Grignard-reagens

Grignard-reagenser er organometalliske forbindelser med den generelle formelen R-Mg-X, hvor R er en organisk rest (alkyl eller aryl) og X er et halogen. Grignard-reagenser er en av de viktigste og mest allsidige reagensene i organisk kjemi på grunn av deres raske reaksjon med elektrofiler , for eksempel karbonylgruppen . De er viktige for dannelsen av karbon–karbon , karbon – fosfor , karbon – tinn , karbon – silisium , karbon – bor og andre karbon – heteroatombindinger . [ 1 ] [2 ] For oppdagelsen av disse reagensene og deres reaksjonermottok Victor Grignard Nobelprisen i kjemi i 1912.

Den generaliserte Grignard-reaksjonen er:

hvor R1 = organisk alkyl- eller arylgruppe;

Syntese

Grignard-reagenser syntetiseres fra et alkyl- eller arylhalogenid ved å reagere det med magnesium i nærvær av en vannfri (tørr) eter :

For eksempel:

CH 3 CH 2 Br + Mg → CH 3 CH 2 MgBr (etylmagnesiumbromid)

Generell eksperimentell metode:

For at denne reaksjonen skal lykkes, må både reagensene og materialet som brukes være helt tørre og virke i en inert atmosfære. Magnesium i form av spon eller spån legges på en kolbe og dekkes med noen få milliliter av løsningsmidlet ( dietyleter eller tetrahydrofuran , generelt; et annet alternativ er den mer miljøvennlige 2-Methyltetrahydrofuran ). En liten mengde aktivator (vanligvis dibrometan eller jod ) tilsettes, og når magnesiumoverflaten har blitt aktivert ved å påføre varme, begynner løsningen av den tidligere oppløste tilsvarende halogenerte forbindelsen å bli tilsatt. Det er vanligvis nødvendig å varme opp til reaksjonen er fullført. Til slutt er det bare nødvendig å filtrere løsningen (alltid under en inert atmosfære).

For å ha en viss stabilitet må Grignard-reagenset solvatiseres. Denne reaksjonen utføres i nukleofile løsningsmidler som ikke har aktivt hydrogen, slik som vannfri dietyleter eller høyere etere ( dibutyleter , anisol , tetrahydrofuran...), som nevnt ovenfor. De bærer hver to par frie elektroner, som kompleksiserer magnesiumet og gir den nødvendige stabiliteten ved å oppfylle oktettregelen . [ 3 ] For eksempel vil tetrahydrofuran danne følgende alkylmagnesiumbromidkompleks:

Schlenk equilibrium , oppkalt etter Wilhelm Schlenk, beskriver den molekylære sammensetningen av Grignard-forbindelsen som en funksjon av løsningsmidlet som brukes. Avhengig av løsningsmidlet som stabiliserer Grignard-forbindelsen i et kompleks, dannes forskjellige strukturer av Grignard-forbindelser.

Mekanisme

Mekanistisk er Grignard-reaksjonen en nukleofil addisjon der det negativt polariserte karbonatomet ( karbanion ) i Grignard-reagenset tilsettes til karbonatomet i en karbonylgruppe . Dermed dannes en ny karbon-karbonbinding. To molekyler av Grignard-forbindelsen antas å være involvert i overgangstilstanden til reaksjonen, noe som resulterer i en syklisk seksleddet overgangstilstand . [ 4 ] Karbonyloksygenatomet i metallet har form av et metallalkoksyd . I neste trinn protoneres dette oksygenatomet av en fortynnet vandig syre og hydrolyseres deretter ved det nukleofile angrepet av et vannmolekyl. Ved deprotonering produseres den tilsvarende alkoholen . [ 5 ]

Kjemiske egenskaper

Grignard-forbindelsen har den generelle formelen RMgX, hvor X er halogen, klor, brom eller jod. Reaksjonshastigheten synker fra jodid til klorid. Klorid gir bedre ytelse enn bromid eller jodid. [ 6 ] Alkyl- eller arylfluorider reagerer normalt ikke for å danne en Grignard-forbindelse. Svært reaktive forbindelser, som jodider, kan gjennomgå sekundære reaksjoner, for eksempel Wurtz-koblingen .

I Grignard-forbindelsen bærer magnesium en delvis positiv ladning og nabokarbonatomet har en delvis negativ ladning. Denne polarisasjonen er så sterk at for eksempel et nukleofilt angrep kan finne sted på et positivt polarisert karbonatom. Styrken til polariteten kan uttrykkes ved den ioniske karakteren, som er 35%. Derfor oppfører den seg på samme måte som en karbanion, og kan dermed også representeres som en resonansformel som har ladningsseparerte ioniske bindinger. [ 7 ]

Grignard-forbindelser reagerer med stoffer som har aktivt hydrogen, som vann, alkoholer, fenoler, karboksylsyrer, tioler eller amingrupper. Dette er fordi Grignard-forbindelser er sterkt basiske. I figuren nedenfor hydrolyserer Grignard-forbindelsen, i kontakt med vann, til det tilsvarende alkan- og metallhalogenidhydroksydet (blandet salt):

Alkyl- eller arylmagnesiumhalogenider (Grignard-forbindelse) brukes svært ofte i organisk kjemi som en nukleofil som angriper elektrofile grupper, som karbonylgrupper, og tjener til å bygge karbon-karbon enkeltbindinger: [ 8 ]

Viktigheten av Grignard-forbindelser er at de er veldig gode nukleofiler. De reagerer med elektrofiler, som ketoner, aldehyder, estere og nitriler, og produserer en ny karbon-karbonbinding. Grignard-forbindelser reagerer med karbondioksid for å danne magnesiumsalter av karboksylsyrer. På samme måte reagerer de med karbondisulfid. Hydrolyse av reaksjonsproduktene med karbondioksid produserer karboksylsyrer, R-CO 2 H, eller ditiokarboksylsyrer, R-CS 2 H. I reaksjonen av Grignard-forbindelser med elementært selen dannes stoffer av typen RSeMgX ved en innsettingsreaksjon ; dets hydrolyse gir selenoler under utelukkelse av oksygen, i nærvær av atmosfærisk oksygen dannes diselenider ved oksidasjon av selenoler. En metode for å kvantifisere CH sure forbindelser i en prøve med Grignard-reagenser er Zerevitinov-reaksjonen .

Generell reaktivitet

Reaksjoner med karbonylforbindelser

Grignard-reagenser reagerer med et bredt utvalg av karbonylforbindelser. Her er et skjema:

Den vanligste anvendelsen av denne typen reaksjon som brukes i industrien er å alkylere aldehyder eller ketoner, som i eksemplet: [ 9 ]

Den funksjonelle acetalgruppen , en beskyttet karbonyl, reagerer ikke med organomagnesiumet.

Slike reaksjoner involverer vanligvis vandig syreopparbeidelse, selv om dette sjelden vises i reaksjonsskjemaer. I tilfeller der Grignard-reagenset er tilsetning av et prokiralt aldehyd eller keton (ved asymmetrisk induksjon ), kan Felkin-Anh-modellen eller Crams regel forutsi hvilken stereoisomer som generelt vil dannes. Med letthet, 1,3-diketoner og andre relaterte substrater, reagerer RMgX Grignard-reagenser ganske enkelt som en base, og gir enolatanionet og frigjør alkanen RH.

Reaksjon med andre elektrofiler

Grignard-reagenser reagerer med forskjellige elektrofiler , og fungerer både som en nukleofil i mange tilfeller og som en base for protiske substrater:

Bindingsdannelse med B, P, Si, Sn

I likhet med organolitiumforbindelser er Grignard-reagenser nyttige for dannelse av karbon-heteroatombindinger:

Reaksjon med overgangsmetallhalogenider

Grignard-reagenser reagerer med mange metallelektrofiler. For eksempel skjer transmetallering ved å reagere dem med kadmiumklorid (CdCl 2 ) for å gi organometalliske dialkylkadmiumforbindelser: [ 10 ]

Organometalliske dialkylkadmiumforbindelser brukes spesielt til fremstilling av ketoner fra syrehalogenider :

CC-koblingsreaksjoner

Et Grignard-reagens kan også delta i en koblingsreaksjon . For eksempel reagerer nonylmagnesiumbromid med metyl-p-klorbenzoat for å gi p-nonylbenzosyre, i nærvær av jern(III)tris(acetylacetonat) (Fe(acac) 3 ), etter behandling med NaOH for å hydrolysere esteren , som vises. følgende. [ 11 ] Uten Fe(acac) 3 ville Grignard-reagenset angripe estergruppen.

For kobling av arylhalogenider med aryl Grignard-reagenser er nikkelklorid i tetrahydrofuran (THF) en god katalysator. I tillegg er en effektiv katalysator for alkylhalogenidkoblinger dilitiumtetraklorkuprat (Li 2 CuCl 4 ), fremstilt ved å blande litiumklorid (LiCl) og kobber(II) klorid (CuCl 2 ) i THF. Kumada-Corriu-koblingen gir tilgang til (substituerte) styrener:

Alifatisk nukleofil substitusjon

Grignard-reagenser er nukleofile og kan gi nukleofile substitusjonsreaksjoner med alkylhalogenider, for eksempel i et nøkkeltrinn i industriell produksjon av naproxen :

Stereoselektiv Grignard-reaksjon

Siden mange ketoner og alle aldehyder er prokirale (unntatt formaldehyd ), resulterer par av enantiomerer eller diastereomerer ofte i en Grignard-reaksjon på grunn av det allerede eksisterende stereogene senteret . For å utvide Grignard-reaksjonen stereoselektivt, brukte Dieter Seebach det kirale reagenset TADDOL, et derivat av vinsyre . Ved å utnytte Schlenk-likevekten i reaksjonen med aldehyder, ble 84 til 96 % enantiomert overskudd oppnådd .

Se også

Kjemiske bindinger av karbon med andre atomer

CH jeg har
CLI CBe CB DC NC CO CF ne
cna CMg Lime csi Glidelås CS CCl bil
CK CCa csc CTi CV CCr CMn CFe CCo cni CCU CZn CGA Cg CAer CSe CBr CKr
CRb CSr CY CZr cnb CMO CTc CRu CRh cpd CAg CCd CIn CSn csb CTe IQ CXe
CC-er cba CHf CTa CW CRE CO-er CIr cpt CAu CHg CTl CPb CBI CPo katt rn
Fr Ave RF dB CSg bh timer Mt Ds rg cn Nh FL Mc nivå Ts og
↓
CL CCe cpr CNd cpm csm CEu CGd CTb CDy CHO CEr CTm CYb CLu
ac Cth CPa CU cnp prosessor CAm CCM CBk CCf CE-er FM MD Nei lr


Kjemiske bindinger med karbon : Relativ betydning
Grunnleggende organisk kjemi. Mange bruksområder i kjemi.
Akademisk forskning,
men ikke mye brukt.
Ukjent/ ikke evaluert lenke .

Referanser

  1. ↑ Shirley, DA (1954). "Syntesen av ketoner fra syrehalogenider og organometalliske forbindelser av magnesium, sink og kadmium". Org. Reagere. 8 :28-58. 
  2. ^ Huryn, D.M. (1991). "Karbanioner av alkali- og jordalkaliske kationer: (ii) Selektivitet av karbonyladdisjonsreaksjoner" . I Trost, BM ; Fleming, I. , red. Comprehensive Organic Synthesis, bind 1: tillegg til C—X π-bindinger, del 1 . Elsevier Science . s. 49-75. ISBN  978-0-08-052349-1 . 
  3. ↑ Heinz GO Becker, Werner Berger, Günter Domschke, Egon Fanghänel, Jürgen Faust, Mechthild Fischer, Fritjof Gentz, Karl Gewald, Reiner Gluch, Roland Mayer, Klaus Müller, Dietrich Pavel, Hermann Schmidt, Karl Schollberg, Klaus Schwetlick, Erika Seiler, Gunter Zeppenfeld: Organikum. 19. Boost. Barth, 1993, ISBN 3-335-00343-8 , S. 564.
  4. ↑ Kazuhiro Maruyama; Toshimasa Katagiri (1989). "Mekanisme for Grignard-reaksjonen" . Journal of Physical Organic Chemistry 2 (3): 205-213. doi : 10.1002/poc.610020303 . 
  5. ↑ KPC Vollhard, NE Schore (2005). H. Buntenschön, red. Organisk kjemi . Weinheim: Wiley-VCH. s. 351. ISBN  978-3-527-31380-8 . 
  6. ↑ K. Schwetlick (2009).organikum. Wiley-VCH Verlag. s. 563-572. ISBN  978-3-527-32292-3 . 
  7. ↑ KPC Vollhardt, N. E. Schore (2005). Organische Chemie (4. utgave). Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. s. 348-349. ISBN  3-527-31380-X . 
  8. ↑ V. Grignard (1900). Sur quelques nouvelles organométalliques combinaisons du magnèsium et leur application à des synthèses d'alcools et d'hydrocarbones 130 . CR Hebd. Séances Acad. Sci., Ser. C. pp. 1322-1324. tilgjengelig i Gallica . 
  9. ↑ Haugan, Jarle Andre; Songe, Pal; Romming, Christian; Stå opp, Frode; Hartshorn, Michael P.; Merchan, Manuela; Robinson, menighet T.; Roos, Björn O. et al. (1997), "Total Synthesis of C31-Methyl Ketone Apocarotenoids 2: The First Total Synthesis of (3R)-Triophaxanthin" , Acta Chimica Scandinavica 51 : 1096-1103, doi : 10.3891/acta.51.chem . hentet 2009-11-26 . 
  10. ^ "Enhet 12 Aldehyder, ketoner og karboksylsyrer" . Kjemi del II Lærebok for klasse XII 2 . India: National Council of Educational Research and Training. 2010. s. 355. ISBN  81-7450-716-7 . 
  11. ↑ A. Fürstner, A. Leitner, G. Seidel (2004). " 4-nonylbenzosyre ". Org. Synth. 81 : 33–42.