Οργανολιθιακές ενώσεις

Οι οργανολιθιακές ενώσεις ονομάζονται οι οργανομεταλλικές ενώσεις που περιέχουν τουλάχιστον έναν  δεσμό άνθρακα (C) - λιθίου (Li). Πρόκειται για σημαντικά αντιδραστήρια για την οργανική σύνθεση, αφού χρησιμοποιούνται συχνά για τη μεταφορά οργανικών ομάδων ή ατόμων λιθίου σε άλλες ουσίες, μέσω της πυρηνόφιλης προσθήκης ή με απλή αποπρωτονίωση. 
Οι οργανολιθιακές ενώσεις χρησιμοποιούνται από τη βιομηχανία ως μέσο έναρξης ανιονικού πολυμερισμού, που οδηγεί στην παραγωγή διαφόρων ελαστομερών. Χρησιμοποιούνται ακόμη σε εφαρμογές ασυμμετρικής σύνθεσης  (κυρίως) από τη βιομηχανία φαρμάκων. 
Εξαιτίας της μεγάλης διαφοράς ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ άνθρακα και λιθίου (2,55 για τον άνθρακα έναντι 0,98 για το λίθιο, αντιστοίχως) ο δεσμός C - Li είναι σε μεγάλο ποσοστό ιονικός. Για το λόγο αυτό, οι έντονα πολωμένοι δεσμοί C - Li, των οργανολιθιακών ενώσεων αποτελούν καλά πυρηνόφιλα αντιδραστήρια και ισχυρές βάσεις (κατά Λιούις). Πολλά οργανολιθιακά αντιδραστήρια είναι εμπορικά διαθέσιμα (και) για εργαστηριακή οργανική σύνθεση σε μορφή διαλυμάτων (συνήθως σε άνυδρο διαιθυλαιθέρα, |Et₂O|). Αυτά τα αντιδραστήρια είναι πολύ δραστικά, ενίοτε και πυροφορικά.

Ιστορία και εξέλιξη

Οι έρευνες πάνω στις οργανολιθιακές ενώσεις ξεκίνησαν το 1930, με πρωτοπόρους τους Καρλ Ζίγκλερ (Karl Ziegler), Γκεόργ Βίττινγκ (Georg Wittig) και ο Χένρυ Γκίλμαν (Henry Gilman). Σε σύγκριση με τις οργανομαγνησιακές ενώσεις (που άρχισαν να ερευνώνται προγενέστερα), οι οργανολιθιακές ενώσεις μπορούν να προσφέρουν (πρακτικά) τις ίδιες αντιδράσεις με αυξημένες ταχύτητες αντίδρασης και με υψηλότερες αποδόσεις, (ιδιαίτερα) στις αντιδράσεις μετάλλωσης (δηλαδή στην εισαγωγή ατόμων μετάλλων ή και μεταλλοειδών σε διάφορες ομάδες). Από τότε που ανακαλύφθηκαν, οι οργανολιθιακές ενώσεις (σταδιακά) αντικατέστησαν τις οργανομαγνησιακές ως χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια.

Δομή

Παρόλο που τα απλά αλκυλολιθιακά χημικά είδη συχνά παριστάνονται (για λόγους απλοποίησης) ως μονομερή (RLi), στην πραγματικότητα υπάρχουν ως ολιγομερή ή ως πολυμερή. Ο βαθμός πολυμερισμού εξαρτάται από τον οργανικό υποκαταστάτη και την παρουσία άλλων συναρμοτών. Αυτές οι δομές έχουν ερευνηθεί με μια ποικιλία μεθόδων, με πιο αξιοσημείωτες τη φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού ⁶Li, ⁷Li, και ¹³C, καθώς και ανάλυσης περίθλασης ακτίνων Χ. Η υπολογιστική χημεία υποστηρίζει τις σχετικές έρευνες.

Φύση δεσμού C - Li

Η μεγάλη διαφορά ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ άνθρακα και λιθίου έχει ως συνέπεια τη μεγάλη πολικότητα του δεσμού C - Li. Ωστόσο, η υψηλή διαλυτότητα ορισμένων οργανολιθιακών ενώσεων σε μη πολικούς διαλύτες περιπλέκει αυτό το ζήτημα. Παρόλο που τα περισσότερα δεδομένα δείχνουν ότι ο δεσμός C - Li είναι ουσιαστικά ετεροπολικός, υπάρχει διαφωνία για το κατά πόσο υφίσταται και ένα μικρό ποσοστό ομοιοπολικότητας στο δεσμό αυτό. Μια εκτίμηση θεωρεί ότι το ποσοστό ετεροπολικότητας του δεσμού αυτού είναι μεταξύ 80 και 88%.

Στις αλλυλολιθιακές ενώσεις, το κατιόν λιθίου συναρμόζεται στο μέτωπο του π δεσμού σε μια η³ θέση αντί να συναρμόζεται σε κάποιο εντοπισμένο καρβανιονικό κέντρο. ΄Ετσι, τα αλλυλολίθια είναι συχνά λιγότερο δραστικά σε σύγκριση με τα αλκυλολίθια. Στα δε αρυλιθιακά σύμπλοκα, το κατιόν λιθίου συναρμόζεται σε ένα απλό καρβανιονικό κέντρο μέσω ενός σ δεσμού Li - C.

Δομή στερεάς κατάστασης

Όπως και στα άλλα χημικά είδη που αποτελούνται από πολικές υπομονάδες, τα οργανολιθιακά χημικά είδη σχηματίζουν συμπλέγματα.
Ο σχηματισμός αυτών των συμπλεγμάτων επηρεάζεται από ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις, την (τυχούσα) συναρμογή μεταξύ λιθίου και περιβαλλόντων μορίων διαλύτη ή πολικών προσθέτων, καθώς και από στερεοχημικά φαινόμενα.
Μια βασική δομική υπομονάδα κατά τη διάρκεια πιο πολύπλοκων δομών αποτελεί ένα καρβανιονικό κέντρο που αλληλεπιδρά με μια τριγωνική ομάδα Li₃, σε μια η³ θέση. Σε απλά αλκυλολίθια, αυτά τα τριγωνικά συμπλέγματα σχηματίζουν τετραεδρικές ή οκταεδρικές δομές. Για παράδειγμα, το μεθυλολίθιο (MeLi), το αιθυλολίθιο (EtLi) και το τριτοταγές βουτυλολίθιο (tBuLi) υπάρχουν σε τετραμερή δομή, γενικού τύπου [RLi]₄. Το μεθυλολίθιο υπάρχει σε τετραμερή, σε ένα σύμπλεγμα τύπου κυβανίου, στη στερεή κατάσταση, με τα τέσσερα (4) τριλιθιακά  κέντρα να σχηματίζουν ένα (νοητό) τετράεδρο. Κάθε μεθανίδιο (CH₃⁻) στο τετραμερές μπορεί να αλληλεπιδρά επίσης με τα κατιόντα λιθίου των διπλανών τετραμερών. Από την άλλη μεριά, στο αιθυλολίθιο και στο τριτοταγές βουτυλολίθιο δεν υπάρχει τέτοια αντίστοιχη αλληλεπίδραση και γι'  αυτό είναι διαλυτά σε μη πολικούς διαλύτες, όπως υδρογονάνθρακες. Μια άλλη κλάση αλκυλολιθίων υιοθετούν οκταεδρικές εξαμερείς δομές, γενικού τύπου [RLi]₆. Σε αυτήν την κλάση (για παράδειγμα) ανήκουν το βουτυλολίθιο (BuLi), το ισοπροπυλολίθιο (iPrLi) και το κυκλοεξυλολίθιο (C₆H₁₁Li).
Κοινά λιθιαμίδια, όπως για παράδειγμα το λιθιοδι(τριμεθυλοσιλυλ)αμίδιο [LiN(SiMe₃)₂] και το λιθιοδιισοπροπυλαμίδιο [LiN(iPr)₂], παρόλο που δεν ανήκουν στις οργανολιθιακές ενώσεις (με βάση τον ορισμό των τελευταίων, εφόσον διαθέτουν δεσμό Li - N και όχι Li - C), υιοθετούν επίσης την ίδια δομή. Τα λιθιαμίδια, τόσο στη στερεή κατάσταση όσο και όταν βρίσκονται σε διάλυση σε μη πολικούς διαλύτες, υιοθετούν την πολυμερική δομή τύπου σκάλας. Γενικά υπάρχουν στη μορφή διμερών, σε αιθερικούς διαλύτες. Παρουσία συναρμοτών που είναι ισχυροί δότες ηλεκτρονιακών ζευγών, σχηματίζουν τριμερή και τετραμερή κέντρα λιθίου. 
Για παράδειγμα, το λιθιοδιισοπροπυλαμίδιο (LDA) υπάρχει κυρίως στη μορφή διμερών μορίων, όταν βρίσκεται σε διάλυση σε τετραϋδροφουράνιο (THF). Οι δομές των κοινών λιθιαμιδίων, όπως το λιθιοδιισοπροπυλαμίδιο και το λιθιεξαμεθυλοδισιλαζίδιο (LiHMDS) έχουν μελετηθεί επισταμένα από τους Κόλλουμ και συνεργάτες (Collum and coworkers), χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR). Μια άλλη σημαντική κατηγορία λιθιούχων αντιδραστηρίων αποτελούν τα σιλυλολίθια, που περιέχουν έναν τουλάχιστον δεσμό Li - Si, που χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση οργανομεταλλικών συμπλόκων και δενδριμερών πολυσιλανίου. 
Σε αντιδιαστολή με τα αλκυλολίθια, τα περισσότερα σιλυλολίθια τείνουν να σχηματίζουν μονομερείς δομές που συναρμόζονται με μόρια διαλύτη, όπως το τετραϋδροφουράνιο και μόνο λίγα σιλυλολίθια έχουν χαρακτηριστεί ότι σχηματίζουν ανώτερα συμπλέγματα. 
Αυτή η διαφορά μπορεί να προέρχεται από τη μέθοδο παρασκευής των σιλυλολιθίων, την παρεμπόδιση που προκαλείται από ογκώδεις αλκυλυποκαταστάτες στο άτομο του πυριτίου που ενώνεται με το άτομο λιθίου και από τη λιγότερο πολωμένη φύση των δεσμών Li - Si, λόγω μικρότερης διαφοράς ηλεκτραρνητικότητας λιθίου και πυριτίου, σε σύγκριση με τους δεσμούς Li - C, αφού η διαφορά ηλεκτραρνητικότητας λιθίου και άνθρακα είναι σημαντικά μεγαλύτερη. Η προσθήκη συναρμοτών που είναι ισχυροί δότες ηλεκτρονιακών ζευγών, όπως  TMEDA και (-)-σπαρτεΐνη, μπορούν να αντικαταστήσουν τα συναρμοσμένα μόρια διαλυτών σε σιλυλολίθια.

Δομή και χημική δραστικότητα

Καθώς οι δομές των οργανολιθακών αντιδραστηρίων μεταβάλλονται ανάλογα με το χημικό περιβάλλον τους, το ίδιο μεταβάλλονται τόσο η χημική δραστικότητά τους όσο και η εκλεκτικότητά τους.
Μια ερώτηση που περιβάλλει τη σχέση δομής και χημικής δραστικότητας είναι το αν υπάρχει συσχέτιση ανάμεσα στο βαθμό συγκροτηματοποίησης και τη χημική δραστικότητα των οργανολιθιακών ενώσεων. Συνήθως προτείνεται ότι ο χαμηλότερος βαθμός συγκροτηματοποίησης αυξάνει τη δραστικότητα των αλκυλολιθίων.
Ωστόσο, έχουν ανακαλυφθεί αντιδραστικές οδοί στις οποίες τα διμερή ή άλλα ολιγομερή είναι τα αντιδρώντα χημικά είδη. Για τα λιθιαμίδια όπως το λιθιοδιισοπροπυλαμίδιο [LiN(iPr)₂], οι αντιδράσεις που βασίζονται σε διμερή είναι συνηθισμένες.
Μια σειρά μελετών κινητικής διαλυμάτων του διισοπροπυλαμιδίου προτείνουν ότι η χαμηλότερη συγκροτηματοποίηση των ενολών δεν οδηγεί απαραίτητα σε υψηλότερη χημική δραστικότητα.
Επίσης, η παρουσία ορισμένων βάσεων κατά Λιούις αυξάνει τη χημική δραστικότητα των οργανολιθιακών ενώσεων. 
Ωστόσο, ενίοτε αυτά τα πρόσθετα λειτουργούν ως ισχυροί χηλικοί συναρμοτές, οπότε είναι μη ξεκάθαρο το πώς παρατηρείται αύξηση της δραστικότητας σχετιζόμενης με τις αλλαγές στη συγκροτηματοποίηση που προκαλείται από την παρουσία αυτών των πρόσθετων.
Για παράδειγμα η TMEDA αυξάνει τις ταχύτητες αντίδρασης και την αποτελεσματικότητα πολλών χημικών αντιδράσεων που εμπλέκουν οργανολιθιακές αντιδράσεις.
Έναντι αλκυλολιθιακών αντιδραστηρίων η TMEDA λειτουργεί ως δότης συναρμοτή, μειώνοντας το βαθμό της συγκροτηματοποίησης. Ακόμη, αυξάνει τη πυρηνοφιλικότητα αυτών των χημικών ειδών (δηλαδή των οργανολιθιακών αντιδραστηρίων).
Ωστόσο,  η TMEDA δεν λειτουργεί πάντα ως δότης συναρμοτή έναντι του κατιόντος λιθίου, ιδιαίτερα σε περιπτώσεις που υπάρχουν κέντρα ανιονικού οξυγόνου ή και αζώτου.  Για παράδειγμα, μόνο ασθενώς επιδρά με το LDA και το LiHMDS, ακόμη και σε υδρογονάνθρακες ως διαλύτες, (δηλαδή) χωρίς ανταγωνισμό σε δότες συναρμοτών.
Σε λιθίωση ιμίνης, ενώ το THF δρα ως ισχυρός δότης συναρμοτή σε LiHMDS, η ασθενώς συναρμόζουσα 
TMEDA γρήγορα διίσταται από το LiHMDS, οδηγώντας στο σχηματισμό διμερών LiHMDS που είναι πιο δραστικά χημικά είδη. Έτσι, (τουλάχιστον) στην περίπτωση του LiHMDS, η TMEDA δεν αυξάνεται η χημική δραστικότητα μειώνοντας το επίπεδο συγκροτηματοποίησης.
Επίσης, όπως παρατηρείται σε απλές αλκυλολιθιακές ενώσεις, η TMEDA δεν αποσυγκροτηματοποιεί το ακετοφαινολικό λίθιο σε διάλυμα THF. 
Η προσθήκη HMPA σε λιθιαμίδια όπως το LiHMDS και το LDA συχνά καταλήγει σε ένα μείγμα διμερών και μονομερών συγκροτημάτων σε THF. Ωστόσο, η αναλογία διμερών και μονομερών χημικών ειδών δεν αλλάζει με την αύξηση της συγκέντρωσης HMPA, οπότε η παρατηρούμενη αύξηση στη χημική δραστικότητα δεν είναι αποτέλεσμα αποσυγκροματοποίησης. Ο μηχανισμός με τον οποίο αυτά τα πρόσθετα αυξάνουν τη χημική δραστικότητα είναι ακόμη ερευνηταία.

Παραγωγή

Οι περισσότερες αλκυλολιθιακές ενώσεις και τα συνηθισμένα λιθιαμίδια είναι εμπορικά διαθέσιμα σε μια ποικιλία διαλυτών και σε ποικιλία συγκεντρώσεων. Ωστόσο, αυτές οι ενώσεις μπορούν επίσης να παραχθούν εργαστηριακά. Παρακάτω αναφέρονται κάποιες συνηθισμένες μέθοδοι για την παραγωγή οργανολιθιακών ενώσεων:

Άμεση αντίδραση με μεταλλικό λίθιο

Η αναγωγή αλκυλαλογονιδίων με μεταλλικό λίθιο μπορεί να αποδώσει απλές αλκυλολιθιακές (RLi) και αρυλολιθιακές ενώσεις (AᵣLi):
Η βιομηχανική παραγωγή οργανολιθιακών ενώσεων επιτυγχάνεται με αυτήν τη μέθοδο, επιδρώντας τα αντίστοιχα αλκυλοχλωριδίων (RCl) σε μεταλλικό λίθιο που περιέχει 0.5-2% νάτριο. Η αντίδραση αυτή είναι πολύ εξώθερμη. Η παρουσία του νατρίου βοηθάει την έναρξη της αντίδρασης ελευθέρων ριζών και την επιταχύνει. 
Η αναγωγή αυτή προχωρά μέσω παραγωγικής οδού ελευθέρων ριζών. Μερικές φορές το μεταλλικό μέταλλο σε μορφή λεπτής σκόνης χρησιμοποιείται για αναγωγή μαζί με ορισμένους καταλύτες, όπως το ναφθαλίνιο ή το 4,4΄-δι(τριτοταγές βουτυλο)διφαινύλιο (DTBB). Παρακάτω παρουσιάζεται ένα (συγκεκριμένο) παράδειγμα παραγωγής λειτουργικού λιθιούχου αντιδραστηρίου χρησιμοποιώντας αναγωγή με μεταλλικό λίθιο. 
Μια άλλη ομάδα ενώσεων που μπορούν να αναχθούν με μεταλλικό λίθιο δίνοντας αλκυλολίθια είναι οι θειαιθέρες. Η αναγωγή θειαιθέρων είναι χρήσιμη για την παραγωγή λειτουργικών οργανολιθιακών αντιδραστηρίων, όπως οι α-λιθιαιθέρες, οι α-λιθιοθειαιθέρες και τα α-λιθιοσιλάνια:

Αντικατάσταση υδρογόνου από λίθιο

Η δεύτερη μέθοδος παραγωγής οργανολιθιακών ενώσεων είναι η λιθίωση, δηλαδή η αντικατάσταση υδρογόνου από λίθιο. Η σχετική οξύτητα των ατόμων υδρογόνου ελέγχει τη θέση της λιθίωσης. Αυτή είναι η πιο συνηθισμένη μέθοδος για την παραγωγή αλκινυλολιθιακών ενώσεων (RC≡CLi), γιατί τα τερματικά άτομα υδρογόνου που συνδέονται με άτομα άνθρακα υβριδισμού sp είναι πολύ (πιο) όξινα (σε σύγκριση με άτομα υδρογόνου άλλων υδρογονανθράκων) και (σχετικά) εύκολα αποπροτονιώνονται (από μέταλλα, ακόμη και πολύ λιγότερο ηλεκτροθετικά από το λίθιο, όπως ο χαλκός ή και ο άργυρος). Στις αρωματικές ενώσεις η θέση της λιθίωσης καθορίζεται επίσης από φαινόμενα επίδρασης υποκαταστατών. Κάποιες από τις ομάδες υποκαταστατών που επηρεάζουν περισσότερο είναι οι αλκοξυομάδες (RO-), αμιδομάδες (RCONR΄-), θειοξειδομάδες (RSO-) και θειονυλομάδες (RSO₂-). Η λιθίωση συχνά συμβαίνει σε ορθο- (δηλαδή σε διπλανές του δακτυλίου) θέσεις σε σχέση με τέτοιους υποκαταστάτες. Σε ετεροαρωματικές ενώσεις (δηλαδή ταυτόχρονα ετεροκυκλικές και αρωματικές) η λιθίωση συνήθως συμβαίνει σε θέση ορθο- θέσεις σε σχέση με το ετεροάτομο.

Μερικά παραδείγματα παραγωγής οργανολιθιακών ενώσεων με λιθίωση είναι τα ακόλουθα (όπου τα όχι υποχρεωτικά ίδια R μπορεί να είναι υδροκαρβύλια, υδρογόνα, ενίοτε και άλλες ομάδες):

Ανταλλαγή αλογόνου - λιθίου

Μια τρίτη μέθοδος παραγωγής οργανολιθιακών ενώσεων είναι μέσω της ανταλλαγής αλογόνου - λιθίου. Δυο οργανολιθιακές ενώσεις που συχνά χρησιμοποιούνται ως πηγές λιθίου για την παραγωγή άλλων οργανολιθιακών ενώσεων με αυτήν τη μέθοδο είναι το τριτοταγές βουτυλολίθιο και το βουτυλολίθιο. Η ανταλλαγή λιθίου - αλογόνου χρησιμοποιείται περισσότερο για τη μετατροπή αρυλοβρωμιδίων (AᵣBr), αρυλιωδιδίων (AᵣI), αλκενυλοβρωμιδίων (π.χ. RCH=CHBr) και  αλκενυλιωδιδίων (π.χ. RCH=CHI), δηλαδή ενώσεων με άτομα άνθρακα sp² υβριδισμού στις αντίστοιχες οργανολιθιακές ενώσεις (AᵣLi και RCH=CHLi). Η αντίδραση είναι εξαιρετικά γρήγορη και μάλιστα συχνά συμβαίνει και σε θερμοκρασίες -60 - (-120°C).

Διαμετάλλωση

Η τέταρτη μέθοδος παραγωγής οργανολιθιακών ενώσεων είναι μέσω διαμετάλλωσης, δηλαδή με ανταλλαγή μετάλλων μεταξύ οργανομεταλλικών ενώσεων, μία από τις οποίες περιέχει λίθιο. Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί (για παράδειγμα) στην παραγωγή βινυλολιθίου (ViLi).

Χημική δραστικότητα και εφαρμογές

Ο δεσμός C-Li των οργανολιθιακών αντιδραστηρίων είναι πολύ πολωμένος. Ως αποτέλεσμα, το άτομο του άνθρακα έλκει την περισσότερη ηλεκτρονιακή πυκνότητα του δεσμού και συμπεριφέρεται ως ένα καρβανιόν (C⁻). Έτσι, τα οργανολιθιακά αντιδραστήρια είναι πολύ βασικά και πυρηνόφιλα. Κάποιες συνηθισμένες εφαρμογές οργανολιθιακών αντιδραστηρίων σε συνθέσεις αφορούν στη χρήση οργανολιθιακών ενώσεων ως πυρηνόφιλα μέσα, ως ισχυρές βάσεις για αποπρωτονίωση, για την πρόκληση έναρξης (ανιονικού) πολυμερισμού και ως πρόδρομες ύλες για την παραγωγή άλλων οργανομεταλλικών ενώσεων.

Ανθρακολιθιακές αντιδράσεις

Ως πυρηνόφιλα, τα οργανολιθιακά αντιδραστήρια δίνουν ανθρακολιθιακές αντιδράσεις, όπου ο δεσμός άνθρακα - λιθίου δίνει αντιδράσεις προσθήκης σε διπλό ή τριπλό δεσμό άνθρακα - άνθρακα, σχηματίζοντας έτσι νέα οργανολιθιακά χημικά είδη. Αυτή η αντίδραση χρησιμοποιείται ευρύτατα στην παραγωγή οργανολιθιακών ενώσεων. Η ανθρακολιθίωση είναι η αντίδραση - κλειδί στις διεργασίες ανιονικού πολυμερισμού. Γι'  αυτό το βουτυλολίθιο (BuLi) χρησιμοποιείται ως καταλύτης έναρξης του πολυμερισμού στυρενίου (PhVi), 1,3-βουταδιενίου (Vi₂), ισοπρενίου [ViC(Me)=CH₂], καθώς και συμπολυμερισμού μειγμάτων των παραπάνω ενώσεων.