引言：
正丁基锂作为一种重要的有机锂试剂，其反应机理在有机合成中具有重要意义。深入了解正丁基锂的反应机理可以帮助我们更好地理解其在化学合成中的应用和作用方式。
简介：
正丁基锂 (n-BuLi) ，分子式C4H9Li，分子量为64.05，是一种广泛应用于医药化工、液晶电子、橡胶、科研及食品添加剂等行业的阴离子聚合引发剂。其国际市场大部分被美国一些大型生产厂家垄断控制。
正丁基锂是有机化学中的一种强效试剂，可作为强碱和亲核试剂。它通过促进反应性有机锂化合物的形成，在许多反应中发挥着至关重要的作用。这些有机锂化合物随后可以参与碳-碳键的形成、去质子化和其他对构建复杂分子至关重要的转化。正丁基锂的结构如下：
1. 正丁基锂的反应机理
正丁基锂的反应是什么？丁基锂是一种强碱（pKb ≈ -36），但它也是一种强亲核试剂和还原剂，具体取决于其他反应物。此外，除了是一种强亲核试剂外，正丁基锂还与非质子路易斯碱（如醚和叔胺）结合，这些碱通过与锂中心结合而部分分解簇。将其用作强碱称为金属化。反应通常在四氢呋喃和乙醚中进行，它们是所得有机锂衍生物的良好溶剂（见下文）。
（1）金属化
正丁基锂最有用的化学性质之一是它能够使多种弱布朗斯台德酸脱质子。n-BuLi 可以去质子化（即金属化）许多类型的 C-H 键，尤其是当共轭碱基通过电子离域或一个或多个杂原子（非碳原子）稳定时。例子包括乙炔（H-CC-R）、甲基硫化物（H-CH2SR）、硫缩醛（H-CH(SR)2，例如二噻烷）、甲基膦（H-CH2PR2）、呋喃、噻吩和二茂铁（Fe(H-C5H4)(C5H5)）。除此之外，它还会去质子化所有酸性更强的化合物，如醇、胺、可烯醇化的羰基化合物和任何明显的酸性化合物，分别生成锂的醇盐、酰胺、烯醇盐和其他盐。
LiC4H9 + RH → C4H10 + RLi
n-BuLi 的动力学碱度受溶剂或助溶剂的影响。四氢呋喃 (THF)、四甲基乙二胺 (TMEDA)、六甲基磷酰胺 (HMPA) 和 1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷 (DABCO) 等与 Li+ 络合的配体进一步极化了 Li-C 键并加速了金属化。
使用正丁基锂作为碱的一个例子是将胺添加到碳酸甲酯中以形成氨基甲酸甲酯，其中正丁基锂用于使胺去质子化：
n-BuLi + R2NH + (MeO)2CO → R2NCO2Me + LiOMe + BuH
（2）卤素-锂交换
丁基锂与一些有机溴化物和碘化物发生交换反应，形成相应的有机锂衍生物。该反应通常不适用于有机氯化物和氟化物：
C4H9Li + RX → C4H9X + RLi (X = Br, I)
这种锂-卤素交换反应可用于制备几种类型的 RLi 化合物，特别是芳基锂和一些乙烯基锂试剂。然而，这种方法的实用性受到很大限制，因为反应混合物中存在 n-BuBr 或 n-BuI，它们可以与形成的 RLi 试剂发生反应，并且存在竞争性脱氢卤化反应，其中 n-BuLi 充当碱：
（3）金属交换反应
金属交换反应是一类相关的反应，其中两种有机金属化合物交换金属。此类反应的许多例子涉及锂与锡的交换：
C4H9Li + Me3SnAr → C4H9SnMe3 + LiAr
（4）羰基加成
有机锂试剂（包括正丁基锂）用于合成特定的醛和酮。其中一种合成途径是有机锂试剂与二取代酰胺的反应：
R1Li + R2CONMe2 → LiNMe2 + R2C(O)R1
（5）THF 的降解
THF 被丁基锂去质子化，尤其是在 TMEDA 存在的情况下，会失去四个与氧相邻的质子中的一个。该过程消耗丁基锂生成丁烷，引发开环，生成乙醛和乙烯的烯醇盐。 因此，丁基锂在 THF 中的反应通常在低温下进行，例如 -78℃，这可以通过干冰和丙酮的冷冻浴方便地产生。也可以使用更高的温度（-25℃ 甚至 -15℃）。
（6）热分解
加热时，n-BuLi 与其他具有“β-氢”的烷基锂试剂类似，发生 β-氢化物消除，生成 1-丁烯和氢化锂 (LiH)：
C4H9Li → LiH + CH3CH2CH=CH2
2. 正丁基锂与苯的反应
尝试将功能团添加到苯中可能最不明显的方法是将其去质子化。尽管如此，强碱（例如烷基锂）确实具有足够高的 pKa 来使苯去质子化。不幸的是，丁基锂 + 苯不会以任何可观的速率发生反应；这是一个动力学问题，而不是热力学问题。
然而这并非毫无希望。如果苯环上已经有一个能够与有机金属的金属配位的基团，那么非常强的碱就会使环脱质子化。由于与金属原子的配位对于以任何速率发生脱质子化至关重要，因此脱质子化是邻位的。
3. 处理正丁基锂的安全注意事项
（1）N-丁基锂是一种自燃试剂，必须在严格干燥的条件下处理，以防止其在暴露于空气时着火。通常，N-丁基锂溶液通过注射器或套管技术从其原始容器转移到惰性气体（氮气或氩气）下的火焰干燥反应容器中。
（2）为了防止原瓶内的正丁基锂溶液也暴露在空气中，取出的试剂体积用氮气或氩气代替。无水溶剂也可用于烷基锂化合物的反应，以尽量减少由于溶剂中存在水而导致的试剂降解。
（3）当正丁基锂在制备或储存过程中暴露于空气或水分时，其浓度可能会降低，导致反应中使用的量不准确。使用部分降解的正丁基锂溶液会导致产量低下，产生更多的副产物，需要更复杂和耗时的净化，并可能导致合成失败。
（4）正丁基锂的包装应足够坚固，以在运输过程中保护材料，同时还应使试剂在重复使用时尽可能保持干燥。
4. 结论
了解 n-BuLi 的反应机制对于有机合成至关重要。通过了解所涉及的详细步骤，化学家可以优化反应条件、预测产品结果并开发新的合成策略。这些知识可以更精细地控制有机锂中间体的反应性，从而更高效、更有选择性地合成所需的有机分子。
参考：
[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
[6]张江林. 正丁基锂的纯化方法:CN200610052313.7[P]. 2008-01-09.
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