Protokół bezpiecznych reakcji litucji z użyciem odczynników litoorganicznych

Podsumowanie

Opisano bezpieczne i prawidłowe stosowanie odczynników z litu organicznego.

Streszczenie

Odczynniki z litu organicznego są potężnymi narzędziami w narzędziu chemika syntetycznego. Jednak ekstremalnie piroforyczny charakter najbardziej reaktywnych odczynników gwarantuje odpowiednią technikę, gruntowne szkolenie i odpowiednie środki ochrony osobistej. Aby pomóc w szkoleniu badaczy korzystających z odczynników litoorganicznych, opisano dokładny protokół krok po kroku dotyczący bezpiecznego i skutecznego stosowania litu tert-butylowego w przewodzie gazu obojętnego lub w komorze rękawicowej. Jako reakcję modelową przedstawiono otrzymywanie amidu tert-butylu litu w reakcji tert-butyloaminy z jednym odpowiednikiem litu tert-butylowego.

Wprowadzenie

Odczynniki litu organicznego (RLi) to potężne zasady, które wykorzystują niepolarne, silne wiązania węglowodorów do generowania sprzężonych zasad, które mogą deprotonować prawie każdy związek o nawet umiarkowanej kwasowości. Służą jako bardziej agresywna alternatywa dla amidów litu (np. LDA) i odczynników Grignard. Ich niezwykle silna zasadowość sprawia, że mają ogromne zastosowanie w syntezach organicznych i nieorganicznych, a ich szerokie zastosowanie zostało dokładnie opisane w kilku ostatnich recenzjach^1-3. Odczynniki litoorganiczne mogą łatwo deprotonować bardzo słabe kwasy, takie jak alkohole, aminy oraz węglowodory benzylowe i alifatyczne. Reakcja jest napędzana przez tworzenie stabilnego, mocnego, alkilowego wiązania C-H.

Li⁺R^- + HX → LiX + RH (1)

Ogólne koncepcje dotyczące odczynników z litu organicznego zostały przejrzane^4-7, ale tutaj podkreślamy użyteczność tych odczynników do wykorzystania różnych wartości pK_a kilku różnych węglowodorów w celu wybrania sprzężonej zasady o odpowiedniej mocy deprotonacji. Na przykład, ponieważ kwasowość węglowodorów alifatycznych zmniejsza się wraz ze wzrostem poziomu podstawienia (tj. 1 ° >2 ° >3 °), tert-butyllitit jest najbardziej agresywnym odczynnikiem alkilolitowym, podczas gdy metylolit jest najłagodniejszy. Fenylolit jest znacznie łagodniejszy niż metylolit ze względu na zdolność pierścienia fenylowego do delokalizacji ładunku zdeprotonowanego anionu fenylowego. Tak więc najczęściej stosowanymi odczynnikami organolitowymi są, w kolejności rosnącej zasadowości: PhLi < <^tBuLi. Podczas gdy dokładne wartości_{pK a} protonowanych alkanów są trudne do zmierzenia ze względu na ich brak kwasowości, przybliżone wartości pK_a podano w tabeli 1^7-10, wraz z innymi popularnymi odczynnikami protonowymi zwykle deprotonowanymi przez odczynniki litoorganiczne w chemii syntetycznej. Tabela 1 przedstawia w skrócie wizualne narzędzie do przewidywania, które zasady mogą być użyte do deprotonacji poszczególnych kwasów.

Poza chemią kwasowo-zasadową, odczynniki alkilolitowe zostały wykorzystane w chemii nieorganicznej i metaloorganicznej jako sposób na dostarczenie ligandów na bazie węgla^11,12, odczynników transmetalanowych w katalizie^13-15 lub ułatwienie reaktywności metaloorganicznej poprzez fotolityczną homolizę wiązań M-Me^16,17. Chociaż odczynniki alkilolitowe są termodynamicznie bardzo silnymi zasadami, ich reaktywność może być powolna w niektórych reakcjach, co wymaga optymalizacji warunków reakcji¹⁸. Ogólnie rzecz biorąc, ich zachowanie kinetyczne można poprawić poprzez zastąpienie kwaśnego jonu litu Lewisa słabszym kwasem Lewisa, takim jak potas, jak widać w wytwarzaniu "zasady Schlossera" z BuLi i tert-butotlenku potasu¹⁹.

Chociaż użyteczność odczynników z litu organicznego w syntezie jest niezaprzeczalna, użycie tych odczynników wymaga odpowiednich środków ostrożności. Odczynniki są piroforyczne, reagują gwałtownie z powietrzem lub wodą i energiczną egzotermią. Wytwarzają lotne substancje organiczne, które często zapalają się z powodu wysokich temperatur rozkładu. W związku z tym podczas litiacji może dojść do pożaru, szczególnie gdy nie są przestrzegane staranne standardowe procedury operacyjne. Najbardziej niesławny jest przypadek świeżo upieczonego absolwenta Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) pracującego jako asystent naukowy. W wyniku tragicznego wypadku podczas reakcji litowania najbardziej reaktywnym odczynnikiem organolitowym, litem tert-butylowym, studentka doznała śmiertelnych poparzeń, gdy strzykawka pełna roztworu rozpadła się i zapaliła^{jej ubranie}. Wśród popełnionych błędów znalazło się użycie strzykawki i igły o niewłaściwym rozmiarze, brak odpowiednich środków ochrony osobistej (PPE) oraz nieskorzystanie z dostępnego prysznica bezpieczeństwa²⁰. Wrażliwy charakter popularnych odczynników karbanionowych zainspirował opracowanie bezpieczniejszych alternatyw dla rozpuszczalników o wysokiej polarności²¹, takich jak mieszaniny rozpuszczalników eutektycznych^22-24, a w przypadku odczynników Grignard nawet woda^25-27. Niemniej jednak wszechstronność odczynników z litu organicznego sprawia, że są one nadal użyteczne w dającej się przewidzieć przyszłości.

Celem tego protokołu i wizualizowanego eksperymentu jest zademonstrowanie dokładnego i ostrożnego podejścia do litacji, dostępnego dla każdego dobrze wyszkolonego studenta chemii, który ma zapotrzebowanie na odczynniki z litoorganicznym litem. Mamy nadzieję, że ten protokół otwartego dostępu zilustruje, co należy robić (a czego nie robić), aby osiągnąć udaną i bezpieczną litiację, że inne laboratoria mogą wykorzystać tę publikację jako zasób szkoleniowy i że dzięki tej dokładnej, wizualnej demonstracji można uniknąć przyszłych wypadków. W tym miejscu opisano bezpieczny protokół litowania przy użyciu najbardziej reaktywnego litu tert-butylowego, który można dostosować do stosowania z dowolnym mniej reaktywnym odczynnikiem litoorganicznym.

Protokół

UWAGA: ^{roztwory t}BuLi (1,7 M w pentanie) i bezwodna tert-butyloamina zostały zakupione i zużyte natychmiast, bez oczyszczania. Z naszego doświadczenia wynika, że protokół ten działa najlepiej w przypadku świeżo zakupionych odczynników. Standaryzacja odczynnika organolitowego może być stosowana poprzez miareczkowanie dibromoetanem²⁸, kwasem difenylooctowym²⁹ lub N-piwaloilanilinami³⁰, ponieważ stężenia dostępnych na rynku odczynników organolitowych mogą się różnić, a jakość odczynników pogarsza się z czasem. Pentan oczyszczono za pomocą systemu oczyszczania rozpuszczalnikowego. Rozpuszczalniki odgazowywano i przechowywano na aktywowanych sitach molekularnych przez 24 godziny przed użyciem.

1. Przygotowanie przestrzeni kaptura

UWAGA: Patrz rysunek 1.

1. Oczyść maskę z całego bałaganu.
2. Napełnić małą zlewkę objętością toluenu w przybliżeniu równą objętości odczynnika litoorganicznego, który ma być użyty (w tym przypadku 10 ml w przypadku protokołu na małą skalę i 50 ml w przypadku protokołu na dużą skalę) i przykryć szkiełkiem zegarkowym o odpowiedniej wielkości.
3. Przygotować zlewkę z izopropanolem o objętości około 5 razy większej niż ilość odczynnika organolitowego, który ma być użyty (tutaj 50 ml dla małych i 250 ml dla dużych) i przykryć szkiełkiem zegarkowym o odpowiedniej wielkości.
4. Przygotować zlewkę zawierającą granulki suchego lodu wypełnione do linii objętości około 10-krotności objętości odczynnika organolitowego, który ma być użyty (tutaj 100 ml dla małej skali i 500 ml dla dużej skali).
5. Zanim przejdziesz dalej, sprawdź uszczelkę/nasadkę środka litującego pod kątem korozyjnych nagromadzeń. Jeśli uszczelka jest uszkodzona, wyrzuć odczynnik, powoli dodając go do 8-10 razy większej objętości suchego lodu w zlewce.

2. Procedura dla Lithii na małą skalę w kapturze

UWAGA: Patrz rysunek 1.

1. Napełnij 25 ml kolbę Schlenka mieszadłem i czystym ^tBuNH₂ (1,8 ml, 17,1 mmol) i wyposaż ją w gumową przegrodę.
2. Odgazuj czysty ^tBuNH₂, otwierając kran kolby Schlenka i obracając przewód Schlenka w celu krótkiego odkurzenia (~1 sek.; ^tBuNH₂ jest lotny i wyparuje, jeśli będzie przechowywany w próżni). Natychmiast napełnić gazem obojętnym, przekręcając kran Schlenk na gaz obojętny. Powtórz jeszcze dwa razy. Zamknąć zawór odcinający kolbę, aby odizolować kolbę.
3. Przygotuj koc z gazem obojętnym, podłączając trzy rurki do szklanego adaptera "T". Podłącz jedną rurkę do źródła gazu obojętnego, drugą do bełkotki olejowej, a trzecią do adaptera igły Luer-lock.
4. Czyścić aparat kocowy gazem obojętnym przez 5 minut.
5. Zmniejsz natężenie przepływu tak, aby kilka pęcherzyków na sekundę przepływało przez bełkotkę oleju.
6. Wprowadzić igłę z kocem z gazem obojętnym do przegrody kolby reakcyjnej i zanurzyć kolbę w kąpieli suchego lodu/acetonu z mieszadłem magnetycznym. Mieszać delikatnie, aż kolba ostygnie.
7. Clamp butelkę ^tBuLi (25 ml, 1,7 M w pentanie) do stojaka pierścieniowego i zdejmij zewnętrzną nakrętkę. Jeśli jest obecny, usuń Parafilm i zetrzyj tłuszcz.
8. Wybrać szklaną strzykawkę o pojemności 20 ml i tłok o odpowiedniej wielkości. Tłok powinien łatwo się wsuwać i nie powinien być w stanie poruszać się ani grzechotać. Jeśli kciuk zostanie umieszczony na końcówce strzykawki w celu jej uszczelnienia, tłok nie powinien być łatwo wyciągnięty.
9. Wyposażyć szklaną strzykawkę o pojemności 20 ml w długą (12 cali), elastrykawkę igłą. Zawsze należy wybrać strzykawkę o objętości co najmniej dwukrotnie większej niż objętość pobieranego odczynnika i zawsze upewnić się, że igła jest dobrze przymocowana do strzykawki.
10. Zdjąć adapter igły do osłony z gazem obojętnym z kolby reakcyjnej i przenieść ją do butelki z tert-butylolitem, przebijając przegrodę butelki, aby umieścić butelkę z odczynnikiem pod ciśnieniem otaczającego gazu obojętnego.
    1. Alternatywnie należy użyć adaptera do przenoszenia przegrody od dostawcy odczynnika jako koca z gazem obojętnym. Przymocuj adapter do przenoszenia przegrody i wlotu do butelki z odczynnikiem i otwórz boczną i górną nakrętkę. Podłącz wąż Schlenk do ramienia bocznego i przedmuchnij gazem obojętnym. Podczas oczyszczania zastąp górną nasadkę przegrodą. Pozostaw zawór odcinający przewodu Schlenk otwarty na adapterze transferowym przegrody-wlotu, aby utrzymać go pod dodatnim ciśnieniem.
       UWAGA: Sprzedawca komercyjny sugeruje użycie źródła gazu obojętnego pod ciśnieniem zamiast koca. Pozwala to na "wepchnięcie" odczynnika do strzykawki, a nie wciągnięcie go poprzez pociągnięcie strzykawki. Jeśli ustawienie przeciwciśnienia nie jest prawidłowe, nadmierne ciśnienie może spowodować wypchnięcie tłoka, wystawiając odczynnik na działanie powietrza. Co więcej, przeciwciśnienie wymaga od eksperymentatora wywierania równego i przeciwnego nacisku na tłok kciukiem po osiągnięciu pożądanej objętości, tak aby objętość w strzykawce była utrzymywana na stałym poziomie. Może to spowodować tryskanie odczynnika po wyciągnięciu igły z przegrody. W związku z tym autorzy preferują stosowanie koca z gazem obojętnym pod ciśnieniem otoczenia.
11. Przepłukać strzykawkę gazem obojętnym. Otwórz niezajęty wąż Schlenk na gaz obojętny, tak aby nastąpił delikatny wypływ gazu obojętnego z węża Schlenk. Umieścić igłę strzykawki luźno na końcu węża i kilkakrotnie wciągnąć i wyjąć tłok, aby oczyścić wnętrze strzykawki gazem obojętnym.
12. Przy całkowicie wciśniętym tłoku strzykawki przekłuć przegrodę butelki i zanurzyć igłę w odczynniku.
13. Delikatnie odciągnąć tłok, aż nadmiar (~11 ml) odczynnika zostanie wciągnięty do strzykawki (nigdy nie odwracać butelki z odczynnikiem). Usunąć gaz w przestrzeni nad głową i nadmiar odczynnika ze strzykawki, zginając igłę tak, aby strzykawka była skierowana do góry, a następnie wciskając tłok, aż nie będzie miejsca nad głową, a w strzykawce znajdzie się 10,0 ml odczynnika. W tym momencie rozluźnić zgięcie igły strzykawki, obracając strzykawkę prawą stroną do góry.
14. Trzymając igłę strzykawki nadal w przegrodzie butelki, przesunąć adapter igły z kocem z gazem obojętnym z powrotem do przegrody kolby z odczynnikiem i przekłuć ją.
15. Wyjąć igłę strzykawki z przegrody butelki wolną ręką (nigdy nie ciągnąć za strzykawkę w celu wyjęcia igły, ponieważ igła może odskoczyć). Po wyjęciu igły z przegrody można zaobserwować pewne płomienie. Przekłuć gumową przegrodę kolby reakcyjnej długą igłą strzykawkową i zawiesić ją nad wymieszanym ^tBuNH₂.
16. Powoli wciskać tłok, aby kroplami dodawać cały roztwór ^tBuLi do wymieszanego ^tBuNH₂.
17. Wyjąć długą igłę strzykawki z przegrody, pozostawiając igłę z kocem z gazem obojętnym w przegrodzie kolby reakcyjnej.
18. Wyjąć szkiełko zegarkowe ze zlewki z toluenem i pobrać objętość toluenu w przybliżeniu równą objętości ^tBuLi użytej (~10 ml) do strzykawki w celu rozcieńczenia pozostałości ^tBuLi.
19. Wyjąć szkiełko zegarkowe ze zlewki z izopropanolem, umieścić długą igłę w izopropanolu i opróżnić rozcieńczony roztwór ze strzykawki do izopropanolu.
20. Przepłukać strzykawkę jeszcze kilka razy izopropanolem w celu usunięcia resztek odczynnika, po czym strzykawka jest czysta.
21. Uszczelnij przegrodę butelki z odczynnikiem ^tBuLi odrobiną smaru, aby uniknąć wycieków w miejscach nakłucia i umieść kawałek Parafilmu na natłuszczonej przegrodzie. Załóż nasadkę zewnętrzną.
22. Wyjąć kolbę z łaźni lodowej i mieszać w atmosferze otaczającego gazu obojętnego, aż osiągnie temperaturę pokojową.
23. Usunąć igłę koca z gazem obojętnym.
24. Przechowywać kolbę w temperaturze -30 °C przez noc. Po tym czasie obserwuje się obecność białej, sproszkowanej substancji stałej [LiNH^tBu]₈.
25. Przefiltrować roztwór, przepłukać ciało stałe zimnym pentanem w atmosferze obojętnej i wysuszyć w próżni.

3. Procedura dla dużej litiacji w kapturze

1. Naładować kolbę Schlenka o pojemności 100 ml mieszadłem i czystym roztworem BuNH₂ (9 ml, 85,5 mmol) i wyposażyć ją w lejek do dodawania, który mieści co najmniej 50 ml. Przymocować lejek do dodawania do kolby za pomocą zacisku keckowego. Zakryj górną część lejka dodawania gumową przegrodą. Zamknij zawór odcinający lejka dodawania.
2. Odgazuj czysty ^tBuNH₂, otwierając kran kolby Schlenka i obracając przewód Schlenka w celu krótkiego odkurzenia (~1 sek.; ^tBuNH₂ jest lotny i wyparuje, jeśli będzie przechowywany w próżni). Natychmiast napełnić gazem obojętnym, przekręcając kran Schlenk na gaz obojętny. Powtórz jeszcze dwa razy. Zamknąć zawór odcinający kolbę, aby odizolować kolbę i lejek do dodawania.
3. Przygotuj koc z gazem obojętnym, podłączając trzy rurki do szklanego adaptera "T". Podłącz jedną rurkę do źródła gazu obojętnego, drugą do bełkotki olejowej, a trzecią do adaptera igły Luer-lock.
4. Czyścić aparat kocowy gazem obojętnym przez 5 minut.
5. Zmniejsz natężenie przepływu, aby kilka pęcherzyków na sekundę przechodziło przez bełkotkę oleju.
6. Clamp butelkę ^tBuLi do stojaka na pierścień i zdejmij zewnętrzną nakrętkę. Usuń Parafilm i zetrzyj tłuszcz.
7. Przenieść osłonę z gazem obojętnym do przegrody lejka do dodawania. Opuścić kolbę do suchej łaźni lodowej w celu ostygnięcia.
8. Używając innego przewodu do gazu obojętnego, nanieść delikatny strumień gazu obojętnego na butlę ^tBuLi.
9. Włóż jeden koniec kaniuli do butelki ^tBuLi i zawieś go nad roztworem.
10. Włóż drugi koniec do lejka dodającego tak, aby końcówka znajdowała się poniżej ramienia bocznego wyrównującego ciśnienie.
11. Opuść koniec kaniuli powyżej ^tBuLi do cieczy i kontroluj prędkość dodawania za pomocą przewodu gazu obojętnego. Napełnić lejek do dodawania do linii 50 ml.
12. Po zakończeniu dodawania usuń koniec kaniuli z roztworu odczynnika do litowania i pozostaw go zawieszony nad odczynnikiem ^tBuLi.
13. Wyjmij przeciwległy koniec kaniuli z lejka do dodawania.
14. Zdejmij koniec kaniuli z butelki ^tBuLi. Następnie odłączyć przewód gazu obojętnego od butli ^tBuLi.
15. Przekręć kran na lejku dodawania, aby dodać ^tBuLi kroplami do mieszającego ^tBuNH₂.
16. Uszczelnij przegrodę butelki z odczynnikiem ^tBuLi odrobiną smaru, aby uniknąć wycieków w miejscach nakłucia i umieść kawałek Parafilmu na natłuszczonej przegrodzie. Załóż nasadkę zewnętrzną.
17. Wyjąć lejek do dodawania z kolby Schlenka, wykonując następujące czynności:
    1. Umieścić kolbę Schlenka pod dodatnim ciśnieniem gazu obojętnego, otwierając kurek odcinający kolby Schlenka i kurek odcinający przewodu Schlenka. Wyjąć zacisk keck i lejek dokuczający z kolby Schlenka. Kolba będzie chroniona przez przepływ gazu obojętnego na zewnątrz kolby, ale lejek do dodawania może na krótko dymić lub płonąć po wystawieniu na działanie powietrza.
    2. Wytrzeć tłuszcz z wewnętrznej szyjki kolby Schlenka za pomocą ręcznika papierowego zwilżonego heksanami i powtarzać, aż zmielone szkło kolby stanie się suche. Zakorkować kolbę gumową przegrodą.
    3. Umieścić igłę z kocem z gazem obojętnym w przegrodzie kolby Schlenka.
18. Wyjąć kolbę z łaźni lodowej i mieszać w atmosferze otaczającego gazu obojętnego, aż osiągnie temperaturę pokojową.
19. Usunąć igłę koca z gazem obojętnym.
20. Przechowywać kolbę w temperaturze -30 °C przez noc. Po tym czasie obserwuje się obecność białej, sproszkowanej substancji stałej [LiNH^tBu]₈.
21. Przefiltrować roztwór, przepłukać ciało stałe zimnym pentanem w atmosferze obojętnej i wysuszyć w próżni.

4. Procedura Lithii w komorze rękawicowej

1. Przenieść wszystkie odczynniki, kolbę reakcyjną, mieszadło, korek i natłuszczony eksykator (lub inny zamykany pojemnik do użycia na odpady) do komory rękawicowej przez przedsionek.
2. Napełnić kolbę mieszadłem i odgazować dokładnie ^tBuNH₂ (1,8 ml, 17,1 mmol). Przykryć kolbę szklanym korkiem lub przegrodą, aby zapobiec parowaniu lotnej tert-butyloaminy.
3. Clamp butelkę ^tBuLi (25 ml, 1,7 M w pentanie) do stojaka pierścieniowego i zdejmij zewnętrzną nakrętkę. Opcjonalnie: Zdejmij nakrętkę przegrody za pomocą otwieracza do butelek, z butelką mocno zaciśniętą na miejscu. Po zdjęciu nakrętki butelki nie należy wyjmować butelki ze schowka, dopóki nie będzie pusta. W przypadku usunięcia ostrożnie zgasić pozostały ^tBuLi w okapie za pomocą odpowiedniego odczynnika hartującego, takiego jak suchy lód lub izopropanol.
4. Przygotować małą fiolkę z ~10 ml toluenu do umycia strzykawki po dodaniu.
5. Dopasować strzykawkę o pojemności 20 ml z igłą. Zawsze należy wybrać strzykawkę o objętości co najmniej dwukrotnie większej niż objętość pobieranego odczynnika i zawsze upewnić się, że igła jest dobrze przymocowana do strzykawki.
6. Wprowadzić igłę do odczynnika ^tBuLi i delikatnie odciągnąć tłok do tyłu, aż nadmiar (~11 ml) odczynnika zostanie wciągnięty do strzykawki. Następnie odwrócić strzykawkę, kierując igłę do góry.
7. Trzymać ręcznik papierowy w pobliżu igły i delikatnie wcisnąć tłok, aby usunąć gaz z przestrzeni nadbrzeżnej, aż z końca igły wydostanie się mikrokropelka odczynnika. Usunąć nadmiar odczynnika ze strzykawki, umieszczając igłę w butelce z odczynnikiem i naciskając tłok, aż 10,0 ml odczynnika pozostanie w strzykawce. Jeśli rozleje się jakikolwiek roztwór odczynnika, wytrzyj go ręcznikiem papierowym lub Kimwipe i umieść odpady w eksykatorze odpadów.
8. Usunąć korek lub przegrodę z kolby reakcyjnej i powoli dodawać ^tBuLi do wymieszanego ^tBuNH₂. Ponieważ reakcja odbywa się bez zimnej kąpieli, należy uważać, aby nie dodawać odczynnika zbyt szybko, ponieważ egzotermia może powodować wrzenie. Zakorkować kolbę reakcyjną.
9. Pobrać toluen z fiolki z toluenem do strzykawki w celu rozcieńczenia pozostałego odczynnika, a następnie umieścić strzykawkę, igłę i wszelkie odpadki z ręcznika papierowego w eksykatorze. Uszczelnić eksykator.
10. Ponownie zakręć i przechowuj butelkę z odczynnikiem ^tBuLi, najlepiej w zamrażarce w schowku podręcznym, aby wydłużyć żywotność.
11. Wyjąć szczelnie zamknięty eksykator zawierający zużyte szkło, strzykawkę z toluenem i wszelkie ręczniki papierowe ze schowka na rękawiczki i natychmiast umieścić go w kapturze.
12. Otworzyć eksykator i opróżnić strzykawkę zawierającą rozcieńczony ^tBuLi do zlewki z izopropanolem w celu ugaszenia odczynnika. Przepłukać strzykawkę jeszcze kilka razy izopropanolem.
13. Kolbę reakcyjną przechowywać przez noc w temperaturze -30 °C, po upływie której obserwuje się obecność białej, sproszkowanej substancji stałej [LiNH^tBu]₈.
14. Przefiltrować roztwór, przepłukać ciało stałe zimnym pentanem w atmosferze obojętnej i wysuszyć w próżni.

5. Jak przerwać reakcję lub w przypadku pożaru

UWAGA: Patrz rysunek 1.

1. Jeśli w którymkolwiek momencie reakcja będzie musiała zostać przerwana, powoli opróżnij niewykorzystany odczynnik litoorganiczny ze strzykawki do suchego lodu. Podczas opróżniania odczynnika mogą pojawić się płomienie, ale suchy lód powinien je ugasić.
2. Jeśli w którymkolwiek momencie toluen lub izopropanol zapali się, po prostu umieść szkiełko zegarka na zlewce, aby płomienie zostały stłumione.
3. Jeśli kiedykolwiek wystąpi okoliczność, w której pożaru nie można ugasić tą metodą, natychmiast użyj gaśnicy.
4. W mało prawdopodobnym przypadku, gdy włosy lub ubranie zapalą się, natychmiast skorzystaj z prysznica bezpieczeństwa.

Wyniki

Typowa wydajność tej reakcji wynosi ~670 mg (8,5 mmol, ~50%). Dodatkowe plony kryształów można uzyskać przez zagęszczenie filtratu i schłodzenie roztworu. Jednak czystość jest często zagrożona przez dodatkowe uprawy. Kiedy ten protokół jest starannie przestrzegany przez przygotowanego i doświadczonego badacza, na ogół przebiega bez incydentów. Z naszego doświadczenia wynika, że w rzadkich przypadkach, gdy reakcja musi zostać przerwana lub dochodzi do pożaru, dostępność osłon szkła zegarkowego, suchego lodu i zlewek do gaszenia izopropanolu oraz lokalizacja operacji w okapie zapewniają wystarczającą ewentualność.

Konieczne jest potwierdzenie produktu za pomocą NMR (Rysunek 4) lub dyfrakcji rentgenowskiej, ponieważ użycie zanieczyszczonych lub zanieczyszczonych wodą odczynników często prowadzi do niepowodzenia w uzyskaniu pożądanego produktu. Widmo ¹H NMR pokazuje dwa piki, zgodnie z oczekiwaniami, w stosunku 1:9 (reprezentujące, odpowiednio, pojedynczy proton amidowy i dziewięć protonów tert-butylu). Indeksowanie kryształu wyhodowanego z pentanu lub heksanu jest zgodne z podaną strukturą krystaliczną produktu³¹. NMR (400 MHz, benzen-d₆) δ -1,53 (s, 1H, NH), 1,37 (s, 9H, Bu^t). Komórka elementarna: P2 / n, a = 12,05 (2), b = 12,62 (2), c = 18,24 (3) Å, β = 105,52 (5) °, V = 2672 (14) ų.

Rysunek 1: Schemat aparatury. Pokazany jest wygląd wnętrza kaptura do reakcji na zewnątrz schowka podręcznego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 2: Strzykawka z igłą. Pokazano strzykawkę o pojemności 10 ml z igłą przymocowaną za pomocą końcówki Luer-lock. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Zakrętka butelki z uszczelką przegrodową. Odczynnik jest sprzedawany przez sprzedawcę z szczelnie zamkniętym metalowym nakrętkiem butelki z gumową przegrodą, którą można przekłuć igłą. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: 400 MHz ¹H NMR Widmo LiNH^tBu w C₆D₆. Widmo NMR produktu pokazuje oczekiwane dwa sygnały dla protonów amidu i tert-butylu, odpowiednio w stosunku całkowym 1:9. Sygnał resztkowy protiorozpuszczalnika jest oznaczony symbolem *. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

kwas pK_a baza butan⁷ >51 ^tBuLi N-butan (2^O, węgiel) ⁷ ~50 s-BuLi N-butan (1^O węgiel) ⁷ ~50 BuLi metan⁷ Rozdział 48 powiedział: benzen⁷ Rozdział 43 PhLi powiedział: toluen⁷ Rozdział 40 TolLi powiedział: R₂NH⁸ 36 RNHLi (Język Najwyższy) ArNH₂⁹ Rozdział 31 ArNHLi powiedział: ROH⁹ 15 ROLi ArOH^8,9 10 ArOLi

Tabela 1: Wartości pKa węglowodorów i odpowiadających im litiowanych sprzężonych zasad.

Dyskusja

W tym eksperymencie lityfikacji amid litu tert-butylu (LiNH^tBu) jest syntetyzowany przez litowanie tert-butyloaminy (^tBuNH₂) przy użyciu litu tert-butylu (^tBuLi), tworząc izobutan jako produkt uboczny. Opisany protokół jest modyfikacją wcześniej zgłoszonego protokołu³¹ i przebiega zgodnie z następującą reakcją:

^tBuNH₂ + ^tBuLi → ^tBuH + 1/8 [LiNH^tBu]₈.      (2)

Pierwotny raport dotyczący syntezy LiNH^tBu różni się od tego protokołu tym, że zastosowano w nim mniej reaktywny lit n-butylowy jako odczynnik organolitowy. Ogólnie rzecz biorąc, zawsze należy wybierać mniej reaktywny odczynnik litoorganiczny, gdy tylko jest to możliwe. Jednak na potrzeby tego artykułu autorzy zdecydowali się zademonstrować bezpieczne stosowanie bardziej reaktywnego roztworu litu tert-butylo-butylowego, aby widzowie mogli obserwować prawidłowe obchodzenie się z najtrudniejszym odczynnikiem. Protokół ten można łatwo zastosować do stosowania mniej reaktywnych odczynników organolitowych.

Kroki krytyczne
Ze względu na wysoce piroforyczny charakter odczynników litoorganicznych, wszystkie operacje muszą być przeprowadzane w warunkach atmosfery obojętnej, co wymaga użycia przewodu Schlenka lub przewodu gazu obojętnego lub komory rękawicowej w atmosferze obojętnej. Chociaż praca w komorze rękawicowej jest znacznie prostszym podejściem, wiąże się z własnym ryzykiem, innym niż w przypadku wykonywania litiacji na przewodzie gazu obojętnego. Każde z tych podejść wymaga zatem dużej ostrożności i przestrzegania protokołu. Opisano tutaj dwa protokoły litacji: jeden na linii gazu obojętnego (Schlenk), a drugi w komorze rękawicowej. Podczas wykonywania litacji na przewodzie gazu obojętnego nieoceniona jest znajomość działania naczyń szklanych i protokołów bezpowietrznych. Ponieważ jednak różne laboratoria mogą stosować nieco inne praktyki, dokładnie opisano protokół krok po kroku dla każdej metody. Sprzedawca chemikaliów oferuje własną zalecaną aparaturę do szkła i protokół prawidłowego stosowania odczynników wrażliwych na powietrze³². Sekcja Protokół przedstawia procedurę podobną do procedury dostawcy, ale która została zmodyfikowana w celu maksymalizacji bezpieczeństwa i łatwości, szczególnie w przypadku protokołów alkilolitu. Szczegółowa procedura jest dostępna w sekcji Protokół, ale tutaj podkreślono kilka ważnych punktów, aby zmaksymalizować bezpieczeństwo i sukces.

UWAGA: Nigdy nie pracuj samotnie w laboratorium.
ŚOI
Niezwykle ważną kwestią jest stosowanie odpowiednich środków ochrony osobistej (PPE), do których zalicza się odpowiednio dopasowany fartuch laboratoryjny, okulary ochronne, długie spodnie (najlepiej wykonane z materiału niepalnego), buty z zakrytymi palcami oraz gumkę do włosów (jeśli dotyczy). Podczas gdy najlepsze praktyki mogą zapewnić, że w większości przypadków nie dojdzie do pożaru, lit tert-butylowy jest wyjątkowo piroforyczny i mogą zdarzyć się wypadki. Kiedy tak się dzieje, bezpieczeństwo badacza jest lepiej zabezpieczone, jeśli jest on chroniony przez odpowiednie środki ochrony osobistej. Najpoważniejszymibłędami absolwentki UCLA było to, że wykonywała litowanie bez fartucha laboratoryjnego i że miała na sobie ubranie wykonane z łatwopalnego^materiału.

Wentylacja
Zabiegi na zewnątrz schowka należy zawsze wykonywać w kapturze. Jeśli przezroczysty kaptur nie jest dostępny, nie wykonuj litacji, dopóki nie zostanie zabezpieczona czysta, uporządkowana przestrzeń okapu wolna od innych łatwopalnych chemikaliów. Skrzydło powinno być opuszczane tak mocno i tak często, jak to możliwe. Dodatkowym błędem absolwentki UCLA było to, że w kapturze znajdowały się inne łatwopalne substancje (heksany), które rozlały się i zapaliły, zapalając jej ubrania²⁰.

Gaz obojętny
Litiacja wymaga użycia gazu obojętnego. Linia Schlenka (podwójny kolektor przełączany między gazem obojętnym a próżnią) jest idealna, chociaż każde źródło gazu obojętnego z dobrą kontrolą przepływu będzie działać.

Strzykawka
Szklane strzykawki są lepsze od plastikowych ze względu na ich obojętność chemiczną i płynniejszy ruch tłoka. Długa (1-2 stopy)³², elastyczna igła musi być zawsze bezpiecznie przymocowana do strzykawki podającej. Kolejnym błędem absolwenta UCLA było użycie zbyt krótkiej (1,5 cala) igły ²⁰, co mogło wymagać odwrócenia butelki z odczynnikiem w celu wciągnięcia odczynnika do strzykawki, co może prowadzić do rozlania i pożaru. Dlatego zawsze należy używać długiej igły, aby butelka nie musiała być odwrócona. Igła powinna być bezpiecznie przymocowana, aby nie wyskoczyła podczas podawania odczynnika. Najlepsze są strzykawki typu Luer-lock (Rysunek 2). W przypadku korzystania z systemu igieł strzykawkowych z wsuwaną końcówką, przed kontynuowaniem upewnij się, że igła jest bardzo dobrze zamocowana. Należy zawsze wybierać strzykawkę, która ma co najmniej dwukrotnie większą objętość niż żądana ilość odczynnika litowoorganicznego³². Wynika to z faktu, że przestrzeń nad głową zawsze zajmuje pewną objętość strzykawki podczas pobierania odczynnika. Kolejnym błędem absolwenta UCLA było użycie zbyt małej strzykawki. Kiedy strzykawka osiągnęła swój pojemnik, prawdopodobnie otworzyła się, rozpryskując ^{się na}jej niezabezpieczone^ramię.

Środki hartownicze
Mała zlewka zawierająca toluen (objętość w przybliżeniu równa objętości odczynnika litoorganicznego, który ma być dostarczony) powinna być umieszczona w pokrywie w zasięgu naczynia reakcyjnego, ale nie tuż obok niego. Nad zlewką należy również umieścić szkiełko zegarkowe o odpowiedniej wielkości, aby przykryć tę zlewkę w przypadku pożaru. Zlewka ta będzie używana do rozcieńczania pozostałości odczynnika zanieczyszczającego strzykawkę po dodaniu odczynnika (Rysunek 1).

Druga zlewka zawierająca izopropanol (objętość w przybliżeniu pięciokrotnie większa od objętości odczynnika litoorganicznego, który ma być dostarczony) powinna być również umieszczona w pokrywie w zasięgu naczynia reakcyjnego, ale nie tuż obok niego. Drugie szkiełko zegarkowe o odpowiedniej wielkości aby przykryć tą zlewkę w przypadku pożaru, powinno być również umieszczone na wierzchu zlewki. Naczynie to służy do gaszenia pozostałości pozostawionych w strzykawce po dodaniu (ryc. 1).

Po trzecie, zlewka z suchym lodem (około dziesięciokrotność objętości odczynnika litoorganicznego, który ma być dostarczony) powinna znajdować się w zasięgu naczynia reakcyjnego. W przypadku poluzowania igły strzykawki lub czegoś innego nie tak, ten suchy lód może być użyty do ugaszenia pozostałego odczynnika litowoorganicznego w strzykawce (ryc. 1).

Wreszcie, w nagłych wypadkach w pobliżu powinna znajdować się gaśnica, a także zwrócić uwagę na lokalizację i prawidłowe działanie prysznica bezpieczeństwa.

Butelka z odczynnikiem
Na zewnątrz schowka rękawicowego należy używać wyłącznie butelek z odczynnikiem litoorganicznym z nakrętkami z przegrodą szczękową (Rysunek 3). Zaleca się zakup małych butelek, ponieważ 1) odczynniki litoorganiczne z czasem ulegają degradacji i nie zaleca się długotrwałego przechowywania, 2) przegrody mogą z czasem ulegać degradacji, wystawiając odczynnik na działanie powietrza, oraz 3) małe objętości piroforów są mniej niebezpieczne niż duże objętości. Butelkę z odczynnikiem z litu organicznego należy przed użyciem ustawić na stole i zacisnąć na stojaku pierścieniowym (rysunek 1).

Naczynie reakcyjne
Naczynie reakcyjne powinno być suszone w piecu lub płomieniu i schładzane do temperatury pokojowej w atmosferze obojętnej, aby zapewnić, że na bokach szkła nie ma śladów wody. Naczynie zawierające odczynnik, do którego zostanie dodany roztwór litu organicznego, powinno być zaciśnięte nad płytką mieszającą i odgazowane w celu usunięcia powietrza. Można tego dokonać albo przez przedmuchiwanie zbiornika gazem obojętnym, albo przez wykonanie kilku cykli napełniania gazem obojętnym na linii Schlenka. Alternatywnie, kolba może być napełniona odczynnikami i rozpuszczalnikiem w komorze rękawicowej w atmosferze obojętnej i szczelnie zamknięta przed wyjęciem z komory rękawicowej. Odgazowana kolba powinna być wyposażona w przegrodę i zabezpieczona osłoną z gazu obojętnego (patrz protokół i rysunek 1). Jeśli pozwala na to protokół syntetyczny, kolbę należy również zanurzyć w zimnej kąpieli, takiej jak suchy lód/aceton, aby kontrolować egzotermię, która powstanie po dodaniu odczynnika litoorganicznego.

Uwagi na temat litiacji w komorze rękawicowej w atmosferze obojętnej
Stosowanie bezpowietrznych komór rękawicowych znacznie upraszcza obchodzenie się z odczynnikami wrażliwymi na powietrze, ale wiąże się z pewnym ryzykiem. Ponieważ odczynniki z litu organicznego są osłonięte przed powietrzem w schowku podręcznym, łatwiej jest popaść w samozadowolenie i nieostrożność. Podczas gdy obchodzenie się z odczynnikami jest prostsze, rozlanie w schowku rękawicowym stwarza dylemat: rozlany odczynnik należy wytrzeć ręcznikami papierowymi, ale następnie odczynnik piroforyczny i łatwopalną szmatkę należy wyjąć z pudełka i umieścić z powrotem w powietrzu, w którym to momencie natychmiast się zapalą. Aby uniknąć tych zagrożeń, odczynniki i kolby reakcyjne powinny być zawsze bezpiecznie zaciśnięte w schowku podręcznym, a otwartych butelek i kolb nigdy nie należy przesuwać ani obsługiwać ręcznie. Wszelkie materiały zawierające pozostałości odczynnika należy wyjąć z komory rękawicowej w szczelnie zamkniętym eksykatorze (lub podobnym pojemniku) i przenieść do kaptura przed otwarciem i wystawieniem na działanie powietrza.

Znać lokalizację i działanie sprzętu ratunkowego
Poznaj lokalizację i działanie gaśnicy w laboratorium, aby w przypadku pożaru, którego nie można ugasić poprzez ugaszenie szkiełkiem zegarkowym, można było zareagować szybko i zdecydowanie. Zapoznaj się również z lokalizacją i działaniem prysznica bezpieczeństwa w laboratorium. W mało prawdopodobnym przypadku, gdy ubranie się zapali, natychmiast skorzystaj z prysznica bezpieczeństwa. Jeśli czyjeś ubranie się zapali, natychmiast skieruj go do prysznica bezpieczeństwa. Jeśli w laboratorium nie ma zarówno prysznica bezpieczeństwa, jak i gaśnicy, nie próbuj reakcji litacji. To, co mogło być ostatnią szansą na uratowanie życia absolwentki UCLA, zostało zaprzepaszczone, gdy ani ona, ani pracujący z nią doktor nie użyli prysznica bezpieczeństwa ani gaśnicy, aby ugasić płomienie. Zamiast tego jej kolega z pracy po doktoracie próbował ugasić płomienie fartuchem laboratoryjnym, który również się zapalił. Ostatecznie usiadła na podłodze, podczas gdy jej kolega z pracy po doktoracie próbował ugasić płomienie, wylewając na płomienie^zlewki z wodą, napełnioną ze zlewu.

Odczynniki organolitowe doskonale nadają się do deprotonacji słabo kwaśnych wodorów lub do działania jako źródło grup alkilowych i są bardziej agresywne i reaktywne niż bardziej standardowe odczynniki Grignarda. Ograniczenia tej techniki mogą obejmować kinetycznie powolne reakcje, w którym to przypadku modyfikacja protokołu może wspomóc przemianę chemiczną¹⁹. Dodatkowo wysoka reaktywność litoorganicznych może zakłócać pożądaną chemię. Na przykład karbaniony są na ogół doskonałymi nukleofilami. Próba deprotonacji substratu elektrofilowego (takiego jak kwas karboksylowy) prawdopodobnie doprowadzi do ataku nukleofilowego zamiast deprotonacji. Dlatego przy doborze odczynników tego (lub jakiegokolwiek) rodzaju wymagana jest wiedza chemiczna i intuicja. W dającej się przewidzieć przyszłości reakcje litiacji będą nadal odgrywać rolę w syntetycznej chemii organicznej i nieorganicznej, a zatem niezbędne jest zrozumienie zasad bezpiecznego stosowania. Reakcje litiacji przebiegają bezpiecznie każdego dnia i nie ma powodu, aby obawiać się przeprowadzenia tej chemii reakcji. Jednak odczynniki zasługują na pewien szacunek i troskę. Konieczne jest przestrzeganie wielu wymaganych zabezpieczeń przed awarią, aby uniknąć możliwości obrażeń. W protokole tym zademonstrowano krok po kroku procedurę bezpiecznej reakcji litacji i opublikowano ją jako artykuł o otwartym dostępie, tak aby każdy badacz na świecie mógł z niej bezpłatnie korzystać jako szkolenie. W związku z tym autorzy mają nadzieję, że ten raport może sprawić, że protokół litacji stanie się dostępny dla szerokiego grona grup i zapobiegnie przyszłym tragediom.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Kolba Schlenka, 25 ml	Chemglass	AF-0520-02	Kolba 25 ml, Reakcja, złącze zewnętrzne 14/20, 2  mm szkło stpk, Bez powietrza, Schlenk
Rubber Septum	Chemglass	CG-3024-01	Korek przegrody, suba-seal, Do połączeń zewnętrznych 14/20-14/35 i 12.5  mm ID rurki
Stir Bar	Fisher Scientific	14-512-130	Mieszadła różnych rozmiarów
tert-butyllithium	Sigma-Aldrich	186198-4X25ML	1,7 M t-butyllit w pentanie, 4 x 25  ml
tert-butylamina	Sigma-Aldrich	391433-100ML	em>tert-butylamina, oczyszczona przez redestylację, >99,5%
heksany	Fisher Scientific	H292-4	4 L, certyfikowany ACS, heksany, >98,5%
izopropanol	Fisher Scientific	A416-4	4 L, 2-propanol, certyfikowany ACS plus, >99.5%
Suchy lód	Airgas
System oczyszczania rozpuszczalnika Pure Solv	Technologia obojętna	MD-5	Kolumny z tlenku glinu, przez które przepuszczane są świeże, odgazowane rozpuszczalniki w celu usunięcia wody.
Adapter transferu przegrody Aldrich Sure/Seal	Sigma-Aldrich	Z407186	Adapter do usuwania odczynników wrażliwych na powietrze pod osłoną azotową
Standardowe klipsy stożkowe Keck	Zacisk Chemglass	CG-145-03	do zabezpieczania połączeń naczyń szklanych
Lejek do dodawania	Kontes	K634000-0060	Lejek do kroplowego dodawania odczynnika do kolby