Grignard-Verbindungen: Herstellung und Protolyse
Wie Grignard-Verbindungen aus Halogeniden und Magnesium entstehen und warum Verbindungen mit aktivem H-Atom sie zum Kohlenwasserstoff protonieren, statt mit ihnen eine C-C-Bindung zu bilden.
Das Wichtigste in Kürze
- Eine Grignard-Verbindung \(\ce{R-MgX}\) entsteht aus einem Alkyl-, Allyl- oder Arylhalogenid und Magnesium über Radikale an der Metalloberfläche, nicht über ein Arin.
- Diethylether und THF sind inert und stabilisieren das Reagenz, indem ihr Sauerstoff am Magnesium koordiniert.
- Verbindungen mit aktivem H (OH, NH, acides CH) protonieren Grignard-Verbindungen irreversibel zum Kohlenwasserstoff: \(\ce{CH3MgX}\) liefert Methan, \(\ce{C6H5MgBr}\) Benzen.
- Die Protolyse ist schneller als die Carbonyladdition: Bei 4-Hydroxybutan-2-on addiert erst das zweite Äquivalent und liefert 3-Methylbutan-1,3-diol.
- Carbonsäuren werden nur zum Carboxylat deprotoniert und liefern kein Keton und keinen Alkohol.
- Das freigesetzte Methan ergibt die Zahl aktiver H: \(V = n \cdot z \cdot 22{,}4\ \mathrm{L/mol}\), für Valsartan ist \(z = 2\).
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Worum es geht
Grignard-Verbindungen sind Organomagnesiumhalogenide und gehören zu den wichtigsten C-Nucleophilen der Synthesechemie. Ihr carbanionartiges C-Atom ist zugleich eine extrem starke Base. Vor jeder Grignard-Reaktion prüft man deshalb, ob ein Molekül acide H-Atome trägt, die das Reagenz einfach protonieren.
Herstellung
Eine Grignard-Verbindung entsteht, wenn ein organisches Halogenid mit Magnesiumspänen in trockenem Diethylether reagiert. Formal schiebt sich das Metall in die C-X-Bindung ein:
\[\ce{C6H5Br + Mg ->[Et2O] C6H5MgBr}\]
Brombenzol liefert so Phenylmagnesiumbromid, Iodmethan entsprechend Methylmagnesiumiodid. Mit diesen Reagenzien knüpft man später neue C-C-Bindungen.
Organomagnesiumhalogenid \(\ce{R-MgX}\) mit R = Alkyl, Allyl oder Aryl und X = Cl, Br, I. Die stark polare C-Mg-Bindung macht das C-Atom zum Carbanion-Äquivalent: nucleophil und stark basisch.
Die Metall-Kohlenstoff-Bindung selbst ist bei den Organolithium-Verbindungen erklärt. Als Edukte eignen sich:
- primäre und sekundäre Alkylbromide wie Ethylbromid, 1-Brombutan und 2-Brombutan
- Chlorethan und Iodmethan
- Allylhalogenide wie Allylbromid
- Arylbromide und Aryliodide wie Brombenzol und Iodbenzol
Mechanismus an der Metalloberfläche
Die Bildung verläuft über Radikale direkt an der Magnesiumoberfläche.
- Elektronenübertragung: Magnesium gibt ein Elektron an Brombenzol ab. Es entsteht ein Radikalanion.
- Zerfall: Das Radikalanion spaltet Bromid ab und wird zum Phenylradikal.
- Rekombination: Das Phenylradikal verbindet sich an der Oberfläche mit \(\ce{MgBr}\) zu \(\ce{C6H5MgBr}\).
Koppeln zwei Radikale miteinander, entsteht als Nebenprodukt das Dimer (Wurtz-Kupplung, hier Biphenyl).
Das Magnesium sitzt am Ende genau dort, wo vorher das Halogen stand. Ein Arin tritt dabei nicht auf. Arine entstehen erst, wenn sehr starke Basen wie \(\ce{NaNH2}\) HBr aus dem Halogenaren eliminieren, und liefern dann oft Gemische von Stellungsisomeren.
Etherische Lösungsmittel
Grignard-Verbindungen stellt man in Diethylether oder Tetrahydrofuran (THF) her und setzt sie darin um. Beide Ether sind gegenüber dem Reagenz inert. Sie tragen kein acides H-Atom, und ihre C-O-Bindung wird nicht angegriffen.
Ether sind aber mehr als ein neutrales Medium. Die freien Elektronenpaare des Sauerstoffs koordinieren als Lewis-Base an das Magnesium, meist zwei Ethermoleküle pro Mg-Atom. Man kann sich diese Hülle wie einen Mantel vorstellen, der das Reagenz in Lösung hält und stabilisiert. THF koordiniert stärker und siedet mit 66 °C höher als Diethylether (35 °C). Mehr zur Stoffklasse steht bei den Ethern.
Wasser, Alkohole oder Essigsäure scheiden als Lösungsmittel aus. Als protische Lösungsmittel zerstören sie das Reagenz sofort durch Protonierung. Man arbeitet deshalb mit getrockneten Ethern und unter Feuchtigkeitsausschluss.
Protolyse durch acide H-Atome
Trifft eine Grignard-Verbindung auf ein Molekül mit acidem H-Atom, reagiert sie als Base statt als Nucleophil. Der organische Rest übernimmt das Proton und wird zum Kohlenwasserstoff:
\[\ce{R-MgX + H-A -> R-H + XMg-A}\]
Triebkraft ist der riesige Unterschied der Säurestärken. Methan hat einen pKs-Wert um 50. Jede deutlich stärkere Säure protoniert das Carbanion vollständig und irreversibel. Mit Methylmagnesiumhalogeniden entweicht dabei gasförmiges Methan:
\[\ce{CH3MgBr + C2H5OH -> CH4 ^ + C2H5OMgBr}\]
Ein an O oder N gebundenes oder ausreichend CH-acides H-Atom, das eine Grignard-Verbindung protoniert. Jedes aktive H-Atom setzt aus \(\ce{CH3MgX}\) genau ein Molekül Methan frei.
Mechanismus
Die Protolyse läuft über einen cyclischen Vierzentren-Übergangszustand.
- Koordination: Der Sauerstoff des Ethanols bindet an das Lewis-saure Magnesium.
- Protonübertragung: Das Methyl-C-Atom übernimmt im Ring das Hydroxy-H, gleichzeitig bricht die C-Mg-Bindung.
- Produkte: Methan entweicht, Ethoxymagnesiumbromid bleibt zurück.
Welche Verbindungen protolysieren
OH-, NH- und CH-acide Verbindungen verhalten sich gleich. Die Tabelle zeigt die wichtigsten Klassen mit ungefährem pKs-Wert.
| Klasse | Beispiele | aktives H | pKs etwa |
|---|---|---|---|
| Carbonsäuren | Essigsäure, Phenylessigsäure | COOH | 4 bis 5 |
| 1,3-Dicarbonyle | Dibenzoylmethan, Acetessigester | CH zwischen den C=O | 9 bis 11 |
| Phenole | Phenol | OH | 10 |
| Wasser, Alkohole | Methanol, Ethanol, Propan-1-ol, Propan-2-ol, 1,3-Propandiol | OH | 16 bis 18 |
| Cyclopentadien | Cyclopenta-1,3-dien | \(\ce{CH2}\) des Rings | 16 |
| Pyrrol | Pyrrol | NH | 17 |
| terminale Alkine | Acetylen, Propin, Phenylacetylen | \(\ce{C#C-H}\) | 25 |
| aromatische Amine | Anilin | \(\ce{NH2}\) | 30 |
Phenylmagnesiumbromid gibt mit Wasser, Ethanol oder Essigsäure Benzen. Methylmagnesiumbromid liefert schon mit verdünnter Säure Methan.
\[\ce{C6H5MgBr + H2O -> C6H6 + Mg(OH)Br}\]
Benzen entsteht hier durch Protolyse. Die Addition an Formaldehyd würde dagegen Benzylalkohol liefern. So gewinnt man aus Halogeniden gezielt Kohlenwasserstoffe: erst Grignard-Bildung, dann Wasser. Anilin wird nur am Stickstoff deprotoniert und bildet kein N-Alkylanilin. Acetessigester geht unter anderem in das Magnesiumenolat über.
Acides H an Strukturformeln erkennen
In einer Strukturformel sucht man H-Atome, deren Abspaltung ein stabiles Anion hinterlässt:
- H an O: Wasser, Alkohole, Phenole, Carbonsäuren
- H an N: Anilin, Pyrrol, Amide, Tetrazole
- H an sp-C: terminale Alkine (siehe Alkine)
- CH zwischen zwei Carbonylgruppen oder im Cyclopentadien, dessen Anion aromatisch ist
H-Atome an gewöhnlichen sp³-C-Atomen und am Benzolring sind zu wenig acide. Anisol und Ethyliodid tragen daher kein aktives H und setzen keinen Kohlenwasserstoff frei. Die Grundlagen liefert die CH-Acidität.
Konkurrenz zur Carbonyladdition
Die Säure-Base-Reaktion ist schneller als die Addition an eine Carbonylgruppe. Bei 4-Hydroxybutan-2-on deprotoniert das erste Äquivalent die OH-Gruppe, nicht das CH-acide α-H. Erst das zweite Äquivalent addiert an die Carbonylgruppe. Nach wässriger Aufarbeitung entsteht 3-Methylbutan-1,3-diol.
Fehlt ein acides H, gewinnt die Addition. Aceton und Acetophenon reagieren mit Methylmagnesiumbromid zum tertiären Alkohol statt zu Methan. Details zeigt die Grignard-Addition an Aldehyde und Ketone.
Grignard reagiert als Base mit OH-, NH- oder acidem CH. Produkt ist der Kohlenwasserstoff R-H ohne neue C-C-Bindung.
Grignard reagiert als Nucleophil mit Aldehyd oder Keton ohne acides H. Nach Aufarbeitung entsteht ein Alkohol mit neuer C-C-Bindung.
Die Protolyse ist ein Examensklassiker: Wasser, Alkohole, Phenol, Carbonsäuren, Anilin, Pyrrol, terminale Alkine, Cyclopentadien und 1,3-Diketone setzen aus \(\ce{CH3MgX}\) Methan frei. Prüfe an der Formel, ob ein solches H vorhanden ist, denn dann entsteht der Kohlenwasserstoff statt des Additionsprodukts.
Carbonsäuren
Carbonsäuren tragen das acideste H der ganzen Reihe. Die Grignard-Verbindung deprotoniert sie sofort zum Carboxylat und wird selbst zum Alkan:
\[\ce{C6H5COOH + CH3MgBr -> C6H5COOMgBr + CH4 ^}\]
Das Carboxylat ist ein Anion. Durch die negative Ladung ist sein Carbonyl-C-Atom kaum noch elektrophil, und ein weiteres Äquivalent addiert nicht. Auch mit überschüssigem Methylmagnesiumbromid bleibt es beim Magnesiumbenzoat, also einem Carbonsäuresalz. Saure Aufarbeitung liefert die Benzoesäure zurück.
Essigsäure verhält sich genauso. Mit Phenylmagnesiumbromid liefert sie Benzen und Magnesiumacetat, mit Methylmagnesiumiodid Methan. Phenylessigsäure setzt ebenfalls Methan frei.
Carbonsäure plus Grignard ergibt Carboxylat plus Kohlenwasserstoff. Ein Keton wie Acetophenon oder ein tertiärer Alkohol entsteht aus der freien Säure nicht.
Ketone und tertiäre Alkohole baut man stattdessen aus Nitrilen, Estern oder Säurechloriden auf. Das zeigt die Einheit Grignard-Reaktionen mit Estern, CO₂ und Nitrilen.
Bestimmung aktiver H-Atome
Jedes aktive H-Atom setzt genau ein Molekül Methan frei. Darauf beruht die Bestimmung aktiver H-Atome nach Zerewitinoff. Man setzt eine abgewogene Probe mit überschüssigem Methylmagnesiumbromid oder -iodid um und misst das entweichende Methanvolumen:
\[V(\ce{CH4}) = n_{\text{Probe}} \cdot z \cdot V_m\]
Dabei ist \(z\) die Zahl aktiver H-Atome je Molekül und \(V_m = 22{,}4\ \mathrm{L/mol}\) das molare Gasvolumen bei Normbedingungen (0 °C, 1013 hPa). Die Grundlagen stehen bei der Stöchiometrie. Ein Rechenbeispiel mit 69 mg Salicylsäure (\(M = 138\ \mathrm{g/mol}\)):
- Aktive H zählen: Salicylsäure trägt das COOH-H und das phenolische OH-H, also \(z = 2\).
- Stoffmenge: \(n = 69\ \mathrm{mg} / 138\ \mathrm{g/mol} = 0{,}5\ \mathrm{mmol}\).
- Methanmenge: \(n(\ce{CH4}) = 2 \cdot 0{,}5\ \mathrm{mmol} = 1{,}0\ \mathrm{mmol}\).
- Volumen: \(V = 1{,}0\ \mathrm{mmol} \cdot 22{,}4\ \mathrm{mL/mmol} = 22{,}4\ \mathrm{mL}\).
Auch an Arzneistoffen zählt man so. Valsartan besitzt zwei aktive H-Atome: das H der Carbonsäuregruppe und das NH des Tetrazolrings. Der Amid-Stickstoff ist tertiär und trägt kein H. 1 mmol Valsartan setzt also 2 mmol Methan frei.
Quiz
Aussage 1
Bei der Bildung von Phenylmagnesiumbromid aus Brombenzol und Magnesium tritt ein Arin als Zwischenstufe auf.
Die Bildung verläuft über Radikale an der Mg-Oberfläche, und das Metall ersetzt das Halogen an derselben Position. Arine entstehen erst durch HX-Eliminierung mit sehr starken Basen wie \(\ce{NaNH2}\).
Aussage 2
Anisol setzt aus Methylmagnesiumbromid Methan frei.
Anisol ist ein Phenolether ohne aktives H-Atom. Seine C-H-Bindungen am Methyl-C und am Benzolring sind zu wenig acide, daher entsteht kein Methan.
Aussage 3
1 mmol einer Verbindung mit drei aktiven H-Atomen setzt mit überschüssigem Methylmagnesiumbromid bei Normbedingungen 67,2 mL Methan frei.
Drei aktive H ergeben 3 mmol Methan, und \(3\ \mathrm{mmol} \cdot 22{,}4\ \mathrm{mL/mmol} = 67{,}2\ \mathrm{mL}\).
Aussage 4
Phenylmagnesiumbromid wird durch Essigsäure zu Benzen protoniert.
Das COOH-H ist stark acide. Der Phenylrest übernimmt das Proton, es entstehen Benzen und das Acetat.
Aussage 5
Benzoesäure liefert mit überschüssigem Methylmagnesiumbromid als Hauptprodukt Acetophenon.
Benzoesäure wird nur zum Carboxylat (Magnesiumbenzoat) deprotoniert, dabei entsteht Methan. Das Carboxylat-Anion addiert kein weiteres Reagenz.
Aussage 6
Bei 4-Hydroxybutan-2-on addiert bereits das erste Äquivalent Methylmagnesiumiodid an die Carbonylgruppe.
Das erste Äquivalent deprotoniert die OH-Gruppe unter Methanbildung. Erst das zweite Äquivalent addiert an die Carbonylgruppe, Produkt ist 3-Methylbutan-1,3-diol.
Aussage 7
Tetrahydrofuran reagiert nicht mit Grignard-Verbindungen und eignet sich als Lösungsmittel für sie.
THF besitzt kein acides H, ist inert und stabilisiert das Reagenz durch Koordination des Sauerstoffs am Magnesium.
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