miniatura|Ampolles de vidre que contenen n-butil-liti En química organometàl·lica, un organolític és un compost químic covalent que conté enllaços carboni-liti (C-Li). Són reactius importants en la síntesi orgànica i s'utilitzen amb freqüència per transferir el grup orgànic o l'àtom de liti als substrats en passos sintètics, mitjançant addició nucleòfila o desprotonació simple. Els reactius organolítics s'utilitzen a la indústria com a iniciador per a la polimerització aniònica, que condueix a la producció de diversos elastòmers. També s'han aplicat en síntesi asimètrica en la indústria farmacèutica.
A causa de la gran diferència d'electronegativitat entre l'àtom de carboni i l'àtom de liti, l'enllaç C-Li és molt iònic. Com la naturalesa electropositiva del liti fa que la densitat de càrrega de l'enllaç estigui sobre l'àtom de carboni, es crea un carbanió. Aquesta naturalesa extremadament polar de l'enllaç C-Li fa que els reactius organolítics siguin bons nucleòfils i bases fortes. Per aquesta reactivitat són incompatibles amb aigua (H₂O) oxigen (O₂), i diòxid de carboni (CO₂) i han de ser manejats sota atmosfera protectora com nitrogen, o preferiblement argó.
Per a la síntesi orgànica de laboratori, molts reactius organolítics estan comercialment disponibles en forma de solució. Aquests reactius són altament reactius, i de vegades són pirofòrics.
Història i desenvolupament miniatura|75px|Agregat sec-butil-liti Els estudis dels reactius organolítics van començar els anys 1930 i van ser pioners Karl Ziegler, Georg Wittig i Henry Gilman. Aquests químics van trobar que, en comparació amb els reactius de Grignard, els reactius organolítics sovint poden fer les mateixes reaccions amb majors velocitats i majors rendiments, com en el cas de la metal·lació. Des d'aleshores, els reactius organolítics han superat els reactius de Grignard en ús.
La investigació en curs se centra en la naturalesa de l'enllaç carboni-liti, estudis estructurals d'agregats organolítics, reactius quirals organolítics i síntesi asimètrica, i el paper dels reactius organolítics en la preparació de noves espècies organometàl·liques.
Estructura miniatura|100px|Densitat electrònica deslocalitzada en reactius al·lil-lítics Encara que les espècies simples d'alquil-liti es representen sovint com un monòmer RLi, també existeixen com agregats (oligòmers) o polímers.
Les seves estructures depenen de la naturalesa del substituent orgànic i la presència d'altres lligands. Aquestes estructures han estat dilucidades per una varietat de mètodes, principalment l'espectroscòpia RMN ⁶Li, 7Li i 13C, i l'anàlisi de difracció de raigs X.
La química computacional admet aquestes tasques.
Naturalesa de l'enllaç carboni-liti Les relatives electronegativitats del carboni i el liti suggereixen que l'enllaç C-Li serà altament polar. Tanmateix, certs compostos organolítics tenen propietats com la solubilitat en dissolvents no polars que compliquen el problema. Encara que la majoria de dades suggereixen que l'enllaç C-Li és essencialment iònic, s'ha debatut si existeix un petit enllaç covalent en l'enllaç C-Li.
En els compostos al·lil-litics, el catió de liti es coordina amb la cara de l'enllaç π del carboni en una forma η-₃ en comptes d'un centre localitzat de carbanió, per tant, els al·lil-litics solen ser menys agregats que els alquil-lítics. En complexos aril-litics, el catió de liti es coordina amb un únic centre carbànic a través d'un enllaç Li-C tipus σ.
Estructures d'estat sòlid
miniatura|esquerra|Nuclis de tetràedre i octàedre de metall formats per l'agregació del triangle Li₃ - complex coordinat de carbanió.
Igual que altres espècies consistents en subunitats polars, les espècies organolítics s'agreguen. La formació d'agregats està influenciada per interaccions electroestàtiques, la coordinació entre el liti i les molècules solvents circumdants o els additius polars, i els efectes estèrics.
Un bloc bàsic per construir estructures més complexes és un centre de carbanió que interactua amb un triangle Li₃ en una forma η3. En simples reactius d'alquil-liti, aquests triangles s'agreguen per formar estructures de tetraedre o octaedre. Per exemple, el metil-liti (MeLi / CH₃Li), l'etil-liti (EtLi / C₂H₅Li) i el terc-butil-liti (t-BuLi / (CH₃)₃CLi) existeixen en el tetràmer [RLi]₄. En estat sòlid, el metil-liti existeix com a tetràmer en un clúster tipus cub, amb quatre centres de liti que formen un tetraedre. Cada metà que es troba en el tetràmer del metil-liti pot tenir una interacció agòstica amb cations de liti en tetràmers adjacents. L'etil-liti i el terc-butil-liti, d'altra banda, no presenten aquesta interacció i, per tant, són solubles en dissolvents d'hidrocarburs no polars. Una altra classe d'alquil-liti adopta estructures hexamèriques, com ara el n-butil-liti (n-BuLi / C₄H9Li), l'isopropil-liti (C₃H₇Li) i el ciclohexanil-liti.
miniatura|esquerra|Dímer de LDA amb THF coordinats amb cations de Li Amides de liti comunes, com per exemple la bis(trimetilsilil)amida de liti (hexametildisilazida de liti / LiHMDS / LiN(SiMe₃)₂) i la diisopropilamida de liti (LDA / [(CH₃)₂CH]₂NLi), també estan subjectes a l'agregació. Les amides de liti adopten estructures de tipus d'escala polimèrica en dissolvent no-coordinant en estat sòlid, i generalment existeixen com dímers en dissolvents etèrics. En presència de lligands fortament donants, es formen centres de trímers o tetràmers de liti. Per exemple, la LDA existeix principalment com a dímer amb el tetrahidrofurà (THF / (CH₂)₄O). Les estructures d'amides de liti comuns, com la diisopropilamida de liti (LDA) i l'hexametildisilazida de liti (LiHMDS), han estat àmpliament estudiades per Collum i companys de treball utilitzant espectroscòpia RMN.
Una altra classe important de reactius són els silil-liti, àmpliament utilitzats en la síntesi de complexos organometàlics i dendrímers de polisilans (Si-Si). En estat sòlid, en contrast amb els reactius alquil-liti, la majoria dels silil-liti tendeixen a formar estructures monomèriques coordinades amb molècules de dissolvents com el THF, i només uns pocs silil-liti s'han caracteritzat com a agregats més alts. Aquesta diferència pot sorgir a partir del mètode de preparació dels silil-liti, l'obstacle estèric causat pels substituents alquils voluminosos del silici i la naturalesa menys polaritzada dels enllaços Si-Li. L'addició de lligands fortament donants, com el TMEDA i (-)-esparteïna, pot desplaçar la coordinació de molècules de dissolvents en silil-liti.
Solució de l'estructura Confiar únicament en la informació estructural d'agregats organolítics obtinguts en estat sòlid a partir d'estructures de cristall té certs límits, ja que és possible que els reactius organolítics adoptin diferents estructures en reacció a l'entorn de la solució. A més, en alguns casos, l'estructura cristal·lina d'una espècie d'organolítics pot ser difícil d'aïllar. Per tant, estudiar les estructures dels reactius organolítics, i els intermedis que contenen liti en forma de solució, és summament útil per comprendre la reactivitat d'aquests reactius. L'espectroscòpia RMN ha sorgit com una poderosa eina per a l'estudi dels agregats organolítics en solució. Per a les espècies d'alquil-liti, l'acoblament J de C-Li es pot utilitzar sovint per determinar la quantitat de liti que interactua amb un centre de carbanió i si aquestes interaccions són estàtiques o dinàmiques. Els senyals de RMN separats també poden diferenciar la presència de múltiples agregats des d'una unitat monomèrica comuna.
Les estructures dels compostos organolítics es veuen afectades per la presència de bases de Lewis, com per exemple, el tetrahidrofurà (THF / (CH₂)₄O), el dietilèter (Et₂O / (C₂H₅)₂O), la tetrametiletilendiamina (TMEDA / (CH₃)₂NCH₂CH₂N(CH₃)₂) o l'hexametilfosforamida (HMPA / [(CH₃)₂N]₃PO). El metil-liti és un cas especial, en què la solució amb èter (R-O-R') o amb l'additiu polar HMPA no desagreguen l'estructura tetramèrica en estat sòlid. D'altra banda, el THF desagrega el butil-liti en hexàmer: el tetràmer és l'espècie més important, i ΔG per a la interconversió entre el tetràmer i el dímer és d'unes 11 kcal / mol. TMEDA també pot quelar als cations de liti en n-butil-liti i dímers solvats en forma de [(TMEDA) LiBu-n)]₂.S'ha demostrat que el fenil-liti ha existit com un tetràmer distorsionat en el solvat èter cristal·litzat, i com una barreja de dímer i tetràmer en solució éter.
+ Alguns agregats alquil-liti en dissolvents Solvent Estructura metil-liti THF tetràmer metil-liti èter/HMPA tetràmer n-butil-liti pentà hexàmer n-butil-liti èter tetràmer n-butil-liti THF tetràmer-dímer sec-butil-liti pentàhexàmer-tetràmer isopropil-liti pentà hexàmer-tetràmer terc-butil-liti pentà tetràmer terc-butil-liti THF monòmer fenil-liti ètertetràmer-dímer fenil-liti èter/HMPA dímer
Estructura i reactivitat A mesura que les estructures dels reactius organolítics canvien segons el seu entorn químic, també ho fan la seva reactivitat i selectivitat. Una pregunta sobre la relació estructura-reactivitat és si existeix una correlació entre el grau d'agregació i la reactivitat dels reactius organolítics. Es va proposar originalment que els agregats més baixos com els monòmers són més reactius en els alquil-liti. Tanmateix, també s'han descobert vies de reacció en què els dímers o altres oligòmers són espècies reactives, i per a les amides de liti com la LDA, les reaccions basades en dímers són comunes. Una sèrie d'estudis cinètics de solució de reaccions mitjanes de la LDA suggereixen que els agregats més baixos dels enolats no condueixen necessàriament a una major reactivitat. A més, algunes bases de Lewis incrementen la reactivitat dels compostos organolítics.
No obstant això, si aquests additius funcionen com a lligands quelants forts, i com l'augment observat de la reactivitat es relaciona amb els canvis estructurals dels agregats causats per aquests additius, no sempre són clars. Per exemple, la TMEDA augmenta la velocitat i l'eficiència en moltes reaccions que impliquen reactius organolítics. Pel que fa als reactius alquil-liti, la TMEDA funciona com a lligant donant, redueix el grau d'agregació i augmenta la nucleofilicitat d'aquestes espècies. Tanmateix, la TMEDA no sempre funciona com un lligant donant al catió de liti, especialment en la presència d'un centre d'oxigen i nitrogen aniònic. Per exemple, només interactua dèbilment amb la LDA i la LiHMDS fins i tot en dissolvents d'hidrocarburs sense lligands de donants competidors. En la litiació, mentre que el THF actua com un fort lligant de donació a la LiHMDS, la TMEDA feblement coordinadora es dissocia fàcilment des de la LiHMDS, donant lloc a la formació de dímers de LiHMDS que és l'espècie més reactiva. Per tant, en el cas de la LiHMDS, la TMEDA no augmenta la reactivitat reduint l'estat d'agregació. A més, a diferència dels compostos d'alquil-liti simples, la TMEDA no desagrega l'acetofenolat de liti en la solució de THF. L'addició d'HMPA a amides de liti, com la LiHMDS i la LDA, sovint dona lloc a una barreja d'agregats dímers / monòmers en THF. Tanmateix, la relació entre l'espècie dímer / monòmer no canvia amb una major concentració d'HMPA, per tant, l'augment observat de la reactivitat no és el resultat de la desagregació. El mecanisme de com aquests additius augmenten la reactivitat encara s'està investigant.
Reactivitat i aplicacions L'enllaç C-Li en els reactius organolítics està molt polaritzat. Com a resultat, el carboni atrau la major part de la densitat electrònica en l'enllaç i s'assembla a un carbanió. Així, els reactius organolítics són fortament bàsics i nucleofílics. Algunes de les aplicacions més comunes dels reactius organolítics en la síntesi inclouen el seu ús com nucleòfils, bases fortes de desprotonació, iniciador per polimerització i material de partida per a la preparació d'altres compostos organometàlics.
Reactius organolítics com nucleòfils Reaccions de carbolitiació