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格氏反应

格氏试剂 Grignard reagent 一种金属有机化合物,通式RMgX(R代表烃基,X代表卤素)。1901年由F.-A.V.格利雅首次使用卤代烃RX与镁在醚类溶液中反应制得。又称格利雅试剂。格氏试剂广泛用于有机合成中,从RMgX可以制得RH、RCOOH、RCHO、RCH2OH、ROH、CROHRR′、CRR′O和RnM(n为金属的化合价,M为其他金属)。在合适的情况下,RMgX还能与α、β-不饱和羰基化合物发生共轭的加成反应。 格氏试剂在醚的稀溶液中以单体形式存在,并与两分子醚络合,浓溶液中以二聚体存在。

卤代烃在无水乙醚或THF中和金属镁作用生成烷基卤化镁RMgX,这种有机镁化合物被称作格氏试剂(Grignard Reagent)。格氏试剂可以与醛、酮等化合物发生加成反应,经水解后生成醇,这类反应被称作格氏反应(Grignard Reaction)。格氏试剂是有机合成中应用最为广泛的试剂之一,它是由法国化学家格林尼亚(V.Grignard)发明的。

1871年,格林尼亚生于法国塞堡(Cherbourg Frace)。当他在里昂(Lyons)大学学习时,曾师从巴比亚(P.A.Barbier)教授。当时,巴比亚主要从事有机锌化合物的研究,他以锌和碘甲烷反应得到二甲基锌,这种有机锌化合物被用作甲基化试剂。后来,巴比亚又以金属镁替代锌来进行尝试,也获得相似的金属有机化合物,不过反应条件比较苛刻。于是。巴比亚便让格林那继续对有机镁化合物的制备作深入研究。研究发现,用碘甲烷和金属镁在乙醚介质中反应可以方便地得到新的化合物,不经分离而直接加入醛或酮就会发生进一步反应,反应产物经水解后可以得到相应的醇。

后来的研究表明,烷基卤化镁(即格氏试剂)可以用于许多反应,应用范围极广,因而很快成为有机合成中最常用的试剂之一。

格氏试剂的发明极大地促进了有机合成的发展,格林尼亚因此而获得1912年诺贝尔化学奖。

通常,各种卤代烃和镁反应都可以生成格氏试剂。不过,不同的卤代烃与镁反应活性有差异。一般来讲,当烷基相同时,碘代烷最易反应,氟代烃活性最差RI > RBr > RCI >> RF

实际上还没有人用氟代烃制格氏试剂。

当卤素原子不变时,苄基卤代烃和烯丙基卤代烃活性最高,乙烯基卤代烃活性最低:

ArCH2X、CH2=CHCH2X >3 o RX > 2 o RX >1 o RX > CH2=CHX

格氏试剂对水十分敏感,其次为CO2,最后为O2。事实上,凡是具有活泼氢的化合物都可以和格氏试剂反应,例如醇、末端炔烃、伯胺及羧酸等。因此,在制备格氏试剂时,应该使用无水试剂和干燥的仪器。

格氏试剂与空气中的氧气会发生反应的方程式如下:

2 RMgX + O2 == 2 ROMgX

不过,在以乙醚作溶剂的格氏反应中,由于乙醚的蒸气压较大,反应液被乙醚气氛所包围,因而空气中的CO2和O2气体对反应的影响不明显。

⑴ 无水乙醚的制备

检测过氧化物的方法:取5mL左右待处理的乙醚,加入等体积2%碘化钾溶液并滴入几滴稀盐酸,振摇后若使淀粉溶液呈紫色,即表明乙醚中含有过氧化物(也可用淀粉碘化钾试纸检验;或者用5mL乙醚加1mL 10%碘化钾溶液,振摇1min后如有过氧化物则放出游离碘,水层则呈黄色,再加4滴0.5%淀粉液后,水层呈蓝色则表示乙醚中有过氧化物)。

检测水分的方法:在1mL乙醚溶液里加入约0.1g硫酸铜粉末,振荡后若硫酸铜粉末变成蓝色则表示有水存在,或者采用卡尔菲休法直接检测含水量,或者加入约3-4片二苯甲酮试剂,乙醚颜色变为漂亮的蓝色说明没有水存在,检其含水量应≤0.06%时就能符合发生格氏反应的要求了。

去除过氧化物的方法:将乙醚转入分液漏斗,加入相当于乙醚体积1/5的新配的FeSO4溶液(硫酸亚铁溶液的制备:取100 mL水,慢慢加入6 mL浓硫酸,再加入60 g硫酸亚铁溶解),剧烈振摇,静置分层,除去水相。然后,将除去过氧化物的乙醚分馏两次(不论何时都不要将乙醚蒸干),每次都收集33℃~37℃馏分。

去除水份的方法:先用无水氯化钙干燥(一般情况下,只要加入足量的CaCl2后放置3、4天,过滤后就可以直接使用了),再压入钠丝过夜,盖上带有毛细管的瓶盖,以便让产生的氢气逸出。当压入的钠丝表面仍具有光泽或溶剂中不再冒泡,表明溶剂可以用于格氏反应。

乙醚须保存在棕色玻璃瓶中。除去过氧化物的乙醚久置后仍然会产生过氧化物,而且乙醚很容易吸收空气中的水分。因此,处理后的乙醚应及早使用,不可久置。

⑵ 无水THF的准备

THF的水份越低越好,一般要在500ppm以下。工业生产中买回德国进口的THF一般不用干燥的,因为水份都在200 ppm以下约100 ppm左右。或者买回工业级的THF用4A分子筛干燥24~48h(使用之前,最好在300~400℃烘烤3小时活化后,在干燥器里冷却后直接放入要干燥的溶剂里),加入二苯甲酮作为指示剂,液体颜色变蓝时说明干燥好了。

把镁带表面的氧化膜用砂纸磨去,用剪刀把镁带剪碎成屑状,再用10%的盐酸加热镁屑至所有镁屑表面为亮白色,并回流0.5h以彻底清洗去除表面的氧化膜。再用10%的盐酸加入适量到镁屑中搅拌,立即减压抽滤,用丙酮冲洗镁屑,65摄氏度下真空干燥3h左右,N2保护下保存备用。

关键是无水无氧操作。

N2保护的250mL四口烧瓶上,配置干燥洁净的搅拌器、恒压滴液漏斗和带有CaCl2和无水NaHCO3干燥管的回流冷凝管。向四口烧瓶中置入29.2g(1.2mo1)镁屑,用20mL?无水乙醚浸没(所用仪器均需干燥,溶剂和试剂都必须经过干燥处理)。

搅拌下,先滴入约占总量10%的卤代烃乙醚溶液(由0.1mol卤代烃和适量无水乙醚配制而成)。如果反应液呈现混浊状并且温度上升,表明反应已经引发成功。如果没有产生上述现象,则需要加入1~2小粒碘晶,并用电吹风微微加热至回流(可用热水浴加热,切不可用明火加热)碘的颜色开始渐渐消褪,溶液变混浊,反应即开始,迅速撤去加热源。将余下的卤代烃乙醚溶液滴 应瓶中,滴速以维持反应液平稳沸腾为宜。此时要剧烈搅拌,这样可冲刷掉在镁表面形成的粘稠的格氏试剂,使镁能和新鲜的卤化物接触良好顺利反应。反应引发成功后滴加的速度不能太快,约1滴 / 2秒。此时应控制反应温度,不能太高,用手背感觉其反应瓶壁的温度稍稍有些烫手即可。

滴毕,再用小火加热回流约半小时使反应完全,即得格氏试剂乙醚溶液(空气中的氧会与格氏试剂发生缓慢的氧化,格氏试剂的乙醚溶液在暗室里会发出美丽的光,就是这个缘故。因此格氏试剂不可久置,通常随制随用),其反应完成后颜色是发灰黑色的。若滴完以后烧瓶内仍有大量镁屑没反应完,可再加热回流1~2小时。

底物结构对格氏反映的影响

格氏制备活性基本上是I > Br > Cl >> F,但因碘化物的价格较贵,所以生产上能选用Cl、Br的原料制备就尽量选用Cl、Br原料,尽量不要用碘化物。引发剂可以选择Br取代的物料,这样我们引发剂的用量可以适当的增加,使反应能更顺利的进行,而不会影响引发剂的残留在产品中产生杂质。

用溴苯做格氏反应则非常容易,用THF回流,引发剂都不用加,还需要防止反应过快而冲料。

如果原料活性太强,则可控制反应温度在0~20℃之间。

但是,氯苯用同样的方法就实现不了。用氯代烃做底物时,因其活性较低,所以比较难引发,需回流了半个小时以上才能引发成功。一般做法是直接与镁粉回流数小时,同时还要加入硝酸盐或硝基物催化,不加THF或Et2O。

当使用芳环上含有带氟取代基的多卤代芳烃来制备格氏试剂时,芳基上的氟只要不在溴(或氯)的邻位,格氏试剂的制备是没问题的,直接用镁和原料在溶剂中制备即可,很容易引发。只要格氏试剂的浓度不是很高的话,基本就没有什么副产。而且,氟原子的存在会使格氏试剂的制备更容易,用THF或者乙醚做溶剂都可以,即使在回流温度下,氟原子也不会发生变化,收率也很高,3、4、5-三氟溴苯的格氏试剂都没问题。

有一本外文书专门介绍格氏试剂(?Organomagnesium methods in organic synthesis)的,其中有几章,好像温度偏低一点(-30℃)就能抑制芳香环上溴的格氏化反应。所以要想不发生氟上的反应,温度不能高,只要溴原子的部位发生格氏反应能进行就可以了。溶剂中好像提到要添加N-甲基吗啉,更能选择性格氏化反应。

镁的用量和细度对格氏反应的影响

⑴ 镁的用量对格氏反应的影响

关于镁的量有很多种说法:有的说镁应大大过量,与底物的摩尔比达3.7:1,这样可以防止生成的格氏试剂和原料发生偶联反应。但更多资料上说镁的用量为与底物的摩尔数相等或稍过量一些(与底物的摩尔比为1.1:1),反应完全则镁全部溶解。

⑵ 镁的细度对格氏反应的影响

可以根据原料的反应活性来确定镁的细度。如果底物活性低,那么镁应剪碎点来增大表面积,因为格氏反应是在镁表面上进行的。

水分对格氏反应的影响

水分(或是活泼质子)的影响是关键,也就是对原辅料的质量控制和设备的干燥处理要求较高。在投料前没有将这些准备措施做好将直接影响反应的进行,特别是反应的引发。即使本来是已经引发好了的,但是当滴加水分较高的原料后,由于水分(或是活泼质子)的影响也会将反应盖灭了。如果是由于水分的影响使反应不能正常进行的,现象会由溶液正常的灰黑色变成白色(或乳白色)浑浊状。此时需十分注意,应加入较多的引发剂来保证接续的操作不会被阻断。

引发剂的种类和用量对格氏反应的影响

如果反应能自行引发,就不用加引发剂。

引发剂可以用碘甲烷、碘和1,2-二溴乙烷,其中碘甲烷的效果要比碘好一点。当某些底物不容易引发时,可以考虑加入少量1,2-二溴乙烷,也可用以前做成功的格氏试剂来引发。

若选用乙醚做溶剂,引发时,室温下先加少量的溴苯后启动搅拌,如果温度升高或有回流,则说明反应已经引发成功了,这时不用碘也可以。

引发剂不要加多,加多了副产物会变多,小试的时候加一两粒碘就可以了。

反应体系引发成功的现象是:取少量样品出来,加碘立即退色就说明已经引发成功了,或滴加反应液时有气泡、有放热也能说明已引发成功。

如果反应引发不了,应从以下几个方面查找原因:

⑴溶剂、原料的含水量是否≤0.06%;

⑵ 镁是否已经有氧化现象;

镁屑表面要发亮,说明没有氧化膜,而且比表面积越大越好,也就是表面越毛越好。如果为了保险,也为了偷懒,有机化学网首页有介绍利用红铝用来引发格式反应,它能将镁表面氧化膜去除,还能去除溶剂中没处理好的水分,从而非常好的引发反应,但价格有点贵,可用来引发量小、不太涉及成本的格氏反应。

应从以下几个方面解决问题:

⑴ 原料脱水;

⑵ 用新鲜的镁;

⑶ 再补加少量1,2-二溴乙烷后适当升温至微微回流;

⑷ 用上次制好的格氏试剂或者小样做一点格氏试剂也可以作为这次投料的引发剂。补加适量上次成功引发的格氏液,回流半小时后加进去。

溶剂的种类的选择和用量的影响

⑴ 溶剂的种类的选择对格氏反应的影响

一般会选择绝对乙醚、无水THF和无水甲基THF这三种溶剂。

通常选用绝对乙醚作溶剂。这是由于乙醚分子中的氧原子具有孤对电子,它可以和格氏试剂形成可溶于溶剂的配合物。若使用其他溶剂,如烷烃,反应生成物则会因不溶于溶剂而覆盖在金属镁表面上,从而使格氏反应终止。空气中的O2和CO2气体对反应的影响不明显。

除了乙醚外,THF也是进行格氏反应的良好溶剂。尤其是当某些卤代烃如氯乙烯、氯苯等,在乙醚中难以和镁反应,此时如果以四氢呋喃替代乙醚作溶剂,则可以顺利地发生反应。由于四氢呋喃的沸点(66℃)比乙醚(34.6℃)高一些,因而以THF作溶剂进行格氏反应比用乙醚要安全一些。

芳香族卤化物一般选用THF做溶剂。因为它们在乙醚的沸点时候一般不能引发,需要升高反应温度才行。而用烷基卤化物做格氏反应时一般用乙醚做溶剂,因为它们在较低温度下就可以引发。THF处理没有乙醚方便,吸水厉害,价格也高。用溴甲烷做格氏反应时,曾经有人在做2-甲基-2-金刚烷醇的时候做过,比较好做,低温下5~10℃就可以了。

在绝大部分格氏反应中溶剂甲基THF和THF是通用的。由于甲基THF的沸点(80℃)比THF的沸点(66℃)高,这样就可以提高反应速度。另外格氏试剂在甲基THF中的溶解度也较大,而甲基THF在水中的溶解度比THF低,因此可以更容易地将格利雅反应产物独立地包含在其中。甲基THF的另一个重要优点是有更清晰的分相能力,通常使用THF置换甲苯时出现的乳浊液层或者混合层在换用甲基THF后就可以避免此现象的发生。回收干燥的甲基THF也比回收THF更容易,甲基THF价格还跟THF差不多,使得它比THF比有很多明显的优点,可能做格式反应效果会更好。

我们应根据卤代物的活性来调整反应温度、溶剂用量,或更换溶剂的种类。如果底物中有苄基就很活泼容易自偶连的话,则需要用大量乙醚稀释来减少副反应。

⑵ 溶剂的用量对格氏反应的影响

一般在引发时底物可被溶剂稀释10~20倍左右。

反应温度对格氏反应的影响

温度对于引发非常重要。如果引发不成功,可稍稍加热,但温度不能过高,否则会发生偶联反应。

反应温度应保持在微微回流温度。如果温度较高,则易发生偶联反应生成副产;温度太低,则反应时间变长且反应不彻底。

引发时溶液不能过浓,否则易发生偶联反应。

应仔细观察实验现象的变化,如反应温度和体系颜色的改变等。如确定反应已引发成功,一般开始时是不加热的,否则会因反应剧烈有冲料的危险。

如果由于操作失误已经加入过多的物料,引发后放热十分剧烈,则因时刻关注釜内的反应情况和温度变化、回流流量的情况等,及时开冷却水降温,这样可适当减少冲料的几率。

有时,在不引起操作人员注意的时候,等滴加液累积到一定的量后,一旦引发再次进行,将急剧反应放出大量的热,轻则冲料引起物料损失,重则发生爆炸事故。

在大量滴加反应液前,必须十分肯定反应已经引发,并且能顺利将加下去的反应液反应掉。否则既便不是很确定,就不能进行连续滴加操作,而且在不确定时累积滴加的量最多不能超过总量的10%。

滴加反应液的速度以保证反应体系有微微回流的现象为宜,一般控制在1滴 / 2秒左右。如果滴加速度过快,则回流现象明显,温度升高,此时容易发生偶联副反应。

为了减少格氏反应中的偶联副反应,通过控制好滴加速度来控制反应温度是关键。另外还应该把溶剂量控制在底物的10倍左右,n底物:n镁控制在1:1.1左右。

如果生成的格氏试剂马上要接着做下步反应,而剩余少量镁,则可以用针筒把反应液转移到另一反应瓶中去继续反应。

格氏制备好后都要求过滤除去未反应的镁屑,这个镁屑处理起来很麻烦,最好还是投回去做格氏反应,它的表面已经被活化了,更容易引发反应。

多余不要的格氏试剂用饱和氯化铵溶液猝灭,要在冰水浴下慢慢滴加进去,一下子加进去反应会很剧烈。如果量少的话,一般用5%的盐酸来猝灭就可以了。

投料时,原料的管道跟溶剂的管道应分开,否则会把在管道中的死体积的原料量带入反应锅中,投料完了,一开搅拌就冲料了。

投料时一定注意镁是否已加,数量是否准确,不然反应到镁消耗完了就停止反应了,这时一定不能补加镁,不然就冲料了。应该从上锅口将锅内的液体吸出到干燥的锅中,再加镁,溶剂,将吸出的液体滴加进去。不能从下口放料是因为锅底阀中会有一些镁没有被搅拌出来,放料时会被带出立即跟原料反应,造成冲料。

现代的THF价格吓人,加苯,甲苯替代一部分的THF,但会影响有些格氏试剂的溶解度,可加六甲基磷酰三胺助溶。还可以在格氏反应完后先蒸出一部分溶剂后再水解,一定不能蒸干。蒸出的溶剂最好是放在稀释原料中使用,不要放入格氏锅中,如蒸出的溶剂中有与格氏试剂反应的杂质,那就不能直接用了,需要处理。另这几天看到甲基THF,介绍不错,沸点高,格氏试剂的溶解度大,在水中的溶解度小,水解后分层清楚,回收容易,价格跟THF差不多,如果真是的话,那是做格氏的福音了。

格式反应过程中的监控

加显示温度计,观察回流速度来调节滴加的速度,上面的问题都注意的话一般在这里不太会出现什么问题了。有的工厂滴加非常快,是边冷却边滴加的,很牛,常人不敢这么做。我听国外的工厂是温度与滴加联动装置,温度是波浪性型的,滴加是断续的,滴加后等温度升高后降了再滴加的,哪个步骤没升温或温度高到某个设定值就报警了。

转移格氏液时应注意的问题:

转移格氏液可用虹吸法。一锅内干燥密闭抽真空后,关闭真空阀,将格氏锅中的上层清液吸过来。这样的好处是溶剂损失少,下锅格氏反应也不用再引发了,直接加溶剂,镁,滴加就可。下一步是滴加格氏液的话,可做上下层平台,上层的格氏锅底阀上升入锅底一节管,管上口封了钻眼,反正滴加格氏液的速度不用太快的。

一锅中加二甘醇,NaOH,加热减压蒸水,至顶温到90℃,算一下溶剂中的水分量与加的NaOH量确定加多少溶剂。回流几小时,蒸出,水分基本在0.2%以下的,锅内的二甘醇再蒸水循环使用。回收的溶剂中有与格氏反应的杂质的话,要把它处理掉。

加无水溶剂,冷却,滴加猝灭剂。


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