Grignardi reaktsioon
Grignardi reaktsioon (hääldatakse /ɡriɲar/) on metallorgaaniline keemiline reaktsioon, mille käigus alküül- või arüül-magneesiumhalogeniidid (Grignardi reaktiivid) ründavad polaarsetes sidemetes (näiteks karbonüülrühmas, nagu allpool esitatud näites) olevaid elektrofiilseid süsinikuaatomeid. Grignardi reaktiivid toimivad nukleofiilidena. Grignardi reaktsioon tekitab süsinik-süsinik sideme. See muudab hübriidistumist reaktsioonikeskuse ümber. Grignardi reaktsioon on oluline vahend süsinik-süsinik-sidemete moodustamisel. Samuti võib see moodustada süsinik-fosfor-, süsinik-tina-, süsinik-silicon-, süsinik-boor- ja muid süsinik-heteroatomi sidemeid.
Tegemist on nukleofiilse metallorgaanilise liitumisreaktsiooniga. Alküülkomponendi kõrge pKa väärtus (pKa = ~45) muudab reaktsiooni pöördumatuks. Grignardi reaktsioonid ei ole ioonilised. Grignardi reaktiiv esineb metallorgaanilise klastrina (eetris).
Grignardi reaktiivide puuduseks on see, et nad reageerivad kergesti protiliste lahustitega (näiteks veega) või happeliste prootonitega funktsionaalsete rühmadega, näiteks alkoholide ja amiinidega. Atmosfääri niiskus võib muuta Grignardi reaktiivi valmistamise saagist magneesiumipööretest ja alküülhalogeniidist. Üks paljudest meetoditest, mida kasutatakse vee välistamiseks reaktsiooni atmosfäärist, on reaktsioonianuma leekkuivatamine, et aurustada kogu niiskus, mis seejärel suletakse, et vältida niiskuse tagasipöördumist. Seejärel kasutavad keemikud ultraheli, et aktiveerida magneesiumi pind, nii et see tarbib kogu olemasoleva vee. See võib võimaldada Grignardi reaktiivide moodustamist, mis on vähem tundlikud vee olemasolu suhtes.
Grignardi reaktiivide teine puudus on see, et nad ei moodusta kergesti süsinik-süsivesinike sidemeid, reageerides alküülhalogeniididega SN2-mehhanismi abil.
François Auguste Victor Grignard avastas Grignardi reaktsioonid ja reaktiivid. Need on nimetatud selle prantsuse keemiku (Nancy Ülikool, Prantsusmaa) järgi, kes sai selle töö eest 1912. aastal Nobeli keemiapreemia.
Grignardi reaktiivile lisatakse karbonüülühendi lahus. (Vt galerii allpool)
Reaktsioonimehhanism
Grignardi reaktiivi liitumine karbonüülile toimub tavaliselt kuuekohalise rõnga ülemineku seisundi kaudu.
Steriilselt takistatud Grignardi reaktiivide puhul võib reaktsioon siiski toimuda ühe elektroni ülekandmise teel.
Grignardi reaktsioonid ei toimi vee juuresolekul; vesi põhjustab reaktiivi kiiret lagunemist. Seega toimub enamik Grignardi reaktsioone lahustites, nagu veevaba dietüüleeter või tetrahüdrofuraan (THF), sest nendes lahustites olev hapnik stabiliseerib magneesiumreaktiivi. Reaktiiv võib reageerida ka atmosfääris oleva hapnikuga. See lisab hapniku aatomi süsiniku aluse ja magneesiumhalogeniidi rühma vahele. Tavaliselt võib seda kõrvalreaktsiooni piirata see, et lenduvad lahusti aurud tõrjuvad õhku reaktsioonisegu kohal. Siiski võivad keemikud viia reaktsioonid läbi lämmastiku- või argooniga atmosfääris. Väikesemahulistes reaktsioonides ei ole lahustiaurudel piisavalt ruumi, et kaitsta magneesiumi hapniku eest.
Grignardi reaktiivi valmistamine
Grignardi reaktiivid tekivad alküül- või arüülhalogeniidi toimel magneesiummetallile. Reaktsioon viiakse läbi orgaanilise halogeniidi lisamisega magneesiumi suspensioonile eetris, mis annab orgaanilise magneesiumiühendi stabiliseerimiseks vajalikud ligandid. Tüüpilised lahustid on dietüüleeter ja tetrahüdrofuraan. Hapnik ja protilised lahustid, nagu vesi või alkoholid, ei sobi kokku Grignardi reaktiividega. Reaktsioon kulgeb ühe elektroni ülekandmise teel.
R-X + Mg → R-X-- + Mg-+
R-X-- → R- + X-
X- + Mg-+ → XMg-
R- + XMg- → RMgX
Grignardi reaktsioonid algavad sageli aeglaselt. Kõigepealt toimub induktsiooniperiood, mille jooksul reaktiivne magneesium puutub kokku orgaaniliste reagentidega. Pärast seda indutseerimisperioodi võivad reaktsioonid olla väga eksotermilised. Alküül- ja arüülbromiidid ja -jodiidid on tavalised substraadid. Kasutatakse ka kloriide, kuid fluoriidid ei reageeri üldiselt, välja arvatud spetsiaalselt aktiveeritud magneesiumiga, näiteks Rieke-magneesiumiga.
Paljud Grignardi reaktiivid, nagu metüülmagneesiumkloriid, fenüülmagneesiumbromiid ja allylmagneesiumbromiid, on kaubanduslikult saadaval tetrahüdrofuraani või dietüüleetri lahustena.
Kasutades Schlenki tasakaalu, moodustavad Grignardi reaktiivid erineva koguse diorganomagneesiumiühendeid (R = orgaaniline rühm, X = halogeniid):
2 RMgX
R2Mg + MgX2
Algatamine
Grignardi reaktsioonide käivitamiseks on välja töötatud mitmeid meetodeid, mis on aeglaselt käivituvad. Need meetodid nõrgestavad magneesiumi katvat MgO-kihti. Nad paljastavad magneesiumi orgaanilisele halogeniidile, et käivitada reaktsioon, mis tekitab Grignardi reaktiivi.
Mehaanilised meetodid hõlmavad Mg-tükkide purustamist kohapeal, kiiret segamist või suspensiooni ultraheli (soniseerimine) kasutamist. Jood, metüüljodiid ja 1,2-dibromoetaan on tavaliselt kasutatavad aktiveerivad ained. Keemikud kasutavad 1,2-dibromoetaani, sest selle toimet saab jälgida etüleenimullide vaatlemise teel. Samuti on kõrvalsaadused kahjutud:
Mg + BrC2H4Br → C2H4 + MgBr2
Nende aktiveerivate ainete poolt tarbitav Mg kogus on tavaliselt tähtsusetu.
Väikese koguse elavhõbedakloriidi lisamine amalgamiseerib metalli pinna, võimaldades tal reageerida.
Tööstuslik tootmine
Grignardi reaktiivid toodetakse tööstuses kasutamiseks või müügiks. Nagu pingi skaalal, on põhiprobleemiks initsiatsioon. Sageli kasutatakse initsiaatorina osa eelmisest partiist Grignardi reaktiivi. Grignardi reaktsioonid on eksotermilised; seda eksotermilisust tuleb arvestada, kui reaktsiooni suurendatakse laborist tootmisettevõttesse.
Grignardi reaktiivide reaktsioonid
Reaktsioonid karbonüülühenditega
Grignardi reaktiivid reageerivad mitmesuguste karbonüülderivaatidega.
Kõige tavalisem rakendus on aldehüüdide ja ketoonide alküülimine, nagu käesolevas näites:
Pange tähele, et atsetaali funktsioon (maskeeritud karbonüül) ei reageeri.
Sellised reaktsioonid hõlmavad tavaliselt veepõhist (vesipõhist) happelist töötlust, kuigi seda näidatakse reaktsiooniskeemides harva. Juhul kui Grignardi reaktiivi lisatakse prokiraalsele aldehüüdile või ketoonile, saab Felkin-Anhi mudeli või Crami reegli abil tavaliselt ennustada, milline stereoisomeer moodustub.
Reaktsioonid teiste elektrofiilidega
Lisaks reageerivad Grignardi reaktiivid elektrofiilidega.
Teine näide on salitsüülaldehüüdi valmistamine (ei ole eespool näidatud). Kõigepealt reageerib bromoetaan Mg-ga eetris. Teiseks, fenool THFis muundab fenooli Ar-OMgBr-iks. Kolmandaks lisatakse benseeni paraformaldehüüdi pulbri ja trietüülamiini juuresolekul. Neljandaks destilleeritakse segu lahustite eemaldamiseks. Seejärel lisatakse 10% HCl. Peamiseks tooteks on salitsüülaldehüüd, kui kõik on väga kuiv ja inertsetes tingimustes. Reaktsioon toimib ka jodoetaaniga bromoetaani asemel.
B-, Si-, P-, Sn-sidemete moodustamine
Grignardi reaktiiv on väga kasulik süsiniku-heteroatomi sidemete moodustamiseks.
Süsinik-süsiniku sidumisreaktsioonid
Grignardi reaktiivi võib kaasata ka sidumisreaktsioonidesse. Näiteks nonylmagneesiumbromiid reageerib metüül-p-klorobensoaadiga, et saada p-nonüülbensoehapet Tris(atsetüülatsetonaat)raud(III), mida sageli sümboliseeritakse Fe(acac)3, juuresolekul pärast NaOH-ga töötlemist, et hüdrolüüsida ester, mis on näidatud järgmiselt: p-nonüülbensoehapet saab p-nonüülbensoehappe. Ilma Fe(acac)3 ilma Grignardi reagendita ründaks esterrühma üle arüülhalogeniidi.
Arüülhalogeniidide sidumiseks arüülgrignardidega on hea katalüsaator ka nikkelkloriid tetrahüdrofuraanis (THF). Lisaks on tõhus katalüsaator alküülhalogeniidide sidumiseks diliitiumtetraklorokupraat (Li2CuCl4), mida valmistatakse liitiumkloriidi (LiCl) ja vask(II)-kloriidi (CuCl2) segamisel THFis. Kumada-Corriu sidumine võimaldab juurdepääsu [asendatud] stüreenidele.
Oksüdeerumine
Grignardi reaktiivi oksüdeerimine hapnikuga toimub radikaalse vahepealse aine kaudu magneesiumhüdroperoksiidiks. Selle kompleksi hüdrolüüs annab hüdroperoksiide ja redutseerimine täiendava ekvivalendi Grignardi reagendiga annab alkoholi.
Grignardide reaktsioon hapnikuga alkeeni juuresolekul annab etüleenist pikendatud alkoholi. Need on kasulikud suuremate ühendite sünteesimisel. See modifikatsioon eeldab arüül- või vinüülgrignard-reaktiivide kasutamist. Ainult grignardi ja alkeeni lisamisel ei toimu reaktsiooni, mis näitab, et hapniku olemasolu on oluline. Ainus puudus on nõue, et reaktsioonis peab olema vähemalt kaks ekvivalenti Grignardi reaktiivi. Selle probleemi saab lahendada, kui kasutada kahte Grignardi süsteemi odava redutseeriva Grignardi reaktiivi, näiteks n-butüülmagneesiumbromiidi, abil.
Nukleofiilne alifaatiline asendamine
Grignardi reaktiivid on nukleofiilsed alifaatilised asendajad, näiteks alküülhalogeniididega, mis on peamine samm tööstuslike naprokseenide tootmisel:
Likvideerimine
Boordi olefiinisünteesi puhul põhjustab magneesiumi lisamine teatavatele β-haloeetritele alkeeni eliminatsioonireaktsiooni. See reaktsioon võib piirata Grignardi reaktsioonide kasulikkust.
Grignardi lagunemine
Grignardi lagundamine oli omal ajal struktuuride identifitseerimise (selgitamise) vahend, mille puhul heteroarüülbromiidist HetBr moodustatud Grignardi RMgBr reageerib veega Het-H (bromi asendub vesinikuaatomiga) ja MgBrOH-ks. See hüdrolüüsi meetod võimaldab määrata halogeeni aatomite arvu orgaanilises ühendis. Tänapäeval kasutatakse Grignardi lagundamist teatavate triatsüülglütseroolide keemilisel analüüsil.
Tööstuslik kasutamine
Grignardi reaktsiooni näide on tamoksifeeni tööstusliku tootmise põhietapp. (Tamoksifeeni kasutatakse praegu naiste östrogeeni retseptorpositiivse rinnavähi raviks):
Galerii
· 
Kolbi peale pandud magneesiumipöörded.
· 
Katta THF-iga ja lisada väike jooditükk.
· 
Kuumutades lisati alküülbromiidi lahus.
· 
Pärast lisamise lõpetamist kuumutati segu mõnda aega.
· 
Grignardi reaktiivi moodustamine oli lõppenud. Kolbi jäi veel väike kogus magneesiumi.
· 
Sel viisil valmistatud Grignardi reaktiiv jahutati enne karbonüülühendi lisamist 0 °C-ni. Lahus muutus häguseks, kuna Grignardi reaktiivi sadestus välja.
· 
Grignardi reaktiivile lisati karbonüülühendi lahus.
· 
Lahus soojendati toatemperatuurini. Reaktsioon oli täielik.
Seotud leheküljed
- Wittigi reaktsioon
- Barbieri reaktsioon
- Bodroux-Chichibabin aldehüüdi süntees
- Fujimoto-Belleau reaktsioon
- Organoliitiumreaktiivid
- Sakurai reaktsioon
Küsimused ja vastused
K: Mis on Grignardi reaktsioon?
V: Grignardi reaktsioon on metallorgaaniline keemiline reaktsioon, mille käigus alküül- või arüülmagneesiumhalogeniidid (Grignardi reaktiivid) ründavad polaarsetes sidemetes olevaid elektrofiilseid süsinikuaatomeid.
K: Millist tüüpi side tekib Grignardi reaktsioonis?
V: Grignardi reaktsioon tekitab süsinik-süsinik sideme.
K: Milliseid muid sidemetüüpe saab Grignardi reaktsiooni abil moodustada?
V: Grignardi reaktsioon võib moodustada ka süsinik-fosfor-, süsinik-tina-, süsinik-räni, süsinik-boor- ja muid süsinik-heteroatomi sidemeid.
K: Kuidas mõjutab Grignardi reaktsiooni alküülkomponendi kõrge pKa väärtus?
V: Alküülkomponendi kõrge pKa väärtus (pKa = ~45) muudab reaktsiooni pöördumatuks.
K: Millist tüüpi liitumisreaktsioonides osalevad Grignardi reaktiivid?
V: Grignardi reaktiivid osalevad nukleofiilsetes metallorgaanilistes liitumisreaktsioonides.
K: Millised on mõned Grignardi reaktiivide kasutamisega seotud puudused? V: Mõned Grignardi reaktiivide kasutamisega seotud puudused on nende reaktiivsus protiliste lahustite, näiteks vee ja happeliste prootonitega funktsionaalsete rühmade, näiteks alkoholide ja amiinidega; tundlikkus õhuniiskuse suhtes; ja raskused süsinik-süsinik sidemete moodustamisel, kui nad reageerivad alküülhalogeniididega SN2-mehhanismi abil.
K: Kes avastas Grigandi reaktsiooni ja reaktiivid?
V: Griand'i reaktsiooni ja reaktiivi avastamist omistatakse prantsuse keemikule Franחois Auguste Victor Griand'ile, kes sai selle töö eest 1912. aastal Nobeli keemiapreemia.
