(ΙΙ) (CuCl2) σε THF. Η σύζευξη Kumada-Corriu δίνει πρόσβαση σε [υποκατεστημένα] στυρένια.

Οξείδωση

Η οξείδωση ενός αντιδραστηρίου Grignard με οξυγόνο πραγματοποιείται μέσω μιας ρίζας που αποτελεί ενδιάμεσο προϊόν προς υδροϋπεροξείδιο του μαγνησίου. Η υδρόλυση αυτού του συμπλόκου δίνει υδροπεροξείδια και η αναγωγή με ένα επιπλέον ισοδύναμο αντιδραστήριο Grignard δίνει μια αλκοόλη.

Μια αντίδραση Grignard με οξυγόνο παρουσία αλκενίου παράγει μια εκτεταμένη αιθυλενική αλκοόλη. Αυτές είναι χρήσιμες για τη σύνθεση μεγαλύτερων ενώσεων. Αυτή η τροποποίηση απαιτεί αντιδραστήρια Grignard αρυλίου ή βινυλίου. Η προσθήκη μόνο του Grignard και του αλκενίου δεν οδηγεί σε αντίδραση, γεγονός που δείχνει ότι η παρουσία οξυγόνου είναι απαραίτητη. Το μόνο μειονέκτημα είναι η απαίτηση τουλάχιστον δύο ισοδυνάμων αντιδραστηρίου Grignard στην αντίδραση. Αυτό μπορεί να αντιμετωπιστεί με τη χρήση ενός διπλού συστήματος Grignard με ένα φθηνό αναγωγικό αντιδραστήριο Grignard, όπως το βρωμιούχο ν-βουτυλομαγνήσιο.

Νουκλεόφιλη αλειφατική υποκατάσταση

Τα αντιδραστήρια Grignard είναι πυρηνόφιλα σε πυρηνόφιλες αλειφατικές υποκαταστάσεις, για παράδειγμα με αλκυλαλογονίδια σε ένα βασικό στάδιο της βιομηχανικής παραγωγής ναπροξένης:

Εξάλειψη

Στη σύνθεση ολεφινών Boord, η προσθήκη μαγνησίου σε ορισμένους β-αλογονούχους οδηγεί σε αντίδραση απομάκρυνσης προς το αλκένιο. Η αντίδραση αυτή μπορεί να περιορίσει τη χρησιμότητα των αντιδράσεων Grignard.

Αποικοδόμηση Grignard

Η αποικοδόμηση Grignard ήταν κάποτε ένα εργαλείο για την ταυτοποίηση (διαλεύκανση) της δομής, κατά την οποία ένα Grignard RMgBr που σχηματίζεται από ένα ετεροαρυλικό βρωμίδιο HetBr αντιδρά με νερό προς Het-H (το βρώμιο αντικαθίσταται από ένα άτομο υδρογόνου) και MgBrOH. Αυτή η μέθοδος υδρόλυσης επιτρέπει τον προσδιορισμό του αριθμού των ατόμων αλογόνου σε μια οργανική ένωση. Στη σύγχρονη χρήση, η αποικοδόμηση Grignard χρησιμοποιείται στη χημική ανάλυση ορισμένων τριακυλογλυκερολών.

Βιομηχανική χρήση

Ένα παράδειγμα της αντίδρασης Grignard είναι ένα βασικό βήμα στη βιομηχανική παραγωγή της ταμοξιφαίνης. (Η ταμοξιφαίνη χρησιμοποιείται σήμερα για τη θεραπεία του θετικού σε οιστρογονικούς υποδοχείς καρκίνου του μαστού στις γυναίκες):

Gallery

Σχετικές σελίδες

• Αντίδραση Wittig
• Αντίδραση Barbier
• Σύνθεση αλδεΰδης Bodroux-Chichibabin
• Αντίδραση Fujimoto-Belleau
• Αντιδραστήρια οργανολιθίου
• Αντίδραση Sakurai