Введение
Органометаллохимия – это изучение органометаллических соединений, химических соединений, содержащих как минимум одну химическую связь между атомом углерода органической молекулы и металлом, включая щелочные, щелочноземельные и переходные металлы, а иногда и металлоиды, такие как бор, кремний и селен. Помимо связей с органильными фрагментами или молекулами, связи с "неорганическим" углеродом, например, монооксидом углерода (карбонилы металлов), цианидами или карбидами, также обычно рассматриваются как органометаллические. Некоторые связанные соединения, такие как гидриды переходных металлов и комплексы металлов с фосфинами, часто включаются в обсуждение органометаллических соединений, хотя строго говоря, они не обязательно являются органометаллическими. Родственный, но отличный термин "металлорганические соединения" относится к соединениям, содержащим металлы, лишенным прямых связей металл-углерод, но содержащим органические лиганды. Металлические β-дикетонаты, алкоксиды, диалкиламиды и комплексы металлов с фосфинами являются типичными представителями этого класса. Область органометаллической химии объединяет аспекты традиционной неорганической и органической химии. Органометаллические соединения широко используются как в стехиометрических исследованиях и промышленных химических реакциях, так и в качестве катализаторов для повышения скорости этих реакций (например, при использовании гомогенного катализа), где целевыми молекулами являются полимеры, фармацевтические препараты и многие другие виды практически значимых продуктов.
Organometallic chemistry is the study of organometallic compounds, chemical compounds containing at least one chemical bond between a carbon atom of an organic molecule and a metal, including alkali, alkaline earth, and transition metals, and sometimes broadened to include metalloids like boron, silicon, and selenium, as well. Aside from bonds to organyl fragments or molecules, bonds to 'inorganic' carbon, like carbon monoxide (metal carbonyls), cyanide, or carbide, are generally considered to be organometallic as well. Some related compounds such as transition metal hydrides and metal phosphine complexes are often included in discussions of organometallic compounds, though strictly speaking, they are not necessarily organometallic. The related but distinct term "metalorganic compound" refers to metal containing compounds lacking direct metal carbon bonds but which contain organic ligands. Metal β diketonates, alkoxides, dialkylamides, and metal phosphine complexes are representative members of this class. The field of organometallic chemistry combines aspects of traditional inorganic and organic chemistry. Organometallic compounds are widely used both stoichiometrically in research and industrial chemical reactions, as well as in the role of catalysts to increase the rates of such reactions (e. g., as in uses of homogeneous catalysis), where target molecules include polymers, pharmaceuticals, and many other types of practical products.
Органометаллические соединения
Органометаллические соединения характеризуются приставкой "органо" (например, соединения органопалладия) и включают все соединения, содержащие связь между атомом металла и атомом углерода органильной группы. Статус соединений, в которых канонический анион несет отрицательный заряд, делокализованный между атомом углерода и атомом, более электроотрицательным, чем углерод (например, эноляты), может меняться в зависимости от природы анионного фрагмента, иона металла и, возможно, среды. При отсутствии прямых структурных доказательств наличия углерод-металлической связи, такие соединения не рассматриваются как органометаллические.
Понятия и методы
Как и в других областях химии, подсчет электронов полезен для систематизации органометаллической химии. Правило 18 электронов помогает предсказывать стабильность органометаллических комплексов, например, карбонилов металлов и гидридов металлов. Правило 18e имеет две основные модели подсчета электронов: ионную и нейтральную (также известную как ковалентную) модель лигандов. Хептичность комплекса металл-лиганд может влиять на общее число электронов. Для характеристики таких соединений используются методы, как электронный парамагнитный резонанс и элементарный анализ. Ввиду высокой реакционной способности к кислороду и влаге, органометаллические соединения часто требуют работы с использованием бескислородной техники. Бескислородная обработка органометаллических соединений обычно требует использования лабораторного оборудования, такого как перчаточный бокс или линия Шленка.
История
Ранние разработки в органометаллической химии включают синтез соединений метила мышьяка, связанных с какодилом, Луи Клодом Кадетом, платиновый этиленовый комплекс Уильяма Кристофера Зейза, открытие Эдвардом Франкландом диэтил- и диметилцинка, открытие Людвигом Мондом Ni(CO)4 и органомагниевые соединения Виктора Гриньяра. (Хотя и не всегда признаваемый как органометаллический комплекс, прусский синий, смешанный цианид железа, был впервые получен в 1706 году художником по краскам Иоганном Якобом Дисбахом как первый координационный полимер и синтетический материал, содержащий металл-углеродную связь.) Обилие и разнообразие продуктов, получаемых из угля и нефти, привели к развитию катализа Циглера-Натта, Фишера-Тропша и гидроформилирования, использующих CO, H2 и алкены в качестве исходных веществ и лигандов. Признание органометаллической химии как самостоятельной области завершилось присуждением Нобелевской премии Эрнсту Фишеру и Джеффри Уилкинсону за работы по металлоценам. В 2005 году Ив Шовен, Роберт Г. Граббс и Ричард Р. Шрок разделили Нобелевскую премию за метатезис олефинов, катализируемый металлами.
Промышленные применения
Органометаллические соединения широко используются в коммерческих реакциях как в качестве гомогенных катализаторов, так и в качестве стехиометрических реагентов. Например, соединения органолития, органомагния и органоалюминия, которые являются сильно основными и восстановителями, полезны в стехиометрических количествах, но также катализируют многие реакции полимеризации. Почти все процессы, связанные с монооксидом углерода, используют катализаторы, яркими примерами которых являются карбонилирования. Производство уксусной кислоты из метанола и монооксида углерода катализируется с помощью металлических карбонильных комплексов в процессах Monsanto и Cativa. Большинство синтетических альдегидов получают посредством гидроформилирования. Основная масса синтетических спиртов, особенно более крупных, чем этанол, производится путем гидрирования альдегидов, полученных при гидроформилировании. Аналогично, процесс Вакера применяется для окисления этилена в ацетальдегид. Почти все промышленные процессы, включающие полимеры на основе алкенов, используют органометаллические катализаторы. Мировой объем производства полиэтилена и полипропилена обеспечивается как гетерогенным катализом Зиглера-Натта, так и гомогенным, например, с использованием катализаторов с ограниченной геометрией. Большинство процессов, использующих водород, основаны на металлических катализаторах. В то время как крупномасштабные гидрирования (например, производство маргарина) используют гетерогенные катализаторы, для производства тонкой химии применяются растворимые (гомогенные) органометаллические комплексы или включаются органометаллические интермедиаты. Органометаллические комплексы позволяют проводить эти гидрирования асимметрично. Многие полупроводники производятся из триметилгаллия, триметилиндия, триметилалюминия и триметилантимония. Эти летучие соединения разлагаются вместе с аммиаком, арсином, фосфином и родственными гидридами на нагретой подложке посредством металоорганической эпитаксии из паровой фазы (MOVPE) при производстве светодиодов (LED).
Катализ
Органометаллические комплексы широко используются в катализе. К основным промышленным процессам относятся гидрирование, гидросилилирование, гидроцианирование, метатезис олефинов, полимеризация алкенов, олигомеризация алкенов, гидрокарбоксилирование, карбонилирование метанола и гидроформилирование. Органометаллические интермедиаты также предполагаются во многих гетерогенных каталитических процессах, аналогичных перечисленным выше. Кроме того, органометаллические интермедиаты постулируются для процесса Фишера-Тропша. Органометаллические комплексы также широко применяются в мелкомасштабном синтезе тонких химических веществ, особенно в реакциях кросс-сочетания, приводящих к образованию углерод-углеродных связей, например, в реакции Сузуки-Мияуры, аминировании Бухвальда-Хартвига для получения ариламинов из арилгалогенидов и реакции Соногаширы и т.д.
Опасения по поводу окружающей среды
В окружающей среде встречаются природные и загрязняющие органометаллические соединения. Некоторые из них, являющиеся остатками использования человеком, такие как органолид и органортутные соединения, представляют опасность из-за токсичности. Тетраэтилсвинец был разработан для использования в качестве добавки к бензину, но его применение прекратилось из-за токсичности свинца. Его заменителями стали другие органометаллические соединения, такие как ферроцен и метилциклопентадиенил-мангановый трикарбонил (MMT). Органоарсеновое соединение роксарсон является спорной добавкой в корм для животных. В 2006 году только в США было произведено около одного миллиона килограммов этого вещества. Органооловянные соединения ранее широко использовались в противообрастающих красках, но впоследствии были запрещены из-за экологических проблем.