有机金属合成与化学

有机金属合成（即：有机金属化学）在合成有机化学领域内广泛使用。 有机金属合成指创造有机金属化合物的过程。 有机金属化学是有机、无机、生化与分析化学行业研究最多的领域之一。 这与使用有机金属试剂对制药、聚合物与石化行业采用的大量商用化合物进行合成有关。

有机金属化合物是一种分子，其中包含与碳原子键合的金属原子。 例如，包含金属氮、金属氧、金属磷键的化合物定义为配位化合物，但是经常将其称作有机金属。 有机金属化合物中可能包含1族碱、2族碱土、3-12族过渡金属以及13-15主族元素，还可能包含硼与硅等准金属。 由于构成有机金属化合物的元素多种多样，因此有大量针对有机金属合成程序的研究。 另外，由于有机金属试剂可促进特定键合以及/或者催化反应，因此针对在合成日益复杂与定制化的有机化合物过程中采用有机金属试剂的研究也很多。

合成有机金属化合物的方法还有很多：

• 合成有机金属化合物的最常用方法之一是将纯金属与特定有机分子进行反应。 两种最常用的有机金属试剂（有机锂与有机镁）是这种合成的结果，通过将金属与卤代烷或芳基卤进行反应，形成所需试剂。
  
  
• 在复分解反应中，金属卤化物与烷基化试剂交换，以产生有机金属试剂。 一氧化碳与过渡金属发生反应，以形成金属羰基化合物。
  
  
• 金属有机物脱羰将会产生一种有机金属化合物。
  
  
• 加氢金属化反应是一种合成方法，带有金属氢键的分子与包含一个双键的有机分子发生反应，从而形成带有金属碳键的有机金属化合物。

不同的加成与消除反应可形成由金属有机分子组成的有机金属化合物。 在线分析法通常会对选择最佳的合成方法产生影响，以确保安全高效的工艺开发。

由于有机金属试剂可促进特定键合与/或催化反应，因此通常用于合成有机分子。 其中一些反应难以或者无法通过其他方法实现。 在大多数的有机化合物中，碳原子容易发生亲电反应，但是在有机金属化合物中，由于金属原子与其附着所在的碳相比通常负电性较弱，因此碳用作具有不同强度的亲核试剂。 当涉及到强负电性金属时，电荷分布会导致化合物离子增多，因此可具有很强的反应性。 

例如在有机锂化合物中，C-Li键的离子更多，并且C更容易负极化。 与有机镁化合物（格氏试剂）相比，有机锂化合物中的键极化更强，因此有机锂与格氏试剂相比是更强的亲核试剂并且反应性更强。 有机镁与有机锂试剂均是去质子化的强碱，可快速形成C-C键，并且可促进许多其他的有机反应。

有机金属化合物广泛应用于催化化学。 一个典型的例子是利用三苯基膦氯化铑还原烯烃和炔烃，并且不会影响分子中的其他官能团。 具有Josiphos双膦配体的另外一族有机金属基催化剂用于对映选择性氢化反应。 氢化与氢甲酰化反应是对于工业很重要的反应，由不同的有机铑或有机钴化合物催化。 使用齐格勒-纳塔化合物之类的催化剂进行聚合反应，这些是通常含有聚合烯烃的钛和铝离子的双组分催化剂。

有机金属化合物的数量庞大，包括周期族中的大多数元素。 大多数的有机金属化合物或者在主族元素中，或者在过渡族元素中。 在之前的族中，键合离子数量更多或者为西格玛键合。 典型的例子为有机锂或有机镁化合物，两者在有机合成中均发挥重要作用。 更高离子键合可产生反应性更强的化合物。 在过渡族元素中，与主族元素相比，键合通常更加共价和复杂。 诸如苯之类的烷基金属、烯烃基金属、炔烃基金属与芳基金属族通常与过渡元素键合。 这些化合物中的键合很强，会有助于离域pi键合。

重要的有机金属化合物包括有机锂、有机硼烷（第二周期元素）、有机镁、有机硅（第三周期元素）、有机铁、有机钴（第四周期元素）、有机钌、有机锡（第五周期元素）、有机铂、有机铱（第六周期元素）。

有机金属化合物反应性强，通常反应速度非常快。 使用有机金属化合物（例如：氢化铝锂、硼氢化锂、二异丁基氢化铝与格氏试剂）工作时，需要在低温条件下进行严格温度控制。 因此，通常在0°C至-78°C温度条件下与有机金属化合物发生反应，从而控制反应以及：

• 获得正确的产物
• 确保选择性
• 避免副反应、形成副产物或分解
• 确保反应控制与安全性

对包含此类化合物的合成进行冷却时，以往的做法是使用冷却浴结合干冰与有机溶剂（或者一种大而笨重的制冷器）进行。 使用冷却混合液是一种挑战，这是因为在温度方面不具备灵活性，并且需要持续观察。 使用的冷却液通常为有机溶剂，例如：乙醇、丙酮、环己烷、环己酮或异丙醇。 由于所有这些物质具有易燃性，因此存在安全风险。 另外，有机溶剂价格昂贵。 因此，传统的冷却混合液具有局限性。

EasyMax化学合成反应釜具有量热功能，可在制药与化学开发实验室中使用，可优化反应因素、加快放大生产进程、测量反应热力学以及确保过程安全。 自动化实验室反应釜是协助实验设计研究，以及通过数学方式将实验参数与性能相关联的其他方法的理想之选。

根据自己的时间在办公室或家中观看直播网上演示。

FTIR光谱是研究有机金属化合物所采用的基本分析方法之一。 金属的电荷分布与偶极子强度——碳键合是反应性的主要标志之一，也是有机金属化合物在化学领域如此有用的一个关键原因。 红外光谱对于偶极矩的变化非常敏感，因此可深入分析键合。 过渡金属化合物中复杂的金属配体键合是FTIR擅长提供结构信息的另一方面。 红外光谱可提供关于键长与键合强度的相关信息。 例如，红外经常用于研究羰基与过渡金属键合，这是因为根据羰基的位置以及是否属于桥联羰基，会发生与键强度直接相关的峰值频率变化。

拉曼光谱也用于研究有机金属合成与结构以及研究金属有机合成。 拉曼光谱不仅可提供指纹区光谱信息，还非常适合于测量含金属的有机化合物以及金属-金属键合经常发生的低频振动。 另外，在推进“绿色化学”过程中，人们对使用水溶液中进行的有机金属化学产生巨大兴趣。 例如，钼烯对于水溶液中的羰基还原很有用。 拉曼是研究水介质中分子键合的理想之选。

EasySampler全自动取样系统 采用一种独特的方法，为离线测量原位捕获、淬灭和制备每一份样品。 这种全自动取样技术可在对空气与水分敏感、非均相以及高反应性有机金属化合物中提取具有代表性的样品。 有机金属合成中的C-C与C-N偶联反应（例如：Ullmann与Buchwald-Hartwig）可展现如何利用EasySampler全自动取样系统原位取样监测有机金属反应。

ReactIR与ReactRaman不仅具备上述基本方法的优点，而且具有可实时以及原位测量的更多优点。 这有助于研究反应同时间和实际反应条件的关系。 这两种方法均可用于间歇或流动合成反应。

在传统的有机化学领域，ReactIR/ReactRaman技术可提供关于反应动力学与机理的详细信息，并且可洞察瞬时中间体的状态与组成。 由于有机金属化学反应通常在不同的反应条件下进行（例如：在低温或高温、高压以及/或者无氧与水蒸气条件下），因此具备无需手动移除分析样品便可测量化学性的能力至关重要。 由于许多的有机金属化合物毒性强，因此原位分析对于确保实验室的安全性十分重要。 

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• 在实际反应条件下研究有机金属合成
• 跟踪反应物与试剂同时间的关系
• 衡量反应趋势与进度
• 确定关键中间体种类（包括瞬时中间体）
• 确定有机金属反应动力学与机理
• 确定有机金属化合物的结构（包括中间体）
• 了解金属配体键合与配体离解
• 通过了解有机金属合成动力学/机理开发
• 研究所有溶剂（包括水）中的有机金属反应
• 测量重要的低频金属振动
• 通过玻璃反应釜监测 反应
• 取消手动取样以及避免与有毒化合物不必要的接触
• 适合于间歇与流动合成

下列工具可单独使用或作为集成化学工作站使用，能为优化有机金属合成反应提供重要支持：

• FTIR光谱仪 和 拉曼光谱仪
  可实时追踪和分析关键反应组分随着反应时间推移而发生的变化，以协助进行动力学和机理研究
• 自动化在线取样（EasySampler）
  如需离线分析，在无人值守的情况下即可采集具有代表性的反应样品
• 化学合成反应釜 （EasyMax和OptiMax）
  可在无人值守的情况下精确控制并采集反应条件数据
• 反应与热流量热仪（RC1mx与HFCal）
  设计上测量反应全部热量，以确保安全性

EasyMax LT（LowTemp）专门为需要在RT与-80° C之间反应，并且在反应期间不会影响到精准性、快速响应、冷却性能以及放热的应用而开发。

可预先设定并且全自动进行实验。 从在线分析或取样工具采集数据，并且可将其整合至在实验期间收集到的数据、配方或注解，然后用于实验评估与报告。

• 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.

在此次深入研究中，研究人员对叔丁醇钾催化杂芳烃与氢化硅烷之间的脱氢偶联，从而形成杂芳基硅烷（可用于构建更加复杂分子的中间体）所采用的机理进行了研究。 在这一方面，研究人员利用ReactIR FTIR光谱研究是否存在配位硅烷种类。 在其他小组进行的相关研究中，结果表明（RO）3SiH与相关KOR（R =烷基或芳基）发生的反应可产生五配位氢硅酸盐[HSi(OR)4]K。 从事此项工作的研究人员们假设有一种类似的五配位中间体参与了反应，但是NMR研究未能够成功证实。 不过他们通过监测与ReactIR的甲硅烷基化反应证明存在这种五配位中间体。 该反应的光谱表明在Et3SiH（2100 cm-1）中的Si-H伸缩区附近存在一个新的峰值（2056 cm-1）。 他们假设此峰值与延长的Si−H键一致（此类五配位化合物具有此特点）。 他们还观察到新的峰值与硅烷基化产物形成有关，并且假设五配位硅酸盐的形成可造成在反应中观察到的诱导期。