tert-Butyl lithium ou t-BuLi

Ben Valsler

Cette semaine, Katrina Krämer s’entretient avec un chercheur qui espère apprivoiser un réactif dangereux avec des solvants salés.

Katrina Krämer

Il y a des produits chimiques avec lesquels vous ne voulez vraiment pas jouer – le difluorure de dioxygène, par exemple, qui réagit violemment avec toutes sortes de composés même à -180 ° C; ou l’azoture de mercure, qui détonne non seulement à la moindre provocation, mais crache également des composés toxiques du mercure lorsqu’il explose. Heureusement, ce sont des curiosités chimiques, quelque chose que les chercheurs ont fait une fois mais qu’il est peu probable de refaire (pour une bonne raison). Cependant, d’autres composés dangereux sont tellement utiles que les chimistes ne peuvent pas garder les mains sur eux. L’un d’eux est le lithium tert-butyle, également appelé t-BuLi: un aliment de base pour les chimistes de synthèse qui a un côté plutôt pyrophorique.

En tant que chimiste organométallique du groupe principal, Eva Hevia de l’Université de Strathclyde a non seulement travaillé avec le t-BuLi, mais aussi avec de nombreux autres composés alkyl-lithium.

Eva Hevia

Les composés organolithiens sont largement utilisés dans le monde entier et ce n’est pas seulement dans le monde universitaire – en mai, dans des situations industrielles et commerciales, ces réactifs sont essentiels. Je crois que 90 à 95% des médicaments sont fabriqués par des sociétés pharmaceutiques, elles nécessitent, au moins dans une étape de leur synthèse, l’utilisation de ces réactifs. Les implications pour la société, et aussi pour l’économie, sont donc vastes.

Katrina Krämer

Ces composés restent populaires en partie en raison de la grande polarité de la liaison lithium-carbone, ce qui les rend extrêmement réactifs.

Eva Hevia

Mais bien sûr, la réactivité s’accompagne toujours d’un compromis. Le compromis ici est que ces réactifs souffrent parfois de faibles sélectivités; parfois ils limitent beaucoup le type de substrats avec lesquels ils peuvent être compatibles. Donc, pour essayer de surmonter ces limitations, dans de nombreux cas, vous devez utiliser ces réactifs à très basse température, avec des solvants relativement toxiques et vous devez toujours les utiliser en l’absence d’air ou d’humidité car ils se décomposent très rapidement. Et en fait, beaucoup d’entre eux sont pyrophoriques, vous devez donc faire très attention à la façon dont vous manipulez ces réactifs. Cela peut être particulièrement difficile lorsque nous examinons des réactions à plus grande échelle dans un scénario industriel.

Katrina Krämer

Le lithium est l’un de ces éléments qui veut vraiment se débarrasser d’un de ses électrons, qu’il pousse vers le carbone voisin. Mais ce qui rend vraiment t-BuLi réactif, par rapport à son cousin linéaire beaucoup plus amical, le lithium n-butyle, c’est que le carbone tertiaire n’aime pas traiter l’électron excédentaire du lithium. Être entouré de trois groupes méthyle qui donnent déjà légèrement des électrons plus l’électron supplémentaire signifie que le carbone central a beaucoup de charge négative localisée. Par conséquent, le t-BuLi est très basique et enlève les protons de tout ce qu’il peut atteindre: des composés organiques légèrement acides aux solvants courants comme le tétrahydrofurane ou l’éther diéthylique, et, bien sûr, l’eau.

Même de petites quantités d’eau (comme la vapeur d’eau dans l’air) et d’oxygène suffisent à produire une réaction violente. Au contact de l’air, t-BuLi éclate spontanément en flammes orange vif. Comme le t-BuLi réagit également avec la plupart des solvants, les entreprises chimiques le vendent sous forme de solution diluée dans de l’hexane ou du pentane non réactifs, qui sont également inflammables. Cela signifie que s’il y a un feu d’organolithium, il y a généralement une sorte de solvant inflammable dans le mélange.

Le cas tragique de Sheri Sangji, étudiante à l’UCLA, décédée en 2009 de brûlures majeures après une expérience impliquant de grandes quantités de t-BuLi a mal tourné, devrait rappeler à chaque chimiste que ce composé doit être traité avec respect. Les chercheurs travaillant avec t-BuLi doivent respecter des mesures de sécurité strictes: n’utiliser que de petites quantités et effectuer des réactions à l’exclusion de l’air et de l’humidité tout en portant des vêtements ininflammables et en ayant à la fois un compagnon de laboratoire concerné et une douche d’urgence à proximité sont les exigences minimales pour manipuler t-BuLi en toute sécurité.

Bien que les lithiums d’alkyle soient des réactifs puissants, ils sont également sujets à des réactions secondaires, formant des sous-produits inutiles. Ceci, en plus des problèmes de sécurité, explique pourquoi les chimistes effectuent généralement des réactions à -78 ° C et maintiennent une atmosphère de gaz inerte dans les récipients de réaction pour empêcher l’air et l’humidité.

Eva Hevia

Et je suppose que le défi ultime dans ce type de chimie est de savoir comment nous pouvons les utiliser dans une atmosphère normale, sans la présence d’argon ou d’azote gazeux – sous l’air – et comment nous pouvons rendre ces réactifs compatibles avec des solvants respectueux de l’environnement. Et ce que nous avons constaté, c’est que si nous utilisons des solvants eutectiques profonds comme milieu alternatif – et un solvant eutectique profond est un nouveau type de solvant, lié aux liquides ioniques, qui sont respectueux de l’environnement, composés de composants biodégradables et biorenouvelables – si nous utilisons ce type de solvants, nous pouvons activer les solvants organolithiens de telle sorte que les réactions se produisent extrêmement rapidement à température ambiante. Parce qu’elles sont très rapides, vous n’avez pas besoin d’utiliser une atmosphère inerte, et vous pouvez rendre ces réactions compatibles avec l’eau ou l’humidité.

Katrina Krämer

Les solvants eutectiques profonds sont des mélanges de différents sels liquides à température ambiante. Alors que la plupart des composés ioniques ont un point de fusion très élevé (le chlorure de sodium, par exemple, entre à un peu plus de 800 degrés), mélanger les bons sels dans les bonnes quantités donne un eutectique – un mélange qui fond à une température beaucoup plus basse que ses composants individuels. Ces solvants plutôt inhabituels sont non toxiques et assez bon marché – l’un des composés utilisés par l’équipe de Hevia est le chlorure de choline, un additif pour l’alimentation du poulet.

Dans les solvants eutectiques profonds, les réactions d’organolithium sont beaucoup plus rapides que dans tout autre solvant. Cela suggère que les composés alkyl-lithium déjà très réactifs deviennent plus réactifs dans le mélange de solvants salés, ce qui semble contre-intuitif. Comment se fait-il que l’équipe d’Hevia n’ait pas eu besoin de contrôler la réaction en la refroidissant ou en la conduisant sous atmosphère inerte?

Eva Hevia

Lorsque vous travaillez dans ces systèmes, le principal ennemi de vos réactions est l’hydrolyse ou la décomposition de votre réactif organométallique. Nous l’activons donc de manière à pouvoir surmonter cette voie de décomposition. En même temps, nous ajustons leur sélectivité, nous constatons donc dans le type de réactions que nous examinons que nous obtenons de meilleures sélectivités que lorsque nous utilisons des solvants conventionnels.

Katrina Krämer

Parce qu’ils sont composés d’ions, les solvants eutectiques profonds sont très bons pour stabiliser les molécules chargées ou hautement polaires; mais la façon exacte dont ils fonctionnent leur magie n’est pas encore claire. Hevia pense que les solvants salés pourraient également apprivoiser d’autres réactifs organométalliques plus vifs.

Eva Hevia

Certains de nos travaux initiaux ont montré que nous pouvons utiliser des réactifs de Grignard qui sont également très fondamentaux et très importants en synthèse. Et certains des travaux actuellement en cours dans nos groupes de recherche montrent que ces solvants offrent également un grand potentiel pour les réactifs organo-zinc qui sont à nouveau largement utilisés dans de nombreux processus de formation de liaisons carbone-carbone, et ils sont également très réactifs en présence d’air et d’humidité. Je pense donc qu’il y a deux façons de regarder ce travail: premièrement, nous développons de nouvelles méthodes pour utiliser ces réactifs dans des conditions respectueuses de l’environnement, mais deuxièmement – et c’est quelque chose que je tiens vraiment à souligner – nous activons ces réactifs organométalliques, qu’il s’agisse d’organo-lithiium, de zinc ou de magnésium, pour les rendre encore meilleurs que lorsque nous utilisons des conditions d’atmosphère inerte ou des solvants organiques volatils.

Katrina Krämer

Bien que les chimistes devront toujours manipuler t-BuLi et ses frères avec soin, les solvants eutectiques profonds peuvent les aider à guider la réactivité du boulet de canon de t-BuLi avec plus de précision en forme de flèche.

Ben Valsler

C’était Katrina Krämer, parlant avec Eva Hevia de l’Université de Strathclyde au sujet du lithium tert-butyle ou t-BuLi. La semaine prochaine, Brian Clegg est de retour avec une famille de composés avec des utilisations préoccupantes.

Brian Clegg

Ils sont remarquablement constructifs – rarement directement utilisés eux-mêmes, mais chacun est un contributeur important de blocs de construction pour d’autres composés. Malheureusement, certains de ces produits finis peuvent être utilisés dans des armes chimiques.

Ben Valsler

Rejoignez Brian la semaine prochaine pour en savoir plus. D’ici là, faites-nous savoir s’il y a quelque chose que vous souhaitez que nous couvrions – email [email protected] ou tweetez @chemistryworld. Je suis Ben Valsler, merci d’avoir écouté.