Реакции с металлоорганическими соединениями

Присоединением магнийорганических соединений (реактивов Гриньяра) или литийорганических соединений к формальдегиду получают первичные спирты. При присоединении магнийорганических соединений к другим альдегидам и кетонам с последующим гидролизом образуются спирты.

Рисунок 1.

Применение натрий и литийорганические соединений

В последнее время вместо магнийорганических соединений начали использовать более реакционные литийорганические соединения, особенно в реакциях с малоактивны кетонами, например:

Рисунок 2.

Использование литийорганических соединений позволяет решить осложнения, связанные с енолизацией и восстановлением продуктов.

Натрий и литийорганические производные значительно менее чувствительны к стерическому влиянию, чем реактивы Гриньяра. Так, изопропиллитий нормально присоединяется к изопропилкетону. Но даже производные лития не способны присоединяться к кетонам с трет-бутильными группами. Трет-бутилнатрий, хотя и с низкими выходами, приводит к ожидаемому карбинолу при присоединении к ди-трет-бутилкетону.

Рисунок 3.

Реакции нуклеофильного присоединения реактивов Гриньяра к карбонильным соединениям

Реактивы Гриньяра чрезвычайно широко применяются именно в реакциях присоединения к кратным связям, в частности к карбонильной группе с образованием новых связей углерод - углерод. Поскольку на атоме углерода в карбонильном соединении наблюдается значительный дефицит электронной плотности, обусловленный разницей электроотрицательности атомов углерода и кислорода и поляризуемость двойной связи, реактив Гриньяра атакует его как нуклеофил и при этом образуется уже упомянутая новая связь углерод - углерод. А магний во всех случаях перемещается от углерода к более электроотрицательному кислорода. Как правило, выходы целевых продуктов в подобных реакциях присоединения достаточно высокие и существует возможность получить большое количество соединений с длинной углеродной цепью, исходя из веществ с меньшим числом углеродных атомов.

На первой стадии реакции реактива Гриньяра с альдегидами, кетонами образуются смешанные магниевые соли - алкоголяты, из которых необходимые продукты выделяются путем дальнейшего кислотного гидролиза.

Так, при взаимодействии с формальдегидом и последующим гидролизом образуются первичные спирты, с другими альдегидами - вторичные, а с кетонами - третичные.

Рисунок 4.

Если продукты реакции (например, третичные спирты) чувствительны к действию сильных кислот, то гидролиз удобно проводить насыщенным раствором хлористого аммония; основные соли магния выпадают в осадок, тогда как органический продукт остается в эфирном растворе.

Побочные реакции при взаимодействии с карбонильными соединениями

Несмотря на то, что во многих случаях присоединение реактивов Гриньяра к карбонильным соединениям происходит с почти количественным выходом, необходимо отметить в некоторых случаях аномальный ход этой реакции. Взаимодействие магнийорганических соединений, например с кетонами начинается с координации положительного атома магния с электроотрицательным атома кислорода, а радикал $R$ со своей парой электронов, в свою очередь, образует связь с атомом углерода карбонильной группы. Если $R$ - объемный заместитель, то возникают стерические препятствия при атаке карбонильного атома углерода. Скорость присоединения резко уменьшается и конкурентные побочные реакции могут играть большую роль. Самыми распространенными побочными реакциями реакции при взаимодействии металлорганических соединений с карбонильными является енолизация и восстановление.

1. Наиболее распространенными побочными процессами в случае описанного взаимодействия является еноляция и восстановление карбонильных соединений. Енолизация может иметь место, если в кетонах есть хотя бы один атом водорода в $\alpha$-положении. В этом случае магнийорганические соединения действуют как основание, забирая от карбонильного соединения подвижный $\alpha$-атом водорода. При этом образуется одновременно связь между объемным заместителем $R$ и этим атомом и двойной углерод- углеродной связью.

   
   
   Рисунок 5.

   После гидролиза и изомеризации промежуточного ненасыщенного соединения образуются исходные кетоны. Часто енолят, образовавшийся может реагировать со второй молекулой кетонов (тип альдольной конденсации), образуя после следующего гидролиза продукта реакции $\beta$-гидроксикарбонильное соединение.

   
   
   Рисунок 6.

   Процент енолизации может быть установлен как по количеству кетонов, которые не прореагировали, так и по количеству метана (в случае метилмагниййодида), выделившегося в ходе реакции. Степень енолизации будет повышаться с увеличением стерических препятствий при атаке на карбонильную группу кетонов.

2. Если енолизация происходит только тогда, когда в карбонильном составе есть атом водорода в $\alpha$-положении, то восстановление (другой побочный процесс) зависит от структуры реактива Гриньяра и заключается в передаче гидрид-иона из $\beta$-положения этого реагента к карбонильному углероду кетона, то есть по взаимодействии с кетонами реактивы Гриньяра могут быть не только нуклеофильными реагентами, но и донорами гидрид-ионов, способными восстанавливать кетоны к спиртам. Самыми активными возобновляемыми агентами являются те реактивы Гриньяра, в которых атом водорода в $\beta$-лоложенни связан с третичным атомом углерода, а менее эффективны, если с вторичным и совершенно не способны восстанавливать карбонильную группу - в случае первичного атома углерода.

Итак, для синтеза с максимальными выходами третичных спиртов нужно вводить в реакцию реактив Гриньяра с наименьшим по объему заместителем. Например, чтобы получить диметилизобутилкарбинол нужно взять метилизобутилкетон и метилмагнийгалогенид, а не наоборот. В противном случае возможно восстановление кетонов изобутильним реактивом Гриньяра.

Иногда побочные реакции при взаимодействии карбонильных соединений с реактивом Гриньяра происходят даже в том случае, когда у последних нет $\beta $-атомов водорода, а в кетонах или альдегидах - $\alpha$-гидрогенных атомов, то есть взаимодействие должно происходить без нежелательных последствий. Но в случае взаимодействия, например, фенилмагнийбромида с избытком бензальдегида образуется, кроме ожидаемого дифенилметанола, еще и бензиловый спирт и трифенилметанол.