Bahan uji Grignard

Bahan uji Grignard atau sebatian Grignard ialah sebatian kimia dengan formula am , dengan X ialah halogen dan R ialah kumpulan organik, biasanya kumpulan berfungsi alkil atau aril. Dua contoh biasa ialah metilmagnesium klorida  dan fenilmagnesium bromida . Mereka adalah subkelas sebatian organomagnesium .

Sebatian Grignard ialah reagen popular dalam sintesis organik untuk mencipta ikatan karbon-karbon baharu. Contohnya, apabila bertindak balas dengan sebatian halogen lain  dengan kehadiran mangkin yang sesuai, ia biasanya menghasilkan  dan magnesium halida  sebagai hasil sampingan; dan magnesium halida tidak larut dalam pelarut yang biasa digunakan. Dalam aspek ini, mereka serupa dengan reagen organolitium.

Bahan uji Grignard yang tulen adalah pepejal yang sangat reaktif. Ia biasanya dikendalikan sebagai larutan dalam pelarut seperti dietil eter atau tetrahydrofuran; yang agak stabil selagi tiada air dalam persekitaran. Dalam medium sedemikian, bahan uji Grignard sentiasa hadir sebagai kompleks dengan atom magnesium disambungkan kepada dua oksigen eter melalui ikatan koordinasi.

Penemuan tindak balas Grignard pada tahun 1900 telah dianugerahkan dengan Hadiah Nobel pada tahun 1912. Untuk butiran lanjut tentang sejarah, lihat Victor Grignard.

Sintesis

Daripada logam Mg 
Bahan uji Grignard secara tradisionalnya dihasilkan melalui tindak balas halida organik (biasanya organobromin) dengan logam magnesium. Eter diperlukan untuk menstabilkan sebatian organomagnesium. Air dan udara, yang memusnahkan sebatian dengan cepat melalui protonolisis atau pengoksidaan, dikecualikan menggunakan teknik bebas udara.  Walaupun sebatian masih perlu kering, penggunaan teknuk ultrabunyi boleh membenarkan bahan uji Grignard terbentuk dalam pelarut basah dengan mengaktifkan magnesium supaya ia menggunakan air.

Sebuah tindak balas kimia yang biasa akan melibatkan pepejal dan larutan, tetapu pembentukan bahan uji Grignard selalunya tertakluk kepada tempoh aruhan. Semasa di peringkat ini, oksida pasif pada magnesium dikeluarkan. Selepas tempoh induksi ini, tindak balas boleh menjadi sangat eksotermik. Sifat eksotermik ini mesti dipertimbangkan apabila tindak balas ditingkatkan dari makmal ke kilang pengeluaran.  Kebanyakan organolid akan berfungsi, tetapi ikatan karbon-fluorin secara amnya tidak reaktif, kecuali dengan magnesium yang diaktifkan khas (melalui logam Rieke).

Magnesium 
Lazimnya tindak balas untuk membentuk reagen Grignard melibatkan penggunaan reben magnesium. Semua magnesium disalut dengan lapisan pasif magnesium oksida, yang menghalang tindak balas dengan halida organik. Pelbagai kaedah telah dibangunkan untuk melemahkan lapisan pasif ini, melalui cara mendedahkan magnesium yang sangat reaktif kepada halida organik. Kaedah mekanikal termasuk penghancuran kepingan Mg in situ, kacauan pantas, dan kaedah sonikasi.  Iodin, metil iodida, dan 1,2-dibromoetana adalah agen pengaktifan biasa. Penggunaan 1,2-dibromoetana adalah berfaedah kerana tindakannya boleh dipantau dengan pemerhatian gelembung etilena. Tambahan pula, produk sampingan tidak berbahaya:

 Mg + BrC2 H4Br → C2H4 + MgBr2

Jumlah Mg yang digunakan oleh agen pengaktif ini biasanya tidaklah banyak. Sebilangan kecil merkuri klorida akan menggabungkan permukaan logam, meningkatkan kereaktifannya. Penambahan bahan uji Grignard prabentuk sering digunakan sebagai pemula.

Magnesium yang diaktifkan khas, seperti Rieke magnesium, mengelakkan masalah ini. Lapisan oksida juga boleh dipecahkan menggunakan kaedah ultrabunyi, menggunakan batang kacau untuk menggaru lapisan teroksida, atau dengan menambah beberapa titik iodin atau 1,2-Diiodoethane. Pilihan lain ialah menggunakan magnesium tersublim atau magnesium antrasena.

Mekanisme 
Dari segi mekanisme, tindak balas berlaku melalui pemindahan elektron tunggal:   

 R−X + Mg → R−X •− + Mg •+
 R−X •− → R • + X −
 R • + Mg •+ → RMg +
 RMg + + X − → RMgX

Tindak balas pemindahan Mg (pertukaran halogen–Mg) 
Penyediaan alternatif reagen Grignard melibatkan pemindahan Mg daripada reagen Grignard yang telah terbentuk sebelumnya kepada halida organik. Reagen organomagnesium yang lain juga boleh digunakan. Kaedah ini menawarkan kelebihan bahawa pemindahan Mg bertolak ansur dengan pelbagai jenis kumpulan berfungsi. Tindak balas ilustrasi melibatkan isopropilmagnesium klorida dan aril bromida atau iodida: 

 i -PrMgCl + ArCl → i -PrCl + ArMgCl

Daripada sebatian alkilzink ( transmetalasi reduktif) 
Salah satu kaedah untuk sintesis reagen Grignard melibatkan tindak balas Mg dengan sebatian organozink. Kaedah ini telah digunakan untuk membuat reagen Grignard berasaskan adamantane, yang disebabkan oleh tindak balas sampingan gandingan C-C, sukar dibuat dengan kaedah konvensional daripada alkil halida dan Mg. Transmetalasi reduktif terbentuk melalui tindak balas ini: 

 AdZnBr + Mg → AdMgBr + Zn

Menguji bahan uji Grignard 
Oleh kerana bahan uji Grignard sangat sensitif terhadap lembapan dan oksigen, banyak kaedah telah dibangunkan untuk menguji kualiti kumpulan. Ujian biasa melibatkan pentitratan dengan reagen protik kontang boleh ditimbang, contohnya mentol dengan kehadiran penunjuk warna. Interaksi bahan uji Grignard dengan phenanthroline atau 2,2'-biquinoline akan mengakibatkan perubahan warna.

Tindak balas bahan uji Grignard

Dengan sebatian karbonil 
Bahan uji Grignard bertindak balas dengan pelbagai derivatif karbonil . 

Penggunaan bahan uji Grignard yang paling biasa ialah dalam proses alkilasi aldehid dan keton, iaitu tindak balas Grignard: 

Satu perkara yang perlu dimaklumkan ialah fungsi asetal (karbonil terlindung) tidak bertindak balas di dalam tindak balas tersebut.

Tindak balas sedemikian biasanya melibatkan kerja berasid berair, walaupun langkah ini jarang ditunjukkan dalam skema tindak balas. Dalam kes di mana bahan uji Grignard menambah kepada aldehid atau keton prochiral, model Felkin-Anh atau Peraturan Cram biasanya boleh meramalkan stereoisomer yang akan terbentuk. Dengan terbentuknya 1,3- diketon yang mudah dinyahproton dan substrat berasid yang berkaitan, bahan uji Grignard RMgX hanya berfungsi sebagai bes, memberikan anion enolat dan membebaskan alkana RH.

Bahan uji Grignard ialah nukleofil dalam penggantian alifatik nukleofilik contohnya dengan alkil halida dalam langkah utama dalam pengeluaran Naproxen perindustrian:

Tindak balas sebagai bes 
Bahan uji Grignard berfungsi sebagai bes untuk substrat protik (skim ini tidak menunjukkan keadaan kerja, yang biasanya termasuk air). Bahan uji Grignard adalah bes dan bertindak balas dengan alkohol, fenol, dll. untuk memberikan alkoksida (ROMgBr). Terbitan fenoksida mudah terdedah kepada pembentukan oleh paraformaldehid untuk menghasilkan salisiladehid.

Alkilasi logam dan metaloid 
Seperti sebatian organolitium, bahan uji Grignard berguna untuk membentuk ikatan karbon-heteroatom.

 

Bahan uji Grignard bertindak balas dengan banyak elektrofil yang berasaskan logam. Sebagai contoh, mereka menjalani transmetallation dengan kadmium klorida (CdCl2) untuk memberikan dialkylcadmium : 

 2 RMgX + CdCl2 → R2Cd + 2 Mg(X)Cl

Keseimbangan Schlenk 
Kebanyakan tindak balas Grignard dijalankan dalam pelarut halus, terutamanya dietil eter dan THF. Bahan uji Grignard bertindak balas dengan 1,4-dioksana untuk memberikan sebatian diorganomagnesium dan polimer koordinasi tidak larut MgX2(dioksana)2 dan (R = kumpulan organik, X = halida):

 2 RMgX + dioksana ⇌ R2Mg + MgX2(dioksana)2

Tindak balas ini mengeksploitasi keseimbangan Schlenk, memacunya ke arah kanan di dalam persamaan tadi.

Prekursor kepada magnesiat 
Bahan uji Grignard bertindak balas dengan sebatian organolitium untuk memberikan kompleks makan (Bu = butyl): 

 BuMgBr + 3BuLi → LiMgBu3 + BuBr

Gandingan dengan halida organik 
Bahan uji Grignard biasanya tidak bertindak balas dengan halida organik, berbeza dengan kereaktifan tinggi mereka dengan halida kumpulan utama yang lain. Walau bagaimanapun, dengan kehadiran pemangkin logam, bahan uji Grignard mengambil bahagian dalam tindak balas gandingan C-C. Sebagai contoh, nonylmagnesium bromide bertindak balas dengan metil p-chlorobenzoate untuk memberikan asid p-nonylbenzoik, dengan kehadiran Tris(acetylacetonato)ferum(III) (Fe(acac)3), selepas bekerja dengan NaOH untuk menghidrolisis ester, ditunjukkan seperti berikut. . Tanpa Fe(acac)3, reagen Grignard akan menyerang kumpulan ester ke atas aril halida. 

Untuk gandingan aril halida dengan bahan uji aril Grignard, nikel klorida dalam tetrahydrofuran (THF) juga merupakan pemangkin yang baik. Selain itu, pemangkin berkesan untuk gandingan alkil halida ialah mangkin Gilman litium tetraklorokurat (Li2CuCl4), disediakan dengan mencampurkan litium klorida (LiCl) dan kuprum(II) klorida (CuCl2) dalam THF. Gandingan Kumada-Corriu memberikan akses kepada stirena [digantikan] .

Pengoksidaan 
Rawatan bahan uji Grignard dengan oksigen memberikan organoperoksida magnesium. Hidrolisis bahan ini menghasilkan hidroperoksida atau alkohol. Tindak balas ini melibatkan perantaraan radikal .

 

Pengoksidaan mudah bahan uji Grignard untuk memberikan alkohol adalah sedikit kepentingan praktikal kerana hasil umumnya lemah. Sebaliknya, urutan dua langkah melalui borane (vide supra) yang kemudiannya dioksidakan kepada alkohol dengan hidrogen peroksida adalah kegunaan sintetik.

Utiliti sintetik pengoksidaan Grignard boleh ditingkatkan dengan tindak balas bahan uji Grignard dengan oksigen dengan kehadiran alkena kepada alkohol lanjutan etilena. Pengubahsuaian ini memerlukan aril atau vinil Grignards. Menambah hanya Grignard dan alkena tidak menghasilkan tindak balas yang menunjukkan bahawa kehadiran oksigen adalah penting. Satu-satunya kelemahan ialah keperluan sekurang-kurangnya dua setara Grignard walaupun ini sebahagiannya boleh dielakkan dengan penggunaan sistem dwi Grignard dengan Grignard penurun murah seperti n-butilmagnesium bromida.

Penghapusan 
Dalam sintesis olefin Boord, penambahan magnesium kepada β-haloeter tertentu boleh menghasilkan tindak balas penyingkiran kepada alkena. Tindak balas ini boleh mengehadkan kegunaan tindak balas bahan uji Grignard.

Kegunaan industri 
Contoh tindak balas Grignard ialah langkah utama dalam pengeluaran industri (bukan stereoselektif) Tamoxifen (kini digunakan untuk rawatan kanser payudara wanita yang menyasarkan reseptor estrogen positif):

Lihat juga 

 Dibutylmagnesium
 Hauser base

Galeri

Rujukan

Bacaan lanjutan 

 n
 Mary McHale, "Grignard Reaction," Connexions, http://cnx.org/content/m15245/1.2/. 2007.
 Grignard knowledge: Alkyl coupling chemistry with inexpensive transition metals by Larry J. Westrum, Fine Chemistry  November/December 2002, pp. 10–13

Kepustakaan literatur khusus 

 
 
 
 

Ujian kimia
Reagen kimia organik
Magnesium
Organometalik
Laman-laman dengan terjemahan-terjemahan yang belum disemak