tert-Butyl Lithium oder t-BuLi

Ben Valsler

Diese Woche spricht Katrina Krämer mit einem Forscher, der hofft, ein gefährliches Reagenz mit salzigen Lösungsmitteln zu zähmen.

Katrina Krämer

Es gibt einige Chemikalien, mit denen man sich wirklich nicht anlegen möchte – zum Beispiel Dioxygendifluorid, das selbst bei -180 ° C heftig mit allen möglichen Verbindungen reagiert; oder Quecksilberazid, das nicht nur bei der geringsten Provokation detoniert, sondern bei seiner Explosion auch giftige Quecksilberverbindungen ausspuckt. Glücklicherweise sind dies chemische Kuriositäten, etwas, das Forscher einmal gemacht haben, aber wahrscheinlich nie wieder machen werden (aus gutem Grund). Andere gefährliche Verbindungen sind jedoch so nützlich, dass Chemiker ihre Hände nicht von ihnen lassen können. Eines davon ist Tert-Butyllithium, auch T-BuLi genannt: ein Grundnahrungsmittel für synthetische Chemiker, das eine eher pyrophore Seite hat.

Eva Hevia von der University of Strathclyde hat als Hauptgruppenchemikerin für metallorganische Verbindungen nicht nur mit t-BuLi, sondern auch mit vielen anderen Alkyllithiumverbindungen gearbeitet.

Eva Hevia

Lithiumorganische Verbindungen sind auf der ganzen Welt weit verbreitet und nicht nur in der Wissenschaft – in vielen industriellen und kommerziellen Situationen sind diese Reagenzien unerlässlich. Ich glaube, es ist 90-95 Prozent der Medikamente, die von Pharmaunternehmen hergestellt werden, sie erfordern, zumindest in einem Schritt ihrer Synthese, die Verwendung dieser Reagenzien. Die Auswirkungen für die Gesellschaft und auch für die Wirtschaft sind also enorm.

Katrina Krämer

Diese Verbindungen bleiben teilweise aufgrund der großen Polarität über die Lithium-Kohlenstoff-Bindung beliebt, was sie extrem reaktiv macht.

Eva Hevia

Aber natürlich ist Reaktivität immer mit einem Kompromiss verbunden. Der Kompromiss hier ist, dass diese Reagenzien manchmal unter niedrigen Selektivitäten leiden; Manchmal beschränken sie die Art der Substrate, mit denen sie kompatibel sein können, stark. Um diese Einschränkungen zu überwinden, müssen Sie diese Reagenzien in vielen Fällen unter sehr niedrigen Temperaturen mit relativ giftigen Lösungsmitteln verwenden, und Sie müssen sie immer in Abwesenheit von Luft oder Feuchtigkeit verwenden, da sie sich sehr schnell zersetzen. Und tatsächlich sind viele von ihnen pyrophor, daher müssen Sie sehr vorsichtig sein, wie Sie diese Reagenzien manipulieren. Dies kann besonders schwierig sein, wenn wir Reaktionen in größerem Maßstab in einem industriellen Szenario betrachten.

Katrina Krämer

Lithium ist eines jener Elemente, die eines ihrer Elektronen wirklich loswerden wollen, das es in Richtung des benachbarten Kohlenstoffs schiebt. Aber was t-BuLi im Vergleich zu seinem viel freundlicheren linearen Cousin n-Butyllithium wirklich reaktiv macht, ist, dass der Tertiärkohlenstoff nicht gerne mit dem überschüssigen Elektron des Lithiums umgeht. Umgeben von drei Methylgruppen, die bereits leicht Elektronen spenden, plus dem zusätzlichen Elektron, bedeutet dies, dass der zentrale Kohlenstoff eine Menge lokalisierter negativer Ladung aufweist. Folglich ist t-BuLi sehr basisch und zupft Protonen aus allem, was es erreichen kann: von leicht sauren organischen Verbindungen bis hin zu üblichen Lösungsmitteln wie Tetrahydrofuran oder Diethylether und natürlich Wasser.

Schon geringe Mengen Wasser (z. B. Wasserdampf in der Luft) und Sauerstoff reichen aus, um eine heftige Reaktion auszulösen. Bei Kontakt mit Luft bricht t-BuLi spontan in leuchtend orange Flammen aus. Da t-BuLi auch mit den meisten Lösungsmitteln reagiert, verkaufen Chemieunternehmen es als verdünnte Lösung in unreaktivem Hexan oder Pentan, die beide ebenfalls brennbar sind. Das bedeutet, wenn es ein Organolithium-Feuer gibt, gibt es normalerweise auch eine Art brennbares Lösungsmittel in der Mischung.

Der tragische Fall der UCLA-Studentin Sheri Sangji, die 2009 an schweren Verbrennungen starb, nachdem ein Experiment mit großen Mengen T-BuLi schief gelaufen war, sollte jeden Chemiker daran erinnern, dass diese Verbindung mit Respekt behandelt werden muss. Forscher, die mit t-BuLi arbeiten, müssen strenge Sicherheitsmaßnahmen einhalten: Nur geringe Mengen zu verwenden und Reaktionen unter Ausschluss von Luft und Feuchtigkeit durchzuführen, nicht brennbare Kleidung zu tragen und sowohl einen besorgten Laborkollegen als auch eine Notdusche in der Nähe zu haben, sind die Mindestanforderungen für den sicheren Umgang mit t-BuLi.

Alkyllithien sind zwar starke Reagenzien, neigen aber auch zu Nebenreaktionen und bilden nutzlose Nebenprodukte. Zusätzlich zu den Sicherheitsbedenken führen Chemiker Reaktionen normalerweise bei -78 ° C durch und halten eine Inertgasatmosphäre in den Reaktionsgefäßen aufrecht, um Luft und Feuchtigkeit fernzuhalten.

Eva Hevia

Und ich nehme an, die ultimative Herausforderung bei dieser Art von Chemie besteht darin, wie wir sie in einer normalen Atmosphäre ohne Argon oder Stickstoffgas – unter Luft – verwenden können und wie wir diese Reagenzien mit umweltfreundlichen Lösungsmitteln kompatibel machen können. Und was wir gefunden haben, ist, dass, wenn wir tiefe eutektische Lösungsmittel als alternatives Medium verwenden – und ein tiefes eutektisches Lösungsmittel ist eine neue Art von Lösungsmittel, bezogen auf ionische Flüssigkeiten, die umweltfreundlich sind und aus Komponenten bestehen, die biologisch abbaubar und biorenewable sind – wenn wir diese Art von Lösungsmitteln verwenden, können wir lithiumorganische Lösungsmittel so aktivieren, dass die Reaktionen bei Raumtemperatur extrem schnell ablaufen. Da sie sehr schnell sind, müssen Sie keine inerte Atmosphäre verwenden und können diese Reaktionen mit Wasser oder Feuchtigkeit verträglich machen.

Katrina Krämer

Tiefeneutektische Lösungsmittel sind Gemische verschiedener Salze, die bei Raumtemperatur flüssig sind. Während die meisten ionischen Verbindungen einen sehr hohen Schmelzpunkt haben (Natriumchlorid zum Beispiel bei knapp über 800 Grad), macht das Mischen der richtigen Salze in den richtigen Mengen ein Eutektikum – eine Mischung, die bei einer viel niedrigeren Temperatur schmilzt als ihre einzelnen Komponenten. Diese eher ungewöhnlichen Lösungsmittel sind ungiftig und recht billig – eine der Verbindungen, die Hevias Team verwendet, ist Cholinchlorid, ein Hühnerfutterzusatz.

In tiefen eutektischen Lösungsmitteln sind lithiumorganische Reaktionen viel schneller als in jedem anderen Lösungsmittel. Dies würde darauf hindeuten, dass bereits hochreaktive Alkyllithiumverbindungen im salzigen Lösungsmittelgemisch reaktiver werden, was nicht intuitiv erscheint. Wie kam es, dass Hevias Team die Reaktion nicht kontrollieren musste, indem es sie abkühlte oder unter inerter Atmosphäre durchführte?

Eva Hevia

Wenn Sie in diesen Systemen arbeiten, ist der Hauptfeind Ihrer Reaktionen die Hydrolyse oder Zersetzung Ihres metallorganischen Reagenzes. Wir aktivieren es also so, dass wir diesen Zersetzungsweg überwinden können. Gleichzeitig stimmen wir ihre Selektivität ab, so dass wir bei der Art der Reaktionen, die wir betrachten, bessere Selektivitäten feststellen als bei Verwendung herkömmlicher Lösungsmittel.

Katrina Krämer

Tiefe eutektische Lösungsmittel sind sehr gut darin, geladene oder hochpolare Moleküle zu stabilisieren, da sie aus Ionen bestehen. Hevia glaubt, dass die salzigen Lösungsmittel auch andere temperamentvollere metallorganische Reagenzien zähmen könnten.

Eva Hevia

Einige unserer ersten Arbeiten haben gezeigt, dass wir Grignard-Reagenzien verwenden können, die ebenfalls sehr grundlegend und für die Synthese sehr wichtig sind. Und einige der Arbeiten, die derzeit in unseren Forschungsgruppen durchgeführt werden, zeigen, dass diese Lösungsmittel auch ein großes Potenzial für Organo-Zink-Reagenzien bieten, die wiederum in vielen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungsbildungsprozessen weit verbreitet sind, und sie sind auch sehr reaktiv in Gegenwart von Luft und Feuchtigkeit. Ich denke, es gibt zwei Möglichkeiten, diese Arbeit zu betrachten: erstens entwickeln wir neue Methoden, um diese Reagenzien unter umweltverträglichen Bedingungen einzusetzen, aber zweitens – und das möchte ich wirklich betonen – aktivieren wir diese metallorganischen Reagenzien, sei es lithiumorganisch, zink- oder magnesiumorganisch, damit sie noch besser funktionieren als bei Verwendung von Inertatmosphäre oder flüchtigen organischen Lösungsmitteln.

Katrina Krämer

Obwohl Chemiker immer noch mit t-BuLi und seinen Brüdern vorsichtig umgehen müssen, können tiefe eutektische Lösungsmittel ihnen helfen, die Kanonenkugelreaktivität von t-BuLi mit pfeilartiger Präzision zu steuern.

Ben Valsler

Das war Katrina Krämer, die mit Eva Hevia von der University of Strathclyde über Tert-Butyl Lithium oder T-BuLi sprach. Nächste Woche ist Brian Clegg mit einer Familie von Verbindungen zurück, die einige Anwendungen betreffen.

Brian Clegg

Sie sind bemerkenswert konstruktiv – selten direkt von Nutzen selbst, aber jeder ist ein wichtiger Beitrag von Bausteinen zu anderen Verbindungen. Leider können einige dieser Endprodukte in chemischen Waffen verwendet werden.

Ben Valsler

Komm nächste Woche zu Brian, um mehr zu erfahren. Bis dahin, Lassen Sie uns wissen, ob es etwas gibt, das wir abdecken sollen – E-Mail [email protected] oder twittern Sie @chemistryworld. Ich bin Ben Valsler, danke fürs Zuhören.