Реактивы Гриньяра чрезвычайно широко применяются именно в реакциях присоединения к кратным связям, в частности кратным связям углерод-кислород в карбонильных группах и кратным связям углерод-сера с образованием новых связей углерод - углерод.
Рисунок 1.
Реактивы Гриньяра также присоединяются к $CO$, $CO_2$, кетенам и многим другим карбонильным и тиокарбонильным соединениям.
Присоединение к альдегидам и кетонам
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.
Эти реакции очень часто применяют для синтеза спиртов. Они обратимы, особенно в случае пространственно затрудненных реагентов.
Так, при взаимодействии с формальдегидом и последующим гидролизом образуются первичные спирты, с другими альдегидами - вторичные, а с кетонами - третичные.
Рисунок 2.
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.
-
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 3.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 4.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.
-
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.
Присоединение к производным карбоновых кислот
С ацильными реагентами типа $R'COX$ (где $X$ - группы $O^-$, $NR''{_2}$, $OR''$, $OCOR''$, $Hal$) реагенты Гриньяра взаимодействуют аналогично литийорганическим соединениям:
Рисунок 5.
Во всех этих случаях происходит образование кетонов, но выходы по этим реакциям невелики. Из-за этого такие реакции не получили широкого синтетического применения. При присоединении второй молекулы $RMgX$ в данных реакциях из кетонов образуются спирты. При дальнейшей кислотной обработке продуктов реакций реактивов Гриньяра с амидами типа $RR'C(OH)NR''{_2}$ происходит отщепление аминов $R''{_2}NH$, из-за чего единственными продуктами реакций являются кетоны строения $RCOR'$.
Ранее считалось, что данные реакции происходят по полярному механизму, но теперь представляется вероятным, что они могут протекать и по механизму одноэлектронного переноса, аналогично реакциям с участием альдегидов и кетонов.
Присоединение к тиoкарбoнильным соединениям и $CO_2$
По аналогии литийорганическим соединениям реактивы Гриньяра способны присоединяться по связям $C=S$ путем т.н. "тиофильной" атаки.
Рисунок 6.
Взаимодействия реактивов Гриньяра с углекислым газом широко применяется для синтеза карбоновых кислот. В качестве побочных продуктов могут образовываться кетоны или третичные спирты, однако, если в ходе синтеза не допускать избытка $RMgX$ в реакционной смеси, кислоты образуются с очень хорошим выходом.
Помимо кумулированной молекулы $O=C=O$ реактивы Гриньяра реагируют с рядом других аналогичных молекул: кетенами ($R'{_2}C=C=O$), изоцианатами ($R'N=C=O$), изотиоцианатами ($R'N =C=S$), сероуглеродом ($S=C=S$):
Рисунок 7.
