voorbeeld GIP-boek

PTS, Provinciale Scholen voor Tuinbouw en Techniek
Campus Mechelen
Antwerpsesteenweg 145
2800 Mechelen
De Grignardreactie
Dockx Luka
Persoonlijke begeleider: Anne-Marie Bael
de
6
GEINTEGREERDE PROEF
jaar Biotechnische wetenschappen-TSO
SCHOOLJAAR 2016 - 2017
PTS, Provinciale Scholen voor Tuinbouw en Techniek
Campus Mechelen
Antwerpsesteenweg 145
2800 Mechelen
De Grignardreactie
Dockx Luka
Persoonlijke begeleider: Anne-Marie Bael
GEINTEGREERDE PROEF
JAAR / AFDELING
SCHOOLJAAR 2016 - 2017
GIP-BOEK
VOORWOORD
Deze Geïntegreerde Proef is het sluitstuk van mijn studies Biotechnische
Wetenschappen. Aangezien ik verder chemie wil studeren en vooral
geïnteresseerd ben in chemische reacties koos ik voor een onderwerp uit de
organische chemie. Organische chemie is voor mij veruit het meest interessante
gedeelte in de chemie.
In dit eindwerk bespreek ik de optimale omstandigheden waarin een Grignardreactie kan plaatsvinden. Het bespreken en bestuderen van deze reactie, leren
hoe reactiemechanismen en reacties werken is een interresante uitdaging die mij
zal helpen sommige aspecten van de chemie beter te begrijpen.
Tot slot dank ik Mevr. A.-M. Bael voor de begeleiding gedurende het hele proces,
Mr. J. Vandendries voor het nalezen van het werk en Mevr. Vervenne voor het
overbrengen van de kennis van de scheikunde.
2
GIP-BOEK
INHOUDSOPGAVE
1
INLEIDING ............................................................................... 4
1.1 INTRODUCTIE TOT DE GRIGNARDREACTIE ........................................... 4
2
LITERATUURSTUDIE ................................................................ 5
2.1 DE GRIGNARD-REAGENS .............................................................. 5
2.2 HET ACTIVEREN VAN MAGNESIUM .................................................... 8
2.3 HET REACTIEMECHANISME VOOR HET VORMEN VAN EEN GRIGNARD-REAGENS . 9
2.3.1 Inleiding ............................................................................ 9
2.3.2 Radicalen........................................................................... 9
2.3.3 Hybridisatie van koolstof in een alkyl-, aryl- of vinylhalogenide
10
2.3.4 Het reactiemechanisme ......................................................11
2.4 CARBONYL-VERBINDINGEN...........................................................15
2.4.1 Reacties met carbonyl verbindingen .....................................16
2.5 DE ALGEMENE GRIGNARDREACTIE ..................................................17
2.5.1 De Grignard-reactie bij verschillende carbonylverbindingen .....17
2.5.2 Grignard-reagens In Situ ....................................................21
2.5.3 Grignardreacties in de industrie ...........................................21
2.6 HET REACTIEMECHANISME ...........................................................22
2.7 DE WERKWIJZE EN OPSTELLING VOOR HET UITVOEREN VAN EEN GRIGNARD
REACTIE ........................................................................................23
2.8 HET DROGEN VAN DE SOLVENTEN EN REAGENS ....................................25
3
BESLUIT ................................................................................. 26
4
BRONVERMELDING ................................................................ 27
5
LOGBOEK ............................................................................... 28
3
GIP-BOEK
1
Inleiding
In dit onderzoek bespreken we de Grignardreactie Een Grignardreactie is een
van de weinig bekende reacties om koolstof-koolstof-verbindingen te maken in
de organische chemie. Het is tevens een van de makkelijkste manieren om dit te
doen. We bespreken onder welke omstandigheden deze reactie moet gebeuren
en waarom.
In de literatuur zoeken we naar verklaringen van de reactie aan de hand van de
reactiemechanismen en bekijken we kritisch of deze reactiemechanismen
mogelijk zijn. Aan de hand van de theorie gaan we na hoe we de reactie in de
praktijk kunnen optimaliseren.
1.1
Introductie tot de Grignardreactie
De Grignardreactie behoort tot de organometaalchemie. Dit is een tak in de
organische chemie die zich specialiseert in reacties met
organometaalverbindingen waarbij er apolaire bindingen zijn tussen koolstof en
metaalatomen. Bij organometaalverbindingen is het koolstofatoom meestal sterk
negatief gepolariseerd en het metaal meestal sterk positief gepolariseerd.
Hierdoor gaat het koolstofatoom in deze binding zich sterk nucleofiel gedragen.
Een Grignardreactie is een organometaalreactie waarbij men begint met een
Grignard-reagens en een organische verbinding met een carbonyl groep. De
reactie moet in een ether gebeuren. Meestal wordt hiervoor diethyl ether
gebruikt. Alle reagentia en materiaal worden nauwkeurig gedroogd om te zorgen
dat er zo weinig mogelijk water aanwezig is in de reactie zelf.
.
Alle aangeduide elementen zijn elementen die beschouwd worden als “metalen”
in de organische chemie. Dit zijn alle elementen die een lagere elektronegativiteit
hebben dan koolstof. Deze definitie van metalen verschilt van die in de
anorganische chemie.
4
GIP-BOEK
2
2.1
Literatuurstudie
De Grignard-reagens
Een Grignard-reagens, nodig voor de Grignardreactie, is een
organomagnesiumhalogenide waarbij de magnesiumhalogenide gebonden is aan
een alkyl-of arylgroep.
De algemene structuur van een Grignard reagens ziet er als volgt uit:
Hierbij is R de vinyl- alkyl- of arylgroep en de X is een halogeen. De halogenen
die gebruikt worden zijn meestal broom, chloor of jood. Een Grignardreagens die
bestaat uit een mangesiumjoodverbinding is het meest reactief omdat ze een
kleiner verschil in elektronegativiteitswaarde hebben dan chloor en broom.
Een fluor verbinding wordt bijna nooit gebruikt als Grignard-reagens. Fluor
vormt zeer sterke bindingen met koolstof. Deze bindingen zijn moeilijk te
verbreken. Als fluor ervoor kiest om deze verbinding te verbreken zal hij eerder
alleen met het magnesium reageren om magnesiumfluoride te vormen, dit zorgt
voor een laag magnesiumfluoride die als coating het ongereageerde magnesium
beschermt.
Voorbeelden van Grignardreagens zijn fenylmagnesiumbromide en
allylmagnesiumbromide
Fenylmagnesiumbromide
Allylmagnesiumbromide
Grignard-reagens zijn noodzakelijk voor de Grignardreactie, maar hebben, door
hun zeer speciale eigenschappen, ook andere toepassingen in de chemie. Het
magnesiumatoom in een Grignard-reagens is positief geladen en het
broomatoom is negatief geladen. Het koolstofatoom waar de magnesium een
binding mee heeft is partieel negatief geladen door het verschil in
elektronegativiteit. Hierdoor gaat dit koolstofatoom zich nucleofiel gedragen. Een
nucleofiel is een deeltje met een vrij elektronenpaar, het reageert makkelijk met
een elektrofiel. Een elektrofiel is een positief ion of een positieve kant van een
sterk dipoolmolecule. Het koolstofatoom is geen nucleofiel omdat het geen vrij
elektronenpaar heeft maar het gedraagt zich wel als een nucleofiel.
5
GIP-BOEK
Een Grignard- reagens wordt bereid door het overeenkomende alkyl- of aryl
chloride, bromide of jodide te laten reageren met magnesium met een ether als
solvent.
Algemene reactie voor het vormen van Grignard- reagens waarbij x een hallogeen
is en R een alkyl,aryl of vinyl
De aanwezigheid van een ether is cruciaal in deze stap. Een
Grignard-reagens is onstabiel. Ethers vormen een adduct
met deze grignard-reagens en stabilizeren het.
Algemene formule voor het
adduct van Grignard
reagens met ethers.
R2
Adduct van
fenylmagnesiumbromide met
ethers.
R2
Adduct van allylmagnesium
bromide met ethers
Voorbeeld reacties voor het vormen van Grignard- reagens
6
GIP-BOEK
Eerder vermeldden we reeds dat Grignard- reagens niet alleen gebruikt worden
bij de Grignardreactie. Grignard-reagens gedragen zich nucleofiel en reageren
dus makkelijk met elektrofielen.
Een overzicht van de reacties
van Grignard-reagens als
nucleofiel.
Grignard-reagens kunnen ook geoxideerd worden naar peroxides. De
hydrolyse hiervan leidt tot hydroperoxiden of
alcoholen.
Deze moleculen reageren basisch met protische substraten. Protische substraten
hebben een H-O- binding. Dit is ook de reden waarom Grignard-reagens reageren
met water. Als Grignard-reagens reageren met fenolen, alcohol,... worden er
alkoxides gevormd.
Algemene formule voor een
natrium alkoxide
Als Grignardreagens reageren tot alkoxides krijgen we een XMg+ ion.
Algemene formule voor een
BrMg+ alkoxide
Bij het reageren met water krijgen we volgende stof:
Dit is een reden waarom onze Grignardreactie volledig watervrij moet zijn. Als er
water aanwezig is zal het de Grignard-reagens volledig kapot maken.
7
GIP-BOEK
2.2
Het activeren van magnesium
Voor het bereiden van de Grignard reagens moet magnesium reageren met de
alkyl-of aryl halogenide. Magnesium is een zeer reactief metaal dat een
magnesiumoxidelaag vormt op het oppervlakte. Dit gebeurt door de oxidatie van
magnesium door de zuurstof in de lucht die als oxidator optreedt. Magnesium is
een reductor en reageert spontaan met zuurstof volgens volgende reactie.
2Mg + O2  2MgO
Magnesiumoxide is niet gewenst in het bereiden van de Grignard-reagens
aangezien het ervoor zorgt dat de alkyl/aryl halogenide niet bij het magnesium
kan geraken en de reactie niet goed verloopt.
Zowel voor de bereiding van het Grignard-reagens als tijdens de reactie zelf
kunnen stappen ondernomen worden om te voorkomen dat de reactie niet goed
verloopt.
Voor de reactie is dit om de oxidelaag weg te werken. Dit kan op verschillende
manieren gedaan worden: met ultrageluid, de magnesium voor een lange tijd
onder inerte omstandigheden te roeren of zelfs gewoon de oxidelaag
wegschrapen van de magnesium.
Tijdens de reactie is dit om te zorgen dat de magnesiumoxidelaag niet verhindert
dat de reactie op gang komt. Eens de reactie begonnen is auto-katalyseert hij.
Als er een kleine hoeveelheid dijood wordt toegevoegd aan de reactie, reageert
het dijood met kleine hoeveelheden magnesium die zich aan de oppervlakte
bevinden. De dijood kan zijn weg banen door de oxidelaag als er maar een zeer
dunne laag aanwezig is. De dijood reageert met de aanwezige magnesium om
magnesiumjodide te vormen. Het solvent lost de magnesiumjodide op en er
wordt een groter oppervlak aan magnesium bloodgesteld aan de oplossing.
Dit proces is niet noodzakelijk als er een zeer reactief alkyl/aryl halogenide
aanwezig is zoals methyljodide. Meestal zijn dit jood alkyl-of aryl verbindingen
omdat deze reactiever zijn. Andere, agressievere activators zijn bijvoorbeeld
dibromorethaan en dibromomethaan. Deze worden echter enkel gebruikt als het
een reactie is die normaal gezien vrij slecht verloopt aangezien het heel reactieve
en onaangename stoffen zijn.
8
GIP-BOEK
2.3
Het reactiemechanisme voor het vormen van een Grignard-reagens
2.3.1 Inleiding
De synthese van een Grignard-reagens kan gebeuren door direct magnesium te
laten reageren met een alkyl-, aryl- of vinylhalogenide waarbij de algemene
reactie als volgt gaat.
Hierbij wordt magnesium geoxideerd van neutraal magnesium naar magnesium
2+.
Het reactiemechanisme dat plaatsvindt is een enkele elektronreductie dat met
een radicaal intermediair werkt.
2.3.2 Radicalen
Radicalen zijn moleculen of atomen die een vrij ongepaard elektron hebben. De
meeste radicalen zijn onstabiel omdat dergelijke configuratie energetisch zeer
ongunstig is.
Een radicaal zoals te zien op de foto heeft een SP2hybridisatie. Het is dus een trigonaal planaire molecule. Het
vrije elektron wordt voorgesteld door een bol.
We verdelen de chemische splitsing van een neutrale molecule in een
heterolytische splitsing en een homolytische splitsing. Bij een heterolytische
splitsing ontstaan er een kation en een anion. Het bindend elektronenpaar gaat
dan naar het deeltje dat het meest elektronegatief is. Het wordt negatief
geladen. Het deeltje dat het minst elektronegatief is wordt positief geladen.
Bij het vormen van radicalen gebeurt een homolytische splitsing. Hierbij wordt
een neutraal molecule opgesplitst in 2 radicalen. De elektronen die in de binding
zitten verdelen zich onder de atomen.
Dit is een zeer energie-ongunstig proces. Bepaalde factoren bevorderen dit
proces. Meestal vindt het proces plaats doordat er een elektron op een
antibindende binding komt te zitten die zorgt dat de bindingsorde 0 wordt. Dit
bevorderd homolyse.
9
GIP-BOEK
↑ : We zien dat ofwel een
elektron van een lagere bindend
sigma orbitaal op de
antibindende sigmabinding kan
overgaan door bijvoorbeeld UV
licht die het elektron opwindt en
daarom naar een hoger orbitaal
springt.
↓: Er kunnen elektronen van
buitenaf komen en op het
antibindend orbitaal gaan zitten.
Bij beide gevallen gaat het de bindingsorde veranderen waardoor homolyse
bevorderd wordt.
2.3.3 Hybridisatie van koolstof in een alkyl-, aryl- of vinylhalogenide
Koolstof kan zich in de vorm van een alkyl-, aryl- of vinylhalogenide op 2
verschillende manieren hybridiseren.
Bij een alkylhalogenide vormt het
koolstofatoom dat gebonden is aan het
halogenide 4 sp3 orbitalen (1).
Bij een aryl- of vinylhalogenide vormt
het koolstofatoom 3sp2 orbitalen (2) en
er blijft 1p orbitaal over.
Bij een aryl- of vinylhalogenide is het
p- orbitaal gebonden aan een ander porbitaal. Dit is de dubbele binding van
de aryl-of vinylverbinding.
De binding met het halogeen is altijd een sigmaverbinding met een
gehybridiseerd koolstoforbitaal.
10
GIP-BOEK
2.3.4 Het reactiemechanisme
In verschillende bronnen werkt de eerst optie van het reactiemechanisme met
een enkele elektron reductie met radicale intermediare.
1) De binding tussen een koolstofatoom en een halogeen is covalent: van
beide atomen wordt een elektron in de gemeenschap geplaatst. Hierdoor
komt één elektronenpaar op een bindend sigmaorbitaal te liggen. Bij de
eerste stap van het reactiemechanisme wordt een elektron van
magnesium overgedragen naar het antibindend sigmaorbitaal tussen het
koolstofatoom en het halogeen dat gebonden is aan het koolstofatoom.
Mangesium wordt hierbij geoxideerd van neutraal magnesiummetaal naar
magnesium I+. Broom gaat het elektronenpaar opnemen dat zich op de
bindende sigmabinding bevindt. Dit zorgt ervoor dat er enkel 1 elektron op
de antibindende sigma binding zit.
R−X + Mg → R−X•− + Mg•+
Visuele voorstelling
van de eerste stap
van het
reactiemechanisme
met broom als
halogeen.
2) De binding wordt hierdoor sterk verzwakt en er ontstaat een organisch
radicaal.
R−X•− → R• + X−
3) Het radicaal reageert met de magnesium om een radicaal
organomagnesium intermediar te vormen.
R• + Mg•+ → RMg•+
4) Dit reageert dan elektrofiel met het negatief geladen halogeen om het
organomagnesiumhalogenide te vormen.
RMg•+ + X− → RMgX
11
GIP-BOEK
De tweede optie van het reactiemechanisme is vergelijkbaar maar beschrijft een
•MgX intermediair in plaats van een RMg• intermediair.
R−X + Mg → R−X•− + Mg•+
R−X•− → R• + X−
Er wordt een radicaal adduct gevormd ten gevolge van de reactie tussen het
negatief geladen halogenide met het magnesiumradicaal.
X- + Mg•+ → XMg•
Het organisch radicaal reageert nu met het magnesiumhalogenide radicaal om
het Grignard- reagens te vormen.
XMg•
+ R• → RMgX
De theorie van XMg• en RMg• intermediairen verklaren echter niet waarom
magnesium de roosterstructuur verlaat waar neutrale magnesium atomen in
zitten.
Op deze afbeelding is de
geometrie te zien van een
cluster van 50 magnesiumatomen
Ze gaan ervan uit dat het magnesium weggeplukt wordt uit het rooster door de
RX of R• groepen. Dit is mogelijk maar een betere verklaring voor het feit dat
het magnesium zijn roosterstructuur verlaat is een reactiemechanisme dat zich
baseerd op metalische corrosie. “Despite the popularity of this scheme in the
literature, there is no evidence supporting it. (…) Absent contraindicating
evidence, it seems prudent to speculate that the formation of Grignard reagents
follow mechanisms that are similar to other metallic corrosions.” (Review:
Grignard reagent formation; Jong F Garst, Manuel P Soriaga p 626) Hierbij wordt
de reductie van RX en R• aangedreven door de oxidatie van magnesium naar
magnesium2+.
12
GIP-BOEK
De eerste stap bij dit mechanisme is hetzelfde als bij het vorige mechanisme. De
organohalogenide verbinding vormt een organisch radicaal en een negatief
geladen halogenide. Dit halogenide oxideert het magnesium en vormt een
magnesiumhalogenide. Het organisch radicaal kan opnieuw gereduceerd worden
door magnesium om een negatief geladen organisch anion te vormen. Dit
reageert vervolgens met het magnesiumhalogenide om het Grignard-reagens te
vormen. Er ontstaat een anodische en kathodische kant door ionische geleiding.
Dit is de geleiding van ionen door defecten in de roosterstructuur van
magnesium. Dit zorgt ervoor dat er een kant is, waar het magnesium oplost. Het
magnesium wordt geoxideerd door het negatief geladen halogenide en gaat in
oplossing. Er is ook een kant waar er geen oplossing is. Dit is noodzakenlijk om
het negatief geladen organisch radicaal te stabiliseren.
Een probleem met deze theorie is dat dit reactiemechanisme zeer traag gebeurt.
De reactie gebeurt in een apolair solvent. Hierin werkt ionische conductie veel
trager dan in polaire solventen. De anodische-en kathodische kanten moeten
zeer dicht bij elkaar liggen. Als dit niet het geval is, kan de corrosiereactie
stoppen omdat er een te grote ruimte ontstaat tussen de ladingen. Typisch loopt
de corrosie volgens de geometrie van het roosterstructuur van het metaal. Dit
verschijnsel is ook bij de Grignardreactie waargenomen door licht- en
atoomkrachtmicroscopie. Het kan ook voorkomen als de magnesiumatomen
gewoon weggeplukt worden zoals bij vorige theoriën werd gesuggereerd.
De weg die het organohalogenide aflegt, verklaart bijproducten die kunnen
gevormd worden zoals o.a. RR, RH, RS,SS en MgX2.
13
GIP-BOEK
Inhoudstabel
-
SH = Het oplosmiddel
r = reductie
c = koppelingsreactie
q = een andere reactie zoals isomerisatie
D = oplossing in het solvent
S = aanval op het solvent
Hierboven bevindt zich de algemene weg die RX kan afleggen. De eerste stap
hierbij is de vorming van het organisch radicaal. Daarna kan het 4 richtingen uit:
-
-
Het kan gereduceerd worden naar het gewenste
organomagnesiumhalogenide.
Het kan een koppelingsreactie ondergaan om de producten RR, RH +R(-H)
(mengsel van optische isomeren, een racemaat) te vormen
Het solvent kan het organisch radicaal aanvallen om radicaal solvent te
vormen en een organisch alkyl, vinyl of aryl met een waterstof gebonden
aan het vrije elektron van het voormalig radicaal. Dit radicaal solvent kan
een koppeling ondergaan om volgende producten te bekomen: SS, RH +
S(-H) (racemaat), SH + R(-H), +MgX2.
Ten slotte kan er nog een andere reactie gebeuren zoals een isomerisatie.
Dit gebeurt niet vaak, maar hangt volledig af van welk organohalogenide
wordt gebruikt. Sommige isomeriseren veel makkelijker dan andere.
Het algemeen schema wordt onderverdeeld in 3 wegen die het
organohalogenide kan afleggen. De weg die het organohalogenide aflegt
wordt beïnvloed door verschillende factoren zoals sterische hindering en de
aanwezigheid van een aryl-vinyl- of alkylgroep maar ook de oplosbaarheid in
het solvent.
14
GIP-BOEK
“AAD” is een mechanisme dat zeer weinig voorkomt.
“DDD” komt bijna altijd van 80% tot 99% voor.
Een arylhalogenide is meer geneigd naar het “ADD” mechanisme en het komt
hierbij ongeveer 14% van de tijd voor.
Een alkyl- en vinylhalogenide zal 95% - 99% van de tijd voor het DDD
mechanisme kiezen.
2.4
Carbonyl-verbindingen
De Grignardreactie bestaat uit 2 reagentia: het Grignardreagens en een
carbonylverbinding. Dit is een molecule met een dubbelgebonden zuurstofatoom
aan een koolstofatoom.
Algemene structuur van een
organisch carbonyl verbinding.
Carbonyl-verbindingen zijn polair. Dit komt door het verschil in
elektronegativiteit tussen koolstof en zuurstof.
15
GIP-BOEK
De zuurstof is partieel negatief geladen en het
koolstofatoom is partieel positief geladen. Een
carbonyl heeft een geknikte geometrie met een hoek
van ongeveer 120°
We onderscheiden verschillende functionele groepen die onder de categorie
organische carbonyl-verbindingen vallen.
stof
aldehyde
keton
carbonzuur
ester
amide
structuur
stof
enon
zuur halogenide
carbonzuuranhydride
imide
structuur
Er bestaat ook een anorganisch carbonyl, namelijk koolstofdioxide.
Lewis structuur van koolstofdioxide
2.4.1 Reacties met carbonyl verbindingen
I. Reductie
Carbonyl verbindingen kunnen gereduceerd worden met een hydride, gist of
hydrogenering. Hierbij worden ketonen omgezet in secundaire alcoholen terwijl
ester, carbonzuren en aldehydes omgezet worden in primaire alcoholen.
II. Alkylering
We bespraken eerder al dat het koolstof- en het zuurstofatoom in een aldehyde
gepolariseerd is. Hierdoor gaat het koolstofatoom zich elektrofiel gedragen.
Hierdoor kunnen carbonyl verbindingen gealkyleerd worden door een nucleofiele
aditie. Hierbij wordt een organometaalverbinding gebruikt. Er kunnen
organolithium-verbindingen gebruikt worden maar ook Grignard- reagens. Als dit
gebeurt, vindt er een Grignardreactie plaats.
Er kunnen nog andere specifieke reacties gebeuren met carbonylverbindingen:
- Carbonyl alpha-substitutie reacties
- Wolff-Kishner reducties
- Perkin reacties
16
GIP-BOEK
2.5
De algemene Grignardreactie
Een grignard reactie is een reactie tussen een carbonylverbinding en een
Grignard-reagens om een koolstof-koolstof verbinding te vormen met minstens
één alcohol groep.
Hierboven zien we de algemene reactie van een Grignard-reactie met broom als
halogeen. De nucleofiele koolstof die gebonden is aan het magnesium reageert
met het elektrofiel koolstofatoom dat gebonden is aan de carbonylverbinding. Er
wordt een alkoxymagnesiumhalogenide gevormd waarbij het koolstofatoom dat
aan de carbonyl gebonden was een enkele binding met het zuurstofatoom heeft
en gebonden is aan het organisch gedeelte van het Grignard-reagens. Het
alkoxymagnesiumhalogenide wordt daarna geprotoneerd door een zure, waterige
oplossing om een alcohol te vormen. Dit is het eindproduct van een Grignardreactie.
2.5.1 De Grignard-reactie bij verschillende carbonylverbindingen
Over het algemeen zijn er voor de Grignard-reactie carbonylverbindingen nodig.
Niet alle carbonylverbindingen kunnen echter gebruikt worden. Tevens krijgen
we een verschillend resultaat bij verschillende soorten carbonylverbindingen.
17
GIP-BOEK
De twee meest voor de hand liggende carbonylverbindingen zijn aldehyden en
ketonen.
Aldehyden hebben volgende formule:
Als aldehyden met Grignard-reagens reageren bekomen we een
primair of secundair alcohol.
Er wordt een primair alcohol bereikt als we formaldehyde
gebruiken als carbonyl.
Formaldehyde heeft een waterstofatoom waar in vorige tekening een ‘R’ staat.
We krijgen volgende Grignardreactie:
(Het alkoxymagnesiumhalogenide wordt niet vermeld. De protonatie en
nucleofiele additie worden in 1 stap geschreven. Het halogenide dat geschreven
is, is in dit geval broom. Dit kan echter ook chloor of jood zijn.)
Andere aldehyden zorgen voor secundaire alcoholen.
Hier zien we een voorbeeld waar propionaldehyde reageert met
methylmagnesiumbromide. Er wordt een secundair alcohol gevormt na de reactie
van butaanoxymagnesiumbromide met zoutzuur. Het uiteindelijke resultaat is 2butanol met MgBrCl als bijproduct.
De Grignard-reactie van een Grignard-reagens met een keton geeft een tertair
alcohol als resultaat.
18
GIP-BOEK
Dit is een reactie tussen een keton
en een Grignard-reagens.
Er wordt een tertair alcohol
gevormd na zure afwerking.
Het uiteindelijke resultaat is 2,2fenylhexanol.
Deze reactie is puur theoretisch en
zal in praktijk niet verlopen door
sterische hindering. Het wordt
gebruikt als voorbeeld voor de
reactie tussen een keton en een
Grignard-reagens.
+
H3O+
De Grignard reactie met een ester verloopt iets anders dan die van aldehyden en
ketonen. Bij deze reactie hebben we een overschot aan Grignard-reagens nodig
omdat het reagens 2 keer reageert met het ester.
19
GIP-BOEK
Eerst reageert het ester met het Grignard-reagens. Het Grignard-reagens gaat
binden aan het koolstof waar het ester aan gebonden is om een koolstof-koolstof
verbinding te vormen.
De –OCH3-groep gaat weg van het vormalig ester en is stabiel in oplossing.
Er is een aldehyde gevormd dat opnieuw kan reageren met het Grignard-reagens
om een standaard Grignard-reactie uit te voeren. Na zure afwerking bekomen we
een tertiair alcohol.
Een Grignard-reactie kan ook verlopen met koolstofdioxide. CO2 is een
anorganische carbonylverbinding dat kan reageren met een Grignard-reagens om
een carbonzuur te vormen.
Een voorbeeld hiervan is de vorming van benzoëzuur door de reactie van
fenylmagnesiumbromide met koolstofdioxide.
Na de nucleofiele additie van de CO2 bij de fenylmagnesiumbromide krijgen we
het magnesiumbromide zout van benzoëzuur. Dit kan geprotoneerd worden door
een sterk zuur om benzoëzuur te vormen.
Een Grignard-reactie met een carbonzuur kan absoluut niet, ook al heeft het
carbonzuur een carbonylgroep.
Het Grignard-reagens verkiest met het zuurstof te reageren dat enkel gebonden
is aan het koolstofatoom dat gebonden is aan het carbonzuur. Het vormt een
onbruikbaar alkoxymagnesiumbromide. De carbonylgroep wordt niet
aangevallen.
20
GIP-BOEK
De Grignard reacties die we besproken hebben zijn de belangrijkste en meest
gebruikte Grignard-reacties. Een overzicht van de reacties tussen
carbonylverbindingen en Grignard-reagens kan op p. 17 teruggevonden worden.
2.5.2 Grignard-reagens In Situ
Grignard reagens worden meestal In Situ bereid in de Grignard-reactie. Dit
betekent dat het Grignard-reagens wordt bereid terwijl de Grignard-reactie bezig
is. Eerst wordt magnesium toegevoegd aan het recipiënt. Daarna wordt een
ether toegevoegd, vervolgens een alkyl-, aryl- of vinylhalogenide. Eventueel
wordt een hulpstof toegevoegd om het magnesium te activeren. Als er veel gas
begint te ontwikkelen, wordt de carbonyl toegevoegd. Dit wordt gedaan omdat
een Grignard-reagens vrij onstabiel is en moeilijk te isoleren is uit een
etheroplossing. Het heeft maar een beperkte houdbaarheid en kan niet
gemakkelijk getransporteerd worden van de plaats waar het gemaakt wordt naar
de plaats waar het gebruikt wordt. Het zijn zeer reactieve stoffen die in grote
hoeveelheden zelfs explosief kunnen zijn.
2.5.3 Grignardreacties in de industrie
Grignardreacties worden veel gebruikt in de industrie voor de synthese van
complexe organische verbindingen. Het is niet evident om op grote schaal
Grignard-reacties uit te voeren doordat er soms problemen zijn met het
activeren van de reactie. De reactie duurt ook redelijk lang.
Elk reagentia moet ook zeer goed gedroogd zijn. Een kleine hoeveelheid water in
de Grignard-reactie kan de opbrengst sterk verminderen. De
reactieomstandigheden moeten makkelijk aangepast kunnen worden. Als de
reactie uit de hand loopt moet het afgekoeld worden... Voor deze redenen
probeert de industrie het gebruik van Grignard reacties te beperken. Vooral voor
complexe organische precursors en medicijnen die moeilijk te synthetiseren zijn
zoals Tamoxifen worden ze wel gebruikt. Voor deze syntheses worden vaak
reacties gebruikt met organolithium-reagens. Deze type reactie is gelijkaardig
aan de Grignard-reactie maar maakt geen gebruik van een halogeen.
21
GIP-BOEK
De synthese van tamoxifen
met behulp van een
Grignard reactie.
Tamoxifen is een medicijn
met anti-oestrogene
werking dat wordt
voorgeschreven bij
bepaalde vormen van
borstkanker.
2.6
Het reactiemechanisme
Het algemene reactiemechanisme voor een Grignardreactie:
Een meer gedetailleerd reactiemechanisme:
De aldehyde reageert met 2 Grignard-reagens om een zesringig intermediair te
vormen. De nucleofiel koolstof van de Grignard-reagens bind zich met de
elektrofiele koolstof aan de carbonyverbinding. Er vormt zich een
alkoxymagnesiumbromide dat geprotoneerd wordt door een zure oplossing.
22
GIP-BOEK
2.7
De werkwijze en opstelling voor het uitvoeren van een Grignard reactie
Rechts bevindt zich een basisopstelling voor het
uitvoeren van een Grignard-reactie. Er wordt een
maatkolf met 3 nekken gebruikt. In het midden
wordt een condensor gezet waarop een droogtube
geplaatst wordt. De droogtube wordt volgestoken
met droog calciumchloride. Er mag absoluut geen
water aanwezig zijn in de Grignard-reactie.
Calciumchloride neemt water op om een hydraat te
vormen. Door calciumchloride boven de condensor te
plaatsen voorkomen we dat er water in ons recipiënt
komt. In 1 van de andere condensors wordt een
druppeltrechter geplaatst. Deze wordt gebruikt om
De carbonylverbinding toe te voegen aan het
mengsel.
Eerst worden
magnesiumkrullen in de kolf
gedaan.
Solvent wordt toegevoegd samen
met een klein beetje dijood of een
andere stof die helpt bij het
activeren van het magnesium.
23
GIP-BOEK
De alkyl-, aryl- of
vinylhalogenide wordt
toegevoegd terwijl de oplossing
aan het roeren is.
De Grignard-reagens is
gevormd. Er blijft een kleine
hoeveelheid magnesium achter
in de kolf.
Het carbyl wordt toegevoegd
met eventueel extra ether.
De Grignard reactie is
gedaan. Er kan een extractie
uitgevoerd worden. De
werkwijze voor de extractie
hangt er volledig van af welk
reactieproduct er gevormd
is.
24
GIP-BOEK
2.8
Het drogen van de solventen en reagens
De meest gebruikte solventen zijn diethylether en tetrahydrofuraan. Diethylether
is moeilijker van water te scheiden dan tetrahydrofuraan en kan best gedroogd
worden met natriummetaal. Dit metaal reageert met water dat aanwezig is in de
diethylether om natriumhydroxide te vormen. Hierna kan de ether gedestilleerd
worden om het te scheiden van de natriumhydroxide. Andere droogmiddelen zijn
bijvoorbeeld calciumchloride die het water absorbeert om een hydraat te
vormen. Moleculaire zeven kunnen ook gebruikt worden.
Voor het drogen van tetrahydrofuraan kunnen enkel moleculaire zeven gebruikt
worden.
Magnesium wordt gedroogd in de oven samen met al het glaswerk dat gebruikt
wordt.
Het drogen van de carbonylverbindingen en de alkyl-, aryl- of vinylhalogenide
hangen volledig af van welke stoffen er worden gebruikt. Enkele voorbeelden van
stoffen die vaak gebruikt worden als droogmiddel zijn:
- Fosforpentoxide
- Lithiumaluminiumhydride
- Magnesiumsulfaat
Het drogen van de reagens wordt bijna altijd gecombineerd met een destillatie.
25
GIP-BOEK
3
Besluit
Een Grignard-reactie is een zeer gevoelige reactie waarbij optimale
omstandigheden zeer belangrijk zijn. Kleine hoeveelheden contaminatie kunnen
de reactie doen mislukken. De kwaliteit van de reagens en solventen is zeer
belangrijk.
26
GIP-BOEK
4
Bronvermelding
- K. Binnemans, W. Dehaen(2005), ‘Organometaalchemie’. Leuven
- R.H. Crabtree(2001), ‘The Organometallic Chemistry of the Transition
Metals’, John Wiley; New York,
- S. Panteleev(2013), ‘Quantum-chemical study of the Grignard reaction
mechanism within the cluster model of reaction center’; Nizshy Novgorod,
Rusland,
- S.H. Chritensen(2014), ‘The retro Grignard addition reaction revisited: the
reversible addition of benzyl reagents to ketones’; Lynsgby, Denemarken,
- E. Shirakawa(2013) ‘A review: Single electron transfer-induced crosscoupling reaction of alkenyl halides with aryl Grignard reagents’
- J.F. Garst (2004) ‘Review Grignard reagent Formation’; Georgia
- E.C. Ashby(1980) ‘A DETAILED DESCRIPTION OF THE MECHANISM OF
REACTION OF GRIGNARD REAGENTS WITH KETONES.’; Georgia
- M.B. Smith(2007) ‘Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms,
and Structure’; New York,
- L.H. Hing (1982) ‘Grignard reagents from Chemically Activated
Magnesium’,Stuttgart
- Prof. E. Neyts; lezing; Antwerpen
- Prof. D. Farina in ‘Grigard reaction’. Geraadpleegd via
https://www.youtube.com/watch?v=ZeHD7GcPNck&t=265s
Anonieme Bronnen
- https://nl.wikipedia.org/wiki/Tamoxifen
- https://en.wikipedia.org/wiki/Grignard_reaction
- https://en.wikipedia.org/wiki/Radical_(chemistry)
- https://www.youtube.com/user/TheRedNile
- https://www.youtube.com/channel/UCiU1dHvZObB2iP6xkJ__Icw
- https://www.youtube.com/user/NurdRage
27
GIP-BOEK
5
Logboek
Datum
20/05/2016
1/06/2016
3/06/2016
8/06/2016
10/06/2016
12/09/2016
12/09/2016
28/09/2016
29/09/2016
16/10/2016
22/10/2016
22/10/2016
23/10/2016
28/10/2016
28/10/2016
30/10/2016
19/11/2016
19/11/2016
20/11/2016
21/11/2016
22/11/2016
25/11/2016
26/11/2016
27/11/2016
28/11/2016
1/12/2016
2/12/2016
3/12/2016
3/12/2016
3/12/2016
4/12/2016
Activiteit
Verkennen onderwerp en aanmaken logboek
Bronnen lijst aanmaken
Mindmap maken
Afbakenen van het onderwerp
Stellen van hoofd- en deelvragen
Opzoekwerk over proeven
Opzoekwerk over proeven
Werkwijze van proeven maken + beginnen
vooronderzoek
Maken vooronderzoek
Maken vooronderzoek 2
Bronnen zoeken voor literatuurstudie + lezen
van literatuur
Bronnen zoeken voor literatuurstudie + lezen
van literatuur
Beginnen aan hoofdstuk 'Grignard-reagens'
Reactimechanismen uitwerken voor De
Grignard-reagens
Reactimechanismen uitwerken voor De
Grignard-reagens
Adductvorming
van
Grignard-reagens '
schrijven
Schrijven van Inleiding en maken van
reactievergelijkingen en structuurformules
Schema uitwerken reactiemechanismen
Schema uitwerken reactiemechanismen
Het activeren van magnesium' volledig
schrijven
Beginnen aan radicalen
Radicalen afwerken
De weg die het radicaal kan volgen'
De weg die het radicaal kan volgen' afwerken
Aanpassingen uitvoeren aan al bestaande
tekst
Aanpassingen uitvoeren aan al bestaande
tekst
carbonyl verbindingen' schrijven
De grignard reactie bespreken
De grignard reactie bespreken
werkwijze
opstelling
Grignard
reactie;
Grignard reacties in de industrie; In situ
Laatste aanpassingen aanbrengen; laten
controleren; verbeteren
28
Begintijd
11:10
11:10
11:10
11:10
11:10
18:00
19:30
20:10
Eindtijd
12:00
12:00
12:00
20:00
12:00
18:30
20:00
22:00
20:30
20:30
11:00
21:20
21:45
13:20
14:30
16:00
13:30
18:30
15:15
19:00
20:30
22:00
14:00
16:00
11:00
15:20
16:15
12:30
17:00
18:00
13:15
17:30
17:15
17:00
16:00
21:30
17:00
18:00
18:00
19:20
23:30
18:30
21:00
22:20
22:15
10:00
15:00
19:00
23:45
12:30
17:45
23:30
13:00
17:00