유기 금속 합성 및 화학

유기 금속 합성 또는 유기 금속 화학은 합성 유기 화학에서 광범위하게 사용되고 있습니다. 유기 금속 합성은 유기 금속 화합물을 만드는 프로세스를 말합니다. 유기 금속 화학은 유기, 무기, 생화학 및 촉매 화학에서 가장 활발하게 연구되는 분야 중 하나입니다. 이는 제약, 중합체 및 석유 화학 산업에서 사용되는 다수의 상업용 화합물의 합성에 유기 금속 시약을 사용함으로써 일어납니다.

유기 금속은 탄소 원자에 결합된 금속 원자를 함유하는 분자입니다. 예를 들어, 금속-질소, 금속-산소, 금속-인 결합을 가진 화합물은 배위 착화합물로 정의되지만 종종 유기 금속으로 기술된다. 유기 금속 화합물은 그룹 1 알칼리, 그룹 2 알칼리 토류, 그룹 3-12 전이족 및 13-15 주 그룹 원소뿐만 아니라 붕소 및 실리콘과 같은 메탈로이드를 함유하고 있을 수 있습니다. 유기 금속 화합물을 형성할 수 있는 원소의 큰 배열은 유기 금속 합성 절차에 대한 광범위한 연구를 가져옵니다. 또한 더욱 복잡하고 맞춤화된 유기 화합물의 합성에서 특정한 결합 및/또는 촉매 반응을 촉진하는 유기 금속 시약의 사용에 대한 연구 노력도 가져옵니다.

유기 금속을 합성하는 다른 많은 방법이 있습니다.

• 유기 금속 화합물을 합성하기 위해 가장 많이 사용되는 분석법 중 하나는 순수한 금속을 특정한 유기 분자와 반응시키는 것입니다. 이러한 유형의 합성의 예로는 가장 흔히 사용되는 두 가지 유기 금속 시약, 즉 유기 리튬 및 유기 마그네슘이 있으며, 금속은 알킬-할로겐화물 또는 아릴-할로겐화물과 반응하여 원하는 시약을 형성합니다.
  
  
• 이중 분해 반응에서, 금속 할로겐화물은 알킬화 시약과 교환하여 유기 금속 시약을 생성합니다. 일산화탄소는 전이 금속과 반응하여 금속 카르보닐을 형성합니다.
  
  
• 금속-유기체의 탈 카르보닐화 는 유기 금속 화합물을 생성하게 됩니다.
  
  
• 하이드로메탈화는 금속-수소 결합을 가진 분자가 이중 결합이 포함된 유기 분자와 반응하여 금속-탄소 결합을 갖는 유기 금속을 형성하는 합성 분석법입니다.

다양한 첨가 및 제거 반응이 금속-유기 분자에서 유기 금속 화합물을 형성합니다. 최적의 합성 분석법 선택은 종종 안전하고 효율적인 프로세스 개발을 보장하기 위한 인라인 분석 기법을 통해 알려지게 됩니다.

유기 금속 시약은 특정한 결합 및/또는 촉매 반응을 유발하므로 유기 분자를 합성하는 데 자주 사용됩니다. 이러한 반응 중 일부는 다른 방법으로 수행하기 어렵거나 실현 불가능합니다. 대부분의 유기 화합물에서 탄소 원자는 친전자적인 경향이 있지만, 유기 금속 화합물에서 금속 원자는 일반적으로 금속 원자가 부착된 탄소보다 전기 음성이 낮기 때문에 탄소는 다양한 강도의 친핵체로 작용합니다. 강한 전기 음성 금속이 관련되면 전하 분포에 의해 화합물은 본질적으로 더 이온성을 가지며 강한 반응성을 띨 수 있습니다.

예를 들어, 유기 리튬 화합물에서 탄소-리튬 결합은 보다 이온성이며 탄소는 보다 음극성이 됩니다. 유기 리튬 화합물의 결합은 유기 마그네슘 유사체(그리나드 시약)에서보다 더 강하게 극성화되어 유기 리튬을 그리나드에 비해 더 강한 친핵성과 반응성을 띠게 만듭니다. 유기 마그네슘 및 유기 리튬 시약 모두 탈양자화를 위한 강력한 염기이며, 다른 많은 유기 반응을 유발할뿐만 아니라 탄소-탄소 결합을 쉽게 형성합니다.

유기 금속 화합물은 촉매 화학 물질로 널리 사용됩니다. 전형적인 예는 분자 내의 다른 작용기에 영향을 주지 않으면서 알켄과 알킨을 환원하기 위해 클로로트리스(트라이페닐포스파인) 로듐을 사용하는 것입니다. 이포스핀 리간드가 있는 또 다른 유기 금속 기반 촉매 계열은 거울상 이성질화 수소화 반응에 사용됩니다. 수소화 및 하이드로포밀화 반응은 다양한 유기 로듐 또는 유기 코발트 화합물에 의해 촉매되는 산업적으로 중요한 반응입니다. 중합 반응은 올레핀을 중합하는 티타늄 및 알루미늄을 종종 함유하는 두 부분 촉매인 Ziegler-Natta 화합물과 같은 촉매를 사용하여 수행됩니다.

유기 금속 화합물의 수는 방대하며 주기율 표에 있는 대부분의 주요 원소를 포함합니다. 유기 금속의 대부분의 예는 주 그룹 원소 또는 전이 그룹 원소에 속해 있습니다. 이전 그룹에서의 결합이 보다 이온성 또는 시그마 결합입니다. 전형적인 예는 유기 리튬 또는 유기 마그네슘 화합물이며, 둘 모두 유기 합성에 중요합니다. 이온 결합이 높을수록 더욱 반응성이 높은 화합물이 됩니다. 전이 그룹 원소에서의 결합은 일반적으로 주 그룹 원소에 비해 더욱 공유결합을 형성하고 복잡합니다. 벤젠과 같은 금속-알킬, -알켄, -알킨 및 금속 아릴기는 종종 전이 원소와 결합됩니다. 이러한 화합물에서의 결합은 비국소 파이 결합 기여로 강력합니다.

중요한 유기 금속의 예에는 유기 리튬, 유기 보란(2주기 원소), 유기 마그네슘, 유기 규소(3주기 원소), 유기 철, 유기 코발트(4주기 원소), 유기 루테늄, 유기 주석(5주기 원소), 유기 백금, 유기 이리듐(6주기 원소)이 포함됩니다.

유기 금속 화합물은 반응성이 높고 일반적으로 매우 빠른 반응 물질입니다. 리튬-알루미늄 하이드라이드, 수소화붕소 리튬, 디이소부틸 알루미늄 하이드라이드 및 그리나드 시약을 포함하는 유기 금속 화합물로 작업하려면 저온에서 엄격한 온도 제어가 필요합니다. 결과적으로, 유기 금속 화합물과의 반응은 종종 0°에서 -78°C 사이의 온도에서 수행되어 반응을 제어하고 다음을 제공합니다.

• 올바른 제품 확보
• 선택성 보장
• 부반응, 부산물 형성 또는 분해 배제
• 반응 제어 및 안전 보장

전통적으로, 이러한 성분을 포함하는 합성은 드라이 아이스와 유기 용제, 또는 최대한 큰 저온유지장치를 넣은 냉각조를 사용하여 냉각됩니다. 온도와 관련하여 융통성이 없으므로, 냉각 혼합물의 사용은 까다로운 일이며 지속적인 관찰이 필요합니다. 사용되는 냉각 액체는 일반적으로 에탄올, 아세톤, 시클로헥산, 시클로헥사논 또는 이소프로판올과 같은 유기 용제입니다. 이들은 모두 가연성이므로 안전상 위험이 있습니다. 또한 유기 용제는 비쌀 수도 있습니다. 따라서 종래의 냉각 혼합물에는 한계가 있습니다.

열량 측정 기능을 제공하는 EasyMax 화학 합성 반응기는 보다 빠른 확대, 반응 열역학 측정 및 프로세스 안전성을 제공하기 위해 제약 및 화학 개발 실험실에서 반응 변수를 최적화하는 데 사용됩니다. 자동화된 실험실 반응기는 실험 파라미터와 성능을 수학적으로 관련시키는 실험 설계 연구 및 다른 분석법을 지원하는 데 최적화되어 있습니다.

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FTIR 분광광도계는 유기 금속 화합물을 조사하는 데 사용되는 기본적인 분석법 중 하나입니다. 금속의 전하 분포와 쌍극자 강도 – 탄소 결합은 반응성의 주요 표지 중 하나이며 유기 금속이 화학에 유용성을 가지는 주요 이유입니다. 적외선 분광광도계는 쌍극자 모멘트의 변화에 독특하게 민감하여 결합에 대한 뛰어난 통찰력을 제공합니다. 전이 금속 착화합물에서의 복잡한 금속-리간드 결합은 FTIR이 구조 정보를 제공하는 데 탁월한 또 다른 영역입니다. 적외선 스펙트럼은 결합 길이와 결합 강도에 대한 상대적인 정보를 제공합니다. 예를 들어, 적외선은 전이 금속과의 카르보닐 결합을 조사하기 위해 자주 사용되는데, 이는 카르보닐의 위치와 교상 결합 카르보닐의 위치에 따라 결합 강도와 직접 관련된 표시 피크 주파수 변화가 있기 때문입니다.

또한 Raman 분광광도계는 유기 금속 합성 및 구조 조사뿐만 아니라 금속-유기 합성 연구에도 사용됩니다. 지문 영역 스펙트럼 정보 외에도, Raman 분광광도계는 금속 함유 유기 화합물 및 금속-금속 결합에서 종종 관찰되는 저주파 진동을 측정하는 데 적합합니다. 또한, "녹색 화학"을 발전시키는 수용액에서 수행되는 유기 금속 화학에도 상당한 관심이 있습니다. 예를 들어, 몰리브도센은 수용액의 카르보닐 환원에 유용합니다. Raman은 수성 매체에서 분자 결합을 연구하기 위한 이상적인 선택입니다.

EasySampler 자동 샘플링은 오프라인 측정을 위해 각 샘플을 in situ 캡처, 퀜칭 및 준비하는 고유한 분석법을 구현합니다. 이 무인 및 자동 샘플링 기술을 사용하면 공기 및 수분에 민감하고, 이질적이며, 반응성이 높은 유기 금속 화학에서 대표적인 샘플을 채취할 수 있습니다. Ullmann 및 Buchwald-Hartwig와 같은 유기 금속 합성에서의 탄소-탄소 및 탄소-질소 커플링 반응은 in situ 샘플링에서 EasySampler를 사용하여 유기 금속 반응을 모니터링할 수 있는 방법을 보여줍니다.

ReactIR 및 ReactRaman은 앞서 언급한 기본 기술의 모든 이점과 실시간 in situ 측정 기술의 추가적인 이점을 모두 갖추고 있습니다. 이를 통해 실제 반응 조건과 시간의 함수로 반응을 조사할 수 있습니다. 두 기법 모두 배치 또는 흐름 합성 반응에 적용할 수 있습니다.

전형적인 유기 화학에서처럼 ReactIR/ReactRaman 기술은 반응 동역학, 메커니즘, 과도 중간체의 존재 및 동일성 관련 통찰력에 대한 자세한 정보를 제공합니다. 유기 금속 화학은 종종 저온 또는 고온, 고압 및/또는 산소 및 수증기의 결핍과 같은 다양한 반응 조건 하에서 수행되기 때문에, 분석을 위해 샘플을 수동으로 제거하지 않고 화학 물질을 측정하는 능력이 중요합니다. 많은 유기 금속 화합물은 독성이 높기 때문에 실험실 안전을 보장하기 위해서는 in situ 분석이 중요합니다.

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• 실제 반응 조건에서 유기 금속 합성 연구
• 시간의 함수로 반응물 및 시약 추적
• 반응 트렌드 및 진행 측정
• 과도 현상을 포함한 주요 중간체 종 식별
• 유기 금속 반응 동역학 및 메커니즘 판별
• 중간체를 포함한 유기 금속 화합물의 구조 판별
• 금속-리간드 결합 및 리간드 분리에 대한 통찰력 확보
• 금속-유기 합성 동역학/메커니즘에 대한 철저한 이해 개발
• 물을 포함한 모든 용매에서 유기 금속 반응 조사
• 중요한 저주파 금속 진동 측정
• 유리 반응기 용기를 통한 반응 측정
• 수동 샘플링 및 독성 화합물에 대한 불필요한 노출 배제
• 배치 및 흐름 합성에 적합

개별적으로 또는 통합된 화학 워크스테이션으로서, 이러한 도구는 보다 나은 유기 금속 합성 반응을 위한 중요한 지원을 제공합니다.

• FTIR 분광광도계 및 Raman 분광광도계
  역학 및 메커니즘 연구를 돕기 위한 반응 시간의 함수로서 주요 반응 종에 대한 실시간 추적 및 프로파일링
• 자동, 인라인 샘플링(EasySampler)
  무인, 오프라인 분석 필요 시 반응의 대표 샘플링
• 화학 합성 반응기 (EasyMax and OptiMax)
  무인, 정밀 제어 및 반응 조건 데이터 수집
• 반응 및 열 흐름 열량계(RC1mx 및 HFCal)
  설계에 의한 안전성을 보장하기 위해 완전한 반응열 측정

EasyMax LT(LowTemp)는 반응 중 열 방출에 대한 정확성, 정밀성, 빠른 반응 또는 냉각 성능을 저하시키지 않으면서 실온과 -80°C 사이의 반응 온도가 필요한 Application을 위해 특별히 개발되었습니다.

실험은 사전 프로그래밍되고 자동 및 무인으로 실행될 수 있습니다. 온라인 분석 또는 샘플링 도구의 데이터가 수집되고 실험 중에 수집된 데이터, 레시피 또는 주석에 통합되어 실험 평가 및 보고서에 사용될 수 있습니다.

• Paul Brunel, Chloé Lhardy, Sonia Mallet-Ladeira, Julien Monot, Blanca Martin-Vaca, Didier Bourissou, “Palladium pincer complexes featuring an unsymmetrical SCN indene-based ligand with a hemilabile pyridine sidearm” , Dalton Trans., 2019, 48, 9801-9806.
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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, and Brian M. Stoltz, “Potassium tert-Butoxide-Catalyzed Dehydrogenative C−H Silylation of Heteroaromatics: A Combined Experimental and Computational Mechanistic Study”, J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6867−6879.

이 심층 연구에서 연구원들은 칼륨 터트-부톡사이드가 헤테로아렌과 하이드로실란의 탈수소 결합을 촉매하여 헤테로아릴실란을 형성하는 메커니즘을 조사했으며, 이는 더 복잡한 분자를 만드는 데 사용될 수 있는 중간체입니다. 이러한 노력의 일환으로 연구자들은 ReactIR FTIR 분광광도계를 사용하여 조정된 실란 종의 존재 가능성을 조사했습니다. 다른 군에 의한 관련 연구에서, (RO) 3SiH와 상응하는 KOR(R = 알킬 또는 아릴)과의 반응은 5배위 수소화물규산염 [HSi(OR)4]K를 초래한다는 것이 밝혀졌습니다. 이 작업의 연구자들은 해당 반응에 대해 유사한 5배위 중간체를 상정했지만, NMR 연구에서는 확인에 실패했습니다. 그러나 그들은 ReactIR과의 실릴화 반응을 모니터링함으로써 이 5배위 종에 대한 증거를 보고합니다. 이 반응의 스펙트럼은 Et3SiH(2,100 cm-1)에서 Si-H 스트레칭 밴드에 인접한 새로운 피크(2,056 cm-1)를 나타냈습니다. 그들은 이 피크가 5배위 착화합물에서 예상되는 연장된 Si-H 결합과 일치한다고 상정했습니다. 그들은 또한 새로운 피크가 실릴화 생성물 형성과 관련이 있다는 것을 관찰했고 5배위 규산염의 형성이 반응에서 관찰된 유도 기간에 원인이 있다고 상정했습니다.