Grignard-Reagentien

Bei der vorliegenden Internetseite handelt es sich um eine kurze Einführung in das Thema Grignard-Reagentien und um Hinweise zur Nomenklatur der Grignard- Verbindungen. Im Anschluß wird die Synthese der Reagentien im Heimlabor erklärt und es werden die wichtigsten Reaktionen der Grignard-Verbindungen gezeigt.(FL)

Eine Einführung

Die Grignard-Reagentien wurden um 1900 von Viktor Grignard entdeckt. Bei den Grignard-Reagentien handelt es sich um sogenannte metallorganische Verbindungen, also um Kohlenwasserstoffe, die Bindungen mit einem Metall eingegangen sind. Bei diesen Reagentien handelt es sich um das Metall Magnesium, das weiterhin noch mit einem Halogen verbunden sein muß. Ihre Struktur ist bis heute nicht vollständig geklärt, der Einfachheit halber einigte man sich auf die allgemeine Schreibweise RMgX. Bei R handelt es sich um einen Alkylrest, X steht für ein Halogenid, wobei am haüfigsten Brom- und Chlorverbindungen bei der organischen Synthese zum Einsatz kommen. Für die Vielseitigkeit ihrer Einsetzbarkeit ist die stark polarisierte Kohlenstoff-Magnesium Bindung verantwortlich, die den Grignard- Reagentien eine hohe Reaktionsfähigkeit verleiht. Das C-Atom besitzt eine beträchtliche negative Partialladung, die Grignard-Reagentien sind deshalb stark nucleophil, das heißt, sie greifen positiv polarisierte Atome an und führen dabei zu einer Additionsreaktion an der funktionellen Gruppe des Ausgangsstoffes. In der organischen Synthese sind Grignard-Reagentien sehr beliebt, da sie eine fast vollständige Umsetzung der Edukte zu einem vorher genau definierten Produkt garantieren. Als Grignard-Reagentien werden nur magnesiumorganische Verbindungen bezeichnet. In der Praxis ist es durchaus möglich statt des Magnesiums ein anderes Metall zu verwenden, so wurden bis heute metallorganische Verbindungen fast aller Metalle im Labor synthetisiert, allerdings sind die magnesiumorganischen Verbindungen am einfachsten zu synthetisieren und sie sind relativ preisgünstig. Ihre Herstellung ist somit auch in weniger gut ausgestatteten Laboratorien möglich, also auch im Rahmen einer Schul-Chemie-AG. Die Verbindungen sind unkompliziert aufzubewahren, da sie nicht wie viele metallorganische Verbindungen mit dem Luftsauerstoff heftig reagieren. Jedoch haben sie den Nachteil, daß sie sich aufgrund der stark polarisierten Bindungen mit der Zeit zersetzen. Deshalb sollten die Verbindungen nicht zu lange aufbewahrt werden.

Nomenklatur

Die Nomenklatur der Grignard-Reagentien ist für ihre eindeutige Identifizierung sehr wichtig. Bei ihrer Benennung wird folgendermaßen vorgegangen. Zunächst wird der Alkylrest, der an das Metall gebunden ist, identifiziert und entsprechend der IUPAC-Nomenklatur benannt. An den Namen des Alkylrestes wird der Name des gebundenen Metalls, bei Grignard-Verbindungen Magnesium, dann direkt angehängt. Nun folgt der Name des anorganischen Ions, das mit dem Metall verbunden ist. Der entsprechende Name wird in einem Wort geschrieben.

Beispiele

Synthese der Grignard-Reagentien

Die Synthese der Grignard-Reagentien ist mit geeigneten Geräten selbst im Heimlabor mit vertretbarem Aufwand durchführbar. Die Synthesen der einzelnen Reagentien sind ähnlich, egal welche Grignard-Verbindung synthetisiert werden soll. Als Ausgangsstoffe dienen Alkylhalogenide. Theoretisch ist es möglich die Synthese einer Grignard-Verbindung mit Alkylchloriden, -bromiden und -iodiden durchzuführen, jedoch sind Alkyliodide recht teuer und Alkylchloride reagieren oft träge zu Grignard-Verbindungen. Somit benutzt man meistens Alkylbromide zur Herstellung der Reagentien. Zur Synthese der Verbindungen vermischt man ein Alkylhalogenid mit einem absoluten Ether und läßt das Gemisch langsam in einen Kolben tropfen, in dem sich Magnesium in Form kleiner Magnesiumspäne für Grignard-Synthesen befindet. Das Gemisch aus Magnesium, Alkylhalogenid und Ether sollte dann mehrere Stunden mit Hilfe eines Magnetrührers gerührt werden, bis das Magnesium nicht mehr weiter mit dem Alkylhalogenid reagiert. Da die Reaktion exotherm verläuft, muß der siedende Ether mit Hilfe eines Rückflußkühlers wieder kondensiert und in den Kolben zurückgeleitet werden. Die Reaktion zieht sich über mehrere Stunden hin. Während dieser Zeit sollte ständig gerührt werden, um eine gute Vermischung der Edukte und eine schnellere Reaktion zu ermöglichen. Eine typische Apparatur für die Synthese der Grignard-Reagentien sieht folgendermaßen aus:


Die benötigten Geräte dürften in jedem Schullabor vorhanden sein. Am besten ist es, für die Synthese geschliffene Gläser zu verwenden, da die Apparatur bis auf die Öffnung am Trockenrohr luftdicht abschließen sollte.

Beispielsynthese

Als Beispielsynthese dient stellvertretend für alle Grignard-Synthesen die Synthese von Ethylmagnesiumbromid. Diese Synthese ist relativ leicht durchführbar und liefert gleichzeitig eine hohe Ausbeute an Grignard-Reagenz.

Material

10,56g Magnesiumspäne für Grignard-Synthesen, 47,52g Bromethan, 200ml trockener Diethylether, Stativ mit Stativklemmen, 500ml Zweihalskolben, Tropftrichter, Rückflußkühler, Magnetrührer, Trockenrohr gefüllt mit Glaswolle und trockenem Calciumchlorid, Glasgefäß mit Eiswasser, Stickstoffflasche, Bechergläser, Mörser mit Pistill

Durchführung

Zunächst wird die bereits oben beschriebene Apparatur aufgebaut. Der Kolben sollte vor Benutzung im Trockenschrank von seiner Restfeuchtigkeit befreit werden, um unerwünschte Nebenreaktionen zu verhindern. Die Magnesiumspäne werden mit Hilfe des Mörsers solange gerieben, bis die meisten Stückchen eine blanke Stelle aufweisen. Der Kolben wird mit den Magnesiumspänen befüllt und diese mit 40ml trockenem Diethylether überschichtet. In einem ausreichend großen Becherglas werden nun Bromethan und restlicher Ether gemischt und anschließend in den Tropftrichter eingefüllt. Der Kühler wird etwas angehoben und die Apparatur ausreichend mit Stickstoff gespült. Nach dem Wiedereinsetzen des Kühlers, wird der Magnetrührer eingeschaltet und der Tropftrichter so eingestellt, daß das Bromethan-Ether-Gemisch langsam in den Kolben tropft.
In den ersten Minuten kann es durchaus sein, daß zunächst keine Reaktion zu beobachten ist. Im Laufe der Zeit setzt jedoch die Reaktion ein und die Lösung wird zunehmend milchig. Schließlich wird sie so heftig, daß der Diethylether zu sieden beginnt und die Magnesiumspäne durch die Lösung geschleudert werden. Man sollte den Ether nicht zu heftig sieden lassen und das Eiswasser zur Steuerung der Reaktionsheftigkeit benutzen. Auf jeden Fall mit Hilfe des Kühlers für einen Rückfluß des Ethers sorgen und verhindern, daß Etherdämpfe aus der Apparatur entweichen.

Ergebnis

Nach mehreren Stunden ist deutlich zu beobachten, daß die Magnesiumspäne komplett mit dem Bromethan reagiert haben. Die Reaktion läßt nach und kommt schließlich zum Stillstand. Es ist eine milchig trübe Lösung entstanden, die ungefähr zwei molar an Ethylmagnesiumbromid ist und direkt für weitere Synthesen verwendet werden kann. Zur Aufbewahrung der Lösung gibt man sie am besten in eine ausreichend große braune Flasche, die man richtig etikettiert in einer Plastiktüte im Kühlschrank aufbewahren sollte, um zu verhindern, daß die Grignard-Verbindung mit dem Luftsauerstoff reagiert oder der Ether über einen längeren Zeitraum verdunstet. Beim Umfüllen der Lösung aus dem Zweihalskolben unbedingt Schutzbrille und Handschuhe tragen, da die Grignard-Verbindung mit jeglicher Feuchtigkeit sofort stark exotherm reagiert. Im Kühlschrank aufbewahrt, kann die Grignard-Verbindung zwar über einen kurzen Zeitraum aufbewahrt werden, um aber eine möglichst hohe Ausbeute an gewünschtem Endprodukt zu erhalten, ist eine rasche Umsetzung ratsam.
Der Reaktionsmechanismus sieht wahrscheinlich folgendermaßen aus:


Die Herstellung von Ethylmagnesiumbromid führt zu einer für organische Synthesen sehr hohen Ausbeute an Produkten. Die bei dieser Reaktion stattfindenden Nebenreaktionen, wie zum Beispiel Dimerisierung der gebildeten Alkylradikale zu Butan oder Disproportionierung zweier Radikale zu Ethan und Ethen, führen zu ausschließlich gasförmigen Nebenprodukten, die aus dem Reaktionskolben entweichen. Somit wird verhindert, daß ein Gemisch aus Grignard-Reagenz, Diethylether und Alkanen sowie Alkenen entsteht. Bei der Verwendung längerkettiger Alkylhalogenide ist deshalb zu bedenken, daß flüssige Nebenprodukte entstehen, die die gewonnene Lösung der Grignard-Reagenz verunreinigen. Als einfacher Nachweis des synthetisierten Ethylmagnesiumbromids dient die Umsetzung mit destilliertem Wasser. Dazu gibt man eine kleine Menge der enstandenen Lösung aus Ethylmagnesiumbromid und Diethylether in ein Reagenzglas und gibt wenige Tropfen destillierten Wassers hinzu. Es kommt zu einer heftigen exothermen Reaktion, bei der das Ethylmagnesiumbromid zu Ethan und Magnesiumbromhydroxid Mg(OH)Br reagiert.

Sicherheits- und Entsorgungsratschläge

Neben der Benutzung einer Schutzbrille und der Schutzhandschuhe, ist darauf zu achten, daß nicht Ether unbemerkt verdunsten und mit der Luft hochexplosive Gemische bilden kann. Etherreste sollten unter dem laufenden Abzug kontrolliert verdunsten, keinesfalls große Ethermengen in den ausgeschalteten Abzug stellen, da diese verdunsten und beim Anschalten des Abzugs explodieren können. Während der Reaktion, ist darauf zu achten, daß diese nicht zu heftig wird, da sich sonst eventuell der Ether in Verbindung mit dem Luftsauerstoff entzünden könnte. Ein ausreichendes Spülen der Apparatur mit Stickstoff ist deshalb dringend erforderlich. Nach dem Umfüllen der entstandenen Grignard-Verbindung sollte man den Kolben zunächst in den Abzug stellen, damit der restliche Ether verdunsten kann. Anschließend eventuell noch vorhandene Magnesiumreste vorsichtig mit Hilfe eines Spatels entfernen. Magnesiumreste können nach E3 gefahrlos in den Hausmüll gegeben werden. Beim Umgang mit Bromethan ist darauf zu achten, daß dieses gesundheitsschädlich ist, deshalb Dämpfe möglichst nicht einatmen. Keinesfalls Bromethanreste in die Kanalisation geben, sie gehören in einen Behälter für organische halogenhaltige Abfälle. Auch Etherdämpfe nicht einatmen, sie wirken narkotisierend. Etherreste am besten unter dem Abzug verdunsten lassen oder an einer ungefährlichen Stelle verbrennen.

Etherreinigung

Ether, der längere Zeit steht, nimmt im Laufe der Zeit Feuchtigkeit aus der Luft auf und enthält dann einen geringen Anteil an Wasser. Da Wasser bei der Grignard-Synthese zu heftigen Nebenreaktionen führt, muß der Ether unbedingt vor Gebrauch getrocknet werden. Um zu überprüfen, ob der Ether Wasser enthält, sollte man eine kleine Menge des Ethers in ein Becherglas geben und ein frisch abgeschnittenes Stück Natrium hinzugeben. Ist an der Oberfläche des Natriums eine Gasbildung zu beobachten, so enthält der Ether Wasser, da das Natrium mit Wasser zu Natriumhydroxid und Wasserstoff reagiert. Ein derart verunreinigter Ether läßt sich jedoch vom Wasser befreien, indem die gebrauchte Ethermenge unter dem Abzug in ein Becherglas gegeben wird, und dann mehrere kleine Natriumstückchen, die möglichst klein und frisch abgeschnitten seien sollten, hinzugegeben werden. Ist keine Gasentwicklung mehr zu beobachten, wird der Ether dekantiert und anschließend der Vorgang so lange wiederholt, bis keine weitere Reaktion mehr auftritt. Nun sollte der Ether restlos wasserfrei sein. Die bei der Reaktion entstehenden Natrium- und Hydroxidionen beeinflussen die Grignard-Synthese kaum, da sie nicht mit Grignard-Reagentien reagieren.
Ein weiteres meist noch viel gravierenderes Problem ist das Auftreten von Peroxiden bei Ethern, die über längere Zeit der Luft und dem Licht ausgesetzt waren. Diese Peroxide werden bei der Grignard-Synthese zu einer ernstzunehmenden Gefahr, da sie sich unter Einfluß der bei der Reaktion entstehenden Wärme oder starker Erschütterungen detonativ zersetzen können. Derartige Peroxid-Detonationen sind sehr heftig und gefährden alle in der Umgebung befindlichen Personen. Um diese Gefahr auszuschließen, sollte vor Verwendung des Ethers eine Peroxidprobe durchgeführt werden. Dazu schüttelt man eine kleine Menge des Ethers mit einer wäßrigen Kaliumiodidlösung. Sind Peroxide vorhanden, so tritt eine purpurrote bis braune Färbung auf. Ein peroxidhaltiger Ether sollte auf keinen Fall für die Grignard-Synthese verwendet werden. Da der Ether normalerweise stabilisiert ist und aufgrund dessen eigentlich keine Peroxide enthalten dürfte, sollte man auf neueren nicht peroxidhaltigen Ether zurückgreifen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Ether mit wäßriger Eisen(II)sulfat-Lösung zu schütteln und den gereinigten Ether anschließend abzudestillieren. Da diese Prozedur sehr aufwendig ist, ist es meistens besser neuen Ether zu verwenden. Weiterhin besteht noch die Möglichkeit auf im Chemikalienhandel erhältlichen peroxidfreien und für Synthesen getrockneten Ether zurückzugreifen, der allerdings recht teuer ist.

Wichtige Reaktionen

Grignard-Reagentien lassen sich zur Synthese vieler organischer Verbindungen verwenden. Sie reagieren mit den funktionellen Gruppen der Edukte. Häufig führt die Umsetzung mit Grignard-Reagentien nicht gleich zu den gewünschten Endprodukten, sondern läuft über Zwischenprodukte, die sich jedoch leicht zu einer hohen Ausbeute an Endprodukten umsetzen lassen. Bei organischen Synthesen mit Hilfe der Grignard-Reagentien werden zwar beinahe alle Ausgangsstoffe zu einem Produkt umgesetzt, aber es entstehen immer Gemische, da die Grignard-Verbindungen in einer Etherlösung vorliegen. Um nun an das gewünschte Endprodukt zu kommen, bleibt nichts Anderes übrig, als das Produkt aus der Lösung abzudestillieren.
Zu den wichtigsten Grignard-Reaktionen gehören zum Beispiel:

Reaktion mit Aldehyden und Ketonen

Grignard-Reagentien reagieren mit Aldehyden und Ketonen unter Bildung von Alkohol nach folgendem Reaktionsmechanismus:


Bei dieser Reaktion greift das Magnesiumatom des Ethylmagnesiumbromids zunächst die Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindung des Acetaldehyds an, wobei Magnesium und Brom addiert werden. Das dabei entstehende primäre Carbenium-Ion addiert sofort das freie Alkylradikal und es entsteht ein stabiles Zwischenprodukt. Dieses Zwischenprodukt wird daraufhin mit Wasser umgesetzt und es entsteht schließlich das gewünschte Endprodukt 2-Butanol. Bei dem 2-Butanol handelt es sich um ein Gemisch im Verhältnis 1:1 aus (R)-2-Butanol und (S)-2-Butanol, da bei sekundärem Butylalkohol Stereoisomerie vorliegt.

Reaktion mit Wasser

Die Reaktion der Grignard-Verbindungen läuft mit Wasser nach folgendem Reaktionsmechanismus ab:


Die Reaktion mit Wasser ist vergleichsweise einfach. An die Stelle des Magnesiumatoms tritt ein Wasserstoffatom und die Hydroxylgruppe des Wassers verbindet sich mit dem Magnesiumbrom zu Magnesiumbromhydroxid. Dabei entsteht aus dem Ethylmagnesiumbromid Ethan. Diese Reaktion ist für die organische Synthese nicht von großem Nutzen, aber sie zeigt wie schnell Grignard-Verbindungen mit Wasser reagieren und sie ist ein einfacher Nachweis, um zu überprüfen, ob bei einer Grignard-Synthese tatsächlich eine Grignard-Verbindung synthetisiert wurde.

Reaktion mit Kohlenstoffdioxid

Grignard-Reagentien lassen sich mit Kohlenstoffdioxid in saurer Lösung zu Carbonsäuren umsetzen:


Diese Umsetzung ist etwas aufwendiger als die vorher genannten. Das Reaktionsgefäß muß während der Reaktion in einer Kältemischung gekühlt werden. Als Kältemischung läßt sich dabei zum Beispiel eine Mischung aus 100 Volumenteilen Eis und 30 Teilen Natriumchlorid verwenden, die das Reaktionsgemisch auf ungefähr -10°C bis -15°C abkühlt. Man leitet so lange Kohlenstoffdioxidgas in die Ethylmagnesiumbromid-Lösung bis kein CO₂ mehr absorbiert wird. Die Lösung ist dann klar und nicht mehr milchig-trüb. Ist dies der Fall gibt man 25% wäßrige Schwefelsäure hinzu, um das Zwischenprodukt zu hydrolisieren. Anschließend muß zunächst der Ether vorsichtig abdestilliert werden und man erhält schließlich eine wäßrige Lösung aus Propansäure, Schwefelsäure und Wasser. Die entstandene Propansäure läßt sich zum Beispiel durch Titration nachweisen.

Es gibt noch viele weitere interessante Reaktionen und Umsetzungen der Grignard- Verbindungen, auf die hier nicht weiter eingegangen werden soll. Die Grignard- Reaktionen können in nahezu jedem Buch der organischen Chemie nachgelesen werden. Hier sollte nur eine kurze Auswahl von Reaktionen gegeben werden, die sich relativ leicht nachvollziehen lassen. Weitere Informationen können zum Beispiel den unten aufgeführten Büchern entnommen werden.

Quellen

[1] Streitwieser / Heathcock, Organische Chemie, Verlag VCH, 2. Nachdruck 1990 der 1. Auflage 1980
[2] A. Streitwieser / C.H. Heathcock / E.M. Kosower, Organische Chemie 2. Auflage, Verlag VCH, 1994
[3] Christen / Vögtle, Organische Chemie Band I, Verlag Salle + Sauerländer, 1. Auflage 1988