Titulação de n-butil-lítio

<em>n</em>-Butyllithium Titration

JoVE Science Education
Organic Chemistry II

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JoVE Science Education Organic Chemistry II

n-Butyllithium Titration

5.2: Nucleophilic Substitution

5.7: Ozonolysis of Alkenes

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06:58 min

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February 22, 2017

Overview

Fonte: Vy M. Dong e Diane Le, Departamento de Química da Universidade da Califórnia, Irvine, CA

Este experimento demonstrará uma técnica simples para titular e obter uma concentração precisa do reagente organolito, n-butyllithium (n-BuLi). Os reagentes organolito são extremamente sensíveis ao ar e à umidade e devem ser tomados cuidados adequados para manter a qualidade do reagente para que ele possa ser usado com sucesso em uma reação. Os experimentos de titulação n-BuLidevem ser realizados regularmente para obter concentrações precisas antes do uso em uma reação química. Posteriormente, demonstraremos a adição do titulado n-BuLiao benzaldeído.

Principles

Reagentes organolithium são compostos que contêm uma ligação C-Li e são bases muito fortes. Como os organolitos são extremamente sensíveis ao ar e à umidade, deve-se tomar cuidado para lidar com esses reagentes. São sensíveis a ácidos, corrosivos e muitas vezes pirofóricos. n-BuLi, um alquilísio, é tipicamente armazenado a baixas temperaturas (menos de 0 °C) e armazenado como uma solução em hidrocarbonetos como hexanos. N-BuLi pode ser usado como base ou nucleófilo dependendo das condições de reação. Além disso, pode ser usado em reações de troca de halogênio-lítio para gerar reagentes de lítio aryl ou vinil, que podem reagir imediatamente com um eletrófilo. Além disso, n-BuLi é comumente usado como iniciador na polimerização de dienes usados em elastômeros.

Titura é uma técnica analítica quantitativa comum usada para determinar uma concentração desconhecida de um analito adicionando uma concentração conhecida de um titante até que a reação chegue à conclusão, que é indicada por uma mudança de cor. Neste experimento, demonstraremos a titulação de n-BuLie calcularemos sua concentração com ácido difenílacetico como o titante, que é um sólido estável e pode ser facilmente pesado. Após a reação do n-BuLi com ácido difenílacetico, a solução transforma uma cor amarela profunda no ponto final da titulação, e por isso não é necessário um indicador(Figura 1). Medindo o volume preciso de n-BuLi usado para consumir o ácido difenílacetic, podemos calcular a molaridade da reação. Este experimento deve ser repetido três vezes para obter uma medição média.

Figura 1. Reação de n-BuLi com ácido difenílacetico.

Procedure

1. Preparação de Titrant

Para um frasco de fundo redondo seco à chama equipado com uma barra de mexida sob n_2,adicione ácido difenílacetic (250 mg, 1,18 mmol) e THF anidro (5 mL).

2. Titulação de n-BuLi

Calcule a quantidade aproximada da solução n-BuLi(em hexanos) necessária para consumir o ácido difenílacetic. Usando uma seringa, adicione lentamenteuma solução de n-BuLidropwise. A mistura de reação ficará temporariamente amarela e voltará para uma solução incolor a cada gota.
Continue adicionando a solução de n-BuLi dropwise até que a mistura de reação continue a ser uma cor amarela profunda. Este será o ponto final da reação.
Repita a titulação 3x para obter um volume médio do n-BuLi utilizado.

3. Cálculo da Molaridade

As verrugas de n-BuLiusadas na titulação são equivalentes às verrugas do ácido difenílacetico usado na reação. Uma vez que as verrugas do ácido difenílacetic utilizado são conhecidas, o cálculo da concentração de n-BuLi é dado pela seguinte equação: ácido difenílacetic mmol/mL n-BuLi = molaridade da solução n-BuLi.

4. Adição de n-BuLi ao Benzaldeído(Figura 2)

Para um frasco de fundo redondo seco à chama equipado com uma barra de mexida sob n_2,adicione THF anidro (30 mL) e benzaldeído (3 mmol, 1 equiv.). Esfrie a solução para −78 °C.
Adicione n-BuLi (1.1 equiv.) e deixe a reação aquecida à temperatura ambiente.
Adicione nh₄cl saturado (aq., 10 mL) para saciar a reação e extrair a camada aquosa com éter dietil (2 x 25 mL).
Lave as camadas orgânicas combinadas com água (2 x 15 mL) e salmoura (1 x 20 mL).
Seque com Na₂SO₄, filtre e concentre as camadas orgânicas combinadas sob pressão reduzida para pagar o produto.

Figura 2. Adição de n -BuLi ao benzaldeído.

N-butyllithium, abreviado n-BuLi, é um reagente organolito que é frequentemente usado como base forte ou como nucleófilo.

N-butyllithium está comercialmente disponível como uma solução em alkanes como hexano ou heptano. Essas soluções são estáveis quando armazenadas adequadamente, mas ainda se degradam com o envelhecimento e exposição à água ou oxigênio.

Ao usar uma solução n-butílio para preparar di-isopropílamida de lítio, outro tipo de base forte, é essencial que uma quantidade precisa seja usada na reação. Por essa razão, os experimentos de titulação devem ser realizados antes de cada uso.

Este vídeo ilustrará os princípios do n-butyllithium, um procedimento para a titulação de uma solução n-butyllithium e seu uso em uma reação química, e várias aplicações.

N-butílio, uma cadeia de quatro carbonos com uma ligação carbono-lítio em uma extremidade, é usado como uma base brønsted forte e em reações de troca de lítio-halogênio, mas também pode ser usado como um nucleófilo ou como iniciador de polimerização na produção de elastômeros.

Para a maioria dos experimentos, apenas um leve excesso molar de n-butílio deve ser adicionado à mistura de reação. Adicionar pouco reagente resultará em uma reação incompleta, e adicionar um excesso muito grande pode resultar em produtos laterais indesejados. A quantidade precisa de solução n-butílio a ser adicionada é calculada através da realização de um experimento de titulação com ácido difenílaceso.

Agora que discutimos os princípios do n-butílio, vamos olhar para um procedimento para titulação de uma solução n-butílio, e para seu uso em uma reação química.

Primeiro, esfrie à temperatura ambiente um frasco de fundo redondo de 20 mL seco e mexa sob uma atmosfera de nitrogênio, em seguida, adicione ácido difenílacetic e 5 mL de tetrahidrofurano anidra.

Usando uma seringa de vidro graduada de 2 mL equipada com uma agulha, elavide uma solução molar de 2 mL 1,6 de n-butílioem hexanos, que está sob uma atmosfera de nitrogênio. Em seguida, insira a agulha no frasco contendo ácido difenílacetico. Enquanto mexe, adicione a solução n-butílio dropwise ao conteúdo do frasco, que deve ficar amarelo e depois voltar a incolor.

Continue adicionando a solução n-butyllithium até que a cor amarela profunda persista, indicando que o ponto final foi atingido. Observe quanto n-butílio foi adicionado, e divida 1,18, que é o número de milimoles de ácido difenílaces, por este número para calcular a concentração molar real.

Agora que calculamos a concentração real da solução n-butílio, estamos prontos para usá-la em um experimento. Esfrie à temperatura ambiente um frasco de fundo redondo de 100 mL seco à chama e mexa sob uma atmosfera de nitrogênio, em seguida, adicione benzaldeído em 20 mL de tetrahidrofurano anidra. Mexa o conteúdo a -78 graus Celsius em um banho seco de gelo/acetona.

Adicione n-butílio dropwise ao frasco.

Em seguida, usando cromatografia de camada fina, monitore o consumo de benzaldeído. Uma vez que a reação esteja completa, remova o frasco do banho resfriado e permita que ele atinja a temperatura ambiente. Em seguida, adicione 10 mL de cloreto de amônio aquoso saturado para saciar a reação. Em seguida, extraia a camada aquosa duas vezes com 25 meL de éter dietil. Misture as camadas orgânicas e lave duas vezes com 15 mL de água e, em seguida, uma vez com a solução de cloreto de sódio saturado de 15 mL.

Remova os traços de água das camadas orgânicas combinadas adicionando aproximadamente 1 g de sulfato de sódio, depois filtre o sólido e enxágue com éter dietil adicional. Concentre a mistura sob pressão reduzida para obter o produto. Deve ser um líquido incolor na aparência.

Agora que vimos um exemplo de procedimento laboratorial, vamos ver algumas aplicações úteis de n-butílio.

Os elastômeros são um tipo de polímero com propriedades seringueiras, e são úteis para muitos tipos de produtos, incluindo atuadores dielétricos. Uma quantidade catalítica de n-butílio é importante na produção de polibutadieno, por exemplo, por uma adição de Michael a um dos dois grupos de vinil de 1,4-butadieno, e o ânion resultante adicionando a uma segunda molécula de 1,4-butadieno, formando três possíveis produtos de adição.

Vinil e grupos aromáticos em produtos naturais e medicamentos farmacêuticos são muito comuns. Os halidos de vinil e aryl reagem com um equivalente molar de n-butílio em uma troca de lítio-halênio para gerar vinil e aritrítios, que podem deslocar um grupo de saída em um eletrofilme e formar uma nova ligação carbono-carbono.

Outra aplicação comum de n-butílio é como uma base forte de Brønsted para gerar um nucleófilo de carbono. Na síntese de clarinex, uma droga anti-histamínico, dois equivalentes de n-butílio são usados para remover um próton de um derivado picolina, gerando um nucleófilo de carbono, que desloca o grupo de saída em um cloreto de benzila para criar uma nova ligação carbono-carbono. A espécie resultante é então convertida em clarinex em quatro etapas.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE para n-Butyllithium Titration e Adição de n-Butyllithium ao Benzaldeído. Agora você deve entender os princípios do n-butílio, como realizar um experimento, e algumas de suas aplicações. Obrigado por assistir!

Results

Resultados representativos para a titulação de n-BuLi para Procedimentos 1-3

Etapa do procedimento	Cor da mistura de reação
1.1	Incolor
2.1	Amarelo, depois sem cor
2.2	Amarelo profundo
3.1	1,18 mmol ácido difenílacetic/1 mL n-BuLi = 1,18 M n-BuLi em hexanes

Mesa 1. Resultados representativos para procedimentos 1–3.

Applications and Summary

Neste experimento, demonstramos como determinar a concentração de uma solução n-BuLi usando ácido difenílacetico. Também realizamos uma reação adicionando n-BuLi ao benzaldeído.

Concentrações precisas de n-BuLisão importantes para sua aplicação bem sucedida em uma série de reações. n-BuLi é comumente usado em reações de troca de lítio-halogênio para preparar reagentes de aritílio ou vinillithium, que podem ser posteriormente usados em reações de formação de vínculoS C-C. Além disso, pode ser usado como base ou nucleófilo, dependendo das condições de reação.

Transcript

N-butyllithium, abbreviated n-BuLi, is an organolithium reagent that is frequently used as a strong base or as a nucleophile.

N-butyllithium is commercially available as a solution in alkanes such as hexane or heptane. These solutions are stable when properly stored, but still degrade upon aging and exposure to water or oxygen.

When using an n-butyllithium solution to prepare lithium di-isopropylamide, another type of strong base, it is essential that a precise amount is used in the reaction. For this reason, titration experiments must be performed prior to each use.

This video will illustrate the principles of n-butyllithium, a procedure for the titration of an n-butyllithiumsolution and its use in a chemical reaction, and several applications.

N-butyllithium, a four-carbon chain with a carbon-lithium bond at one end, is used as a strong Brønsted base and in lithium-halogen exchange reactions, but can also be used as a nucleophile or as a polymerization initiator in the production of elastomers.

For most experiments, only a slight molar excess of n-butyllithium must be added to the reaction mixture. Adding too little reagent will result in an incomplete reaction, and adding too large an excess may result in unwanted side products. The precise amount of n-butyllithium solution to be added is calculated by performing a titration experiment with diphenylacetic acid.

Now that we have discussed the principles of n-butyllithium, let’s look at a procedure for titration of an n-butyllithium solution, and for its use in a chemical reaction.

First, cool to room temperature a flame-dried 20-mL round-bottomed flask and stir bar under a nitrogen atmosphere, then add diphenylacetic acid and 5 mL anhydrous tetrahydrofuran.

Using a 2-mL graduated glass syringe fitted with a needle, draw up 2 mL 1.6 molar solution of n-butyllithium in hexanes, which is under a nitrogen atmosphere. Then insert the needle into the flask containing diphenylacetic acid. While stirring, add the n-butyllithium solution dropwise to the contents of the flask, which should turn yellow and then back to colorless.

Continue adding n-butyllithium solution until the deep yellow color persists, indicating the endpoint has been reached. Note how much n-butyllithium has been added, and divide 1.18, which is the number of millimoles of diphenylacetic acid, by this number to calculate the actual molar concentration.

Now that we have calculated the actual concentration of n-butyllithium solution, we are ready to use it in an experiment. Cool to room temperature a flame-dried 100-mL round-bottomed flask and stir bar under a nitrogen atmosphere, then add benzaldehyde in 20 mL anhydrous tetrahydrofuran. Stir the contents at -78 degrees Celsius in a dry ice/acetone bath.

Add n-butyllithium dropwise to the flask.

Then using thin-layer chromatography, monitor benzaldehyde consumption. Once the reaction is complete, remove the flask from the chilled bath and allow it to reach room temperature. Next, add 10 mL saturated aqueous ammonium chloride to quench the reaction. Then extract the aqueous layer twice with 25 mL diethyl ether. Combine the organic layers and wash twice with 15 mL water then once with 15 mL saturated sodium chloride solution.

Remove traces of water from the combined organic layers by adding approximately 1 g of sodium sulfate, then filter off the solid and rinse with additional diethyl ether. Concentrate the mixture under reduced pressure to obtain the product. It should be a colorless liquid in appearance.

Now that we have seen an example laboratory procedure, let’s see some useful applications of n-butyllithium.

Elastomers are a type of polymer having rubberlike properties, and are useful for many types of products, including dielectric actuators. A catalytic amount of n-butyllithium is important in the production of polybutadiene, for instance, by a Michael addition to one of the two vinyl groups of 1,4-butadiene, and the resulting anion adding to a second molecule of 1,4-butadiene, forming three possible addition products.

Vinyl and aromatic groups in natural products and pharmaceutical drugs are very common. Vinyl and aryl halides react with a molar equivalent of n-butyllithium in a lithium-halogen exchange to generate vinyl- and aryllithiums, which can displace a leaving group in an electrophile and form a new carbon-carbon bond.

Another common application of n-butyllithium is as a strong Brønsted base to generate a carbon nucleophile. In the synthesis of clarinex, an antihistamine drug, two equivalents of n-butyllithium are used to remove a proton from a picoline derivative, generating a carbon nucleophile, which displaces the leaving group in a benzyl chloride to create a new carbon-carbon bond. The resulting species is then converted to clarinex in four steps.

You’ve just watched JoVE’s introduction to n-Butyllithium Titration and Addition of n-Butyllithium to Benzaldehyde. You should now understand the principles of n-butyllithium, how to perform an experiment, and some of its applications. Thanks for watching!

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