Wat zijn organometalen?

Organometallics is een tak van de chemie die chemische verbindingen bestudeert die directe metaal-koolstofbindingen bevatten (House & House, 2016). Deze verbindingen staan ​​​​bekend als organometaalverbindingen. In organometaalverbindingen zijn een of meer koolstofatomen direct gebonden aan een metaalatoom (Gardner, Seechurn, & Colacot, 2020). Deze metalen komen meestal uit de overgangsmetaalgroep, zoals ijzer, nikkel, koper, zink, palladium en platina. Voorbeelden van organometaalverbindingen zijn Grignard-reagentia en Gilman-reagentia (Ashenhurst, 2022).

Organometaalchemie speelt een cruciale rol in industriële processen en academisch onderzoek, en heeft tal van toepassingen op gebieden zoals katalyse, organische synthese, materiaalkunde en bioanorganische chemie. Enkele kernpunten over organometaalverbindingen zijn:

1. Liganden: De koolstofatomen in organometaalverbindingen maken vaak deel uit van organische groepen die bekend staan ​​als liganden. Deze liganden kunnen eenvoudige moleculen zijn zoals alkylen, arylen, alkoxiden of complexere structuren zoals cyclopentadienyl of porfyrinen.
2. Coördinatiegetal: Organometaalverbindingen kunnen verschillende coördinatiegetallen hebben, die het aantal liganden vertegenwoordigen dat aan het metaalcentrum is gebonden.
3. Ligand uitwisselingsreacties: Organometaalverbindingen kunnen liganduitwisselingsreacties ondergaan, waarbij een andere een ligand vervangt (Abbott, Dougan, & Xue, 2011).
4. Redox-reacties: Organometaalverbindingen nemen deel aan redoxreacties, waarbij het metaalcentrum van oxidatietoestand verandert, waardoor de reactiviteit van de verbinding wordt beïnvloed.
5. Homogene katalyse: Veel organometaalverbindingen werken als katalysatoren in organische reacties en vergemakkelijken de transformatie van het ene organische molecuul in het andere met behulp van overgangsmetaalcomplexen.
6. Overgangsmetaalcomplexen: Bij organometaalverbindingen zijn vaak overgangsmetalen met gedeeltelijk gevulde d-orbitalen betrokken, waardoor ze meerdere bindingsinteracties met liganden kunnen vormen.

De studie van organometaalverbindingen heeft aanzienlijk bijgedragen aan de vooruitgang in de moderne chemie en heeft geleid tot de ontwikkeling van nieuwe en efficiënte methoden voor chemische synthese en industriële processen.

Welke industriële rol speelt het?

Organometaalchemie is van cruciaal belang in verschillende industriële processen vanwege de unieke eigenschappen en reactiviteit van organometaalverbindingen. Organometaalcomplexen kunnen bijvoorbeeld verschillende coördinatiegetallen hebben, die het aantal liganden vertegenwoordigen dat aan het metaalcentrum is gebonden. Deze diversiteit maakt het ontwerp mogelijk van complexen met verschillende sterische en elektronische eigenschappen (Gardner, Seechurn, & Colacot, 2020). Hier zijn enkele specifieke toepassingen van organometalen in de industrie:

Katalyse: Organometaalverbindingen worden veel gebruikt als katalysatoren in industriële processen. Ze zijn meestal van toepassing op homogene katalyse, waarbij de trigger zich in dezelfde fase bevindt als de reactanten. Overgangsmetaalcomplexen werken als katalysatoren om chemische reacties te bevorderen, wat leidt tot hogere reactiesnelheden, verhoogde selectiviteit en mildere reactieomstandigheden. Katalytische processen op basis van organometaalverbindingen produceren farmaceutische producten, fijnchemicaliën, petrochemicaliën en polymeren (Gardner, Seechurn, & Colacot, 2020).

Hydroformylering: Organometaalcomplexen, met name kobalt en rhodium, zijn essentiële katalysatoren bij de hydroformylering van olefinen (oxoproces). Deze reactie zet alkenen om in aldehyden, cruciale tussenproducten bij de productie van verschillende chemicaliën, zoals alcohol, zuren en kunststoffen.

metathese: Olefine-metathese is een krachtige reactie die koolstof-koolstof dubbele bindingen in olefinische verbindingen herschikt. Organometaalkatalysatoren op basis van metalen zoals ruthenium, molybdeen en wolfraam worden gebruikt in dit proces, dat toepassingen heeft bij de productie van speciale chemicaliën, farmaceutische producten en gefunctionaliseerde materialen (Gardner, Seechurn, & Colacot, 2020).

Polymerisatie: Organometaalkatalysatoren spelen een cruciale rol in verschillende polymerisatieprocessen. Ziegler-Natta-katalysatoren, bestaande uit organometaalverbindingen op basis van titanium of zirkonium, produceren polyethyleen en polypropyleen. Deze katalysatoren maken controle over de microstructuur van het polymeer mogelijk, wat resulteert in materialen met specifieke eigenschappen.

Farmaceutische: Organometaalverbindingen zijn van toepassing op farmaceutisch onderzoek en ontwikkeling. Medicinale chemie omvat organometaalcomplexen om de medicijnafgifte te verbeteren, therapeutische eigenschappen te verbeteren en zich op specifieke biologische routes te richten.

Organische synthese: Organometaalreacties synthetiseren complexe organische moleculen. Processen zoals kruiskoppelingsreacties (bijv. Suzuki-, Heck- en Sonogashira-reacties) gebruiken organometaalverbindingen om koolstof-koolstof- en koolstof-heteroatoombindingen te vormen, waardoor ingewikkelde moleculaire structuren worden geconstrueerd.

Milieutoepassingen: Organometallics zijn betrokken bij milieusanering, zoals afvalwaterzuivering, luchtzuivering en beheersing van vervuiling. Organometaalverbindingen verwijderen schadelijke verontreinigende stoffen uit industrieel afvalwater en uitlaatgassen. Organometaalverbindingen oefenen significant lage toxische milieueffecten uit (Jenkins, Craig, Francesconi, & Harrington, 2006).

Metaal-organische kaders (MOF's): MOF's zijn poreuze materialen gemaakt van metaalionen verbonden door organische liganden. Deze materialen hebben toepassingen in gasopslag, gasscheiding en katalyse. Organometaalchemie is cruciaal bij het ontwerpen en synthetiseren van MOF's met op maat gemaakte eigenschappen voor specifieke toepassingen (Gardner, Seechurn, & Colacot, 2020).

Over het algemeen maken de veelzijdigheid en reactiviteit van organometaalverbindingen ze onmisbaar in tal van industriële processen, wat bijdraagt ​​aan de vooruitgang van moderne technologie, materialen en farmaceutica. Voortgezet onderzoek op dit gebied zal waarschijnlijk leiden tot de ontdekking van nieuwe katalysatoren en processen met een nog grotere efficiëntie en duurzaamheid.

Chemwatch is hier om te helpen.

Veel chemicaliën zijn niet veilig om te worden ingeademd, geconsumeerd of op de huid te worden aangebracht. Om accidentele consumptie, verkeerd gebruik en verkeerde identificatie te voorkomen, moeten chemicaliën nauwkeurig geëtiketteerd, gevolgd en opgeslagen worden. Voor hulp hierbij, en de behandeling van chemische en gevaarlijke stoffen, veiligheidsinformatiebladen, labels, risicobeoordeling en warmtemapping, deze link vandaag!

Bronnen:

• Abt, JKC, Dougan, BA, & Xue, Z., (2011). Synthese van organometaalverbindingen, Moderne anorganische synthetische chemie.Elsevier.
• Ashenhurst, J. (2022). Wat is een organometaal? Master Organische Chemie. https://www.masterorganicchemistry.com/2015/10/28/whats-an-organometallic/
• Gardner, BM, Seechurn, CJ, & Colacot, TJ, (2020). Industriële mijlpalen in organometaalchemie, Organometaalchemie in de industrie: een praktische benadering,(1^st, red.). Wiley-VCH.
• Huis, JE, & Huis, KA, (2016). organometaalverbindingen, beschrijvende anorganische chemie, (3e ed.). Academische pers.  
• Jenkins, RO, Craig, PJ, Francesconi, KA, en Harrington, CF (2006). Milieu- en biologische aspecten van organometaalverbindingen, Uitgebreide organometaalchemie III: van grondbeginselen tot toepassingen, 12, 603-661. https://doi.org/10.1016/B0-08-045047-4/00178-3