JACS：变废为宝，锂枝晶用于合成有机锂试剂

研究背景

从活性药物开发到锂电池，锂金属对许多科学领域（图1A）的发展产生了深远的影响。然而，锂金属的物理形式极大地影响了它的化学性质和功能，因为大多数过程都发生在锂金属表面。幸运的是，锂金属具有很高的延展性，可以加工成各种形式，如颗粒、棒和箔。但是，一些工业应用，如有机锂试剂的合成，需要更快的电子转移特性，因此需要对锂源进行活化（图1B），如高表面积的锂粉。但是锂粉的制备成本较高，安全性较差（图1C），且储存困难。因此，需要开发一种高反应性的锂金属源，可以与锂粉媲美，且具有成本低廉，合成简单等优势。

JACS：变废为宝，锂枝晶用于合成有机锂试剂

图1、锂的用途和活化方法。(A)以锂金属为基础的技术。(B)产生金属-碳键的主要方法。(C)用于金属-碳键形成反应的金属活化方法。(D)从锂氨溶液中形成锂枝晶。

成果简介

近日，得克萨斯农工大学Andy A. Thomas教授在JACS上发表了题为“Preparation of Highly Reactive Lithium Metal Dendrites for the Synthesis of Organolithium Reagents”的论文。该论文报告了一种简单方便的液氨活化法生产锂枝晶，作为新的锂金属源，取代锂粉，能够以更加低成本和安全的方式生产有机锂试剂。结果表明，该锂枝晶的表面积比传统机械活化方法制备的锂粉大约100倍。随着表面积的增加，锂枝晶的反应速率显著高于锂粉，因此可以用于大规模合成有机锂试剂。

研究亮点

（1）本工作以一种简单方便的液氨活化法生产“锂枝晶”，作为高反应性的半晶态锂金属源（图1D）。

（2）这种锂枝晶材料的反应性是普通锂粉的19倍，并且在大多数实验室中都很容易获得。

（3）这种新的锂源与有机卤化物的氧化加成反应十分迅速，从而可以替代锂粉，制备多种有机锂化合物。

图文导读

1. 从块状锂金属和氨中制备锂枝晶

首先，0.5 g的锂金属在-78 °C下溶解在13 mL液氨中，得到了青铜色的锂溶液。在剧烈搅拌下升温至室温后，在真空下缓慢除去氨，金属锂开始逐渐沉积在容器壁上。氨进一步蒸发后，金属锂枝晶开始生长，形成半结晶材料（图1D）。通过真空去除氨约0.5小时后，锂枝晶可以立即使用，也可以很容易地刮下并在惰性气氛下储存，而不会对材料的表面或形貌造成重大影响。

2. 锂金属源的表面积和BET分析

锂枝晶光学照片显示，其表面干净，且与锂棒和箔相比，其表面积显著增加(图2A)。锂枝晶的BET表面积(115000 cm²/g)，约比锂粉(1100 cm²/g)高出100倍。图2B-D的扫描电子显微镜(SEM)图像显示，锂枝晶由直径约20-100 μm的无孔晶体组成。晶体中存在大量的螺位错和阶梯位错，这可能是脱氨过程中核形受到干扰导致。图2E显示，锂粉的形貌是球形的，没有明显的结晶特征。

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图 2、(A)不同形式锂金属的图像。锂枝晶的(B)60倍，(C)250倍，(D)500倍SEM图像。(E)锂粉的SEM图像，放大1100倍。

3. 锂金属源对异丙醇生成氢气速率的影响

将异丙醇分别添加到锂棒、箔、粉末和枝晶的己烷悬浮液中，以监测氢气的释放（图3）。为了进行比较，用Li棒的氢气释放速率(2.08±0.05)×10^-4 M/s进行归一化。虽然锂棒和箔片的反应速率几乎相同，但锂粉比锂棒快10.5倍。而锂枝晶的反应活性比棒高199倍，比锂粉快19倍，表明锂枝晶的反应速率急剧增加。

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图 3、通过将异丙醇(3.0 mmol)快速注入锂金属的己烷中(2.0 mmol)悬浮液中进行动力学测量。

4. 有机锂合成的优化

为了测试锂枝晶合成有机锂化合物的可行性，选择s-BuCl作为模型，因为s-BuCl的Li金属插入速率介于n-BuCl和t-BuCl之间，这使其能够对反应进行优化。使用4.0等量的Li枝晶和1 mol %的钠(2.5 mmol)，可以以87%的产率获得s-BuLi(图4)。在一系列反应尺度上测试了锂枝晶合成有机锂化合物的可靠性：0.1、2.5、10和50 mmol。从图4中可以看出，不同的反应规模都获得了相似的产率。

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图 4、从锂枝晶合成锂试剂的可扩展性。在相同条件下在一系列反应规模上进行实验。

5. 锂金属源对s-BuCl金属化速率的影响

图5显示，为了建立锂枝晶和锂粉之间的动力学关系，将s-BuCl的戊烷溶液分别添加到含有锂枝晶或锂粉的悬浮液中，然后监测s-BuCl浓度。结果发现，锂枝晶比锂粉引发反应所需的时间更短（约300秒），并且可以完全消耗s-BuCl。此外，锂枝晶的锂插入速度至少比锂粉快6.2倍。这些结果表明，锂枝晶的起始反应速率更快。

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图 5、通过将s-BuCl(2.5 mmol)的戊烷溶液注入到锂金属(10.0 mmol)的戊烷悬浮液中进行动力学测量。

6. 锂枝晶制备有机锂化合物

图6显示了锂枝晶制备其他有机化合物的可行性。从n-BuCl开始，获得了86%的产率，表明伯烷基氯化物和仲烷基氯化物的反应活性相同。此外，n-BuLi可以在更安全的不易燃聚(α-烯烃)溶剂SpectraSyn2中以相似的产率制备。甲基氯、新戊基氯和三甲基硅基甲基氯的产率都很高(86-94%)。伯烷基溴和伯烷基溴插入反应的产率也很高(91%)，仲烷基溴底物8的产率略低(63%)。

接着，对一组卤代碳环进行了调查。在所有情况下，反应都进行得很顺利，形成了相应的锂碳环，产率适中(65-86%)。对五元和六元卤代碳环进行了轻微的修饰，将叔丁基甲基醚(TBME)作为一种牺牲性添加剂，以防止有机卤化物的消耗。该方法进一步应用于叔烷基锂试剂的合成。与五元环和六元环体系一样，加入TBME后，t-BuCl产率从45%提升至77%。另一方面，降冰片酰氯的产率适中(72%)，加入TBME没有改善产率。

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图 6、有机锂试剂的制备及在进一步转化中的应用。^a标准反应条件采用有机卤化物(2.5 mmol)和锂枝晶(10.0 mmol, 1 wt %Na)在戊烷(2.5 mL)中进行反应。^b溶剂为乙醚(2.5 mL)。^c5毫升戊烷用于反应。^d加入卤化物溶液前加入2.0 mol %的TBME。^e使用环己烷(2.5 mL)作为溶剂。^f甲苯(5.0 mL)在50 °C下用作溶剂。^g12.5 mL戊烷用于反应。^h单次实验。ⁱ以2.5 mL的SpectraSyn 2为溶剂。^jTHF(2.5 mL)在0 °C下用作溶剂。^k95%富集的⁶Li块用于替代天然的Li棒。

为了扩大锂枝晶的应用，对一系列乙烯基和芳基氯化物进行了调查。将溶剂改为乙醚后，1-氯环己烯制得的乙烯基锂试剂产率较高。此外，氯苯、4-氯甲苯、4-氯苯甲醚和 4-氯二甲氨基苯均获得了优异的产率（91-96%）。此外，芳基溴与卤代锂交换生成的烷基溴易发生烷基化副反应，能够以优异的产率(92%)获得烷基锂。而强缺电子的芳烃，如4-氯代苯并三氟，在上述条件下完全不反应。

为了进一步确定该方法的通用性，探究了有机锂化合物的制备，这些有机锂化合物所含的官能团通常与烷基锂试剂(如t-BuLi)不相容。值得注意的是，醚往往容易与强有机锂碱发生去质子化反应，这限制了它们在合成中的应用。因此，含烷基醚和四氢呋喃官能团的氯芳烃可以高效地进行嵌锂。含有一个烷基醚亚基的初级烷基氯化物可以顺利转化为有机锂。

7. 用锂枝晶制备同位素标记的n-Bu⁶Li

用锂枝晶还能合成⁶Li同位素标记的有机锂试剂，从而通过⁶Li NMR获得详细的聚合物结构信息。使用锂枝晶，n-Bu⁶Li获得了高的产率和浓度，n-Bu⁶Li是一种普遍存在的碱，可以通过Li-卤素交换反应制备其他有机锂同系物（图6）。

8. 有机锂试剂的使用

相对于其他锂源，锂枝晶在合成各种有机锂化合物方面，具有实用性和合成优势。为了展示锂枝晶制备的有机锂试剂的鲁棒性，作者探索了几个具有高利用率的合成转化过程(图6)。使用新制备的氰基-吉尔曼试剂，4-苯基-1-溴丁烷的烷基化过程变得简单且产率高（93%）。另外，三氟硼酸钾是Suzuki–Miyaura交叉偶联反应中常用的试剂，通过三硼酸甲酯捕获乙烯醚，也能获得产率较高的三氟硼酸钾。

总结与展望

本工作开发了一种新的锂金属源用于合成有机锂试剂。与锂粉相比，锂枝晶的反应速率显著提高。活化金属锂的方法很简单，可以在一系列反应尺度上进行，从而能够大批量制备活化的金属锂。这种活化过程可以大幅提高锂金属的反应性。虽然本工作只关注于将这种新型锂枝晶材料应用于有机锂的合成，但可以预见这种材料在许多需要高活性锂金属的领域发挥重要作用。

文献链接

Preparation of Highly Reactive Lithium Metal Dendrites for the Synthesis of Organolithium Reagents. (Journal of the American Chemical Society, 2022, DOI:10.1021/jacs.2c07207)

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c07207