Grignard-reagens

Victor Grignard

A Grignard-reagens vagy Grignard-vegyület az R−Mg−X általános képlettel leírható fémorganikus vegyületek gyűjtőneve, ahol az R alkil vagy arilcsoport, X pedig egy halogént jelöl (legtöbbször brómot). Nagyon reakcióképes, nyomnyi mennyiségű vízzel is hevesen elreagál, ezért csak vízmentes közegben használható. Elterjedten használt redukálószer és fontos alkilezőszer. Tipikus példa rá a metil-magnézium-klorid és a fenil-magnézium-bromid. Elterjedt reagensek a szerves kémiában új szén-szén-kötések létrehozásakor, hasonlóan a lítiumorganikus vegyületekhez.

A Grignard-reagensek tisztán rendkívül reakcióképes szilárd anyagok. Legtöbbször szerves oldószerekben, dietil-éterben vagy tetrahidrofuránban oldva használják. Oldatban stabil, amennyiben vízmentesített a rendszer. Az oldószerrel rendszerint komplexet alkot, melyhez a magnézium koordinációs kötéssel kapcsolódik.

A Grignard-reagens nevét Victor Grignard francia kémikusról kapta, aki 1900-ban fedezte fel, amiért 1912-ben kémiai Nobel-díjjal jutalmazták.

Előállítása

A Grignard-vegyületeket alkil-halogenidek fémes magnéziummal való reakciójával állítják elő. A reagens stabilizálásához étereket használnak. A művelet víztől és levegőtől elzárva végzendő, mivel ezek protolízis vagy oxidáció révén használhatatlanná teszik a reagenst. Az alkil-magnézium-halogenid képződése lassan indul be a fém felületén megjelenő oxidréteg miatt, azonban idővel felgyorsul és igen exotermmé válhat. A reakció bármely halogénnel kivitelezhető, azonban az alkil-fluoridok kis reakciókészsége miatt azokhoz nem szimpla magnézium, hanem speciálisan aktivált Rieke-magnézium szükséges.

Az előállításhoz rendszerint magnéziumszalagot használnak. Az azt körülvevő magnéziumoxid-réteg azonban gátolja a reakciót. A passzívréteg megbontására, a reaktív magnézium felszabadítására több módszer is rendelkezésre áll, köztük a fémszalagok porrá őrlése helyben, az erős keverés és az ultrahangos kezelés. Ezenkívül aktiválószerként jódot, metil-jodidot vagy 1,2-dibrómetánt használnak. Utóbbi esetén az etilénbuborékok megjelenése jelzi, hogy a magnézium reakcióképes. A keletkező vegyület a további reakciókra nincs hatással.

$\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{+}\mathrm{B}\mathrm{r}{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{B}\mathrm{r}\mathrm{\to }{\mathrm{C}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{B}{\mathrm{r}}_{\mathrm{2}}$

Az aktiválószerekkel elreagáló magnézium mennyisége nem jelentős. Kis mennyiségű higany(II)-kloriddal a fémfelület amalgámmá alakítható, ezáltal nő a reaktivitása is.

Kimutatás

A Grignard-vegyület vízzel való heves reakcióját felhasználják annak kimutatására vagy minőségi ellenőrzésére. Általánosságban az ilyen teszteknél valamilyen vízmentes, protikus reagenst használnak, amelynek könnyen mérhető a tömege, például mentolt színezőanyag jelenlétében. A fenantrolinnal vagy 2,2'-bipiridinnel való reakciója szintén színváltozással jár.

Reakciói

Karbonilvegyületekkel

A Grignard-reagens számos karbonilcsoportot tartalmazó vegyülettel képes reakcióba lépni, beleértve az aldehideket, ketonokat, észtereket, amidokat, de még a szén-dioxidot is.

Grignard-vegyület reakciója karbonilvegyületekkel

Leggyakrabban az aldehidek és ketonok alkilezésére használják a Grignard-reakcióban. Ekkor a karbonilcsoport alkohollá redukálódik, míg az oxigénhez kapcsolódó szénre beépül a plusz alkilcsoport.

Reaction of CH₃C(=O)CH(OCH₃)₂ with H₂C=CHMgBr

Fontos megjegyezni, hogy az acetálcsoport nem reagál a Grignard-reagenssel, így az át nem alakítandó karbonilcsoportok levédhetők acetállá alakítással.

Aldehidekkel vagy prokirális ketonokkal való reakcióban a Felkin-Anh-modell vagy a Cram-szabály alapján megjósolható, hogy melyik sztereoizomer fog keletkezni. A könnyen deprotonálható 1,3-diketonok és a hasonlóan CH-savas vegyületekkel szemben a Grignard-reagens gyenge bázisként viselkedik, így az enolátion mellett a magnéziumhoz kapcsolódó alkilcsoport is felszabadul alkán formájában.

Nukleofil szubsztitúciós reakciókban a nukleofil szerepét tölti be. Ez a Naproxén ipari gyártásának kulcslépése.

Naproxén-szintézis

Grignard-vegyület reakciója egyéb elektrofilekkel

Fémek és félfémek alkilezése

A lítiumorganikus vegyületekhez hasonlóan a szén- és a heteroatomok közötti kötések létrehozására szolgálhat.

$\begin{array}{c}\mathrm{R}{\phantom{A}}_4\mathrm{B}{\phantom{A}}^{-}\\ \mathrm{E}\mathrm{t}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\cdot \mathrm{B}\mathrm{F}{\phantom{A}}_3\text{vagy}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{B}\mathrm{F}{\phantom{A}}_4\uparrow \mathrm{E}\mathrm{t}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\cdot \mathrm{B}\mathrm{F}{\phantom{A}}_3\text{vagy}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{B}\mathrm{F}{\phantom{A}}_4\\ \mathrm{P}\mathrm{h}{\phantom{A}}_2\mathrm{P}\mathrm{R}\stackrel{\mathrm{P}\mathrm{h}{\phantom{A}}_2\mathrm{P}\mathrm{C}\mathrm{l}}{\leftarrow }\mathrm{R}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{X}\stackrel{\mathrm{B}\mathrm{u}{\phantom{A}}_3\mathrm{S}\mathrm{n}\mathrm{C}\mathrm{l}}{\to }\mathrm{B}\mathrm{u}{\phantom{A}}_3\mathrm{S}\mathrm{n}\mathrm{R}\\ \mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{M}\mathrm{e}){\phantom{A}}_3\downarrow \mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{M}\mathrm{e}){\phantom{A}}_3\\ \mathrm{R}\mathrm{B}(\mathrm{O}\mathrm{M}\mathrm{e}){\phantom{A}}_2\end{array}$

A Grignard-vegyületek számos fémtartalmú elektrofil vegyülettel reakcióba lépnek. A kadmium-kloridot például dialkil-kadmiummá alakítja, ahogy a fémek kicserélődnek.:

2 RMgX + CdCl₂ → R₂Cd + 2 Mg(X)Cl

Alkil-halogenidekkel

A Grignard-reagensek jellemzően nem reagálnak a halogéncsoporttal, azok viszonylag nagy reakciókészsége ellenére. Bizonyos fémtartalmú katalizátorok jelenlétében azonban nemcsak lecserélhető a halogén alkilcsoportra, de ebben az esetben a reagens még előnyben is részesíti a karbonilcsoportokkal szemben. Példaként alább a metil−para-klórbenzoát átalakítása látható para-nonil-benzoesavvá nonil-magnézium-bromid segítségével. A katalizátor vas(III)-acetilacetonát, amely nélkül a Grignard-reagens az észteres karbonilcsoportot támadná. Második lépésként az észter lúgos hidrolízisével szabadítjuk fel a savat.

p-nonil-benzoesav előállítása

Aril-Grignard-vegyületekhez szintén jól használható katalizátor a nikkel-klorid vagy a lítium-kloridból és réz-kloridból készített dilítium-tetrakloro-kuprát (Li₂CuCl₄) tetrahidrofuránban (THF) oldva.

Oxidáció

Grignard-vegyületek oxigénnel való reakciója szerves magnézium-peroxidokat eredményezhet, amelyből hidrolízissel alkil-hidroperoxidok vagy alkoholok keletkeznek. A reakció gyökös mechanizmusú.

A Grignard-reagensek alkohollá történő egyszerű oxidációja nem bír nagy gyakorlati jelentőséggel, mivel csekély hozammal játszódik le. Ugyanakkor a borán jelenlétében hidrogén-peroxiddal végzett kétlépéses oxidáció már alkalmas alkoholok előállításához.

Hosszabb szénláncú alkoholok alkénekből történő előállítására szintén használnak aril- vagy vinil-Grignard-reagenseket oxigén jelenlétében. Az oxigén alapvető fontosságú, enélkül ugyanis nem megy végbe reakció. A folyamat hátránya, hogy kétszeres mennyiségű Grignard-reagenst igényel, ám annak csak a fele jelenik meg a végtermékben. Ennek kiküszöbölésére a beépítendő alkilcsoportot tartalmazó Grignard mellett olcsóbb n-butil-magnézium-bromidot adnak a reakciótérbe.

Ipari alkalmazás

Bonyolult szerves vegyületek, gyógyszerhatóanyagok előállításához kulcsfontosságú a Grignard-reagens használata. Például az emlőrák kezelésére használt Tamoxifen nem-sztereoszelektív gyártásához fenil-magnézium-bromidot használnak:

Tamoxifen production

Galéria

• 
  Magnéziumszalagok a lombikban.
• 
  Tetrahidrofurán és némi jód hozzáadva.
• 
  Alkil-bromid az elegyhez keverve melegítés közben.
• 
  Miután minden belekerült, tovább melegítjük.
• 
  A Grignard-reagens kialakult. Egy kevés magnézium maradt a lombikban.
• 
  A reakcióelegyet Sablon:Nowrap-ra hűtjük. Az oldat zavarossá válik, ahogy az imént előállított Grignard-vegyület kicsapódik.
• 
  A karbonilvegyület oldatát a reakciótérbe adagoljuk.
• 
  Az oldat visszamelegedett szobahőmérsékletűre. A reakciónak vége.