Cosa sono gli organometallici?

Gli organometallici sono una branca della chimica che studia i composti chimici contenenti legami diretti metallo-carbonio (House & House, 2016). Questi composti sono noti come composti organometallici. Nei composti organometallici, uno o più atomi di carbonio sono direttamente legati a un atomo di metallo (Gardner, Seechurn e Colacot, 2020). Questi metalli appartengono tipicamente al gruppo dei metalli di transizione, come ferro, nichel, rame, zinco, palladio e platino. Esempi di composti organometallici includono i reagenti di Grignard e i reagenti di Gilman (Ashenhurst, 2022).

La chimica organometallica svolge un ruolo cruciale nei processi industriali e nella ricerca accademica e ha numerose applicazioni in settori quali la catalisi, la sintesi organica, la scienza dei materiali e la chimica bioinorganica. Alcuni punti chiave sui composti organometallici sono:

1. ligandi: Gli atomi di carbonio nei composti organometallici fanno spesso parte di gruppi organici noti come ligandi. Questi ligandi possono essere molecole semplici come alchili, arili, alcossidi o strutture più complesse come ciclopentadienili o porfirine.
2. Numero di coordinazione: I composti organometallici possono avere vari numeri di coordinazione, che rappresentano il numero di ligandi legati al centro metallico.
3. Reazioni di scambio di leganti: I composti organometallici possono subire reazioni di scambio di ligando, in cui un altro sostituisce un ligando (Abbott, Dougan e Xue, 2011).
4. Reazioni redox: I composti organometallici partecipano alle reazioni redox, in cui il centro metallico cambia il suo stato di ossidazione, influenzando la reattività del composto.
5. Catalisi omogenea: Molti composti organometallici agiscono come catalizzatori nelle reazioni organiche, facilitando la trasformazione di una molecola organica in un'altra con l'ausilio di complessi di metalli di transizione.
6. Complessi di metalli di transizione: I composti organometallici spesso coinvolgono metalli di transizione con orbitali d parzialmente riempiti, consentendo loro di formare molteplici interazioni di legame con i ligandi.

Lo studio degli organometallici ha contribuito in modo significativo ai progressi della chimica moderna e ha portato allo sviluppo di metodi nuovi ed efficienti nella sintesi chimica e nei processi industriali.

Che ruolo industriale ha?

La chimica organometallica è fondamentale in vari processi industriali a causa delle proprietà e della reattività uniche dei composti organometallici. Ad esempio, i complessi organometallici possono avere vari numeri di coordinazione, che rappresentano il numero di ligandi legati al centro metallico. Questa diversità consente la progettazione di complessi con diverse proprietà steriche ed elettroniche (Gardner, Seechurn e Colacot, 2020). Ecco alcune applicazioni specifiche degli organometallici nell'industria:

Catalisi: I composti organometallici sono ampiamente utilizzati come catalizzatori nei processi industriali. Si applicano tipicamente alla catalisi omogenea, in cui il trigger si trova nella stessa fase dei reagenti. I complessi di metalli di transizione agiscono come catalizzatori per promuovere reazioni chimiche, portando a velocità di reazione più elevate, maggiore selettività e condizioni di reazione più blande. I processi catalitici basati su organometallici producono prodotti farmaceutici, prodotti della chimica fine, prodotti petrolchimici e polimeri (Gardner, Seechurn e Colacot, 2020).

idroformilazione: I complessi organometallici, in particolare cobalto e rodio, sono catalizzatori essenziali nell'idroformilazione delle olefine (processo osso). Questa reazione converte gli alcheni in aldeidi, intermedi cruciali nella produzione di varie sostanze chimiche, come alcol, acidi e plastica.

Metatesi: La metatesi delle olefine è una potente reazione che riorganizza i doppi legami carbonio-carbonio nei composti olefinici. In questo processo vengono impiegati catalizzatori organometallici a base di metalli come rutenio, molibdeno e tungsteno, che ha applicazioni nella produzione di prodotti chimici speciali, prodotti farmaceutici e materiali funzionalizzati (Gardner, Seechurn e Colacot, 2020).

Polimerizzazione: I catalizzatori organometallici svolgono un ruolo cruciale in vari processi di polimerizzazione. I catalizzatori Ziegler-Natta, costituiti da composti organometallici a base di titanio o zirconio, producono polietilene e polipropilene. Questi catalizzatori consentono il controllo sulla microstruttura del polimero, ottenendo materiali con proprietà specifiche.

Eccipienti farmaceutici: I composti organometallici si applicano alla ricerca e allo sviluppo farmaceutico. La chimica farmaceutica coinvolge complessi organometallici per migliorare la somministrazione di farmaci, migliorare le proprietà terapeutiche e indirizzare specifici percorsi biologici.

Sintesi organica: Le reazioni organometalliche sintetizzano molecole organiche complesse. Processi come le reazioni di accoppiamento incrociato (ad esempio, le reazioni di Suzuki, Heck e Sonogashira) utilizzano composti organometallici per formare legami carbonio-carbonio e carbonio-eteroatomo, costruendo complesse strutture molecolari.

Applicazioni ambientali: Gli organometallici sono coinvolti nella bonifica ambientale, come il trattamento delle acque reflue, la purificazione dell'aria e il controllo dell'inquinamento. Gli organometallici rimuovono gli inquinanti nocivi dagli effluenti industriali e dai gas di scarico. I composti organometallici esercitano effetti ambientali tossici significativamente bassi (Jenkins, Craig, Francesconi e Harrington, 2006).

Strutture metallo-organiche (MOF): I MOF sono materiali porosi costituiti da ioni metallici collegati da leganti organici. Questi materiali hanno applicazioni nello stoccaggio di gas, nella separazione del gas e nella catalisi. La chimica organometallica è fondamentale nella progettazione e nella sintesi di MOF con proprietà su misura per applicazioni specifiche (Gardner, Seechurn e Colacot, 2020).

Nel complesso, la versatilità e la reattività dei composti organometallici li rendono indispensabili in numerosi processi industriali, contribuendo al progresso della moderna tecnologia, dei materiali e dei prodotti farmaceutici. La continua ricerca in questo campo porterà probabilmente alla scoperta di nuovi catalizzatori e processi con efficienza e sostenibilità ancora maggiori.

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Fonte:

• Abate, JKC, Dougan, BA e Xue, Z., (2011). Sintesi di composti organometallici, Chimica sintetica inorganica moderna.Elsevier.
• Ashenhurst, J. (2022). Cos'è un organometallico? Master Chimica Organica. https://www.masterorganicchemistry.com/2015/10/28/whats-an-organometallic/
• Gardner, BM, Seechurn, CJ e Colacot, TJ, (2020). Pietre miliari industriali nella chimica organometallica, Chimica organometallica nell'industria: un approccio pratico,(1^st, ndr). Wiley-VCH.
• Casa, JE, e Casa, KA, (2016). Composti organometallici, Chimica inorganica descrittiva, (3a ed.). Stampa accademica.  
• Jenkins, RO, Craig, PJ, Francesconi, KA e Harrington, CF (2006). Aspetti ambientali e biologici dei composti organometallici, Chimica organometallica completa III: dai fondamenti alle applicazioni, 12, 603-661. https://doi.org/10.1016/B0-08-045047-4/00178-3