Butyllithium er en stærk base (pKa ≈ 50), men det er også en stærk nukleofil og reduktant, afhængigt af de andre reaktanter. Desuden binder n-BuLi, ud over at være en stærk nukleofil, til aprotiske Lewisbaser, såsom ethere og tertiære aminer, som delvist opløser klyngerne ved at binde sig til lithiumcentrene. Dets anvendelse som en stærk base kaldes metallisering. Reaktioner udføres typisk i tetrahydrofuran og diethylether, som er gode opløsningsmidler for de resulterende organolithiumderivater (se nedenfor).
MetalliseringRediger
En af de mest nyttige kemiske egenskaber ved n-BuLi er dets evne til at deprotonere en lang række svage Brønsted-syrer. t-butyllithium og s-butyllithium er mere basiske. n-BuLi kan deprotonere (dvs. metallisere) mange typer af C-H-bindinger, især hvor den konjugerede base er stabiliseret af elektrondelokalisering eller et eller flere heteroatomer (ikke-kulstofatomer). Som eksempler kan nævnes acetylener (H-CC-R), methylsulfider (H-CH2SR), thioacetaler (H-CH(SR)2, f.eks. dithiane), methylphosphiner (H-CH2PR2), furaner, thiophener og ferrocen (Fe(H-C5H4)(C5H5)). Ud over disse vil den også deprotonere alle mere sure forbindelser, såsom alkoholer, aminer, enoliserbare carbonylforbindelser og alle åbenlyst sure forbindelser, for at fremstille henholdsvis alkoxider, amider, enolater og andre -ater af lithium. Stabiliteten og flygtigheden af den butan, der fremkommer ved sådanne deprotoneringsreaktioner, er praktisk, men kan også være et problem ved reaktioner i stor skala på grund af mængden af en brændbar gas, der produceres.
LiC4H9 + R-H → C4H10 + R-Li
Den kinetiske basiskhed af n-BuLi påvirkes af opløsningsmidlet eller cosolventet. Ligander, der kompleksiserer Li+ som f.eks. tetrahydrofuran (THF), tetramethylethylendiamin (TMEDA), hexamethylphosphoramid (HMPA) og 1,4-diazabicyclooctan (DABCO) polariserer Li-C-bindingen yderligere og fremskynder metalliseringen. Sådanne additiver kan også hjælpe med at isolere det lithiatiserede produkt, hvoraf et berømt eksempel er dilithioferrocen.
Fe(C5H5)2 + 2 LiC4H9 + 2 TMEDA → 2 C4H10 + Fe(C5H4Li)2(TMEDA)2
Schlosser’s base er en superbase fremstillet ved behandling af butyllithium med kaliumtert-butoxid. Den er kinetisk mere reaktiv end butyllithium og anvendes ofte til at opnå vanskelige metalliseringer. Butoxidanionen komplekserer lithiumet og producerer effektivt butylkalium, som er mere reaktivt end det tilsvarende lithiumreagens.
Et eksempel på anvendelse af n-butyllithium som base er addition af en amin til methylcarbonat for at danne et methylcarbamat, hvor n-butyllithium tjener til at deprotonere aminen:
n-BuLi + R2NH + (MeO)2CO → R2N-CO2Me + LiOMe + BuH
Halogen-lithium-udvekslingRediger
Butyllithium reagerer med nogle organiske bromider og jodider i en udvekslingsreaktion for at danne det tilsvarende organolithiumderivat. Reaktionen mislykkes normalt med organiske chlorider og fluorider:
C4H9Li + RX → C4H9X + RLi (X = Br, I)
Denne lithium-halogen-udvekslingsreaktion er nyttig til fremstilling af flere typer RLi-forbindelser, især aryllithium og nogle vinyllithiumreagenser. Nytteværdien af denne metode er imidlertid betydeligt begrænset af tilstedeværelsen i reaktionsblandingen af n-BuBr eller n-BuI, som kan reagere med det dannede RLi-reagens, og af konkurrerende dehydrohalogeneringsreaktioner, hvor n-BuLi tjener som base:
2 C4H9Br + RLi → 2 C4H9R + LiBr 2 C4H9Li + R’CH=CHBr → 2 C4H10 + R’C≡CLi + LiBr
Disse sidereaktioner er betydeligt mindre vigtige for RI end for RBr, da jod-lithium-udvekslingen er flere størrelsesordener hurtigere end brom-lithium-udvekslingen. Af disse grunde er aryl-, vinyl- og primære alkyljodider de foretrukne substrater, og der anvendes normalt t-BuLi snarere end n-BuLi, da det dannede t-BuI straks ødelægges af t-BuLi i en dehydrohalogeneringsreaktion (hvilket kræver 2 ækvivalenter t-BuLi). Alternativt kan vinyllitiumreagenser dannes ved direkte reaktion af vinylhalogenidet (f.eks. cyclohexenylchlorid) med lithium eller ved tin-lithium-udveksling (se næste afsnit).
TransmetaliseringerRediger
En beslægtet familie af reaktioner er transmetaliseringer, hvor to organometalliske forbindelser udveksler deres metaller. Mange eksempler på sådanne reaktioner omfatter Li-udveksling med Sn:
C4H9Li + Me3SnAr → C4H9SnMe3 + LiAr hvor Ar er aryl og Me er methyl
Tin-lithium-udvekslingsreaktionerne har en stor fordel i forhold til halogen-lithium-udvekslingerne til fremstilling af organolithiumreagenser, idet tinforbindelserne (C4H9SnMe3 i ovenstående eksempel) er langt mindre reaktive over for lithiumreagenser end halogenidprodukterne fra de tilsvarende halogen-lithium-udvekslinger (C4H9Br eller C4H9Cl). Andre metaller og metalloider, der undergår sådanne udvekslingsreaktioner, er organiske forbindelser af kviksølv, selen og tellur.
CarbonyladditionerRediger
Organolithiumreagenser, herunder n-BuLi, anvendes ved syntese af specifikke aldehyder og ketoner. En sådan syntetisk vej er reaktionen af et organolithiumreagens med disubstituerede amider:
R1Li + R2CONMe2 → LiNMe2 + R2C(O)R1
Nedbrydning af THFEdit
THF deprotoneres af butyllithium, især i tilstedeværelse af TMEDA, ved tab af en af fire protoner, der støder op til oxygen. Denne proces, som forbruger butyllithium for at generere butan, inducerer en ringåbning for at give enolat af acetaldehyd og ethylen. Derfor udføres reaktioner af BuLi i THF typisk ved lave temperaturer, f.eks. -78 °C, som det er praktisk muligt at opnå ved et frysebad af tøris/acetone. Højere temperaturer (-25 °C eller endog -15 °C) anvendes også.
Termisk nedbrydningRediger
Ved opvarmning undergår n-BuLi, analogt med andre alkyllithiumreagenser med “β-hydrogener”, β-hydrid-eliminering til fremstilling af 1-buten og lithiumhydrid (LiH):
C4H9Li → LiH + CH3CH2CH=CH2