Литийорганические соединения
Общие сведения
Литийорганические соединения представляют собой важнейший класс металлоорганических соединений, в молекулах которых атом углерода непосредственно связан с атомом лития. Наряду с реактивами Гриньяра (магнийорганическими соединениями), они выступают одними из наиболее востребованных реагентов в современном органическом синтезе. В химических реакциях литийорганические соединения служат мощнейшим источником карбанионов. Специфика их химического поведения и уникальная реакционная способность фундаментально определяются высокой полярностью связи между углеродом и литием. В химической литературе понятия литийорганического соединения и соответствующего ему карбаниона часто отождествляются, так как именно карбанионный центр определяет направление большинства превращений.
Классификация
Структурная химия литийорганических соединений отличается исключительным разнообразием. Несмотря на значительную полярность связи, далеко не все представители этого класса обладают свойствами типичных солей. Многие литийорганические соединения являются низкоплавкими веществами и демонстрируют свойства, нехарактерные для ионных кристаллов. Исключение составляют литиевые производные сильных CH-кислот, такие как енолят-ионы, которые имеют выраженную ионную природу и в растворах способны диссоциировать на катион лития и органический анион.
Пространственная конфигурация полилитированных соединений зачастую весьма необычна. Например, трилитиометан обладает плоской тетраэдрической конфигурацией, а 1,1-дилитиоэтилен — квазитетраэдрической.
Важнейшей классификационной и структурной особенностью литийорганических соединений является их склонность к ассоциации. В растворах углеводородов алкиллитиевые соединения существуют в виде сложных агрегатов — гексамеров, пентамеров или тетрамеров, принимая формы кубов или октаэдров. В твердом состоянии или в полимерных растворах могут образовываться слоистые структуры, где слои катионов металла чередуются со слоями гибридизованных карбанионов. Степень ассоциации напрямую влияет на реакционную способность: чем она ниже, тем активнее реагент. Введение электронодонорных растворителей (которые координируются с атомом лития) или бидентатных лигандов, таких как тетраметилэтилендиамин (ТМЕДА) или диазабициклооктан (ДАБЦО), приводит к деполимеризации агрегатов, резкому возрастанию карбанионного характера связи и существенному повышению реакционной способности.
Отдельную группу образуют смешанные литий-медные органические соединения — диалкилкупраты лития (реактивы Гилмана), структура и свойства которых позволяют проводить высокоселективные реакции кросс-сочетания.
Способы получения
Методология синтеза литийорганических соединений включает несколько основных препаративных подходов. Классическим методом является прямое взаимодействие алкил- или арилгалогенидов с металлическим литием в среде алканов или простых эфиров. Механизм данного процесса аналогичен образованию реактивов Гриньяра и включает стадию одноэлектронного переноса от металла к галогенопроизводному. В качестве субстратов преимущественно используют хлориды и бромиды. Применение иодидов нецелесообразно, так как они вступают в побочную реакцию Вюрца с образованием продуктов сочетания радикалов. Для успешного инициирования реакции металлический литий должен содержать следовые количества натрия, а при синтезе бутиллития поверхность металла рекомендуют активировать медным порошком.
Синтез бензиллития и аллиллития прямым взаимодействием галогенидов с металлом невозможен из-за доминирования реакции Вюрца. Данные соединения получают путем расщепления соответствующих алкиловых, фениловых или мезитиловых эфиров металлическим литием.
Метод галоген-металлического обмена является одним из наиболее универсальных путей получения литийорганики. Это обратимая реакция, которая легче всего протекает с иодидами и бромидами, значительно труднее — с хлоридами, и совершенно не идет с фторидами. Для подавления конкурирующих процессов (алкилирования, альфа- и бета-элиминирования) реакцию проводят при экстремально низких температурах (до минус 100 градусов Цельсия), что обеспечивает высокий выход (до 95-97 процентов) целевого продукта.
Реакция металлирования представляет собой кислотно-основное взаимодействие, в котором исходное органическое соединение выступает в роли кислоты, а литийорганический реагент — в роли сильного основания. Таким путем металлируют арены, олефины и другие CH-кислоты. Направление металлирования в ароматических системах зависит от природы заместителей: электроотрицательные группы (например, галогены) направляют литий в орто-положение, что обусловлено как полярным эффектом, так и координацией атома лития с гетероатомом. Заместители с сильным отрицательным мезомерным эффектом (например, цианогруппы) радикально повышают кислотность связи углерод-водород, облегчая альфа-металлирование. Для субстратов, чувствительных к нуклеофильной атаке (содержащих карбонильные или нитрильные группы), применяют пространственно затрудненные и малонуклеофильные основания, такие как трифенилметиллитий или амиды лития.
Трансметаллирование — еще один препаративный метод, заключающийся в вытеснении менее активного металла из его органического соединения. Литий легко вытесняет ртуть, бор, кремний, свинец, сурьму и селен. Например, реакция дибензилртути с литием количественно дает бензиллитий и металлическую ртуть.
Свойства
Литийорганические соединения обладают колоссальной химической активностью, являясь одновременно сильными основаниями и мощными нуклеофилами. Они крайне чувствительны к кислороду воздуха и влаге, поэтому все манипуляции с ними проводят в атмосфере инертного газа (аргона). При контакте с кислородом они мгновенно окисляются с образованием гидропероксидов, которые далее могут быть восстановлены до спиртов действием сульфита натрия.
Реакции нуклеофильного замещения (протодеметаллирование) позволяют получать разнообразные углеводороды, в том числе дейтерированные аналоги. Простые винил- и арилгалогениды реагируют с алкиллитиевыми реагентами только в присутствии катализаторов (комплексов никеля, палладия или меди). Важным промышленным примером является реакция метиллития с иодбензолом, приводящая к образованию толуола через промежуточное образование дегидробензола. Литийорганические соединения легко расщепляют напряженные кислородсодержащие гетероциклы: оксираны, оксетаны, а также тетрагидрофуран.
В реакциях силилирования (например, с триметилхлорсиланом) литийорганические соединения количественно образуют кремнийорганические производные. Механизм процесса включает перенос электрона с образованием радикалов. Арилирование алкилнитратов ариллитиевыми реагентами служит удобным методом синтеза ароматических нитросоединений.
Реакции присоединения по кратным связям исключительно многообразны. К неактивированным изолированным алкенам литийорганика присоединяется только в присутствии активирующих лигандов (ТМЕДА). Однако присоединение к сопряженным диенам и стиролу протекает легко и ведет к инициированию анионной полимеризации.
Присоединение по кратным связям углерод-азот позволяет получать кетоны и амины (из нитрилов и пиридинов). Взаимодействие с карбонильными соединениями (альдегидами и кетонами) приводит к образованию первичных (при использовании формальдегида), вторичных и третичных спиртов. Ацилирование хлорангидридами кислот часто осложняется вторичным присоединением реагента к образующемуся кетону, поэтому для селективного синтеза кетонов используют реакцию с карбоксилатами лития. Присоединение к диоксиду углерода дает карбоновые кислоты, а к монооксиду углерода — кетоны. Тиокарбонильные соединения атакуются литийорганическим реагентом не по атому углерода, а по атому серы.
Применение
Литийорганические соединения являются незаменимым инструментом в арсенале химика-синтетика. Они масштабно применяются в нефтехимической промышленности и химии полимеров. Инициируемая ими полимеризация сопряженных диенов приводит к образованию так называемых «живущих полимеров», на концах цепей которых сохраняются активные карбанионные центры с атомами лития. Это позволяет создавать блок-сополимеры строго заданного строения путем последовательного добавления различных мономеров, после чего процесс останавливают добавлением воды (дезактивацией).
Особое и важнейшее препаративное значение имеют диалкилкупраты лития, получаемые in situ реакцией литийорганического соединения с галогенидами меди. Купраты стабильны в растворах при низких температурах. В отличие от чистых литийорганических соединений или реактивов Гриньяра, они обеспечивают исключительно высокие выходы в реакциях кросс-сочетания с образованием несимметричных углеводородов и минимизируют побочные процессы.
Купраты широко применяются для синтеза биологически активных природных соединений. Классическим примером является синтез мускалюра (полового феромона насекомых, используемого для экологичного контроля популяций вредителей), ключевой стадией которого является сочетание Z-1-бром-9-октадецена с дипентилкупратом лития.
Диалкилкупраты лития эффективно реагируют с ацилгалогенидами, давая несимметричные кетоны (с выходами 85-95 процентов), при этом они не затрагивают другие чувствительные функциональные группы (сложноэфирные, нитрильные, карбонильные), что позволяет синтезировать полифункциональные молекулы (кетокислоты, дикетоны). Реакция с арилбромидами и арилиодидами позволяет селективно вводить алкильные радикалы в ароматическое кольцо. Кроме того, к альфа,бета-ненасыщенным карбонильным соединениям купраты присоединяются строго в положения 1,4 (по сопряженной двойной связи), тогда как чистые литийорганические соединения и реактивы Гриньяра склонны к 1,2-присоединению (непосредственно по карбонильной группе), что делает их взаимно дополняющими реагентами в направленном органическом синтезе.