Organometallchemie und metallorganische Synthese

Die metallorganische Synthese, Organometallchemie oder metallorganische Chemie, ist ein grosser Anwendungsbereich in der synthetischen organischen Chemie und beschreibt den Prozess der Erzeugung metallorganischer Verbindungen. Sie gehört zu den meist erforschten Bereichen in der organischen, anorganischen, biochemischen und katalytischen Chemie. Dies zeigt sich an der Verwendung metallorganischer Reagenzien bei der Synthese einer Vielzahl kommerziell relevanter Verbindungen, die in der pharmazeutischen, Polymer- und petrochemischen Industrie zum Einsatz kommen.

Metallorganische Moleküle enthalten ein Metallatom, das an ein Kohlenstoffatom gebunden ist. Bei Verbindungen, die z. B. Metall-Stickstoff-, Metall-Sauerstoff- oder Metall-Phosphor-Bindungen enthalten, handelt es sich laut Definition zwar um Koordinationskomplexe, diese Verbindungen werden jedoch häufig ebenfalls als metallorganische Verbindungen bezeichnet. Metallorganische Verbindungen können Alkalimetalle aus Gruppe 1, Erdalkalimetalle aus Gruppe 2, Übergangsmetalle aus den Gruppen 3-12 und Elemente aus den Hauptgruppen 13-15 sowie Metalloide wie Bor und Silicium enthalten. Die Vielzahl an Elementen, die metallorganische Verbindungen bilden können, führt zu einem regen Forschungsbetrieb im Bereich der metallorganischen Syntheseverfahren. Auch zur Verwendung metallorganischer Reagenzien bei der Synthese immer komplexerer und massgeschneiderter organischer Verbindungen, bei der die Reagenzien die Bildung bestimmter Bindungen unterstützen und/oder Reaktionen katalysieren sollen, werden Forschungen angestellt. 

Es existieren viele verschiedene Wege zur Synthese von Organometallverbindungen:

• Eine der häufigsten Methoden zur Synthese einer metallorganischen Verbindung ist die Reaktion des reinen Metalls mit bestimmten organischen Molekülen. Ein Beispiel für diese Syntheseart ist die Herstellung der beiden meist verwendeten metallorganischen Reagenzien – Organolithium und Organomagnesium – bei der das jeweilige Metall mit einem Alkyl- oder Arylhalogenid zum gewünschten Reagenz umgesetzt wird.
  
  
• Bei doppelten Zersetzungsreaktionen kommt es zum Austausch zwischen Metallhalogeniden und Alkylierungsreagenzien, um das metallorganische Reagenz hervorzubringen. Kohlenmonoxid reagiert mit Übergangsmetallen zu Metallcarbonylen.
  
  
• Bei der Decarbonylierung eines metallorganischen Stoffes entsteht eine neue metallorganische Verbindung.
  
  
• Die Hydrometallierung ist ein Syntheseverfahren, bei dem ein Molekül mit einer Metall-Wasserstoff-Bindung mit einem organischen Molekül, das eine Doppelbindung enthält, zu einem metallorganischen Stoff mit einer Metall-Kohlenstoff-Bindung reagiert.

Verschiedene Additions- und Eliminierungsreaktionen bilden Organometallverbindungen aus metallorganischen Molekülen. Die Wahl des optimalen Syntheseverfahrens erfolgt häufig über Inline-Analysetechniken, um eine sichere und effiziente Prozessentwicklung zu gewährleisten.

Metallorganische Reagenzien werden häufig für die Synthese organischer Moleküle verwendet, da sie die Bildung bestimmter chemischer Bindungen unterstützen und/oder Reaktionen katalysieren. Manche dieser Reaktionen sind kompliziert oder können nicht auf anderem Wege durchgeführt werden. In den meisten organischen Verbindungen sind Kohlenstoffatome elektrophil. Da das Metallatom jedoch normalerweise weniger elektronegativ ist als der Kohlenstoff, an den es gebunden ist, fungiert der Kohlenstoff in Organometallverbindungen als Nukleophil von variierender Stärke. Wenn ein stark elektronegatives Metall involviert ist, bewirkt die Ladungsverteilung, dass die Verbindung noch ionischer ist und sehr reaktiv sein kann. 

In Organolithium-Verbindungen ist z. B. die C-Li-Bindung ionischer, und das C ist negativer polarisiert. Die Bindungen in Organolithium-Verbindungen sind stärker polarisiert als in ihren Organomagnesium-Analoga (Grignard-Reagenzien), wodurch eine Organolithium-Verbindung im Vergleich zur Grignard-Verbindung ein stärkeres Nukleophil und reaktiver ist. Organomagnesium- und Organolithium-Reagenzien sind starke Basen zur Deprotonierung, bilden schnell C-C-Bindungen und beschleunigen viele andere organische Reaktionen.

Metallorganische Verbindungen werden in der katalytischen Chemie häufig eingesetzt. Ein klassisches Beispiel ist die Verwendung von Chloridotris(triphenylphosphin)rhodium(I), um Alkene und Alkine zu reduzieren – ohne dabei andere funktionelle Gruppen in einem Molekül zu beeinträchtigen. Eine weitere Familie metallorganischer Katalysatoren, die auf Diphosphanliganden basiert, wird für enantioselektive Hydrierungsreaktionen verwendet. Hydrierungen und Hydroformylierungsreaktionen sind für die Industrie bedeutsame Reaktionen, die von verschiedenen Organo-Rhodium- oder Organo-Kobalt-Verbindungen katalysiert werden. Polymerisationsreaktionen werden mithilfe von Katalysatoren wie Ziegler-Natta-Verbindungen durchgeführt. Ziegler-Natta-Verbindungen sind zweiteilige Katalysatoren, die häufig Ti und Al enthalten und Olefine polymerisieren.

Metallorganische Verbindungen sind vielzählig und umfassen die meisten Hauptelemente in den Gruppen des Periodensystems. Die meisten metallorganischen Verbindungen enthalten entweder Hauptgruppenelemente oder Übergangsgruppenelemente. In der erstgenannten Gruppe sind Bindungen eher ionisch oder sigma-gebunden. Klassische Beispiele hierfür sind Organolithium- oder Organomagnesium-Verbindungen, die in der organischen Synthese beide wichtig sind. Stärker ionische Bindungen führen zu einer reaktiveren Verbindung. Bei den Übergangsgruppenelementen sind die Bindungen im Vergleich zu den Hauptgruppenelementen eher kovalent und komplex. Metallalkyl-, Metallalken- und Metallarylgruppen wie z. B. Benzol sind häufig an Übergangselemente gebunden. Die Bindungen in diesen Verbindungen sind, begünstigt durch delokalisierte Pi-Bindungen, stark.

Zu den wesentlichen Organometallen gehören Organolithium, Organoborane (Elemente der zweiten Periode), Organomagnesium, Organosilizium (Elemente der dritten Periode), Organoeisen, Organokobalt (Elemente der vierten Periode), Organoruthenium, Organozinn (Elemente der fünften Periode), Organoplatin und Organoiridium (Elemente der sechsten Periode).

Bei metallorganischen Verbindungen verläuft die Reaktion meist heftig und schnell. Daher erfordert die Arbeit mit Verbindungen wie Lithiumaluminiumhydrid, Lithiumborhydrid, Diisobutylaluminiumhydrid und Grignard-Reagenzien eine strikte Temperaturregelung bei niedrigen Temperaturen. Reaktionen mit metallorganischen Verbindungen werden häufig bei Temperaturen zwischen 0 ° und -78 °C durchgeführt, sodass die Reaktion kontrolliert werden kann und:

• das richtige Produkt entsteht
• die Selektivität gewährleistet ist
• Nebenreaktionen, die Bildung von Nebenprodukten oder eine Zersetzung vermieden werden
• kontrolliert sowie sicher abläuft

Normalerweise werden Synthesen mit solchen Verbindungen mithilfe von Kühlbädern aus Trockeneis und einem organischen Lösemittel oder möglicherweise einem grossen, sperrigen Kryostat gekühlt. Die Verwendung von Kühlmischungen stellt eine Herausforderung dar, da es hinsichtlich der Temperatur keine Flexibilität gibt und eine dauerhafte Überwachung erforderlich ist. Die eingesetzten Kühlflüssigkeiten sind häufig organische Lösemittel wie Ethanol, Aceton, Cyclohexan, Cyclohexanon oder Isopropanol. Sie alle sind brennbar und stellen daher ein Sicherheitsrisiko dar. Ausserdem sind organische Lösemittel oft sehr teuer. Herkömmliche Kühlmischungen haben also erhebliche Nachteile.

Die EasyMax Reaktoren für die chemische Synthese bieten Kalorimetriefunktionen und werden in pharmazeutischen und chemischen Laboren für die Optimierung von Reaktionsvariablen, ein schnelleres Scale-up, die Messung von Reaktions-Thermodynamiken und für die Prozesssicherheit eingesetzt. Automatische Laborreaktoren eignen sich ideal zur Unterstützung von Studien für die statistische Versuchsplanung und andere Methoden, die einen mathematischen Zusammenhang zwischen den Versuchsparametern und dem Ergebnis herstellen.

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Die FTIR-Spektroskopie gehört zu den grundlegenden Analysemethoden, die für die Untersuchung metallorganischer Verbindungen angewendet werden. Die Ladungsverteilung und die Dipolstärke von Metall-Kohlenstoffbindungen gehören zu den Hauptmarkern für die Reaktivität und sind ein entscheidender Grund dafür, dass Organometallverbindungen in der Chemie so häufig eingesetzt werden. Die Infrarot-Spektroskopie ist für Änderungen in Dipolmomenten besonders sensitiv und liefert deshalb wertvolle Einblicke in die Bindung. Komplexe Metall-Ligand-Bindungen in Übergangsmetallkomplexen sind ein weiterer Bereich, in dem die FTIR-Spektroskopie wertvolle strukturelle Informationen liefert. Infrarotspektren bieten relative Informationen zur Länge und Stärke von Bindungen. Beispielsweise wird die Infrarotspektroskopie häufig zur Untersuchung von Carbonyl-Übergangsmetall-Bindungen verwendet, da es je nach Position des Carbonyls und je nachdem, ob es sich um ein Brückencarbonyl handelt, zu Änderungen der Peakfrequenz kommt, die in direktem Zusammenhang mit der Bindungsstärke stehen.

Die Raman-Spektroskopie wird ebenfalls für die Untersuchung metallorganischer Synthesen und Strukturen eingesetzt. Zusätzlich zur spektralen Information im Fingerprint-Bereich lassen sich mit der Raman-Spektroskopie Schwingungen im Niedrigfrequenzbereich messen, die oft in metallhaltigen organischen Verbindungen und in Metall-Metall-Bindungen zu beobachten sind. Es herrscht ausserdem reges Interesse an metallorganischer Chemie, die in wässrigen Lösungen durchgeführt wird, um die „grüne Chemie“ voranzutreiben. So eignen sich z. B. Molybdocene für Carbonyl-Reduktionen in wässrigen Lösungen. Die Raman-Spektroskopie ist die ideale Wahl für die Untersuchung molekularer Bindungen in wässrigen Medien.

Die  automatische Probennahme mit dem EasySampler ist eine einzigartige Methode zur In-situ Erfassung, zum Quenchen und zur Vorbereitung von Proben für Offline-Messungen. Mit dieser Technologie zur unbeaufsichtigten und automatischen Probennahme können repräsentative Proben aus luft- und feuchtigkeitsempfindlichen, heterogenen und sehr reaktiven metallorganischen Reaktionen genommen werden. C-C- und C-N-Kopplungsreaktionen zur metallorganischen Synthese wie z. B. Ullmann- und Buchwald-Hartwig-Reaktionen zeigen, wie metallorganische Reaktionen mithilfe der In-situ-Probennahme des EasySamplers überwacht werden können.

ReactIR und ReactRaman bieten alle zuvor genannten Vorteile der Grundtechniken und zusätzlich die Vorteile von In-situ-Messungen in Echtzeit. So können Reaktionen in Abhängigkeit von der Zeit und unter tatsächlichen Reaktionsbedingungen untersucht werden. Beide Techniken können für Reaktionen der Proben- oder Strömungssynthese eingesetzt werden.

Wie in der klassischen organischen Chemie bietet die ReactIR/ReactRaman-Technologie detaillierte Informationen über die Reaktionskinetik und die Reaktionsmechanismen sowie Einblicke in das Vorhandensein oder die Beschaffenheit von vorübergehenden Zwischenprodukten. Da metallorganische Reaktionen häufig unter Reaktionsbedingungen wie erhöhter Temperatur, erhöhtem Druck und/oder dem Ausschluss von Sauerstoff und Wasserdampf durchgeführt werden, müssen sie gemessen werden können, ohne Proben für die Analyse manuell zu entnehmen. Ausserdem ist die In-situ-Analyse ein wichtiger Bestandteil der Laborsicherheit, da viele metallorganische Verbindungen hochgiftig sind. 

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• Metallorganische Synthesen unter tatsächlichen Reaktionsbedingungen zu untersuchen
• Reaktanten und Reagenzien in Abhängigkeit von der Zeit zu beobachten
• Die Reaktionstrends und den -fortschritt zu messen
• Entscheidende (vorübergehende) Zwischenprodukte zu identifizieren
• Kinetik und Mechanismen metallorganischer Reaktionen zu bestimmen
• Strukturen metallorganischer (vorübergehender) Verbindungen zu bestimmen
• Einsicht in Metall-Ligand-Bindungen und Ligand-Dissoziationen zu erhalten
• Ein tiefgreifendes Verständnis über die Kinetik/den Mechanismus einer metallorganischen Synthese zu entwickeln
• Metallorganische Reaktionen in allen Lösemitteln zu untersuchen, einschliesslich Wasser
• Wichtige Metallschwingungen im Niedrigfrequenzbereich zu messen
• Reaktionen durch Glasreaktorbehälter zu messen
• Manuelle Probennahmen und unnötige Kontakte mit giftigen Verbindungen zu vermeiden
• Geeignet für Chargen- und Durchflusssynthese

Diese Werkzeuge bieten einzeln oder als integrierte chemische Arbeitsstation entscheidende Unterstützung für bessere metallorganische Synthesereaktionen:

• FTIR-Spektrometer  und  Raman-Spektrometer
  Echtzeitverfolgung und -erstellung von Profilen wichtiger Reaktionsspezies als Funktion der Reaktionszeit zur Unterstützung kinetischer und mechanistischer Untersuchungen
• Automatisierte Inline-Probennahme (EasySampler)
  Unbeaufsichtigte, repräsentative Probennahme aus Reaktionen, bei denen eine Offline-Analyse erforderlich ist
• Reaktoren für die chemische Synthese  (EasyMax und OptiMax)
  Unbeaufsichtigte, präzise Kontrolle und Datenerfassung der Reaktionsbedingungen
• Reaktions- und Wärmestromkalorimeter (RC1mx und HFCal)
  Messung der gesamten Reaktionswärme für garantierte Safety by Design

Der EasyMax LT (LowTemp) wurde speziell für Anwendungen entwickelt, bei denen Reaktionstemperaturen zwischen RT und -80 °C erforderlich sind – ohne Beeinträchtigung der Genauigkeit, Präzision und Ansprechzeit oder Kühlleistung für die Wärmeabführung während einer Reaktion.

Experimente können vorprogrammiert und automatisch sowie unbeaufsichtigt durchgeführt werden. Daten aus Online-Analysen oder von Probennehmern werden gesammelt und können in die Daten, Rezepturen oder Anmerkungen integriert werden, die während des Experiments gesammelt werden. Damit stehen sie für die Auswertung und Protokollierung des Experiments zur Verfügung.

• 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.

In dieser eingehenden Studie haben die Wissenschaftler den Mechanismus untersucht, nach dem Kalium-tert-Butoxid die dehydrierende Kupplung von Heteroaromaten mit Hydrosilanen zur Bildung von Heteroarylsilanen katalysiert, wobei es sich wiederum um Zwischenprodukte handelt, die zur Bildung komplexerer Moleküle genutzt werden können. Hierfür verwendeten die Wissenschaftler ein ReactIR, um mittels FTIR-Spektroskopie das eventuelle Vorhandensein einer koordinierten Silanspezies zu untersuchen. Bei ähnlichen Studien anderer Forschungsgruppen zeigte sich, dass sich bei der Reaktion von (RO)₃SiH mit dem entsprechenden KOR (R = Alkyl oder Aryl) fünffach koordiniertes Hydridosilicat [HSi(OR)₄]K bildet. In dieser Studie postulierten die Wissenschaftler für die Reaktion ein vergleichbares fünffach koordiniertes Zwischenprodukt, was mit NMR-Studien jedoch nicht bestätigt werden konnte. Die Autoren berichten allerdings über Hinweise auf diese fünffach koordinierte Spezies, die sich aus der Überwachung der Silylierungsreaktion mit einem ReactIR ergeben haben. Das Spektrum dieser Reaktion zeigte einen neuen Peak (2056 cm^-1) neben der Si-H-Streckbande in Et₃SiH (2100 cm^-1). Es wurde postuliert, dass dieser Peak mit einer gestreckten Si–H Bindung konsistent ist, wie sie in solchen fünffach koordinierten Komplexen zu erwarten ist. Die Autoren beobachteten ausserdem, dass der neue Peak mit der Bildung eines Silylierungsprodukts korreliert und postulierten, dass die Bildung von fünffach koordiniertem Silikat für die beobachtete Induktionsperiode in der Reaktion verantwortlich ist.