Металлоорганический синтез и металлоорганическая химия

Металлоорганический синтез и металлоорганическая химия охватывают широкий круг задач синтетической органической химии. Металлоорганический синтез — это процесс создания металлоорганических соединений. Область металлоорганической химии является одной из наиболее активно исследуемых областей органической, неорганической, каталитической химии и биохимии. Это связано с использованием металлоорганических реагентов в синтезе большого числа коммерческих соединений в фармацевтической, полимерной и нефтехимической отраслях промышленности.

Металлоорганической называется молекула, в которой атом металла связан с атомом углерода. Соединения металл — азот, металл — кислород и металл — фосфор называются координационными комплексами, но часто описываются как металлоорганические. Металлоорганические соединения могут содержать щелочные металлы 1-й группы, щелочноземельные 2-й группы, переходные с 3-й по 12-ю группу и основные элементы с 13-й по 15-ю группу, а также металлоиды, например бор и кремний. Из-за большого количества элементов, которые могут участвовать в металлоорганических соединениях, разработка процедур металлоорганического синтеза требует масштабных исследований. Исследования ведутся и в области применения металлоорганических реагентов при синтезе все более сложных и специализированных органических соединений, для которых металлоорганические соединения способствуют формированию определенных связей и (или) катализируют реакцию. 

Существует много методов синтеза металлоорганических соединений.

• Одним из наиболее часто используемых методов является синтез металлоорганических соединений путем реакции чистого металла с молекулами определенного органического вещества. Таким образом могут быть синтезированы наиболее распространенные реагенты — литийорганические и магнийорганические соединения. Для их получения металл реагирует с галоидалкилом или галоидарилом.
  
  
• В реакциях обменного разложения металлоорганическое соединение получается в результате взаимодействия галоидов металлов и алкилирующих реагентов. Монооксид углерода реагирует с переходными металлами с образованием карбонила металла.
  
  
• В результате декарбонилирования соединения металла получается металлоорганическое соединение.
  
  
• Гидрометаллирование — метод синтеза, при котором вещество с металловодородной связью реагирует с органическим веществом с двойной связью. В результате образуется металлоорганическое вещество с металлоуглеродной связью.

Металлоорганические соединения получаются в результате различных реакций присоединения и элиминирования. Выбор оптимального метода синтеза часто опирается на данные, полученные с помощью потоковых аналитических инструментов, без которых невозможна безопасная и эффективная разработка процесса.

Металлоорганические реагенты часто используются в синтезе органических молекул, потому что они способствуют формированию определенных связей и (или) катализируют реакцию. Отдельные реакции сложно или непрактично проводить иным способом. В большинстве органических соединений атомы углерода являются электрофильными, но в металлоорганических соединениях атом металла обычно имеет меньшую электроотрицательность, чем связанный с ним атом углерода, поэтому углерод становится нуклеофильным с переменной силой. Когда используется металл с большой электроотрицательностью, распределение заряда повышает интенсивность его ионных свойств и химическую активность соединения. 

Например, в литийорганических соединениях связь C — Li в основном ионная и углерод имеет большую электроотрицательность. Связи в литийорганических соединениях сильнее поляризованы, чем их аналоги в магнийорганических соединениях (реактивы Гриньяра), поэтому литийорганические соединения более нуклеофильны и химически более активны, чем реактивы Гриньяра. Магний- и литийорганические реагенты хорошо подходят для депротонизации, активно формируют связи C — C и способствуют многим другим органическим реакциям.

Металлорганические соединения широко используются в каталитической химии. Классическим примером является использование хлоротрис(трифенилфосфин)родия в реакциях восстановления алкенов и алкинов без влияния на другие функциональные группы молекулы. Другая группа металлоорганических катализаторов представлена дифосфиновыми лигандами типа Josiphos, которые используются для энантиоселективных реакций гидрирования. Реакции гидрирования и гидроформилирования имеют промышленное значение. Они протекают с участием родийорганических или кобальторганических катализаторов. Реакции полимеризации протекают с участием катализаторов, например соединений Циглера — Натта, двухкомпонентных катализаторов, часто имеющих в составе титан и алюминий и используемых для полимеризации олефинов.

Количество металлоорганических соединений огромно и охватывает большую часть основных элементов периодической таблицы. Большинство подходящих металлов относятся к основной или переходной группе элементов. В первой группе связи в основном представлены ионными или сигма-связями. Классическими примерами являются литийорганические и магнийорганические соединения, незаменимые для органического синтеза. Чем ярче выражены ионные свойства связи, тем выше химическая активность соединения. Элементы переходной группы в сравнении с элементами основной группы формируют более сложные связи, в основном ковалентные. Группы металлалкилов, металлалкенов, металлалкинов, а также арильные металлоорганические соединения (с бензолом) часто образуются с участием переходных элементов. В этих соединениях присутствует сильная нелокализованная пи-связь.

Примеры важных металлоорганических соединений: литийорганические, борорганические (элементы 2-го периода), магнийорганические, кремнийорганические (элементы 3-го периода), железоорганические, кобальторганические (элементы 4-го периода), рутенийорганические, оловоорганические (элементы 5-го периода), платинаорганические, иридийогранические (элементы 6-го периода).

Металлоорганические соединения имеют высокую химическую активность, и обычно реакции протекают очень быстро. Для работы с металлоорганическими соединениями, включая алюмогидрид лития, борогидрид лития, диизобутилалюминийгидрид и реагенты Гриньяра, требуется низкая и точно регулируемая температура. По этой причине реакции с участием металлоорганических соединений часто проводятся при температуре от 0 до –78 °C с целью:

• получить правильный конечный продукт;
• обеспечить селективность;
• избежать побочных реакций, формирования побочных продуктов и разложения;
• обеспечить управляемость и безопасность реакции.

Обычно для синтеза с использованием металлоорганических соединений используются большие криостаты или охлаждение с помощью ванн с сухим льдом и органическим растворителем. Использование охлаждающих смесей сопряжено с трудностями: управление температурой получается негибким, необходимо постоянное наблюдение. В роли охлаждающей жидкости обычно выступает органический растворитель, например этанол, ацетон, циклогексан, циклогексанон или изопропанол. Все они небезопасны и легко воспламеняются. Органические растворители также могут иметь большую стоимость. Все это вызывает ограничения при использовании стандартных охлаждающих смесей.

Рабочие станции химического синтеза EasyMax с калориметрическими функциями используются в фармацевтических и химических исследовательских лабораториях для оптимизации параметров реакции и ускоренного масштабирования, определения термодинамики реакции и обеспечения безопасности технологического процесса. Автоматизированный лабораторный реактор отлично подходит для моделирования экспериментов и применения других математических методов, направленных на определение параметров реакции.

Посмотрите онлайн-демонстрацию работы оборудования в любое удобное время.

ИК-Фурье спектроскопия (ИКФС) является одним из основных методов анализа для исследования металлоорганических соединений. Распределение заряда и интенсивность дипольной связи металл — углерод являются основными факторами, определяющими активность и полезность металлоорганических соединений. ИК-спектроскопия чувствительна к изменению момента диполя и поэтому очень хорошо подходит для анализа интенсивности полезных связей. ИКФС также подходит для получения информации о структуре комплексной связи металл — лиганд в комплексах с переходными металлами. ИК-спектры позволяют получить относительные данные о длине связей и их интенсивности. Например, ИК-исследование часто используется для изучения карбонильных связей с переходными металлами. Это возможно благодаря зависимости положения карбонильной группы от наличия связи с металлом. В результате происходят характерные изменения пиковых частот, напрямую связанные с интенсивностью связи.

Рамановская спектроскопия также используется при изучении синтеза металлоорганических соединений, оценки результатов и последующих реакций с участием этих соединений. Кроме исследования характерных областей спектра, рамановская спектроскопия хорошо подходит для измерения низкочастотных колебаний, которые часто наблюдаются в органических соединениях с металлом и при металл-металлических связях. Кроме того, значительный интерес представляет металлоорганическая химия в водном растворе в рамках развивающегося направления «зеленой химии». Например, молибдоцен полезен для восстановления карбонила в водном растворе. Рамановская спектроскопия идеально подходит для исследования молекулярных связей в водной среде.

Автоматизированный отбор проб с помощью системы EasySampler позволяет проводить отбор образца, гашение в нем реакции и подготовку для последующего исследования. Автоматизированная технология отбора проб не требует участия оператора и позволяет проводить отбор представительных проб в условиях неоднородных и высокоактивных химических процессов, чувствительных к присутствию воздуха и влаги. Примером использования отбора проб in situ с помощью системы EasySampler являются реакции металлоорганического синтеза с образованием связей C — C и C — N, например реакция Ульмана и аминирование по Бухвальду — Хартвигу.

Системы ReactIR и ReactRaman обладают всеми вышеупомянутыми преимуществами базовых технологий в сочетании с дополнительными преимуществами работы в режиме реального времени и измерений in situ. Методы с их использованием позволяют исследовать реакции во времени и при естественных условиях протекания. Оба метода применимы к периодическим и непрерывным реакциям синтеза.

Как и в классической органической химии, технологии ReactIR и ReactRaman предоставляют подробную информацию о кинетике, механизме реакции, о наличии и типе временных промежуточных соединений. Так как реакции металлоорганической химии часто протекают в модифицированных условиях, например при пониженной или повышенной температуре, повышенном давлении и (или) в отсутствие кислорода и водяного пара, необходимо проводить измерения без извлечения образца вручную. Так как многие металлоорганические соединения высокотоксичны, для безопасности лаборатории важно проводить анализ in situ. 

Посмотрите онлайн-демонстрацию работы оборудования в любое удобное время.

• Изучение металлоорганического синтеза в условиях протекающей реакции.
• Отслеживание состояния реагентов во времени.
• Измерение трендов и хода реакции.
• Идентификация побочных и временных промежуточных соединений.
• Определение кинетики и механизма металлоорганической реакции.
• Определение структуры металлоорганических соединений, включая промежуточные соединения.
• Изучение связи металл — лиганд и диссоциации лиганда.
• Углубленное изучение реакции металлоорганического синтеза и ее кинетики/механизма.
• Изучение металлоорганической реакции в любых растворителях, включая воду.
• Измерение важных низкочастотных молекулярных колебаний металлов.
• Измерение параметров реакции сквозь стеклянные стенки реактора.
• Устранение ручного отбора проб и опасности воздействия токсичных веществ.
• Совместимость с периодическим и непрерывным синтезом.

Важную роль в совершенствовании реакций металлоорганического синтеза играют следующие инструменты, которые могут работать самостоятельно или в составе интегрированной химической рабочей станции:

• ИК-Фурье спектрометры и рамановские спектрометры
  Отслеживание изменений в содержании ключевых компонентов реакции в режиме реального времени для изучения кинетики и механизма реакции.
• Автоматизированная система потокового отбора проб (EasySampler)
  Автоматизированный отбор представительных проб из реакционной среды для анализа в автономном режиме.
• Рабочие станции химического синтеза (EasyMax и OptiMax)
  Автоматизированный точный контроль и сбор данных о ходе реакции.
• Реакционные калориметры и калориметры теплового потока (RC1mx и HFCal)
  Комплексное измерение теплоты реакции для обеспечения ее безопасности.

Реактор EasyMax LT (LowTemp, низкотемпературный) разработан для реакций, протекающих в диапазоне от комнатной температуры до –80 °C. Он обеспечивает отличную точность, малое время отклика и холодопроизводительность для компенсации воздействия теплоты, выделяемой в ходе реакции.

Эксперименты можно программировать для автоматического выполнения без участия оператора. Данные, полученные в режиме реального времени с помощью аналитических приборов и систем отбора проб, можно комбинировать с данными, формулами и наблюдениями, получаемыми в ходе эксперимента, а затем использовать при оценке эксперимента и составлении отчета.

• 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.

В ходе данного углубленного исследования были изучены механизмы каталитического действия трет-бутоксида калия при дегидросочетании гетероаренов с гидросиланами с целью формирования гетероарилсиланов — промежуточных соединений, которые можно использовать для создания более сложных молекул. Исследователи использовали систему ReactIR для ИК-Фурье спектроскопии, чтобы определить возможное присутствие скоординированных образцов силана. В аналогичных исследованиях, проводимых другими группами, было показано, что реакция (RO)3SiH с соответствующим KOR (R = алкил или арил) приводит к получению пятикоординатного гидросиликата [HSi(OR)4]K. Исследователи предположили наличие в реакции аналогичных пятикоординатных промежуточных соединений, но исследования с помощью ЯМР их не выявили. Однако доказательства присутствия пятикоординатных образцов удалось зарегистрировать с помощью системы ReactIR. Спектр этой реакции имел новый пик (2056 см-1) рядом с полосой валентных колебаний Si — H в Et3SiH (2100 см-1). Исследователи предположили, что этот пик соответствует удлинению связи Si — H, как и ожидается в пятикоординатных комплексах. Они также пронаблюдали корреляцию нового пика с формированием продукта силилирования и предположили, что формирование пятикоординатного силиката связано с наблюдаемым периодом индукции реакции.