Реактивы Гриньяра — магнийорганические соединения, содержащие ковалентную связь C-Mg. Чаще всего их получают из органилгалогенидов вида R-X, где X = Cl, Br, I и магния в безводной среде.

Об истории реактивов Гриньяра см. Магнийорганические соединения.

Получение

Для получения реактивов Гриньяра используют безводную среду, чаще всего — диэтиловый эфир (Et₂O) или тетрагидрофуран (ТГФ, THF) — циклический простой эфир. В выбранном растворителе растворяют органилгалогенид — органическое производное, содержащее группу C-X, где X = Cl, Br, I, а C — атом углерода в sp-, sp²— или sp³-гибридизации. Далее в раствор добавляют порошок магния, происходит окислительное присоединение (см. Реакции кросс-сочетания), и магний как бы «встраивается» в связь R-X:

Часто для инициирования данной реакции в раствор добавляют немного иода или 1,2-дибромэтана, которые, легко взаимодействуя с магнием, активируют его поверхность. Также применяют эффективный способ активации магния ультразвуком.

Важно отметить, что в растворе существуют две магнийорганических формы (моноалкилмагнийгалогенидная — сам реактив Гриньяра — и диалкилмагниевая), между которыми устанавливается равновесие Шленка:

Его можно практически полностью сместить вправо, если добавить в раствор диоксан — координационно активный органический растворитель, связывающий галогенид магния в комплекс.

Стоит отметить, что положение равновесия зависит от растворителя и условий. Соответственно, растворитель способен регулировать реакционную способность РГ, так как, например, диалкилмагний гораздо более реакционноспособен, чем соответствующий алкилмагнийгалогенид.

В эфирном растворе реактивы Гриньяра существуют в виде тетраэдрического комплекса с двумя молекулами растворителя:

Для получения реактива Гриньяра нельзя использовать органические галогенпроизводные, которые содержат сложноэфирные, нитрильные, карбонильные и др. группы, так как (см. свойства реактивов Гриньяра далее) в таком случае происходит беспорядочное взаимодействие получающихся фрагментов R-MgX с такими электрофильными группами и реакционная смесь засоряется ненужными продуктами реакции.

Свойства и применение

Главной особенностью металлоорганических соединений в принципе, а реактивов Гриньяра в частности, является тот факт, что связь углерод-металл —сильнополярная, и большая часть электронной плотности находится именно на атоме углерода, что делает его сильным нуклеофилом. Данный атом углерода принято называть карбанионным синтоном (синтоном карбаниона), то есть частицей, проявляющей свойства карбаниона, однако являющейся её более стабилизированным аналогом.

Благодаря этому реактивы Гриньяра — в первую очередь сильные C-нуклеофилы, что находит применение при создании новых связей C-C посредством атаки на электрофилы по механизмам S_N2 (нуклеофильное замещение) и AdN (нуклеофильное присоединение).

Однако не стоит забывать, что формально реактив Гриньяра — это соль очень слабой кислоты — углеводорода, поэтому реактивы Гриньяра являются сильными основаниями и вступают во многие кислотно-основные реакции.

Кислотно-основные реакции

В первую очередь данные реакции протекают между реактивами Гриньяра и кислотными группами в органических соединениях, такими как спиртовые группы, аминные и так далее:

Способность реактива Гриньяра (MeMgBr) депротонировать некоторые соединения с выделением метана послужило основой метода Чугаева-Церевитинова, ранее используемого для аналитического определения подвижного водорода в органических соединениях.

Ацетилен при действии реактива Гриньяра образует соль, причём полученное соединение называют реактивом Иоцича, которые могут быть использованы как аналоги реактивов Гриньяра в реакциях, разобранных далее в статье:

По такому же принципу реактивы Гриньяра нацело гидролизуются:

И окисляются кислородом воздуха, а также серой:

Карбоновые кислоты

Карбоксильная группа -COOH является достаточно кислотной группой, что обеспечивает её первичную реакцию с реактивом Гриньяра по кислотно-основному типу:

Однако дальнейшая реакция не протекает из-за слишком слабой электрофильности атома углерода карбоксильной группы, поэтому процесс останавливается на магниевой соли карбоновой кислоты. Важно отметить, что существуют случаи, когда дальнейшее присоединение по типу AdN возможно, но это требует специфического заместителя R-: например, гетероцикла, способного хелатно стабилизировать переходное состояние в реакции типа AdN по аналогии с амидами Вайнреба.

Другие исключения: муравьиная кислота и формиаты, к которым реактивы Гриньяра присоединяются до альдегидов (см. далее).

Кетоны

Кетоны являются гораздо более сильными электрофилами для реакций типа AdN (нуклеофильное присоединение), и вместе с этим не обладают такой большой кислотностью, как карбоновые кислоты. Поэтому становится возможной реакция по типу AdN:

Так как в RMgBr на концевом атоме углерода в заместителе R- сосредоточен большой отрицательный заряд, он присоединяется к электрофильному атому углерода карбонильной группы, вместе с чем электронная плотность π-связи C=O переходит на атом кислорода и образуется соль — алкоголят (соль спирта).

При гидролизе такой соли образуется спирт:

Альдегиды

Альдегиды, как и кетоны, выступают в качестве электрофильной группы в реакции Гриньяра:

После гидролиза также получается спирт, однако он является (если R1 — не атом водорода) вторичным, а не третичным, как в прошлом случае.

Углекислый газ

Углекислый газ, как «карбодиальдегид» с электрофильным атомом углерода по центру, может присоединять к себе реактив Гриньяра:

В результате образуется магниевая соль карбоновой кислоты, полученной «сшиванием» фрагмента R с карбоксильной группой -COOH.

После гидролиза образуется соответствующая кислота:

Муравьиная кислота

Муравьиная кислота, одновременно проявляя свойства и альдегида, и карбоновой кислоты, может вступать в реакцию Гриньяра. Два эквивалента реактива Гриньяра образуют с муравьиной кислотой гем-диолят магния:

Далее гем-диолят промывают кислотой, чтобы образовались спиртовые группы. На этой стадии также удаляется весь оставшийся реактив Гриньяра (гидролизуется). В результате образуется гем-диол, который в кислой среде неустойчив и, отщепляя воду, превращается в альдегид:

Итого, при действии реактива Гриньяра заместитель R присоединяет альдегидную группу -CHO.

Помимо муравьиной кислоты, существуют и другие способы формилирования реактивов Гриньяра для получения альдегидов. Например, ДМФА присоединяет RMgX с образованием гемиаминаля (механизм аналогичен присоединению к сложным эфирам), который защищает альдегид от избытка RMgX и впоследствии гидролизуется в альдегид на стадии размыва (синтез альдегидов по Буво). Или, например, для предотвращения вторичной атаки, альдегидную группу можно вводить в виде ацеталя с помощью ортоформиата, который присоединяет RMgX в виде оксониевого катиона (реакция Бодру-Чичибабина).

Нитрилы

Присоединение реактива Гриньяра к нитрилам — путь продления цепи на кетонную (-COR’) группу. На первой стадии образуется иминиевая соль:

При её гидролизе азот в виде катиона аммония удаляется из органической молекулы, образуется кетон:

Сложные эфиры

Сложные эфиры, в отличие от карбоновых кислот, вступают в реакцию Гриньяра аналогично карбонильным соединениям за счёт большей электрофильности центрального атома C в сложноэфирной группе:

После реакции образуется однозамещённый гем-диол, который (см. предыдущий пункт) превращается в кетон, отщепляя алкоголят магния — соль спирта R₂OMgBr:

Кетон вновь реагирует с реактивами Гриньяра, в результате получается большая смесь продуктов в зависимости от изначального соотношения сложного эфира и реактива Гриньяра. Именно поэтому сложные эфиры нельзя использовать в качестве растворителей для получения реактивов Гриньяра.

Галогенангидриды карбоновых кислот

Хлорангидриды и бромангидриды карбоновых кислот (-RCOCl, -RCOBr) гораздо более активные субстраты для атаки реактивом Гриньяра, нежели кетоны, поэтому при пониженной температуре возможно селективно получить кетон из галогенангидрида карбоновой кислоты. Однако в большинстве случаев (или при избытке реактива Гриньяра) происходит дальнейшее его присоединение к получающемуся кетону:

Диоксид серы

Аналогично диоксиду углерода (углекислому газу), диоксид серы может присоединять реактив Гриньяра на электрофильный центр — атом серы. В результате реакции происходит образование соли сульфиновой кислоты — тиоаналога (серного аналога) карбоновой кислоты:

Кислотный гидролиз приводит к самой сульфиновой кислоте:

Эпоксиды

Эпоксиды также являются электрофильными молекулами, поэтому могут присоединять реактивы Гриньяра, раскрывая малый цикл:

После гидролиза образуется спирт:

Реакции типа S_N2

Практически все рассмотренные выше реакции являлись реакциями типа AdN — нуклеофильное присоединение. Однако реактив Гриньяра также может реагировать и по S_N2-типу — нуклеофильного замещения, например, с аллильными субстратами:

Сообщение Реакция и реактивы Гриньяра появились сначала на ChemToday.

Данные соединения оказываются чрезвычайно полезными и нужными в органическом синтезе, так как они достаточно устойчивы при стандартных условиях и легки в получении, а также обладают широкими возможностями применения.

История

Считается, что вся металлоорганическая химия как полноценный раздел химии началась именно с магнийорганических соединений, когда в 1900 году французский химик Виктор Гриньяр предложил методы их синтеза и фактически направил исследователей, которые в дальнейшем обнаружили широкий спектр реакций, которые могут помочь при синтезе органических соединений разных классов.

За своё открытие в 1912 году Гриньяр получил нобелевскую премию по химии.

Получение и свойства

Практически все используемые в органическом синтезе магнийорганические соединения — это реактивы Гриньяра и реактивы Иоцича. Подробнее о них см. отдельную статью по ссылке.

Реактивами Гриньяра называют все магнийорганические соединения, содержащие ковалентную связь C-Mg, где атом углерода C имеет sp, sp² или sp³-гибридизацию, причём алкинидные производные вида RC≡C-Mg обычно называют реактивами Иоцича.

Реактивы Гриньяра — ключевые органические реагенты в органическом синтезе. Большинство реакций, в которые они вступают — нуклеофильное присоединение, так как атом углерода, связанный с магнием, приобретает отрицательный заряд и формально становится карбанионом. За счёт нуклеофильного присоединения к разным электрофильным группам происходит важное в органическом синтезе превращение — создание новых C-C связей, позволяющих присоединять к существующему углеродному скелету необходимые фрагменты, замыкать циклы и многое другое. Практически все такие реакции также носят имя Виктора Гриньяра.

Сообщение Магнийорганические соединения появились сначала на ChemToday.