Organometaalsynthese en chemie

Organometaalsynthese, of organometaalchemie, vertegenwoordigt een breed toepassingsgebied in de synthetische organische chemie. Organometaalsynthese verwijst naar het proces van het maken van organometaalverbindingen. Organometaalchemie is een van de meest actief onderzochte gebieden in de organische, anorganische, biochemische en katalytische chemie. Dit komt voort uit het gebruik van organometaalreagentia bij de synthese van een aantal commerciële verbindingen die worden gebruikt in de farmaceutische, polymeer- en petrochemische industrie.

Organometaal is een molecuul dat een metaalatoom bevat dat gebonden is aan een koolstofatoom. Verbindingen met bijvoorbeeld metaal-stikstof-, metaal-zuurstof-, metaal-fosforbindingen worden gedefinieerd als coördinatiecomplexen, maar worden vaak beschreven als organometalen. Organometaalverbindingen kunnen groep 1 alkali, groep 2 aardalkali, groep 3-12 overgang en 13-15 hoofdgroepelementen bevatten, evenals metalloïden, zoals boor en silicium. Het grote scala aan elementen die organometaalverbindingen kunnen vormen, resulteren in uitgebreid onderzoek naar procedures voor organometaalsynthese. Er zijn ook onderzoeksinspanningen naar het gebruik van organometaalreagentia bij de synthese van steeds complexere en op maat gemaakte organische verbindingen, waarvoor organometaalreagentia specifieke bindings- en/of katalyseerreacties aandrijven.

Er zijn tal van andere manieren om organometalen te synthetiseren:

• Een van de meest gebruikte methoden om een organometaalverbinding te synthetiseren, is door het pure metaal te laten reageren met specifieke organische moleculen. Voorbeelden van dit type synthese zijn twee van de meest gebruikte organometaalreagentia, organolithium en organomagnesium, waarvoor het metaal reageert met een alkyl- of arylhalogenide om het gewenste reagens te vormen.
  
  
• Bij dubbele ontledingsreacties worden metaalhalogeniden uitgewisseld met alkylerende reagentia om het organometaalreagens te verkrijgen. Koolmonoxide reageert met overgangsmetalen om metaalcarbonylen te vormen.
  
  
• Decarbonylering van een metallo-organisch zal een organometaalverbinding opleveren.
  
  
• Hydrometalatie is een synthesemethode waarbij een molecuul met een metaal-waterstofbinding reageert met een organisch molecuul dat een dubbele binding bevat, waardoor een organometaal wordt gevormd met een metaal-koolstofbinding.

Verschillende additie- en eliminatiereacties vormen organometaalverbindingen uit metallo-organische moleculen. Het kiezen van de optimale synthesemethode wordt vaak geïnformeerd door inline analytische technieken om een veilige en efficiënte procesontwikkeling te garanderen.

Organometaalreagentia worden vaak gebruikt om organische moleculen te synthetiseren, omdat ze specifieke bindings- en/of katalyseringsreacties aandrijven. Sommige van deze reacties zijn moeilijk of onpraktisch om met andere middelen uit te voeren. In de meeste organische verbindingen zijn koolstofatomen meestal elektrofiel, maar in organometaalverbindingen, omdat het metaalatoom doorgaans minder elektronegatief is dan de koolstof waaraan het is gehecht, fungeert de koolstof als een nucleofiel van verschillende sterkte. Wanneer er een sterk elektronegatief metaal bij betrokken is, is de ladingsverdeling zodanig dat de verbinding meer ionisch van aard is en sterk reactief kan zijn. 

In organolithiumverbindingen is de C-Li-binding bijvoorbeeld meer ionisch en de C negatiever gepolariseerd. De bindingen in organolithiumverbindingen zijn sterker gepolariseerd dan in hun organomagnesiumanalogen (Grignard-reagentia), waardoor organolithium een sterker nucleofiel en reactiever is in vergelijking met de Grignard. Zowel organomagnesium- als organolithiumreagentia zijn sterke bases voor deprotonering en vormen gemakkelijk C-C-bindingen, en drijven vele andere organische reacties aan.

Organometaalverbindingen worden veel gebruikt in de katalytische chemie. Een klassiek voorbeeld is het gebruik van chlorotris (trifenylfosfine), rhodium om alkenen en alkynen te reduceren - zonder andere functionele groepen in een molecuul te beïnvloeden. Een andere familie van op organometalen gebaseerde katalysatoren met Josiphos-difosfine-liganden wordt gebruikt voor enantioselectieve hydrogeneringsreacties. Hydrogenerings- en hydroformyleringsreacties zijn industrieel belangrijke reacties die worden gekatalyseerd door verschillende organorhodium- of organokobaltverbindingen. Polymerisatiereacties worden uitgevoerd met behulp van katalysatoren, zoals Ziegler-Natta-verbindingen, dit zijn tweedelige katalysatoren die vaak Ti en Al bevatten die olefinen polymeriseren.

Het aantal organometaalverbindingen is enorm en omvat de meeste belangrijke elementen in de periodieke groepen. De meeste voorbeelden van organometalen bevinden zich in de hoofdgroepelementen of de overgangsgroepelementen. In de eerste groep is de binding meer ionisch of sigma gebonden. De klassieke voorbeelden zijn organolithium- of organomagnesiumverbindingen, die beide belangrijk zijn bij de organische synthese. Een hogere ionische binding resulteert in een meer reactieve verbinding. In de overgangsgroepelementen is de binding doorgaans covalenter en complexer in vergelijking met de hoofdgroepselementen. Metaal-alkyl-, -alkeen en -alkyne en metaalarylgroepen zoals benzeen zijn vaak gebonden met overgangselementen. De binding in deze verbindingen is sterk met gedelokaliseerde pi-bindingsbijdragen.

Voorbeelden van belangrijke organometalen zijn organolithium, organoboraan (periode 2-elementen), organomagnesium, organosilicon (periode 3-elementen), organoijzer, organokobalt (periode 4-elementen), organoruthenium, organotin (periode 5-elementen), organoplatina, organoiridium (periode 6-elementen).

Organometaalverbindingen zijn zeer reactief en reageren doorgaans zeer snel. Het werken met organometaalverbindingen, waaronder lithium-aluminiumhydride, lithiumboorhydride, diisobutylaluminiumhydride en Grignard-reagentia, vereist een strikte temperatuurregeling bij lage temperaturen. Bijgevolg worden reacties met organometaalverbindingen vaak uitgevoerd bij temperaturen tussen 0° en -78°C om de reactie te beheersen en:

• Verkrijg het juiste product
• Zorg voor selectiviteit
• Vermijd nevenreacties, de vorming van bijproducten of ontbinding
• Zorgen voor reactiebeheersing en veiligheid

Traditioneel worden syntheses die dergelijke componenten bevatten, gekoeld met behulp van koelbaden met droogijs en een organisch oplosmiddel, of mogelijk een grote en omvangrijke cryostaat. Het gebruik van koelmengsels is een uitdaging omdat er geen flexibiliteit is met betrekking tot temperatuur en constante observatie vereist is. De gebruikte koelvloeistoffen zijn meestal organische oplosmiddelen, zoals ethanol, aceton, cyclohexaan, cyclohexanon of isopropanol. Ze vormen allemaal een veiligheidsrisico omdat ze ontvlambaar zijn. Organische oplosmiddelen kunnen ook duur zijn. Daarom hebben traditionele koelmengsels beperkingen.

EasyMax-reactoren voor chemische synthese, die calorimetrische mogelijkheden bieden, worden gebruikt in farmaceutische en chemische ontwikkelingslaboratoria om reactievariabelen te optimaliseren, voor snellere opschaling, het meten van reactiethermodynamica en procesveiligheid. De geautomatiseerde laboratoriumreactor is optimaal ter ondersteuning van Design of Experiments-studies en andere methoden die experimentele parameters en prestaties wiskundig met elkaar in verband brengen.

Bekijk een live eDemo vanuit uw werk of thuiskantoor volgens uw schema.

FTIR-spectroscopie is een van de fundamentele analysemethoden die worden gebruikt om organometaalverbindingen te onderzoeken. Ladingsverdeling en dipoolsterkte van metaal - koolstofbinding is een van de belangrijkste markers voor reactiviteit en een belangrijke reden waarom organometalen zo nuttig zijn in de chemie. Infraroodspectroscopie is bij uitstek gevoelig voor veranderingen in dipoolmomenten en geeft dus een goed inzicht in bindingen. Complexe metaal-ligandbinding in overgangsmetaalcomplexen is een ander gebied waar FTIR uitblinkt in het verstrekken van structurele informatie. Infraroodspectra geven relatieve informatie over de lengte van de bindingen en de sterkte van de binding. Infrarood wordt bijvoorbeeld vaak gebruikt om carbonylbinding met overgangsmetalen te onderzoeken, aangezien er, afhankelijk van de positie van de carbonyl en of het een overbruggende carbonyl is, indicatieve piekfrequentieveranderingen zijn die rechtstreeks verband houden met de bindingssterkte.

Raman-spectroscopie wordt ook gebruikt voor onderzoek naar de organische metallische synthese en structuur, evenals voor het bestuderen van metallo-organosynthese. Naast spectrale informatie over het vingerafdrukgebied is Raman-spectroscopie zeer geschikt voor het meten van trillingen met een lagere frequentie die vaak worden waargenomen in metaalhoudende organische verbindingen en in metaal-metaalbindingen. Er is ook veel belangstelling voor organometaalchemie die wordt uitgevoerd in waterige oplossing om de "groene chemie" te bevorderen. Molybdocenen zijn bijvoorbeeld nuttig voor carbonylreducties in waterige oplossing. Raman is de ideale keuze voor het bestuderen van moleculaire binding in waterige media.

De geautomatiseerde bemonstering van EasySampler implementeert een unieke methode voor het in-situ vastleggen, afdoven en voorbereiden van elk monster voor offline metingen. Deze onbemande en geautomatiseerde bemonsteringstechnologie maakt het mogelijk om een representatief monster te nemen binnen lucht- en vochtgevoelige, heterogene en zeer reactieve organometaalchemie. C-C en C-N koppelingsreacties in organometaalsynthese, zoals Ullmann en Buchwald-Hartwig, laten zien hoe organometaalreacties kunnen worden gevolgd met behulp van EasySampler in-situ bemonstering.

ReactIR en ReactRaman hebben alle bovengenoemde voordelen van de basistechnieken, samen met extra voordelen van real-time, in-situ metingen. Dit maakt het mogelijk om reacties te onderzoeken als functie van de tijd en onder werkelijke reactieomstandigheden. Beide technieken kunnen worden toegepast op batch- of stroomsynthesereacties.

Net als in de klassieke organische chemie biedt de ReactIR/ReactRaman-technologie gedetailleerde informatie over reactiekinetiek, mechanismen en inzicht in de aanwezigheid en identiteit van transiënte tussenproducten. Aangezien organometaalchemie vaak wordt uitgevoerd onder verschillende reactieomstandigheden zoals lage of verhoogde temperatuur, verhoogde druk en/of in afwezigheid van zuurstof en waterdamp, is het vermogen om chemie te meten zonder handmatig een monster te verwijderen voor analyse van cruciaal belang. Aangezien veel organometaalverbindingen zeer giftig zijn, is in-situ-analyse belangrijk om de veiligheid in het laboratorium te waarborgen.

Bekijk een live eDemo vanuit uw werk of thuiskantoor volgens uw schema.

• Bestudeer de organometaalsynthese onder werkelijke reactieomstandigheden
• Volg reactanten en reagentia als functie van de tijd
• Meet reactietrends en voortgang
• Identificeer belangrijke tussenliggende soorten, waaronder transiënten
• Bepaal de kinetiek en het mechanisme van de organometaalreactie
• Bepaal de structuur van organometaalverbindingen, inclusief tussenproducten
• Krijg inzicht in metaal-ligandbinding en liganddisassociatie
• Ontwikkel een grondig begrip van de kinetiek/het mechanisme van metallo-organische synthese
• Onderzoek organometaalreacties in alle oplosmiddelen, inclusief water
• Meet belangrijke metaaltrillingen met een lagere frequentie
• Meet reacties door glazen reactorvaten
• Elimineer handmatige bemonstering en onnodige blootstelling aan giftige stoffen
• Geschikt voor batch- en flowsyntheses

Individueel, of als een geïntegreerd chemisch werkstation, bieden deze tools cruciale ondersteuning voor betere organometaalsynthesereacties:

• FTIR-spectrometers en Raman-spectrometers
  Real-time tracking en profilering van belangrijke reactiesoorten als functie van de reactietijd ter ondersteuning van kinetiek en mechanistisch onderzoek
• Geautomatiseerde, inline sampling (EasySampler)
  Onbeheerde, representatieve bemonstering van reacties wanneer offline analyse nodig is
• Reactoren voor chemische synthese (EasyMax en OptiMax)
  Onbeheerde, nauwkeurige controle en gegevensverzameling van reactiecondities
• Reactie- en warmtestroomcalorimeters (RC1mx en HFCal)
  Meet de volledige reactiewarmte om veiligheid door ontwerp te garanderen

De EasyMax LT (LowTemp) is speciaal ontwikkeld voor toepassingen die reactietemperaturen tussen RT en -80° C vereisen - zonder concessies te doen aan nauwkeurigheid, precisie, snelle respons of koelprestaties om warmte af te geven tijdens een reactie.

Experimenten kunnen worden voorgeprogrammeerd, automatisch worden uitgevoerd en zonder toezicht worden uitgevoerd. Gegevens uit online analyse- of steekproeftools worden verzameld en kunnen worden geïntegreerd in de gegevens, recepten of annotaties die tijdens het experiment worden verzameld en worden gebruikt voor de evaluatie en rapportage van experimenten.

• Paul Brunel, Chloé Lhardy, Sonia Mallet-Ladeira, Julien Monot, Blanca Martin-Vaca, Didier Bourissou, "Palladium tangcomplexen met een asymmetrische SCN indene-gebaseerde ligand met een hemilabile pyridine zijarm", 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 van oxo-overbrugde ijzeramino-bis(fenolaat) complexen die opzettelijk of in situ worden gevormd: mechanistisch inzicht in epoxidedeoxygenatie tijdens de koppeling van CO2 en epoxiden", Anorganische chemie 2018, 57, 21, 13494-13504.
• Zackary R. Gregg, Justin R. Griffiths, Steven T. Diver, "Conformationele controle van de initiatiesnelheid in Hoveyda-Grubbs-prekatalysatoren", Organometalics, 2018, 37, 10, 1526-1533.
• Justin R. Griffiths, Elan J. Hofman, Jerome B. Keister, Steven T. Diver, "Kinetiek en mechanisme van isocyanide-gepromoveerde carbeeninsertie in de arylsubstituent van een N-heterocyclisch carbeenligand in op ruthenium gebaseerde metathesekatalysatoren", Organometallics 2017, 36, 16, 3043-3052.
• Ross J.Beattie, Peter S. White, Joseph L. Templeton, "Vorming van [(CO)(HCCH)Tp'W=NCH(CH3)CH(CH3)N=WTp'(HCCH)(CO)][I3]2 door oxidatie van Tp'W(CO)(HCCH)(NCHCH3) en radicale dimerisatie", 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-Butoxide-gekatalyseerde dehydrogenatieve C-H Silylering van heteroaromaten: een gecombineerde experimentele en computationele mechanistische studie", J. Amer. Chem. Soc., 2017, 139, 20, 6867-6879.
• Ben Cheng, Hong Yi, Chuan He, Chao Liu, Aiwen Lei, "Revealing the Ligand Effect on Copper(I) Disproportionation via Operando IR Spectra", Organometallics 2015, 3, 41, 206-211.
• Alexander F. R. Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, "De reductieve activering van CO2 over een Ti-ti dubbele binding: synthetische, structurele en mechanistische studies", Organometallics 2015, 34, 20, 4816-4829.
• Alexander F. R. Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, "Binding in complexen van 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, "Regioselectiviteit in ligandsubstitutiereacties op diijzercomplexen beheerst door nucleofiele en elektrofiele ligandeigenschappen", 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 en Brian M. Stoltz, "Kaliumtert-Butoxide-gekatalyseerde dehydrogenerende C-H Silylering van heteroaromaten: een gecombineerde experimentele en computationele mechanistische studie", J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6867-6879.

In deze diepgaande studie onderzochten de onderzoekers het mechanisme waarmee kalium-tert-butoxide de dehydrogenatieve koppeling van heteroarenen met hydrosilanen katalyseert om heteroarylsilanen te vormen, die op hun beurt tussenproducten zijn die kunnen worden gebruikt om complexere moleculen te bouwen. Als onderdeel van deze inspanning gebruikten onderzoekers ReactIR FTIR-spectroscopie om de mogelijke aanwezigheid van een gecoördineerde silaansoort te onderzoeken. In gerelateerd onderzoek door andere groepen werd aangetoond dat de reactie van (RO)3SiH met de corresponderende KOR (R = alkyl of aryl) resulteert in vijfcoördinaat hydridosilicaat [HSi(OR)4]K. De onderzoekers in dit werk postuleerden een analoog pentagecoat tussenproduct voor hun reactie, maar NMR-studies waren niet succesvol in het geven van bevestiging. Ze rapporteren echter bewijs voor deze pentacoördinaatsoort door de silyleringsreactie te monitoren met ReactIR. Het spectrum van deze reactie onthulde een nieuwe piek (2056 cm-1) grenzend aan de Si-H-rekband in Et3SiH (2100 cm-1). Ze postuleerden dat deze piek consistent is met de langwerpige Si-H-binding, zoals verwacht in dergelijke pentacoördinaatcomplexen. Ze merkten ook op dat de nieuwe piek correleerde met de vorming van silyleringsproducten en stelden dat de vorming van penta-coördinaatsilicaat verantwoordelijk is voor de waargenomen inductieperiode in de reactie.