REAZIONI CHE RISCHI DI PRENDERTI IN FACCIA - REATTIVI DI GRIGNARD

 

Cos'è una runaway? Una reazione che genera per unità di tempo più calore di quanto il sistema di raffreddamento riesca a smaltirne. Quando si passa il punto di non ritorno non ci sono azioni correttive possibili (se non avere in opera adeguati sistemi di contenimento o scappare). Il rischio diventa rilevante su grande scala, mentre può essere inesistente o invisibile in laboratorio. Perché, come mi disse mezza vita fa un collega più anziano, la capacità della reazione di generare calore cresce con il suo volume (se il reattore si può approssimare con un cilindro di raggio r con r^3), mentre la capacità del tuo sistema di smaltire calore cresce con la sua superfice (quindi con r^2). Quindi, se operi su grande scala e passi il punto di non ritorno non hai speranze (ma ci sono diversi metodi per evitare che questo succeda, e vengono messi in opera).

Classico tra i classici, un reattivo di Grignard in chimica organica è l'esempio cardine di reazione runaway. Ai miei tempi si diceva che in un dipartimento di chimica un laboratorio di organica si distingueva dalle macchie sul soffitto delle cappe: Grignard che erano andati fuori controllo.
Un reattivo di Grignard è un composto dalla generica formula RMgX, dove r è alchile o arile e X è un alogeno, classicamente Bromo (ma anche il Cloro ha una sua storia industriale, in questa classe di reagenti).
Da un punto di vista della sintesi organica è uno dei più vecchi reagenti utilizzati per la creazione di legami C-C (altre reazioni classiche allo scopo la vasta famiglia delle condesazioni aldoliche, Wittig, Arbusov)
Sorvolando sulla compatibilità con altri gruppi funzionali all'interno di R o del reagente con cui si vuole effettuare il coupling, passiamo alla reazione di formazione del Grignard, che sulla carta è semplicissima:

RX+Mg→RMgX

Niente di strano? Tutto il contrario, invece. In primo luogo la reazione ha una temperatura di onset, al di sotto della quale niente succede (ovviamente la temperatura varia a seconda di R, e tende ad essere più alta quando R è arile). In più, essendo una reazione eterogenea, generalmente la superficie dei trucioli di magnesio è più o meno passivata, ovvero resistente all'attacco di RX. Last but not least, è reazione autocatalitica : la concentrazione del prodotto di reazione aumenta la velocità della reazione stessa. In più la reazione è esotermica, una volta partita. E detto questo vi renderete conto che non è una reazione affatto semplice.
In ragione della sua esotermicità è la classica reazione che viene effettuata in semicontinuo, cioè con l'aggiunta lenta di RX alla sospensione dei trucioli di magnesio in un adeguato solvente.
La scelta del solvente è importante: il solvente di solito è un etere, perché in realtà RMgX vive al meglio come solvato in soluzione, con l'ossigeno di due molecole dell'etere che lo stabilizzano. E quindi i solvents of choice sono etere etilico e tetraidrofurano (e ovviamente devono essere anidri e esenti da perossidi, cosa banale per l'etere etilico, meno banale per il THF) - anche se mi ricordo che nei miei anni verdi dovetti confrontarmi con un Grignard fatto in diglime. Tutto questo in laboratorio.Su scala industriale etere etilico MAI (troppo pericoloso). Si parte da THF, viene usato anche toluene (che non è un etere). Il mio solvente preferito in materia, da sempre, 2-MetilTHF. Che però, essendo un solvente asimmetrico, può giocare brutti scherzi quando ci sono questioni di diastereoisomeri nel substrato che si vuol far reagire con il Grignard. Da tempo su scala industriale se è possibile (e se i costi lo consentono) si tende ad ottenere il reattivo di Grignard desiderato non per reazione tra RX e Mg, ma per transmetallazione: si usa un reattivo di Grignard commerciale molto reattivo o modificato (classico ormai il complesso isopropilmagnesio bromuro/litio cloruro, detto turbogrignard). Ma in fondo alla catena ci sarà sempre qualcuno che fa reagire trucioli di magnesio con un alogenuro organico, per poi "imbottigliarne" la soluzione in cilindri d'acciaio a bassa pressione, tipicamente.

Ritornando alla reazione classica, diciamo subito che se volete fare un Grignard senza attivare il magnesio state combattendo il più delle volte una guerra persa - ho visto molte persone che si ostinavano a combatterla, mettendo in atto le strategie più improbabili, cosa che mi ha sempre lasciato molto freddo - stiamo parlando di chimica, non di magia nera.
Se avete attivato il magnesio, per esempio rifluendo la miscela con una perla di iodio fino a scomparsa della colorazione, non vi resta che mettere assieme i due fattori che innescano la reazione: temperatura adeguata e adeguata concentrazione iniziale di RX. E di solito qua casca l'asino.
Si, perchè se la reazione non parte di solito si tende ad aggiungere più RX continuando a scaldare, finendo di solito per accumulare reagente ben oltre la concentrazione minima richiesta. E in queste condizioni cosa succede, quando la reazione parte? Vi ritrovate immediatamente oltre il punto di non ritorno del grafico, il che vuol dire che il calore velocemente svolto aumenta la velocità di evaporazione del solvente, che aumenta la velocità di condensazione del medesimo nel refrigerante a bolle fino a ingorgarlo, annullandone la capacità di scambio termico e creando un tappo di liquido. E il tutto finisce con la macchia sul soffitto della cappa.

(Magari i Grignard fossere le uniche reazioni che rischi di prenderti in faccia... https://ilchimicoscettico.blogspot.com/2018/05/reazioni-che-rischi-di-prenderti-in.html)