有機金屬合成與化學

有機金屬合成或有機金屬化學代表了合成有機化學的廣泛應用範圍。有機金屬合成是指製造有機金屬化合物的過程。有機金屬化學是有機、無機、生化和催化化學中研究最活躍的領域之一。這是由於有機金屬試劑在合成製藥、聚合物和石化工業中使用的許多商業化合物時的使用而產生的。

有機金屬是一種含有與碳原子鍵合的金屬原子的分子。例如，具有金屬-氮、金屬-氧、金屬-磷鍵的化合物被定義為配位配合物，但通常被描述為有機金屬。有機金屬化合物可能含有1族鹼、2族鹼土、3-12族過渡和13-15主族元素，以及準金屬，如硼和矽。可以形成有機金屬化合物的大量元素導致了對有機金屬合成程序的大量研究。還有研究使用有機金屬試劑合成越來越複雜和定制的有機化合物，有機金屬試劑驅動特定的鍵合和/或 催化反應。

還有許多其他合成有機金屬的方法：

• 合成有機金屬化合物最常用的方法之一是將 純金屬與特定的有機分子反應。這種合成類型的例子是兩種最常用的有機金屬試劑，有機鋰和有機鎂，其中金屬與烷基或芳基鹵化物反應形成所需的試劑。
  
  
• 在雙重分解反應中，金屬鹵化物與烷化試劑交換產生有機金屬試劑。一氧化碳與過渡金屬反應形成金屬羰基。
  
  
• 金屬有機物的脫羰基化 會產生有機金屬化合物。
  
  
• 氫金屬化 是一種合成方法，其中具有金屬-氫鍵的分子與含有雙鍵的有機分子反應，形成具有金屬-碳鍵的有機金屬。

各種加成和消除反應從金屬有機分子形成有機金屬化合物。選擇最佳合成方法通常取決於線上分析技術，以確保安全且有效率的製程開發。

有機金屬試劑經常用於合成有機分子，因為它們驅動特定的鍵合和/或催化反應。其中一些反應很難或不切實際地通過其他方式進行。在大多數有機化合物中，碳原子往往是親電的，但在有機金屬化合物中，由於金屬原子的電負性通常低於其所連接的碳，因此碳充當不同強度的親核試劑。當涉及強電負性金屬時，電荷分佈使得該化合物本質上更具離子性並且可以具有強反應性。 

例如，在有機鋰化合物中，C-Li鍵更具離子性，而C極化性更強。有機鋰化合物中的鍵比其有機鎂類似物（格氏試劑）中的鍵極化更強，這使得有機鋰比格里尼亞爾更強的親核試劑和反應性更強。有機鎂和有機鋰試劑都是去質子化的強鹼基，很容易形成 CC 鍵，並驅動許多其他有機反應。

有機金屬化合物被廣泛使用的是催化化學。一個典型的例子是使用氯三（三苯基膦）銠來還原烯烴和炔烴——而不影響分子中的其他官能團。另一組含有 Josiphos 二膦配體的有機金屬基催化劑用於對映選擇性 氫化反應。氫化和 氫甲酰化反應 是由各種有機銻或有機銻化合物催化的工業上重要的反應。 聚合反應 是使用催化劑進行的，例如 Ziegler-Natta 化合物，這些催化劑是兩部分催化劑，通常含有聚合烯烴的 Ti 和 Al。

有機金屬化合物的數量龐大，涵蓋了週期性基團中的大部分主要元素。有機金屬的大多數例子要么在主族元素中，要么在過渡族元素中。在前一組中，鍵合更多的是離子鍵或西格瑪鍵合。典型的例子是有機鋰或有機鎂化合物，這兩種化合物在有機合成中都很重要。較高的離子鍵會產生反應性更高的化合物。在過渡基元素中，與主族元素相比，鍵合通常更加共價和複雜。金屬-烷基、-烯烴和-炔基以及苯等金屬芳基通常與過渡元素鍵合。這些化合物中的鍵合很強，具有離域的 pi 鍵合貢獻。

重要有機金屬的例子包括有機鋰、有機硼烷（第 2 週期元素）、有機鎂、有機矽（第 3 週期元素）、有機鐵、有機鈷（第 4 週期元素）、有機鑳、有機錫（第 5 週期元素）、有機鉑、有機銥（第 6 週期元素）。

有機金屬化合物具有高反應性，通常具有非常快的反應。使用有機金屬化合物，包括氫化鋰鋁、硼氫化鋰、氫化二異丁基鋁和格氏試劑，需要在低溫下進行嚴格的溫度控制。因此，與有機金屬化合物的反應通常在 0° 至 -78°C 的溫度下進行，以控制反應並：

• 獲得正確的產品
• 確保選擇性
• 避免副反應、副產物的形成或分解
• 確保反應控制和安全

傳統上，包含此類成分的合成物使用含有乾冰和有機溶劑的冷卻浴，或者可能使用大型且笨重的低溫恆溫器進行冷卻。冷卻混合物的使用是一項挑戰，因為溫度沒有靈活性，並且需要持續觀察。使用的冷卻液通常是有機溶劑，例如乙醇、丙酮、環己烷、環己酮或異丙醇。由於它們易燃，所有這些都存在安全風險。有機溶劑也可能很昂貴。因此，傳統的冷卻混合物有局限性。

EasyMax化學合成反應器具有量熱能力，用於製藥和化學開發實驗室，以優化反應變量、加快放大速度、測量反應熱力學和製程安全。自動化實驗室反應器最適合支持 實驗設計研究 和其他在數學上將實驗參數和性能聯繫起來的方法。

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FTIR光譜 是用於研究有機金屬化合物的基本分析方法之一。金屬的電荷分佈和偶極子強度 – 碳鍵是反應性的主要標誌之一，也是有機金屬在化學中如此有用的關鍵原因。紅外光譜對偶極矩的變化具有獨特的敏感性，因此可以深入了解鍵合。過渡金屬配合物中的複雜金屬-配體鍵合是 FTIR 擅長提供結構資訊的另一個領域。紅外光譜提供有關鍵長和鍵合強度的相對信息。例如，紅外經常用於研究羰基與過渡金屬的鍵合，因為根據羰基的位置以及它是否是橋接羰基，存在與鍵強度直接相關的指示性峰值頻率變化。

拉曼光譜 還用於研究有機金屬合成和結構，以及研究金屬有機合成。除了指紋區域光譜資訊外，拉曼光譜還非常適合測量在含金屬有機化合物和金屬-金屬鍵合中經常觀察到的低頻振動。此外，人們對在水溶液中進行的有機金屬化學在推進“綠色化學”方面產生了濃厚的興趣。例如，鉬乙烯可用於水溶液中的羰基還原。拉曼是研究水性介質中分子鍵合的理想選擇。

EasySampler 自動採樣 實現了一種獨特的方法，用於原位捕獲、淬滅和準備每個樣品以進行離線測量。這種無人值守的自動採樣技術能夠在對空氣和水分敏感、異質和高反應性的有機金屬化學中採集具有代表性的樣品。有機金屬合成中的 C-C 和 C-N 偶聯反應，例如 Ullmann 和 Buchwald-Hartwig，揭示了如何使用 EasySampler 原位採樣監測有機金屬反應。

ReactIR 和 ReactRaman 具有上述基本技術的所有優點，以及即時原位測量的其他優點。這使得能夠研究反應隨時間和實際反應條件下的變化。這兩種技術都可以應用於批量或流動合成反應。

與經典有機化學一樣，ReactIR/ReactRaman技術提供了有關 反應動力學、機理以及對瞬態中間體的存在和身份的洞察的詳細信息。由於有機金屬化學通常在不同的反應條件下進行，例如低溫或高溫、高壓和/或在沒有氧氣和水蒸氣的情況下進行，因此無需手動取出樣品進行分析即可測量化學的能力至關重要。由於許多有機金屬化合物具有劇毒，因此原位分析對於確保實驗室安全非常重要。

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• 研究實際反應條件下的有機金屬合成
• 追蹤反應物和試劑隨時間的變化
• 測量反應趨勢和進度
• 識別關鍵中間物種，包括瞬態
• 確定有機金屬反應動力學和機理
• 確定有機金屬化合物的結構，包括中間體
• 深入了解金屬-配體鍵合和配體解離
• 全面了解金屬有機合成動力學/機制
• 研究包括水在內的所有溶劑中的有機金屬反應
• 測量重要的低頻金屬振動
• 通過玻璃反應器容器測量反應
• 消除手動採樣和不必要地接觸有毒化合物
• 適用於批量和流動合成

單獨或作為集成化學工作站，這些工具為更好的有機金屬合成反應提供了關鍵支持：

• FTIR 光譜儀和拉曼光譜儀
  即時追蹤和分析關鍵反應物質作為反應時間的函數，以幫助動力學和機理研究
• 自動化、在線採樣 （EasySampler）
  當需要離線分析時，無人值守的代表性反應採樣
• 化學合成反應器（EasyMax 和 OptiMax）
  反應條件的無人值守、精確控制和數據收集
• 反應和熱流量熱儀 （RC1mx 和 HFCal）
  測量完全反應熱以確保設計安全

EasyMax LT （LowTemp） 專為需要反應溫度在 RT 和 -80° C 之間的應用而開發，而不會影響反應過程中熱量釋放的準確度、精密度、快速響應或冷卻性能。

實驗可以預先編程、自動運行和無人值守。收集來自線上分析或採樣工具的數據，並可整合到實驗期間收集的數據、配方或註釋中，並用於實驗評估和報告。

• Paul Brunel、Chloé Lhardy、Sonia Mallet-Ladeira、Julien Monot、Blanca Martin-Vaca、Didier Bourissou，“鈀鉗複合物，具有不對稱的 SCN 茚基配體和半吡啶配體”，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，“有意或原位形成的氧代橋鐵氨基雙（酚酸酯）配合物的表徵：CO2 和環氧化物耦合過程中環氧化物脫氧的機制洞察”，無機化學 2018， 57， 21， 13494-13504。
• Zackary R. Gregg、Justin R. Griffiths、Steven T. Diver，“Hoveyda-Grubbs 預催化劑中起始速率的構象控制”，有機金屬學，2018， 37， 10， 1526-1533。
• Justin R. Griffiths、Elan J. Hofman、Jerome B. Keister、Steven T. Diver，“釕基複分解催化劑中異氰化物促進的卡賓插入 N-雜環卡賓配體的芳基取代基的動力學和機制”，有機金屬學 2017， 36， 16， 3043-3052。
• Ross J.Beattie、Peter S. White、Joseph L. Templeton，“通過氧化 Tp'W（CO）（HCCH）（NCHCH3） 和自由基二聚化形成 [（CO）（HCCH）Tp'W=NCH（CH3）CH（CH3）N=WTp'（HCCH）（CO）][I3]2”，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、KN Houk、Brian M. Stoltz，“雜芳烴化合物的叔丁氧化鉀催化脫氫 C-H 矽烷化：實驗和計算機制的結合研究”，J. Amer. Chem. Soc.， 2017年， 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 FR Kilpatrick、Jennifer C. Green、F. Geoffrey N. Cloke，“CO2 跨 Ti═Ti 雙鍵的還原活化：合成、結構和機械研究”，有機金屬學 2015， 34，  20， 4816-4829。
• Alexander FR Kilpatrick、Jennifer C. Green、F. Geoffrey N. Cloke，“雙（戊二烯）二鈦、Ti2（C8H6）2 配合物中的鍵合”，有機金屬學 2015， 34， 4830−4843。
• Ryan D. Bethel、Danielle J. Crouthers、Chung-Hung Hsieh、Jason A. Denny、Michael B. Hall、Marcetta Y. Darensbourg，“由親核和親電配體特性控制的二鐵配合物配體取代反應的區域選擇性”，Inorg。化學 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、KN Houk 和 Brian M. Stoltz，“雜芳烴化合物的叔丁氧化鉀催化脫氫 C-H 矽烷化：一項結合實驗和計算機制研究”，J. Am. Chem. Soc. 2017， 139， 6867−6879。

在這項深入研究中，研究人員研究了叔丁醇鉀催化雜芳烴與氫矽烷的脫氫偶聯形成雜芳基矽烷的機制，而雜芳基矽烷又是可用於構建更複雜分子的中間體。作為這項工作的一部分，研究人員使用 ReactIR FTIR 光譜 來研究可能存在配位矽烷物種。在其他小組的相關研究中，表明（RO）3SiH與相應的KOR（R=烷基或芳基）反應產生五配位氫化矽酸鹽[HSi（OR）4]K。這項工作的研究人員假設了類似的五配位中間體來處理他們的反應，但核磁共振研究未能成功提供證實。然而，他們通過監測 ReactIR 的甲矽烷化反應報告了這種五配位物質的證據。該反應的光譜揭示了 Et3SiH （2100 cm-1） 中與 Si-H 拉伸帶相鄰的新峰 （2056 cm-1）。他們假設這個峰與細長的 Si−H 鍵一致，正如這種五配位配合物中所預期的那樣。他們還觀察到，新的峰與甲矽基化產物的形成相關，並假設五配位矽酸鹽的形成是反應中觀察到的誘導期的原因。