Organometallic Catalysis - Cheatsheet

Struktur und Bindung von Organometallverbindungen

Definition:

Struktur und Bindung von Verbindungen, bei denen Metall-Atome direkt an Kohlenstoff-Atome gebunden sind.

Details:

• Typische Liganden: CO, Phosphine (\text{PR}_3), Carben, Alkyl-/Arylgruppen
• Gebräuchliche Metalle: Hauptgruppen-, Übergangs- und Lanthanoidmetalle
• Bindungstypen: σ-Bindungen, π-Bindungen, M-C π-Backbonding
• 18-Elektronen-Regel für thermodynamische Stabilität
• Nomenklatur: Ligand-Reihenfolge nach IUPAC-Nomenklatur

Elektronenverteilung und -zählung in Metallkomplexen

Definition:

Anzahl der Valenzelektronen in einem Metallkomplex bestimmen; wichtig für die Reaktivität und Stabilität des Komplexes.

Details:

• Valenzelektronen des Zentralatoms + Elektronenbeiträge der Liganden.
• Liganden klassifizieren in neutral: PR₃, CO und anionisch: Cl^-, CH₃^-.
• 18-Elektronen-Regel für Stabilität:
• Praxis: Elektronenzählung, um die Atombindungen und Koordinationsstellen zu bestimmen.

Grundlagen des Katalysatordesigns

Definition:

Wichtige Prinzipien im Katalysatordesign, die Aktivität, Selektivität und Stabilität eines Katalysators beeinflussen.

Details:

• Ligandendesign: Elektronische und sterische Eigenschaften anpassen
• Übergangsmetalle: Wahl des Metalls für gewünschte Reaktivität
• Aktivierungsprozesse: Vorkatalysatoren und Aktivierungsmethoden
• Reaktionsbedingungen: Optimale Temperaturen, Drücke und Lösungsmittel
• Substrate: Auswahl und Vorbehandlung der Edukte
• Mechanismen: Verständnis der Reaktionspfade und Zwischenprodukte

Einfluss der Katalysatorstruktur auf die Reaktionswege

Definition:

Wie die Struktur des Katalysators die Wahl der Reaktionswege beeinflusst

Details:

• Steroelektronische Effekte der Liganden beeinflussen Aktivierungsenergie
• Elektronische und sterische Eigenschaften der Katalysatorkomponenten
• Mechanismus und Selektivität der Reaktion ändern sich mit der Struktur
• Beispiel: Homogene vs. heterogene Katalyse - Ligandeneffekte, Koordinationschemie
• C-H-Aktivierung: Metallaromatische Komplexe, rein elektronische Effekte
• Einfluss auf Reaktivität: z. B. oxidative Addition, reduktive Eliminierung

Homogene versus heterogene Katalyse

Definition:

Homogene Katalyse: Katalysator und Edukte in derselben Phase; Heterogene Katalyse: Katalysator und Edukte in verschiedenen Phasen.

Details:

• Homogene Katalyse: üblicherweise in flüssiger Phase, ermöglicht gleichmäßige Verteilung und einfache Kontrolle (z.B. Wilkinson-Katalysator).
• Heterogene Katalyse: Katalysator in fester Phase, Edukte in flüssiger oder gasförmiger Phase; einfacher zu trennen und wiederzuverwenden (z.B. Haber-Bosch-Verfahren).

Reaktionswege und Zwischenprodukte

Definition:

Definierte Abfolge chemischer Schritte und Bildung instabiler Intermediate bei katalysierten Reaktionen.

Details:

• Reaktionsmechanismen: Abbildung komplexer Schritte
• Zwischenprodukte: Kurzlebig, oft nicht isolierbar
• Common Intermediates: M-, M-H-, M-R Intermediates
• Katalysezyklen: Isolierung und Charakterisierung von Zwischenprodukten
• Techniken: NMR, IR, MS zur Identifikation
• Schlüsselschritte: Oxidative Addition, Reduktive Eliminierung, Insertionsreaktionen

Wichtige industrielle Prozesse, die metallorganische Katalysatoren nutzen

Definition:

Wichtige industrielle Prozesse, die metallorganische Katalysatoren nutzen

Details:

• Hydroformylierung: Umwandlung von Alkenen in Aldehyde mittels Syngas (\text{CO} + \text{H}_2) und einem Rhodium-Katalysator
• Metathese von Olefinen: Reaktion unter Verwendung von Ruthenium-Katalysatoren
• Hydrosilylierung: Addition von Silanen an Alkene/Alkine mit Platin- oder Rhodium-Katalysatoren
• Wacker-Prozess: Oxidation von Ethylen zu Acetaldehyd mit Palladiumkatalysatoren
• Reppe-Chemie: Synthese von verschiedenen Chemikalien aus Acetylen unter Einsatz von Nickel- oder Palladium-Katalysatoren

Spezifische Synthesemethoden für Katalysatoren

Definition:

Spezifische Synthesemethoden für Katalysatoren: Verschiedene Techniken zur Darstellung von Katalysatoren, um deren Selektivität, Aktivität und Stabilität zu optimieren.

Details:

• Schritt-für-Schritt-Synthese: Sequentielle Hinzufügung von Reagenzien zur präzisen Kontrolle der Katalysatorstruktur.
• Metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD): Abscheidung dünner Metallschichten aus gasförmigen Metallorganischen Verbindungen zur Katalysatorherstellung.
• Sol-Gel-Prozess: Erzeugung von Metalloxidkatalysatoren durch Hydrolyse und Kondensation metallorganischer Verbindungen, resultierend in einem Gel, das zu einem festen Material geformt werden kann.
• Impregnierungsmethoden: Einbringen aktiver Metallkomponenten in einen Träger durch Imprägnierungslösungen, z.B., Feuchtigkeitstropfenmethode und Verdampfungsimprägnierung.
• Polymere Temposynthese: Herstellung von Katalysatoren durch Einbau metallorganischer Komplexe in Polymermatrices.
• Grüne Chemie: Verwendung von umweltfreundlichen Lösungsmitteln und Reagenzien zur Reduktion toxischer Abfallprodukte während der Katalysatorsynthese.