Organokovinska kemija

From Wiki FKKT
Jump to navigationJump to search
File:Https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/97/N-butyllithium-tetramer-3D-balls.png
n-Butillitij, organokovinska spojina. Štirje atomi litija (v vijolični barvi) tvorijo tetraeder s štirimi butilnimi skupinami pritrjenimi na ploskve (ogljik je črn, vodik je bel).

Organokovinska kemija se ukvarja s preučevanjem organokovinskih spojin. To so kemijske spojine, ki vsebujejo vsaj eno kemijsko vez med ogljikovim atomom organske spojine in kovino. Ta kovina je lahko alkalijska, zemljoalkalijska ali prehodna, včasih je lahko tudi polkovina (npr. bor, silicij in selen). [1][2] Med organokovinske spojine poleg vezi z organilnimi fragmenti ali molekulami spadajo tudi vezi z "anorganskim" ogljikom, kot je ogljikov monoksid (kovinski karbonili), cianid ali karbid. Kljub temu, da nekatere sorodne spojine, kot so hidridi prehodnih kovin in kovinsko-fosfinski kompleksi strogo gledano niso nujno organokovinski, so le-ti pogosto vključeni v razprave. Soroden, vendar ločen izraz "kovinoorganska spojina" se nanaša na spojine, ki vsebujejo kovino in nimajo neposrednih vezi kovina-ogljik, vendar vsebujejo organske ligande. Reprezentativni predstavniki tega razreda so kovinski β-diketonati, alkoksidi, dialkilamidi in kovino-fosfinski kompleksi. Področje organokovinske kemije združuje vidike tradicionalne anorganske in organske kemije. [3]


Organokovinske spojine se široko uporabljajo tako stehiometrično v raziskovalnih in industrijskih kemijskih reakcijah, kot tudi v vlogi katalizatorjev za povečanje hitrosti nekaterih reakcij (npr. pri uporabi homogene katalize), kjer med ciljne molekule spadajo polimeri, farmacevtski izdelki in številne druge vrste praktičnih produktov.

Organokovinske spojine

File:Magnesium bis-cyclopentadienyl bottle.jpg
Nerjaveča steklenica, ki vsebuje MgCp2 (magnezijev bis- ciklopentadienil), nevarno snov kot večina drugih organokovinskih spojin. Besedilo navaja "Zvezni zakon prepoveduje prevoz, če se ponovno napolni, in pri tem je denarna kazen do 25.000 dolarjev in 5 let zaporne kazni."

Organokovinske spojine se razlikujejo po predponi "organo-" (npr. organopaladijeve spojine) in vključujejo vse spojine, ki vsebujejo vez med atomom kovine in atomom ogljika organilne skupine. [2] Poleg tradicionalnih kovin (alkalijske kovine, zemljoalkalijske kovine, prehodne kovine in po-prehodne kovine) velja, da lantanoidi, aktinoidi, polkovine in elementi, kot so bor, silicij, arzen ter selen, tvorijo organokovinske spojine. [2] Primeri organokovinskih spojin vključujejo Gilmanove reagente, ki vsebujejo litij in baker, ter Grignardove reagente, ki vsebujejo magnezij. Tetrakarbonil nikelj in ferocen sta primera organokovinskih spojin, ki vsebujeta prehodne kovine. Drugi primeri organokovinskih spojin vključujejo organolitijeve spojine, kot je n-butillitij (n-BuLi), organocinkove spojine, kot je dietilcink (Et2Zn), organokositrove spojine, kot je tributilkositrov hidrid (Bu3SnH), organoborove spojine, kot je trietilboran (Et3B) in organoaluminijeve spojine, kot je trimetilaluminij (Me3Al).

Naravni organokovinski kompleks je metilkobalamin (oblika Vitamin B12), ki vsebuje kobalt-metilno vez. O tem kompleksu se skupaj z drugimi biološko pomembnimi kompleksi pogosto razpravlja na področju bioorganokovinske kemije. [4]

  • Reprezentativne organokovinske spojine
  • Ferrocene.svg

    Ferocen je arhetipski kompleks organoželeza. Na zraku je stabilna spojina in lahko sublimira.

  • Cobaltocene.svg

    Kobaltocen je strukturni analog ferocena, vendar je zelo reaktiven na zraku.

  • HRh(CO)P3again.png

    Tris(trifenilfosfin)rodijev karbonil hidrid se uporablja v komercialni proizvodnji številnih dišav na osnovi aldehidov.

  • Trimethylaluminium-from-xtal-3D-bs-17.png

    Trimetilaluminij je organokovinska spojina z mostovno metilno skupino. Uporablja se v industrijski proizvodnji nekaterih alkoholov.

  • Dimethylzinc-3D-balls.png

    Dimetilcink ima linearno koordinacijo. Je hlapna piroforna tekočina, ki se uporablja pri pripravi polprevodniških filmov.

  • Lithium-diphenylcuprate-etherate-dimer-from-xtal-2D-skeletal.png

    Litijev difenilkuprat bis(dietil eterat) je primer Gilmanovega reagenta, vrste organobakrovega kompleksa, ki se pogosto uporablja v organski sintezi.

  • AdoCbl-ColorCoded.png

    Adenozilkobalamin je kofaktor, potreben za več ključnih encimskih reakcij, ki potekajo v človeškem telesu. Je redek primer kovinskega (kobaltovega) alkila v biologiji.

  • IronPentacarbonylStructure.png

    Železov(0) pentakarbonil je rdeče-oranžna tekočina, pripravljena neposredno iz zmesi fino zdrobljenega železa in plinastega ogljikovega monoksida pod tlakom.

  • Tc99 sestamibi 2D structure.svg

    Tehnecij[99mTc] sestamibi se uporablja za slikanje srčne mišice v nuklearni medicini.

Razlika od koordinacijskih spojin z organskimi ligandi

Veliko kompleksov vsebuje koordinacijsko vez med kovino in organskimi ligandi. Komplekse, kjer se organski ligand veže na heteroatom kot sta kisik ali dušik, uvrščamo med koordinacijske spojine (npr. heme A in Fe(acac)3). V primeru, da kateri izmed ligandov tvori vez kovina-ogljik (M-C), potem tak kompleks uvrščamo med organokovinske spojine. Čeprav IUPAC uradno še ni definiral terminologije, nekateri kemiki uporabljajo pojem “organokovinski”, da opišejo katerokoli koordinacijsko spojino, ki vsebuje organski ligand, ne glede na odsotnost direktne vezi M-C.[5]

Položaj spojin v katerih ima kanonični anion negativen naboj, ki se porazdeli med (delokaliziran) ogljikov atom in atom, ki je bolj elektronegativen od ogljika (npr. enolati) ), se lahko razlikuje glede na lastnosti anionskega dela, kovinskega iona ali medija. V primeru, da direktna vez ogljik-kovina v spojini ni dokazana, se te spojine ne uvršča med organokovinske.[2] Kot primer, litijevi enolati pogosto vsebujejo le Li-O vezi in niso organokovinski, medtem ko cinkovi enolati (Reformatsky reagenti) vsebujejo tako Zn-O vezi kot tudi Zn-C vezi in jih, zato uvrščamo med organokovinske.

Struktura in lastnosti

Vez kovina-ogljik v organokovinskih spojinah je močno kovaletna.[1] Za močno elektropozitivne elemente, kot sta litij in natrij, ima ogljikov ligand karbanionski značaj značaj, vendar so prosti ogljikovi anioni zelo redki, takšen primer je cianid.

Večina organokovinskih spojin je trdnih pri sobni temperaturi, vendar so nekateri tekoči (npr.metilciklopentadienil mangan trikarbonil) ali celo hlapni (nikljev tetrakarbonil).[1] Veliko organokovinskih spojin je občutljivih na zrak (reagirajo s kisikom in vlago), zato se z njimi dela v inertni atmosferi. [1] Nekatere organokovinske spojine, kot je trietilaluminij so piroforne, kar pomeni, da pri njih lahko pride do vžiga že ob stiku z zrakom.[6]

Ideje in tehnike

Tako kot v drugih vejah kemije, je štetje elektronov uporabno tudi za predvidevanje struktur organokovinskih spojin. 18-elektronsko pravilo pomaga pri napovedi stabilnosti organokovinskih kompleksov, npr. kovinskih kabonilov in kovinskih hidridov. Pravilo ima dva reprezentativna modela štetja elektronov, ionski in nevtralni (poznan tudi kot kovalentni) model.[7] Vezavnost lahko vpliva na štetje elektronov v kompleksu kovina-ligand.[7] Vezavnost (η, mala grška črka eta), pove število zaporedno vezanih ligandov na en centralni kovinski ion. [7] Kot na primer, ferocen, [(η5-C5H5)2Fe], ima dva ciklopentadienilna liganda, ki povzročita vezavnost 5, kjer se pet ogljikovih atomov liganda C5H5 veže enako in vsak prispeva en elektron železovemu jedru. Ligandom, ki pri koordinaciji nimajo zaporedno vezanih atomov, se pripiše grško črko kapa, κ.[7] Primer je kelacija κ2-acetata. Klasifikacija kovalentne vezi identificira tri razrede ligandov X, L, in Z; ki so razvrščeni glede na donorske lastnosti liganda. Veliko organokovinskih spojin ne sledi 18-elektronskemu pravilu. Kovinske atome v organokovinskih spojinah pogosto opišemo z njihovim d-značajem in oksidacijskim stanjem. Ti sklepi so lahko v pomoč pri napovedi reaktivnosti in preferenčne geometrije. Kemijske vezi in reaktivnost v organokovinskih spojinah pogosto opišejo iz perspektive izolobalnega principa.

Veliko tehnik se uporablja za določitev strukture, zgradbe in lastnosti organokovinskih spojin. Rentgenska praškovna difrakcija je predvsem pomembna tehnika, s katero se lahko določi položaj atomov v trdni snovi in dobi podroben opis strukture.[1][8] Drugi tehniki, kot sta infrardeča spektroskopija in jedrska magnetna resonančna spektroskopija, se pogosto uporabljata za pridobitev informacij o strukturi in vezeh organokovinskih spojin.[1][8] UV-Vis spektroskopija je splošna tehnika za pridobitev informacij o elektronski zgradbi organokovinskih spojin. Uporablja se tudi za spremljanje napredka organokovinskih reakcij kot tudi določitve kinetike reakcije.[8] Mehanizme organokovinskih reakcij se lahko preučuje z dinamično NMR spektroskopijo.[1] Ostale uporabne tehnike so še rentgenska absorpcijska spektroskopija,[9] elektron paramagnetna resonančna spektroskopija, in elementna analiza.[1][8]

Zaradi visoke reaktivnosti ob prisotnosti kisika in vlage, se delo z organokovinskimi spojinami izvaja s tehnikami v inertni atmosferi (odsotnost zraka in kisika). To ponavadi vključuje uporabo laboratorijskih aparatur kot sta suha komora in Schlenkova linija.[1]

Zgodovina

Zgodnji razvoj organokovinske kemije vključuje Louis Claude Cadet-ovo sintezo metil arzenovih spojin povezanih s kakodilom, kompleks platine in etilena [11] Williama Christopherja Zeisa [10], odkritje dietil- in dimetil cinka Edwarda Franklanda, odkritje Ni(CO)4 Ludwiga Monda [1] in organomagnezijeve spojine Victorja Grignarda. (Čeprav ni vedno priznana kot organokovinska spojina, je leta 1706 prusko modro, kompleks železa in cianida z mešano valenco, prvi pripravil proizvajalec barv Johann Jacob Diesbach kot prvi koordinacijski polimer in sintetični material, ki vsebuje vez kovina-ogljik. [1]) Številni bogati in raznoliki produkti iz premoga in nafte so vodili do Ziegler–Natta, Fischer–Tropsch, hidroformilacijske katalize, ki uporablja CO, H2 in alkene kot surovine in ligande.

Priznanje organokovinske kemije kot posebno podpodročje je doseglo vrhunec z dodelitvijo Nobelovih nagrad Ernstu Fischerju in Geoffreyu Wilkinsonu za delo na metalocenih. Leta 2005 so si Yves Chauvin, Robert H. Grubbs in Richard R. Schrock razdelili Nobelovo nagrado za kovinsko – katalizirano metatezo olefina. [12]

Časovnica organokovinske kemije

Obseg

Podpodročja organokovinske kemije obsegajo:

Industrijske aplikacije

Organokovinske spojine se široko uporabljajo v komercialnih reakcijah, tako kot homogeni katalizatorji kot tudi stehiometrični reagenti. Na primer organolitijeve, organomagnezijeve in organoaluminijeve spojine, ki so zelo bazične in močno reducirajo, se uporabljajo stehiometrično, hkrati pa katalizirajo številne reakcije polimerizacije. [3]

Skoraj vsi procesi, ki vključujejo ogljikov monoksid, temeljijo na katalizatorjih - primeri so opisani kot karbonilacije. [13] Proizvodnja ocetne kisline iz metanola in ogljikovega monoksida je katalizirana preko kovinskih karbonilnih kompleksov v procesu Monsanto in procesu Cativa. Večina sintetičnih aldehidov je proizvedenih s hidroformilacijo. Večji del sintetičnih alkoholov, vsaj tistih, ki so večji od etanola, se proizvede s hidrogeniranjem aldehidov, pridobljenih s hidroformilacijo. Podobno se Wackerjev postopek uporablja pri oksidaciji etilena v acetaldehid. [14]

File:ConstrainedGeomCmpx.png
Organotitanov kompleks z omejeno geometrijo je predkatalizator za polimerizacijo olefinov.

Večina industrijskih procesov, ki vključujejo polimere pridobljene iz alkenov, temelji na organokovinskih katalizatorjih. Polietilen in polipropilen sta pridobljena heterogeno s katalizo Ziegler–Natta in homogeno, na primer s katalizatorji z omejeno geometrijo. [15]

Veliko procesov, ki vključujejo vodik, temelji na katalizatorjih na osnovi kovin. Večji del hidrogeniranja (npr. proizvodnja margarine) je odvisen od heterogenih katalizatorjev, medtem ko se pri proizvodnji finih kemikalij hidrogeniranje zanaša na topne (homogene) organokovinske komplekse ali pa vključuje organokovinske intermediate. [16] Organokovinski kompleksi omogočajo asimetrično izvedbo teh hidrogenacij.

Številni polprevodniki so proizvedeni iz trimetil galija, trimetil indija, trimetil aluminija in trimetil antimona. Te hlapne spojine se razgradijo skupaj z amonijakom, arzinom, fosfinom in sorodnimi hidridi na segretem substratu s postopkom organokovinske epitaksije v parni fazi (MOVPE) pri proizvodnji svetlečih diod (LED diod).

Organokovinske reakcije

Organokovinske spojine so podvržene številnim pomembnim reakcijam:


Organokovinski kompleksi olajšajo sintezo mnogih organskih spojin. Metateza sigma vezi je način tvorjenja novih ogljik-ogljik sigma vezi. Običajno se uporablja pri kompleksih prehodnih kovin leve polovice d-bloka, ki so v svojem najvišjem oksidacijskem stanju.[17] Uporaba prehodnih kovin, ki so v najvišjih možnih oksidacijskih stanjih prepreči, da potečejo druge reakcije, kot je recimo oksidativna adicija. Poleg metateze sigma vezi, se metateza alkenov oz. olefinska metateza uporablja za tvorbo raznih ogljik-ogljik pi vezi. Nobena od teh metatez ne spremeni oksidacijskega stanja kovine.[18][19] Za tvorbo novih ogljik-ogljik vezi se uporabljajo tudi številne druge metode, kot sta beta-hidrid eliminacija in reakcija vstavljanja (ang. insertion reaction).

Kataliza

Organokovinski kompleksi se običajno uporabljajo za katalize. Glavni industrijski procesi vključujejo hidrogenacijo, hidrosililacijo, hidrocianacijo, olefinsko metatezo, alkensko polimerizacijo, alkensko oligomerizacijo, hidrokarboksilacijo, karbonilacijo metanola in hidroformilacijo.[14] Organokovinski intermediati so tudi vključeni v številne heterogene katalize, analogne tem, ki so zgoraj naštete. Prav tako predvidevajo, da so uporabni za Fischer-Tropschev proces.

Organokovinski kompleksi se pogosto uporabljajo pri finih kemijskih sintezah v mikromerilu, posebej v "cross-coupling" reakcijah[20], ki tvorijo vezi ogljik-ogljik, npr. Suzuki-Miyaura spajanje,[21] Buchwald-Hartwigova aminacija za tvorbo aril aminov iz aril halidov,[22] in Sonogashira spajanje, itd.

Tveganje za okolje

File:Roxarsone.png
Roxarson je organoarzenova spojina, ki se uporablja pri krmi za živali.

V okolju najdemo organokovinske spojine, ki so naravne in nevarne za okolje. Nekatere organokovinske spojine v okolju so posledica človeške rabe. To so na primer organosvinčeve in organoživosrebrove spojine, ki so toksične. Tetraetilsvinec je bil pripravljen kot dodatek k bencinu, a se zaradi svinčeve toksičnosti ne uporablja več. Njegov nadomestek so druge organokovinske spojine, kot je npr. ferocen in metilciklopentadienil manganov trikarbonil (MMT).[23] Organoarzenova spojina roxarson je sporen dodatek h krmi za živali. Leta 2006 bi se ga naj samo v ZDA proizvedlo približno milijon kilogramov.[24] Organokositrove spojine so se široko uporabljale v barvah proti obraščanju, ampak so jih zaradi tveganja za okolje prepovedali.[25]

Poglej tudi

Reference

1. Crabtree, Robert H. (2009). The Organometallic Chemistry of the Transition Metals. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-25762-3.

2. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version: (2006–) "organometallic compounds". doi:10.1351/goldbook.O04328

3. Elschenbroich, Christoph (2016). Organometallics. John Wiley & Sons. ISBN 978-3-527-80514-3.

4. Lippard, Stephen J.; Berg, Jeremy Mark (1994). Principles of Bioinorganic Chemistry. University Science Books. ISBN 978-0-935702-73-6.

5. Rodríguez-Reyes, J.C.F.; Silva-Quiñones, D. (2018). "Metalorganic Functionalization in Vacuum". Encyclopedia of Interfacial Chemistry. pp. 761–768. doi:10.1016/B978-0-12-409547-2.13135-X. ISBN 978-0-12-809894-3.

6. "Triethylaluminium - SDS" (PDF). chemBlink. 24 May 2016. Retrieved 3 January 2021.

7. Crabtree, Robert H. (2014). The organometallic chemistry of the transition metals (6 ed.). Hoboken, New Jersey. pp. 43, 44, 205. ISBN 978-1-118-78824-0. OCLC 863383849.

8. Shriver, Duward; Weller, Mark; Overton, Tina; Armstrong, Fraser; Rourke, Jonathan (2014). Inorganic Chemistry. W. H. Freeman. ISBN 978-1-4292-9906-0.

9. Nelson, Ryan C.; Miller, Jeffrey T. (2012). "An introduction to X-ray absorption spectroscopy and its in situ application to organometallic compounds and homogeneous catalysts". Catal. Sci. Technol. 2 (3): 461–470. doi:10.1039/C2CY00343K.

10. Hunt, L. B. (1 April 1984). "The First Organometallic Compounds". Platinum Metals Review. 28 (2): 76–83. CiteSeerX 10.1.1.693.9965.

11. Zeise, W. C. (1831). "Von der Wirkung zwischen Platinchlorid und Alkohol, und von den dabei entstehenden neuen Substanzen" [About the effect between platinum chloride and alcohol, and about the new substances that are created in the process]. Annalen der Physik und Chemie (in German). 97 (4): 497–541. Bibcode:1831AnP....97..497Z. doi:10.1002/andp.18310970402.

12. Dragutan, V.; Dragutan, I.; Balaban, A. T. (1 January 2006). "2005 Nobel Prize in Chemistry". Platinum Metals Review. 50 (1): 35–37. doi:10.1595/147106706X94140.

13. W. Bertleff; M. Roeper; X. Sava. "Carbonylation". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH. doi:10.1002/14356007.a05_217.

14. Leeuwen, Piet W. N. M. van (2005). Homogeneous Catalysis: Understanding the Art. Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4020-3176-2.

15. Klosin, Jerzy; Fontaine, Philip P.; Figueroa, Ruth (21 July 2015). "Development of Group IV Molecular Catalysts for High Temperature Ethylene-α-Olefin Copolymerization Reactions". Accounts of Chemical Research. 48 (7): 2004–2016. doi:10.1021/acs.accounts.5b00065. PMID 26151395.

16. Rylander, Paul N. "Hydrogenation and Dehydrogenation". Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH. doi:10.1002/14356007.a13_487.

17. Waterman, Rory (23 December 2013). "σ-Bond Metathesis: A 30-Year Retrospective". Organometallics. 32 (24): 7249–7263. doi:10.1021/om400760k.

18. "Olefin Metathesis". The Organometallic HyperTextBook.

19. "Sigma Bond Metathesis". Organometallic HyperTextBook.

20. Jana, Ranjan; Pathak, Tejas P.; Sigman, Matthew S. (9 March 2011). "Advances in Transition Metal (Pd,Ni,Fe)-Catalyzed Cross-Coupling Reactions Using Alkyl-organometallics as Reaction Partners". Chemical Reviews. 111 (3): 1417–1492. doi:10.1021/cr100327p. PMC 3075866. PMID 21319862.

21. Maluenda, Irene; Navarro, Oscar (24 April 2015). "Recent Developments in the Suzuki-Miyaura Reaction: 2010–2014". Molecules. 20 (5): 7528–7557. doi:10.3390/molecules20057528. PMC 6272665. PMID 25919276.

22. Magano, Javier; Dunetz, Joshua R. (9 March 2011). "Large-Scale Applications of Transition Metal-Catalyzed Couplings for the Synthesis of Pharmaceuticals". Chemical Reviews. 111 (3): 2177–2250. doi:10.1021/cr100346g. PMID 21391570.

23. Seyferth, D. (2003). "The Rise and Fall of Tetraethyllead. 2". Organometallics. 22 (25): 5154–5178. doi:10.1021/om030621b.

24. Hileman, Bette (9 April 2007). "Arsenic In Chicken Production". Chemical & Engineering News. 85 (15): 34–35. doi:10.1021/cen-v085n015.p034.

25. Lagerström, Maria; Strand, Jakob; Eklund, Britta; Ytreberg, Erik (January 2017). "Total tin and organotin speciation in historic layers of antifouling paint on leisure boat hulls". Environmental Pollution. 220 (Pt B): 1333–1341. doi:10.1016/j.envpol.2016.11.001. PMID 27836476.

Viri

  • Clayden, Jonathan; Greeves, Nick; Warren, Stuart (2012). Organic Chemistry. OUP Oxford. ISBN 978-0-19-927029-3.
  • Crabtree, Robert H. (2009). The Organometallic Chemistry of the Transition Metals. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-25762-3.
  • Elschenbroich, Christoph (2016). Organometallics. John Wiley & Sons. ISBN 978-3-527-80514-3.
  • Gupta, B. D; Elias, A J (2013). Basic Organometallic Chemistry: Concepts, Syntheses, and Applications of Transition Metals. Hyderabad: Universities Press. ISBN 978-81-7371-709-3. OCLC 903314566.
  • Jenkins, Paul R. (1992). Organometallic Reagents in Synthesis. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-855666-4.
  • Leeuwen, Piet W. N. M. van (2005). Homogeneous Catalysis: Understanding the Art. Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4020-3176-2.
  • Lippard, Stephen J.; Berg, Jeremy Mark (1994). Principles of Bioinorganic Chemistry. University Science Books. ISBN 978-0-935702-73-6.
  • Pearson, Anthony J (1985). Metallo-organic chemistry. Wiley. OCLC 1200566627.
  • Shriver, Duward; Weller, Mark; Overton, Tina; Armstrong, Fraser; Rourke, Jonathan (2014). Inorganic Chemistry. W. H. Freeman. ISBN 978-1-4292-9906-0.

Zunanje povezave

Retrieved from "https://wiki.fkkt.uni-lj.si/index.php?title=Organokovinska_kemija&oldid=21504"