Гриньяра реактив: получение и свойства

Реактивы Гриньяра представляют собой уникальный класс органических соединений, содержащих атом магния, связанный с органическим радикалом. Их открытие в 1900 году французским химиком Виктором Гриньяром положило начало новой эре в органическом синтезе.

История открытия реактивов Гриньяра

Виктор Гриньяр родился в Париже в 1861 году. Он учился в Высшей нормальной школе и в 1882 году получил степень лиценциата естественных наук. В 1900 году, работая в лаборатории знаменитого химика Шарля Вюрца, Гриньяр проводил реакцию магния с органическими галогенидами и обнаружил образование ранее неизвестных органомагниевых соединений с уникальными свойствами.

10 мая 1900 года Гриньяр впервые сообщил Французскому химическому обществу о своем открытии нового класса organomagnesium compounds, которые впоследствии были названы реактивами Гриньяра.

Это открытие имело огромное значение для развития органического синтеза, так как позволило легко создавать углерод-углеродные связи и вводить в молекулы различные функциональные группы. За это достижение Гриньяр был удостоен Нобелевской премии по химии в 1912 году.

Получение реактивов Гриньяра

Реактивы Гриньяра обычно получают реакцией металлического магния с органическим галогенидом (йодидом, бромидом или хлоридом) в инертном растворителе, чаще всего диэтиловом эфире:

Данная реакция протекает через промежуточное образование циклического переходного комплекса. В зависимости от типа исходного галогенида образуется 4-членный или 6-членный цикл:

• Для первичных и вторичных галогенидов характерно образование 4-членного цикла
• Для третичных галогенидов - 6-членного цикла

После раскрытия цикла происходит перераспределение зарядов с образованием ионных форм реактива Гриньяра и галогенид-иона. Этот процесс описывается равновесием Шленка:

Существует два основных способа увеличения выхода реактивов Гриньяра:

1. Использование избытка магния
2. Проведение реакции при повышенной температуре

Наиболее распространенными являются следующие реактивы Гриньяра:

Химические свойства реактивов Гриньяра

Реактивы Гриньяра обладают выраженными основными и нуклеофильными свойствами, что определяет их высокую реакционную способность.

Нуклеофильные свойства обусловлены наличием отрицательного заряда на атоме углерода, связанного с магнием. Этот атом может атаковать положительно заряженный атом углерода в таких соединениях как карбонильные соединения, эпоксиды, сложные эфиры и др.

Основные свойства связаны с наличием электроположительного магния, который polarizes halogen atom, making it weakly acidic. Реактивы Гриньяра могут отщеплять протон от молекул воды, спиртов и карбоновых кислот.

Реакции реактивов Гриньяра с карбонильными соединениями

Одним из наиболее важных применений реактивов Гриньяра являются реакции с карбонильными соединениями, такими как альдегиды и кетоны. Эти реакции приводят к образованию различных спиртов.

Например, при взаимодействии метилмагнийбромида с формальдегидом образуется метанол:

Аналогичным образом, реакцией этилмагнийбромида с бензальдегидом можно получить 1-фенилэтанол:

Другой вариант - это реакция реактивов Гриньяра с кетонами, которая приводит к получению вторичных и третичных спиртов. Например:

Применение в синтезе карбоновых кислот

Карбоксилирование реактивов Гриньяра диоксидом углерода позволяет получать карбоновые кислоты с высоким выходом. Например:

Аналогичным образом могут быть получены муравьиная, уксусная и другие карбоновые кислоты.

Реакции спирт реактив гриньяра с эпоксидами

Эпоксиды легко раскрываются под действием реактивов Гриньяра с образованием продуктов присоединения. Эти реакции часто используются для синтеза различных спиртов, аминов и других классов соединений. Например, реакцией этиленоксида с этилмагнийбромидом можно получить 2-этил-2-этанол:

Реакции реактива гриньяра альдегидом для C-C сочетания

Реактивы Гриньяра могут выступать в реакциях кросс-сочетания с альдегидами и кетонами в присутствии некоторых металлов переходных групп, образуя продукты C-C сочетания. Например:

Данная реакция, открытая в 1972 году, позволяет эффективно конструировать С-С связи между различными органическими фрагментами.

Практические аспекты работы с реактивами Гриньяра

Несмотря на широкое применение в оргсинтезе, работа с реактивами Гриньяра требует соблюдения ряда мер предосторожности.

Во-первых, реакции с их участием необходимо проводить в абсолютно сухих условиях из-за высокой чувствительности к влаге. Обычно используют сухие растворители и инертную атмосферу.

Во-вторых, реактивы Гриньяра самовоспламеняются на воздухе, поэтому требуют аккуратного обращения вдали от источников открытого огня.

После завершения реакции продукты гидролизуют водой или раствором аммиачной селитры для разложения остатков реактива. Органические продукты экстрагируют и очищают хроматографически.

Промышленное производство реактивов Гриньяра

В промышленном масштабе процессы синтеза реактивов Гриньяра реализуют в специальных металлических реакторах с мешалкой, теплообменником и системой подачи исходных реагентов.

Для улучшения теплообмена и перемешивания используют высококипящие растворители вроде толуола или ксилолов. Процесс ведут при температуре 80-120°C в течение нескольких часов.

После завершения реакции раствор фильтруют для отделения непрореагировавшего магния и перегоняют для регенерации растворителя. Полученный реактив Гриньяра розливают в стальные баллоны под инертной атмосферой.

Модификации реактивов Гриньяра

Помимо классических реактивов Гриньяра RMgX, существуют их модификации, расширяющие синтетические возможности:

• R2Mg позволяют проводить мягкое восстановление различных функциональных групп
• RMgCl•LiCl - более реакционноспособны по сравнению с RMgCl
• RMgNH2 и RMgN(SiMe3)2 проявляют амидный характер и могут алкилировать различные электрофилы

Иммобилизованные реагенты Гриньяра

В последние годы активно развиваются технологии иммобилизации реактивов Гриньяра на твердые носители, такие как силикагель, полимерные смолы, углеродные материалы и др.

Иммобилизованные реагенты обладают улучшенными свойствами, позволяют проводить реакции в непрерывном режиме и многократно регенерировать для повторного использования.