Organometaalchemie

Organometaalchemie is de studie van chemische verbindingen die bindingen tussen koolstof en een metaal bevatten. Zij combineert aspecten van anorganische scheikunde (de studie van niet-koolstofverbindingen) en organische scheikunde (de studie van koolstofverbindingen).

Voorbeelden van organometaalverbindingen zijn tetraethyllood; dit werd in het verleden gebruikt als additief voor brandstof (gelode benzine). Ook methylcobalamine (vitamine B12) is een veel voorkomende organometaalverbinding.

n-Butyllithium , een organometaalverbinding. Vier lithiumatomen zijn paars weergegeven in een tetraëder, en elk lithiumatoom is gebonden aan een butylgroep (koolstof is zwart, waterstof is wit)

Organometaalverbindingen

Organometaalverbindingen zijn verbindingen die chemische bindingen hebben tussen een of meer metaalatomen en een of meer koolstofatomen van een organylgroep (een organisch ligand). Zij hebben het voorvoegsel "organo-" (bijvoorbeeld: organopalladiumverbindingen). Organometaalverbindingen omvatten subgroepen zoals de metalloproteïnen zoals hemoglobine.

De term "metaalorganica" verwijst gewoonlijk naar metaalhoudende verbindingen die geen directe metaal-koolstofbindingen hebben maar organische liganden bevatten die hen aan een organische verbinding binden. Tot deze klasse behoren bèta-diketonaten, alkoxiden en dialkylamiden van metalen.

Naast de traditionele metalen vormen elementen als boor, silicium, arseen en seleen organometaalverbindingen.

Coördinatieverbindingen met organische liganden

Veel complexen hebben coördinatiebindingen tussen een metaal en organische liganden. De organische liganden binden het metaal vaak via een heteroatoom zoals zuurstof of stikstof, in welk geval dergelijke verbindingen "coördinatieverbindingen" worden genoemd.

In de natuur komen veel organische coördinatieverbindingen voor. Zo bevatten hemoglobine en myoglobine een ijzermiddel dat gecoördineerd is met de stikstofatomen van een porfyrinering; magnesium is het middelpunt van een chlorinering in chlorofyl. Het vakgebied van dergelijke anorganische verbindingen staat bekend als de bio-anorganische chemie. Methylcobalamine (een vorm van vitamine B12), met een kobalt-methylbinding, is echter een echt organometaalcomplex, een van de weinige die in de biologie bekend zijn.

Structuur en eigenschappen

De metaal-koolstofbinding in organometaalverbindingen houdt het midden tussen ionisch en covalent. Organometaalverbindingen met bindingen die het midden houden tussen ionisch en covalent zijn zeer belangrijk in de industrie. Zij zijn beide betrekkelijk stabiel in oplossingen, maar ionisch genoeg om reacties te ondergaan. Twee belangrijke klassen zijn organolithium en Grignard reagentia.

Het metaal Fe (rood) bindt twee organische ringen aan elkaar. In de ringstructuren stelt elk punt een koolstofatoom voor. Dus ferroceen heeft 10 koolstofatomen, 5 in de ring boven het ijzer en 5 in de ring eronder

Hemgroep van hemoglobine

Gebruikt

Organometalen vinden praktische toepassingen in stoichiometrische en katalytische processen, met name processen waarbij koolmonoxide en van alkenen afgeleide polymeren betrokken zijn. Alle polyethyleen en polypropyleen ter wereld worden geproduceerd met behulp van organometaalkatalysatoren. Azijnzuur wordt geproduceerd met behulp van metaalcarbonylkatalysatoren in het Monsanto-proces en het Cativa-proces. Het grootste deel van de synthetische alcoholen, althans die welke groter zijn dan ethanol, wordt geproduceerd door hydrogenering van aldehyden die van hydroformylering zijn afgeleid. Evenzo wordt het Wacker-proces gebruikt voor de oxidatie van ethyleen tot acetaldehyde.

Organomimetalen zijn sterk basisch en sterk reducerend. Zij katalyseren vele polymerisatiereacties. Zij zijn ook stoichiometrisch bruikbaar.

Organometaalverbindingen kunnen in het milieu worden aangetroffen. Milieuactivisten maken zich zorgen over organolood- en organokwikverbindingen. Dit zijn toxische gevaren.

Momenteel wordt onderzoek verricht met behulp van organometaalkatalyse. De energiecrisis heeft de belangstelling doen toenemen voor efficiëntere manieren om om te gaan met de resterende fossiele brandstoffen die we nog hebben. Velen zijn het erover eens dat het verminderen van de afhankelijkheid van olie zowel veiliger voor het milieu als politiek verstandig is. De nieuwe belangstelling voor "groene" technologieën heeft ook bijgedragen tot een toename van het onderzoek. Veel voorbeelden van organometaalonderzoek zijn te vinden in de petrochemische en farmaceutische industrie. Sommige huidige methoden voor chemische productie zijn verspillend en produceren giftig afval, terwijl veel organometaalkatalysatoren veelbelovend zijn om dat te veranderen.

Geschiedenis

Louis Claude Cadet synthetiseerde methylarsenicumverbindingen verwant aan cacodyl. William Christopher Zeise maakte platina-ethyleen complex. Edward Frankland ontdekte dimethylzink. Ludwig Mond ontdekte Ni(CO)₄. Victor Grignard werkte met organomagnesiumverbindingen. De overvloedige en diverse producten uit steenkool en petroleum leidden tot Ziegler-Natta, Fischer-Tropsch, hydroformyleringskatalyse die CO, _H2 en alkenen als grondstof en ligand gebruiken.

Jaren geleden werd tetraethyllood aan benzine toegevoegd als antiklopmiddel. Omdat lood giftig is, wordt het niet meer in benzine gebruikt. In plaats daarvan worden nu andere organometaalverbindingen zoals ferroceen en methylcyclopentadienyl-mangaan-tricarbonyl (MMT) aan benzine toegevoegd om kloppen tegen te gaan.

De Nobelprijzen van 1973 voor Ernst Fischer en Geoffrey Wilkinson voor hun werk aan metalloceenverbindingen hebben de organometaalchemie populairder gemaakt. In 2005 deelden Yves Chauvin, Robert H. Grubbs en Richard R. Schrock de Nobelprijs voor metaal-gekatalyseerde olefine metathese.