Grignarda reakcija: definīcija, mehānisms un pielietojums
Grignarda reakcija: skaidra definīcija, mehānisks izklāsts un plaši pielietojumi oglekļa–oglekļa saišu veidošanā, reagentu īpašības un praktiski padomi laboratorijai.
Grignarda reakcija (izrunā /ɡriɲar/) ir metālorganiska ķīmiska reakcija, kurā alkil‑ vai aril‑magnija halogenīdi (Grignarda reaģenti, parasti apzīmēti kā R–MgX) uzbrūk elektrofīlajiem oglekļa atomiem polārajās grupās, piemēram, karbonilos. Grignarda reaģenti darbojas kā spēcīgi nukleofili un bāzes ar nozīmīgu karbanjonu raksturu pie oglekļa‑magnija saišu, tādējādi ļaujot veidot jaunas oglekļa–oglekļa saites. Reakcijas rezultātā veidojas metālalkoksīdu starpprodukti, kuri pēc skābas apstrādes (workup) dod atbilstošos alkoholu, karbonskābju vai citus produktus. Grignarda reaakcijas var izmantot arī, lai izveidotu oglekļa–fosfora, oglekļa–alvas, oglekļa–silīcija, oglekļa–bora un citas oglekļa‑heteroatomu saites.
Reakcijas mehānisms
Parasti Grignarda reakcijas mehānisms ietver šādas pamatfāzes:
- Veidojas Grignarda reaģents R–MgX no organohalogēnīda (R–X) un magnija metāla (Mg), parasti ēteru šķīdinātājā (piemēram, dietilēterā vai THF）；
- R–MgX kā nukleofils pievienojas karbonilgrupai (C=O), veidojot alkoksīda–magnija kompleksu (R–C(OMgX)–Rʹ);
- Skāba apstrāde (piemēram, H3O+) hidrolizē Mg–O saiti un atbrīvo gala produktu — alkoholu, ja sākotnējais substrāts bija aldehīds vai ketons. Ja substrāts ir CO2, pēc darba uzdonešanas rodas karbonskābe.
Jāņem vērā, ka oglekļa‑magnija saite ir ļoti polāra ar lielu karbanjonam līdzīgu raksturu, tāpēc Grignarda reaģenti ir gan spēcīgas bāzes, gan spēcīgi nukleofili.
Grignarda reaģentu iegūšana un nosacījumi
Grignarda reaģentu parasti sagatavo, reaģējot alkil‑ vai arilhalogenīdu ar magniju metālu ētera šķīdinātājā. Lai panāktu veiksmīgu reaģenta veidošanos, bieži izmanto magnija virsmas aktivizāciju (piemēram, žilete, joda kristāli, ultraskaņa vai ķīmiska aktivizācija). Izplatītas praktiskas prasības:
- Ekstremāla mitruma un skābekļa izslēgšana — sausas kolbas, liesmas žāvēšana, reakcijas veikšana inertajā atmosfērā (slāpeklis vai argons);
- Šķīdinātāji: dietilēters vai tetrahidrofurāns (THF), kas stabilizē Grignarda reaģentu esošo metālorganisko klasteru formu;
- Halogenīda reaktivitāte: jodīdi > bromīdi > hlorīdi, tāpēc ar alkilhlorīdiem reaģenti veidojas grūtāk;
- Ultraskaunas un citi aktivizācijas paņēmieni var palīdzēt noņemt adsorbēto mitrumu uz magnija virsmas un uzsākt reakciju.
Praktiskie ierobežojumi un drošība
Galvenie Grignarda reaģentu ierobežojumi un bīstamības faktori:
- Jutība pret protiskiem šķīdinātājiem un funkcionālajām grupām: Grignarda reaģenti reaģē ar ūdeni, alkoholiem, amīniem, karboksilskābēm, tioliem utt., tādējādi tos deaktivizējot. Atmosfēras mitrums samazina iegūstamo reaģentu iznākumu. Lai to novērstu, laboratorijās parasti izmanto sausas kolbas un inertu gāzi, kā arī žāvē šķīdinātājus.
- Reakcijas nekompatibilitāte: substrāti, kuri paši satur reakcīvas protiskas vai reducējošas grupas, nav piemēroti bez iepriekšējas grupu aizsardzības;
- Sānu reakcijas: iespējama Wurtza tipa coupling (R–R) starprekcija vai redukcija (veidojot alkanus), īpaši, ja nav rūpīgas kontroles par reaktantu attiecībām un temperatūru;
- Reaģenta agregācija: Grignarda reaģenti bieži pastāv kā dimeri vai lielāki klasteri, sasaistīti ar ētera molekulām, kas ietekmē reaktivitāti;
- Drošība: Grignarda reaģenti ir ļoti reaktīvi un var degt vai spontāni reaģēt ar ūdeni, tāpēc tos izmanto rūpīgi un ar atbilstošām aizsargierīcēm.
Pielietojums organiska sintēzē
Grignarda reakcija ir viens no pamatinstrumentiem organiskajā sintēzē. Tipiskie pielietojumi:
- Alkoholu sintēze — pievienojot Grignarda reaģentu aldehīdiem un ketoniem, iegūst primāros, sekundāros vai terciāros alkoholus pēc skābas apstrādes;
- Karbonskābju iegūšana — reakciója ar CO2 seko skābas apstrāde, kam seko karbonskābe;
- Citālo funkcionālo grupu sintēze — piemēram, veidojot silylētu, borētus vai fosforētus atvasinājumus ar attiecīgiem reagentiem;
- Starpprodukts daudziem organiskajiem sintēzes ceļiem, tostarp farmaceitisku un smaržvielu ražošanā;
- Grignarda reaģenti var tikt izmantoti arī kā reagenti ķīmiskajos pārvietojumos un kombinācijās ar pārejas metālu katalizētām reakcijām.
Mehāniska piezīme un bieži jautājumi
Svarīgi praktiski fakti: Grignarda reaģents ir ļoti bāzisks (konjugātā skābe — alkanu C–H — pKa ir apmēram 45). Tas nozīmē, ka jebkura viegli protiska slāņa klātbūtne iznīcinās reaģentu, tāpēc reakcija ir praktiski neatgriezeniska attiecībā uz protonu pievienošanu. Neraugoties uz plašo izmantojumu, Grignarda reaģenti parasti neveido oglekļa–oglekļa saišu ar alkilhalogenīdiem vienkāršā SN2 ceļā ar labu iznākumu; tādas savienojumu veidošanas shēmas biežāk konkurē ar citām blakusreakcijām.
Vēsture
Grignarda reakcijas atklāja franču ķīmiķis Franču ķīmiķis Frānsuā Ogists Viktors Grignārs (François Auguste Victor Grignard). Par šo atklājumu un saistītiem pētījumiem viņam piešķīra Nobela prēmiju ķīmijā 1912. gadā. Reakcija un reaģenti viņa vārdā ir palikuši par vienu no organiskās sintēzes stūrakmeņiem.
Īsā secinājumā: Grignarda reakcija ir universāls un spēcīgs līdzeklis oglekļa–oglekļa saišu veidošanā, taču tās lietojumam nepieciešama laba eksperimentālā prakse, sausas un inertas vides nodrošināšana, kā arī uzmanība saderībai ar funkcionālajām grupām.
Karbonilsavienojuma šķīdumu pievieno Grignarda reaģentam. (Skatīt galeriju zemāk)
Reakcijas mehānisms
Grignarda reaģenta pievienošana karbonilam parasti notiek caur sešdaļīga gredzena pārejas stāvokli.
Tomēr, ja Griganarda reaģenti ir stēriski traucējoši, reakcija var notikt ar viena elektrona pārnesi.
Grignarda reakcijas nedarbojas, ja ir ūdens; ūdens izraisa reaģenta strauju sadalīšanos. Tāpēc lielākā daļa Grignarda reakciju notiek šķīdinātājos, piemēram, bezūdens dietilēterī vai tetrahidrofurānā (THF), jo šajos šķīdinātājos esošais skābeklis stabilizē magnija reaģentu. Reaģents var reaģēt arī ar atmosfērā esošo skābekli. Tā starp oglekļa bāzi un magnija halogenīdu grupu tiek ievietots skābekļa atoms. Parasti šo blakusreakciju var ierobežot gaistošo šķīdinātāju tvaiki, kas izspiež gaisu virs reakcijas maisījuma. Tomēr ķīmiķi var veikt reakcijas slāpekļa vai argona atmosfērā. Neliela mēroga reakcijās šķīdinātāja tvaikiem nav pietiekami daudz vietas, lai pasargātu magniju no skābekļa.
Grignarda reaģenta izgatavošana
Grignarda reaģenti veidojas, iedarbojoties alkilhalogenīdam vai arilhalogenīdam uz magnija metālu. Reakciju veic, pievienojot organisko halogenīdu magnija suspensijai ēterī, kas nodrošina ligandus, kuri nepieciešami organogēnija savienojuma stabilizācijai. Tipiski šķīdinātāji ir dietilēteris un tetrahidrofurāns. Skābeklis un proktiskie šķīdinātāji, piemēram, ūdens vai spirti, nav saderīgi ar Grignarda reaģentiem. Reakcija notiek ar viena elektrona pārnesi.
R-X + Mg → R-X-- + Mg-+
R-X-- → R- + X-
X- + Mg-+ → XMg-
R- + XMg- → RMgX
Grignardu reakcijas bieži sākas lēni. Vispirms ir indukcijas periods, kura laikā reaktīvais magnijs saskaras ar organiskajiem reaģentiem. Pēc šī indukcijas perioda reakcijas var būt ļoti eksotermiskas. Bieži sastopami substrāti ir alkil- un arilbromīdi un jodīdi. Izmanto arī hlorīdus, bet fluorīdi parasti nereaģē, izņemot ar īpaši aktivētu magniju, piemēram, Riekes magniju.
Daudzi Grignarda reaģenti, piemēram, metilmagnija hlorīds, fenilmagnija bromīds un alilmagnija bromīds, ir pieejami tirdzniecībā tetrahidrofurāna vai dietilētera šķīdumos.
Izmantojot Šlenka līdzsvaru, Grignarda reaģenti veido dažāda daudzuma diorganomagnija savienojumus (R = organiskā grupa, X = halogenīds):
2 RMgX
R2Mg + MgX2
Iniciācija
Ir izstrādātas daudzas metodes, lai iniciētu Grignarda reakcijas, kas sākas lēni. Šīs metodes vājina MgO slāni, kas pārklāj magniju. Ar tām magnijs tiek pakļauts organiskā halogenīda iedarbībai, lai sāktu reakciju, kuras rezultātā veidojas Grignāra reaģents.
Mehāniskās metodes ietver Mg gabaliņu sasmalcināšanu uz vietas, strauju maisīšanu vai suspensijas apstrādi ar ultraskaņu (sonikāciju). Jods, metiljodīds un 1,2-dibrometāns ir parasti izmantotie aktivatori. Ķīmiķi izmanto 1,2-dibrometānu, jo tā darbību var kontrolēt, novērojot etilēna burbuļus. Arī blakusprodukti ir nekaitīgi:
Mg + BrC2H4Br → C2H4 + MgBr2
Mg daudzums, ko patērē šie aktivatori, parasti ir nenozīmīgs.
Pievienojot nelielu daudzumu dzīvsudraba hlorīda, metāla virsma tiek amalgamēta, ļaujot tam reaģēt.
Rūpnieciskā ražošana
Grignarda reaģentus ražo rūpniecībā izmantošanai vai pārdošanai. Tāpat kā standarta mērogā, galvenā problēma ir uzsākšanas problēma. Par iniciatoru bieži izmanto daļu no iepriekšējāsrignarda reaģenta partijas. Grignāra reakcijas ir eksotermiskas; šī eksotermiskums jāņem vērā, ja reakciju no laboratorijas palielina līdz ražošanas iekārtai.
Griganarda reaģentu reakcijas
Reakcijas ar karbonila savienojumiem
Grignarda reaģenti reaģē ar dažādiem karbonilatvasinājumiem.
Visbiežāk to izmanto aldehīdu un ketonu alkilēšanai, kā šajā piemērā:
Ņemiet vērā, ka acetāla funkcija (maskēts karbonils) nereaģē.
Šādās reakcijās parasti izmanto ūdens (ūdens) skābo apstrādi, lai gan reakciju shēmās tas reti tiek parādīts. Gadījumos, kad Grignarda reaģents tiek pievienots prohirālam aldehīdam vai ketonam, Felkina-Anha modelis vai Kramas likums parasti ļauj paredzēt, kurš stereoizomērs veidosies.
Reakcijas ar citiem elektrofīliem
Turklāt Grignarda reaģenti reaģē ar elektrofīliem.
Vēl viens piemērs ir salicilaldehīda ražošana (nav parādīts iepriekš). Vispirms brometāns reaģē ar Mg ēterī. Otrkārt, fenols THF šķīdumā pārvēršas par Ar-OMgBr. Treškārt, pievieno benzolu paraformaldehīda pulvera un trietilamīna klātbūtnē. Ceturtkārt, maisījumu destilē, lai atdalītu šķīdinātājus. Tad pievieno 10 % HCl. Salicilaldehīds būs galvenais produkts, ja viss būs ļoti sauss un inertos apstākļos. Reakcija darbojas arī ar jodoetānu brometāna vietā.
Saistību veidošanās ar B, Si, P, Sn
Grignarda reaģents ir ļoti noderīgs oglekļa-heteroatomu saišu veidošanai.
Oglekļa-oglekļa savienošanas reakcijas
Savienošanas reakcijās var iesaistīt arī Grignarda reaģentu. Piemēram, nonilmagnija bromīds reaģē ar metil-p-hlorbenzoātu, lai iegūtu p-nonilbenzoskābi, Tris(acetilacetonato)dzelzs(III) klātbūtnē, ko bieži apzīmē ar Fe(acac)3, pēc apstrādes ar NaOH, lai hidrolizētu esteri, kas parādīta šādi. Bez Fe(acac)3 Griganarda reaģents iedarbotos uz estera grupu, nevis uz arilhalogenīdu.
Arilhalogenīdu savienošanai ar arilgrignardiem labs katalizators ir arī niķeļa hlorīds tetrahidrofurānā (THF). Turklāt efektīvs katalizators alkilhalogenīdu savienošanai ir dilitija tetrahlorokuprāts (Li2CuCl4), ko iegūst, sajaucot litija hlorīdu (LiCl) un vara(II) hlorīdu (CuCl2) THF. Kumada-Korriu sakabes metode ļauj iegūt [aizvietotus] stirēnus.
Oksidācija
Grignarda reaģenta oksidēšana ar skābekli notiek ar starpposma radikāļa starpproduktu, veidojot magnija hidroperoksīdu. Šī kompleksa hidrolīzes rezultātā rodas hidroperoksīdi, un reducējot ar papildu ekvivalentu Griganarda reaģentu, rodas spirts.
Grignardu reakcijā ar skābekli alkēna klātbūtnē rodas etilēna pagarinātais spirts. Tie ir noderīgi lielāku savienojumu sintēzei. Šai modifikācijai ir vajadzīgi aril- vai vinilgrignardi reaģenti. Pievienojot tikai grignardu un alķēnu, reakcija nenotiek, kas liecina, ka skābekļa klātbūtne ir būtiska. Vienīgais trūkums ir tas, ka reakcijā ir nepieciešami vismaz divi ekvivalenti Grignarda reaģenta. To var atrisināt, izmantojot dubulto Grignarda sistēmu ar lētu reducējošu Grignarda reaģentu, piemēram, n-butilmagnija bromīdu.
Nukleofīlā alifātiskā aizvietošana
Grignarda reaģenti ir nukleofīli nukleofīlajās alifātiskajās aizvietotājvielās, piemēram, ar alkilhalogenīdiem, kas ir galvenais solis rūpnieciskajā naproksēna ražošanā:
Eliminācija
Boorda olefīnu sintēzē, pievienojot magniju noteiktiem β-haloēteriem, notiek alkēna eliminācijas reakcija. Šī reakcija var ierobežot Grignarda reakciju lietderību.
Grignarda degradācija
Savulaik Grignarda degradācija bija struktūras identifikācijas (noskaidrošanas) instruments, kurā Grignarda RMgBr, kas veidojas no heteroarila bromīda HetBr, reaģē ar ūdeni līdz Het-H (bromu aizstāj ar ūdeņraža atomu) un MgBrOH. Šī hidrolīzes metode ļauj noteikt halogēna atomu skaitu organiskajā savienojumā. Mūsdienās Grignarda sadalīšanu izmanto dažu triacilglicerīnu ķīmiskajā analīzē.
Izmantošana rūpniecībā
Grignarda reakcijas piemērs ir galvenais posms tamoksifēna rūpnieciskajā ražošanā. (Tamoksifēnu pašlaik izmanto estrogēnu receptoru pozitīva krūts vēža ārstēšanai sievietēm.):
Galerija
· 
Uz kolbas novietoti magnija virpuļi.
· 
pārklāj ar THF un pievieno nelielu gabaliņu joda.
· 
Karsējot pievienoja alkilbromīda šķīdumu.
· 
Pēc pievienošanas pabeigšanas maisījumu kādu laiku karsēja.
· 
Grignarda reaģenta veidošanās bija pabeigta. Kolbā vēl bija palicis neliels daudzums magnija.
· 
Šādi pagatavoto Grignarda reaģentu pirms karbonilsavienojuma pievienošanas atdzesē līdz 0°C. Šķīdums kļuva duļķains, jo Grignarda reaģents izgulsnējās.
· 
Grignarda reaģentam pievienoja karbonilsavienojuma šķīdumu.
· 
Šķīdumu uzsildīja līdz istabas temperatūrai. Reakcija bija pabeigta.
Saistītās lapas
- Vittiga reakcija
- Barbjē reakcija
- Bodru-Čičibabina aldehīdu sintēze
- Fujimoto-Belleau reakcija
- Organolītija reaģenti
- Sakurai reakcija
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir Grignarda reakcija?
A: Griņāra reakcija ir metālorganiska ķīmiska reakcija, kurā alkil- vai aril-magnija halogenīdi (Griņāra reaģenti) uzbrūk elektrofīlajiem oglekļa atomiem, kas atrodas polārās saitēs.
J: Kāda veida saite veidojas Grignarda reakcijā?
A: Grignarda reakcijas rezultātā veidojas oglekļa-oglekļa saite.
J: Kāda veida saites vēl var veidoties, izmantojot Grignarda reakciju?
A: Grignarda reakcija var veidot arī oglekļa-fosfora, oglekļa-alvas, oglekļa-silīcija, oglekļa-bora un citas oglekļa-heteroatomu saites.
J: Kā Griganarda reakciju ietekmē alkilkomponenta augstā pKa vērtība?
A: Augstā alkilkomponenta pKa vērtība (pKa = ~ 45) reakciju padara neatgriezenisku.
J: Kāda veida pievienošanas reakcijās piedalāsrignarda reaģenti?
A: Grignarda reaģenti piedalās nukleofīlajās metālorganiskās adīcijas reakcijās.
J: Kādi ir daži trūkumi, kas saistīti ar Grignarda reaģentu izmantošanu? Daži trūkumi, kas saistīti ar Grignarda reaģentu lietošanu, ir saistīti ar to reaktivitāti ar protisāļiem, piemēram, ūdeni, un funkcionālajām grupām ar skābiem protoniem, piemēram, alkoholi un amīni; jutību pret atmosfēras mitrumu; un grūtībām veidot oglekļa-oglekļa saites, reaģējot ar alkilhalogenīdiem pēc SN2 mehānisma.
J: Kas atklāja Griganda reakciju un reaģentus?
A:Griāna reakcijas un reaģenta atklāšana tiek piedēvēta franču ķīmiķim Franחois Auguste Victor Griand, kurš par šo darbu 1912. gadā saņēma Nobela prēmiju ķīmijā.
Meklēt