有機鋰試劑
有機鋰試劑是含有碳原子與鋰原子直接成鍵的一類有機金屬化合物。鋰原子具有天然的電正性，因此有機鋰化合物的大部分電荷密度被推向了化學鍵上的碳原子一端，從而易形成碳負離子。有機鋰化合物是一種極強的鹼和親核試劑。
製備
- 工業上製備有機鋰試劑通過鹵代烴與鋰金屬反應，如：R–X + 2 Li → R–Li + LiX。[1] 該合成的副反應，尤其是碘代烷烴的副反應是發生Wurtz反應，即：R–Li物種與R–X物種形成R–R偶聯產物。氯代烷烴與溴代烷烴作為底物時能幾乎完全避免該副反應。
- 第二種製法是鹵代烷烴R–X或芳基烷基硫化物Ar–S–R與鋰鹽自由基負離子發生反應，如：萘鋰。該自由基負離子可通過芳環系統的還原反應製備，如：萘與金屬鋰反應。由於在有機還原反應中，鹵代烷烴與自由基負離子的反應速率遠快於直接與金屬鋰發生的反應速率，因此該反應可適用於一些特殊的有機鋰化合物的製備。
- 第三種製法是有機鹵代化合物R–X（通常為碘代物R–I或溴代物R–Br）與有機鋰類化合物（通常為正丁基鋰、仲丁基鋰或叔丁基鋰）發生金屬－鹵素交換反應。由於該反應為一種平衡反應，因此反應之成功與否取決於：形成的鋰試劑比原料鋰試劑是否具備更好的穩定性。該方法常用於製備乙烯基，芳基或一級烷基鋰試劑，它對於某些鋰化合物的製備很奏效，如：具特定官能團，因穩定性原因無法與金屬鋰反應製備的一類化合物。
- 第四種製法是通過有機鋰化合物與另一種有機金屬化合物反應製備。這同樣是一種平衡反應，強電正性金屬（鋰）會連接於更強電負性的有機基團上。如通過四乙烯基錫與苯基鋰反應合成乙烯基鋰，而乙烯基鋰通過其他方法難於製備。
- 第五種製法是有機化合物與有機鋰類化合物發生去質子化，該類反應屬於酸鹼中和反應。
結構
有機鋰試劑可發生聚合反應，鋰原子可與一個或更多碳原子配位而碳原子可與一個或更多的鋰原子配位。三個因素可影響鋰試劑的聚合反應：相反電荷之間的靜電作用；鋰原子的配位殼是溶劑分子或是路易斯鹼；烴基基團的空間位阻。[2] 鋰原子傾向於形成三角形或更高級的聚合體。
固態甲基鋰中，四個鋰原子與每個蓋有甲基的面形成一個四面體，而每個甲基則同時連接三個鋰原子（η3哈普托數）。 (MeLi)4單元之間的遠程相互作用基於η3-Li-CH3-η1-Li鍵。丁基鋰形成六聚體的Li6八面體而沒有任何的遠程相互作用。
與路易斯鹼加成，如溶劑：二甲醚或THF或氮配體TMEDA，PMDTA或鷹爪豆鹼等，都可使有機鋰化合物去聚合化，提高其溶解性與活性。MeLi與(-)-鷹爪豆鹼的固態配合物為二聚體。丁基鋰與PMDTA的配合物是最接近單體的丁基鋰化合物。
在溶液中，甲基鋰的THF溶液在1M的濃度時為四聚體，丁基鋰的苯溶液在3M的濃度時為六聚體；在THF溶液中1M濃度時為四聚體。t-BuLi在THF為二聚體。異丙基鋰在環戊烷溶液中是六聚體、八聚體和九聚體的混合物。
類似於立方烷的四聚體A比起二聚體B幾乎沒有活性，它首先形成混合－二聚體C而後在最終形成對稱二聚體D。實際上，二聚體比起四聚體的活性比例達到3.2x108。
用途
由於鋰原子的電正性，有機鋰化合物顯示出強烈的極性，因此有機鋰化合物都是高活性的親核試劑，它們可與幾乎所有類型的親電試劑發生反應。與格氏試劑相比，它們具有更高的活性。也因此，有機鋰試劑對於水、氧（O2），二氧化碳都很敏感，反應過程中須在保護氣體下操作，如：氮氣，或更佳的氬氣。
普通的商業市售有機鋰化合物常以強鹼使用，如：n-BuLi、sec-BuLi、t-BuLi、MeLi與PhLi。有機鋰化合物可將除烷烴的大多數含氫化合物進行去質子化（也稱：金屬化或Li/H交換反應）。理論上講，當酸性化合物的pKA比反應後的鋰物種強2以上，去質子化過程就可進行完全；但實際過程中，pKA的差別更大會有助於一些C-H鍵酸性更差的物質去質子化的速率。由於烷基是弱的電子供體，因此有機鋰試劑的鹼性會隨烷基取代基的增加而增強。叔丁基鋰是市售鋰試劑中最強的烷基鋰試劑，其pKa超過53。金屬化反應是合成許多有機鋰化合物的常用條件，一些例子如下：
有機鋰化合物還常用於對羰基化合物與其他含碳親電試劑的親核加成反應。羰基化合物去質子化形成的烯醇式是該反應的一種副反應，尤其當鋰試劑是叔丁基鋰類的大位阻化合物。格氏試劑雖活性較弱，但可作為該加成反應的替代試劑，以防止發生去質子化的問題。
有機鋰試劑的另一個重要用途，是通過和金屬鹵代物反應，用於製備其他有機金屬化合物。特別是用於在有機合成化學中，用於製備有機銅試劑（包括如：吉爾曼試劑），該反應通過RLi有機鋰化合物與碘化亞銅或溴化亞銅反應，該反應還可通過與氯化鋅反應製備有機鋅試劑。甚至格氏試劑也可通過RLi與MgBr2反應製備，同樣有機鋰試劑可通過有機錫、有機矽、有機硼、有機膦與有機硫類化合物的與合適的親電試劑反應製備。
最新的化學工藝綜述表明，最常用的有機鋰試劑為：甲基鋰、丁基鋰、正己基鋰、仲丁基鋰與苯基鋰。[3] 另兩種常用的大位阻有機鋰強鹼為：二異丙基氨基鋰（LDA）與六甲基二矽基胺基鋰（LiHMDS）。
反應
下列是一些有機鋰化合物概括性的反應：
- 具有任何酸性質子的化合物與之發生去質子化反應。
- 與羰基化合物反應，如：酮、醛形成醇。[4]
- 與環氧化合物反應生成醇。
- 與羧酸鹽或酰氯反應得到相應的酮。[5]
- 與羧酸酯發生反應得到相應的三級醇。在下例中，乙基鋰被證實非常具有活性，而相應若換為乙基溴化鎂則主要得到還原產物。[6]
有機鋰試劑在大多數反應中，還同樣與醚類溶劑發生反應。下表為一些常見有機鋰試劑在常用醚溶劑中的半衰期：[9]
| 溶劑/溫度 | n-BuLi | s-BuLi | t-BuLi | MeLi | CH2=C(OEt)-Li | CH2=C(SiMe3)-Li |
|---|---|---|---|---|---|---|
| THF/-20 °C | 40 分鐘, 360 分鐘 | |||||
| THF/20 °C | >15 小時 | 17 小時 | ||||
| THF/35 °C | 10 分鐘 | |||||
| THF/TMEDA/-20 °C | 55 小時 | |||||
| THF/TMEDA/ 0 °C | 340 分鐘 | |||||
| THF/TMEDA/20 °C | 40 分鐘 | |||||
| 乙醚/-20 °C | 480 分鐘 | |||||
| 乙醚/0 °C | 61 分鐘 | |||||
| 乙醚/20 °C | 153 小時 | <30 分鐘 | 17 天 | |||
| 乙醚/35 °C | 31 小時 | |||||
| 乙醚/TMEDA/ 20 °C | 603 分鐘 | |||||
| DME/-70 °C | 120 分鐘 | 11 分鐘 | ||||
| DME/-20 °C | 110 分鐘 | 2 分鐘 | <<2 分鐘 | |||
| DME/0 °C | 6 分鐘 |
參考文獻
- ^ Stent, M. Generation of a Highly Basic and Nucleophilic Organolithium; Isopropyllithium. Synthetic Pages. 2002, (195) [2011-07-16]. （原始內容存檔於2016-03-10）.
- ^ Structure Formation Principles and Reactivity of Organolithium Compounds Viktoria H. Gessner, Christian Daschlein, and Carsten Strohmann Chem. Eur. J. 2009, 15, 3320 – 3334 doi:10.1002/chem.200900041
- ^ Wu, G. Huang, M. Organolithium Reagents in Pharmaceutical Asymmetric Processes. Chemical Reviews. 2006, 106 (7): 2596–2616. PMID 16836294. doi:10.1021/cr040694k.
- ^ 4.0 4.1 Advanced Organic Chemistry F.A. Carey R.J. Sundberg 2nd Edition ISBN 0-306-41088-5
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- ^ Stanetty, P.; Koller, H.; Mihovilovic, M. Directed Ortho-Lithiation of Phenylcarbamic Acid 1,l-Dimethylethyl Ester (N-Boc-aniline). Revision and Improvements. J. Org. Chem. 1992, 57: 6833–6837. doi:10.1021/jo00051a030.