xx . . xx - Macroarea di Scienze

COMPOSTI MAGNESIOORGANICI
Gruppo 2
Gruppo 12
Ba
Sr
Ca
Mg
Be
Configurazione elettronica:
p
s
M
MR2
Zn
Cd
Hg
MR2D
MR22D
.
.
.
.
. xx
. xx xx
sp
sp2
sp3
Il carattere elettropositivo del metallo decresce.
Di conseguenza decresce la reattività in
reazioni eterolitiche
CARATTERISTICHE GENERALI
stabilità: sono sensibili all'aria ed all'umidità
stabilità termica: elevata la β-eliminazione in genere avviene a temperatura > 100°C
R
N CH2CH2MgX
-90°C
R
se però ci sono gruppi ad attrazione
elettronica, la β-eliminazione è molto facile
R
N MgX + H2C CH2
R
stabilità configurazionale: alta, se il centro chirale è in a al Mg, bassa se il C chirale è legato al Mg
CH2 CH3
Centri chirali in α al magnesio
mantengono la configurazione
H3C C CH2 MgCl
H (S)
H
(S)
Centri chirali legati al magnesio
racemizzano velocemente
CH2 CH3
Mg
H3C C CH2 Cl
R'
R
veloce
C MgX
R"
R
X Mg C
R'
R"
Solventi adatti per i magnesioorganici: Et2O, THF
Si formano forti complessi acido-base di Lewis tra l'O dell'etere e gli ioni Mg
Disponibilità commerciale: soluzione in THF o Et2O di RMgX
R = allile, vinile, etile, propile, isopropile, butile, sec-butile, terz-butile, ciclopentadienile,
fenile, benzile, mesitile (= 2,4,6-trimetilfenile)
Struttura: MgMe2, MgEt2 sono polimeri (legami policentrici a difetto elettronico)
CH3
CH3
Mg
Mg
CH3
CH3
Mg
CH3
Mg
CH3
n
Se si aggiungono donatori di Lewis, questi permettono l'esistenza di monomeri, fornendo gli
elettroni necessari per compensare il difetto elettronico del Mg.
1
H3C
CH2
CH2
N
N
R' R'
N
R Mg
Mg X
N
R' R'
CH3
R
Mg
R
H3C CH3
R'2O
R
Mg
R'2O
X
R
Mg
R
X
Mg
X
OR'2
OR'2
I reattivi di Grignard in soluzione sono in equilibrio con diorganilmagnesio (equilibrio di Schlenk)
L
Mg
R
X
L
2 RMgX
Mg
X
K
R
R2Mg + MgX2
Mg
R
R
X
L
Mg
X
L
L = solvente con proprietà di donatore, di solito un etere
K = 0.2 per EtMgBr
Lo studio dettagliato dell'influenza del solvente, della concentrazione e della natura di R ha
mostrato che il processo è più complesso.
In THF, RMgX esiste come forma monomerica RMgX(THF) in un ampio intervallo di concentrazione.
In Et2O, RMgX è monomerico solo in soluzione diluita (<0.1M), mentre a concentrazioni più elevate
si formano oligomeri (catene e anelli)
Et2 O
Et2O
Mg
Et2 O
Br
Et2O
Mg
Br
Mg
Br
n
In generale ponti alogenuro sono preferiti rispetto a ponti alchile
Nelle struture cristalline è stato osservato EtMgBr sia monomerico che dimerico
EtMgBr(OEt2)2
EtMgBr(O-iPr2)
(monomerico)
In THF
(dimerico)
coordinazione più forte di quella con Et2O
monomero
OEt2
R = Et
Mg
R
Br
OEt2
O-Mg-O
Br-Mg-O
C-Mg-Br
101.2°
103.0°, 103.7°
125.0°
R = Ph
103.3°, 109.8°
2
PREPARAZIONE
1.
Metallo + alogenuro organico (sintesi diretta)
Mg + R-X
RMgX(Et2O)n
molto usato
X = I, Br
una soluzione di RX in dietil etere si aggiunge lentamente (in atmosfera inerte) ad una
sospensione di Mg nello stesso solvente
Reattività degli alogenuri
RI > RBr > RCl
Il magnesio si può utilizzare in diverse forme
Mg
trucioli, polvere, condensato, Mg di Rieke, Mg-antracene
Alogenuri organici non reattivi con i trucioli di magnesio possono reagire, se il magnesio viene
sonicato o pre-trattato meccanicamente
la superficie del Mg è attivata con I2, formando MgI2, che lega le ultime tracce di
acqua nella miscela di reazione
Si può aggiungere una piccola quantità di MeI (molto reattivo), che innesca la reazione
Si può usare 1,2-dibromoetano, che pulisce la superficie reagendo con lo strato superiore di
Mg:
Mg + Br CH2 CH2 Br
CH2 CH2
+ MgBr2
altri modi per avere Mg attivo:
magnesio condensato
vapori di Mg condensati su una superficie fredda
(1974)
Quando il vapore di magnesio viene co-condensato con il vapore dell'alogenuro
alchilico (CC), si possono preparare reattivi di Grignard esenti da solvente
Mg(g) + RX(g)
magnesio di Rieke
1. CC, -196°C
2. RT
RMgX
Mg ottenuto per riduzione con K di cloruro di
magnesio anidro
(1977)
MgCl2
K, THF
KCl
Mg*
(Mg* = magnesio attivato)
3
cristalli giallo-arancione
magnesio-antracene
(1980)
Mg
Br CH2 CH2 Br
CH2
Mg*
CH2 + MgBr2
THF, 48 ore, RT
[Mg(antracene)2(THF)3]
arancione
man mano che reagisce
diventa verde scuro
Solvente
Et2O, THF, diglyme (= CH3OCH2CH2OCH2CH2OCH3), acetali, R3N
concentrazione
le concentrazioni non devono essere elevate, per ridurre al
minimo le reazioni di accoppiamento e per non spostare a
destra l'equilibrio di Schlenk
R-X + RMgX
R-R + MgX2
R2Mg + MgX2
2 RMgX
Alogenuro
reattività:
I
Br
I > Br > Cl
R-F poco reattivi
Però R-I danno sottoprodotti
MgI Br
Mg
F
però con il magnesio di Rieke:
MgF
+ Mg*
89%
con il magnesio attivato si riescono ad avere reazioni altrimenti non fattibili
X
Mg
MgX2
X
MgX
X = Cl (e non Br)
solvente = THF
conc = 0.1 M
Mg*
XMg
R-Cl è meglio di R-Br, perché la reazione di accoppiamento RMgBr+ R-Br è favorita sia
cineticamente (Br- e Br. sono gruppi uscenti migliori di Cl- e Cl.) sia termodinamicamente (cfr.
forze di legame C-Cl, Cl-Mg, C-Br, Br-Mg)
Con il Mg attivato bisogna stare attenti al solvente:
O
+ Mg*
O
Mg(THF) n
4
REAZIONI DEI COMPOSTI MAGNESIOORGANICI
R è nucleofilo e basico e perciò reagisce con elettrofili e acidi
RH (RD)
ROH
H2O
H2O(D2O)
ROMgX
O2
RH + MgX2
R3COH
H2O
HX
R
O
C
RMgX
R3COMgX
R O
C
R H
R2CHOMgX
H2O
R2CHOH
SOCl2
R'2C=NR"
S,
SO2Cl2
R2SO
H2O
RSO2Cl
RR'2C-NHR"
RSH
Ordine di reattività:
Se R- è il reagente nello stadio rate-determining
Se R.
t-Bu > i-Pr > Et > Me > Ph
R- è lo stadio rate-determining
Me ~ Et > i-Pr > t-Bu
TIPI DI REAZIONE:
A. ADDIZIONE A LEGAMI MULTIPLI
B. REAZIONI DI SOSTITUZIONE
C. Reazioni in presenza di composti con metalli di transizione
A. ADDIZIONE A LEGAMI MULTIPLI
1. legami multipli C-O
Reazione di carbossilazione
O
δ- δ+
R MgX+ O
CH3
Esempi:
H 3C
R
C O
H2O
MgBr + CO2
H+
C O - +MgX
H3 C
86-87%
CH3
CH3CH2 CH CO2H
CO2
Mg*
Cl
C OH
CO2H
CH3
H2O
H+
O
R
CH3
CH3
CH3CH2 CH CH3 + CO2
MgBr
H2O
H+
MgCl
76-86%
H2O
CO-2
H+
60-70%
CO2H
5
con reattivi di Grignard da dialogenoalcani, è possibile controllare il prodotto controllando la
quantità di CO2
CO2
H2O, H+
CO2
C
C
Br Mg MgBr N
BrMgO
HO2C
2 Br Mg C OMgBr
OMgBr
OO
O
Br Mg C
OMgBr
O
CO2H
H2O
BrMg O
OMgBr
HO
OH
H2O
O
Reazione con composti carbonilici
Il meccanimo della reazione è complesso, perché il reattivo di Grignard può agire da base, da nucleofilo, o dare un
processo radicalico
RMgX(solvente)2
R'R"CO
X(solvente) =/
. . . Mg . .. .
O
.R
...
C ... H
C
R'
OMgX
R'
R" C ..... O
...
..
..
.
R ..... MgX(solvente)
RMg(X)O=CR'R"
.
(solvente)XMg-O-CR'R"
R.
+ RH
R'
=/
R'
R" C
R
altri prodotti (RH, dioli)
OMgX
R'
C
.
R" ...
R
ci sono evidenze sperimentali di uno stato
di transizione ciclico, con una molecola di
composto carbonilico e due molecole di
reattivo di Grignard
O...
=/
.
R
Mg
....X
Mg
X
Esempi:
O
MgCl +
C
H
H2O
H+
H
CH CH CH O
+ HC C MgBr
CH2 OH
64-69%
OH
CH CH CH C CH
H2O
H+
58-69%
MgBr
+ CH3 CH O
H2O
H+
CH CH3
H+
Cl
CH3 CH CH CH O + CH3MgCl
OH
H2O
82-85%
Cl
OH
CH3 CH CH CH CH3
(CH3)2CHMgCl
81-86%
+ CH3 CH O
H2O
H+
OH
CH3 CH CH CH3
CH3
53-54%
6
L'addizione può essere stereoselettiva
O CH2
O CH2
eso
1. CH2=CHMgX
OH
2. H2O, H+
O
endo
da chetoni o aldeidi prochirali si possono ottenere alcooli con elevata purezza ottica effettuando
la reazione in un mezzo chirale o con un agente chirale che complessi il magnesio
induzione asimmetrica da centri chirali:
N
RMgX
R
N
N
O
OCH3
[H]
OH
1. R'MgX
N
R
2. H+
O
N
N
H
O
CHO
R'
RMgX
CH2
O
H
N
N
H+
> 95% e.e.
R
H
HO
CHO
> 83% e.e.
R
Reazione con composti carbonilici α,β-insaturi
O
O
CH2=CHMgBr
CuI, THF, -78°C
Responsabile dell’addizione coniugata è in realtà il cuprato che si forma in situ, perché il composto
magnesioorganico è un nucleofilo molto forte e dà addizione 1,2
Reazione con con alogenuri acilici
A temperature < -70°C, in THF, con un reattivo di Grignard stericamente impedito, si riesce ad avere
acilazione (altrimenti il chetone formato reagisce ulteriormente)
O
R
R'
R'MgBr
Cl
R
R'
H2O
OMgBr
R
H+
O
Si può sfruttare la diversa reattività di cloruri acilici ed alchilici
O
Cl
R
2 RMgBr
Cl
Cl
R
R
Li
OMgBr
Li
R
OMgBr
(1983)
7
O
Reazione con con esteri
OR'
H 2O
2 CH3(CH2)3MgBr + HCO2C2H5
O
2
(CH3CH2CH2CH2)2CHOH
83-85%
H+
H2O
O CH2 CH3
OMgBr
R
Esempi:
MgBr
+
R
2 RMgBr
C OH
H+
H2O
3 CH3CH2MgBr + (CH3CH2O)2CO
(CH3CH2)3COH
H+
Con composti di Grignard provenienti da dialogenoalcani, il prodotto dipende dalla lunghezza
della catena
O
O
THF
+ BrMgOEt
+ BrMg(CH2)nMgBr
(CH2)n MgBr
R
R OEt
O
R
(CH2)n MgBr
n=5
n=4
80%
R
riduzione
intramolecolare
ciclzzazione (addizione)
OMgBr
O
OMgBr
enolizzazione
R
CH(CH2) CH3
n-2
-+
MgBr
R
(CH2) n-2CH=CH2
H
(CH2)n
2. legami multipli C-N
MgX
C N
+ RMgX
C N
H2O, H+
AMMINE
R
C
N
+ RMgX
C N
MgX
H2O, H+
[IMMINE]
R
Solvente
benzene + 1 equivalente Et2O
CHETONI
/ reazioni secondarie
Esempi:
OEt
R' C
OEt
C
N + RMgX
OEt
CH N CH3
R' C
OEt N MgX
CH2 MgCl
+
OEt
1. R"Li
C R
H2O
2. H2O, H+
R' C
R"
C R
(1980)
OEt NH2
NH CH3
CH2 CH
96%
MgBr
CH3 O CH2 C N
+
O
H2O
HCl
CH2 O CH3
71-78%
8
H3C
C O
C N
H2O
+ CH3MgI
HCl
52-59%
3. legami multipli C-S
Con i doppi legami carbonio-zolfo il gruppo R dei reattivi di Grignard si può legare sia
al carbonio che allo zolfo (scarsa utilità sintetica)
C S R
addizione tiofila
MgX
C S + RMgX
addizione carbofila
C S MgX
R
esempio:
O
SMgBr
MgBr
+ S
C
S
C
S
S
C
O
S
(1981)
3. legami multipli C-C
L'addizione a doppi legami carbonio-carbonio ha utilità sintetica solo in casi particolari
X
Mg O
Mg O
Mg O
+
+ RMgX
R
R
(1981)
B. REAZIONI DI SOSTITUZIONE
Scissione di legame C-alogeno
RMgX + R'X
RR' + MgX2
/ reazioni secondarie
deprotonazione di R'X
MgX2 + alcheni
scambio metallo-alogeno
miscela di prodotti
prodotti inattesi (da electron transfer)
Esempi:
O
O
Cl
+
Cl
MgBr
Cl
(1983)
O
O
CF2
+
CH2 MgBr -50°C
O
O
F
40%
9
Valore sintetico
solo con alogenuri di metile, di allile, di benzile
con solfonati e solfati alchilici
H3C CH3
Br
H3C CH3
1. Mg
79%
2. CH2=CHCH2Br
H3C CH3
(1987)
H3C CH3
O
CH2MgCl
+ CH3 CH2 CH2 CH2 O S
CH2 CH2 CH2 CH2 CH3
CH3
(50-59%)
O
CH3
MgBr + O
H3C
CH3
OCH3
S O
H3C
OCH3
CH3
(52-60%)
CH3
CH3
COMPOSTI ORGANICI DELLO ZINCO
Non viene considerato metallo di transizione, perché ha gli orbitali d pieni
Configurazione elettronica:
geometria:
p
s
M
MR2
.
.
sp
MR2D
.
. xx
sp2
.
. xx xx
sp3
MR22D
esempi:
H3 C
Zn
H3C
H3 C
CH3
Zn
OMe2
Zn
N
N
H 3C
H3 C
Zn
CH3 2CH3
10
Caratteristiche strutturali:
ZnR2
monomerici
molecole lineari
bassi p.e. e p.f.
(R = alchile, arile)
RZnX
ZnEt2: p.f. -28°C, p.e. 118°C
aggregati di varie dimensioni
X
R Zn
X
Zn R
X
R
Zn
R
Zn
X
R
Zn
X
X
Zn
R
R
X
Zn R
Zn R
X
X
Zn
PREPARAZIONE DEI COMPOSTI ZINCOORGANICI
1.
Metalloorganico + alogenuro di zinco (scambio metallo-alogeno)
dai reattivi di Grignard o dai composti litioorganici con sali di zinco
2 RLi + ZnX2
2.
molto usato
R2Zn + 2 LiX
processo "one pot": RX + Mg + ZnCl2 sonicati
(1982)
Metallo + alogenuro organico
Zn + RX
(1981)
RX + Zn molto reattivo
RZnX
con Cu(OAc)2
con (CH3)3SiCl
Per l’attivazione di zinco metallico si ricorre
al pretrattamento della polvere di Zn
Cu-Zn
(1985)
(1987)
REAZIONI DEI COMPOSTI ZINCOORGANICI
1. FORMAZIONE DI LEGAMI C-C
aa Addizione ai composti carbonilici, con formazione di alcooli (quando preparati con il
processo one-pot, probabilmente per attivazione ad opera del catione magnesio che
funziona da acido di Lewis)
bb Reazione di Reformatsky (formazione di β-idrossiesteri)
Esempi:
O
O
O
C
C
CH2 Br + Zn
CH2 CH3
CH3 CH2 CH2 CH2 CH CH O
CH2 CH3
+
O
Br CH C
CH OCH2CH3
Br-
O
Zn2+
CH2
CH2 CH3
1. Zn
2. H+
3
O
-
1. Zn
+ Br CH2 C
+
OCH2CH3 2. H
O
1.
OH O
2. H2O
O
OH
O
CH3 CH2 CH2 CH2 CH CH CH C
CH2 CH3 CH OCH2CH3
3
87%
O
OH
CH CH2 C
OCH2CH3
61-64%
11
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH O
+
O
Br CH2 C
OCH2CH3
1. Zn
2. H+
O
O + Br CH2 C
OCH2CH3
OH
O
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH CH2 C
OCH2CH3
50-80%
OH
1. Zn, benzene
O
CH2 C
OCH2CH3
2. H+
OH
O
CH2 CH CH2 C
OCH2CH3
90%
O
1. Zn, (MeO)3B
CH2 CH O
+ Br CH2 C
OCH2CH3 2. H+
O 1. Zn, Me3SiCl
H3C
CH CH O + Br CH2 C
2. H+
H3C
OCH2CH3
cc
OH
O
H3C
CH CH CH2 C
H3C
OCH2CH3
72%
Gli enolati di Zn preparati da α-alogenoalcani possono essere usati in
condensazioni aldoliche miste
O
Br
+ CH3 CH O
1. Zn, benzene, DMSO
2. H+
O
CH CH3
57%
Questa reazione può essere eseguita in presenza di Et2AlCl (acido di Lewis) a -20°C
lo Zn si può introdurre in posizioni più lontane dalla funzione esterea (cosa non
possibile con Li e Mg, più reattivi).
Gli esteri sostituiti con Zn in β, γ e δ si preparano per reazione con la coppia Cu-Zn dei corrispondenti
iodoesteri
O
O
CH3 CH2 O C (CH2)n I
CH3 CH2 O C (CH2)n ZnI
Zn-Cu
n = 2-4
Questi composti zincoorganici reagiscono con vari elettrofili, tra cui cloruri acilici, tosilati allilici ed
aldeidi (in combinazione con trimetilclorosilano)
O
CH3 CH2 O C (CH2)n ZnI +
O
CH3 CH2 O C (CH2)n ZnI
+
O
R
O
R
O
CH3 CH2 O C
C
Cl
O
O
CH3 CH2 O C (CH2)n C R
(CH2) CH2 CH CH R
CH CH CH2 O S
O
12