Hợp chất hữu cơ magie (Organomagnesium compounds/Grignard reagents)

• $R$ là một gốc hữu cơ (alkyl hoặc aryl).
• $X$ là một halogen (thường là Cl, Br, I).

Ví dụ: $CH_3MgBr$ (methylmagnesium bromide), $C_6H_5MgCl$ (phenylmagnesium chloride).

Điều chế

Thuốc thử Grignard được điều chế bằng phản ứng giữa magie kim loại với một dẫn xuất halogen hữu cơ trong môi trường ether khan. Sự hiện diện của ether là cần thiết để solvat hóa thuốc thử Grignard, ổn định hợp chất này và ngăn ngừa phản ứng Wurtz (phản ứng tạo thành liên kết C-C từ hai phân tử halogenua alkyl). Một số ether thường được sử dụng bao gồm diethyl ether, tetrahydrofuran (THF) và 2-methyltetrahydrofuran (2-MeTHF).

Phương trình tổng quát:

$R-X + Mg \xrightarrow{\text{ether khan}} R-Mg-X$

Ví dụ:

$CH_3Br + Mg \xrightarrow{\text{ether khan}} CH_3MgBr$

Tính chất

• Tính bazơ mạnh: Thuốc thử Grignard là bazơ rất mạnh, phản ứng mạnh liệt với các chất có tính axit như nước, rượu, amin,… Phản ứng này giải phóng alkane tương ứng và tạo thành muối magie.

$RMgX + H_2O \rightarrow R-H + Mg(OH)X$

Chính vì tính bazơ mạnh này mà môi trường phản ứng phải khan tuyệt đối để tránh thuốc thử Grignard bị phân hủy.

• Tính nucleophin mạnh: Do mang điện tích âm phần, cacbon trong thuốc thử Grignard có tính nucleophin mạnh, dễ dàng tấn công vào các trung tâm electrophin (như cacbon trong nhóm carbonyl). Đây là tính chất quan trọng nhất, làm cho thuốc thử Grignard trở thành một trong những thuốc thử hữu cơ quan trọng nhất trong tổng hợp hữu cơ.

Ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ

Thuốc thử Grignard được sử dụng rộng rãi trong tổng hợp hữu cơ để tạo liên kết C-C mới. Một số phản ứng điển hình:

• Phản ứng với aldehyde và ketone: Tạo thành rượu bậc 1, bậc 2 hoặc bậc 3.

$RMgX + R’CHO \rightarrow RCH(R’)OMgX \xrightarrow{H_3O^+} RCH(R’)OH$

$RMgX + R’COR” \rightarrow RR’C(R”)OMgX \xrightarrow{H_3O^+} RR’C(R”)OH$

• Phản ứng với $CO_2$: Tạo thành axit cacboxylic.

$RMgX + CO_2 \rightarrow RCOOMgX \xrightarrow{H_3O^+} RCOOH$

• Phản ứng với este: Tạo thành rượu bậc 3. Lưu ý rằng phản ứng này thường sử dụng hai đương lượng thuốc thử Grignard.

$2RMgX + R’COOR” \rightarrow R_2C(R’)OMgX \xrightarrow{H_3O^+} R_2C(R’)OH$

• Phản ứng với nitrile: Tạo thành ketone.

$RMgX + R’CN \rightarrow RC(=NMgX)R’ \xrightarrow{H_3O^+} RCOR’$

Lưu ý khi sử dụng

• Phải được điều chế và sử dụng trong môi trường khan tuyệt đối: Do tính bazơ mạnh, thuốc thử Grignard phản ứng mãnh liệt với nước.
• Phản ứng tỏa nhiều nhiệt: Cần kiểm soát nhiệt độ phản ứng để tránh phản ứng xảy ra quá nhanh và khó kiểm soát. Có thể thêm thuốc thử Grignard từ từ vào dung dịch cơ chất để kiểm soát nhiệt độ.

Tóm lại, hợp chất hữu cơ magie, đặc biệt là thuốc thử Grignard, là những chất quan trọng trong hóa hữu cơ, đóng vai trò then chốt trong việc hình thành liên kết C-C và tổng hợp nhiều loại hợp chất hữu cơ khác nhau. Tính bazơ và nucleophin mạnh của chúng là yếu tố quyết định cho sự đa dạng trong ứng dụng của thuốc thử Grignard.

Cơ chế phản ứng

Thuốc thử Grignard phản ứng theo cơ chế cộng nucleophin. Nguyên tử cacbon mang một phần điện tích âm hoạt động như một nucleophin tấn công vào nguyên tử cacbon mang một phần điện tích dương của nhóm carbonyl (trong aldehyde, ketone, este…) hoặc cacbon của $CO_2$. Ví dụ, phản ứng với aldehyde:

1. $R^{\delta-}-MgX^{\delta+} + R’CHO \rightarrow R-C(R’)(OMgX)H$

   Trong đó, $R^{\delta-}$ tấn công vào cacbon của nhóm carbonyl.

2. $R-C(R’)(OMgX)H + H_3O^+ \rightarrow R-CH(R’)OH + Mg(OH)X$

   Giai đoạn này là quá trình thủy phân muối magie tạo thành rượu.

Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Grignard

• Bản chất của halogen: Thuốc thử Grignard với I phản ứng nhanh hơn Br, nhanh hơn Cl.
• Bản chất của gốc R: Gốc alkyl phản ứng nhanh hơn gốc aryl. Gốc alkyl bậc ba phản ứng chậm hơn gốc alkyl bậc hai và bậc một do hiệu ứng không gian.
• Dung môi: Phải sử dụng dung môi ether khan. Các dung môi protic như nước hay rượu sẽ phản ứng với thuốc thử Grignard.
• Nhiệt độ: Phản ứng thường được thực hiện ở nhiệt độ phòng hoặc nhiệt độ thấp hơn để kiểm soát tốc độ phản ứng.

Một số phản ứng khác

Ngoài các phản ứng đã nêu, thuốc thử Grignard còn tham gia vào nhiều phản ứng khác như:

• Phản ứng với epoxide: Tạo thành rượu.
• Phản ứng với các hợp chất chứa nhóm $Si-Cl$, $P-Cl$: Tạo thành liên kết $Si-C$, $P-C$.
• Phản ứng ghép đôi với các halide kim loại chuyển tiếp: Tạo thành liên kết C-C.

An toàn khi làm việc với thuốc thử Grignard

• Tính dễ cháy: Các dung môi ether rất dễ cháy. Cần tránh xa nguồn lửa và tia lửa.
• Phản ứng mạnh với nước: Phản ứng với nước tạo ra khí dễ cháy (alkane). Cần đảm bảo môi trường phản ứng hoàn toàn khan.
• Tính ăn mòn: Thuốc thử Grignard có thể gây kích ứng da và mắt. Cần sử dụng găng tay, kính bảo hộ và làm việc trong tủ hút.

• Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. (2001). Organic Chemistry. Oxford University Press.
• Smith, M. B.; March, J. (2007). March’s Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms, and Structure. John Wiley & Sons.
• Vollhardt, K. P. C.; Schore, N. E. (2018). Organic Chemistry: Structure and Function. W. H. Freeman and Company.

Câu hỏi và Giải đáp

Tại sao phải sử dụng dung môi ether khan trong phản ứng Grignard?

Vì thuốc thử Grignard ($RMgX$) là bazơ rất mạnh, nó phản ứng mạnh với nước và các dung môi protic khác như rượu. Phản ứng này sẽ phá hủy thuốc thử Grignard và tạo thành alkane ($RH$). Dung môi ether khan không chứa nước và không có tính axit, do đó nó không phản ứng với thuốc thử Grignard, cho phép phản ứng mong muốn diễn ra.

So sánh khả năng phản ứng của $CH_3MgCl$, $CH_3MgBr$ và $CH_3MgI$ trong phản ứng với acetone ($CH_3COCH_3$)?

Khả năng phản ứng của thuốc thử Grignard phụ thuộc vào độ phân cực của liên kết $C-Mg$. Liên kết $C-Mg$ càng phân cực, tính nucleophin của cacbon càng mạnh. Độ âm điện của các halogen giảm dần theo thứ tự $Cl > Br > I$. Do đó, liên kết $C-Mg$ trong $CH_3MgI$ phân cực mạnh nhất, $CH_3MgI$ sẽ phản ứng nhanh nhất với acetone. Thứ tự khả năng phản ứng là $CH_3MgI > CH_3MgBr > CH_3MgCl$.

Sản phẩm chính tạo thành khi cho phenylmagnesium bromide ($C_6H_5MgBr$) phản ứng với formaldehyde ($HCHO$) là gì?

Phản ứng của thuốc thử Grignard với aldehyde tạo thành rượu. Trong trường hợp này, phenylmagnesium bromide ($C_6H_5MgBr$) phản ứng với formaldehyde ($HCHO$) sẽ tạo thành benzyl alcohol ($C_6H_5CH_2OH$) sau khi thủy phân.

$C_6H_5MgBr + HCHO \rightarrow C_6H_5CH_2OMgBr \xrightarrow{H_3O^+} C_6H_5CH_2OH$

Ngoài aldehyde và ketone, thuốc thử Grignard còn phản ứng với những loại hợp chất nào khác? Cho ví dụ.

Thuốc thử Grignard còn phản ứng với nhiều loại hợp chất khác, bao gồm:

• Este: Tạo thành rượu bậc ba. Ví dụ: $CH_3MgBr + CH_3COOCH_3 \rightarrow (CH_3)_3COMgBr \xrightarrow{H_3O^+} (CH_3)_3COH$
• Cacbon đioxit ($CO_2$): Tạo thành axit cacboxylic. Ví dụ: $CH_3MgBr + CO_2 \rightarrow CH_3COOMgBr \xrightarrow{H_3O^+} CH_3COOH$
• Epoxide: Tạo thành rượu.
• Nitrile: Tạo thành ketone.

Tại sao phản ứng Grignard thường được thực hiện ở nhiệt độ thấp?

Phản ứng Grignard thường tỏa nhiệt mạnh. Thực hiện phản ứng ở nhiệt độ thấp giúp kiểm soát tốc độ phản ứng, tránh phản ứng phụ và tăng hiệu suất tạo sản phẩm mong muốn. Ngoài ra, nhiệt độ thấp cũng giúp hạn chế sự bay hơi của dung môi ether.