Synthèse et chimie organométallique

La synthèse organométallique, ou chimie organométallique, a un large spectre d'utilisations en chimie organique de synthèse. La synthèse organométallique définit le processus de création de composés organométalliques. La chimie organométallique figure parmi les principaux domaines de recherche en chimie organique, non organique, biochimique et catalytique. En effet, les réactifs organométalliques sont utilisés pour synthétiser de nombreux composés commerciaux employés dans les secteurs de la pharmaceutique, de la pétrochimie et de la production de polymères.

Une molécule organométallique contient un atome de métal lié à un atome de carbone. Les composés présentant, par exemple, une liaison métal-azote, métal-oxygène ou métal-phosphore sont appelés des complexes de coordination mais sont souvent désignés comme organométalliques. Les composés organométalliques peuvent contenir des métaux alcalins du 1er groupe, des métaux alcalins-terreux du 2e groupe, des métaux en transition des groupes 3 à 12 et des éléments des groupes principaux 13 à 15, ainsi que des métalloïdes comme le bore ou le silicone. Avec le large éventail d'éléments pouvant former des composés organométalliques, le champ de recherche en procédures de synthèse organométallique est immense. Les chercheurs expérimentent aussi l'utilisation de réactifs organométalliques pour synthétiser des composés plus complexes et sur mesure, en déclenchant des liaisons et/ou des réactions catalytiques spécifiques. 

Il existe de nombreuses autres méthodes pour synthétiser des composés organométalliques ::

• L'une des principales méthodes de synthèse des composés organométalliques consiste à provoquer une réaction entre un métal pur et des molécules organiques spécifiques. Cette méthode est notamment employée pour synthétiser deux types de réactifs organométalliques parmi les plus fréquemment utilisés, les organolithiens et les organomagnésiens, qui se forment en faisant réagir le métal avec un halogénure d'alkyle ou d'aryle.
  
  
• Dans les réactions à double décomposition, les halogénures métalliques réagissent avec les réactifs alkylants pour former le réactif organométallique. Le monoxyde de carbone réagit avec les métaux de transition pour former des carbonyles de métal.
  
  
• La décarboxylation d'un composé métallo-organique entraîne la formation d'un composé organométallique.
  
  
• L'hydrométallation est une méthode de synthèse au cours de laquelle une molécule à liaison métal-azote réagit avec une molécule organique contenant une liaison double, formant un composé organométallique avec une liaison métal-carbone.

Diverses réactions d'ajout et d'élimination forment des composés organométalliques à partir des molécules métallo-organiques. La méthode de synthèse optimale est souvent déterminée par des techniques d'analyse en ligne, afin d'assurer le développement d'un processus sûr et efficace.

Les réactifs organométalliques sont fréquemment utilisés pour synthétiser des molécules organiques car ils créent des liaisons spécifiques et/ou déclenchent des réactions catalytiques. Certaines de ces réactions sont difficiles ou peu pratiques à déclencher par d'autres moyens. Dans la plupart des composés organiques, les atomes de carbone sont nucléophiles ; dans les composés organométalliques, l'atome métallique est généralement moins électronégatif que le carbone auquel il est lié et le carbone agit comme un nucléophile de force variable. Lorsqu'un métal fortement électronégatif est impliqué, la distribution de la charge implique que le composé est davantage ionique dans la nature et peut être fortement réactif. 

Par exemple, dans les composés organolithiens, la liaison et davantage ionique et le carbone est davantage polarisé vers le négatif. Les liaisons des composés organolithiens sont plus fortement polarisées que leurs analogues organomagnésiens (réactifs de Grignard). Les organolithiens sont alors plus nucléophiles et plus réactifs que les réactifs de Grignard. Les réactifs organomagnésiens et organolithiens sont de bonnes bases pour la déprotonation et sont propices aux liaisons C-C ainsi qu'à d'autres réactions organiques.

Les composés organométalliques sont fréquemment utilisés dans la chimie catalytique. Par exemple, le chlorotris (triphénylphosphine) rhodium est utilisé pour réduire les alcènes et les alcynes, sans affecter les autres groupes fonctionnels d'une molécule. Une autre famille de catalyseurs organométalliques avec ligands de diphosphine Josiphos est utilisée pour les réactions d'hydrogénation énantiosélectives. L'hydrogénation et l'hydroformylation sont des réactions fréquemment déclenchées dans l'industrie, et sont catalysées par divers composés d'organorhodium ou d'organocobalt. Les réactions de polymérisation sont réalisées à l'aide de catalyseurs, comme des composés Ziegler-Natta, qui sont des catalyseurs en deux parties contenant souvent du titane et de l'aluminium qui polymérise les oléfines.

Les composés organométalliques sont très nombreux et couvrent la plupart des principaux éléments des groupes périodiques. La plupart des composés organométalliques sont soit dans le groupe principal soit dans le groupe de transition. Dans le premier, les liaisons sont davantage ioniques ou sigma. Les meilleurs exemples sont les composés organolithiens ou organomagnésiens, tous deux essentiels dans la synthèse organique. Une liaison ionique plus prononcée forme un composé plus réactif. Dans le groupe de transition, la liaison est généralement plus covalente et plus complexe par rapport au groupe principal. Les alkyles, alcènes et alcines de métal ainsi que les groupes métalliques aryle comme le benzène sont souvent liés à des éléments de transition. La liaison de ces composés est forte, avec des contributions à des liaisons pi délocalisées.

Parmi les principaux composés organométalliques figurent les organolithiens, les organoborés (éléments période 2), les organomagnésiens, les organosiliciés (éléments période 3), l'organofer, l'organocobalt (éléments période 4), l'organoruthéium, l'organoétain (éléments période 5), l'organoplatine et l'organoiridium (éléments période 6).

Les composés organométalliques sont fortement réactifs et déclenchent généralement des réactions très rapides. L'emploi de composés organométalliques, comme l'hydrure d'aluminium et de lithium, le borohydrure de lithium, l'hydrure de diisobutylaluminium et les réactifs de Grignard, requiert un strict contrôle de la température lorsque la température est basse. Par conséquent, les réactions avec composés organométalliques sont souvent déclenchées à des températures entre 0° et -78 °C afin de contrôler la réaction et :

• d'obtenir le bon produit ;
• de permettre la sélectivité ;
• d'éviter les réactions annexes, la formation de produits dérivés ou la décomposition ;
• d'assurer le contrôle et la sécurité des réactions.

Généralement, les synthèses obtenues à partir de ces composants sont refroidies dans des bains de refroidissement contenant de la glace carbonique et un solvant organique, ou un cryostat de grand format. L'emploi de mélanges de refroidissement peut s'avérer complexe car ces derniers manquent de souplesse au niveau thermique, et requièrent une surveillance de chaque instant. Les liquides de refroidissement utilisés sont généralement des solvants organiques, comme de l'éthanol, de l'acétone, du cyclohexane, de la cyclohexanone ou de l'isopropanol. Tous ces liquides présentent un risque de sécurité car ils sont inflammables. En outre, le prix des solvants organiques peut être élevé. Les mélanges de refroidissement classiques présentent donc des inconvénients.

Les réacteurs de synthèse chimique EasyMax, dotés d'une fonction de calorimétrie, sont employés dans les laboratoires pharmaceutiques et de développement chimique afin d'optimiser les variables de réaction, pour accélérer l'extrapolation, mesurer la thermodynamique de réaction et assurer la sécurité du processus. Ces réacteurs de laboratoire automatisés sont parfaitement adaptés à la conception de plans d'expérience et à d'autres méthodes qui permettent de mettre en relation mathématique les paramètres expérimentaux et les performances.

Planifiez sur votre agenda une démonstration eDemo Live à visionner depuis votre poste de travail ou depuis chez vous.

La spectroscopie FTIR est l'une des principales méthodes d'analyse utilisées pour étudier les composés organométalliques. La distribution de charge et le moment dipolaire de la liaison métal-carbone sont les principaux marqueurs de réactivité et justifient la fréquente utilisation des composés organométalliques dans la chimie. La spectroscopie infrarouge présente une sensibilité unique aux évolutions des moments dipolaires, et donne donc de précieuses informations sur les liaisons. Les liaisons complexes métaux-ligands dans les complexes métalliques de transition sont un autre domaine où la FTIR donne des informations structurelles très utiles. Le spectre infrarouge donne des informations sur la longueur et la force des liaisons. Par exemple, les infrarouges sont souvent employés pour étudier des liaisons carbonyles avec des métaux de transition, car en fonction de la position du carbonyle et de sa nature (double liaison ou non), des écarts de fréquence donnent des indications sur la force de la liaison.

La spectroscopie raman permet aussi d'étudier la synthèse et la structure organométallique, ainsi que la synthèse métallo-organique. Outre les informations sur la région spectrale, la spectroscopie raman permet de mesurer les vibrations à basse fréquence souvent observées dans les composés organiques contenant du métal et dans les liaisons métal-métal. Dans le contexte de la « chimie verte », en pleine expansion, la chimie organométallique en solution aqueuse suscite un grand intérêt. Par exemple, les molybdocènes permettent d'étudier les réductions carbonyles en solution aqueuse. La spectroscopie raman est le choix idéal pour étudier les liaisons moléculaires en milieu aqueux.

L'échantillonneur automatisé EasySampler applique une méthode unique de prélèvement, mise en trempe et préparation des échantillons, pour procéder à des mesures hors ligne. Cette technologie de prélèvement automatisée et sans surveillance permet de prélever un échantillon représentatif dans des composés chimiques organométalliques sensibles à l'air et à l'humidité, hétérogènes et hautement réactifs. Les réactions de couplage C-C et C-N dans la synthèse organométallique, comme les réactions Ullmann et Buchwald-Hartwig, sont des exemples de réactions organométalliques surveillées in situ à l'aide d'EasySampler.

ReactIR et ReactRaman ont tous les avantages des techniques de base mentionnés plus haut, mais aussi les bons côtés des mesures in situ en temps réel. Cela permet d'étudier les réactions en fonction du temps et sous les conditions de réaction réelles. Les deux techniques s'appliquent aux réactions de synthèse en flux ou en lot.

Comme avec la chimie organique classique, la technologie ReactIR/ReactRaman donne des informations détaillées sur la cinétique et les mécanismes de réaction, et des indications relatives à la présence et à l'identité des produits intermédiaires de transition. Puisque les procédés de chimie organique sont souvent réalisés sous des conditions de réaction diverses comme une température faible ou élevée, une pression élevée et/ou en absence d'oxygène et de vapeur d'eau, il est fondamental de pouvoir réaliser des mesures sans extraire l'échantillon à analyser. Puisque de nombreux composés organométalliques sont fortement toxiques, l'analyse in situ permet en outre de garantir la sécurité du laboratoire. 

Planifiez sur votre agenda une démonstration eDemo Live à visionner depuis votre poste de travail ou depuis chez vous.

• étudier la synthèse organométallique en conditions de réaction réelles ;
• suivre les réactifs en fonction du temps ;
• mesurer les tendances et la progression des réactions ;
• identifier les principales espèces intermédiaires, notamment les espèces transitoires ;
• déterminer la cinétique et les mécanismes des réactions organométalliques ;
• déterminer la structure des composés organométalliques, notamment les composés intermédiaires ;
• mieux comprendre les liaisons métal-ligand et la dissociation de ligand ;
• développer une parfaite compréhension de la cinétique et des mécanismes de synthèse métallo-organique ;
• étudier les réactions organométalliques dans tous les solvants, notamment l'eau ;
• mesurer les importantes vibrations des métaux à basse fréquence ;
• mesurer les réactions dans des récipients de réaction en verre ;
• éliminer les prélèvements manuels et limiter l'exposition aux composés toxiques.
• Convient aux synthèses en lot ou en flux.

Qu'ils soient utilisés de manière autonome ou intégrés à une station de travail de chimie, ces outils sont d'une aide précieuse pour optimiser vos réactions de synthèse organométallique :

• Spectromètres FTIR et  spectromètres Raman
  Suivi et profilage en temps réel des principaux types de réaction en fonction de la durée de la réaction pour faciliter les études cinétiques et mécaniques
• Sonde d'échantillonnage automatisée en ligne (EasySampler)
  Échantillonnage représentatif automatisé des réactions en cas d'analyse hors ligne requise
• Réacteurs de synthèse chimique (EasyMax et OptiMax)
  Acquisition et contrôle précis et automatisé des données liées aux conditions de réaction
• Calorimètres réactionnels et à flux de chaleur (RC1mx et HFCal)
  Mesure de la chaleur complète de réaction pour assurer une conception sûre

L'instrument EasyMax LT (LowTemp, basse température) a été spécialement développé pour les applications nécessitant des températures de réaction entre la température ambiante et -80 °C, sans remettre en cause l'exactitude, la précision ou les performances de refroidissement de la chaleur dégagée lors d'une réaction.

Les expériences peuvent être préprogrammées, exécutées automatiquement et sans surveillance. Les données issues d'outils d'analyse en ligne ou d'échantillonnage sont recueillies et peuvent être intégrées aux données, aux formules ou aux annotations prises pendant l'expérience, puis utilisées à des fins d'évaluation et de compte rendu de l'expérience.

• Paul Brunel, Chloé Lhardy, Sonia Mallet-Ladeira, Julien Monot, Blanca Martin-Vaca, Didier Bourissou, “Palladium pincer complexes featuring an unsymmetrical SCN indene-based ligand with a hemilabile pyridine sidearm” , 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, “Characterization of Oxo-Bridged Iron Amino-bis(phenolate) Complexes Formed Intentionally or in Situ: Mechanistic Insight into Epoxide Deoxygenation during the Coupling of CO2 and Epoxides”, Inorganic Chemistry 2018, 57, 21, 13494-13504.
• Zackary R. Gregg, Justin R. Griffiths, Steven T. Diver, “Conformational Control of Initiation Rate in Hoveyda–Grubbs Precatalysts”, Organometallics, 2018, 37, 10, 1526-1533.
• Justin R. Griffiths, Elan J. Hofman, Jerome B. Keister, Steven T. Diver, “Kinetics and Mechanism of Isocyanide-Promoted Carbene Insertion into the Aryl Substituent of an N-Heterocyclic Carbene Ligand in Ruthenium-Based Metathesis Catalysts", Organometallics 2017, 36, 16, 3043-3052.
• Ross J.Beattie, Peter S. White, Joseph L. Templeton, “Formation of [(CO)(HCCH)Tp'W=NCH(CH3)CH(CH3)N=WTp'(HCCH)(CO)][I3]2 by oxidation of Tp'W(CO)(HCCH)(NCHCH3) and radical dimerization”, 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, “Potassium tert-Butoxide-Catalyzed Dehydrogenative C–H Silylation of Heteroaromatics: A Combined Experimental and Computational Mechanistic Study”, 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, “The Reductive Activation of CO2 Across a Ti═Ti Double Bond: Synthetic, Structural, and Mechanistic Studies”, Organometallics 2015, 34, 20, 4816-4829.
• Alexander F. R. Kilpatrick, Jennifer C. Green, F. Geoffrey N. Cloke, “ Bonding in Complexes of 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, “Regioselectivity in Ligand Substitution Reactions on Diiron Complexes Governed by Nucleophilic and Electrophilic Ligand Properties”, 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, and Brian M. Stoltz, “Potassium tert-Butoxide-Catalyzed Dehydrogenative C−H Silylation of Heteroaromatics: A Combined Experimental and Computational Mechanistic Study”, J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6867−6879.

Dans cette étude approfondie, les chercheurs ont étudié le mécanisme par lequel le potassium tert-butoxyde catalyse le couplage par déshydrogénation des hétéoarènes avec des hydrosilanes pour former des hétéroarylsilanes, qui sont des produits intermédiaires servant à élaborer des molécules plus complexes. Lors de cette étude, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie FTIR ReactIR pour déterminer la présence possible d'une espèce silane coordonnée. Dans des études connexes réalisées par d'autres groupes, les chercheurs ont démontré que la réaction du (RO)3SiH avec la molécule KOR correspondante (R = alkyle or aryle) entraîne la formation d'hydrure de silicate à 5 coordinations [HSi(OR)4]K. Les chercheurs ont émis le postulat d'un produit intermédiaire à 5 coordinations analogue pour leur réaction, mais les études NMR n'ont pas permis de confirmer cette hypothèse. Cependant, ils ont démontré la présence d'une espèce à 5 coordinations en surveillant la réaction de silylation avec ReactIR. Le spectre de cette réaction a révélé un nouveau pic (2 056 cm-1) à côté de la bande d'étirement Si-H dans le composé Et3SiH (2 100 cm-1). L'hypothèse est que ce pic correspond à l'étirement de la liaison Si−H, comme attendu dans ces complexes à 5 coordinations. Les chercheurs ont aussi observé que ce nouveau pic était corrélé à la formation d'un produit de silylation et que la formation d'un silicate à 5 coordinations était à l'origine de la période d'induction observée dans la réaction.