Was sind Organometalle?

Organometallik ist ein Zweig der Chemie, der chemische Verbindungen untersucht, die direkte Metall-Kohlenstoff-Bindungen enthalten (House & House, 2016). Diese Verbindungen werden als metallorganische Verbindungen bezeichnet. In metallorganischen Verbindungen sind ein oder mehrere Kohlenstoffatome direkt an ein Metallatom gebunden (Gardner, Seechurn & Colacot, 2020). Diese Metalle gehören typischerweise zur Gruppe der Übergangsmetalle wie Eisen, Nickel, Kupfer, Zink, Palladium und Platin. Beispiele für metallorganische Verbindungen sind Grignard-Reagenzien und Gilman-Reagenzien (Ashenhurst, 2022).

Die metallorganische Chemie spielt eine entscheidende Rolle in industriellen Prozessen und der akademischen Forschung und findet zahlreiche Anwendungen in Bereichen wie Katalyse, organische Synthese, Materialwissenschaften und bioanorganische Chemie. Einige wichtige Punkte zu metallorganischen Verbindungen sind:

1. Liganden: Die Kohlenstoffatome in metallorganischen Verbindungen sind häufig Teil organischer Gruppen, die als Liganden bezeichnet werden. Diese Liganden können einfache Moleküle wie Alkyle, Aryle, Alkoxide oder komplexere Strukturen wie Cyclopentadienyl oder Porphyrine sein.
2. Koordinationsnummer: Organometallische Verbindungen können verschiedene Koordinationszahlen haben, die die Anzahl der an das Metallzentrum gebundenen Liganden darstellen.
3. Ligandenaustauschreaktionen: Organometallische Verbindungen können Ligandenaustauschreaktionen eingehen, bei denen ein Ligand durch einen anderen ersetzt wird (Abbott, Dougan & Xue, 2011).
4. Redoxreaktionen: Organometallische Verbindungen nehmen an Redoxreaktionen teil, bei denen das Metallzentrum seinen Oxidationszustand ändert und so die Reaktivität der Verbindung beeinflusst.
5. Homogene Katalyse: Viele metallorganische Verbindungen wirken als Katalysatoren in organischen Reaktionen und erleichtern mithilfe von Übergangsmetallkomplexen die Umwandlung eines organischen Moleküls in ein anderes.
6. Übergangsmetallkomplexe: Bei metallorganischen Verbindungen handelt es sich häufig um Übergangsmetalle mit teilweise gefüllten d-Orbitalen, die es ihnen ermöglichen, mehrfache Bindungswechselwirkungen mit Liganden einzugehen.

Die Erforschung metallorganischer Verbindungen hat erheblich zu Fortschritten in der modernen Chemie beigetragen und zur Entwicklung neuer und effizienter Methoden in der chemischen Synthese und in industriellen Prozessen geführt.

Welche industrielle Rolle spielt es?

Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften und Reaktivität metallorganischer Verbindungen ist die metallorganische Chemie in verschiedenen industriellen Prozessen von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise können metallorganische Komplexe verschiedene Koordinationszahlen aufweisen, die die Anzahl der an das Metallzentrum gebundenen Liganden darstellen. Diese Vielfalt ermöglicht das Design von Komplexen mit unterschiedlichen sterischen und elektronischen Eigenschaften (Gardner, Seechurn & Colacot, 2020). Hier sind einige spezifische Anwendungen von Organometallen in der Industrie:

Katalyse: Organometallische Verbindungen werden häufig als Katalysatoren in industriellen Prozessen eingesetzt. Sie gelten typischerweise für die homogene Katalyse, bei der sich der Auslöser in derselben Phase wie die Reaktanten befindet. Übergangsmetallkomplexe wirken als Katalysatoren zur Förderung chemischer Reaktionen und führen zu höheren Reaktionsgeschwindigkeiten, erhöhter Selektivität und milderen Reaktionsbedingungen. Auf metallorganischen Verbindungen basierende katalytische Prozesse produzieren Pharmazeutika, Feinchemikalien, Petrochemikalien und Polymere (Gardner, Seechurn und Colacot, 2020).

Hydroformylierung: Organometallische Komplexe, insbesondere Kobalt und Rhodium, sind wesentliche Katalysatoren bei der Hydroformylierung von Olefinen (Oxo-Prozess). Diese Reaktion wandelt Alkene in Aldehyde um, wichtige Zwischenprodukte bei der Herstellung verschiedener Chemikalien wie Alkohol, Säuren und Kunststoffe.

Metathese: Die Olefinmetathese ist eine leistungsstarke Reaktion, die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen in Olefinverbindungen neu anordnet. In diesem Prozess werden metallorganische Katalysatoren auf Basis von Metallen wie Ruthenium, Molybdän und Wolfram eingesetzt, der bei der Herstellung von Spezialchemikalien, Pharmazeutika und funktionalisierten Materialien Anwendung findet (Gardner, Seechurn und Colacot, 2020).

Polymerisation: Organometallische Katalysatoren spielen bei verschiedenen Polymerisationsprozessen eine entscheidende Rolle. Ziegler-Natta-Katalysatoren, bestehend aus metallorganischen Verbindungen auf Titan- oder Zirkoniumbasis, erzeugen Polyethylen und Polypropylen. Diese Katalysatoren ermöglichen die Kontrolle der Polymermikrostruktur, was zu Materialien mit spezifischen Eigenschaften führt.

Medizin: Organometallische Verbindungen finden Anwendung in der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung. In der medizinischen Chemie werden metallorganische Komplexe eingesetzt, um die Arzneimittelabgabe zu verbessern, therapeutische Eigenschaften zu verbessern und auf bestimmte biologische Signalwege abzuzielen.

Organische Synthese: Metallorganische Reaktionen synthetisieren komplexe organische Moleküle. Prozesse wie Kreuzkupplungsreaktionen (z. B. Suzuki-, Heck- und Sonogashira-Reaktionen) nutzen metallorganische Verbindungen, um Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Heteroatom-Bindungen zu bilden und so komplizierte Molekülstrukturen aufzubauen.

Umweltanwendungen: Organometallische Verbindungen sind an der Sanierung der Umwelt beteiligt, beispielsweise an der Abwasserbehandlung, der Luftreinigung und der Kontrolle der Umweltverschmutzung. Metallorganische Stoffe entfernen schädliche Schadstoffe aus Industrieabwässern und Abgasen. Organometallverbindungen haben deutlich geringe toxische Auswirkungen auf die Umwelt (Jenkins, Craig, Francesconi & Harrington, 2006).

Metallorganische Gerüste (MOFs): MOFs sind poröse Materialien aus Metallionen, die durch organische Liganden verbunden sind. Diese Materialien finden Anwendung in der Gasspeicherung, Gastrennung und Katalyse. Die metallorganische Chemie ist entscheidend für die Entwicklung und Synthese von MOFs mit maßgeschneiderten Eigenschaften für spezifische Anwendungen (Gardner, Seechurn & Colacot, 2020).

Insgesamt machen die Vielseitigkeit und Reaktivität metallorganischer Verbindungen sie in zahlreichen industriellen Prozessen unverzichtbar und tragen zum Fortschritt moderner Technologie, Materialien und Pharmazeutika bei. Die weitere Forschung auf diesem Gebiet wird wahrscheinlich zur Entdeckung neuer Katalysatoren und Prozesse mit noch größerer Effizienz und Nachhaltigkeit führen.

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Quellen:

• Abbot, JKC, Dougan, BA, & Xue, Z., (2011). Synthese metallorganischer Verbindungen, Moderne anorganische Synthesechemie.Elsevier.
• Ashenhurst, J. (2022). Was ist ein Organometall? Master in organischer Chemie. https://www.masterorganicchemistry.com/2015/10/28/whats-an-organometallic/
• Gardner, BM, Seechurn, CJ, & Colacot, TJ, (2020). Industrielle Meilensteine ​​in der metallorganischen Chemie, Metallorganische Chemie in der Industrie: Ein praktischer Ansatz,(1^st, Hrsg.). Wiley-VCH.
• House, JE, & House, KA, (2016). Organometallische Verbindungen, Beschreibende Anorganische Chemie, (3. Aufl.). Akademische Presse.  
• Jenkins, RO, Craig, PJ, Francesconi, KA und Harrington, CF (2006). Umwelt- und biologische Aspekte metallorganischer Verbindungen, Umfassende metallorganische Chemie III: Von den Grundlagen zu Anwendungen, 12, 603-661. https://doi.org/10.1016/B0-08-045047-4/00178-3