111 anys dels reactius de Grignard

El desenvolupament de la química organometàl·lica moderna no es pot entendre sense dos grans descobriments. En primer lloc, la síntesi per Frankland l’any 1852 del primer compost organometàl·lic, el (CH3)2Zn, que ja vàrem comentar en una entrada de fa uns dies i que va representar el naixement de l’anomenada química organometàl·lica. En segon lloc, el descobriment dels reactius de Grignard l’any 1900, ara fa justament 111 anys en els dos articles següents publicats per Víctor Grignard els anys 1900 i 1901: Grignard, V.“Sur quelques nouvelles combinaisons organometalliques du magnesium et leur application a des syntheses d’alcools et d’hydrocarbures” Compt. Rend. Acad. Sci. Paris 1900, 130, 1322-1324 i Grignard, V. “Combinaisons organomagnesiennes mixtes et leur application a la synthese d’acides, d’alcools et d’hydrocarbures” Ann. Chim. 1901, 24, 433-490. Tots dos articles fan formar part de la seva Tesi doctoral presentada a Lió l’any 1901. Es coneix amb el nom de reactius de Grignard els halurs d’alquil magnesi de fórmula RMgX. Aquests reactius han representat durant molts anys l’eina fonamental per la formació de nous enllaços C-C a través de reaccions d’acoblament creuat del tipus:

RMgX + R’X → R-R’ + MgX2

El desenvolupament d’aquesta reacció li va valdre a V. Grignard el Premi Nobel de Química de 1912. Tal com va explicar molt bé el Prof. Feliu Maseras a la magnífica conferència que va fer a la Facultat de Ciències el 9 de març de 2011 sobre el Premi Nobel 2010, fins a finals dels 60, l’única manera de formar nous enllaços C-C (una reacció essencial en la química orgànica!) era mitjançant reactius de Grignard. En l’actualitat les reaccions d’acoblament creuat de Suzuki, Negishi i Heck (els premis Nobel de Química 2010) són molt més emprades perquè permeten condicions més suaus, tenen més tolerància a la presència de diferents grups funcionals, la preparació dels reactius és més senzilla i toleren molts més grups R que es poden emprar en les reaccions d’acoblament creuat. Tot i així encara avui dia molts investigadors utilitzen els reactius de Grignard per fer les seves reaccions (veure Esquema 1 per una llista de reaccions que es fan amb aquests reactius i que inclouen acoblaments creuats C-N, C-S, C-Y, O-O i S-S). Tot i que els reactius de Grignard són coneguts per la seva utilitat com a eina per dur a terme determinades síntesis, avui no vull comentar tant la reactivitat d’aquests compostos com la seva estructura molecular que també és fascinant.

Malgrat que la fórmula empírica dels reactius de Grignard és RMgX, la seva composició en solució o en fase gas és molt més complexe que el que semblaria indicar la seva formula. Per començar en solució s’estableix l’anomenat equilibri de Schlenck:

2RMgX ↔ R2Mg + MgX2

de manera que al barrejar RX i Mg en solució es forma RMgX però també R2Mg i MgX2 en quantitats molt variables depenent de R, X, el solvent i la temperatura. Per un altre costat, en solució tant els reactius de Grignard RMgX com els R2Mg i el MgX2 els podem trobar en forma de monòmers, dímers, trímers, tetràmers i oligòmers de pes molecular encara més alt.  L’estructura d’aquests oligòmers és la que es mostra en la Figura 1 pel cas del MgCl2. Tanmateix a partir dels trímers hi ha estructures de simetries molt diferents que tenen energies pràcticament idèntiques, de manera que, per exemple, no tenim un únic tetràmer sino diferents tipus de tetràmers, el que complica encara més la barreja. La tendència d’aquests compostos a l’oligomerització és elevada i també és molt depenent de R, X, el solvent, la temperatura i la concentració inicial de RX i Mg. Lògicament a més altes concentracions augmenta el nombre d’oligomers de pes molecular més alt. En general, els R més petits (tipus CH3) tenen també més tendència a produir oligòmers (RMgX)n de n més gran. Des d’un vista energètic la formació de (RMgX)n a partir de nRgMX és favorable. En contra hi juga l’entropia que afavoreix números baixos de n. En general, acostumen a predominar els dímers i els trímers. En qualsevol cas sorprèn el control que es té sobre la química dels reactius de Grignard quan a nivell molecular tenim una barreja impressionant de molts diferents productes, tots ells de fórmula empírica senzilla (RMgX, R2Mg o MgX2) però estructura molt complicada.