ΙΙ.3. Poláris fémorganikus vegyületek
II.3.1. Az alkálifémek szerves vegyületei
II.3.1.1. Előállítási módszerek
Az alkálifémek szerves vegyületeinek előállítására a II.2. fejezetben felsoroltak közül a reduktív helyettesítéses és a kicseréléses (cserebomlás) reakciótípusok változatait használják leggyakrabban. A reduktív helyettesítés általános reakcióegyenlete:
(II.18.). ábra
-A kicseréléses módszer általános sémája:
(II.19.). ábra
-A kiindulási vegyület távozó csoportja (Z), illetve az R-csoporthoz kapcsolódó atom mindkét esetben lehet halogén, kalkogén, hidrogén, szén vagy egy másik fématom. A különböző előállítási lehetőségeket a II.2. táblázat foglalja össze. Ebben a csoportosításban a fémorganikus vegyületek telítetlen szén-szén kötésekre történő addíciója (karbometallálás) a második módszer alváltozataként szerepel.
II.2. táblázat - Az alkálifémek szerves vegyületeinek előállítási módszerei
A távozó csoport (Z) reakcióban érintett atomja
Reduktív helyettesítés
Kicserélés (cserebomlás)
Halogén (Cl, Br, I) +++ +++
Kalkogén (0, S) ++ (+)
Hidrogén (H) + +++
Szén (C) + +
Fém(Hg, Sn, ...) ++ ++
A táblázatban a „+” jelek száma a módszer gyakorlati jelentőségét mutatja.
Az alkálifémek szerves származékai sokszor kiinduló anyagai egyéb fémorganikus vegyületek szintézisének, ezért előállítási lehetőségeik részletesebb ismerete nagyban megkönnyítheti a többi főcsoportbeli fém és az átmenetifémek szerves származékainak előállításával kapcsolatos problémák megoldását.
Szerves alkálivegyületek előállítása reduktív helyettesítéssel A) Halogénvegyületek reakciója alkálifémekkel
Az alkálifémek alkil- vagy aril-halogenidekkel általában erősen exoterm reakcióban alakulnak át fémorganikus vegyületekké (II.20. egyenlet). A reakció hajtóereje a keletkező fém-halogén kötés energianyeresége, ami túlkompenzálja a szén-halogén kötés bontásának és a fématomok fémrácsból történő kiszakításának energiaszükségletét. Az egyik leggyakrabban alkalmazott előállítási módszer mai tudásunk szerint SET-indukált (SET: Single Electron Transfer) folyamat. A részletes mechnizmust a magnéziumvegyületek előállításakor mutatjuk be (II.3.2.1. fejezet).
(II.20.). ábra
-A tapasztalatok szerint az alkálifémek reakciókészsége a Li<Na<K<Rb<Cs sorrendben, a halogénvegyületeké pedig a Cl<Br<I sorrendben nő.
Sajnos, ugyanilyen irányban fokozatosan nő a mellékreakciók lejátszódásának esélye is. A mellékreakció legtöbbször Wurtz-típusú kapcsolás, vagy az erős bázis okozta hidrogénhalogenid kihasadás, amikor alkének keletkezhetnek (SN vagy Ε reakció).
Megjegyzés: A Wurtz-szintézist 1855 óta használják szénhidrogének (vagy α,ω-dihalogenidekből cikloalkánok) szintézisére. A reakció akkor szolgáltat tiszta terméket, ha a kiindulási alkil-halogenid (R-X) szénláncának megduplázása a cél. Ilyenkor szénhidrogén típusú oldószerben (petroléter, benzol) az alkil-halogenidet nátriummal viszik reakcióba és R-R szerkezetű termék keletkezik. Ha kétféle alkil-halogenidet (R-X és R’-X) reagáltatnak, akkor nemcsak R-R’, de R-R és R’-R’ is képződik és ezek – amennyiben R és R’ nem nagyon különböző – nehezen választhatók el egymástól.
Az R-csoport szerkezete is befolyásolja a reakciók kimenetelét. Az alkilvegyületeknél a mellékreakciókra való hajlam a primer<szekunder<tercier sorozatban nő és körültekintően kell eljárni a reakcióképes allil- és benzil-halogenidek esetében is. Az aril-halogenidek általában jó hozammal szolgáltatják a kívánt fémorganikus vegyületet. Így pl. a fenillítium jó termeléssel előállítható brómbenzolból dietiléterben, illetve klórbenzolból tetrahidrofuránban fémlítiummal [5].
A mellékreakciók visszaszorítása leghatékonyabban a fémek fajlagos felületének növelésével és a halogénvegyület megfelelő adagolásával valósítható meg. A lítiumvegyületek előállításánál legtöbbször lítiumgranulátumot alkalmazunk. A reaktivitást és a termelést javítja, ha a lítium 0,2-1% nátriumot is tartalmaz. A reakciókat vízmentes szénhidrogén (pl. hexán, ciklohexán, toluol) vagy éter (dietil-éter, tetrahidrofurán) típusú oldószerekben, oxigén kizárásával szokták megvalósítani, de a lítium sűrűsége olyan kicsi, hogy az oldószer felszínén úszik. A lítium különleges sajátsága az is, hogy készségesen reagál nitrogénnel (Li3N: lítium-nitrid képződik), ezért védőatmoszféraként ilyenkor célszerű száraz argongázt használni. Más esetekben a száraz nitrogéngáz megfelelő és jóval olcsóbb az argonnál.
Megjegyzés: A lítium több tulajdonsága hasonló a magnéziuméhoz. Az „átlós rokonság” a két elem ionméretének hasonlóságából ered (r(Li+):
76 pm, r(Mg2+): 72 pm). Mindkét fém különleges tulajdonsága a nitridképzési hajlam (Li3N, Mg3N2), amit a többi alkálifém és alkáli földfém nem mutat.
A műanyag és fínomkémiai iparban legnagyobb mennyiségben felhasznált butil-lítiumot butil-kloridból és lítiumból hexánban állítják elő. A melléktermék lítiumklorid oldhatatlan hexánban, vagyis így „sómentes” butil-lítium-oldatot lehet előállítani 90% feletti hozammal (11.21. egyenlet).
(II.21.). ábra
-Megjegyzés: A lítium egyes sóinak (hidroxid, karbonát) vízoldhatósága a többi alkálifém megfelelő vegyületének oldhatóságánál kisebb, hasonló az alkáliföldfém sók oldhatóságához. Ugyanakkor a lítium-bromid és -jodid szénhidrogén és éter típusú oldószerekben – legtöbbször az ott lévő alkil-lítiummal koordinálódva – oldódik és befolyásolhatja a fémorganikus vegyületek reakcióit.
A terc-butil-lítiumot terc-butil-kloridból hexánban készítik, de speciális lítiumnátrium ötvözetet vagy aktívált felületű, finom szemcséjű lítiumhomokot kell alkalmazni [6, 7] a jó termelés eléréséhez.
A szerves nátrium- és káliumvegyületek előállítása még súlyosabb problémákat vet fel. A pentil-nátrium készítésekor pl. < 25 μmszemcseméretű nátriumhomokot ultragyors keverővel (5000–20000 ford/perc) felszerett speciális reaktorban reagáltatnak pentil-kloriddal –10 °C hőmérsékleten (II.22.
egyenlet) [8]. A pentil-káliumot így is csak 35% körüli termeléssel tudták előállítani [9].
(II.22.). ábra
-Megjegyzés: Az alkil-halogenidek és alkálifémek reakciója exoterm és hevessége fokozódik, ha polihalogénezett vegyület (pl. kloroform, szén-tetraklorid) kerül érintkezésbe a fémmel. Ezért az alkálifémeket tartalmazó reakcióelegyek tüzét szigorúan tilos „Halonnal oltó” készülékkel oltani.
Az alkálifémek és vegyületeik igen hevesen reagálnak szén-dioxiddal és vízzel is, tehát a szénsavas és a haboltók sem használhatók. Kisebb tüzek elfojtására a mészkőpor vagy speciális, nátrium-kloridot tartalmazó oltókészülék használható.
A nyílt láncú vegyületeknél tapasztalt nehézségekkel szemben az aril-nátrium-(kálium) vagy vinil-nátrium- (kálium) vegyületek jó hozammal készíthetők el a reduktív helyettesítés módszerével, nátrium- vagy káliumhomok használatával.
A fémek felületének további „növelése” úgy valósítható meg, ha ún. „oldott fémet” készítünk belőle. Az alkálifémek ugyanis éter típusú oldószerekben készségesen koordinálódnak elektronakceptor tulajdonságú arénekkel, pl. naftalinnal, antracénnel és sötétzöld vagy kék színű, jól oldódó „gyök-anionná” alakulnak. A II.3. (a) ábra a két TMEDA-ligandummal kristályosodó dilítio-naftalin-komplex szerkezetét mutatja be vázlatosan. A 4,4’-di-terc-butil-difenil monolítium-komplexe az ún. „Freeman’s-reagens” (II.3. (b) ábra) jól eltartható és alkalmas halogén-lítium csere, vagy más, gyökös metallálási reakció megvalósítására [10]. A Freeman’s-reagensben a lítium párosítatlan elektronja az aromás gyűrűk π-elektronjaival lép szoros kölcsönhatásba és ezért a szerves molekularész gyökanion jellegű lesz.
II. 3. ábra - A dilítio-naftalin TMEDA-komplex (a) és a „Freeman’s-reagens” (b) szerkezete
B) Éterek és tioéterek reduktív hasítása alkálifémekkel
Az oxigén sokkal kevésbé hajlamos elektron átvételére az alkálifémektől, mint a halogének. Ezért a nyílt, telített szénláncú éterek normális körülmények között ellenállnak a reduktív hasításnak. A gyűrűs dioxán reflux hőmérsékleten lassan elbomlik, ha nátrium-kálium ötvözettel melegítik [11], a tetrahidrofurán csak bór-trifluorid jelenlétében támadható meg Freeman’s-reagenssel [12].
A feszült gyűrűs oxiránok (és oxetánok) alkálifémekkel történő gyürűfelnyitásához nem szükséges elektrofil segítség, de Lewis-sav hozzáadásával megváltoztathatjuk a reakció regioszelektivitását. A 11.23. egyenletben szereplő oxiránból pl. lítiummal a primer alkáli-alkilvegyület keletkezik, de BF3 jelenlétében a termék a terc-alkil-lítium-származék [13].
(II.23.). ábra
-A diaril-éterek és aril-alkil-éterek hasítása könnyen megvalósítható alkálifémekkel. Általában az a szabály érvényesül, hogy apoláros közegben a kevésbé bázikus fémorganikus vegyület képződik, a kiindulási anyag másik feléből pedig a megfelelő alkoholát. Így pl. metoxi-benzolból (II.24.
egyenlet) káliummal forró heptánban fenil-kálium keletkezik [14].
(II.24.). ábra
-Cseppfolyós ammóniában az éterhasítás fordított módon, metil-kálium képződésével megy végbe [15], mert az ammónia jó szolvatáló hatása a polárosabb, a heptán a kevésbé poláros termékek képződésének kedvez.
Megjegyzés: A fémorganikus kémia fejlődésében fontos állomás volt a 2-fenil-2-propil-kálium (kumil-kálium) előállítása a 2-fenil-2-metoxi-propán káliumos éterhasításával (II.25. egyenlet). A kumil-kálium éteres oldata vörös színű, a szín eltűnése jól láthatóan mutatja az elektrofil reagens hatására bekövetkező átalakulást [16].
(II.25.). ábra
-Az oxigénanalógokhoz képest a tioéterek elektronaffinitása sokkal nagyobb és a C-S kötés gyengébb, mint a C-0 kapcsolat, sőt a tiolátok kevésbé bázikusak, mint az alkoholátok. Mindezeknek köszönhetően a tioéterek hasítása sokkal könnyebben megy végbe, mint az étereké. Gyakorlati fontosságú a fenil-szulfidok hasítása alkálifémmel, vagy ennek „oldott fém” változatával. Az exo- és endo-3-metoxi-allil-kálium vagy -lítium (II.26.
egyenlet) a megfelelő fenil-tioéterből készíthető el. A termék térszerkezete a fématom minőségétől függ: káliummal a termodinamikailag kevésbé stabilis exo-izomer keletkezik, lítium jelenlétében az egyensúly az endo-izomer javára tolódik el [17].
(II.26.). ábra
-C) Hidrogén reduktív helyettesítése alkálifémekkel
Ezidáig a szakirodalomban főleg viszonylag savas szénhidrogének (pKa 18-20) C-H kötésének alkálifémekkel történő hasításáról számoltak be. Az acetilén, 1-alkil-és 1-aril-alkinek fémnátriummal vagy más alkálifémekkel, sőt magnéziummal is a megfelelő alkiniddé alakíthatók.
(II.27.). ábra
-A reakciókat legtöbbször cseppfolyós ammóniában oldott fémmel valósítják meg. -A fejlődő hidrogén egy része gázként távozik, míg másik hányada az alkint alkénné redukálva csökkenti a kiindulási anyagra számított hozamot.
Megjegyzés: Az alkáli-akinidek előállítása az egyik legrégebben ismert fémorganikus reakció [18]. Kivitelezését az tette lehetővé, hogy az alkálifémek készségesen oldódnak cseppfolyós ammóniában (fp.: –33 °C) élénk kék színű oldatok keletkezése közben. Az oldódás jelentős térfogat-növekedéssel jár és az oldatok vezetőképessége nagyságrenddel nagyobb, mint a vizes sóoldatoké. Ez arra utal, hogy a fém kationként van jelen, a „kváziszabad” elektront pedig három ammóniamolekula fogja közre. A fizikailag oldott fém könnyen reakcióba lép oldószerével főleg akkor, ha az ammóniás oldatot katalitikus hatású átmenetifém-sók (pl. FeCl3) szennyezik: alkáli-amid és hidrogén keletkezik (II.28. egyenlet).
(II.28.). ábra
-Az alkálifémek ammóniás oldatai erős és speciális redukálószerek, pl. aromás vegyületeket ciklusos mono- és diénekké lehet velük redukálni (Birch-redukció).
A ciklopentadién ugyancsak jó kiindulási anyag a ciklopentadienil-nátrium reduktív helyettesítéssel történő előállításához, hiszen a ciklopentadienid-anion aromás karaktere miatt stabilis és ez a fémről történő elektronátmenet fő hajtóereje. A reakciót forró xilolban és cseppfolyós ammóniában is sikeresen megvalósították[19].
Végül érdemes megjegyezni, hogy az etén tetrahidrofurános oldatban –25 °C-on vinil-lítiummá alakítható finoman diszpergált lítiummal aromás elektronátvivő katalizátor (pl. a 2,5-difenil-l,6,6aλ4-tritiopentalén, II.29. egyenlet) jelenlétében, ami lítiumatomokat tud megkötni és így tölti be elektronátvivő szerepét [20].
(II.29.). ábra
-D) Szén reduktív helyettesítése alkálifémekkel
Az előbbi példa, a vinil-lítium előállítása eténből, csak végső eredményét tekintve hidrogén-fém helyettesítés. Valójában a lítium addíciója során egy C-C π-kötés szakad fel, amit újabb lítiumatom addíciója, majd lítium-hidrid-elimináció követ, bár a dilítiumvegyület nem figyelhető meg a gyors elimináció miatt. Hasonló reakció megvalósítható alkinekkel is apoláros aprotikus oldószerekben, a termékek dilítio-alkének (II.30. egyenlet) [21].
(II.30.). ábra
-Aromás gyűrűket is tartalmazó vegyületekben szén-szén σ-kötés akkor hasítható alkálifémekkel, ha a keletkező anionos karakterű termékeket az aromás csoportok megfelelően stabilizálni tudják. A legelső példát erre Schlenk írta le 1914-ben, aki trifenil-metán dimerből nátriummal két mólnyi trifenilmetil-nátriumot kapott. A trifenil-metán dimerjét Schlenk helytelenül hexafenil-etánként írta fel és csak évtizedekkel később, spektroszkópiai vizsgálatok alapján derült ki, hogy a két mol trifenilmetil-kloridból ezüsttel előállítható C38H30 összegképletű dimerben az egyik fenilgyűrű nem aromás, és ennek energiaveszteségét a szterikus zsúfoltság csökkenése fedezi. A dimer helyes szerkezete tehát 1-difenilmetilidén-4-trifenilmetil-ciklohexa-2,5-dién (II. 30. (b) egyenlet) [22].
E) Fémek reduktív helyettesítése alkálifémekkel
A fémorganikus vegyületek fématomját másik fémre könnyen ki lehet cserélni azon szabály alapján, miszerint az elektropozitívabb fém kiszorítja szerves vegyületéből a kevésbé elektropozitív fémet (lásd a II.3. és II.6. egyenletekben). A reakció nemcsak különböző csoportbeli fémek közötti cserére alkalmazható. Ha a szek-butil-lítium benzolos oldatát feleslegben vett káliummal kevertetik, akkor az káliumszármazékká alakul, de a termék nem tiszta, mert a lítium- és káliumvegyületek vegyes aggregátuma kiválik az oldatból [23]. Érdemes megjegyezni, hogy fordított irányú fémcsere metatézissel (lásd II.8. egyenlet) valósítható meg. A reakció hajtóereje az elektropozitívabb fém sóképzésének (MCI) energianyeresége.
Alkálivegyületek előállítása kicseréléses módszerekkel
Napjainkban a butil-lítium és izomerjeinek oldatai a kereskedelemben kapható vegyszerek, ezért sokszor kényelmesebb ezek felhasználásával előállítani a számunkra fontos fémorganikus vegyületet. A kicseréléses előállítási módszer lehetséges változatait a II.2. táblázatban foglaltuk össze.
Formálisan mindegyik reakció reverzibilis, az egyensúly helyzete a kiindulási és a keletkező fémorganikus vegyület relatív bázicitásától függ. Ezt az egyszerű képet a komponensek eltérő aggregációs foka befolyásolhatja, az egyik termék kiválása, vagy gáz formájában történő eltávozása pedig még erőteljesebb hatású lehet a reakció termékeloszlására.
A) Fém-fém kicserélési reakciók
Az alkil-lítium készségesen reagál a kevésbé elektropozitív fémek (pl. Sn, Hg) szerves származékaival. Az ónvegyületekből sok, más úton nehezen elérhető alkálifém-származékot állítottak elő, mint pl. az α-alkoxi-alkillítium-vegyületek (II.31. egyenlet) [24].
(II.31.). ábra
-Nemcsak lítiumorganikus vegyületek, hanem fémsók is felhasználhatók a reakcióhoz. A csere iránya az elektropozitívabb fém és a kevésbé bázikus csoport kombinációja felé mutat. Például az allil-kálium lítium-bromid éteres oldatával a megfelelő lítium-származékká alakítható [25].
A fordított irányú csere lítiumorganikus vegyületekből kiindulva nátrium-, kálium- és cézium-alkoxiddal valósítható meg. A folyamat mozgatórugója a kiemelkedően stabilis lítium-oxigén kötés kialakulásának energianyeresége [26].
B) Kalkogén-fém kicserélési reakciók
Az éterek és tioéterek O-, illetve S-atomjait alkálialkil-vegyületekkel általában nem lehet fémre cserélni.
Megjegyzés: Az alkáliorganikus reagensek éter típusú oldószerekben mégsem tarthatók el sokáig, mert növekvő bázicitásukkal egyre nagyobb mértékű β-eliminációs reakciót váltanak ki. Például a butil-lítium felezési ideje 0 °C-on dietil-éterben 100 óra (a dietil-étert eténre és lítium-etilátra bontja, miközben butángáz szabadul fel). A tetrahidrofurán nukleofil addíciós reakcióval alkáli-alkoholáttá alakul, de erős bázisok az α-Η/fém cserét is kiválthatják és az α-lítiált tetrahidrofurán –60 °C feletti hőmérsékleten eténre és az acetaldehid lítium-enolátjára hasad szét (II.32.
egyenlet) [27].
(II.32.). ábra
-A szelén- és tellúrvegyületek három, négy nagyságrenddel reakcióképesebbek alkáli-alkil-vegyületekkel szemben, mint a kénvegyületek. -A diszelenoacetálok alkil-lítiummal szelén-lítium kicserélési reakcióba vihetők (II.33. egyenlet) [28].
(II.33.). ábra
-C) Szén-fém kicserélési reakciók
Szén-szén egyszeres kötés alkáli-alkil-reagenssel általában nem bontható meg, de alkének készségesen reagálnak (szén-szén π-kötés felhasadása, II.34. egyenlet). A fémorganikus vegyület addíciójának terméke egy újabb reaktív fémorganikus vegyület (aktív addukt), amely ha hasonló bázicitású, mint a kiindulási anyag, akkor a jelenlévő alkénnel tovább reagál és így lineáris polimerek képződhetnek. Ezen a reakción alapul a műkaucsukgyártás (lásd a II.3.5.2. fejezetben).
(II.34.). ábra
-D) Halogén-fém kicserélési reakciók
A halogén-lítium kicserélési reakció napjainkban az egyik leggyakrabban használt módszer a direkt metallálással (lásd az Ε pontban) nem előállítható aromás és heteroaromás fémorganikus vegyületek szintézisére, de esetenként más halogénvegyületekkel is megvalósítható (II.35. egyenlet).
(II.35.). ábra
-A folyamat hajtóereje a „részleges semlegesítés". -Az erősen bázikus alkil-lítiumból alkil-halogenid keletkezik, a halogénvegyület a kevésbé bázikus lítiumszármazékká alakul.
Ha a reakciót szénhidrogén oldószerben (hexán, toluol) valósítják meg, a fémorganikus termék sokszor csapadékként kiválik és inert atmoszféra alatti szűréssel elválasztható az alkil-halogenid mellékterméktől. Éter típusú oldószerekben viszont a képződő alkil-halogenid (elektrofil reagens) alkilezheti a lítiumvegyületet. A mellékreakció dietil-éterben elég lassú ahhoz, hogy ne okozzon számottevő veszteséget a gyors halogén-lítium kicserélési folyamat alatt, ha utána rögtön gyorsan reagáló elektrofilt (pl. oxovegyületet) adunk az elegyhez. A mellékreakció sebessége tetrahidrofuránban lényegesen nagyobb, ezért alacsony hőmérsékleten (sokszor –100 °C-on) szoktak dolgozni. Egy másik elegáns, bár költséges megoldás a
mellékreakció elkerülésére az, amikor a halogénvegyületre számítva két mólnyi terc-butil-lítiumot használnak. A halogén-lítium kicserélési reakcióban keletkező terc-butil-halogenid a rendkívül bázikus második mólnyi terc-butil-lítiummal gyors reakcióban izobuténné és lítium-halogeniddé alakul, így nem zavar a továbbiakban.
Az előállítási módszert elsősorban bróm-lítium, illetve jód-lítium cserékre alkalmazzák, klór-lítium cserét csak polihalogénezett vegyületekből kiindulva szoktak megvalósítani (pl. triklórmetil-lítium előállítható szén-tetrakloridból). Ha többféle halogén található a szubsztrátumban, akkor általában I>Br>Cl a reaktivitási sorrend. A nehezebb alkálifémek alkilvegyületeivel csak ritkán valósítanak meg ilyen reakciókat, mert előtérbe kerülnek a mellékreakciók.
Megjegyzés: Az alkáli-alkil-vegyületek reakciója polihalogénezett vegyületekkel exoterm, ezért kontrollálatlan körülmények között akár robbanásig is hevülhet a reakcióelegy. Ezért, ha a poláris fémorganikus vegyületeket tartalmazó reakcióelegyek esetleg meggyulladnak – az alkálifémek tűzeseteihez hasonlóan – tilos halogénezett szénhidrogént tartalmazó oltókészüléket használni.
E) Metallálás (hidrogén-fém kicserélési reakció)
A hidrogén-fém kicserélési reakció (II.36. egyenlet) az elmúlt húsz évben rendkívül látványos fejlődésen ment keresztül és ma már nélkülözhetetlen eljárás a hagyományos reakciókkal csak nehezen, vagy egyáltalán nem elérhető bonyolult szerkezetű vegyületek regio- és sztereoszelektív, környezetkímélő, zárt technológiai előállítását célzó folyamatokban.
(II.36.). ábra
-Megjegyzés: A reakciót Schorigin „véletlenül” fedezte fel a XX. század elején, amikor dietil-higany fémnátriumos reduktív hasítását vizsgálta benzolban. Meglepetésére a reakció terméke nem etil-nátrium, hanem fenil-nátrium volt. A sav-bázis reakcióban a benzol a C-H-sav, a higany vegyületből képződött etil-nátrium a bázis szerepét tölti be és a kevésbé bázikus fenil-nátrium, valamint etángáz keletkezik (II.36/2. egyenlet) [29].
Már az első metallálási reakció is felhívta a figyelmet arra, hogy ez a módszer alkalmas lehet a klasszikusan ismert C-H-savas vegyületeknél (acetecetészter, malonészter, stb.) nagyságrendekkel gyengébb C-H-savak (pKa: 32-43), pl. aromás és heteroaromás vegyületek reaktív intermedierekké alakítására egy lépésben. Megállapították, hogy a butil-kálium képes a pentán metallálására, a nátriumvegyületek megtámadják a benzolt, de a butil-lítiummal csak a benzolnál savasabb 1,4-pentadién vagy ciklopentadién reagál.
A butil-lítium-izomerek jóval könnyebben kezelhetők, mint a kálium- és nátriumvegyületek. Ezért az utóbbi évtizedekben rendkívül intenzív kutatómunka folyt annak felderítésére, hogyan lehet növelni ezeknek a reagenseknek a reaktivitását, befolyásolni a metallálások szelektivitását.
Megállapították, hogy a butil-lítium reakcióképességét erősen csökkenti aggregátumképzési hajlama (részletesebben lásd a II.3.1.2. fejezetben), de Lewis-bázisokkal (pl. THF, TMEDA, PMDTA, II.4. ábra) a reaktivitás nagyságrendekkel növelhető.
II.4. ábra - Akirális (TMEDA, PMDTA) és királis (Spartein) aktiváló ligandumok
Az aktívátorok kettős szerepet töltenek be. Egyrészt csökkentik az alkil-lítium aggregációs fokát, mert nemkötő elektronpárjukkal a fématomhoz kapcsolódva új, kisebb asszociációs fokú komplexeket hoznak létre. Másrészt a fématommal létrejött koordinációnak köszönhetően gyengítik az eredeti fém-szén kötést és elősegítik a négycentrumos átmeneti állapot (II.5. ábra (a) és (b)) kialakítását [30].
II.5. ábra - A hidrogén-fém kicserélési reakció négycentrumos átmeneti állapotának szerkezete tetrahidrofurán (a), TMEDA (b), alkáli-alkoholát (c) és komplexképző szomszédcsoport (d) jelenlétében
Megjegyzés: A butil-lítium aktiválására királis tercier amin, pl. a természetes spartein is használható (II.11. ábra) és segítségével prokirális vegyületek aszimmetrikus lítiálását lehet megvalósítani sokszor 90% feletti enantioszelektivitással [31].
A szuperbázisok
Α butil-lítium és TMEDA ekvimoláris elegyével (LiC-TMEDA-reagens) sok heterociklusos (tiofén-, pirrol- és indolszármazékok) és különböző helyettesítőket tartalmazó aromás vegyület lítiálását sikerült megvalósítani, de a gyengébb C-H-savak, mint a benzol (pKa: 37) metallálása még így sem valósítható meg jó eredménnyel (II.37. egyenlet). A megoldást az jelentette, amikor a butil-lítiumot (LiC) még jobb elektrondonor alkoholáttal, pl.
kálium-terc-butiláttal (KOR) aktiválták. Schlosser vizsgálatai szerint ilyenkor egy vegyes aggregátum jön létre (LiC-KOR), amelyben a két fématom a II.5. (c) ábra szerint helyezkedik el. A benzol metallálásakor (II.37. egyenlet) döntően a kálium épül be, lítium-alkoholát és bután képződése közben.
A LiC-KOR-reagens a szuperbázisok első és eddig leggyakrabban használt képviselője.
(II.37.). ábra
-Megjegyzés: A LiC-KOR-regenst először Lochmann állította elő 1966-ban, amikor felfigyelt arra, hogy a keverék nagyságrenddel jobban gyorsítja az izoprén polimerizációját, mint a butil-lítium önmagában [32]. Ezt azzal magyarázta, hogy a reakcióelegyben in situ butil-kálium keletkezik.
Egy évvel később, 1967-ben Schlosser közölte a LiC-KOR szuperbázis első szintetikus kémiai alkalmazását, a benzol metallálását és kimutatta, hogy nem a szabad butil-kálium, hanem az említett vegyes aggregátum felelős a szuperbázis speciális tulajdonságaiért, pl. a butil-káliumnál lényegesen nagyobb stabilitásért [33, 34].
Definíció szerint fémorganikus szuperbázisnak nevezzük egy alkáli-alkil-vegyület (R-M) és egy alkáli-alkoholát R’-OM) keverékét. Segítségükkel olyan gyenge CH-savak is metallálhatók, mint a ciklopropánszármazékok, allilvegyületek, biciklusos szénhidrogének. Az eddig elért eredményekről kiváló összefoglaló jelent meg néhány évvel ezelőtt [35]. Legfontosabb jellemzőik az alábbiakban foglalhatók össze:
• erősen polarizált fém-szén kötést tartalmazó, nagy reaktivitású keverék aggregátumok;
• metallálás után a termék a nagyobb tömegszámú fémet tartalmazza többségben (a módszer alkalmas Na és Κ szerves vegyületeinek előállítására);
• a szuperbázisok stabilitása, szelektivitása jobb, mint a megfelelő alkil-kálium- vagy alkil-nátrium-vegyületeké.
• a szuperbázisok stabilitása, szelektivitása jobb, mint a megfelelő alkil-kálium- vagy alkil-nátrium-vegyületeké.