Organokovinska sinteza in kemija

Organokovinska sinteza ali organokovinska kemija predstavlja široko področje uporabe v sintetični organski kemiji. Organokovinska sinteza se nanaša na proces ustvarjanja organokinskih spojin. Organokovinska kemija je med najbolj aktivno raziskovanimi področji organske, anorganske, biokemične in katalitične kemije. To izhaja iz uporabe organokovinskih reagentov pri sintezi številnih komercialnih spojin, ki se uporabljajo v farmacevtski, polimerni in petrokemični industriji.

Organokinska je molekula, ki vsebuje kovinski atom, vezan na ogljikov atom. Spojine, na primer z vezmi kovina-dušik, kovina-kisik, kovina-fosfor, so opredeljene kot koordinacijski kompleksi, vendar so pogosto opisane kot organokovinske. Organokovinske spojine lahko vsebujejo alkalije skupine 1, alkalijske zemeljske skupine 2, prehodne skupine 3-12 in elemente glavne skupine 13-15 ter metaloide, kot sta bor in silicij. Velika paleta elementov, ki lahko tvorijo organokovinske spojine, ima za posledico obsežne raziskave postopkov za organokovinsko sintezo. Obstajajo tudi raziskovalna prizadevanja za uporabo organokovinskih reagentov pri sintezi vedno bolj zapletenih in prilagojenih organskih spojin, za katere organokovinski reagenti poganjajo specifične reakcije vezave in / ali katalizirajo.

Obstajajo številni drugi načini za sintezo organokovin:

• Ena izmed najpogosteje uporabljenih metod za sintezo organokovinske spojine je reakcija čiste kovine s specifičnimi organskimi molekulami. Primera te vrste sinteze sta dva najpogosteje uporabljena organokovinska reagenta, organolitij in organomagnezij, pri katerih kovina reagira z alkil- ali aril-halogenidom, da nastane želeni reagent.
  
  
• V reakcijah dvojne razgradnje se kovinski halogenidi izmenjujejo z alkilirajočimi reagenti, da dobijo organokovinski reagent. Ogljikov monoksid reagira s prehodnimi kovinami in tvori kovinske karbonile.
  
  
• Dekarbonilacija kovinsko-organske bo ustvarila organokovinsko spojino.
  
  
• Hidrometalizacija je metoda sinteze, pri kateri molekula z kovinsko-vodikovo vezjo reagira z organsko molekulo, ki vsebuje dvojno vez, in tvori organokovino z vezjo kovina-ogljik.

Različne reakcije dodajanja in izločanja tvorijo organokovinske spojine iz kovinsko-organskih molekul. Izbira optimalne metode sinteze je pogosto odvisna od inline analitičnih tehnik, da se zagotovi varen in učinkovit razvoj procesa.

Organokovinski reagenti se pogosto uporabljajo za sintezo organskih molekul, saj poganjajo specifične vezivne in / ali katalizirne reakcije. Nekatere od teh reakcij je težko ali nepraktično izvesti z drugimi sredstvi. V večini organskih spojin so atomi ogljika ponavadi elektrofilni, v organokinskih spojinah, ker je atom kovine običajno manj elektronegativen kot ogljik, na katerega je pritrjen, ogljik deluje kot nukleofil različne moči. Kadar gre za močno elektronegativno kovino, je porazdelitev naboja takšna, da je spojina bolj ionske narave in je lahko močno reaktivna. 

Na primer, v organolitijevih spojinah je vez C-Li bolj ionska, C pa bolj negativno polarizirana. Vezi v organolitijevih spojinah so močneje polarizirane kot v njihovih organomagnezijevih analogih (Grignardovi reagenti), zaradi česar je organollitij močnejši nukleofil in bolj reaktiven v primerjavi z Grignardom. Tako organomagnezijevi kot organolitijevi reagenti so močne baze za deprotonacijo in zlahka tvorijo C-C vezi, pa tudi poganjajo številne druge organske reakcije.

Organokovinske spojine se pogosto uporabljajo v katalitski kemiji. Klasičen primer je uporaba klorotrisa (trifenilfosfina) rodija za zmanjšanje alkenov in alkinov - brez vpliva na druge funkcionalne skupine v molekuli. Druga družina organokovinskih katalizatorjev z Josiphosovim difosfinskim ligandom se uporablja za enantioselektivne hidrogenacijske reakcije. Reakcije hidrogenacije in hidroformilacije so industrijsko pomembne reakcije, ki jih katalizirajo različne organorhodijeve ali organokobaltove spojine. Polimerizacijske reakcije se izvajajo z uporabo katalizatorjev, kot so spojine Ziegler-Natta, ki so dvodelni katalizatorji, ki pogosto vsebujejo Ti in Al, ki polimerizirajo olefine.

Število organokovinskih spojin je veliko in pokriva večino glavnih elementov v periodičnih skupinah. Večina primerov organokovin je bodisi v elementih glavne skupine ali v elementih prehodne skupine. V prvi skupini je vez bolj ionska ali sigma vezana. Klasični primeri so organolitijeve ali organomagnezijeve spojine, ki so pomembne pri organski sintezi. Višja ionska vez povzroči bolj reaktivno spojino. V elementih prehodne skupine je vez običajno bolj kovalentna in kompleksna v primerjavi z elementi glavne skupine. Kovinsko-alkilne, -alkenske in -alkinske in kovinske arilne skupine, kot je benzen, so pogosto vezane s prehodnimi elementi. Vez v teh spojinah je močna z delokaliziranimi prispevki pi vezi.

Primeri pomembnih organokovinskih snovi so organolitij, organoboran (elementi iz obdobja 2), organomagnezij, organosilicij (elementi iz obdobja 3), organoželezo, organokobalt (elementi iz obdobja 4), organotenij, organkositr (obdobje 5 elementov), organoplatina, organoiridium (elementi iz obdobja 6).

Organokovinske spojine so zelo reaktivne in imajo običajno zelo hitre reakcije. Delo z organokovinskimi spojinami, vključno z litij-aluminijevim hidridom, litijevim borohidridom, diizobutilaluminijevim hidridom in Grignardovimi reagenti, zahteva strog nadzor temperature pri nizkih temperaturah. Zato se reakcije z organokinskimi spojinami pogosto izvajajo pri temperaturah med 0 ° in -78 ° C za nadzor reakcije in:

• Pridobite pravi izdelek
• Zagotovite selektivnost
• Izogibajte se stranskim reakcijam, nastajanju stranskih proizvodov ali razgradnji
• Zagotovite nadzor in varnost reakcij

Tradicionalno se sinteze, ki vključujejo takšne komponente, ohladijo s hladilnimi kopelmi s suhim ledom in organskim topilom ali morda z velikim in obsežnim kriostatom. Uporaba hladilnih mešanic je izziv, saj ni prožnosti glede temperature in je potrebno stalno opazovanje. Uporabljene hladilne tekočine so običajno organska topila, kot so etanol, aceton, cikloheksan, cikloheksanon ali izopropanol. Vsi predstavljajo varnostno tveganje, saj so vnetljivi. Organska topila so lahko tudi draga. Zato imajo tradicionalne hladilne mešanice omejitve.

Reaktorji zakemično sintezo EasyMax, ki ponujajo kalorimetrično zmogljivost, se uporabljajo v farmacevtskih in kemijskih razvojnih laboratorijih za optimizacijo reakcijskih spremenljivk, za hitrejše povečanje, merjenje reakcijske termodinamike in varnost procesov. Avtomatizirani laboratorijski reaktor je optimalen za podporo študijam načrtovanja poskusov in drugim metodam, ki matematično povezujejo eksperimentalne parametre in zmogljivost.

Oglejte si e-predstavitev v živo iz službe ali domače pisarne po urniku.

FTIR spektroskopija je ena od temeljnih metod analize, ki se uporabljajo za raziskovanje organokovinskih spojin. Porazdelitev naboja in dipolna trdnost kovinsko-ogljikove vezave je eden glavnih označevalcev reaktivnosti in ključni razlog, zakaj so organokovinske snovi tako uporabne v kemiji. Infrardeča spektroskopija je edinstveno občutljiva na spremembe dipolnih momentov in tako daje odličen vpogled v vez. Kompleksna vezava kovin in ligandov v kompleksih prehodnih kovin je še eno področje, kjer se FTIR odlikuje pri zagotavljanju strukturnih informacij. Infrardeči spektri dajejo relativne informacije o dolžini vezi in moči vezi. Na primer, infrardeča povezava se pogosto uporablja za raziskovanje karbonilne vezi s prehodnimi kovinami, saj glede na položaj karbonila in če gre za premostitveni karbonil, obstajajo indikativne spremembe najvišje frekvence, ki so neposredno povezane z močjo vezi.

Ramanova spektroskopija se uporablja tudi za raziskovanje organokovinske sinteze in strukture ter za preučevanje metalo-organo sinteze. Poleg spektralnih informacij o območju prstnih odtisov je Ramanova spektroskopija zelo primerna za merjenje nižjih frekvenčnih vibracij, ki jih pogosto opazimo v organskih spojinah, ki vsebujejo kovine, in pri vezavah kovin-kovina. Prav tako obstaja veliko zanimanje za organokovinsko kemijo, ki se izvaja v vodni raztopini pri napredovanju "zelene kemije". Na primer, molibdoceni so koristni za karbonilne redukcije v vodni raztopini. Raman je idealna izbira za preučevanje molekularnih vezi v vodnih medijih.

Avtomatizirano vzorčenje EasySampler izvaja edinstveno metodo zajemanja, gašenja in priprave vsakega vzorca na kraju samem za meritve brez povezave. Ta nenadzorovana in avtomatizirana tehnologija vzorčenja omogoča odvzem reprezentativnega vzorca v heterogeni in visoko reaktivni organokovinski kemiji, občutljivi na zrak in vlago. C-C in C-N spojne reakcije v organokovinski sintezi, kot sta Ullmann in Buchwald-Hartwig, razkrivajo, kako je mogoče organokovinske reakcije spremljati z uporabo vzorčenja na kraju samem EasySampler.

ReactIR in ReactRaman imata vse zgoraj omenjene prednosti osnovnih tehnik, skupaj z dodatnimi prednostmi merjenja v realnem času, in situ. To omogoča raziskovanje reakcij glede na čas in v dejanskih reakcijskih pogojih. Obe tehniki se lahko uporabita za reakcijo šaržne ali pretočne sinteze.

Kot v klasični organski kemiji tehnologija ReactIR / ReactRaman zagotavlja podrobne informacije o reakcijski kinetiki, mehanizmih in vpogled v prisotnost in identiteto prehodnih vmesnih izdelkov. Ker se organokinska kemija pogosto izvaja v različnih reakcijskih pogojih, kot so nizka ali povišana temperatura, povišan tlak in/ali v odsotnosti kisika in vodne pare, je sposobnost merjenja kemije brez ročnega odvzema vzorca za analizo ključnega pomena. Ker so številne organokovinske spojine zelo strupene, je analiza na kraju samem pomembna za zagotavljanje varnosti v laboratoriju.

Oglejte si e-predstavitev v živo iz službe ali domače pisarne po urniku.

• Študija sinteze organokovin v dejanskih reakcijskih pogojih
• Sledite reaktantom in reagentom kot funkciji časa
• Merjenje reakcijskih trendov in napredka
• Opredelitev ključnih vmesnih vrst, vključno s prehodnimi pojavi
• Določite kinetiko in mehanizem organokovinske reakcije
• Določanje strukture organokovinskih spojin, vključno z intermediati
• Pridobite vpogled v vezavo kovin-ligand in disociacijo ligandov
• Razviti temeljito razumevanje kinetike/mehanizma kovinsko-organske sinteze
• Raziščite organokovinske reakcije v vseh topilih, vključno z vodo
• Merjenje pomembnih nižjih frekvenčnih kovinskih vibracij
• Merjenje reakcij skozi steklene reaktorske posode
• Odpravite ročno vzorčenje in nepotrebno izpostavljenost strupenim spojinam
• Primerno za šaržno in pretočno sintezo

Posamezno ali kot integrirana kemična delovna postaja ta orodja zagotavljajo kritično podporo za boljše reakcije sinteze organokovin:

• FTIR spektrometri in Ramanovi spektrometri
  Sledenje in profiliranje ključnih reakcijskih vrst v realnem času kot funkcija reakcijskega časa za pomoč pri kinetiki in mehanističnih raziskavah
• Avtomatizirano vzorčenje v vrstici (EasySampler)
  Reprezentativno vzorčenje reakcij brez nadzora, kadar je potrebna analiza brez povezave
• Reaktorji za kemično sintezo (EasyMax in OptiMax)
  Breznadzorovan, natančen nadzor in zbiranje podatkov o reakcijskih pogojih
• Reakcijski in toplotni pretočni kalorimetri (RC1mx in HFCal)
  Izmerite popolno reakcijsko toploto za zagotovitev varnosti z zasnovo

EasyMax LT (LowTemp) je bil posebej razvit za aplikacije, ki zahtevajo reakcijske temperature med RT in -80 ° C - brez ogrožanja natančnosti, natančnosti, hitrega odziva ali hladilne zmogljivosti za sproščanje toplote med reakcijo.

Poskusi so lahko vnaprej programirani, se izvajajo samodejno in brez nadzora. Zbirajo se podatki iz spletne analitike ali orodij za vzorčenje, ki jih je mogoče vključiti v podatke, recepte ali opombe, zbrane med poskusom in jih uporabiti za ocenjevanje in poročanje o poskusih.

• Paul Brunel, Chloé Lhardy, Sonia Mallet-Ladeira, Julien Monot, Blanca Martin-Vaca, Didier Bourissou, "Palladijevi kleščni kompleksi z nesimetričnim ligandom na osnovi indena SCN s hemilabilnim piridinskim orožjem", 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, "Karakterizacija okso-premoščenih železovih amino-bis(fenolnih) kompleksov, ki so nastali namerno ali in situ: Mehanistični vpogled v epoksidno deoksigenacijo med spajanjem CO2 in epoksidov", Anorganska kemija 2018, 57, 21, 13494-13504.
• Zackary R. Gregg, Justin R. Griffiths, Steven T. Diver, "Konformacijski nadzor stopnje iniciacije v Hoveyda-Grubbsovih predkatalizatorjih", Organometallics, 2018, 37, 10, 1526-1533.
• Justin R. Griffiths, Elan J. Hofman, Jerome B. Keister, Steven T. Diver, "Kinetika in mehanizem vstavljanja karbena, ki ga spodbuja izocianid, v arilni substituent N-heterocikličnega karbenskega liganda v katalizatorjih metateze na osnovi rutenija", Organometallics 2017, 36, 16, 3043-3052.
• Ross J. Beattie, Peter S. White, Joseph L. Templeton, "Nastajanje [(CO)(HCCH)Tp'W=NCH(CH3)CH(CH3)N=WTp'(HCCH)(CO)][I3]2 z oksidacijo Tp'W(CO)(HCCH)(NCHCH3) in radikalno dimerizacijo", 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, "Kalij terc-butoksid-katalizirana dehidrogenativna C-H sililacija heteroaromatov: kombinirana eksperimentalna in računalniška mehanistična študija", J. Amer. Chem. Soc., 2017, 139, 20, 6867-6879.
• Ben Cheng, Hong Yi, Chuan He, Chao Liu, Aiwen Lei, "Razkrivanje učinka liganda na disproporcionalizacijo bakra(I) prek Operando IR spektrov", Organometallics 2015, 3, 41, 206-211.
• Alexander F. R. Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, "Reduktivna aktivacija CO2 prek dvojne vezi Ti-ti: sintetične, strukturne in mehanistične študije", Organometallics 2015, 34, 20, 4816-4829.
• Alexander F. R. Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, " Bonding in Complexes of 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, "Regioselektivnost v reakcijah substitucije ligandov na diželezovih kompleksih, ki jih urejajo nukleofilne in elektrofilne lastnosti ligandov", 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 in Brian M. Stoltz, "Kalij terc-butoksid-katalizirana dehidrogenativna C-H sililacija heteroaromatov: kombinirana eksperimentalna in računalniška mehanistična študija", J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6867−6879.

V tej poglobljeni študiji so raziskovalci raziskali mehanizem, s katerim kalijev terc-butoksid katalizira dehidrogenativno spajanje heteroarenov s hidrosilani, da tvorijo heteroarilsilane, ki so vmesni produkti, ki jih je mogoče uporabiti za izdelavo bolj zapletenih molekul. Kot del teh prizadevanj so raziskovalci uporabili spektroskopijo ReactIR FTIR za raziskovanje možne prisotnosti usklajene vrste silana. V sorodnih raziskavah drugih skupin je bilo dokazano, da reakcija (RO)3SiH z ustreznim KOR (R = alkil ali aril) povzroči petkoordinatni hidridosilikat [HSi(OR)4]K. Raziskovalci v tem delu so predpostavili analogni pentakoordinirani vmesni produkt za svojo reakcijo, vendar študije NMR niso bile uspešne pri zagotavljanju potrditve. Vendar pa poročajo o dokazih za to pentakoordinatno vrsto s spremljanjem sililacijske reakcije z ReactIR. Spekter te reakcije je razkril nov vrh (2056 cm-1), ki meji na raztezni pas Si-H v Et3SiH (2100 cm-1). Predpostavili so, da je ta vrh skladen s podolgovatimi Si-H vezi, kot je bilo pričakovano v takšnih pentakoordinatnih kompleksih. Opazili so tudi, da je novi vrh povezan z nastajanjem sililacijskega produkta in domnevali, da je tvorba penta koordinatnega silikata odgovorna za opaženo indukcijsko obdobje v reakciji.