Кіріспе

Органометалл химиясы – органометалл қосылыстарын зерттеу саласы, органикалық молекуланың көміртек атомы мен металл арасындағы кем дегенде бір химиялық байланысты қамтитын химиялық қосылыстарды зерттейді. Бұл сілті, сілтілі жер және өтпелі металдарды, сондай-ақ кейде бор, кремний және селен сияқты металлоидтарды да қамтиды. Органил фрагменттерімен немесе молекулалармен байланыстардан өзге, көміртек оксиді (металл карбонилдері), цианид немесе карбид сияқты «органикалық емес» көміртекпен байланыстар да органометалл болып есептеледі. Көбінесе органометалл қосылыстары туралы талқылауда өтпелі металл гидридтері мен металл фосфин кешендері де қарастырылады, бірақ қатаң айтқанда, олар міндетті түрде органометалл қосылыстары емес. «Металлорганикалық қосылыстар» термині металл-көміртек байланысы жоқ, бірақ органикалық лигандтар бар металл қосылыстарын білдіреді. Металл β-дикетонаттары, алкоксидтері, диалкиламидтері және металл фосфин кешендері осы кластың өкілді мүшелері болып табылады. Органометалл химиясы дәстүрлі органикалық емес және органикалық химия аспектілерін біріктіреді. Органометалл қосылыстары зерттеу және өнеркәсіптік химиялық реакцияларда стехиометриялық түрде, сондай-ақ реакциялардың жылдамдығын арттыру үшін катализаторлар ретінде кеңінен қолданылады (мысалы, гомогенді катализ қолданылғанда). Осылайша, полимерлер, фармацевтикалық препараттар және көптеген басқа да практикалық өнімдер сияқты мақсатты молекулалар синтезделеді.

Органикалық металл қосылыстары

Органометалл қосылыстары "органо" префиксімен (мысалы, органопалладий қосылыстары) белгіленеді және металл атомы мен органил тобының көміртек атомы арасындағы байланысты қамтитын барлық қосылыстарды қамтиды. Каноникалық анионы теріс зарядты, көміртек атомы мен көміртекке қарағанда электронегативті атом арасында бөліскен (делокалданушы) қосылыстардың (мысалы, энолаттар) мәртебесі аниондық фрагменттің, металл ионының және, мүмкін, ортаның табиғатына байланысты өзгеріп отыруы мүмкін. Көміртек-металл байланысының тікелей құрылымдық дәлелі болмаған жағдайда, мұндай қосылыстар органометалл деп есептелмейді.

Тұжырымдамалар мен әдістер

Химияның басқа салаларындағыдай, электронды санау органометалл химиясын ұйымдастыруға көмектеседі. 18 электрон ережесі металл карбонилдері және металл гидридтері сияқты органометалл кешендерінің тұрақтылығын болжауда пайдалы. 18e ережесінің екі негізгі электрон санау моделі бар: иондық және бейтарап (ковалентті деп те аталады) лиганд модельдері. Металл-лиганд кешенінің гаптиктігі электрондық санауға әсер ете алады. Электронды парамагниттік резонанс спектроскопиясы және элементтік талдау қолданылады. Органометалл қосылыстары оттегі мен ылғалға өте реактивті болғандықтан, оларды көбінесе ауадан қорғалған тәсілдермен қолдану қажет. Органометалл қосылыстарын ауадан қорғалған күйде қолдану үшін әдетте қолғап қорапшасы немесе Шленк желісі сияқты зертханалық құралдар қажет болады.

Тарих

Органометалл химиясының алғашқы дамуына Луи Клод Кадеттің какодилге байланысты метил-арсен қосылыстарын синтездеуі, Уильям Кристофер Зейзенің платина-этилен кешенін, Эдвард Франкландтың диэтил және диметилцинк ашуы, Людвиг Мондтың Ni(CO)4 ашуы және Виктор Григнардтың органомагний қосылыстарын жатқызуға болады. (Органометалл қосылысы ретінде әлқашан толық мойындалмаса да, аралас валентті темір цианиді кешені болып табылатын Prussian blue, 1706 жылы суретші Иоганн Якоб Дисбахтың металл-көміртегі байланысын қамтитын алғашқы координациялық полимер және синтетикалық материал ретінде дайындалды.) Көмір және мұнайдан алынатын көптеген және әртүрлі өнімдер Циглер-Натта, Фишер-Тропш және CO, H2 және алкендерді шикізат және лигандтар ретінде пайдаланатын гидроформализация катализіне алып келді. Органометалл химиясының жекелеген сала ретінде мойындалуы Эрнст Фишер мен Джеффри Уилкинсонға металлоцендер бойынша жұмыстары үшін Нобель сыйлығының берілуімен аяқталды. 2005 жылы Ив Шовин, Роберт Г. Граббс және Ричард Р. Шрок металл катализделген олефин метатезі үшін Нобель сыйлығын бөлісті.

Өнеркәсіптік қолдану

Органометалл қосылыстары коммерциялық реакцияларда гомогенді катализаторлар ретінде де, стехиометриялық реагенттер ретінде де кеңінен қолданылады. Мысалы, органолитий, органомагний және органоалюминий қосылыстары – жоғары негізді және күшті тотықтырғыш қасиеттері бар, стехиометриялық тұрғыдан тиімді және көптеген полимерлеу реакцияларын катализдей алады. Көміртек моноксидіне қатысты барлық процестерде катализаторлар қолданылады, олардың ең танымал мысалдары карбонилдену реакциялары болып табылады. Метанол мен көміртек моноксидінен сірке қышқылының өндірісі Monsanto және Cativa процестерінде металл карбонил кешендері арқылы катализделеді. Көптеген синтетикалық альдегидтер гидроформализация арқылы өндіріледі. Синтетикалық спирттердің көп бөлігі, әсіресе этанолдан ірілеу спирттер, гидроформализация нәтижесінде алынған альдегидтерді гидрогендеу арқылы шығарылады. Сол сияқты, Вакер процесі этиленді ацетальдегидке тотықтыру үшін қолданылады. Алкендерден туындаған полимерлерді өндіруге қатысты барлық өнеркәсіптік процестер органометалл катализаторларын пайдаланады. Әлемдік полиэтилен және полипропилен Ziegler–Natta катализі арқылы гетерогенді және геометриялық шектеулі катализаторлар арқылы гомогенді түрде өндіріледі. Көптеген сутекті қатыстыратын процестер металл негізіндегі катализаторларға тәуелді. Көлемді гидрогендеу (мысалы, маргарин өндірісі) гетерогенді катализаторларды пайдаланса, құрамындағы заттардың өндірісі үшін ерітілген (гомогенді) органометалл кешендері немесе органометалл аралық заттар қолданылады. Органометалл кешендері осы гидрогендеуді асимметриялық түрде жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Көптеген жартылай өткізгіштер триметилгаллий, триметилиндий, триметилалюминий және триметилантимоннан жасалады. Бұл ұшқыш қосылыстар аммиак, арсин, фосфин және оларға ұқсас гидридтермен бірге металл-органикалық бу фазалық эпитаксия (MOVPE) процесі арқылы қыздырылған негізге жайылтылып, жарықдиодтар (LED) өндірісінде ыдырайды.

Катализа

Органометалл кешендері катализде кеңінен қолданылады. Басты өнеркәсіптік процестерге сутегілендіру, гидросиллациялау, гидроцианизациялау, олефин метатезі, алкен полимерленуі, алкен олигомерленуі, гидрокарбоксилдендіру, метанол карбонилденуі және гидроформализациясы жатады. Органометалл аралық заттар жоғарыда аталғандармен ұқсас көптеген гетерогенді катализ процестерінде де пайдаланылады. Бұған қоса, Фишер-Тропш процесінде органометалл аралық заттар қатысады деп есептеледі. Органометалл кешендері шағын көлемдегі қалыпты химиялық синтезде де жиі қолданылады, әсіресе көміртекті-көміртекті байланыстарды құратын кросс-жұптасу реакцияларында, мысалы, Сузуки-Мияура жұптасуы, арил галидтерінен арил аминдерін алуға арналған Бухвальд-Хартвиг аминациясы және Соногашира жұптасуы сияқты.

Қоршаған ортаны қорғау

Табиғи және ластағыш органометалл қосылыстары қоршаған ортада кездеседі. Адамның пайдалануынан қалған, мысалы, органолид және органоқорғасын қосылыстары уытты қауіп тудырады. Тетраэтилқорғасын бензинге қоспа ретінде жасалған, бірақ қорғасынның уыттылығына байланысты қолданыстан шығарылды. Оның орнына ферроцен және метилциклопентадиенил-манганий трикарбонилі (ММТ) сияқты басқа органометалл қосылыстары қолданылады. Органоарсен қосылысы роксарзон – мал азығына қосылатын даулы зат. 2006 жылы АҚШ-та шамамен бір миллион килограмм өндірілді. Органотин қосылыстары бұрын су тартатын бояуларда кеңінен қолданылған, бірақ қоршаған ортаға тигізетін зиянды салдарынан қолдануға тыйым салынды.