Organokovová syntéza a chemie

Organokovová syntéza, neboli organokovová chemie, představuje širokou škálu použití v syntetické organické chemii. Organokovová syntéza se týká procesu vytváření organokovových sloučenin. Organokovová chemie patří mezi nejaktivněji zkoumané oblasti v organické, anorganické, biochemické a katalytické chemii. To vyplývá z použití organokovových činidel při syntéze řady komerčních sloučenin používaných ve farmaceutickém, polymerním a petrochemickém průmyslu.

Organokov je molekula, která obsahuje atom kovu vázaný na atom uhlíku. Sloučeniny s například vazbami kov-dusík, kov-kyslík, kov-fosfor jsou definovány jako koordinační komplexy, ale často jsou popisovány jako organokovové. Organokovové sloučeniny mohou obsahovat alkálie skupiny 1, alkalické zeminy skupiny 2, přechod skupiny 3-12 a prvky hlavní skupiny 13-15, stejně jako metaloidy, jako je bór a křemík. Velké množství prvků, které mohou tvořit organokovové sloučeniny, vede k rozsáhlému výzkumu postupů pro organokovovou syntézu. Existuje také výzkumné úsilí v oblasti použití organokovových činidel při syntéze stále složitějších a přizpůsobených organických sloučenin, pro které organokovová činidla řídí specifické vazby a/nebo katalyzují reakce.

Existuje mnoho dalších způsobů syntézy organokovových látek:

• Jednou z nejpoužívanějších metod syntézy organokovové sloučeniny je reakce čistého kovu se specifickými organickými molekulami. Příklady tohoto typu syntézy jsou dvě z nejčastěji používaných organokovových činidel, organolithium a organohořčík, u kterých kov reaguje s alkyl- nebo aryl-halogenidem za vzniku požadovaného činidla.
  
  
• Při reakcích dvojitého rozkladu se halogenidy kovů vyměňují s alkylačními činidly za vzniku organokovového činidla. Oxid uhelnatý reaguje s přechodnými kovy za vzniku karbonylů kovů.
  
  
• Dekarbonylací organického kovu vznikne organokovová sloučenina.
  
  
• Hydrometalace je metoda syntézy, při které molekula s vazbou kov-vodík reaguje s organickou molekulou obsahující dvojnou vazbu a vytváří organokov s vazbou kov-uhlík.

Různé adiční a eliminační reakce tvoří organokovové sloučeniny z metalo-organických molekul. Výběr optimální metody syntézy je často ovlivněn inline analytickými technikami, aby byl zajištěn bezpečný a efektivní vývoj procesu.

Organokovová činidla se často používají k syntéze organických molekul, protože řídí specifické vazebné a/nebo katalyzují reakce. Některé z těchto reakcí je obtížné nebo nepraktické provést jinými prostředky. Ve většině organických sloučenin mají atomy uhlíku tendenci být elektrofilní, ale v organokovových sloučeninách, protože atom kovu je obvykle méně elektronegativní než uhlík, ke kterému je připojen, uhlík působí jako nukleofil různé síly. Pokud se jedná o silně elektronegativní kov, distribuce náboje je taková, že sloučenina je více iontové povahy a může být silně reaktivní. 

Například ve sloučeninách organolithia je vazba C-Li více iontová a C je negativně polarizovaná. Vazby ve sloučeninách organolithia jsou silněji polarizované než v jejich organohořčíkových analogech (Grignardova činidla), díky čemuž je organolithium silnějším nukleofilem a reaktivnějším ve srovnání s Grignardem. Organohořčíková i organolithiová činidla jsou silnými bázemi pro deprotonaci a snadno tvoří CC vazby a také pohánějí mnoho dalších organických reakcí.

Organokovové sloučeniny jsou široce používány v katalytické chemii. Klasickým příkladem je použití chlorotrisového (trifenylfosfinového) rhodia k redukci alkenů a alkynů - bez ovlivnění jiných funkčních skupin v molekule. Další rodina organokovových katalyzátorů s Josiphosovými difosfinovými ligandy se používá pro enantioselektivní hydrogenační reakce. Hydrogenační a hydroformylační reakce jsou průmyslově důležité reakce, které jsou katalyzovány různými organorhodiovými nebo organokoobaltovými sloučeninami. Polymerační reakce se provádějí pomocí katalyzátorů, jako jsou sloučeniny Ziegler-Natta, což jsou dvousložkové katalyzátory často obsahující Ti a Al, které polymerují olefiny.

Počet organokovových sloučenin je obrovský a pokrývá většinu hlavních prvků v periodických skupinách. Většina příkladů organokovů je buď v prvcích hlavní skupiny nebo v prvcích přechodové skupiny. V první skupině je vazba více iontová nebo sigma vázaná. Klasickými příklady jsou organolithium nebo organohořčíkové sloučeniny, které jsou důležité v organické syntéze. Vyšší iontová vazba má za následek reaktivnější sloučeninu. V prvcích přechodové skupiny je vazba obvykle kovalentnější a složitější ve srovnání s prvky hlavní skupiny. Kov-alkylové, -alkenové a -alkynové a kovové arylové skupiny, jako je benzen, jsou často vázány s přechodnými prvky. Vazby v těchto sloučeninách jsou silné s delokalizovanými příspěvky pí vazeb.

Příklady důležitých organokovů zahrnují organolithium, organoboran (období 2 prvky), organohořčík, organokřemičitý (období 3 prvky), organoiron, organokobalt (období 4 prvky), organoruthenium, organcín (období 5 prvků), organoplatina, organoiridium (období 6 prvků).

Organokovové sloučeniny jsou vysoce reaktivní a obvykle mají velmi rychlé reakce. Práce s organokovovými sloučeninami, včetně hydridu lithia a hliníku, borohydridu lithného, diisobutylaluminiumhydridu a Grignardových činidel, vyžaduje přísnou regulaci teploty při nízkých teplotách. V důsledku toho se reakce s organokovovými sloučeninami často provádějí při teplotách mezi 0 ° a -78 ° C, aby se reakce řídila a:

• Získejte správný produkt
• Zajistit selektivitu
• Vyhněte se vedlejším reakcím, tvorbě vedlejších produktů nebo rozkladu
• Zajistěte kontrolu reakce a bezpečnost

Tradičně se syntézy, které obsahují takové komponenty, chladí pomocí chladicích lázní se suchým ledem a organickým rozpouštědlem, případně ve velkém a objemném kryostatu. Použití chladicích směsí je výzvou, protože neexistuje žádná flexibilita s ohledem na teplotu a je vyžadováno neustálé sledování. Používané chladicí kapaliny jsou obvykle organická rozpouštědla, jako je ethanol, aceton, cyklohexan, cyklohexanon nebo isopropanol. Všechny představují bezpečnostní riziko, protože jsou hořlavé. Organická rozpouštědla mohou být také drahá. Tradiční chladicí směsi proto mají svá omezení.

Reaktory prochemickou syntézu EasyMax, které nabízejí kalorimetrické schopnosti, se používají ve farmaceutických a chemických vývojových laboratořích k optimalizaci reakčních proměnných, rychlejšímu škálování, měření reakční termodynamiky a bezpečnosti procesů. Automatizovaný laboratorní reaktor je optimální pro podporu studií Design of Experiments a dalších metod, které matematicky souvisejí s experimentálními parametry a výkonem.

Sledujte živou eDemo z práce nebo domácí kanceláře podle svého plánu.

FTIR spektroskopie je jednou ze základních analytických metod používaných ke studiu organokovových sloučenin. Distribuce náboje a dipólová pevnost vazby kov – uhlík je jedním z hlavních ukazatelů reaktivity a klíčovým důvodem, proč mají organokovy takovou užitečnost v chemii. Infračervená spektroskopie je jedinečně citlivá na změny dipólových momentů, a proto poskytuje skvělý vhled do vazby. Komplexní vazba kov-ligand v komplexech přechodných kovů je další oblastí, kde FTIR vyniká v poskytování strukturních informací. Infračervená spektra poskytují relativní informace o délce vazeb a síle vazby. Například infračervené záření se často používá ke zkoumání karbonylových vazeb s přechodnými kovy, protože v závislosti na poloze karbonylu a také na tom, zda se jedná o přemosťující karbonyl, existují indikativní změny špičkové frekvence, které přímo souvisejí s pevností vazby.

Ramanova spektroskopie se také používá pro studium organokovové syntézy a struktury, stejně jako pro studium syntézy metalo-organo. Kromě spektrálních informací o oblasti otisku prstu je Ramanova spektroskopie vhodná pro měření vibrací o nižších frekvencích, které jsou často pozorovány u organických sloučenin obsahujících kovy a při vazbách kov-kov. Existuje také značný zájem o organokovovou chemii prováděnou ve vodném roztoku v rámci rozvoje "zelené chemie". Jako příklad lze uvést molybdoceny, které jsou užitečné pro redukci karbonylu ve vodném roztoku. Raman je ideální volbou pro studium molekulárních vazeb ve vodných prostředích.

Automatický vzorkování EasySampler implementuje jedinečnou metodu in-situ snímání, kalení a přípravy každého vzorku pro offline měření. Tato bezobslužná a automatizovaná technologie odběru vzorků umožňuje odebrat reprezentativní vzorek v rámci heterogenní a vysoce reaktivní organokovové chemie citlivé na vzduch a vlhkost. Vazebné reakce C-C a C-N v organokovové syntéze, jako jsou Ullmannovy a Buchwald-Hartwigovy reakce, odhalují, jak lze organokovové reakce sledovat pomocí vzorkování in-situ pomocí EasySampler.

ReactIR a ReactRaman mají všechny výše uvedené výhody základních technik spolu s dalšími výhodami měření in-situ v reálném čase. To umožňuje zkoumat reakce jako funkci času a za skutečných reakčních podmínek. Obě techniky lze použít na reakci dávkové nebo průtokové syntézy.

Stejně jako v klasické organické chemii poskytuje technologie ReactIR/ReactRaman podrobné informace o kinetice reakce, mechanismech a vhled do přítomnosti a identity přechodných meziproduktů. Vzhledem k tomu, že organokovová chemie se často provádí za různých reakčních podmínek, jako je nízká nebo zvýšená teplota, zvýšený tlak a/nebo v nepřítomnosti kyslíku a vodní páry, je schopnost měřit chemii bez ručního vyjmutí vzorku pro analýzu kritická. Vzhledem k tomu, že mnoho organokovových sloučenin je vysoce toxických, je analýza in situ důležitá pro zajištění bezpečnosti laboratoře.

Sledujte živou eDemo z práce nebo domácí kanceláře podle svého plánu.

• Studium organokovové syntézy za současných reakčních podmínek
• Sledujte reaktanty a činidla jako funkci času
• Měřte trendy a pokrok reakcí
• Identifikace klíčových mezidruhů včetně přechodných jevů
• Určit kinetiku a mechanismus organokovových reakcí
• Určovat strukturu organokovových sloučenin, včetně meziproduktů
• Získejte přehled o vazbě kov-ligand a disociaci ligandu
• Rozvinout důkladné porozumění kinetice/mechanismu metalo-organické syntézy
• Zkoumejte organokovové reakce ve všech rozpouštědlech včetně vody
• Měřte důležité vibrace kovů o nižších frekvencích
• Měření reakcí přes skleněné nádoby reaktoru
• Eliminovat ruční odběr vzorků a zbytečnou expozici toxickým sloučeninám
• Vhodné pro dávkové a průtokové syntézy

Jednotlivě nebo jako integrovaná chemická pracovní stanice poskytují tyto nástroje kritickou podporu pro lepší reakce organokovové syntézy:

• Infračervené spektrometry a Ramanovy spektrometry
  Sledování a profilování klíčových reakčních částic v reálném čase v závislosti na reakční době pro usnadnění kinetického a mechanistického výzkumu
• Automatizované, inline vzorkování (EasySampler)
  Bezobslužný, reprezentativní odběr vzorků reakcí v případě offline analýzy
• Reaktory pro chemickou syntézu (EasyMax a OptiMax)
  Bezobslužná, přesná kontrola a sběr dat o reakčních podmínkách
• Reakční a tepelné kalorimetry (RC1mx a HFCal)
  Změřte celkové reakční teplo, abyste zajistili bezpečnost již od návrhu

EasyMax LT (LowTemp) byl speciálně vyvinut pro aplikace, které vyžadují reakční teploty mezi RT a -80 °C - bez kompromisů v přesnosti, preciznosti, rychlé odezvě nebo chladicím výkonu při uvolňování tepla během reakce.

Experimenty mohou být předem naprogramovány, prováděny automaticky a bez dozoru. Data z online analytických nástrojů nebo nástrojů pro odběr vzorků jsou shromažďována a mohou být integrována do dat, receptů nebo poznámek shromážděných během experimentu a použita pro vyhodnocení experimentu a podávání zpráv.

• Paul Brunel, Chloé Lhardy, Sonia Mallet-Ladeira, Julien Monot, Blanca Martin-Vaca, Didier Bourissou, "Komplexy kleští palladia s nesymetrickým ligandem na bázi SCN indenu s hemilabilním pyridinovým postranním ramenem" , 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, "Charakterizace oxo-přemostěných komplexů železa amino-bis(fenolátu) vytvořených záměrně nebo in situ: Mechanistický pohled na epoxidovou deoxygenaci během spojení CO2 a epoxidů", Anorganic Chemistry 2018, 57, 21, 13494-13504.
• Zackary R. Gregg, Justin R. Griffiths, Steven T. Diver, "Konformační kontrola rychlosti iniciace v Hoveyda–Grubbsových prekatalyzátorech", Organometallics, 2018, 37, 10, 1526-1533.
• Justin R. Griffiths, Elan J. Hofman, Jerome B. Keister, Steven T. Diver, "Kinetika a mechanismus vložení isokyanidem podporovaného karbenu do arylového substituentu N-heterocyklického karbenového ligandu v metatezích na bázi ruthenia", Organometallics 2017, 36, 16, 3043-3052.
• Ross J. Beattie, Peter S. White, Joseph L. Templeton, "Tvorba [(CO)(HCCH)Tp'W=NCH(CH3)CH(CH3)N=WTp'(HCCH)(CO)][I3]2 oxidací Tp'W(CO)(HCCH)(NCHCH3) a radikálovou dimerizací", 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, "Terc-butoxidem draselná katalyzovaná dehydrogenativní C–H silylace heteroaromátů: Kombinovaná experimentální a výpočetní mechanistická studie", J. Amer. Chem. Soc., 2017, 139, 20, 6867-6879.
• Ben Cheng, Hong Yi, Chuan He, Chao Liu, Aiwen Lei, "Odhalení vlivu ligandu na disproporcionalitu mědi prostřednictvím operando IR spekter", Organometallics 2015, 3, 41, 206-211.
• Alexander F. R. Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, "Reduktivní aktivace CO2 přes dvojnou vazbu Ti-Ti: Syntetické, strukturální a mechanistické studie", Organometallics 2015, 34, 20, 4816-4829.
• Alexander F. R. Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, " Vazba v komplexech bis(pentalenu)dititanu, 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, "Regioselektivita v substitučních reakcích ligandů na komplexech diiron řízených nukleofilními a elektrofilními vlastnostmi ligandu", 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 a Brian M. Stoltz, "Terc-butoxidem katalyzovaná dehydrogenativní C−H silylace heteroaromátů: Kombinovaná experimentální a výpočetní mechanistická studie", J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6867−6879.

V této hloubkové studii vědci zkoumali mechanismus, kterým terc-butoxid draselný katalyzuje dehydrogenativní vazbu heteroarenů s hydrosilany za vzniku heteroarylsilanů, což jsou zase meziprodukty, které lze použít k vytvoření složitějších molekul. V rámci tohoto úsilí vědci použili ReactIR FTIR spektroskopii ke zkoumání možné přítomnosti koordinovaných druhů silanu. V souvisejícím výzkumu jiných skupin bylo prokázáno, že reakce (RO)3SiH s odpovídajícím KOR (R = alkyl nebo aryl) vede k pětisouřadnicovému hydridosilikátu [HSi(OR)4]K. Vědci v této práci předpokládali analogický pentakoordinovaný meziprodukt pro svou reakci, ale NMR studie byly neúspěšné při poskytování potvrzení. Uvádějí však důkazy pro tento pentakoordinační druh sledováním silylační reakce pomocí ReactIR. Spektrum této reakce odhalilo nový pík (2056 cm-1) sousedící s protahovacím pásem Si-H v Et3SiH (2100 cm-1). Předpokládali, že tento pík je v souladu s prodlouženou vazbou Si−H, jak se očekává u takových pentasouřadnicových komplexů. Také pozorovali, že nový pík koreloval s tvorbou silylačního produktu a předpokládali, že tvorba penta souřadnicového křemičitanu je zodpovědná za pozorovanou indukční periodu v reakci.