Organometallisk syntese og kemi

Organometallisk syntese, eller organometallisk kemi, repræsenterer et bredt anvendelsesområde inden for syntetisk organisk kemi. Organometallisk syntese refererer til processen med at skabe organometalliske forbindelser. Organometallisk kemi er blandt de mest aktivt undersøgte områder inden for organisk, uorganisk, biokemisk og katalytisk kemi. Dette skyldes brugen af organometalliske reagenser i syntesen af en række kommercielle forbindelser, der anvendes i den farmaceutiske, polymere og petrokemiske industri.

Organometallisk er et molekyle, der indeholder et metalatom bundet til et kulstofatom. Forbindelser med f.eks. metal-nitrogen-, metal-oxygen-, metal-fosfor-bindinger defineres som koordinationskomplekser, men beskrives ofte som organometalliske. Organometalliske forbindelser kan indeholde gruppe 1 alkali, gruppe 2 jordalkali, gruppe 3-12 overgang og 13-15 hovedgruppeelementer samt metalloider, såsom bor og silicium. Det store udvalg af grundstoffer, der kan danne organometalliske forbindelser, resulterer i omfattende forskning i procedurer for organometallisk syntese. Der er også forskningsindsats i brugen af organometalliske reagenser til syntese af stadig mere komplekse og skræddersyede organiske forbindelser, for hvilke organometalliske reagenser driver specifik binding og/eller katalyserer reaktioner.

Der er mange andre måder at syntetisere organometalliske stoffer på:

• En af de mest anvendte metoder til at syntetisere en organometallisk forbindelse er at reagere det rene metal med specifikke organiske molekyler. Eksempler på denne type syntese er to af de hyppigst anvendte organometalliske reagenser, organolithium og organomagnesium, hvor metallet reageres med et alkyl- eller arylhalogenid for at danne det ønskede reagens.
  
  
• I dobbelt nedbrydningsreaktioner udveksles metalhalogenider med alkylerende reagenser for at give det organometalliske reagens. Kulilte reagerer med overgangsmetaller og danner metalcarbonyler.
  
  
• Dekarbonylering af et metallo-organisk vil producere en organometallisk forbindelse.
  
  
• Hydrometallering er en syntesemetode, hvor et molekyle med en metal-hydrogenbinding reagerer med et organisk molekyle, der indeholder en dobbeltbinding, og danner et organometallisk med en metal-carbonbinding.

Forskellige additions- og eliminationsreaktioner danner organometalliske forbindelser fra metallo-organiske molekyler. Valget af den optimale syntesemetode er ofte baseret på inline-analytiske teknikker for at sikre sikker og effektiv procesudvikling.

Organometalliske reagenser bruges ofte til at syntetisere organiske molekyler, da de driver specifik binding og/eller katalyserer reaktioner. Nogle af disse reaktioner er vanskelige eller upraktiske at udføre på andre måder. I de fleste organiske forbindelser har kulstofatomer en tendens til at være elektrofile, men i organometalliske forbindelser, fordi metalatomet typisk er mindre elektronegativt end det kulstof, det er bundet til, fungerer kulstoffet som en nukleofil af varierende styrke. Når et stærkt elektronegativt metal er involveret, er ladningsfordelingen sådan, at forbindelsen er mere ionisk i naturen og kan være stærkt reaktiv. 

For eksempel er C-Li-bindingen i organolithiumforbindelser mere ionisk, og C er mere negativt polariseret. Bindingerne i organolithiumforbindelser er stærkere polariserede end i deres organomagnesiumanaloger (Grignard-reagenser), hvilket gør organolithium til en stærkere nukleofil og mere reaktiv sammenlignet med Grignard. Både organomagnesium og organolithium-reagenser er stærke baser for deprotonering og danner let CC-bindinger samt driver mange andre organiske reaktioner.

Organometalliske forbindelser anvendes i vid udstrækning i katalytisk kemi. Et klassisk eksempel er brugen af chlorotris (triphenylphosphin) rhodium til at reducere alkener og alkyner - uden at påvirke andre funktionelle grupper i et molekyle. En anden familie af organometalliske katalysatorer med Josiphos diphosphin-ligander bruges til enantioselektive hydrogeneringsreaktioner. Hydrogenerings - og hydroformyleringsreaktioner er industrielt vigtige reaktioner, der katalyseres af forskellige organorhodium- eller organocobaltforbindelser. Polymerisationsreaktioner udføres ved hjælp af katalysatorer, såsom Ziegler-Natta-forbindelser, som er todelte katalysatorer, der ofte indeholder Ti og Al, der polymeriserer olefiner.

Antallet af organometalliske forbindelser er stort og dækker de fleste af de vigtigste grundstoffer i de periodiske grupper. De fleste eksempler på organometalliske stoffer er enten i hovedgruppeelementerne eller overgangsgruppeelementerne. I den førstnævnte gruppe er bindingen mere ionisk eller sigmabundet. De klassiske eksempler er organolithium eller organomagnesiumforbindelser, som begge er vigtige i organisk syntese. Højere ionbinding resulterer i en mere reaktiv forbindelse. I overgangsgruppeelementerne er bindingen typisk mere kovalent og kompleks sammenlignet med hovedgruppeelementerne. Metal-alkyl-, -alken- og -alkyn- og metalarylgrupper såsom benzen er ofte bundet med overgangselementer. Binding i disse forbindelser er stærk med delokaliserede pi-bindingsbidrag.

Eksempler på vigtige organometalliske stoffer omfatter organolithium, organoboran (periode 2-elementer), organomagnesium, organosilicium (periode 3-elementer), organoiron, organocobalt (periode 4-elementer), organoruthenium, organotin (periode 5-elementer), organoplatin, organoiridium (periode 6-elementer).

Organometalliske forbindelser er meget reaktive og har typisk meget hurtige reaktioner. Arbejde med organometalliske forbindelser, herunder lithium-aluminiumhydrid, lithiumborhydrid, diisobutylaluminiumhydrid og Grignard-reagenser, kræver stram temperaturkontrol ved lave temperaturer. Reaktioner med organometalliske forbindelser udføres derfor ofte ved temperaturer mellem 0 °C og -78 °C for at kontrollere reaktionen og:

• Få det rigtige produkt
• Sikre selektivitet
• Undgå bivirkninger, dannelse af biprodukter eller nedbrydning
• Sørg for reaktionskontrol og sikkerhed

Traditionelt afkøles synteser, der inkluderer sådanne komponenter, ved hjælp af kølebade med tøris og et organisk opløsningsmiddel eller muligvis en stor og omfangsrig kryostat. Brugen af køleblandinger er en udfordring, da der ikke er nogen fleksibilitet med hensyn til temperatur, og der kræves konstant observation. De anvendte kølevæsker er typisk organiske opløsningsmidler, såsom ethanol, acetone, cyclohexan, cyclohexanon eller isopropanol. De udgør alle en sikkerhedsrisiko, da de er brandfarlige. Organiske opløsningsmidler kan også være dyre. Derfor har traditionelle køleblandinger begrænsninger.

EasyMaxkemiske syntesereaktorer, som tilbyder kalorimetrisk kapacitet, bruges i farmaceutiske og kemiske udviklingslaboratorier til at optimere reaktionsvariabler for hurtigere opskalering, måling af reaktionstermodynamik og processikkerhed. Den automatiserede laboratoriereaktor er optimal til at understøtte Design of Experiments-undersøgelser og andre metoder, der matematisk relaterer eksperimentelle parametre og ydeevne.

Se en Live eDemo fra dit arbejde eller hjemmekontor efter din tidsplan.

FTIR-spektroskopi er en af de grundlæggende analysemetoder, der bruges til at undersøge organometalliske forbindelser. Ladningsfordeling og dipolstyrke af metal – kulstofbinding er en af de vigtigste markører for reaktivitet og en vigtig årsag til, at organometalliske stoffer har så stor nytte i kemi. Infrarød spektroskopi er unikt følsom over for ændringer i dipolmomenter og giver dermed stor indsigt i binding. Kompleks metal-ligandbinding i overgangsmetalkomplekser er et andet område, hvor FTIR udmærker sig ved at levere strukturel information. Infrarøde spektre giver relativ information om længden af bindinger og styrken af bindingen. For eksempel bruges infrarød ofte til at undersøge carbonylbinding med overgangsmetaller, da der afhængigt af carbonylens position, såvel som om det er en brobyggende carbonyl, er vejledende spidsfrekvensændringer, der direkte relaterer til bindingsstyrken.

Raman-spektroskopi bruges også til undersøgelse af organometallisk syntese og struktur, samt til at studere metallo-organo-syntese. Ud over fingeraftryksregionens spektralinformation er Raman-spektroskopi velegnet til at måle lavfrekvente vibrationer, der ofte observeres i metalholdige organiske forbindelser og i metal-metalbinding. Der er også betydelig interesse for organometallisk kemi udført i vandig opløsning for at fremme "grøn kemi". Som et eksempel er molybdocener nyttige til carbonylreduktioner i vandig opløsning. Raman er det ideelle valg til at studere molekylær binding i vandige medier.

EasySampler automatiseret prøveudtagning implementerer en unik metode til in-situ optagelse, bratkøling og forberedelse af hver prøve til offline-målinger. Denne ubemandede og automatiserede prøvetagningsteknologi gør det muligt at tage en repræsentativ prøve inden for luft- og fugtfølsom, heterogen og meget reaktiv organometallisk kemi. C-C- og CN-koblingsreaktioner i organometallisk syntese, såsom Ullmann og Buchwald-Hartwig, afslører, hvordan organometalliske reaktioner kan overvåges ved hjælp af EasySampler in-situ sampling.

ReactIR og ReactRaman har alle de førnævnte fordele ved de grundlæggende teknikker sammen med yderligere fordele ved realtidsmåling på stedet. Dette gør det muligt at undersøge reaktioner som funktion af tid og under faktiske reaktionsforhold. Begge teknikker kan anvendes til batch- eller flowsyntesereaktion.

Som i klassisk organisk kemi giver ReactIR/ReactRaman-teknologien detaljeret information om reaktionskinetik, mekanismer og indsigt i tilstedeværelsen og identiteten af forbigående mellemprodukter. Da organometallisk kemi ofte udføres under forskellige reaktionsbetingelser såsom lav eller forhøjet temperatur, forhøjet tryk og/eller i fravær af ilt og vanddamp, er evnen til at måle kemi uden manuelt at fjerne en prøve til analyse afgørende. Da mange organometalliske forbindelser er meget giftige, er in situ-analyse vigtig for at sikre laboratoriesikkerheden.

Se en Live eDemo fra dit arbejde eller hjemmekontor efter din tidsplan.

• Undersøgelse af organometallisk syntese under faktiske reaktionsbetingelser
• Spor reaktanter og reagenser som funktion af tid
• Mål reaktionstendenser og fremskridt
• Identificer vigtige mellemarter, herunder transienter
• Bestem organometallisk reaktionskinetik og mekanisme
• Bestemmelse af strukturen af organometalliske forbindelser, herunder mellemprodukter
• Få indsigt i metal-ligandbinding og liganddisassociation
• Udvikle grundig forståelse af metallo-organisk syntese kinetik/mekanisme
• Undersøg organometalliske reaktioner i alle opløsningsmidler, herunder vand
• Mål vigtige lavfrekvente metalvibrationer
• Mål reaktioner gennem glasreaktorbeholdere
• Eliminer manuel prøveudtagning og unødvendig eksponering for giftige forbindelser
• Velegnet til batch- og flowsynteser

Individuelt eller som en integreret kemisk arbejdsstation giver disse værktøjer kritisk støtte til bedre organometalliske syntesereaktioner:

• FTIR-spektrometre og Raman-spektrometre
  Realtidssporing og profilering af nøglereaktionsarter som en funktion af reaktionstiden for at hjælpe kinetik og mekanistiske undersøgelser
• Automatiseret, indbygget prøveudtagning (EasySampler)
  Uovervåget, repræsentativ prøveudtagning af reaktioner, når offline-analyse er påkrævet
• Kemisk syntese-reaktorer (EasyMax og OptiMax)
  Uovervåget, præcis kontrol og dataindsamling af reaktionsbetingelser
• Reaktions- og varmestrømskalorimetre (RC1mx og HFCal)
  Mål fuldstændig reaktionsvarme for at sikre sikkerhed gennem design

EasyMax LT (LowTemp) er specielt udviklet til applikationer, der kræver reaktionstemperaturer mellem RT og -80 °C - uden at gå på kompromis med nøjagtighed, præcision, hurtig respons eller køleydelse til varmeafgivelse under en reaktion.

Eksperimenter kan forprogrammeres, køres automatisk og uden opsyn. Data fra onlineanalyse- eller stikprøveværktøjer indsamles og kan integreres i de data, opskrifter eller anmærkninger, der indsamles under eksperimentet og bruges til eksperimentevaluering og rapportering.

• Paul Brunel, Chloé Lhardy, Sonia Mallet-Ladeira, Julien Monot, Blanca Martin-Vaca, Didier Bourissou, "Palladiumtangkomplekser med en usymmetrisk SCN inden-baseret ligand med en hemilabil pyridin-sidearm", Dalton Trans., 2019, 48, 9801-9806.
• Kori A. Andrea, Tyler R. Brown, Jennifer N. Murphy, Dakshita Jagota, Declan McKearney, Christopher M. Kozak, Francesca M. Kerton, "Karakterisering af oxo-broede jernamino-bis(phenolat) komplekser dannet med vilje eller in situ: Mekanistisk indsigt i epoxiddeoxygenering under koblingen af CO2 og epoxider", Uorganisk kemi 2018, 57, 21, 13494-13504.
• Zackary R. Gregg, Justin R. Griffiths, Steven T. Diver, "Konformationskontrol af initieringshastighed i Hoveyda-Grubbs prækatalysatorer", Organometallics, 2018, 37, 10, 1526-1533.
• Justin R. Griffiths, Elan J. Hofman, Jerome B. Keister, Steven T. Diver, "Kinetik og mekanisme for isocyanid-fremmet carben-indsættelse i arylsubstituenten af en N-heterocyklisk carbenligand i ruthenium-baserede metatesekatalysatorer", Organometallics 2017, 36, 16, 3043-3052.
• Ross J.Beattie, Peter S. White, Joseph L. Templeton, "Dannelse af [(CO)(HCCH)Tp'W=NCH(CH3)CH(CH3)N=WTp'(HCCH)(CO)][I3]2 ved oxidation af Tp'W(CO)(HCCH)(NCHCH3) og radikal dimerisering", J. Organometallic Chem. 2017, 847, 54-58.
• Wen-Bo Liu, David P. Schuman, Yun-Fang Yang, Anton A. Toutov, Yong Liang, Hendrik F. T. Klare, Nasri Nesnas, Martin Oestreich, Donna G. Blackmond, Scott C. Virgil, Shibdas Banerjee, Richard N. Zare, Robert H. Grubbs, K. N. Houk, Brian M. Stoltz, "Kaliumtert-butoxid-katalyseret dehydrogenativ C-H silylering af heteroaromater: En kombineret eksperimentel og beregningsmæssig mekanistisk undersøgelse", J. Amer. Chem. Soc., 2017, 139, 20, 6867-6879.
• Ben Cheng, Hong Yi, Chuan He, Chao Liu, Aiwen Lei, "Afsløring af ligandeffekten på kobber(I)-disproportionering via Operando IR-spektre", Organometallics 2015, 3, 41, 206-211.
• Alexander FR Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, "Den reduktive aktivering af CO2 over en Ti-Ti dobbeltbinding: Syntetiske, strukturelle og mekanistiske undersøgelser", Organometallics 2015, 34, 20, 4816-4829.
• Alexander F. R. Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, " Binding i komplekser af bis(pentalene)dititanium, Ti2(C8H6)2", Organometallics 2015, 34, 4830−4843.
• Ryan D. Bethel, Danielle J. Crouthers, Chung-Hung Hsieh, Jason A. Denny, Michael B. Hall, Marcetta Y. Darensbourg, "Regioselektivitet i ligandsubstitutionsreaktioner på diironkomplekser styret af nukleofile og elektrofile ligandegenskaber", Inorg. Chem. 2015 5, 47, 3523-3535.

Wen-Bo Liu, David P. Schuman, Yun-Fang Yang, Anton A. Toutov, Yong Liang, Hendrik F. T. Klare, Nasri Nesnas, Martin Oestreich, Donna G. Blackmond, Scott C. Virgil, Shibdas Banerjee, Richard N. Zare, Robert H. Grubbs, K. N. Houk og Brian M. Stoltz, "Kaliumtert-butoxid-katalyseret dehydrogenativ C-H silylering af heteroaromater: En kombineret eksperimentel og beregningsmæssig mekanistisk undersøgelse", J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6867-6879.

I dette dybdegående studie undersøgte forskerne mekanismen, hvormed kaliumtert-butoxid katalyserer den dehydrogenative kobling af heteroarener med hydrosilaner for at danne heteroarylsilaner, som igen er mellemprodukter, der kan bruges til at bygge mere komplekse molekyler. Som en del af denne indsats brugte forskere ReactIR FTIR-spektroskopi til at undersøge den mulige tilstedeværelse af en koordineret silanart. I relateret forskning fra andre grupper blev det vist, at reaktionen af (RO)3SiH med den tilsvarende KOR (R = alkyl eller aryl) resulterer i femkoordinathydridosilikat [HSi(OR)4]K. Forskerne i dette arbejde postulerede et analogt pentakoordineret mellemprodukt for deres reaktion, men NMR-undersøgelser var ikke vellykkede med at give bekræftelse. De rapporterer dog beviser for denne pentakoordinatart ved at overvåge silyleringsreaktionen med ReactIR. Spektret af denne reaktion afslørede en ny top (2056 cm-1) ved siden af Si-H-strækbåndet i Et3SiH (2100 cm-1). De postulerede at denne top er i overensstemmelse med den aflange Si-H-binding, som forventet i sådanne pentakoordinatkomplekser. De observerede også, at den nye top korrelerede med silyleringsproduktdannelse og postulerede, at dannelsen af penta-koordinatsilikat er ansvarlig for den observerede induktionsperiode i reaktionen.