כיצד ללמוד כימיה אורגנו-מתכתית?
לקבוצת פלדיום כימיה ידועה כי התרכובות האורגניות שלה משמשות בתהליך קטליטי של תגובות אורגניות.
מאמר זה נותן סקירה אודות הכימיה של מתכות מעבר ושימושיה בתחום הזרז של תגובות כימיות.
- 1להבין מהי כימיה אורגנו-מתכתית. בקצרה, זה ענף של כימיה אורגנית שהוא יחסית חדש, שראשיתו בעשרות שנים בלבד. תחום כימיה זה נמצא בממשק שבין כימיה אורגנית לבין כימיה אנאורגנית של המתכות על כל סוגיה. הצורך בפיתוח תחום כימיה זה נבע מכך שתגובות אורגניות רבות אינן יכולות להמשיך בתנאים רגילים של תגובות במעבדה האורגנית.
- 2למד את התפקיד של תרכובות אורגנו-מטאליות. תרכובות אלה שימושיות כזרזים לתגובות אורגניות אלה שאחרת לא ימשיכו להסתיים. מינוח אנלוגי לתופעה זו הוא התגובות הכימיות המתרחשות בגופם של בני אדם ובעלי חיים אשר מתרחשות בעיקר תחת זרז של חלבונים מסוג מיוחד בגוף הנקראים אנזימים.
תחום כימיה זה נמצא בממשק שבין כימיה אורגנית לבין כימיה אנאורגנית של המתכות על כל סוגיה. - 3למד את מטרת האנזימים. אנזימים בדרך כלל פועלים על ידי הורדת ערך האנרגיה החופשית של גיבס לתגובות שהם מזרזים. תרכובות אורגנו-מטאליות הן ריאגנטים שימושיים מאוד המסוגלים לזרז תגובות אורגניות דרך מעגל תגובות ספציפי הכרוך במתכת המרכזית שהיא בדרך כלל מתכת מעבר. מחזור זה כולל בדרך כלל צעדים ידועים כמו תוספת חמצונית למתכת ותהליך של הכנסת נדידה ומסתיים בחיסול רדוקטיבי כדי לתת את התוצר הסופי. תהליכים אלה נעשו בהרחבה מנקודת מבט קינטית על ידי תיוג נהלים באמצעות איזוטופים של מימן כגון דאוטריום ואיזוטופים אחרים.
- 4למד קטליזה הומוגנית. זרז זה על ידי תרכובות אורגנו-מטאליות הוא נושא שימושי ומעשי ביותר בכימיה בשל יישומיו הפוטנציאליים לתהליכים תעשייתיים לסינתזה של תרכובות חשובות כגון סינתזת פולימרים אורגניים. כימיה של מתכות היא ייחודית מאוד בהשוואה לאטומים אחרים בטבלה המחזורית. זה נובע מהשימוש במתכות המעבר באורביטלים נוספים של 5-ד בקשירתו עם האלמנטים האחרים.
- 5בחן את ההבדלים בין קבוצות ליתיום ומגנזיום וקבוצות מתכת מעבר. הכימיה האורגנית-מטאלית הכוללת את קבוצות הליתיום והמגנזיום שונה לחלוטין מזו הכרוכה בכימיה של מתכות המעבר. הכימיה האורגנית המעורבת בקבוצות ליתיום ומגנזיום היא כימיה יונית המעניקה לקבוצה הפונקציונלית האורגנית אופי נוקלאופילי בתגובותיה. הסיבה לכך היא ההבדל הגדול באלקטרואנגטיביות בין המתכת לקבוצה הפונקציונלית האורגנית.
- דוגמה ידועה לתרכובת אורגנו-מטאלית מסוג זה היא מגיב גרינגארד שהוא מגיב אורגנו-מגנזיום המשמש באופן נרחב במעבדה האורגנית כסוכן אלקילציה. ריאגנטים של גרינגארד מכינים בדרך כלל מ אלקיל ברומידים בתהליך של תוספת חמצונית על מתכת מגנזיום ניטראלית.
- סוגים דומים אחרים של ריאגנט המשתמשים במתכת שונה הוא ריאגנט רפורמצקי. ריאגנט זה הוא תרכובת אורגני-אבץ המהווה גם נוקלאופיל בהתנהגותו הכימית המשמש כגיב אלקילציה. תרכובות אורגנוזין מוכנות באופן דומה לריאגנטים של גרינגארד מאלקילברומידים בתהליך של תוספת חמצונית על מתכת האבץ.
- מתכות אחרות החולקות כימיה דומה למגנזיום ואבץ הן כימיקלים אורגניים וכדיים של ליתיום. תרכובות אורגניאליום בסיסיות יותר מגדולי גרינגרד בגלל היותן יציבות פחות מבחינה תרמודינמית.
- ריאגנטים של גרינגארד הם הרבה יותר יציבים מבחינה תרמו-דינמית מאשר תרכובות אורגניאליום. לכן הם גם נוקלאופיליים יותר ובררניים יותר. ריאגנטים אורגנו-מתכתיים הם בדרך כלל תרכובות רגישות מאוד לסביבה בה הם נמצאים. הם רגישים מאוד למים ולחמצן. לכן בדרך כלל תגובות הכוללות תרכובות אורגנו-מטאליות מבוצעות באווירה אינרטית הדורשת טכניקות מעבדה מיוחדות כגון עבודה בארגז כפפות למשל.
הכימיה האורגנית-מטאלית הכוללת את קבוצות הליתיום והמגנזיום שונה לחלוטין מזו הכרוכה בכימיה של מתכות המעבר. - 6להבין את התועלת של כימיה מתכתית-מעבר-אורגנית. זהו סוג כימיה חשוב מאוד בשל יישומו הפוטנציאלי בזרז תגובות אורגניות. נושא זה בכימיה נקרא על ידי ריאגנטים אורגנו-מתכתיים קטליזה הומוגנית. יש רשויות ששייכות תחום כימיה זה לכימיה אנאורגנית, אך אחרות כוללות אותו בתחום הכימיה האורגנית ומכנות אותו יישומים של מתכות מעבר בסינתזה אורגנית.
- תוכננו תהליכים תעשייתיים רבים המשתמשים בסוג מיוחד של ריאגנטים אורגנו-מתכתיים לתהליך זרז תגובות אורגניות כגון תהליך זיגלר נאטה המהווה תהליך תעשייתי חשוב בכימיה. בקבוצת פלדיום יש כימיה ידועה כי התרכובות האורגניות שלה משמשות בתהליך קטליטי של תגובות אורגניות. תהליך החיבור החמצוני למתכת נתונה חייב להיות למתכת בלתי רוויה מתואמת שלרוב רוויה אלקטרונית.
- 7למד על שתי הדרכים השונות לשימוש בחומרים כימיים אורגנו-מתכתיים. ריאגנטים המשמשים לזרז תגובות אורגניות משמשים בדרך כלל באחת משתי דרכים. אלה הם: כמויות סטואיכיומטריות וקטליטיות של המגיב האורגנו-מתכתי. אופן הבחירה באחת משתי האפשרויות הללו יהיה תלוי אם המגיב נצרך בתגובה או שהוא מתחדש.
- מתכות הרוויות באופן קואורדינטיבי בדרך כלל מנתקות חלק מהליגנדים שלה לפני שהיא עוברת תהליך של תוספת חמצונית. סוג התגובה האחרון במנגנון זה הוא חיסול רדוקטיבי המחזיר את המתכת למצב החמצון המקורי שלה.
תוכננו תהליכים תעשייתיים רבים המשתמשים בסוג מיוחד של ריאגנטים אורגנו-מתכתיים לתהליך זרז תגובות אורגניות כגון תהליך זיגלר נאטה המהווה תהליך תעשייתי חשוב בכימיה. - החיפוש אחר זרזים חדשים בתחום הכימיה נמשך במרץ בשל השימושים הפוטנציאליים שלו בתעשייה ובמחקר כימי.
