Réactif de Grignard

On produit les réactifs de Grignard en faisant réagir des halogénures organiques avec du magnésium métallique en solution dans un éther parfaitement anhydre. Cette réaction se produit à la surface du métal, laquelle est généralement isolée du solvant par une couche d'oxyde de magnésium (MgO) : l'amorçage de la réaction consiste à briser cette couche de passivation par action mécanique — sonication[4], grattage du magnésium par une tige[5] — ou chimique — par exemple en ajoutant quelques gouttes d'iode (I₂), d'iodométhane (CH₃I) ou de 1,2-diiodoéthane (ICH₂CH₂I) ; le 1,2-dibromoéthane (BrCH₂CH₂Br) est particulièrement pratique car son action peut être suivie par l'observation de bulles d'éthylène (CH₂=CH₂), tandis qu'il se forme du bromure de magnésium MgBr₂, sans effet sur la réaction :

Mg + BrC₂H₄Br → C₂H₄ + MgBr₂.

La quantité de magnésium consommé par ces agents d'activation est généralement insignifiante. Une petite quantité de chlorure de mercure(II) (HgCl₂) forme un amalgame à la surface du magnésium, lui permettant de réagir. Des données empiriques suggèrent par ailleurs que la réaction intervient à la surface du métal. Elle fait intervenir des transferts mono-électroniques[6] - [7], la première étape étant semblable à une réaction de Sandmeyer, au cours de laquelle un électron est transféré du magnésium vers un halogénure d'aryle. Lors de la réaction de formation des réactifs de Grignard, les radicaux peuvent être convertis en carbanions par un second transfert d'électron[8] - [9].

• 
  Réaction de formation d'un réactif de Grignard, ici un bromure.

Il est ensuite possible d'utiliser le réactif de Grignard ainsi formé pour transférer son magnésium sur un halogénure organique, ce qui ouvre la voie à la formation d'une grande variété de tels réactifs ; une réaction bien connue de ce type fait intervenir le chlorure d'isopropylmagnésium ((CH₃)₂CH–MgCl) avec des bromures ou des chlorures d'aryle[10].

Dans l'industrie, les réactifs de Grignard sont préparés in situ pour être directement utilisés. On se sert généralement d'un reste d'une production précédente pour amorcer la réaction produisant la livraison suivante. La formation des réactifs de Grignard est exothermique, ce qui nécessite des dispositions particulières à l'échelle industrielle[11].

La vitesse de cette réaction décroît de l'iode au chlore, ce dernier donnant un rendement meilleur que ceux du brome ou de l'iode. Les fluorures d'alkyle ou d'aryle ne réagissent généralement pas pour donner des réactifs de Grignard, hormis avec du magnésium spécialement activé (métal de Rieke) ; d'une manière générale, le magnésium de Rieke permet de résoudre le problème posé par la passivation à l'oxyde de magnésium[12]. Les composés très réactifs, comme les iodures, peuvent subir des réactions parasites, comme une réaction de Wurtz. On mène cette réaction dans des solvants nucléophiles dépourvus d'atomes d'hydrogène actifs, c'est-à-dire notamment sans traces d'eau, comme l'éther diéthylique ou des éthers supérieurs tels que l'éther dibutylique, l'anisole, le tétrahydrofurane (THF), voire le 2-méthyltétrahydrofurane (2-MeTHF). Deux molécules d'éther donnent chacune un doublet d'électrons à chaque molécule de Grignard pour compléter l'octet stabilisant l'atome de magnésium, qui adopte ainsi une géométrie plus ou moins tétraédrique.

• 
  Coordination d'un réactif de Grignard dans le THF.

Certains réactifs de Grignard subissent une réaction de redistribution au contact de certains solvants comme le 1,4-dioxane pour donner des diorganomagnésiens R₂Mg (équilibre de Schlenk[13] - [14]) :

2 RMgX + dioxane ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ R₂Mg + MgX₂(dioxane).

Une équipe japonaise a publié un article en novembre 2021 montrant qu'il est possible de préparer des réactifs de Grignard par mécanochimie dans l'air ambiant et en présence de solvant éthéré, en particulier le THF[15]. Les réactifs de Grignard ainsi obtenus peuvent être directement utilisés pour des réactions chimiques ultérieures.

De nombreux réactifs de Grignard sont disponibles sur le marché en solution dans l'éther diéthylique, le tétrahydrofurane (THF), voire le 2-méthyltétrahydrofurane (2-MeTHF). Ils permettent d'introduire divers synthons en synthèse organique, du plus simple comme le méthyle (par exemple les chlorure –Cl, bromure –Br et iodure –I de méthylmagnésium CH₃Mg–) à des molécules plus complexes, comme le chlorure de triméthylsilylméthylmagnésium (CH₃)₃SiCH₂MgCl et les bromures de p-tolylmagnésium CH₃(C₆H₄)MgBr et de naphtylmagnésium, en passant par des substituants insaturés comme les bromures de vinylmagnésium CH₂=CHMgBr, d'allylmagnésium CH₂=CH–CH₂MgBr ou encore de propynylmagnésium CH₃–C≡CMgBr.

En raison de la grande sensibilité de ces réactifs à l'humidité et à l'oxygène, plusieurs méthodes ont été développées pour tester la qualité des produits avant leur utilisation. Ces tests reposent généralement sur un titrage avec des réactifs protiques anhydres qui peuvent être pesés, comme le menthol en présence d'un indicateur coloré ; on observe également un changement de couleur par réaction d'un réactif de Grignard avec par exemple la phénanthroline[16].