ブチルリチウム溶液 (n-BuLi), 分子式 C4H9Li で、分子量が 64.05 であるため、有機合成において重要な役割を果たす広く利用される有機リチウム試劑です。ブチルリチウム反応メカニズムを理解することは、化學合成における応用と作用方式にとって重要です。

ブチルリチウムは有機化學において強力な塩基として機能し、核親和性も高いため、強力な核親和體です。それは反応性の高い有機リチウム化合物の形成を促進し、さまざまな反応で重要な役割を果たします。これらの有機リチウム化合物はその後、炭素-炭素結合形成、去プロトン化、複雑な分子構築に不可欠な他の変換に參加します。

ブチルリチウム溶液 反応メカニズム:

ブチルリチウム溶液の反応はどのようなものですか？ブチルリチウム溶液は、強力な塩基（pKb ≈ -36）としてだけでなく、核親和體や還元剤としても機能するため、関與する特定の反応物質に応じて異なる役割を果たします。核親和體としての役割に加えて、n-BuLi はエーテルや第三級亜胺などの非プロトンLewis塩基との複合體を形成し、リチウム中心に結合することでこれらのクラスターを部分的に分解します。その強力な核親和體としての使用は「金屬化」と呼ばれます。通常、これらの反応は四ヒドロフルラン (THF) とジエチルエーテルで行われます。これらは生成される有機リチウム誘導體の優れた溶媒です。

(1) 金屬化:

n-BuLi の最も有用な化學的性質の一つは、C-H バンドの各種を去プロトン化（金屬化）できることで、特に電子分散によって共軛基が安定化された場合です。例えば、アクリル酸、メチル硫黃化物（H-CH2SR）、硫黃アセタール（H-CH(SR)2）、フィルムメチル（H-CH2PR2）、フURAン、チオフェン、フェロセレン（Fe(H-C5H4)(C5H5)）などが挙げられます。また、アルコール、アミン、エンオリジネル化可能のカルボキシル化合物、その他の特に酸性の物質にも去プロトン化し、リチウムアルコキシド、アミド、エンオリジネル塩を形成します。

LiC4H9 + RH → C4H10 + RLi

ブチルリチウム溶液の動力學的な塩基性は、溶媒またはコソルベントによって影響されます。テトラヒドロフルラン（THF）、テトラメチルエチレンジアミン（TMEDA）、ヘキサメチル fosforamide（HMPA）、1,4-ジアザバイシコ[2.2.2]オクターン（DABCO）などの配位體は、Li-C バンドをさらに極化し、金屬化を加速させます。

n-BuLi を塩基として使用する例として、アミンとメチルカarbonateへの追加があり、ここで n-BuLi を使用してアミンを去プロトン化します:

n-BuLi + R2NH + (MeO)2CO → R2NCO2Me + LiOMe + BuH

(2) ハロゲン-リチウム交換:

ブチルリチウム溶液は、いくつかの有機溴化物やイオド化物と反応し、対応する有機リチウム誘導體を形成する交換反応を起こします。これは一般的には有機塩化物やフッ化物には適用されません:

C4H9Li + RX → C4H9X + RLi （X = Br, I）

このリチウム-ハロゲン交換反応は、アリルリチウムや一部のビニルリチウム試劑を含むさまざまな種類の RLi 化合物の準備に使用されますが、反応混合物に存在する n-BuBr または n-BuI は、形成的された RLi 試劑との競合的な脫水素ハロゲネーション反応に反応するため、実用性に制限されます。ここで n-BuLi は塩基として作用します。

(3) 金屬交換反応:

金屬交換反応では、二つの有機金屬化合物間で金屬が交換されます。このような反応の多くの例には、リチウム-スズ交換が含まれます:

C4H9Li + Me3SnAr → C4H9SnMe3 + LiAr

(4) カーボニル追加:

有機リチウム試劑（n-BuLi を含む）は、特定のアルデヒドやケ?の合成に使用されます。その合成経路の1つは、有機リチウム試劑との二アルコキシアミドの反応です:

(5) THF分解:

THFはn-BuLiの存在下で特にTMEDAの存在下で脫プロトン化を受け、酸素に隣接するプロトンを失います。この過程はn-BuLiを消費し、ブタンを生成し、環の開裂を開始し、アルデヒドとアルケンのエノラート塩を形成します。そのため、THF中でのn-BuLiの反応は通常、乾氷とアセトンの冷卻浴による低溫（-78°Cなど）で行われます。より高い溫度（-25°Cから-15°C）も使用可能です。

(6) 熱分解:

加熱すると、n-BuLiは他のβ-水素を持つアルキルリチウム試薬と同様に、β-ハイドライド脫離を起こし、1-ブテンとリチウムヒドリド（LiH）を生成します:

ベンゼンとのN-ブチルリチウム反応：

アルキルリチウムといった強い塩基を用いたベンゼンへの官能基の付加試みは、通常、熱力學的ではなく運動學的な理由で効果がありません。ただし、ベンゼン環がすでに有機金屬の金屬と配位可能な基を含んでいる場合、強い塩基は環の脫プロトン化を誘導し、金屬原子との配位によってオルト位置で重要です。

N-ブチルリチウムの取り扱いに関する安全上の考慮：

(1) N-ブチルリチウムは引火性の試薬であり、空気に觸れると発火する恐れがあります。乾燥した狀態で厳密に取り扱われる必要があります。通常、N-ブチルリチウムの溶液は、窒素またはアルゴンなどの不活性ガス下でシリンジやカニューラ技術を使用して、炎乾燥した反応容器に移されます。

(2) N-ブチルリチウムの溶液が原狀から空気にさらされるのを防ぐために、再生ガスと置き換えられます。アルキルリチウム化合物を含む反応では無水溶媒も使用され、試薬の水分による劣化を最小限に抑えます。

(3) N-ブチルリチウムの準備や保管中に空気や濕気にさらされることで濃度が低下し、反応で使用される量が正確でなくなる可能性があります。部分的に劣化したN-ブチルリチウムの溶液を使用すると、収率が低下し、副産物の生成が増加し、より複雑で時間のかかる精製が必要となり、合成失敗の原因となる可能性があります。

(4) N-ブチルリチウムの包裝は、材料を輸送中に保護し、再利用のためにできるだけ乾燥した狀態で保持するために十分に強固でなければなりません。

結論

N-ブチルリチウム反応機構の理解は有機合成にとって極めて重要です。詳細な手順を理解することで、化學者は反応條件を最適化し、生成物の結果を予測し、新しい合成戦略を開発することができます。この知識は、有機リチウム中間體の反応性をより細かく制御し、望ましい有機分子のより効率的で選択的な合成を促進します。

參考

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/N-Butyllithium#Reactions 

[2] https://www.commonorganicchemistry.com/Common_Reagents/n-Butyl_Lithium/n-Butyl_Lithium.htm 

[3] https://www.uwindsor.ca/people/jgreen/sites/uwindsor.ca.people.jgreen/files/directed_metallation.pdf 

[4] https://macmillan.princeton.edu/ 

[5] https://www.fishersci.com/us/en/scientific-products/publications/lab-reporter/2019/issue-2/protecting-n-butyllithium-air-moisture.html