3 Органические производные металлов второй группы
Первым элементом во второй группе является бериллий. Его органические производные резко отличаются по свойствам от металлорганических соединений магния и щёлочноземельных металлов. Органические производные бериллия летучи, растворимы в неполярных органических растворителях и все, за исключением кристаллического диметилбериллия, представляют собой жидкости. Все соединения бериллия высокотоксичны. В соответствии с этим органические производные бериллия в органическом синтезе не используются
Магнийорганические соединения имеют солевой характер – это твёрдые неплавкие вещества. Органические соединения кальция, стронция и бария не имеют каких-либо преимуществ в сравнении с литий- и магнийорганическими соединениями и поэтому они практически неизвестны. В диалкильных производных элементов второй подгруппы – цинка, кадмия и ртути – связь металла с углеродом носит ковалентный характер. В соответствии с этим они представляют собой жидкости с невысокими температурами кипения. Так, например, диметилцинк кипит при температуре 46 °С, а диметилртуть имеет температуру кипения 92 °С.
В соответствии с электроотрицательностью металла низшие алкильные производные бериллия, магния и цинка реагируют с кислородом воздуха так активно, что происходит их самовозгорание; бурно протекает и их взаимодействие с водой. Окисление диметилкадмия идёт более гладко, а диметилртуть не реагирует с кислородом воздуха и не разлагается водой при комнатной температуре.
3.1 Магнийорганические соединения
Самыми широко используемыми в препаративной органической химии металлорганическими соединениями являются алкил- и арилгалогениды магния (реактивы Гриньяра). Они легко получаются из соответствующих галогенидов и металлического магния. Важно также, что они удобны в обращении. Для получения реактивов Гриньяра можно использовать практически любые алифатические и ароматические галогениды, за исключением, конечно, фторидов. Реакция протекает в соответствии с общей схемой:
Магний вводят в реакцию в виде стружек, но в отдельных случаях используют порошкообразный магний с определённым размером частиц. Обычно этот реагент не нуждается в дополнительной обработке. Присутствующие в магнии в виде примесей другие металлы в реакцию образования металлорганического соединения не вступают и остаются в реакционной массе в виде тонкого осадка тёмного цвета. Магний и органический галогенид вводят в реакцию в эквивалентных количествах, хотя можно брать и небольшой избыток магния.
Органический галогенид чаще всего представлен бромидом, скорость реакции с ним выше, чем с соответствующим хлоридом, хотя выход реактива Гриньяра на основе органического хлорида обычно превышает выход магнийорганического соединения в реакциях магния с соответствующими бромидами. Легче всего идёт реакция с иодидами, но их редко используют из-за более высокой стоимости и увеличения доли побочных реакций, в частности, реакции Вюрца– Фиттига.
Используемые в качестве исходных соединений галогениды должны быть очищены от спиртов, кислот и воды. Эти примеси не только снижают выход магнийорганического соединения, но и ингибируют реакцию на начальной стадии, блокируя её течение. Галогениды сушат хлоридом кальция и перегоняют непосредственно перед проведением реакции с магнием.
Накопленный опыт по проведению реакции Гриньяра показал, что растворитель играет важную роль при получении магнийорганических соединений. Более всего для этого подходит диэтиловый эфир, но можно использовать также дипропиловый, дибутиловый и диизопентиловый эфиры, а также тетрагидрофуран и диоксан. В качестве растворителя могут быть использованы и ацетали формальдегида, например, диизопропоксиметан и диизобутоксиметан. Эфир при этом должен быть абсолютным, т.е. его надо очистить от воды и спирта. Для этого его в течение достаточно длительного времени выдерживают над металлическим натрием. Количество эфира должно соответствовать образованию раствора реактива Гриньяра с концентрацией от 1 до 2 молей в литре.
Эфир выполняет функцию растворителя для магнийорганического соединения, которое чаще всего нерастворимо в других инертных органических растворителях. Переходом магнийорганического соединения в раствор поддерживается свободная поверхность металлического магния. На самом деле магнийорганическое соединение растворяется в эфире в виде аддукта, экзотермический эффект образования которого поддерживает реакционную массу в состоянии кипения. Эфираты продуктов реакции магния с органическими галогенидами могут быть выделены в виде бесцветных кристаллических веществ состава, например, R2Mg∙MgX2∙4(C2H5)2O. В действительности, очевидно, в растворе устанавливается равновесие:
Реакция магния с органическими галогенидами может ускоряться и другими вешествами, которые образуют аналогичные аддукты с реактивами Гриньяра. В качестве примера можно привести тиоэфиры, и такие третичные амины, как диметиланилин, пиридин и хинолин.
В качестве среды для получения реактивов Гриньяра можно использовать углеводороды (например, бензол, толуол и петролейный эфир), но эти вещества не образуют аддукты с магнийорганическими соединениями и поэтому не растворяют их. Очень хорошие результаты получены при проведении реакции Гриньяра в додекане, изооктане или тетралине, при этом оптимальная скорость взаимодействия магния с алкилгалогенидами достигается при температуре от 80 до 100 °С, а для реакции с арилгалогенидами от 160 до 170 °С. Хорошие выходы реактивов Гриньяра получены также при проведении реакции магния с органическими галогенидами в таких углеводородах, как бензол, толуол или ксилол, к которым добавлен тетрагидрофуран или триэтиламин в количестве 1 моль на г-атом магния.
Реактивы Гриньяра получают в трёхгорлой колбе с мешалкой, обратным холодильником и капельной воронкой. Магнийорганические соединения реагируют с влагой воздуха, кислородом и диоксидом углерода, но обычно для защиты реакционной массы достаточно хлоркальциевой трубки на обратном холодильнике, так как пары кипящего эфира защищают её от контакта с воздухом. В колбу загружают весь магний, приливают немного абсолютного эфира и прибавляют из капельной воронки небольшую часть раствора галогенида в абсолютном эфире. В отдельных случаях взаимодействие магния с органическим галогенидом ускоряют прибавлением кристаллика иода. Начало реакции отмечается кипением эфира и помутнением реакционной массы. Если реакция протекает слишком бурно, колбу погружают в воду со льдом. Далее течение реакции регулируют скоростью прибавления раствора галогенида. После окончания прибавления галогенида реакционную массу поддерживают в кипящем состоянии около часа для того, чтобы прореагировал весь галогенид. Раствор реактива Гриньяра обычно используют сразу после его получения, хотя при исключении контакта с воздухом его можно хранить в течение нескольких дней.
Образование магнийорганических соединений легко идёт с первичными и вторичными алкилхлоридами, алкилбромидами и алкилиодидами, а также с арилбромидами и арилиодидами. Взаимодействие магния с арилхлоридами даже в абсолютном тетрагидрофуране идёт слишком медленно. Определённые сложности представляет получение реактивов Гриньяра из третичных алкилгалогенидов. Если реакция в диэтиловом эфире идёт слишком медленно, то в качестве растворителя можно взять эфир с более высокой температурой кипения или диметиланилин. Хорошими растворителями для проведения реакции магния с органическими галогенидами являются также тетрагидрофуран или диметиловый эфир этиленгликоля (моноглим). Так, например, для получения реактивов Гриньяра из винилгалогенидов в качестве растворителя используют абсолютный тетрагидрофуран.
Ещё один способ получения реактивов Гриньяра из органических галогенидов с невысокой реакционной способностью представлен параллельным протеканием реакции с участием реакционноспособного галогенида. При этом, конечно, количество магния должно быть эквивалентно смеси галогенидов. Таким способом можно вводить в реакцию даже такой пассивный галогенид, как пентаметилбромбензол. Добавляемый при этом второй реагент выбирают так, чтобы продукты последующего превращения смеси реактивов Гриньяра легко разделялись. Чаще всего для этого используют этилбромид. Аналогичная активация может достигаться прибавлением к смеси эфира, магния и органического галогенида небольшого количества полученного ранее реактива Гриньяра.
Побочная реакция при получении реактивов Гриньяра представлена взаимодействием образующегося магнийорганического соединения с исходным галогенидом по аналогии с реакцией Вюрца:
Скорость этой реакции определяется реакционной способностью галогенида. В соответствии с этим превращение по представленной схеме достаточно значимо для реакций с алкилиодидами. Доля этой реакции снижается также при проведении взаимодействия в мягких условиях и в разбавленных растворах.
Ещё одна побочная реакция представлена дегидрогалогенированием алкилгалогенидов с образованием олефинов. Чаще всего эта реакция протекает при взаимодействии магния с третичными алкилгалогенидами.
Не всегда удаётся получать реактивы Гриньяра из соединений, содержащих более одного атома галогена. Если атомы галогенов разделены двумя или тремя атомами углерода (как, например, в 1,2-дибромэтане или 1,3-дибромпропане) то их взаимодействие с магнием протекает преимущественно с образованием бромида магния. В то же время метилендибромид и метилендииодид с хорошим выходом могут быть превращены в соответствующие метиленбис(магнийгалогениды). Реакция магния с галогенидами, в которых атомы галогенов разделены четырьмя и более атомами углерода, часто сопровождается реакцией сочетания когда, например, из 1,5-дибромпентана образуется заметное количество декаметиленбис(магнийбромида). Определённый интерес представляют реакции магния с дигалогенидами с разной реакционной способностью атомов галогенов. В частности, соединения общей формулы Cl(CH2)nBr реагируют с магнием в тетрагидрофуране с образованием ω-хлоралкил-магнийбромидов.
С хорошим выходом образуются м- и п-фениленбис(магнийбромиды) из соответствующих дибромбензолов в тетрагидрофуране. В реакцию с магнием в тетрагидрофуране вступают также пергалогенированные ароматические соединения. Так, например, из гексахлорбензола можно получить пентахлорфенилмагнийхлорид, а из пентафторбромбензола – пентафторфенилмагнийбромид. При температурах от –65 до –35 °С можно получать реактивы Гриньяра из перфторалкилгалогенидов и магния или амальгамы магния.
Взаимодействие хлорметиловых эфиров с магнием протекает преимущественно с элиминированием этилена:
Однако при низких температурах образующиеся в качестве промежуточных продуктов в этом превращении реактивы Гриньяра могут быть использованы в обычных для этих соединений реакциях.
Свободные от галогенов магнийорганические соединения можно получать осаждением галогенида магния из эфирного раствора реактива Гриньяра диоксаном. При этом осаждается и часть алкилмагнийгалогенида, в результате чего в растворе остаётся, например, всего лишь 6 % диэтилмагния из реактива Гриньяра, полученного из этилиодида и магния, а при осаждении хлорида магния из эфирного раствора бутилмагнийхлорида в растворе остается 84 % дибутилмагния. Выход свободных от галогенов магнийорганических соединений при таком способе их выделения можно повысить путём очень медленного прибавления диоксана к эфирному раствору реактива Гриньяра, например, в течение трёх дней.
Ещё один способ получения диалкильных или диарильных магнийорганических соединений представлен реакцией металлического магния с соответствующими ртутьорганическими соединениями:
Диалкильные и диарильные магнийорганические соединения представляют собой бесцветные неплавкие кристаллические вещества, нерастворимые в углеводородах. В то же время они растворимы в эфире и во всех растворителях, с которыми они могут образовывать координационные комплексы, например, в диоксане и в пиридине. Эфират дифенилмагния растворим также в бензоле. Несмотря на их высокую реакционную способность, алкильные производные магния достаточно термостабильны, например, диэтилмагний начинает разлагаться только при температуре более 175 °С, превращаясь при этом в гидрид магния и этилен. Ещё одним продуктом пиролиза диэтилмагния становится полимерный этиленмагний –СН2СН2Мg– и этан.
Магнийорганические соединения могут вступать в реакции с органическими галогенидами с образованием С–С-связей по типу реакции Вюрца–Фиттига. Так, например, фенилмагнийбромид реагирует с аллилхлоридом с образованием аллилбензола:
При обработке образующейся при этом реакционной массы следует принимать во внимание, что аллилбензол в присутствии оснований претерпевает аллильную перегруппировку и превращается в 1‑пропенилбензол.
По этой схеме реактивы Гриньяра реагируют и с другими органическими галогенидами с активными атомами галогена (например, с α-хлорзамещёнными простыми эфирами).
Магнийорганические соединения, полученные из третичных алкилгалогенидов или арилгалогенидов, реагируют с бромидом серебра, хлоридом или бромидом меди(II) по схеме реакции Вюрца, например:
И всё же основная область применения магнийорганических соединений представлена реакциями с образованием С–С-связей в результате их присоединения к карбонильным группам в составе альдегидов, кетонов или сложных эфиров, а также в результате присоединения к иминам, нитрилам и диоксиду углерода.
Как отмечалось выше, хранение реактивов Гриньяра даже в инертной атмосфере нежелательно. Кроме того, при работе с большими загрузками следует соблюдать осторожность при разложении реакционной массы с продуктами превращения реактивов Гриньяра, поскольку даже небольшие количества непрореагировавших магнийорганических соединений при взаимодействии с водой или растворами кислот вызывают интенсивное кипение растворителя.
Взаимодействие реактива Гриньяра с карбонильной группой представляет собой восстановительный процесс, поскольку образование новой С–С-связи приводит к превращению карбонильной группы в спиртовую:
Если в этой реакции R означает атом водорода, то продуктом реакции становится вторичный спирт, а взаимодействие с реактивом Гриньяра кетона (R означает органический остаток) приводит к третичному спирту.
Литийорганические соединения реагируют с кетонами так же, как и магнийорганические соединения. Однако они более реакционноспособны, что позволяет использовать их в тех случаях, когда реактивы Гриньяра с кетонами не реагируют. В соответствии с этим реакции по карбонильным группам стерически затруднённых кетонов лучше проводить с литийорганическими соединениями. Так, например, для получения триизопропилкарбинола проводят взаимодействие диизопропилкетона с изопропиллитием:
Действие реактивов Гриньяра на сложные эфиры (в приведенном выше общем уравнении R означает алкоксильную группу) также приводит к образованию третичных спиртов, поскольку образующиеся в результате первичного присоединения магнийорганического соединения аддукты разлагаются на алкоголят и кетон:
Только с эфирами муравьиной кислоты реакцию можно остановить на первой стадии. В соответствии с этим гидролиз продуктов присоединения реактивов Гриньяра к формиатам приводит к альдегидам:
Гладко реагируют с реактивами Гриньяра ортоэфиры карбоновых кислот, например:
Образующиеся при этом кетали можно перевести в кетоны действием водных растворов сильных кислот. Понятно, что взаимодействие реактивов Гриньяра с триэтилортоформиатом можно использовать для получения альдегидов. Так, например, из полученного на основе 2-бромтиофена магнийорганического соединения и триэтилортоформиата получают 2‑формилтиофен:
С очень низкой скоростью идёт взаимодействие реактивов Гриньяра с нитрилами. При длительном кипячении в эфире или при нагревании в растворителях с более высокой температурой кипения в этой реакции образуются соли кетиминов, гидролиз которых приводит к кетонам:
При пониженных температурах и при интенсивном перемешивании проводят реакцию реактивов Гриньяра с диоксидом углерода, протекающую с образованием солей соответствующих карбоновых кислот:
Поддерживая температуру от 10 до –10 °С пропускают диоксид углерода над эфирным раствором реактива Гриньяра для того, чтобы осадок образующей соли карбоновой кислоты не забивал трубку для подачи СО2. Можно также приливать раствор магнийорганического соединения к измельченной твёрдой углекислоте. Для протекания реакции с некоторыми магнийорганическими соединениями, полученными из третичных галогенидов, требуется повышенное давление СО2.
Реактивы Гриньяра реагируют с алкиленоксидами с раскрытием оксиранового цикла, например:
В результате реакции с этиленоксидом образуется первичный спирт, с увеличенной на две метиленовых группы углеводородной цепью. При взаимодействии с замещёнными оксиранами органический остаток в составе реактива Гриньяра присоединяется к наименее стерически затрудненному атому углерода, например:
По аналогичной схеме реагируют с магнийорганическими соединениями оксетаны. Продуктами реакции становятся спирты с углеводородной цепью, удлиненной на три атома углерода:
Прибавление реактива Гриньяра к раствору оксетана в эфире сопровождается незначительным разогреванием реакционной массы и для завершения реакции её нагревают ещё около 1 часа.
Желательно проводить разложение реакционной массы, образовавшейся из реактива Гриньяра и карбонильного соединения или оксирана, выливая её небольшими порциями в интенсивно перемешиваемую смесь разбавленной соляной или серной кислоты со льдом. Если реакционная масса содержит соединения, чувствительные к действию кислот, разложение проводят раствором хлорида аммония. В случае прибавления раствора кислоты к реакционной массе с образовавшимся алкоголятом следует принимать во внимание, что первые порции водного раствора кислоты полностью реагируют с ним с образованием спирта хлорида и гидроксида магния. Это означает, что практически весь экзотермический эффект реакции разложения реализуется в самом начале переработки реакционной массы.