tert-Butil litio o t-BuLi

Ben Valsler

Esta semana, Katrina Krämer habla con un investigador que espera domesticar un reactivo peligroso con disolventes salados.

Katrina Krämer

Hay algunos productos químicos con los que realmente no quieres meterte: difluoruro de dioxígeno, por ejemplo, que reacciona violentamente con todo tipo de compuestos incluso a -180°C; o azida de mercurio, que no solo detona a la menor provocación, sino que también vomita compuestos de mercurio tóxicos cuando explota. Afortunadamente, estas son curiosidades químicas, algo que los investigadores hicieron una vez pero es poco probable que vuelvan a hacer (por una buena razón). Sin embargo, otros compuestos peligrosos son tan útiles que los químicos no pueden quitarles las manos de encima. Uno de ellos es el terc-butil litio, también llamado t-BuLi: un elemento básico para químicos sintéticos que tiene un lado bastante pirofórico.

Como química organometálica del grupo principal, Eva Hevia de la Universidad de Strathclyde no solo ha trabajado con t-BuLi, sino también con muchos otros compuestos de alquilo litio.

Eva Hevia

Los compuestos de organolitio se utilizan ampliamente en todo el mundo y no solo en el mundo académico, sino que en situaciones industriales y comerciales de mayo estos reactivos son esenciales. Creo que entre el 90% y el 95% de los medicamentos fabricados por compañías farmacéuticas requieren, al menos en un paso de su síntesis, el uso de estos reactivos. Por lo tanto, las implicaciones para la sociedad, y también para la economía, son vastas.

Katrina Krämer

Estos compuestos siguen siendo populares en parte debido a la gran polaridad a través del enlace litio-carbono, lo que los hace extremadamente reactivos.

Eva Hevia

Pero, por supuesto, la reactividad siempre viene con un compromiso. El compromiso aquí es que estos reactivos a veces sufren de bajas selectividades; a veces limitan mucho el tipo de sustratos con los que pueden ser compatibles. Así que para intentar superar estas limitaciones, en muchos casos hay que utilizar estos reactivos a temperaturas muy bajas, con disolventes relativamente tóxicos y siempre hay que usarlos en ausencia de aire o humedad porque se descomponen muy rápidamente. Y de hecho, muchos de ellos son pirofóricos, por lo que hay que tener mucho cuidado en cómo se manipulan estos reactivos. Esto puede ser particularmente difícil cuando analizamos reacciones a mayor escala en un escenario industrial.

Katrina Krämer

El litio es uno de esos elementos que realmente quiere deshacerse de uno de sus electrones, que empuja hacia el carbono vecino. Pero lo que realmente hace que el t-BuLi sea reactivo, en comparación con su primo lineal mucho más amigable, el n-butil litio, es que el carbono terciario no disfruta lidiar con el electrón excedente de litio. Estar rodeado por tres grupos metilo que ya están donando ligeramente electrones más el electrón adicional significa que el carbono central tiene mucha carga negativa localizada. En consecuencia, el t-BuLi es muy básico y extrae protones de todo lo que puede alcanzar: desde compuestos orgánicos ligeramente ácidos hasta solventes comunes como el tetrahidrofurano o el éter dietílico, y, por supuesto, agua.

Incluso pequeñas cantidades de agua (como vapor de agua en el aire) y oxígeno son suficientes para producir una reacción violenta. Al entrar en contacto con el aire, t-BuLi explota espontáneamente en llamas de color naranja brillante. Dado que el t-BuLi también reacciona con la mayoría de los disolventes, las empresas químicas lo venden como una solución diluida en hexano o pentano no reactivo, ambos también inflamables. Esto significa que si hay un incendio de organolitio, generalmente también hay algún tipo de solvente inflamable en la mezcla.

El trágico caso de la estudiante de UCLA Sheri Sangji, que murió en 2009 de quemaduras graves después de que un experimento con grandes cantidades de t-BuLi saliera mal, debería recordarle a todos los químicos que este compuesto debe tratarse con respeto. Los investigadores que trabajan con t-BuLi deben cumplir con estrictas medidas de seguridad: usar solo pequeñas cantidades y llevar a cabo reacciones con exclusión del aire y la humedad mientras usan ropa no inflamable y tener un compañero de laboratorio preocupado y una ducha de emergencia cerca son los requisitos mínimos para manejar t-BuLi de forma segura.

Si bien los alquílicos son reactivos potentes, también son propensos a reacciones secundarias, formando subproductos inútiles. Esto, además de las preocupaciones de seguridad, es por lo que los químicos generalmente realizan reacciones a -78°C y mantienen una atmósfera de gas inerte dentro de los recipientes de reacción para mantener el aire y la humedad fuera.

Eva Hevia

Y supongo que el desafío final en este tipo de química es cómo podemos usarlos en una atmósfera normal, sin la presencia de gas argón o nitrógeno – bajo el aire-y cómo podemos hacer que estos reactivos sean compatibles con disolventes que son benignos para el medio ambiente. Y lo que hemos encontrado es que si utilizamos disolventes eutécticos profundos como medio alternativo – y un disolvente eutéctico profundo es un nuevo tipo de solvente, relacionado con líquidos iónicos, que son ambientalmente benignos, compuestos de componentes biodegradables y biorrenovables – si usamos este tipo de solventes podemos activar disolventes organolitio de tal manera que las reacciones ocurren extremadamente rápidamente a temperatura ambiente. Debido a que son muy rápidas, no es necesario usar una atmósfera inerte, y puede hacer que estas reacciones sean compatibles con el agua o la humedad.

Katrina Krämer

Los disolventes eutécticos profundos son mezclas de diferentes sales que son líquidas a temperatura ambiente. Mientras que la mayoría de los compuestos iónicos tienen un punto de fusión muy alto (el cloruro de sodio, por ejemplo, alcanza los 800 grados), mezclar las sales correctas en las cantidades correctas produce una eutéctica, una mezcla que se funde a una temperatura mucho más baja que sus componentes individuales. Estos solventes bastante inusuales no son tóxicos y son bastante baratos: uno de los compuestos que utiliza el equipo de Hevia es el cloruro de colina, un aditivo para piensos para pollos.

En disolventes eutécticos profundos, las reacciones de organolitio son mucho más rápidas que en cualquier otro disolvente. Esto sugeriría que los compuestos de alquilo-litio ya altamente reactivos se están volviendo más reactivos en la mezcla de solventes salados, lo que parece contradictorio. ¿Cómo es que el equipo de Hevia no tuvo necesidad de controlar la reacción enfriándola o conduciéndola bajo atmósfera inerte?

Eva Hevia

Cuando trabajas en estos sistemas, el principal enemigo de tus reacciones es la hidrólisis o descomposición de tu reactivo organometálico. Así que lo activamos de manera que podamos superar esta vía de descomposición. Al mismo tiempo, ajustamos su selectividad, por lo que estamos encontrando en el tipo de reacciones que estamos viendo que estamos obteniendo mejores selectividades que cuando usamos solventes convencionales.

Katrina Krämer

Debido a que están compuestos de iones, los disolventes eutécticos profundos son muy buenos para estabilizar moléculas cargadas o altamente polares; pero su magia aún no está clara. Hevia piensa que los solventes salados también podrían domar a otros reactivos organometálicos más enérgicos.

Eva Hevia

Algunos de nuestros trabajos iniciales han demostrado que podemos usar reactivos Grignard que también son muy fundamentales e importantes en la síntesis. Y parte del trabajo que se está llevando a cabo actualmente en nuestros grupos de investigación muestra que estos solventes también ofrecen un gran potencial para reactivos organo-zinc que, de nuevo, se emplean ampliamente en muchos procesos de formación de enlaces carbono-carbono, y también son muy reactivos en presencia de aire y humedad. Así que creo que hay dos maneras de ver este trabajo: en primer lugar, estamos desarrollando nuevos métodos para utilizar estos reactivos en condiciones benignas para el medio ambiente, pero en segundo lugar – y esto es algo que realmente quiero destacar – estamos activando estos reactivos organometálicos, ya se trate de organolitio, zinc o magnesio, para que funcionen incluso mejor que cuando utilizamos condiciones atmosféricas inertes o disolventes orgánicos volátiles.

Katrina Krämer

Aunque los químicos todavía tendrán que manejar t-BuLi y sus hermanos con cuidado, los disolventes eutécticos profundos pueden ayudarlos a guiar la reactividad de la bala de cañón de t-BuLi con más precisión en forma de flecha.

Ben Valsler

Esa era Katrina Krämer, hablando con Eva Hevia de la Universidad de Strathclyde sobre tert-butil litio o t-BuLi. La próxima semana, Brian Clegg regresa con una familia de compuestos con algunos usos preocupantes.

Brian Clegg

Son notablemente constructivos, rara vez directamente de uso, pero cada uno es un contribuyente importante de bloques de construcción de otros compuestos. Sin embargo, lamentablemente, algunos de esos productos finales pueden utilizarse en armas químicas.

Ben Valsler

Únete a Brian la próxima semana para obtener más información. Hasta entonces, háganos saber si hay algo que desea que cubramos: correo electrónico [email protected] o tuitea @chemistryworld. Soy Ben Valsler, gracias por escuchar.