Fémorganikus szintézis és kémia

A fémorganikus szintézis vagy fémorganikus kémia széles körű felhasználási területet képvisel a szintetikus szerves kémiában. A fémorganikus szintézis a fémorganikus vegyületek létrehozásának folyamatára utal. A fémorganikus kémia a szerves, szervetlen, biokémiai és katalitikus kémia legaktívabban kutatott területei közé tartozik. Ez a fémorganikus reagensek alkalmazásából származik a gyógyszeriparban, polimeriparban és petrolkémiai iparban használt számos kereskedelmi vegyület szintézisében.

A fémorganikus olyan molekula, amely szénatomhoz kötött fématomot tartalmaz. A fém-nitrogén, fém-oxigén, fém-foszfor kötéseket tartalmazó vegyületeket koordinációs komplexekként definiálják, de gyakran fémorganikusnak nevezik. A fémorganikus vegyületek tartalmazhatnak 1. csoportba tartozó alkáli, 2. csoportú alkáliföldfémet, 3-12. csoportba tartozó átmeneti és 13-15 főcsoportos elemeket, valamint metalloidokat, például bórt és szilíciumot. A fémorganikus vegyületeket alkotó elemek széles skálája hatalmas kutatásokat eredményez a fémorganikus szintézis eljárásaiban. Kutatási erőfeszítések folynak a fémorganikus reagensek alkalmazására is egyre összetettebb és testre szabott szerves vegyületek szintézisében, amelyekhez fémorganikus reagensek specifikus kötést hajtanak végre és/vagy katalizálják a reakciókat.

A fémorganikus anyagok szintetizálásának számos más módja is van:

• A fémorganikus vegyületek szintézisének egyik leggyakrabban használt módszere a tiszta fém reakciója specifikus szerves molekulákkal. Az ilyen típusú szintézisre példa a két leggyakrabban használt fémorganikus reagens, a szerves lítium és a szerves magnézium, amelyekhez a fémet alkil- vagy aril-halogeniddel reakcióba léptetve a kívánt reagenst képezzük.
  
  
• A kettős bomlási reakciókban a fémhalogenidek alkilező reagensekkel cserélődnek, hogy fémorganikus reagenst kapjanak. A szén-monoxid reakcióba lép az átmeneti fémekkel, és fémkarbonilokat képez.
  
  
• A fém-szerves dekarbonilezés fémorganikus vegyületet eredményez.
  
  
• A hidrofémezés egy olyan szintézismódszer, amelyben egy fém-hidrogén kötéssel rendelkező molekula reakcióba lép egy kettős kötést tartalmazó szerves molekulával, fémorganikus kötést képezve fém-szén kötéssel.

Különböző addíciós és eliminációs reakciók fémorganikus vegyületeket képeznek fémorganikus molekulákból. Az optimális szintézis módszer kiválasztását gyakran inline analitikai technikák határozzák meg a biztonságos és hatékony folyamatfejlesztés biztosítása érdekében.

A fémorganikus reagenseket gyakran használják szerves molekulák szintézisére, mivel specifikus kötést hajtanak végre és/vagy katalizálják a reakciókat. Ezen reakciók némelyikét nehéz vagy nem praktikus más eszközökkel végrehajtani. A legtöbb szerves vegyületben a szénatomok általában elektrofilek, de a fémorganikus vegyületekben, mivel a fématom jellemzően kevésbé elektronegatív, mint a szén, amelyhez kapcsolódik, a szén változó erősségű nukleofilként működik. Ha erősen elektronegatív fémről van szó, a töltéseloszlás olyan, hogy a vegyület ionosabb jellegű és erősen reaktív lehet. 

Például a szerves lítiumvegyületekben a C-Li kötés ionosabb, a C pedig negatívabban polarizált. A szerves lítiumvegyületek kötései erősebben polarizáltak, mint szerves magnézium-analógjaikban (Grignard-reagensek), így a szerves lítium erősebb nukleofil és reaktívabb a Grignardhoz képest. Mind a szerves magnézium, mind a szerves lítium reagensek erős alapok a deprotonáláshoz, és könnyen képeznek CC kötéseket, valamint sok más szerves reakciót hajtanak végre.

A fémorganikus vegyületeket széles körben használják katalitikus kémiában. Klasszikus példa a klorotris (trifenilfoszfin) ródium alkalmazása az alkének és alkinok csökkentésére - anélkül, hogy befolyásolná a molekula más funkciós csoportjait. A Josiphos difoszfin ligandumokat tartalmazó fémorganikus alapú katalizátorok egy másik családját használják enantioszelektív hidrogénezési reakciókhoz. A hidrogénezési és hidroformilezési reakciók iparilag fontos reakciók, amelyeket különféle szerves orhodium vagy szerves kobaltvegyületek katalizálnak. A polimerizációs reakciókat katalizátorokkal, például Ziegler-Natta vegyületekkel hajtják végre, amelyek kétrészes katalizátorok, amelyek gyakran tartalmaznak Ti-t és Al-t, amelyek polimerizálják az olefineket.

A fémorganikus vegyületek száma hatalmas, és lefedi a periódusos csoportok legtöbb fő elemét. A fémorganikus elemek legtöbb példája vagy a fő csoportelemek, vagy az átmeneti csoport elemei. Az előbbi csoportban a kötés ionosabb vagy szigmakötésű. A klasszikus példák a szerves lítium vagy szerves magnézium vegyületek, amelyek mindkettő fontos a szerves szintézisben. A nagyobb ionos kötés reaktívabb vegyületet eredményez. Az átmeneti csoport elemeiben a kötés jellemzően kovalens és összetettebb a fő csoportelemekhez képest. A fém-alkil, -alkén és -alkin, valamint a fém-arilcsoportok, például a benzol gyakran átmeneti elemekkel vannak kötve. Ezekben a vegyületekben a kötés erős, delokalizált pi-kötéssel.

A fontos fémorganikus anyagok közé tartozik például a szerves lítium, a szerves borán (2. periódus elem), a szerves magnézium, a szerves szilícium (3. periódus elem), a szerves vas, a szerves kobalt (4. periódus elem), az organorutenium, a szerves ón (5. periódus elem), a szerves platina, a szerves oiridium (6. periódus elem).

A fémorganikus vegyületek nagyon reaktívak és jellemzően nagyon gyors reakciókkal rendelkeznek. A fémorganikus vegyületekkel, köztük a lítium-alumínium-hidriddel, a lítium-bórhidriddel, a diizobutil-alumínium-hidridel és a Grignard-reagensekkel végzett munka szigorú hőmérséklet-szabályozást igényel alacsony hőmérsékleten. Következésképpen a fémorganikus vegyületekkel végzett reakciókat gyakran 0 °C és -78 °C közötti hőmérsékleten futtatják a reakció szabályozására, és:

• Szerezze be a megfelelő terméket
• Szelektivitás biztosítása
• Kerülje el a mellékreakciókat, a melléktermékek képződését vagy a bomlást
• Biztosítsa a reakciószabályozást és a biztonságot

Hagyományosan az ilyen komponenseket tartalmazó szintéziseket szárazjéggel és szerves oldószerrel, esetleg nagy és terjedelmes kriosztáttal ellátott hűtőfürdőkkel hűtik. A hűtőkeverékek használata kihívást jelent, mivel nincs rugalmasság a hőmérséklet tekintetében, és állandó megfigyelésre van szükség. A felhasznált hűtőfolyadékok jellemzően szerves oldószerek, például etanol, aceton, ciklohexán, ciklohexanon vagy izopropanol. Mindegyik biztonsági kockázatot jelent, mivel gyúlékony. A szerves oldószerek is drágák lehetnek. Ezért a hagyományos hűtőkeverékeknek vannak korlátai.

A kalorimetriai képességet kínáló EasyMaxkémiai szintézisreaktorokat gyógyszerészeti és vegyipari fejlesztő laboratóriumokban használják a reakcióváltozók optimalizálására, a gyorsabb méretezés, a reakciótermodinamika mérése és a folyamatbiztonság érdekében. Az automatizált laboratóriumi reaktor optimális a kísérlettervezési vizsgálatok és más módszerek támogatásához, amelyek matematikailag összekapcsolják a kísérleti paramétereket és a teljesítményt.

Tekintse meg az élő eDemót a munkahelyéről vagy az otthoni irodájából az ütemterv szerint.

Az FTIR spektroszkópia az egyik alapvető elemzési módszer, amelyet fémorganikus vegyületek vizsgálatára használnak. A fém töltéseloszlása és dipólusszilárdsága – a szénkötés a reakcióképesség egyik fő markere, és a szerves fémek ilyen hasznosságának fő oka a kémiában. Az infravörös spektroszkópia egyedülállóan érzékeny a dipólusmomentumok változásaira, így nagyszerű betekintést nyújt a kötésbe. A komplex fém-ligandum kötés átmenetifém-komplexekben egy másik terület, ahol az FTIR kiválóan nyújt szerkezeti információkat. Az infravörös spektrumok relatív információt adnak a kötések hosszáról és a kötés erősségéről. Például az infravörös réteget gyakran használják az átmeneti fémekkel való karbonilkötés vizsgálatára, mivel a karbonil helyzetétől függően, valamint attól, hogy áthidaló karbonilról van-e szó, indikatív csúcsfrekvencia-változások vannak, amelyek közvetlenül kapcsolódnak a kötés szilárdságához.

A Raman-spektroszkópiát a fémorganikus szintézis és szerkezet vizsgálatára, valamint a fémorganikus szintézis tanulmányozására is használják. Az ujjlenyomat-régió spektrális információi mellett a Raman-spektroszkópia kiválóan alkalmas az alacsonyabb frekvenciájú rezgések mérésére, amelyek gyakran megfigyelhetők fémtartalmú szerves vegyületekben és fém-fém kötésben. Emellett jelentős érdeklődés mutatkozik a vizes oldatban végzett fémorganikus kémia iránt a "zöld kémia" előmozdításában. Például a molibdokének hasznosak a karbonil-redukcióhoz vizes oldatban. A Raman ideális választás a molekuláris kötések vizes közegben történő tanulmányozására.

Az EasySampler automatizált mintavételezés egyedülálló módszert alkalmaz az egyes minták in situ rögzítésére, kioltására és offline mérésekre való előkészítésére. Ez a felügyelet nélküli és automatizált mintavételi technológia lehetővé teszi reprezentatív mintavételt a levegő- és nedvességérzékeny, heterogén és nagy reaktív fémorganikus kémia területén. A fémorganikus szintézis során a C-C és C-N csatolási reakciók, mint például az Ullmann és a Buchwald-Hartwig, feltárják, hogyan lehet nyomon követni a fémorganikus reakciókat az EasySampler in situ mintavétellel.

A ReactIR és a ReactRaman az alapvető technikák fent említett előnyeivel, valamint a valós idejű, helyszíni mérés további előnyeivel rendelkezik. Ez lehetővé teszi a reakciók vizsgálatát az idő függvényében és a tényleges reakciókörülmények között. Mindkét technika alkalmazható kötegelt vagy áramlási szintézisreakcióra.

A klasszikus szerves kémiához hasonlóan a ReactIR/ReactRaman technológia is részletes információkat nyújt a reakció kinetikájáról, mechanizmusairól, valamint a tranziens intermedierek jelenlétéről és azonosságáról. Mivel a fémorganikus kémiát gyakran változatos reakciókörülmények között végzik, például alacsony vagy magas hőmérsékleten, megemelt nyomáson és/vagy oxigén és vízgőz hiányában, kritikus fontosságú a kémia mérése anélkül, hogy manuálisan eltávolítanák a mintát elemzés céljából. Mivel sok fémorganikus vegyület erősen mérgező, az in situ elemzés fontos a laboratóriumi biztonság biztosításához.

Tekintse meg az élő eDemót a munkahelyéről vagy az otthoni irodájából az ütemterv szerint.

• Fémorganikus szintézis vizsgálata tényleges reakciókörülmények között
• Kövesse nyomon a reagenseket és reagenseket az idő függvényében
• Mérje meg a reakciótrendeket és az előrehaladást
• Azonosítsa a kulcsfontosságú köztes fajokat, beleértve a tranzienseket is
• Fémorganikus reakció kinetikájának és mechanizmusának meghatározása
• Fémorganikus vegyületek szerkezetének meghatározása, beleértve a köztes termékeket is
• Betekintést nyerhet a fém-ligandum kötésbe és a ligandum disszociációjába
• A metallo-szerves szintézis kinetikájának/mechanizmusának alapos megértése
• Vizsgálja meg a fémorganikus reakciókat minden oldószerben, beleértve a vizet is
• Mérje meg a fontos alacsonyabb frekvenciájú fémrezgéseket
• Mérje meg a reakciókat üvegreaktor edényeken keresztül
• Szüntesse meg a kézi mintavételt és a mérgező vegyületeknek való szükségtelen kitettséget
• Alkalmas szakaszos és áramlási szintézisekhez

Ezek az eszközök külön-külön vagy integrált kémiai munkaállomásként kritikus támogatást nyújtanak a jobb fémorganikus szintézisreakciókhoz:

• FTIR spektrométerek és Raman-spektrométerek
  A kulcsfontosságú reakciófajok valós idejű nyomon követése és profilozása a reakcióidő függvényében a kinetika és a mechanisztikus vizsgálatok elősegítése érdekében
• Automatizált, inline mintavételezés (EasySampler)
  Felügyelet nélküli, reprezentatív mintavétel a reakciókból, ha offline elemzésre van szükség
• Kémiai szintézis reaktorok (EasyMax és OptiMax)
  A reakciókörülmények felügyelet nélküli, precíz ellenőrzése és adatgyűjtése
• Reakció- és hőáramlási kaloriméterek (RC1mx és HFCal)
  Mérje meg a teljes reakcióhőt a tervezés szerinti biztonság érdekében

Az EasyMax LT-t (LowTemp) kifejezetten olyan alkalmazásokhoz fejlesztették ki, amelyek RT és -80 °C közötti reakcióhőmérsékletet igényelnek - anélkül, hogy kompromisszumot kötnének a pontosság, a pontosság, a gyors reakció vagy a reakció során felszabaduló hűtési teljesítmény terén.

A kísérletek előre programozhatók, automatikusan futtathatók és felügyelet nélkül is elvégezhetők. Az online analitikai vagy mintavételi eszközökből származó adatokat összegyűjtik, és integrálhatják a kísérlet során gyűjtött adatokba, receptekbe vagy megjegyzésekbe, és felhasználhatók a kísérlet értékeléséhez és jelentéséhez.

• Paul Brunel, Chloé Lhardy, Sonia Mallet-Ladeira, Julien Monot, Blanca Martin-Vaca, Didier Bourissou, "Palladium fogókomplexek aszimmetrikus SCN-indén alapú ligandummal hemilabile piridin oldalfegyverrel", 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, "Szándékosan vagy in situ képződött oxo-hídas vas-amino-bisz(fenolát) komplexek jellemzése: Mechanisztikus betekintés az epoxid-deoxigenizációba a CO2 és az epoxidok összekapcsolása során", Szervetlen kémia 2018, 57, 21, 13494-13504.
• Zackary R. Gregg, Justin R. Griffiths, Steven T. Diver, "A beindítási sebesség konformációs szabályozása Hoveyda–Grubbs prekatalizátorokban", Organometallics, 2018, 37, 10, 1526-1533.
• Justin R. Griffiths, Elan J. Hofman, Jerome B. Keister, Steven T. Diver, "Az izocianiddal támogatott karbén beillesztésének kinetikája és mechanizmusa egy n-heterociklusos karbénligandum aril-szubsztituensébe ruténium-alapú metatéziskatalizátorokban", Organometallics 2017, 36, 16, 3043-3052.
• Ross J.Beattie, Peter S. White, Joseph L. Templeton, "[(CO)(HCCH)Tp'W=NCH(CH3)CH(CH3)N=WTp'(HCCH)(CO)][I3]2 képződése a Tp'W(CO)(HCCH)(NCHCH3) oxidációjával és radikális dimerizációval", 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, "Heteroaromás anyagok kálium-terc-butoxid-katalizált dehidrogenatív C–H szililációja: kombinált kísérleti és számítógépes mechanisztikus tanulmány", J. Amer. Chem. Soc., 2017, 139, 20, 6867-6879.
• Ben Cheng, Hong Yi, Chuan He, Chao Liu, Aiwen Lei, "A ligandumhatás feltárása a réz(I) aránytalanságára az operando IR spektrumon keresztül", Organometallics 2015, 3, 41, 206-211.
• Alexander F. R. Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, "A CO2 reduktív aktiválása egy Ti-Ti kettős kötésen keresztül: szintetikus, szerkezeti és mechanisztikus tanulmányok", Organometallics 2015, 34, 20, 4816-4829.
• Alexander F. R. Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, "Kötés a bisz(pentalén)dititánium komplexeiben, 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, "Regioszelektivitás a ligandum szubsztitúciós reakcióiban a nukleofil és elektrofil ligandum tulajdonságai által szabályozott divaskomplexeken", 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 és Brian M. Stoltz, "Heteroaromás anyagok kálium-terc-butoxid-katalizált dehidrogenatív C−H szililés: kombinált kísérleti és számítógépes mechanisztikus tanulmány", J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6867−6879.

Ebben a mélyreható tanulmányban a kutatók azt a mechanizmust vizsgálták, amellyel a kálium-terc-butoxid katalizálja a heteroarének és a hidroszilánok dehidrogénatív csatolását, hogy heteroaril-szilánokat képezzenek, amelyek viszont intermedierek, amelyek felhasználhatók összetettebb molekulák felépítésére. Ennek az erőfeszítésnek a részeként a kutatók a ReactIR FTIR spektroszkópiát használták egy koordinált szilánfaj lehetséges jelenlétének vizsgálatára. Más csoportok kapcsolódó kutatásaiban kimutatták, hogy az (RO)3SiH reakciója a megfelelő KOR-ral (R = alkil vagy aril) öt koordináta-hidridoszilikátot eredményez [HSi(OR)4]K. A kutatók ebben a munkában analóg pentakoordinált intermediert feltételeztek reakciójukhoz, de az NMR-vizsgálatok nem voltak sikeresek megerősítést nyújtani. Bizonyítékokról azonban beszámolnak erre a pentakoordináta fajra a szililációs reakció ReactIR-rel történő megfigyelésével. Ennek a reakciónak a spektruma egy új csúcsot (2056 cm-1) tárt fel az Et3SiH (2100 cm-1) Si-H nyújtó sávja mellett. Feltételezték, hogy ez a csúcs összhangban van a megnyúlt Si−H kötéssel, ahogy az ilyen pentakoordináta komplexeknél várható. Azt is megfigyelték, hogy az új csúcs korrelál a szililációs termék képződésével, és feltételezték, hogy a penta koordináta-szilikát képződése felelős a reakcióban megfigyelt indukciós periódusért.