همه چیز درباره واکنش های معرف های گریگنارد

در اینجا خلاصه پست امروز آمده است:

تاکنون در این مجموعه ترکیبات آلی فلزی را معرفی کرده‌ایم و گفته‌ایم که کربن‌های آن‌ها تمایل به هسته دوست دارند. ما یاد گرفتیم که چگونه آنها را از آلکیل، آلکنیل یا آریل هالید بسازیم (همراه با روش هایی برای عدم ساخت آنها!) و دیدیم که آنها پایه های بسیار قوی هستند.

حالا که چی؟ خوب، می‌خواهیم بدانیم واقعاً با این چیزها چه کاری می‌توانیم انجام دهیم، درست است؟

1. یادآوری: معرف های گریگنارد هسته دوست هستند

می‌دانم که قبلاً این را بارها در این مجموعه گفته‌ایم، اما باید تکرار کرد: معرف‌های گریگنارد هسته‌دوست هستند، به این معنی که آنها (به ویژه کربن متصل به منیزیم) به راحتی یک جفت الکترون را به الکتروفیل مناسب اهدا می‌کنند.

قبلاً دیده‌ایم که آنها با اسیدهای ضعیف واکنش می‌دهند، جایی که الکتروفیل هیدروژن الکتروفیل (H+) است.

جالب تر و مفیدتر برای ما انواع الکتروفیل های مبتنی بر کربن است، زیرا ما می توانیم معرف های Grignard را با آن گونه ها ترکیب کنیم تا پیوندهای کربن-کربن جدید ایجاد کنیم. و از آنجایی که پیوندهای کربن-کربن “ستون فقرات” مولکول ها در شیمی آلی را تشکیل می دهند، معلوم می شود که این دسته از واکنش ها بسیار مفید است. در واقع، کاشف خود، ویکتور گریگنارد، جایزه نوبل شیمی را در سال 1912 دریافت کرد.

برای اهداف ما، الکتروفیل‌های کلیدی مبتنی بر کربن که معرف‌های گریگنارد با آنها واکنش می‌دهند، اپوکسیدها، آلدئیدها، کتون‌ها و استرها هستند. بیایید به نوبه خود از آنها عبور کنیم.

2. افزودن معرف های گریگنارد به اپوکسیدها

اپوکسیدها (اگر شما یک چسبنده IUPAC هستید، “oxiranes” اترهای حلقوی 3 عضوی هستند که دارای کرنش حلقه قابل توجهی هستند. همانطور که دیدیم، این کرنش حلقه ای آنها را تا حدودی در برابر حمله هسته دوست ها “باردار” می کند، که منجر به تشکیل پیوند جدیدی با کربن و باز شدن حلقه می شود.

نوکلئوفیل های با بار منفی (مانند گریگناردز) تمایل دارند با اپوکسیدها به روشی مشابه واکنش SN2 واکنش نشان دهند: حمله حداقل کربن جایگزین شده اپوکسید رخ می دهد. در اینجا یک مثال است:

به پیوندهایی که در اینجا شکل گرفتند و شکستند توجه کنید: پیوند C-C جدیدی (بین کربن A و B) ایجاد کردیم و پیوند C-O (بین کربن A و اکسیژن) شکستیم. این منجر به یک اکسیژن با بار منفی (الکوکسید) شد: برای تولید محصول نهایی الکل، ما معمولاً واکنش را با منبع اسید خاموش می کنیم و O-H را تشکیل می دهیم.

در اینجا نحوه عملکرد واکنش نشان داده شده است. تشخیص اینکه هسته دوست جفت الکترون های پیوند C-Mg است، دشوار است: از پست های قبلی به خاطر داشته باشید که کربن به دلیل الکترونگاتیوی بیشتر در مقایسه با منیزیم، به شدت δ- (هسته دوست) است. ممکن است مفید باشد که معرف گریگنارد زیر را به عنوان CH3CH2–  تصور کنید. به غیر از آن، اگر قبلاً واکنش SN2 را دیده باشید، واکنش نسبتاً ساده است: ما به طور همزمان C-C را تشکیل می دهیم و C-O را می شکنیم.

توجه داشته باشید که این واکنش یک “آلک اکسید” نیز تشکیل می دهد. برای اینکه محصول الکلی خنثی خود را در انتها به دست آوریم، باید مرحله دوم را انجام دهیم:  “کار” (“کونچ”) با منبع اسید. این به روش‌های مختلفی نوشته می‌شود – H+، H3O+، H2O، یا فقط “اسید کاری”. این مرحله پس از واکنش کلیدی Grignard ما اتفاق می‌افتد، به دلایلی که باید واضح باشد – معرف‌های Grignard توسط اسید از بین می‌روند.

نکته دیگری که باید در نظر داشت، استریوشیمی اپوکسید است. مطابق با واکنش SN2، اگر واکنش در یک کربن ثانویه رخ دهد، وارونگی پیکربندی را مشاهده خواهیم کرد:

3. واکنش گریگناردها با آلدهیدها و کتونها

دسته دوم از الکتروفیل‌های مهم که با گریگناردز (و مسلماً مهم‌ترین دسته الکتروفیل‌ها) واکنش می‌دهند، آلدئیدها و کتون‌ها هستند. اگر هنوز واکنش‌های این گروه‌های عاملی را پوشش نداده‌اید، یک خلاصه کوتاه می‌تواند این باشد: کربن کربونیل یک الکتروفیل است، و زمانی که هسته‌دوست‌ها به این کربن واکنش می‌دهند، با جدا شدن پیوند C-O pi (پیوند π) همراه است. اطلاعات بیشتر در مورد آن مکانیسم (“افزودن”) در یک ثانیه.

در اینجا چند نمونه از واکنش های گریگنارد با آلدئیدها و کتون ها آورده شده است. توجه داشته باشید که در هر مورد ما در حال تشکیل پیوند جدیدی بین کربن کربونیل (با برچسب A) و کربن متصل به منیزیم (با برچسب B) هستیم و در این فرآیند پیوند C-O pi را می‌شکنیم.

پس این واکنش چگونه کار می کند؟

بیایید با یک مکانیسم بسیار مهم به نام “افزودن” (که گاهی اوقات “1،2-افزودن” نامیده می شود) آشنا شویم. این تا حد زیادی مهم‌ترین واکنش گروه کربونیل است، و اگر به ازای هر بار که تغییراتی از آن را در سازمان 2 مشاهده کردید، یک دلار به خودتان بدهید، می‌توانید تا پایان ترم یک تعطیلات به هاوایی بخرید. نه واقعا، اما تقریبا.

توجه داشته باشید که این واکنش یک “آلک اکسید” نیز تشکیل می دهد. برای اینکه محصول الکلی خنثی خود را در پایان به دست آوریم، باید یک “کار” انجام دهیم (

“کوئنچ”) با یک منبع اسید، تشکیل O-H.

4. واکنش معرف های گریگنارد با استرها

استرها از بستگان نزدیک آلدهیدها و کتون ها هستند: آنها از یک گروه کربونیل تشکیل شده اند که مستقیماً به یک گروه OR متصل است. همانطور که ممکن است انتظار داشته باشید، آنها با گریگناردها به روشی مشابه آلدئیدها و کتون ها واکنش نشان می دهند: با تشکیل یک پیوند C-C جدید و شکستن یک C-O (پیوند pi).

با این حال، واکنش استرها با آلدهیدها و کتون‌ها تغییر می‌کند. با دقت نگاه کنید: چه چیزی متفاوت است؟

توجه داشته باشید که در هر دو مورد، ما دو معادل از معرف Grignard خود را به استر اضافه کردیم و یک الکل سوم را تشکیل دادیم.

یک دقیقه صبر کنید – چگونه این اتفاق افتاد؟!

5. چرا “افزودن مضاعف” با استرها وجود دارد؟ مکانیسم

این واکنش دومین مکانیسم مهم کربونیل ها (بعد از «افزودن»)، یعنی «حذف» را در خود جای می دهد. در واقع «حذف» دقیقاً معکوس «افزودن» است! از آن عبور کنیم. 4 مرحله وجود دارد.

در مرحله اول، گریگنارد یک واکنش اضافه را روی استر انجام می‌دهد، C-C را تشکیل می‌دهد و C-O (pi) را می‌شکند، و به ما یک واسطه با یک اکسیژن با بار منفی می‌دهد. ما قبلاً این نوع واکنش را در افزودن گریگنارد به آلدئیدها و کتون ها دیده بودیم.
اکنون مرحله جدید فرا می رسد: حذف (گاهی اوقات “حذف 1،2″). این واسطه دارای یک گروه خروجی نسبتاً خوب است (OCH2CH3 در مورد زیر). آنچه بعداً اتفاق می‌افتد، اصلاح پیوند C-O pi با بیرون راندن گروه ترک است (CH3CH2O– در مورد زیر). به عبارت دیگر، C–O π را تشکیل می دهیم و یک پیوند منفرد C–O را می شکنیم. محصول جدید یک کتون است.

[چرا ممکن است «حذف» برای استرها اتفاق بیفتد اما برای آلدئیدها یا کتون‌ها اتفاق نیفتد؟ زیرا ما فقط یک باز نسبتاً قوی (RO–) را در مقایسه با بازهای بسیار قوی H– یا R– (که اگر این اتفاق با آلدئیدها یا کتون‌ها می‌افتد، گروه‌های باقی‌مانده هستند) بیرون می‌اندازیم. شما می توانید «پایه بودن» را به عنوان نماینده ای برای «ثبات» در نظر بگیرید. آلکوکسیدهایی که در این واکنش حذف دفع می شوند، به خودی خود پایدار هستند. هیدریدها و بیشتر کربانیون ها بیش از 1025 ناپایدارتر هستند. به علاوه، واکنش حذف با یک آلکوکسید واسطه آغاز می شود. ما اساسا فقط یک آلکوکسید را با دیگری عوض می کنیم. [یادداشت 1] ]

اما صبر کن! بیشتر وجود دارد! بعد از مرحله 2، یک کتون جدید داریم. همانطور که قبلاً دیده‌ایم، گریگناردز با کتون‌ها در یک واکنش افزودنی دیگر به سرعت واکنش نشان می‌دهد [مرحله 3]. در اینجا، مانند مرحله 1، C–C را تشکیل می دهیم و C–O (pi) را می شکنیم. نتیجه یک آلکوکسید سوم (پایه مزدوج یک الکل سوم) است.

[صبر کنید، ممکن است بپرسید. اگر فقط از یک معادل معرف گریگنارد استفاده کنیم، آیا می توان واکنش را در مرحله کتون متوقف کرد؟ جواب کوتاه، نه است”. [برای پاسخ طولانی به یادداشت 3 مراجعه کنید]]

در نهایت، پروتونه شدن این آلکوکسید ثالث الکل سوم را تولید می کند (مرحله 4).

در اینجا پیشینه گرافیکی آمده است:

6. خلاصه: واکنش های معرف های گریگنارد

این کار را برای واکنش‌های کلیدی معرف‌های Grignard که در بیشتر دوره‌های Org 1 و Org 2 مشاهده خواهید کرد، انجام می‌دهد.

در پست بعدی در مورد راه دیگری برای از بین بردن شکل گیری معرف های گریگنارد صحبت خواهیم کرد و شامل واکنش های این پست می شود.

پست بعدی: محافظت از گروه ها در واکنش های گریگنارد

یادداشت

نکته 1: اگرچه آلکوکسیدها (RO-، پایه مزدوج الکل ها، pKa 16-18) در لیست هیچ کس از گروه های ترک بزرگ نیستند، آنها حدود 25 مرتبه بهتر از گروه های خروجی از هیدریدها هستند (H-، پایه مزدوج هیدروژن، pKa 40) و بیش از 30 مرتبه قدر بهتر از گروه های آلکیل (R-، پایه مزدوج آلکان ها، pKa 50). بنابراین، هنگامی که میانجی آلکوکسید در مرحله 1 تشکیل می شود، هیچ جریمه انرژی عمیقی برای اصلاح پیوند C-O pi و خروج RO- وجود ندارد: به هر حال، ما به سادگی یک پایه قوی (O-) را با آن جایگزین می کنیم. یکی از پایه های قابل مقایسه

[نکته 2] چرا کتون ها نسبت به معرف های گریگنارد بیشتر از استرها واکنش نشان می دهند؟ این امر مستلزم درک پدیده اهدای پی است. جفت تنها روی اکسیژن، چگالی الکترون را به کربن کربونیل اهدا می کند. این ارزش یک پست جداگانه را دارد، اما نکته اصلی اینجاست:

[یادداشت 3] افسوس، خیر. استفاده از 1 معادل Grignard 0.5 معادل یک الکل ثالثیه و 0.5 معادل از استر شروع به دست می دهد. دلیل آن این است که مرحله 2 [حذف] بسیار سریع است! هنگامی که حذف اتفاق می افتد، در حضور یک استر، کتون خواهیم داشت. به دلایل جالب [نگاه کنید به یادداشت 2] کتون ها نسبت به استرها نسبت به معرف های Grignard واکنش پذیرتر هستند، به این معنی که آنها سریعتر مصرف می شوند.

(پیشرفته) مراجع و مطالعه بیشتر:
معرف های گریگنارد
دیتمار سیفرث
آلی فلزات 2009 28 (6)، 1598-1605
DOI: 10.1021/om900088z
مروری تاریخی بر معرف‌های گریگنارد توسط پروفسور فقید دیتمار سیفرث (MIT)، سردبیر موسس مجله Organometallics.
ترکیبات آلکیل لیتیوم ثانویه و سوم و برخی واکنش های تبدیلی با آنها
هنری گیلمن، فرد دبلیو مور و اوگدن بین
مجله انجمن شیمی آمریکا 1941، 63 (9)، 2479-2482
DOI: 1021/ja01854a046
پروفسور هنری گیلمن (آیوواState) از پیشگامان شیمی آلی فلزی در نیمه اول قرن بیستم بود. در این مقاله او سنتز و واکنش پذیری آلکیل‌لیتیوم‌های مختلف (n-butyllithium، s-butyllithium، isopropyllithium و t-butyllithium) را شرح می‌دهد. همانطور که در بخش تجربی مشاهده می شود، سنتز از آلکیل هالید و فلز لیتیوم است.
تی – بوتیلیتیم
پل دی. بارتلت، سی. گاردنر سواین، و رابرت بی. وودوارد
مجله انجمن شیمی آمریکا 1941، 63 (11)، 3229-3230
DOI: 1021/ja01856a501
این ارتباط از برخی چهره های افسانه ای در شیمی آلی است و تهیه تی بوتیلیتیم را توصیف می کند.
2- فنیل پیریدین
سی دبلیو ایوانز و سی اف اچ آلن
سازمان مصنوعی. 1938، 18، 70
DOI: 10.15227/orgsyn.018.0070
اولین مرحله در این روش، تهیه فنیلیتیم از برموبنزن و فلز لیتیوم است. Organic Syntheses یک منبع معتبر از رویه های آلی مصنوعی قابل تکرار و آزمایش شده مستقل است.
مکانیسم واکنش تبادل لیتیوم – هالوژن: مروری بر ادبیات
بیلی، دبلیو.اف. پاتریشیا، جی.جی.
ارگانومت. شیمی. 1988، 352 (1-2)، 1-46
DOI: 10.1016/0022-328X(88)83017-1
در شیمی آلی مدرن، معرف‌های ارگانولیتیوم به ندرت از ابتدا تهیه می‌شوند (یعنی با استفاده از فلز لی)، به دلیل آماده بودن معرف‌های آلکیل‌لیتیوم از فروشندگان (مانند MeLi، معرف‌های BuLi، PhLi و غیره). در عوض، این معرف ها را می توان برای تشکیل سایر گونه های ارگانولیتیوم از طریق فرآیندی به نام تبادل لیتیوم-هالوژن استفاده کرد.
در مورد این معرف های لیتیوم چه خبر است؟
هانس جی رایش
مجله شیمی آلی 2012, 77 (13), 5471-5491
DOI: 1021/jo3005155
پروفسور هانس رایش (U. Wisconsin-Madison) کار خود را صرف مطالعه رفتار گونه های ارگانولیتیوم کرده است و این گزارشی از تحقیقات او و یافته های شگفت انگیزی است که به دست آورده است. این شیمی آلی فیزیکی کلاسیک است.