Organolithné sloučeniny jsou skupinou organokovových sloučenin, které mají v molekule jeden či více atomů lithia vázaných na uhlíkové atomy. Jsou významnými reaktanty v organické syntéze; často se používají k přenosu organické skupiny nebo atomu lithia na substráty deprotonací nebo nukleofilní adicí. V průmyslu se používají na zahájení aniontové adiční polymerizace, při níž se vyrábějí různé elastomery. Organolithné sloučeniny rovněž nacházejí využití při asymetrické syntéze při výrobě léčiv.
Vzhledem k velkému rozdílu elektronegativity mezi atomy uhlíku a lithia má vazba C-Li iontový charakter. Díky tomu jsou organolithná činidla dobrými nukleofily a silnými zásadami. Pro laboratorní použití je komerčně dostupných mnoho takovýchto látek ve formě roztoků.
Organolithné sloučeniny jsou velmi reaktivní a někdy i samozápalné.
náhled|vpravo|Skleněné lahve s butyllithiem
Historie a vývoj Organolithné sloučeniny začali v roce 1930 studovat Karl Ziegler, Georg Wittig a Henry Gilman. Zjistili, že použití organolithných sloučenin často vede k vyšším rychlostem i výtěžnostem reakcí než použití Grignardových činidel. Od této doby organolithné sloučeniny v mnoha případech nahradily Grignardova činidla. Následující výzkum byl zaměřen na povahu vazby uhlík-lithium, strukturní studium organolithných komplexů, chirální organolithná činidla a asymetrickou syntézu.
Struktura I když se jednoduché alkyllithné sloučeniny obvykle popisují jako monomery RLi, tak existují jako shluky (oligomery) nebo polymery. Míra shlukování záleží na organickém substituentu a na přítomnosti dalších ligandů. Tyto struktury byly zjištěny mnoha metodami, mezi něž patří 6Li, 7Li a 13C NMR spektroskopie a rentgenová difrakční analýza a následně potvrzeny metodami výpočetní chemie.
Vazba uhlík-lithium náhled|vpravo|150x100px|Delokalizace elektronové hustoty u allyllithných sloučenin
Na základě vysokého rozdílu elektronegativity mezi uhlíkem a lithiem lze očekávat značnou polaritu této vazby; některé organolithné sloučeniny ovšem vykazují vlastnosti nepolárních látek jako je například rozpustnost v nepolárních rozpouštědlech. I když z většiny dat vyplývá iontová povaha vazby C-Li, uvažuje se o tom, že by mohla mít slabě kovalentní charakter.
Struktura v pevném skupenství náhled|270px|vlevo|Čtyřtstěnná a osmistěnná kovová jádra vytvářená shlukováním Li3 trojúhelník - karbanion koordinovaných komplexů
Organolithné sloučeniny, podobně jako jiné látky s polárními podjednotkami, vytvářejí shluky. Tvorba těchto shluků je ovlivňována elektrostatickými interakcemi, koordinací mezi lithiem a okolními molekulami rozpouštědla a sterickými efekty.
Základní stavební jednotkou při utváření složitějších struktur představuje karbaniontové centrum interagující s Li3 trojúhelníkem.
náhled|250px|vlevo|Dimer LDA s THF koordinovaný na kationty Li
Běžné amidy lithia, například bis(trimethylsilyl)amid lithný a diisopropylamid lithný, také podléhají shlukování. Amidy lithia zaujímají v nekoordinačních rozpouštědlech v pevném skupenství polymerní žebříkovitou strukturu a v etherových rozpouštědlech se vyskytují jako dimery. Za přítomnosti silně donujících ligandů se vytvářejí tri- nebo tetramerní lithiová centra.; například LDA ( diisopropylamid lithný) se v THF vyskytuje převážně v dimerní formě. Struktura běžnějších amidů lithia, například LDA a hexamethyldisilazidu lithného (LiHMDS) byla podrobně zkoumána pomocí NMR spektroskopie. Další významnou skupinou organolithných sloučenin jsou silyllithné sloučeniny, často využívané při syntézách organokovových komplexů a polysilanových dendrimerů. Na rozdíl od alkyllithných sloučenin většina silyllithných činidel v pevném skupenství monomerní struktury koordinované s molekulami rozpouštědla, například THF, a jen u několika málo silyllithných sloučenin byly popsány vícenásobné shluky. Tento rozdíl může být způsoben způsobem přípravy, sterickými jevy způsobenými velkými alkylovými substituenty na křemíkovém atomu, a také menší polaritou vazby Si-Li. Koordinované molekuly rozpouštědla lze odstranit přidáním silně donujících činidel, jako jsou TMEDA a (−)-spartein.
Struktura v roztocích Při určování struktury v roztocích nelze zcela spoléhat na strukturní informace o organolithných shlucích v pevném skupenství získané u jejich krystalové struktury, jelikož mohou tyto látky v roztocích zaujímat odlišné struktury. V některých případech může být navíc obtížné získat je v krystalické podobě. Studium struktury roztoků organolithných činidel a meziproduktů obsahujících lithium je však značně užitečné k pochopení jejich reaktivity. Velmi užitečnou metodou pro studium struktury organolithných shluků v roztocích je NMR spektroskopie. U alkyllithných sloučenin lze k určení počtu atomů lithia interagujících s karbaniontovými centry, a zda jsou tyto interakce statické či dynamické, použít C-Li J párování. Separate NMR signals can also differentiate the presence of multiple aggregates from a common monomeric unit./překlad
Strukturu organolithných sloučenin může ovlivnit přítomnost Lewisovy zásady jako například tetrahydrofuranu (THF), diethyletheru (Et2O), tetramethylethylendiaminu (TMEDA) nebo hexamethylfosforamidu (HMPA). Zvláštním případem je methyllithium, u něhož při rozpuštění v diethyletheru nebo HMPA nedochází k zániku tetramerní struktury. THF deagreguje hexamertní butyllithium, poté převažuje tetramer; ΔG přeměny tetrameru na dimer je přibližně 46 kJ/mol. TMDA také způsobuje chelaci lithných kationtů v n-butyllithiu a vytváří solvatované dimery jako je [(TMEDA) LiBu-n)]2. U fenyllithia bylo zjištěno, že se v krystalizované solvatované etherové formě vyskytuje jako zkřivený tetramer a v etherovém roztoku jako směs dimeru a tetrameru.
+ Shluky některých alkyllithiových sloučenin v různých rozpouštědlech Rozpouštědlo Struktura methyllithium THF tetramer methyllithium diethylether/HMPA tetramer n-butyllithium pentan hexamer n-butyllithium diethylether tetramer n-butyllithium THF tetramer-dimer s-butyllithium pentan hexamer-tetramer isopropyllithium pentan hexamer-tetramer t-butyllithium pentan tetramer t-butyllithium THF monomer fenyllithium ether tetramer-dimer fenyllithium diethylether/HMPA dimer
Struktura a reaktivita Struktura, a tedy i jejich reaktivita, se mění v závislosti na chemickém prostředí. Jedním z problému je to, jestli existuje nějaký vztah mezi mírou shlukování a reaktivitou organolithných sloučenin. Původně se předpokládalo, že jednodušší shluky (jako jsou monomery) jsou reaktivnější u alkyllithných sloučenin. Byly však objeveny také reakce, u kterých je reaktivní látkou také dimer nebo jiný oligomer a u lithných amidů (například LDA) jsou běžné reakce založené na dimerech. Několik studií kinetiky reakcí v roztocích řízených LDA ukázalo, že jednodušší shluky enolátů nemusejí nutně mít vyšší reaktivitu.
Reaktivitu organolithných sloučenin zvyšují rovněž některé Lewisovy zásady; není ovšem známo, zda tyto látky nefundují jako silná chelatační činidla a jak pozorované zvýšení reaktivity závisí na jimi způsobených změnách struktury. Jako příklad lze uvést TMEDA, jenž zvyšuje rychlost i výtěžnost mnoha reakcí organolithných sloučenin. Vzhledem k alkyllithným sloučeninám funguje TMEDA jako donorový ligand, snižuje úroveň shlukování, a zvyšuje nukleofilitu těchto látek. TMEDA ovšem nefunguje vždy jako donorový ligand lithného kationtu, obzvláště za přítomnosti aniontových kyslíkových a dusíkových center, například s LDA a LiHMDS interaguje jen slabě i v uhlovodíkových rozpouštědlech bez „soutěžících“ donorových ligandů. U lithiace iminů, kde je THF silným donorovým ligandem pro LiHMDS, slabě interagující TMEDA snadno disociuje z LiHMDS, což vede ke vzniku dimerů LiHMDS, které jsou reaktivnější. U LiHMDS tedy TMEDA nezvyšuje reaktivitu snížením stupně shlukování. TEDA také na rozdíl od jednoduchých alkyllithných sloučenin nezpůsobuje deagregaci lithio-acetofenolátu rozpuštěného v tetrahydrofuranu (THF). Přidání HMPA k amidům lithia, jako jsou LiHMDS a LDA, v THF často vede ke vzniku směsi shluků monomerů a dimerů. Poměr množství dimerů a monomerů se však nezmění přidáním HMPA a pozorovaný nárůst reaktivity tak není výsledkem deagregace. Mechanismus zvyšování reaktivity těmito látkami je stále předmětem výzkumu.
Reaktivita a využití Vazba C-Li v organolithných sloučeninách je velmi polární; na atomu uhlíku se tak soustřeďuje většina elektronové hustoty a dochází ke vzniku karbaniontu. Organolithné sloučeniny jsou tak silně zásadité a nukleofilní. Nejběžněji se v syntéze využívají jako nukleofilní činidla, silné zásady pro deprotonaci, k zahájení polymerizace, nebo jako výchozí látky pro přípravu ostatních organokovových sloučenin.
Využití organolithných sloučenin jako nukleofilních činidel
Karbolithiační reakce U organolithných sloučenin díky jejich nukleofilitě mohou probíhat karbolithiační reakce, kdy je vazba uhlík-lithium naadována na dvojnou nebo trojnou vazbu mezi dvěma uhlíkovými atomy za vzniku nových organolithných sloučenin. Tyto reakce jsou vůbec nejběžněji prováděnými reakcemi organolithných sloučenin. Karbolithiace je důležitá při aniontových polymeračních procesech; n-butyllithium se používá jako katalyzátor zahajující polymeraci styrenu, buta-1,3-dienu, isoprenu či jejich směsí.Heinz-Dieter Brandt, Wolfgang Nentwig1, Nicola Rooney, Ronald T. LaFlair, Ute U. Wolf, John Duffy, Judit E. Puskas, Gabor Kaszas, Mark Drewitt, Stephan Glander "Rubber, 5. Solution Rubbers" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2011, Wiley-VCH, Weinheim.
450px|Aniontová polymerace styrenu zahájená sec-butyllithiem|střed
Dalším procesem, při němž se využívá této reaktivity, je tvorba karbocyklických a heterocyklických sloučenin intramolekulární karbolithiací. Tato forma aniontové cyklizace má oproti radikálové cyklizaci několik výhod. Předně je možné, aby vzniklý cyklický organolithný meziprodukt reagoval s elektrofily, což je u radikálových meziproduktů často obtížné. Zadruhé jsou aniontové cyklizace mnohdy, například u 5-hexenyllithných sloučenin, více regio- a stereospecifické než radikálové cyklizace. Intramolekulární karbolithiace umožňuje adici alkyl- a vinyllithných sloučenin na trojné a monoalkylsubstituované dvojné vazby. Tuto adici lzte provést i u aryllithných sloučenin, pokud má vzniknout pětičlenný cyklus. Mezi obtížné varianty intramolekulární karbolithiace patří ty s tvorbou tříčlenných a čtyřčlenných cyklů, jelikož mají příslušné cyklické organolithné meziprodukty často sklon k otevírání cyklů. Lithné sloučeniny vzniklé lithium-halogenovou výměnou se cyklizují na vinyllithné produkty. Tyto látky pak dále reagují s elektrofily za tvorby funkcionalizovaných cyklopentylidenových sloučenin.
Příklad intramolekulární karbolithiační reakce je zobrazen zde:
470px|Příklad stereoselektivní intramolekulární karbolithiační reakce|střed
Adice na karbonylové sloučeniny Nukleofilní organolithné sloučeniny mohou být adovány na elektrofilní dvojné vazby karbonylových skupin za vytvoření vazby uhlík-uhlík. Mohou reagovat s aldehydy či ketony za vzniku alkoholů. Tyto reakce patří převážně mezi polární adice, kdy nukleofilní organolithná sloučenina atakuje karbonyl v ekvatoriálním směru a vzniká axiální alkohol. Selektivitu reakce lze zlepšit přidáním lithných solí jako je například LiClO4.
500px|střed|LiClO4 zvyšuje selektivitu reakce t-butyllithia
U sterickými efekty ovlivněných ketonů použití Grignardových činidel často vede k redukci karbonylové skupiny namísto adice. Alkyllithná činidla jsou vůči této redukci méně náchylná, a mohou být použita na přípravu substituovaných alkoholů. Níže je zobrazen příklad adice ethyllithia na adamanton za vzniku terciárního alkoholu.
350px|střed|Adice organolithné sloučeniny na adamanton