Tổng hợp và hóa học kim loại hữu cơ

Tổng hợp kim loại hữu cơ, hoặc hóa kim hữu cơ, đại diện cho một phạm vi sử dụng rộng rãi trong hóa học hữu cơ tổng hợp. Tổng hợp kim loại hữu cơ đề cập đến quá trình tạo ra các hợp chất kim loại hữu cơ. Hóa kim loại hữu cơ là một trong những lĩnh vực được nghiên cứu tích cực nhất trong hóa học hữu cơ, vô cơ, sinh hóa và xúc tác. Điều này phát sinh từ việc sử dụng thuốc thử kim loại hữu cơ trong quá trình tổng hợp một số hợp chất thương mại được sử dụng trong các ngành công nghiệp dược phẩm, polyme và hóa dầu.

Kim loại hữu cơ là một phân tử có chứa một nguyên tử kim loại liên kết với một nguyên tử carbon. Các hợp chất với, ví dụ, liên kết kim loại-nitơ, kim loại-oxy, kim loại-phốt pho được định nghĩa là phức hợp phối hợp nhưng thường được mô tả là kim loại hữu cơ. Các hợp chất kim loại hữu cơ có thể chứa kiềm nhóm 1, đất kiềm nhóm 2, chuyển tiếp nhóm 3-12 và 13-15 nguyên tố nhóm chính, cũng như kim loại, chẳng hạn như boron và silic. Một loạt các nguyên tố có thể tạo thành các hợp chất kim loại hữu cơ dẫn đến nghiên cứu rộng rãi về quy trình tổng hợp kim loại hữu cơ. Ngoài ra còn có những nỗ lực nghiên cứu trong việc sử dụng thuốc thử kim loại hữu cơ trong tổng hợp hợp chất hữu cơ phức tạp và phù hợp hơn bao giờ hết, mà thuốc thử kim loại hữu cơ thúc đẩy liên kết cụ thể và / hoặc xúc tác các phản ứng.

Có nhiều cách khác để tổng hợp kim loại hữu cơ:

• Một trong những phương pháp được sử dụng nhiều nhất để tổng hợp hợp chất kim loại hữu cơ là phản ứng kim loại tinh khiết với các phân tử hữu cơ cụ thể. Ví dụ về loại tổng hợp này là hai trong số các thuốc thử kim loại hữu cơ được sử dụng thường xuyên nhất, organolithium và organomagnesium, trong đó kim loại được phản ứng với alkyl hoặc aryl-halide để tạo thành thuốc thử mong muốn.
  
  
• Trong các phản ứng phân hủy kép, halogen kim loại trao đổi với thuốc thử alkyl hóa để tạo ra thuốc thử kim loại hữu cơ. Carbon monoxide phản ứng với các kim loại chuyển tiếp để tạo thành cacbonyl kim loại.
  
  
• Quá trình khử cacbonyl hóa kim loại-hữu cơ sẽ tạo ra một hợp chất kim loại hữu cơ.
  
  
• Hydrometalation là một phương pháp tổng hợp trong đó một phân tử có liên kết kim loại-hydro phản ứng với một phân tử hữu cơ có chứa liên kết đôi, tạo thành một kim loại hữu cơ có liên kết kim loại-cacbon.

Các phản ứng bổ sung và loại bỏ khác nhau tạo thành các hợp chất kim loại hữu cơ từ các phân tử kim loại-hữu cơ. Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp tối ưu thường được thông báo bởi các kỹ thuật phân tích nội tuyến để đảm bảo phát triển quy trình an toàn và hiệu quả.

Thuốc thử kim loại hữu cơ thường được sử dụng để tổng hợp các phân tử hữu cơ vì chúng thúc đẩy liên kết cụ thể và / hoặc xúc tác các phản ứng. Một số phản ứng này rất khó hoặc không thực tế để thực hiện bằng các phương tiện khác. Trong hầu hết các hợp chất hữu cơ, các nguyên tử cacbon có xu hướng ưa điện, nhưng trong các hợp chất kim loại hữu cơ, bởi vì nguyên tử kim loại thường ít âm điện hơn so với cacbon mà nó được gắn vào, cacbon hoạt động như một nucleophile có độ bền khác nhau. Khi một kim loại âm điện mạnh có liên quan, sự phân bố điện tích sao cho hợp chất có bản chất ion nhiều hơn và có thể phản ứng mạnh. 

Ví dụ, trong các hợp chất organolithium, liên kết C-Li có nhiều ion hơn và C phân cực âm hơn. Các liên kết trong các hợp chất organolithium phân cực mạnh hơn so với các chất tương tự magiê hữu cơ của chúng (thuốc thử Grignard), làm cho organolithium trở thành một nucleophile mạnh hơn và phản ứng cao hơn so với Grignard. Cả thuốc thử organomagnesium và organolithium đều là cơ sở mạnh cho quá trình khử proton hóa và dễ dàng hình thành liên kết C-C, cũng như thúc đẩy nhiều phản ứng hữu cơ khác.

Các hợp chất kim loại hữu cơ được sử dụng rộng rãi là hóa học xúc tác. Một ví dụ cổ điển là việc sử dụng chlorotris (triphenylphosphine) rhodium để khử alkene và alkyne - mà không ảnh hưởng đến các nhóm chức khác trong phân tử. Một họ chất xúc tác dựa trên kim loại hữu cơ khác với phối tử Josiphos diphosphine được sử dụng cho các phản ứng hydro hóa chọn lọc đối xứng. Phản ứng hydro hóa và hydroformyl hóa là các phản ứng quan trọng về mặt công nghiệp được xúc tác bởi các hợp chất organorhodium hoặc organocobalt khác nhau. Phản ứng trùng hợp được thực hiện bằng cách sử dụng chất xúc tác, chẳng hạn như hợp chất Ziegler-Natta, là chất xúc tác hai phần thường chứa Ti và Al để trùng hợp olefin.

Số lượng các hợp chất kim loại hữu cơ rất lớn và bao gồm hầu hết các nguyên tố chính trong các nhóm tuần hoàn. Hầu hết các ví dụ về kim loại hữu cơ đều nằm trong các nguyên tố nhóm chính hoặc các nguyên tố nhóm chuyển tiếp. Trong nhóm trước, liên kết liên kết ion hoặc sigma nhiều hơn. Các ví dụ cổ điển là các hợp chất organolithium hoặc organomagnesium, cả hai đều quan trọng trong tổng hợp hữu cơ. Liên kết ion cao hơn dẫn đến một hợp chất phản ứng cao hơn. Trong các nguyên tố nhóm chuyển tiếp, liên kết thường cộng hóa trị và phức tạp hơn so với các nguyên tố nhóm chính. Các nhóm kim loại-alkyl, -alken, và -alkyne và các nhóm aryl kim loại như benzen thường liên kết với các nguyên tố chuyển tiếp. Liên kết trong các hợp chất này mạnh mẽ với các đóng góp liên kết pi phi cục bộ.

Ví dụ về các nguyên tố hữu cơ quan trọng bao gồm organolithium, organoborane (nguyên tố chu kỳ 2), organomagnesium, organosilicon (nguyên tố chu kỳ 3), organoiron, organocobalt (nguyên tố chu kỳ 4), organoruthenium, organotin (nguyên tố chu kỳ 5), organoplatinum, organoiridium (nguyên tố chu kỳ 6).

Các hợp chất kim loại hữu cơ có phản ứng cao và thường có phản ứng rất nhanh. Làm việc với các hợp chất kim loại hữu cơ, bao gồm lithium-nhôm hydrua, lithium borohydride, diisobutylaluminium hydride và thuốc thử Grignard, đòi hỏi phải kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ ở nhiệt độ thấp. Do đó, các phản ứng với các hợp chất kim loại hữu cơ thường được chạy ở nhiệt độ từ 0 ° đến -78 ° C để kiểm soát phản ứng và:

• Có được sản phẩm phù hợp
• Đảm bảo tính chọn lọc
• Tránh phản ứng phụ, sự hình thành các sản phẩm phụ hoặc phân hủy
• Đảm bảo kiểm soát phản ứng và an toàn

Theo truyền thống, các tổng hợp bao gồm các thành phần như vậy được làm mát bằng cách sử dụng bể làm mát với đá khô và dung môi hữu cơ, hoặc có thể là một máy áp lạnh lớn và cồng kềnh. Việc sử dụng hỗn hợp làm mát là một thách thức vì không có sự linh hoạt về nhiệt độ và cần phải quan sát liên tục. Chất lỏng làm mát được sử dụng thường là dung môi hữu cơ, chẳng hạn như etanol, axeton, cyclohexane, cyclohexanone hoặc isopropanol. Tất cả chúng đều gây ra rủi ro về an toàn vì chúng dễ cháy. Dung môi hữu cơ cũng có thể đắt tiền. Do đó, hỗn hợp làm mát truyền thống có những hạn chế.

Các lò phản ứng tổng hợp hóa họcEasyMax, có khả năng đo nhiệt lượng, được sử dụng trong các phòng thí nghiệm phát triển dược phẩm và hóa chất để tối ưu hóa các biến phản ứng, để mở rộng quy mô nhanh hơn, đo nhiệt động lực học phản ứng và an toàn quy trình. Lò phản ứng phòng thí nghiệm tự động là tối ưu để hỗ trợ các nghiên cứu Thiết kế Thí nghiệm và các phương pháp khác liên quan toán học các thông số và hiệu suất thí nghiệm.

Xem Live eDemo từ cơ quan hoặc văn phòng tại nhà theo lịch trình của bạn.

Quang phổ FTIR là một trong những phương pháp phân tích cơ bản được sử dụng để điều tra các hợp chất kim loại hữu cơ. Phân bố điện tích và độ bền lưỡng cực của liên kết kim loại - carbon là một trong những dấu hiệu chính cho phản ứng và là lý do chính tại sao kim loại hữu cơ có tính hữu ích như vậy trong hóa học. Quang phổ hồng ngoại rất nhạy cảm với những thay đổi trong mômen lưỡng cực, và do đó mang lại cái nhìn sâu sắc về liên kết. Liên kết kim loại-phối tử phức tạp trong phức kim loại chuyển tiếp là một lĩnh vực khác mà FTIR vượt trội trong việc cung cấp thông tin cấu trúc. Quang phổ hồng ngoại cung cấp thông tin tương đối về độ dài của liên kết và độ bền của liên kết. Ví dụ, hồng ngoại thường được sử dụng để điều tra liên kết cacbonyl với các kim loại chuyển tiếp, vì tùy thuộc vào vị trí của cacbonyl cũng như nếu nó là cacbonyl bắc cầu, có những thay đổi tần số đỉnh chỉ dẫn liên quan trực tiếp đến độ bền liên kết.

Quang phổ Raman cũng được sử dụng để nghiên cứu tổng hợp và cấu trúc kim loại hữu cơ, cũng như nghiên cứu tổng hợp kim loại-hữu cơ. Ngoài thông tin quang phổ vùng vân tay, quang phổ Raman rất phù hợp để đo các rung động tần số thấp hơn thường được quan sát thấy trong các hợp chất hữu cơ chứa kim loại và trong liên kết kim loại-kim loại. Ngoài ra, có sự quan tâm đáng kể đến hóa học kim loại hữu cơ được thực hiện trong dung dịch nước trong việc thúc đẩy "hóa học xanh". Ví dụ, molypdocene rất hữu ích cho việc khử cacbonyl trong dung dịch nước. Raman là lựa chọn lý tưởng để nghiên cứu liên kết phân tử trong môi trường nước.

Lấy mẫu tự động EasySampler thực hiện một phương pháp độc đáo là bắt giữ tại chỗ, làm nguội và chuẩn bị từng mẫu để đo ngoại tuyến. Công nghệ lấy mẫu tự động và không giám sát này cho phép lấy mẫu đại diện trong hóa học kim loại hữu cơ nhạy cảm với không khí và độ ẩm, không đồng nhất và phản ứng cao. Phản ứng khớp nối C-C và C-N trong tổng hợp kim loại hữu cơ, chẳng hạn như Ullmann và Buchwald-Hartwig, tiết lộ cách các phản ứng kim loại hữu cơ có thể được theo dõi bằng cách sử dụng lấy mẫu tại chỗ EasySampler.

ReactIR và ReactRaman có tất cả các lợi ích nói trên của các kỹ thuật cơ bản, cùng với các ưu điểm bổ sung của đo lường tại chỗ theo thời gian thực. Điều này cho phép điều tra các phản ứng như một hàm của thời gian và trong các điều kiện phản ứng thực tế. Cả hai kỹ thuật đều có thể được áp dụng cho phản ứng tổng hợp hàng loạt hoặc dòng chảy.

Như trong hóa học hữu cơ cổ điển, công nghệ ReactIR / ReactRaman cung cấp thông tin chi tiết về động học phản ứng, cơ chế và cái nhìn sâu sắc về sự hiện diện và nhận dạng của các chất trung gian thoáng qua. Vì hóa học kim loại hữu cơ thường được thực hiện trong các điều kiện phản ứng khác nhau như nhiệt độ thấp hoặc cao, áp suất cao và / hoặc khi không có oxy và hơi nước, khả năng đo hóa học mà không cần lấy mẫu ra để phân tích theo cách thủ công là rất quan trọng. Vì nhiều hợp chất kim loại hữu cơ có độc tính cao, nên phân tích tại chỗ rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho phòng thí nghiệm.

Xem Live eDemo từ cơ quan hoặc văn phòng tại nhà theo lịch trình của bạn.

• Nghiên cứu tổng hợp kim loại hữu cơ trong điều kiện phản ứng thực tế
• Theo dõi các chất phản ứng và thuốc thử như một hàm của thời gian
• Đo lường xu hướng và tiến độ phản ứng
• Xác định các loài trung gian quan trọng bao gồm cả quá độ
• Xác định động học và cơ chế phản ứng kim loại hữu cơ
• Xác định cấu trúc của các hợp chất kim loại hữu cơ, bao gồm cả chất trung gian
• Có được cái nhìn sâu sắc về liên kết kim loại-phối tử và tách phối tử
• Phát triển sự hiểu biết thấu đáo về động học/cơ chế tổng hợp kim loại-hữu cơ
• Điều tra các phản ứng kim loại hữu cơ trong tất cả các dung môi bao gồm cả nước
• Đo các rung động kim loại tần số thấp quan trọng
• Đo phản ứng qua bình chứa lò phản ứng thủy tinh
• Loại bỏ lấy mẫu thủ công và tiếp xúc không cần thiết với các hợp chất độc hại
• Thích hợp cho tổng hợp hàng loạt và dòng chảy

Riêng lẻ hoặc như một máy trạm hóa học tích hợp, các công cụ này cung cấp hỗ trợ quan trọng cho các phản ứng tổng hợp kim loại hữu cơ tốt hơn:

• Máy quang phổ FTIR và Máy quang phổ Raman
  Theo dõi và lập hồ sơ thời gian thực của các loài phản ứng chính như một hàm của thời gian phản ứng để hỗ trợ điều tra động học và cơ học
• Lấy mẫu nội tuyến, tự động (EasySampler)
  Lấy mẫu phản ứng đại diện, không giám sát khi cần phân tích ngoại tuyến
• Lò phản ứng tổng hợp hóa học (EasyMax và OptiMax)
  Kiểm soát chính xác, không giám sát và thu thập dữ liệu các điều kiện phản ứng
• Nhiệt lượng kế phản ứng và lưu lượng nhiệt (RC1mx và HFCal)
  Đo nhiệt phản ứng hoàn toàn để đảm bảo an toàn theo thiết kế

EasyMax LT (Nhiệt độ thấp) được phát triển đặc biệt cho các ứng dụng yêu cầu nhiệt độ phản ứng từ RT đến -80 ° C - mà không ảnh hưởng đến độ chính xác, độ chính xác, phản ứng nhanh hoặc hiệu suất làm mát để giải phóng nhiệt trong quá trình phản ứng.

Các thử nghiệm có thể được lập trình trước, chạy tự động và không cần giám sát. Dữ liệu từ các công cụ phân tích hoặc lấy mẫu trực tuyến được thu thập và có thể được tích hợp vào dữ liệu, công thức nấu ăn hoặc chú thích được thu thập trong quá trình thử nghiệm và được sử dụng để đánh giá và báo cáo thí nghiệm.

• Paul Brunel, Chloé Lhardy, Sonia Mallet-Ladeira, Julien Monot, Blanca Martin-Vaca, Didier Bourissou, "Phức hợp kìm palladium có phối tử dựa trên indene SCN không đối xứng với một cánh tay pyridine bán người", 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, "Đặc điểm của các phức hợp sắt Amino-bis (phenolate) bắc cầu oxo được hình thành có chủ ý hoặc tại chỗ: Cái nhìn sâu sắc về quá trình khử oxy Epoxide trong quá trình kết hợp CO2 và Epoxide", Hóa học vô cơ 2018, 57, 21, 13494-13504.
• Zackary R. Gregg, Justin R. Griffiths, Steven T. Diver, "Kiểm soát cấu trúc của tốc độ khởi đầu trong chất xúc tác tiền xúc tác Hoveyda–Grubbs", Organometallics, 2018, 37, 10, 1526-1533.
• Justin R. Griffiths, Elan J. Hofman, Jerome B. Keister, Steven T. Diver, "Động học và cơ chế chèn Carbene được thúc đẩy bằng isocyanide vào chất thay thế aryl của phối tử Carbene N-Heterocyclic trong chất xúc tác metathesis dựa trên ruthenium", Organometallics 2017, 36, 16, 3043-3052.
• Ross J.Beattie, Peter S. White, Joseph L. Templeton, "Sự hình thành [(CO) (HCCH) Tp'W = NCH (CH3) CH (CH3) N = WTp' (HCCH) (CO) ][I3] 2 bằng cách oxy hóa Tp'W (CO ) (HCCH) (NCHCH3) và nhị phân hóa gốc ", J. Organometallic Chem. 2017, 847, 54-58.
• Wen-Bo Liu, David P. Schuman, Yun-Fang Yang, Anton A. Toutov, Yong Liang, Hendrik FT Klare, Nasri Nesnas, Martin Oestreich, Donna G. Blackmond, Scott C. Virgil, Shibdas Banerjee, Richard N. Zare, Robert H. Grubbs, KN Houk, Brian M. Stoltz, "Silylation C – H khử hydro xúc tác kali tert-butoxide của dị thơm học: Nghiên cứu cơ học thực nghiệm và tính toán kết hợp", J. Amer. Chem. Soc., 2017, 139, 20, 6867-6879 .
• Ben Cheng, Hong Yi, Chuan He, Chao Liu, Aiwen Lei, "Tiết lộ hiệu ứng phối tử đối với sự không cân xứng của đồng (I) thông qua quang phổ IR hoạt động", Organometallics 2015, 3, 41, 206-211.
• Alexander FR Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, "Sự kích hoạt khử của CO2 trên liên kết đôi Ti═Ti: Nghiên cứu tổng hợp, cấu trúc và cơ học", Organometallics 2015, 34, 20, 4816-4829.
• Alexander FR Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, " Liên kết trong phức hợp của 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, "Tính chọn lọc trong phản ứng thay thế phối tử trên phức hợp diiron được điều chỉnh bởi các đặc tính phối tử ưa hạt nhân và ưa điện", Inorg. Hóa học. 2015 5, 47, 3523-3535.

Wen-Bo Liu, David P. Schuman, Yun-Fang Yang, Anton A. Toutov, Yong Liang, Hendrik FT Klare, Nasri Nesnas, Martin Oestreich, Donna G. Blackmond, Scott C. Virgil, Shibdas Banerjee, Richard N. Zare, Robert H. Grubbs, KN Houk và Brian M. Stoltz, "Silylation C-H khử hydro kali tert-butoxide của dị thơm hóa: Nghiên cứu cơ học tính toán và thực nghiệm kết hợp", J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6867−6879.

Trong nghiên cứu chuyên sâu này, các nhà nghiên cứu đã điều tra cơ chế mà kali tert-butoxide xúc tác sự kết hợp khử hydro của heteroarenes với hydrosilan để tạo thành heteroarylsilanes, do đó là các chất trung gian có thể được sử dụng để xây dựng các phân tử phức tạp hơn. Là một phần của nỗ lực này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng Quang phổ FTIR ReactIR để điều tra sự hiện diện có thể có của một loài silan phối hợp. Trong nghiên cứu liên quan của các nhóm khác, người ta đã chỉ ra rằng phản ứng của (RO) 3SiH với KOR tương ứng (R = alkyl hoặc aryl) dẫn đến hydridosilicate năm tọa độ [HSi (OR) 4] K. Các nhà nghiên cứu trong công trình này đã giả định một chất trung gian ngũ phối tương tự cho phản ứng của họ, nhưng các nghiên cứu NMR không thành công trong việc cung cấp xác nhận. Tuy nhiên, họ báo cáo bằng chứng về loài pentacoordinate này bằng cách theo dõi phản ứng silyl hóa với ReactIR. Quang phổ của phản ứng này cho thấy một đỉnh mới (2056 cm-1) liền kề với dải kéo dài Si-H trong Et3SiH (2100 cm-1). Họ cho rằng đỉnh này phù hợp với liên kết Si−H kéo dài, như mong đợi trong các phức hợp ngũ tọa độ như vậy. Họ cũng quan sát thấy rằng đỉnh mới tương quan với sự hình thành sản phẩm silyl hóa và giả định rằng sự hình thành silicat tọa độ penta chịu trách nhiệm cho chu kỳ cảm ứng quan sát được trong phản ứng.