Metallorganisk syntes och kemi

Organometallisk syntes, eller metallorganisk kemi, representerar ett brett användningsområde inom syntetisk organisk kemi. Organometallisk syntes avser processen att skapa organometalliska föreningar. Metallorganisk kemi är bland de mest aktivt undersökta områdena inom organisk, oorganisk, biokemisk och katalytisk kemi. Detta härrör från användningen av organometalliska reagenser i syntesen av ett antal kommersiella föreningar som används inom läkemedels-, polymer- och petrokemisk industri.

Organometallic är en molekyl som innehåller en metallatom bunden till en kolatom. Föreningar med till exempel metall-kväve-, metall-syre, metall-fosforbindningar definieras som koordinationskomplex men beskrivs ofta som organometalliska. Metallorganiska föreningar kan innehålla grupp 1 alkali, grupp 2 alkali jordartsmetall, grupp 3-12 övergång och 13-15 huvudgruppselement, såväl som metalloider, såsom bor och kisel. Det stora utbudet av element som kan bilda organometalliska föreningar resulterar i omfattande forskning inom procedurer för organometallisk syntes. Det finns också forskningsinsatser i användningen av organometalliska reagenser i syntesen av allt mer komplexa och skräddarsydda organiska föreningar, för vilka organometalliska reagenser driver specifik bindning och/eller katalyserar reaktioner.

Det finns många andra sätt att syntetisera organometallics:

• En av de mest använda metoderna för att syntetisera en organometallisk förening är att reagera den rena metallen med specifika organiska molekyler. Exempel på denna typ av syntes är två av de mest använda metallorganiska reagenserna, organolitium och organomagnesium, för vilka metallen reagerar med en alkyl- eller arylhalogenid för att bilda det önskade reagenset.
  
  
• I dubbelnedbrytningsreaktioner utbytes metallhalogenider med alkylerande reagenser för att ge det organometalliska reagenset. Kolmonoxid reagerar med övergångsmetaller för att bilda metallkarbonyler.
  
  
• Dekarbonylering av en metallo-organisk kommer att producera en organometallisk förening.
  
  
• Hydrometallering är en syntesmetod där en molekyl med en metall-vätebindning reagerar med en organisk molekyl som innehåller en dubbelbindning och bildar en organometallisk med en metall-kolbindning.

Olika additions- och elimineringsreaktioner bildar organometalliska föreningar från metalloorganiska molekyler. Valet av den optimala syntesmetoden bygger ofta på inline-analystekniker för att säkerställa en säker och effektiv processutveckling.

Organometalliska reagenser används ofta för att syntetisera organiska molekyler eftersom de driver specifik bindning och/eller katalyserar reaktioner. Vissa av dessa reaktioner är svåra eller opraktiska att utföra på annat sätt. I de flesta organiska föreningar tenderar kolatomer att vara elektrofila, men i organometalliska föreningar, eftersom metallatomen vanligtvis är mindre elektronegativ än kolet den är bunden till, fungerar kolet som en nukleofil med varierande styrka. När en starkt elektronegativ metall är inblandad är laddningsfördelningen sådan att föreningen är mer jonisk till sin natur och kan vara starkt reaktiv. 

Till exempel, i organiska litiumföreningar är C-Li-bindningen mer jonisk och C är mer negativt polariserad. Bindningarna i organolitiumföreningar är starkare polariserade än i deras organiska magnesiumanaloger (Grignard-reagenser), vilket gör organolitium till en starkare nukleofil och mer reaktiv jämfört med Grignard. Både organomagnesium och organolitiumreagenser är starka baser för deprotonering och bildar lätt C-C-bindningar, samt driver många andra organiska reaktioner.

Organometalliska föreningar används ofta i katalytisk kemi. Ett klassiskt exempel är användningen av klorotris (trifenylfosfin) rodium för att reducera alkener och alkyner - utan att påverka andra funktionella grupper i en molekyl. En annan familj av organometallbaserade katalysatorer med Josifos-difosfinligander används för enantioselektiva hydrogeneringsreaktioner. Hydrogenering och hydroformyleringsreaktioner är industriellt viktiga reaktioner som katalyseras av olika organorhodium- eller organokoboltföreningar. Polymerisationsreaktioner utförs med hjälp av katalysatorer, såsom Ziegler-Natta-föreningar, som är tvådelade katalysatorer som ofta innehåller Ti och Al som polymeriserar olefiner.

Antalet metallorganiska föreningar är stort och täcker de flesta av de viktigaste grundämnena i de periodiska grupperna. De flesta exempel på organometalliska ämnen finns antingen i huvudgruppselementen eller övergångsgruppelementen. I den förstnämnda gruppen är bindningen mer jonisk eller sigma-bunden. De klassiska exemplen är organolitium- eller organomagnesiumföreningar, som båda är viktiga i organisk syntes. Högre jonbindning resulterar i en mer reaktiv förening. I övergångsgruppelementen är bindningen vanligtvis mer kovalent och komplex jämfört med huvudgruppelementen. Metall-alkyl-, -alken- och -alkyn- och metallarylgrupper som bensen är ofta bundna till övergångselement. Bindningen i dessa föreningar är stark med delokaliserade pi-bindningsbidrag.

Exempel på viktiga organiska metaller inkluderar organolitium, organoboran (period 2 grundämnen), organomagnesium, organokisel (period 3 grundämnen), organojärn, organokobolt (period 4 grundämnen), organoruthenium, organotin (period 5 grundämnen), organoplatina, organoiridium (period 6 grundämnen).

Metallorganiska föreningar är mycket reaktiva och har vanligtvis mycket snabba reaktioner. Att arbeta med organometalliska föreningar, inklusive litium-aluminiumhydrid, litiumborhydrid, diisobutylaluminiumhydrid och Grignard-reagenser, kräver noggrann temperaturkontroll vid låga temperaturer. Följaktligen körs reaktioner med metallorganiska föreningar ofta vid temperaturer mellan 0° och -78°C för att kontrollera reaktionen och:

• Skaffa rätt produkt
• Säkerställ selektivitet
• Undvik sidoreaktioner, bildning av biprodukter eller nedbrytning
• Säkerställ reaktionskontroll och säkerhet

Traditionellt kyls synteser som innehåller sådana komponenter med hjälp av kylbad med torris och ett organiskt lösningsmedel, eller möjligen en stor och skrymmande kryostat. Användningen av kylblandningar är en utmaning eftersom det inte finns någon flexibilitet när det gäller temperatur, och ständig observation krävs. Kylvätskorna som används är vanligtvis organiska lösningsmedel, såsom etanol, aceton, cyklohexan, cyklohexanon eller isopropanol. Alla utgör en säkerhetsrisk eftersom de är brandfarliga. Organiska lösningsmedel kan också vara dyra. Därför har traditionella kylblandningar begränsningar.

EasyMaxkemiska syntesreaktorer, som erbjuder kalorimetrisk kapacitet, används i farmaceutiska och kemiska utvecklingslaboratorier för att optimera reaktionsvariabler, för snabbare uppskalning, mäta reaktionstermodynamik och processäkerhet. Den automatiserade laboratoriereaktorn är optimal för att stödja studier i försöksplanering och andra metoder som matematiskt relaterar experimentella parametrar och prestanda.

Visa en live eDemo från ditt arbets- eller hemmakontor enligt ditt schema.

FTIR-spektroskopi är en av de grundläggande analysmetoderna som används för att undersöka metallorganiska föreningar. Laddningsfördelning och dipolstyrka hos metall – kolbindning är en av de viktigaste markörerna för reaktivitet och en viktig anledning till att organiska metaller har sådan användbarhet inom kemi. Infraröd spektroskopi är unikt känslig för förändringar i dipolmoment och ger därmed stor insikt i bindning. Komplex metall-ligandbindning i övergångsmetallkomplex är ett annat område där FTIR utmärker sig när det gäller att tillhandahålla strukturell information. Infraröda spektra ger relativ information om bindningarnas längd och bindningens styrka. Till exempel används infraröd ofta för att undersöka karbonylbindning med övergångsmetaller, eftersom beroende på karbonylens position samt om det är en överbryggande karbonyl, finns det indikativa toppfrekvensförändringar som direkt relaterar till bindningsstyrkan.

Raman-spektroskopi används också för undersökning av organometallisk syntes och struktur, samt för att studera metallo-organo-syntes. Förutom spektral information om fingeravtrycksområdet är Raman-spektroskopi väl lämpad för att mäta lågfrekventa vibrationer som ofta observeras i metallhaltiga organiska föreningar och i metall-metallbindningar. Det finns också ett stort intresse för metallorganisk kemi utförd i vattenlösning för att främja "grön kemi". Som ett exempel är molybdokener användbara för karbonylreduktioner i vattenlösning. Raman är det perfekta valet för att studera molekylär bindning i vattenhaltiga medier.

EasySampler automatiserad provtagning implementerar en unik metod för in-situ fångning, kylning och förberedelse av varje prov för offlinemätningar. Denna obevakade och automatiserade provtagningsteknik gör det möjligt att ta ett representativt prov inom luft- och fuktkänslig, heterogen och mycket reaktiv organometallisk kemi. C-C och C-N kopplingsreaktioner i organometallisk syntes, såsom Ullmann och Buchwald-Hartwig, avslöjar hur organometalliska reaktioner kan övervakas med hjälp av EasySampler in-situ provtagning.

ReactIR och ReactRaman har alla de ovan nämnda fördelarna med de grundläggande teknikerna, tillsammans med ytterligare fördelar med in-situ-mätning i realtid. Detta gör det möjligt att undersöka reaktioner som en funktion av tid och under faktiska reaktionsförhållanden. Båda teknikerna kan tillämpas på batch- eller flödessyntesreaktion.

Precis som i klassisk organisk kemi ger ReactIR/ReactRaman-tekniken detaljerad information om reaktionskinetik, mekanismer och insikt i närvaron och identiteten av transienta intermediärer. Eftersom metallorganisk kemi ofta utförs under olika reaktionsförhållanden såsom låg eller förhöjd temperatur, förhöjt tryck och/eller i frånvaro av syre och vattenånga, är förmågan att mäta kemi utan att manuellt ta bort ett prov för analys avgörande. Eftersom många metallorganiska föreningar är mycket giftiga är in situ-analys viktig för att säkerställa laboratoriets säkerhet.

Visa en live eDemo från ditt arbets- eller hemmakontor enligt ditt schema.

• Studera organometallisk syntes under faktiska reaktionsförhållanden
• Spåra reaktanter och reagenser som en funktion av tiden
• Mät reaktionstrender och framsteg
• Identifiera viktiga intermediära arter, inklusive transienter
• Bestämma organometallisk reaktionskinetik och mekanism
• Bestämma strukturen hos metallorganiska föreningar, inklusive intermediärer
• Få insikt i metall-ligandbindning och liganddisassociation
• Utveckla en grundlig förståelse för metallo-organisk synteskinetik/mekanism
• Undersöka metallorganiska reaktioner i alla lösningsmedel inklusive vatten
• Mät viktiga metallvibrationer med lägre frekvens
• Mät reaktioner genom reaktorkärl av glas
• Eliminera manuell provtagning och onödig exponering för giftiga föreningar
• Lämplig för batch- och flödessynteser

Individuellt, eller som en integrerad kemisk arbetsstation, ger dessa verktyg kritiskt stöd för bättre organometalliska syntesreaktioner:

• FTIR-spektrometrar och Raman-spektrometrar
  Spårning och profilering i realtid av viktiga reaktionsarter som en funktion av reaktionstiden för att underlätta kinetiska och mekanistiska undersökningar
• Automatiserad, inline-provtagning (EasySampler)
  Obevakad, representativ provtagning av reaktioner när offlineanalys krävs
• Kemiska syntesreaktorer (EasyMax och OptiMax)
  Obevakad, exakt kontroll och datainsamling av reaktionsförhållanden
• Reaktions- och värmeflödeskalorimetrar (RC1mx och HFCal)
  Mät fullständig reaktionsvärme för att säkerställa säkerhet genom design

EasyMax LT (LowTemp) har utvecklats speciellt för tillämpningar som kräver reaktionstemperaturer mellan RT och -80 °C - utan att kompromissa med noggrannhet, precision, snabb respons eller kylningsprestanda för värmeavgivning under en reaktion.

Experiment kan vara förprogrammerade, köras automatiskt och obevakade. Data från onlineanalyser eller provtagningsverktyg samlas in och kan integreras i de data, recept eller anteckningar som samlas in under experimentet och användas för utvärdering och rapportering av experimentet.

• Paul Brunel, Chloé Lhardy, Sonia Mallet-Ladeira, Julien Monot, Blanca Martin-Vaca, Didier Bourissou, "Palladium pincer-komplex med en osymmetrisk SCN-indenbaserad ligand med en hemilabile pyridin sidoarm", 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 av oxo-överbryggade järnamino-bis(fenolat) komplex bildade avsiktligt eller in situ: Mekanistisk insikt i epoxiddeoxygenering under kopplingen av CO2 och epoxider", Oorganisk Kemi 2018, 57, 21, 13494-13504.
• Zackary R. Gregg, Justin R. Griffiths, Steven T. Diver, "Konformationskontroll av initieringshastighet hos Hoveyda–Grubbs prekatalysatorer", Organometallics, 2018, 37, 10, 1526-1533.
• Justin R. Griffiths, Elan J. Hofman, Jerome B. Keister, Steven T. Diver, "Kinetik och mekanism för isocyanidfrämjad karbeninsättning i arylsubstituenten av en N-heterocyklisk karbenligand i ruteniumbaserade metateskatalysatorer", Organometallics 2017, 36, 16, 3043-3052.
• Ross J.Beattie, Peter S. White, Joseph L. Templeton, "Bildning av [(CO)(HCCH)Tp'W=NCH(CH3)CH(CH3)N=WTp'(HCCH)(CO)][I3]2 genom oxidation av Tp'W(CO)(HCCH)(NCHCH3) och radikaldimerisering", 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 Nesnäs, Martin Oestreich, Donna G. Blackmond, Scott C. Virgil, Shibdas Banerjee, Richard N. Zare, Robert H. Grubbs, K. N. Houk, Brian M. Stoltz, "Kalium tert-butoxid-katalyserad dehydrogenativ C-H Silylering av heteroaromater: En kombinerad experimentell och beräkningsmekanistisk studie", J. Amer. Chem. Soc., 2017, 139, 20, 6867-6879.
• Ben Cheng, Hong Yi, Chuan He, Chao Liu, Aiwen Lei, "Avslöjande av ligandeffekten på koppar(I) disproportionering via operando IR-spektra", Organometallics 2015, 3, 41, 206-211.
• Alexander F. R. Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, "Den reduktiva aktiveringen av CO2 över en Ti-Ti-dubbelbindning: Syntetiska, strukturella och mekanistiska studier", Organometallics 2015, 34, 20, 4816-4829.
• Alexander F. R. Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, "Bindning i komplex av bis(pentalen)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, "Regioselektivitet i ligandsubstitutionsreaktioner på diironkomplex som styrs av nukleofila och elektrofila ligandegenskaper", 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 Nesnäs, Martin Oestreich, Donna G. Blackmond, Scott C. Virgil, Shibdas Banerjee, Richard N. Zare, Robert H. Grubbs, K. N. Houk och Brian M. Stoltz, "Kalium tert-butoxid-katalyserad dehydrogenativ C-H Silylering av heteroaromater: En kombinerad experimentell och beräkningsmekanistisk studie", J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6867−6879.

I den fördjupade studien har forskarna undersökt den mekanism genom vilken kalium-tert-butoxid katalyserar den dehydrogenativa kopplingen av heteroarener med hydrosilaner för att bilda heteroarylsilaner, som i sin tur är intermediärer som kan användas för att bygga mer komplexa molekyler. Som en del av detta arbete använde forskarna ReactIR FTIR-spektroskopi för att undersöka den möjliga förekomsten av en koordinerad silanart. I relaterad forskning av andra grupper visades det att reaktionen av (RO)3SiH med motsvarande KOR (R = alkyl eller aryl) resulterar i femkoordinathydridosilikat [HSi(OR)4]K. Forskarna i detta arbete postulerade en analog pentakoordinerad intermediär för deras reaktion, men NMR-studier lyckades inte ge bekräftelse. De rapporterar dock bevis för denna pentakoordinerade art genom att övervaka silyleringsreaktionen med ReactIR. Spektrumet för denna reaktion avslöjade en ny topp (2056 cm-1) intill Si-H-sträckbandet i Et3SiH (2100 cm-1). De postulerade att denna topp är konsistent med den långsträckta Si-H-bindningen, som förväntat i sådana pentakoordinatkomplex. De observerade också att den nya toppen korrelerade med bildning av silyleringsprodukter och postulerade att bildningen av pentakoordinatsilikat är ansvarig för den observerade induktionsperioden i reaktionen.