Grignard-reakció
A Grignard-reakció (ejtsd: /ɡriɲar/) egy olyan fémorganikus kémiai reakció, amelyben az alkil- vagy aril-magnézium-halogenidek (Grignard-reagensek) elektrofil szénatomokat támadnak meg, amelyek poláris kötésekben (például egy karbonilcsoportban, mint az alábbi példában) vannak jelen. A Grignard-reagensek nukleofilként viselkednek. A Grignard-reakció során szén-szén kötés jön létre. Megváltoztatja a reakciócentrum körüli hibridizációt. A Grignard-reakció fontos eszköz a szén-szén kötések kialakításában. Emellett szén-foszfor, szén-ón, szén-összetevő, szén-szilícium, szén-bór és egyéb szén-heteroatom kötések kialakítására is képes.
Ez egy nukleofil fémorganikus addíciós reakció. Az alkil komponens magas pKa értéke (pKa = ~45) irreverzibilissé teszi a reakciót. A Grignard-reakciók nem ionosak. A Grignard-reagens fémorganikus klaszterként (éterben) létezik.
A Grignard-reagensek hátránya, hogy könnyen reagálnak protikus oldószerekkel (például vízzel) vagy savas protonokkal rendelkező funkciós csoportokkal, például alkoholokkal és aminokkal. A légköri nedvesség megváltoztathatja a magnézium-fordulókból és egy alkil-halogenidből Grignard-reagens előállításának hozamát. A víznek a reakció atmoszférájából való kizárására alkalmazott számos módszer közül az egyik a reakcióedény lángszárítása a nedvesség elpárologtatása érdekében, amelyet ezután lezárnak, hogy megakadályozzák a nedvesség visszatérését. A kémikusok ezután ultrahanggal aktiválják a magnézium felületét, hogy az elfogyassza a jelen lévő vizet. Ez lehetővé teheti, hogy a Grignard-reagensek kevésbé érzékenyek legyenek a víz jelenlétére.
A Grignard-reagensek másik hátránya, hogy az alkil-halogenidekkel SN2-mechanizmusban reagálva nem képeznek könnyen szén-szén kötéseket.
François Auguste Victor Grignard fedezte fel a Grignard-reakciókat és -reagenseket. Ezek a francia kémikusról (Nancyi Egyetem, Franciaország) kapták a nevüket, aki 1912-ben kémiai Nobel-díjat kapott ezért a munkájáért.
Egy karbonilvegyület oldatát hozzáadjuk egy Grignard-reagenshez. (Lásd az alábbi galériát)
Reakciómechanizmus
A Grignard-reagens addíciója egy karbonilhoz jellemzően egy hattagú gyűrű átmeneti állapotán keresztül történik.
A sztérikusan akadályozott Grignard-reagensek esetében azonban a reakció egyelektron-átadással is végbemehet.
A Grignard-reakciók nem működnek víz jelenlétében; a víz hatására a reagens gyorsan bomlik. Ezért a legtöbb Grignard-reakciót oldószerekben, például vízmentes dietil-éterben vagy tetrahidrofuránban (THF) végzik, mivel ezekben az oldószerekben az oxigén stabilizálja a magnéziumreagenseket. A reagens a légkörben jelen lévő oxigénnel is reagálhat. Ezáltal egy oxigénatom kerül a szénbázis és a magnézium-halogenidcsoport közé. Általában ezt a mellékreakciót korlátozhatja, hogy az illékony oldószergőzök kiszorítják a levegőt a reakcióelegy fölül. A vegyészek azonban nitrogén- vagy argonlégkörben is elvégezhetik a reakciókat. A kis léptékű reakciókban az oldószergőzöknek nincs elég helyük ahhoz, hogy megvédjék a magnéziumot az oxigéntől.
Grignard-reagens előállítása
A Grignard-reagensek egy alkil- vagy arilhalogenid magnéziumfémre gyakorolt hatására keletkeznek. A reakciót a szerves halogenidnek a magnézium éterben lévő szuszpenziójához történő hozzáadásával hajtják végre, amely a szerves magnéziumvegyület stabilizálásához szükséges ligandumokat biztosítja. Tipikus oldószerek a dietil-éter és a tetrahidrofurán. Az oxigén és a protikus oldószerek, mint például a víz vagy az alkoholok nem kompatibilisek a Grignard-reagensekkel. A reakció egyetlen elektronátvitel útján megy végbe.
R-X + Mg → R-X-- + Mg-+
R-X-- → R- + X-
X- + Mg-+ → XMg-
R- + XMg- → RMgX
A Grignard-reakciók gyakran lassan indulnak. Először is van egy indukciós időszak, amely során a reaktív magnézium ki van téve a szerves reagenseknek. Ezt az indukciós időszakot követően a reakciók erősen exotermek lehetnek. Az alkil- és aril-bromidok és -jodidok gyakori szubsztrátok. A kloridokat is használják, de a fluoridok általában nem reagálnak, kivéve a speciálisan aktivált magnéziummal, például a Rieke-magnéziummal.
Számos Grignard-reagens, például metilmagnézium-klorid, fenil-magnézium-bromid és allylmagnézium-bromid a kereskedelemben tetrahidrofurán vagy dietil-éter oldatban kapható.
A Schlenk-egyensúlyt alkalmazva a Grignard-reagensek különböző mennyiségű diorgano-magnéziumvegyületeket képeznek (R = szerves csoport, X = halogenid):
2 RMgX
R2Mg + MgX2
Beavatás
Számos módszert fejlesztettek ki a lassan induló Grignard-reakciók beindítására. Ezek a módszerek gyengítik a magnéziumot borító MgO réteget. A magnéziumot kiteszik a szerves halogenidnek, hogy elinduljon a reakció, amely a Grignard-reagens előállítását eredményezi.
A mechanikai módszerek közé tartozik az Mg-darabok helyben történő aprítása, a gyors keverés vagy a szuszpenzió ultrahanggal (szonikálás) történő keverése. A jód, a metil-jodid és az 1,2-dibróm-etán általánosan alkalmazott aktiválószerek. A vegyészek azért használják az 1,2-dibróm-etánt, mert hatása az etilénbuborékok megfigyelésével nyomon követhető. Emellett a melléktermékek ártalmatlanok:
Mg + BrC2H4Br → C2H4 + MgBr2
Az ezen aktiválószerek által felhasznált Mg mennyisége általában jelentéktelen.
Egy kis mennyiségű higany-klorid hozzáadása amalgámosítja a fém felületét, és lehetővé teszi a reakciót.
Ipari termelés
A Grignard-reagenseket az iparban helyben történő felhasználásra vagy értékesítésre állítják elő. A fő probléma, akárcsak a bench-scale méreteknél, a beindítással kapcsolatos. A Grignard-reagens egy korábbi tételének egy részét gyakran használják iniciátorként. A Grignard-reakciók exotermikusak; ezt az exotermikus jelleget figyelembe kell venni, amikor a reakciót a laboratóriumból a gyártóüzembe léptetik át.
Grignard-reagensek reakciói
Reakciók karbonilvegyületekkel
A Grignard-reagensek számos karbonilszármazékkal reagálnak.
A leggyakoribb alkalmazás az aldehidek és ketonok alkilezése, mint ebben a példában:
Vegyük észre, hogy az acetál funkció (egy maszkolt karbonil) nem lép reakcióba.
Az ilyen reakciók általában vízalapú (vizes) savas feldolgozással járnak, bár ez ritkán szerepel a reakciótervekben. Azokban az esetekben, amikor a Grignard-reagens prokirális aldehidhez vagy ketonhoz adódik, a Felkin-Anh-modell vagy a Cram-szabály általában meg tudja jósolni, hogy melyik sztereoizomer fog kialakulni.
Reakciók más elektrofilekkel
Ezenkívül a Grignard-reagensek elektrofilekkel is reagálnak.
Egy másik példa a szalicilaldehid előállítása (a fenti képen nem látható). Először a brómetán reagál Mg-gal éterben. Másodszor, fenol THF-ben a fenolt Ar-OMgBr-rá alakítja át. Harmadszor, benzolt adunk hozzá paraformaldehid por és trietilamin jelenlétében. Negyedszer az elegyet desztilláljuk az oldószerek eltávolítására. Ezután 10%-os HCl-t adunk hozzá. A szalicilaldehid lesz a fő termék, amíg minden nagyon száraz és inert körülmények között van. A reakció brómetán helyett jodoetánnal is működik.
B, Si, P, Sn kötések kialakulása
A Grignard-reagens nagyon hasznos a szén-heteroatom kötések kialakítására.
Szén-szén-kapcsolási reakciók
A Grignard-reagens is részt vehet a kapcsolási reakciókban. Például a nonil-magnézium-bromid metil-p-klór-benzoáttal reagál p-nonil-benzoesavvá, Tris(acetilacetonato)vas(III), gyakran Fe(acac)3 jelképezve, jelenlétében, NaOH-val történő feldolgozás után az észter hidrolízisére, az alábbiak szerint. A Fe(acac)3 nélkül a Grignard-reagens az észtercsoportot az arilhalogeniddel szemben támadná meg.
Arilhalogenidek aril-Grignarddal történő kapcsolásához a nikkel-klorid tetrahidrofuránban (THF) szintén jó katalizátor. Ezen kívül hatékony katalizátor az alkil-halogenidek kapcsolásaihoz a dilítium-tetraklór-kuprát (Li2CuCl4), amelyet lítium-klorid (LiCl) és réz(II)-klorid (CuCl2) THF-ben történő keverésével állítanak elő. A Kumada-Corriu-kapcsolás révén [szubsztituált] sztirolokhoz juthatunk.
Oxidáció
A Grignard-reagens oxidációja oxigénnel egy gyökös köztes vegyületen keresztül magnézium-hidroperoxiddá alakul. Ennek a komplexnek a hidrolízise hidroperoxidokat eredményez, és egy további ekvivalens Grignard-reagenssel történő redukciója alkoholt ad.
A Grignardok oxigénnel való reakciója alkén jelenlétében etilénnel elnyújtott alkoholt eredményez. Ezek hasznosak nagyobb vegyületek szintézisében. Ehhez a módosításhoz aril vagy vinil Grignard-reagensek szükségesek. Csak a grignard és az alkén hozzáadása nem eredményez reakciót, ami azt mutatja, hogy az oxigén jelenléte elengedhetetlen. Az egyetlen hátránya, hogy a reakcióban legalább két Grignard-reagens-egyenértékre van szükség. Ezt egy kettős Grignard-rendszer alkalmazásával lehet megoldani egy olcsó redukáló Grignard-reagenssel, például n-butilmagnézium-bromiddal.
Nukleofil alifás szubsztitúció
A Grignard-reagensek nukleofil alifás szubsztitúciókban nukleofil nukleofilek, például alkil-halogenidekkel, az ipari Naproxen-gyártás egyik kulcsfontosságú lépése során:
Kiküszöbölés
A Boord-olefinszintézisben a magnézium hozzáadása bizonyos β-haloéterekhez az alkén eliminációs reakcióját eredményezi. Ez a reakció korlátozhatja a Grignard-reakciók hasznosságát.
Grignard-bomlás
A Grignard-bomlás egy időben a szerkezetazonosítás (elucidáció) eszköze volt, amelyben a HetBr heteroaril-bromidból képződő Grignard RMgBr vízzel Het-H (hidrogénatomra cserélt bróm) és MgBrOH reakcióba lép. Ez a hidrolízis módszer lehetővé teszi a halogénatomok számának meghatározását egy szerves vegyületben. A modern használatban a Grignard-bontást bizonyos triacilglicerinok kémiai analízisére használják.
Ipari felhasználás
A Grignard-reakcióra példa a tamoxifen ipari előállításának egyik kulcsfontosságú lépése. (A tamoxifent jelenleg nőknél az ösztrogénreceptor-pozitív mellrák kezelésére használják.):
Galéria
· 
Lombikra helyezett magnéziumforgácsok.
· 
THF-fel fedjük, és egy kis jódot adunk hozzá.
· 
Melegítés közben alkil-bromid oldatot adtunk hozzá.
· 
Az adalékolás befejezése után az elegyet egy ideig melegítettük.
· 
A Grignard-reagens képződése befejeződött. A lombikban még mindig maradt egy kis mennyiségű magnézium.
· 
Az így elkészített Grignard-reagens 0 °C-ra hűtésre került a karbonilvegyület hozzáadása előtt. Az oldat zavarossá vált, mivel a Grignard-reagens kicsapódott.
· 
A Grignard-reagenshez hozzáadtuk a karbonilvegyület oldatát.
· 
Az oldatot szobahőmérsékletre melegítettük. A reakció befejeződött.
Kapcsolódó oldalak
- Wittig-reakció
- Barbier reakció
- Bodroux-Chichibabin aldehid szintézis
- Fujimoto-Belleau reakció
- Organolitium-reagensek
- Sakurai reakció
Kérdések és válaszok
K: Mi az a Grignard-reakció?
V: A Grignard-reakció olyan fémorganikus kémiai reakció, amelyben alkil- vagy aril-magnézium-halogenidek (Grignard-reagensek) támadják meg a poláris kötésekben lévő elektrofil szénatomokat.
K: Milyen típusú kötést hoz létre a Grignard-reakció?
V: A Grignard-reakció szén-szén kötést hoz létre.
K: Milyen más típusú kötések hozhatók létre a Grignard-reakcióval?
V: A Grignard-reakcióval szén-foszfor, szén-ón, szén-szilícium, szén-bór és egyéb szén-heteroatom kötések is kialakulhatnak.
K: Hogyan befolyásolja az alkil komponens magas pKa értéke a Grignard-reakciót?
V: Az alkil-komponens magas pKa értéke (pKa = ~45) irreverzibilissé teszi a reakciót.
K: Milyen típusú addíciós reakciókban vesznek részt a Grignard-reagensek?
V: A Grignard-reagensek nukleofil fémorganikus addíciós reakciókban vesznek részt.
K: Milyen hátrányai vannak a Grignard-reagensek használatának? V: A Grignard-reagensek használatával kapcsolatos hátrányok közé tartozik a protikus oldószerekkel, például vízzel és savas protonokkal rendelkező funkciós csoportokkal, például alkoholokkal és aminokkal való reakcióképességük; a légköri nedvességre való érzékenység; és a szén-szén kötések kialakításának nehézsége az alkil-halogenidekkel való SN2 mechanizmusú reakció során.
K: Ki fedezte fel a Grigand-reakciót és a reagenseket?
V: A Griand-reakció és -reagens felfedezését Franחois Auguste Victor Griand francia kémikusnak tulajdonítják, aki ezért a munkáért 1912-ben kémiai Nobel-díjat kapott.
