Project

Back to overview

Sustainable Synthesis and Catalysis Through Earth-Abundant Cooperative Bimetallics

English title Sustainable Synthesis and Catalysis Through Earth-Abundant Cooperative Bimetallics
Applicant Hevia Eva
Number 188573
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement für Chemie und Biochemie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Inorganic Chemistry
Start/End 01.03.2020 - 29.02.2024
Approved amount 930'998.00
Show all

All Disciplines (2)

Discipline
Inorganic Chemistry
Organic Chemistry

Keywords (9)

main group metals; s-block metal catalysis; deep eutectic solvents; C-C bond forming processes; earth-abundant metals; metallation; cooperative effects; mixed-metal complexes; polar organometallic chemistry

Lay Summary (German)

Lead
Organometallische Verbindungen, die aus einer organischen Einheit und einer Metalleinheit bestehen, sind essenzielle Werkzeuge für den Aufbau von Molekülen. Ein großer Anteil der bekannten chemischen Prozesse hängt von der Verwendung von organometallischen Verbindungen ab, die Edelmetalle enthalten. Diese sind essenziell für die Herstellung von zahlreichen Feinchemikalien für Anwendungen von der Agrochemie bis hin zu Pharmazeutika.Nichtedelmetalle sind generell deutlich billiger durch ihr höheres natürliches Vorkommen. Ihr hohes Vorkommen in der Erdkruste reflektierend sind sie in der Regel auch deutlich weniger toxisch als ihre edlen Gegenstücke. Ihr Hauptproblem ist ihre signifikant geringere Effektivität in der Durchführung vieler chemischer Prozesse.
Lay summary

Über den Stand der Technik hinausgehend, wird dieses Projekt eine neue Generation polarer organometallischer Reagenzien erzeugen, die sich aus einem Alkalimetall und einem anderen umweltfreundlichen Metall mit hohem natürlichen Vorkommen zusammensetzen (Mg, Zn, Al, Mn, Fe). Durch Metall-Metall-Kooperation werden diese Systeme einzigartige Reaktivitäts- und Selektivitätsprofile aufweisen, um neue Anwendungen in stöchiometrischen Bindungsknüpfungen zu eröffnen und den Weg für neue Richtungen in der Katalyse zu bereiten. Des Weiteren wird ermöglicht, die außerordentlichen synergistischen Reaktivitäten dieser bimetallischen Reagenzien in milderen Bedingen und in der Gegenwart von Luft und Feuchtigkeit durchzuführen, indem ihre Anwendung in günstigen, grünen und bioabbaubaren tief-eutektischen Lösungsmitteln (deep eutectic solvents, DES) verfeinert wird. Solche Bedingungen waren zuvor der ultimative Gegenspieler für polare organometallische Chemie.

Die Vision hinter diesem Projekt ist richtungsweisende Fortschritte in Synthese und Katalyse voranzutreiben, indem bimetallische Systeme entwickelt werden, die auf nachhaltigen, reichlich vorhandenen Metallen basieren. Damit wird kooperative Funktionalität erzeugt, die es erlaubt Chemie zu kreieren die mit derzeitigen Einzelmetallsystemen unmöglich ist.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsvorhabens

Wenn die Chemie reichlich vorkommender Metalle bis hin zum Stand der Edelmetallchemie, oder besser noch darüber hinaus, entwickelt werden kann, wird eine signifikant erhöhte Nachhaltigkeit erzeugt und die Abhängigkeit von edlen Übergangsmetallen gesenkt. Das Ersetzen von toxischen organischen Lösungsmitteln durch günstige, bioabbaubare und grünere Lösungsmittel wird die generelle Praxis der Organometallchemie beeinflussen und hat grundlegende weltweite Implikationen für die akademische und industrielle Chemie.

Direct link to Lay Summary Last update: 27.11.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Polar organometallic reagents, typified by organolithium and Grignard reagents, occupy the centre ground of synthetic chemistry, ubiquitous in any laboratory that practices synthesis or catalysis, and having important roles in the manufacturing of commodity chemicals (e.g., agrochemicals, medicines, pharmaceutical, polymers). These 20th century creations are unrivalled in their utility; however, with demands on standards being significantly higher in this century, polar tools need to become modernised, specifically towards greater sustainability, selectivity, safer, greenness and atom economy. Transcending the current state of the art, this project will deliver a new generation of polar organometallic reagents, made up by a combination of an alkali-metal with other earth-abundant environmentally benign metals (Mg, Zn, Al, Mn, Fe). Switching on metal-metal’ cooperation, these systems will exhibit unique reactivity/selectivity profiles to deliver new applications in stoichiometric bond-forming transformations, and to pioneer new directions in catalysis. Furthermore, by refining their uses to operate in Deep Eutectic Solvents (DES) this project will extend the extraordinary synergistic reactivities of these bimetallic reagents to milder reaction conditions compatible with air and moisture, species generally considered the ultimate antagonists in polar organometallic chemistry.The programme builds on Hevia’s recent innovations in s-block bimetallic chemistry that spurred unparalleled structural and mechanistic understanding on how to induce cooperativity through molecular design. Demonstrating timeliness and feasibility of this work, recent breakthroughs by Hevia include proving the concept that organic solvents can be replaced by DES in organolithium reactions, salt activation of Grignard reagents that render them more air/moisture resistant, and using cooperative bimetallics to enable low polarity metallations.The four-year vision behind this project is to push forward step change improvements in synthesis and catalysis through development of bimetallic systems based on sustainable, earth-abundant metals that will instil cooperative functionality to create chemistry currently impossible with single metal systems. This will be achieved through four interconnected workpackages (WPs). Target new earth-abundant bimetallic reagents will be accessed via established co-complexation methodologies (WP1). These co-complexes will be then applied to a wide range of cornerstone organic transformations including C-H and C-halogen functionalisation, C-C bond forming and C-F bond activation processes in WP2. Stoichiometric successes will be upgraded to catalytic regimes to establish ground rules for s-block cooperative catalysis (WP3). The use of DES in bimetallic chemistry will reinvent its practice, switching reliance from toxic organic solvents under anaerobic conditions to greener solvents under aerobic conditions (WP4). The establishment of innovative strategies using cheap, biodegradable solvents as superior reaction media to volatile organic solvents will meet the ultimate challenge of processing polar organometallic chemistry under air using wet solvents, with worldwide implications for grassroots academic and specialized industrial chemistry. By achieving this through reagents combining two distinct metals that can communicate to modify the structures and properties of the monometallic systems, the landscape of chemistry can be extended to new territories currently off limits in polar organometallic chemistry.
-