浅谈格氏试剂的相关性质及其应用

浅谈Grignard试剂的性质及其应用
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摘要：Grignard试剂是有机金属化合物中重要的一类化合物，也是有机合成上非常重要的试剂之一。

Grignard试剂与不同的物质反应，可以合成烃类、醇类、酮类、醛类、酸类及金属有机化合物等。

关键词：Grignard试剂组成结构希兰克平衡化学性质
1Grignard试剂的发现
卤代烷和金属镁在无水乙醚中反应，生成的烷基卤化镁(RMgX)称为Grignard试剂。

Grignard试剂的发现是20世纪初有机化学合成研究中的重大发现之一，它促进了有机化学合成的发展，发现者格林尼亚因此而获得1912年的诺贝尔化学奖。

1898年，法国化学家巴比埃(Phillip Barbier)在研究金属有机化合物及其有关反应时，试图用金属镁代替锌，以便得到性能更好的有机合成中间体。

由于在实验中没有取得令人满意的结果，巴比埃未能将此项工作进行下去。

巴比埃就让他的助手格林尼亚对这个课题继续进行研究。

1900-1901年，在格林尼亚进行了一系列实验研究，最后发现，当把卤代烷和金属镁共同放进乙醚溶液中时，溶液先是变浑浊，然后开始沸腾，最后金属镁全部溶解，得到溶液。

实验证明,这是烷基卤化镁的溶液。

一种与烷基锌相比，室温下不自燃、无需从溶液中分离出来就可直接使用的、性能优良的有机合成中间体诞生了。

鉴于Grignard试剂在合成有机化合物中的重要作用，1912年，格林尼亚因发现这种试剂获得了诺贝尔化学奖。

这种试剂也因它的发现者而得名[1]。

2Grignard试剂的制备及其组成结构
2.1Grignard试剂的制备
Grignard试剂是用卤代烃与镁直接接触制备的。

RX + Mg醚RMgX
为了防止生成的试剂与水、氧气、二氧化碳以及未反应的卤代烃偶联，反应需在惰性气体保护下低温进行。

所用溶剂如乙醚、四氢呋喃均需严格处理，必须保证绝对无水，否则将影响产率，甚至将不能进行。

卤代烃与镁反应是在金属表面上发生的，首先，RX在Mg表面上产生R·和X·，X·和Mg结合，然后进一步反应得到RMgX。

卤代烷与镁的反应活性为RI > RBr > RCl > RI，叔卤代烃> 仲卤代烃> 伯卤代烃。

氟代烷活性太差，碘代烷太活泼，所以一般采用溴代烷或氯代烷反应，但由于溴甲烷和氯甲烷是气体，制甲基卤代镁仍用碘甲烷。

烯丙型、苄基型卤代烃特别容易发生偶联反应，因此通常用氯代烷为原料，并在低温下反应[2]。

位于双键和苯环上的原子，特别是氯原子，在乙醚中不易形成Grignard试剂，但可以在四氢呋喃中顺利进行，这是由于THF为环状醚，其中的氧更为外露，因而更易于与Mg 结合，同时增强了镁的亲电性，使其能够与卤代芳烃反应，且四氢呋喃的沸点更高，更利于反应的引发[3]。

2.2Grignard试剂的组成与结构
Grignard试剂时所用的醚类溶剂如乙醚、四氢呋喃等也是Grignard试剂结构中的重要组成部分，它们是Lewis碱，而镁化合物是Lewis酸，醚分子中的氧原子与烃基卤化镁中的镁原子形成了配价键，由氧原子提供孤对电子。

Grignard试剂与溶剂THF形成的络合物可用下面式子表示。

R
Mg
O O
X
一般认为，Grignard试剂不是单分子烃基卤化镁(RMgX)在醚中的简单溶液，而是在这个溶液中包含有多种物质，这些物质可以互相转化，它们的相互转化经过一个希兰克(Schlenk)平衡的形式进行，即三种镁化合物——烃基卤化镁、二烃基镁和二卤化镁在醚溶液中所组成的动态平衡体系，可以图1用来表示组成Grignard试剂的动态平衡体系[4]。

从这一动态平衡体系可以看出，教科书中，把烃基卤化镁RMgX当作Grignard试剂是非常简单化了的。

+-2 RMgX
X
MgR
X
MgR2Mg + MgX2
RMg+ + RMgX2-
X
MgR
X
Mg
R
R
图 1 Grignard试剂的组成(图中省略了溶剂化)
Grignard试剂RMgX中，碳-镁键与镁-卤键的性质是不一样的。

碳-镁键一般是共价键，镁一卤键基本上是离子键。

碳-镁键上的两个成键原子，它们的电负性不同，碳为2.50，镁为1.23，碳的电负性大于镁，碳-镁键上的电子对偏向于碳，使得烃基带上部分负电荷，镁带上部分正电荷，所以碳-镁键是强极性的。

在一般情况下进行反应时，Grignard试剂异裂，是一个亲核试剂。

3Grignard试剂的化学性质
3.1与含活泼氢的化合物反应
Grignard试剂能与含有活泼氢的化合物，如酸、醇、水、氨等作用而被分解为烷烃。

因此，在制备和使用Grignard试剂时，应避免混入含有活泼氢的化合物，因此所用仪器试剂均需要干燥[5]。

在某些情况下，Grignard试剂和活泼氢反应是有用的。

例如，使用D2O水解Grignard 试剂，可得到含有D原子的烷烃；将含有活泼氢的化合物与甲基碘化镁试剂反应，通过生成甲烷的体积计算活泼氢的数目。

又如上式中Grignard试剂好端位炔烃反应，是由含活泼氢的化合物间接制备Grignard试剂的方法，可用来代替一般条件难以直接制备的Grignard 试剂。

3.2与不饱和键的亲核加成反应
RMgX
RH + MgX2
RH + Mg(OH)X
RH + Mg(OR')X
RH + Mg(NH2)X
RH + R'C≡CMgX
Grignard 试剂是亲核试剂，可以和C O 、
C H 发生亲核加成反应。

Grignard 试剂与碳氧双键加成时，碳氧双键先与一分子该试剂形成络合物，继而与另一分子该试剂形成六元环的过渡态，再经电子重新排布与络合最终完成反应，Grignard 试剂和羰基加成的反应机理[6]如图 2：
CR 2
O +RMgX(OEt 2)2
CR 2
O
Mg R'
X
OEt 2
R'
Mg X
Mg
O
R 2C X
OEt 2
R'
OEt 2
CR 2R'
O MgX(OEt 2)2
H 3O +
CR 2R'
OH
图 2 Grignard 试剂加成碳氧双键机理
1) 与醛、酮反应
醛、酮与Grignard 试剂进行亲核加成反应，加成产物不必分离，即可水解生成醇。

其中，Grignard 试剂与甲醛反应，生成增加一个碳的伯醇；与其他醛反应生成仲醇；而与酮反应，则生成叔醇。

例如：
C O H
H
+
MgBr
H 3O
CH 2OH
CH 2COPh + PhCH 2MgCl
H 3O C CH 2
OH
Ph
CH 3
Ph
2) 与羧酸衍生物反应
Grignard 试剂与酰氯反应可以得到酮，酮继续与Grignard 试剂反应可以得到叔醇。

反应可停留在酮阶段，但是产率不高，控制反应物的活性、用量等可提高产率。

空间位阻效应较大的反应物也可生成酮，如：
COOCH 3Br
+Cl C
O
Cl
Grignard 试剂与酯的反应可以制备具有两个相同烃基的叔醇[3]。

R'CR
R
OMgX
2R'CR R
OH
+ Mg(OH)X
此步反应可以看做是Grignard 试剂首先与酯反应生成酮，但是由于Grignard 试剂对酮的反应比酯快，反应很难停留在酮的阶段，进而与另一分子Grignard 试剂反应生成叔醇。

Grignard 试剂与腈反应，在酸性条件下生产酮，例如：
CH 3
CN
H 2O,H
CH 3CO(CH 2)4CH 3
Grignard 试剂与腈的反应，两者首先加成生产亚胺负离子中间体，然后水解生成酮。

3) 与CO 2反应
通过Grignard 试剂对CO 2进行亲核加成，然后水解，可将卤代烃中的卤原子转变为羧基。

这是制备对一个碳原子的羧酸的有效方法。

如：
MgBr
3.3
与环氧化合物反应
作为亲核试剂，Grignard 试剂易于环氧乙烷发生亲核取代反应，生成增加两个碳原子的伯醇，例如
O
CH H 2C
2n -C 6H 13MgBr-CH 2CH 2OH
不对称的环氧化合物与Grignard 试剂反应时，易按S N 2机理发生亲核取代反应，例如
MgBr
H 2C
O CH
CH 3
+OH
CH 2CHCH 3
3.4 与卤代烃反应
Grignard 试剂和卤代烃发生偶合作用，形成烃：
RMgX + R'X → R –R' + MgX 2
在制备Grignard 试剂时需避免此类偶联副反应发生，也可用饱和卤代烃进行反应，往往产率不高，若用活泼的卤代烃，如烯丙型、苄基型卤代烃与Grignard 试剂反应则产率较高，是合成末端烯烃的一个方法[7]，例如：
CH 2=CH –CH 2Cl + CH 2=CH –CH 2MgCl → CH 2=CH –CH 2–CH 2–CH=CH 2
同时，此类反应在格氏试剂制备过程中容易作为偶联副反应发生，降低反应产率。

在制备烯丙型、苄基型格氏试剂时，需使用氯代烷在低温下进行。

3.5与金属卤化物的反应
Grignard试剂可与还原电位低于镁的金属卤化物作用，这是合成其它有机金属化合物的一个重要方法[7]，例如：
3RMgCl + AlCl3 → R3Al + 3MgCl2
3.6总结
通过Grignard试剂可以制备烃类（Grignard试剂与含有活泼氢的物质反应，与卤代烃反应），合成伯醇（Grignard试剂与甲醛反应得到增加一个碳的伯醇，与环氧乙烷反应得到增加两个碳的伯醇），合成仲醇（Grignard试剂与醛类反应），合成叔醇（Grignard试剂与酮、酰氯、酯等反应），合成醛、酮（Grignard试剂与腈基反应）、合成酸类（Grignard试剂与二氧化碳反应）。

参考文献
[1] 张宁,刘克文.格氏试剂的发现[J].化学教育.2008(2):71-72.
[2] 邢其毅等主编.基础有机化学[M].人民教育出版社,第3版.
[3] 慈天元.格氏试剂的相关性质及其应用概述[J],宜春学院学报,2009.31(2):6-10.
[4] 梁述尧.关于格氏试剂的组成与结构[J],化学教育,1983(6):21-22.
[5] 高鸿宾.有机化学[M],第四版,246-248.
[6] 徐祖民.格氏试剂的合成、检验及其在有机合成中的应用[J].黔西南民族师专学报(综合版),1998(3):72-85.
[7] 冯玉玲.格氏试剂―重要的金属有机化合物[J],石家庄大学学报,1999(4):27-28.。