Organometallchemie

Organometallchemie in der ursprünglichen Definition ist die Chemie der Verbindungen, in denen ein organischer Rest oder eine organische Verbindung direkt an ein Metallatom gebunden ist. Diese Verbindungen (Metallorganyle oder Organometallverbindungen) werden als metallorganische oder auch organometallische Verbindungen bezeichnet. Heute wird der Begriff aber in der Regel weitergefasst. Man zählt auch Derivate solcher Elemente zu den metallorganischen Verbindungen, die zwar im elementaren Zustand kein Metall bilden, aber eine niedrige Elektronegativität aufweisen wie zum Beispiel Silicium oder Bor. Besser ist es aber in diesen Fällen von elementorganischen Verbindungen (Elementorganyle) zu sprechen.

Metall- oder Element-Organyle enthalten also mindestens ein Kohlenstoffatom und mindestens ein Metall- oder elektropositives Elementatom (E), die aneinander gebunden sind. Die E-C-Bindung ist dabei eine mehr oder weniger polare kovalente Bindung. Der Organylrest kann dabei entweder über eine Einfach-, Doppel- oder sogar Dreifachbindung an das Element gebunden sein, oder gleich mehrfach mit dem Elementatom verknüpft sein wie im Ferrocen (siehe unten). Nicht zu den metallorganischen Verbindungen zählen hingegen die Carbide: Stahl ist beispielsweise trotz seines Kohlenstoffgehalts eine Legierung und keine metallorganische Verbindung.

Stoffe wie Natriumacetat (H₃C-COONa, das Natriumsalz der Essigsäure) zählen ebenfalls trotz des Metallions und des vorhandenen Organylrestes H₃C- nicht zu den metallorganischen Verbindungen. Dieses weist nämlich keine direkte Na-C-Bindung auf. Anstelle dessen ist der Acetatrest vorwiegend ionisch über seine Sauerstoffatome an das Natriumion gebunden. Auch Chlorophyll und Hämoglobin sind nach dieser Definition keine metallorganischen Verbindungen, da bei ihnen das zentrale Magnesium- bzw. Eisenatom von Stickstoffatomen koordiniert wird.

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Bedeutende Beispiele

Auch heute noch sehr bedeutend für die organische Synthese sind die Grignard-Verbindungen, das sind Magnesiumorganyle, die oft als RMgX abgekürzt werden. Sie wurden von Victor Grignard entdeckt, der dafür 1912 den Nobelpreis erhielt.

Einen wesentlichen Aufschwung für die Organometallchemie, der die Etablierung als eigenständiges Fachgebiet gefördert hat, brachte die Entdeckung des Ferrocens (Dicyclopentadienyleisen, C₅H₅-Fe-C₅H₅) 1951.

Im 20. Jahrhundert war das Bleitetraethyl PbEt₄ die gemessen in Tonnen meistproduzierte metallorganische Verbindung, die zur Erhöhung der Klopffestigkeit dem Benzin zugesetzt wurde. Aufgrund ihrer stark giftigen Wirkung fanden solche Zusätze jedoch seit den 1980er Jahren immer weniger Verwendung. Ebenfalls wegen schädlicher Nebenwirkungen umstritten sind die Zinnorganyle, wie z. B. Tributylzinn, die als Stabilisatoren in Kunststoffen und zum Schutz von Schiffsrümpfen Verwendung finden.

Sehr bedeutsam sind organometallische Katalysatoren, z. B. zur Kunststoffherstellung, etwa die Ziegler-Natta-Katalysatoren, für die Karl Ziegler und Giulio Natta 1963 den Nobelpreis erhielten.

Vitamin B12 tritt im menschlichen Körper als organometallische Verbindung mit einer Cobalt-Kohlenstoff-Bindung auf: ein Cobalt-Atom, das in der Mitte eines Ringsystems (Corrinring) sitzt, ist entweder mit einer Methylgruppe, einem Cyanidion oder mit dem 5'-Kohlenstoff von Desoxyadenosin verknüpft. Diese B12-Stoffgruppe ist somit vermutlich die einzige lebenswichtige, natürlich vorkommende Verbindung, die wegen ihrer direkten Metall-Kohlenstoff-Bindung zu den metallorganischen Verbindungen im engeren Sinne gezählt werden muss.

Die Einbindung von Zink in enzymatische Proteine, z. B. Matrixmetalloproteinasen ergibt 2 Funktionen: die räumliche Anordnung mehrerer Proteinbausteine wird durch Zink stabilisiert und begünstigt damit die Auslösung chemischer Reaktionen, weiterhin greift es in Katalysevorgänge ein und wirkt dabei als Säurekatalysator. Matrixmetalloproteinasen sind Enzyme, die in der Molekularbiologie eine große Rolle im Bereich des Gewebsremodelings der Hart- und Weichgewebe, der Zellwanderung (Krebsmetastasen) und der Infektabwehr spielen. Sie sind kollagenauflösende Enzyme, die das extrazelluläre Gerüst, die Kollagen-Matrix der Gewebe auflösen und damit durchgängig machen.

Bei Zahnimplantaten aus Titan wird das Ca des Knochengewebes ionisch in den Titan-Kristall eingebunden (Perowskit) und steht damit dem bone-remodeling reversibel zur Verfügung. Hieraus ergibt sich gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit des Metall-Gewebsverbundes.

Einteilung der Organometallchemie

Wichtige Einteilungsschemata für die Organometallverbindungen sind:

• nach dem Metall, zum Beispiel:
  • Alkalimetallorganyle - z. B. das für Synthesen verwendete Butyllithium
  • Erdalkalimetallorganyle - z. B. Magnesiumorganyle wie die oben erwähnten Grignard-Reagenzien
  • Organyle zur Borgruppe - z. B. Aluminiumorganyle wie DIBAL oder welche, die selbstentzündlich sind und in Flammenwerfern verwendet wurden
  • Münzmetallorganyle - z. B. organische Kupferverbindungen, Carboplatin

• nach typischen Strukturelementen, zum Beispiel:
  • Sandwich-Verbindungen - Sie enthalten ein Metallatom oder -ion eingebettet zwischen zwei aromatischen Ringen. Das Bis-cyclopentadienyl-Eisen oder auch Ferrocen ist die bekannteste Sandwich-Verbindung
  • Carben-Komplexe - Sie zeichnen sich durch eine Metall-Kohlenstoff-Doppelbindung aus.

• nach der Wertigkeit des Metalls, vor allem bei den Nebengruppenmetallen

Eigenschaften metallorganischer Verbindungen

In der Regel sind Metallorganyle brennbar. Bisweilen sind sie selbstentzündlich (pyrophor) und entflammen spontan an der Luft. Bei den Organylen unedler Metalle verbrennt nicht nur der organische Rest, sondern auch das Metall: Es reagiert zum Metalloxid. Während die Metallatome in einem massiven Metall in eine gut wärmeleitende Umgebung eingebettet sind, sind sie in den metallorganischen Verbindungen atomar fein verteilt, so dass die Reaktion meist heftiger verläuft als bei einem massiven Metall.

Viele Metallorganyle, vor allem die der Alkalimetalle, sind sehr starke Basen - manche zählen zu den stärksten Basen überhaupt. Sie reagieren häufig explosionsartig mit Wasser und sind auch in schwach saurer Umgebung unbeständig.

Luft- oder feuchtigkeitsempfindliche Metallorganyle müssen meist unter Schutzgas oder in einem inerten Lösemittel aufbewahrt und gehandhabt werden (Schlenk-Technik).

Zugehörigkeit des Fachgebiets

Nach der gängigen Definition der Organischen Chemie sind Verbindungen, die Kohlenstoff und Wasserstoff gleichzeitig enthalten, organisch, und demgemäß wären auch die Organometallverbindungen zur Organischen Chemie zu zählen. Andererseits gehört die Chemie der Metalle und Metallionen traditionell zur Anorganischen Chemie. Daher scheint es sinnvoll, die Unterscheidung anhand des Blickwinkels festzumachen. Liegt der Schwerpunkt der Forschung auf den Eigenschaften des Metalls bzw. Elements, so handelt es sich ganz klar um Anorganische Chemie. Wird die Organometallverbindung hingegen nur als Hilfsmittel zur Modifikation eines rein organischen Moleküls verwendet, so handelt sich um Organische Chemie.