Butyllithium is een sterke base (pKa ≈ 50), maar het is ook een krachtig nucleofiel en reductiemiddel, afhankelijk van de andere reactanten. Bovendien bindt n-BuLi niet alleen een sterk nucleofiel, maar ook aan aprotische Lewisbasen, zoals ethers en tertiaire aminen, die de clusters gedeeltelijk opsplitsen door zich aan de lithiumcentra te binden. Het gebruik als een sterke base wordt metalering genoemd. De reacties worden meestal uitgevoerd in tetrahydrofuraan en diethylether, die goede oplosmiddelen zijn voor de resulterende organolithiumderivaten (zie hieronder).
MetallatieEdit
Een van de nuttigste chemische eigenschappen van n-BuLi is zijn vermogen om een groot aantal zwakke Brønsted-zuren te deprotoneren. t-Butyllithium en s-butyllithium zijn meer basisch. n-BuLi kan vele soorten C-H-bindingen deprotoneren (dat wil zeggen metaleren), vooral wanneer de geconjugeerde base wordt gestabiliseerd door elektrondelokalisatie of een of meer heteroatomen (niet-koolstofatomen). Voorbeelden zijn acetyleen (H-CC-R), methylsulfide (H-CH2SR), thioacetaal (H-CH(SR)2, b.v. dithaan), methylfosfine (H-CH2PR2), furaan, thiofeen en ferroceen (Fe(H-C5H4)(C5H5)). Daarnaast zal het ook alle zuurdere verbindingen deprotoneren, zoals alcoholen, aminen, enoliseerbare carbonylverbindingen en alle openlijk zure verbindingen, om respectievelijk alkoxiden, amiden, enolaten en andere -aten van lithium te produceren. De stabiliteit en vluchtigheid van het butaan dat resulteert uit dergelijke deprotonatiereacties is handig, maar kan ook een probleem zijn voor grootschalige reacties vanwege het volume van een brandbaar gas dat wordt geproduceerd.
LiC4H9 + R-H → C4H10 + R-Li
De kinetische basiciteit van n-BuLi wordt beïnvloed door het oplosmiddel of cosolvent. Liganden die Li + zoals tetrahydrofuraan (THF), tetramethyleendiamine (TMEDA), hexamethylfosforamide (HMPA), en 1,4-diazabicyclooctaan (DABCO) complexeren verder polariseren de Li-C binding en versnellen de metalation. Dergelijke additieven kunnen ook helpen bij de isolatie van het gelithiseerde product, waarvan dilithioferroceen een beroemd voorbeeld is.
Fe(C5H5)2 + 2 LiC4H9 + 2 TMEDA → 2 C4H10 + Fe(C5H4Li)2(TMEDA)2
Schlosser’s base is een superbase die wordt geproduceerd door butyllithium te behandelen met kalium-tert-butoxide. Hij is kinetisch reactiever dan butyllithium en wordt vaak gebruikt om moeilijke metallaties tot stand te brengen. Het butoxide-anion complexeert het lithium en produceert effectief butylkalium, dat reactiever is dan het overeenkomstige lithiumreagens.
Een voorbeeld van het gebruik van n-butyllithium als base is de additie van een amine aan methylcarbonaat om een methylcarbamaat te vormen, waarbij n-butyllithium dient om het amine te deprotoneren:
n-BuLi + R2NH + (MeO)2CO → R2N-CO2Me + LiOMe + BuH
Halogeen-lithium uitwisselingEdit
Butyllithium reageert met sommige organische bromiden en jodiden in een uitwisselingsreactie om het overeenkomstige organolithiumderivaat te vormen. De reactie mislukt gewoonlijk met organische chloriden en fluoriden:
C4H9Li + RX → C4H9X + RLi (X = Br, I)
Deze lithium-halogeen-uitwisselingsreactie is nuttig voor de bereiding van verschillende soorten RLi-verbindingen, met name aryllithium en sommige vinyllithiumreagentia. Het nut van deze methode wordt echter aanzienlijk beperkt door de aanwezigheid in het reactiemengsel van n-BuBr of n-BuI, die kunnen reageren met het gevormde RLi-reagens, en door concurrerende dehydrohalogeneringsreacties, waarbij n-BuLi als base fungeert:
2 C4H9Br + RLi → 2 C4H9R + LiBr 2 C4H9Li + R’CH=CHBr → 2 C4H10 + R’C≡CLi + LiBr
Deze nevenreacties zijn voor RI aanzienlijk minder belangrijk dan voor RBr, aangezien de jood-lithium-uitwisseling verscheidene orden van grootte sneller verloopt dan de broom-lithium-uitwisseling. Daarom wordt de voorkeur gegeven aan aryl-, vinyl- en primaire alkyljodiden en wordt meestal t-BuLi in plaats van n-BuLi gebruikt, aangezien het gevormde t-BuI onmiddellijk door t-BuLi wordt vernietigd in een dehydrohalogeneringsreactie (waarvoor dus 2 equiv. t-BuLi nodig is). Als alternatief kunnen vinyl-lithiumreagentia worden gegenereerd door directe reactie van het vinylhalogenide (b.v. cyclohexenylchloride) met lithium of door tin-lithiumuitwisseling (zie volgende sectie).
TransmetalatiesEdit
Een verwante familie van reacties zijn de transmetalaties, waarbij twee organometaalverbindingen hun metalen uitwisselen. Veel voorbeelden van dergelijke reacties betreffen de uitwisseling van Li met Sn:
C4H9Li + Me3SnAr → C4H9SnMe3 + LiAr waarbij Ar aryl is en Me methyl
De tin-lithiumwisselingsreacties hebben één groot voordeel boven de halogeen-lithiumwisselingen voor de bereiding van organolithiumreagentia, in die zin dat de producttinverbindingen (C4H9SnMe3 in bovenstaand voorbeeld) veel minder reactief zijn ten opzichte van lithiumreagentia dan de halogenideproducten van de overeenkomstige halogeen-lithiumwisselingen (C4H9Br of C4H9Cl) zijn. Andere metalen en metalloïden die dergelijke uitwisselingsreacties ondergaan zijn organische verbindingen van kwik, selenium, en tellurium.
Carbonyl additiesEdit
Organolithium reagentia, met inbegrip van n-BuLi worden gebruikt in de synthese van specifieke aldehyden en ketonen. Een dergelijke synthetische route is de reactie van een organolithiumreagens met gedesubstitueerde amiden:
R1Li + R2CONMe2 → LiNMe2 + R2C(O)R1
Afbraak van THFEdit
THF wordt gedeprotoneerd door butyllithium, vooral in aanwezigheid van TMEDA, door verlies van een van de vier aan zuurstof grenzende protonen. Dit proces, waarbij butyllithium wordt verbruikt om butaan te genereren, induceert een ringopening om enolaat van acetaldehyde en ethyleen te geven. Daarom worden reacties van BuLi in THF meestal uitgevoerd bij lage temperaturen, zoals -78 °C, wat gemakkelijk kan worden bereikt met een vriesbad van droog ijs/aceton. Hogere temperaturen (-25 °C of zelfs -15 °C) worden ook gebruikt.
Thermische ontledingEdit
Bij verhitting ondergaat n-BuLi, analoog aan andere alkyllithiumreagentia met “β-hydrogenen”, β-hydride eliminatie om 1-buteen en lithiumhydride (LiH) te produceren:
C4H9Li → LiH + CH3CH2CH=CH2