如何安全使用有机锂试剂？

    有机锂是有机合成中非常有用的试剂，在阴离子聚合中也是非常有用的引发剂，聚合过程中碳-锂键的独特性质使人们能够精确控制聚合物的分子结构。

    有机锂试剂具有强腐蚀性，高度易燃，在某些情况下还会自燃。本文将介绍处理有机锂化合物的个人防护装备，以及保证丁基锂与空气和湿气的接触降至最低的操作方法。有机锂化合物的溶液可以用注射器或双头针从试剂瓶安全地转移到反应瓶中，这些基本技术使得我们可以在实验室中安全使用有机锂化合物。

    概述

    有机锂具有独特的反应性，可以实现精确的控制和选择性，在正确的操作下，有机锂可以在实验室中安全有效地使用，它同时也是许多合成的最佳选择。

    下图：邻位定向金属化反应

    有机锂化合物按照官能团可以分为四大类：烷基锂(以正丁基锂为代表)、芳基锂(如苯基锂)、氨基锂(如二异丙酰胺锂和六甲基二硅基氨基锂)和烷氧基锂(以叔丁醇锂为代表)。它们可以用作强碱(烷基锂、芳基锂、氨基锂和烷氧基锂)、亲核试剂(烷基锂和芳基锂)和锂-卤交换剂(烷基锂和芳基锂)。

    有机锂试剂的优势

    有机锂化合物的几个特点加强了它们在实验室中的应用。

    1）有机锂化合物在有机溶剂中表现出优异的溶解性。举个例子，正丁基锂1.5M(15wt.%)到10M(85wt.%)的己烷溶液是商业可得的。需要注意的是，烷基锂化合物确实与溶剂反应。

    2）与其他碱金属衍生的烷基有机金属相比，烷基锂化合物具有更高的稳定性——烷基锂化合物在制备、储存和运输方面表现出足够的稳定性。

    3）有机锂化合物种类繁多，提供不同的碱性和选择性，pKa从15.2(甲醇锂)到53(叔丁基锂)。与相应的有机镁化合物相比，有机锂试剂具有更强的亲核性。

    4）商业可得性。上面提到的四种类型的各种有机锂化合物都可以买到，因此，实验者可以选择和购买所需的锂试剂。

    有机锂试剂的危险

    有机锂化合物是一种高活性材料，与此相关的主要危险有：腐蚀性、易燃性以及某些情况下的自燃性。所有四类有机锂化物的腐蚀性都会造成化学和热烧伤，有机锂化合物本身也是易燃的。通常，它们是在有机溶剂中保存的，这就降低了其易燃性。易燃性被定义为一种材料在暴露于空气、氧气或湿气中时能够燃烧的特性。在进行使用有机锂的任何实验室工作之前，应进行适当的规划，以保护人员和财产免受危害。

    有许多因素影响烷基锂化合物的性质。对于相同浓度的烷基锂，其热致变色性按n-BuLi<s-BuLi<t-BuLi的顺序递增。随着配方中烷基锂浓度的增加，预燃性也会增加。配方中的溶剂也会影响燃烧性——溶剂的闪点越低，其可燃性越强，较高的相对湿度和较高的环境温度也会导致热解。

    我们需要关注两类有机锂化合物的稳定性。烷基锂化合物通过失去氢化锂发生热分解，生成相应的烯烃。在相同浓度下，烷基锂的热稳定性按n-BuLi<s-BuLi<t-BuLi的顺序增加。低的储存温度会降低分解速率，外来氧气生成的醇盐杂质会加快分解的速度。二烷基胺基锂也通过失去氢化锂进行分解，得到相应的亚胺。

    烷基锂化合物分解时产生的氢化锂沉淀于溶液中，是非常细小的颗粒，这种细小的氢化锂容易自燃。为了最大限度地延长这些材料的保质期，建议将它们储存在<10°C的防爆冰箱中。此外，由于这些试剂的浓度会随着储存时间的延长而下降，因此在使用之前有必要进行浓度测定。

    实验准备

    在实验室处理有机锂化合物时，有许多情况必须避免：人员暴露、空气、氧气、水分、热、杂物、点火源(火花)和燃料。在开始使用有机锂的实验之前，强烈建议查阅供应商提供的材料安全数据表(MSDS)。MSDS包含有关特定有机锂化合物的处理和储存建议。

    在计划实验时，首先要考虑的是地点——在哪里进行实验。为了最大限度地减少人员暴露，应当在一个高效的通风柜中进行实验，通风柜应该没有杂物。实验前，应将易燃材料，如溶剂、易燃化学品(试剂或样品)、纸张或布料从通风橱中取出，这些都是潜在的燃料来源，在有机锂泄漏的情况下可能会引发火灾。通风柜必须配备惰性气体源，如氮气或氩气。还需要一个将惰性气体分配到反应器的输送系统，以及鼓泡器系统。

    在使用有机锂试剂的反应中，可以使用氮气或氩气作为惰性气体。通常，供应商会提供几种等级的氮气，请选择水分和氧气含量最低的等级。在以金属锂为反应物的反应中必须使用氩，因为氮与金属锂放热反应生成氮化锂(Li3N)。此外，该反应可以由水分催化。

    在实验之前，还应确保用于处理有机锂化合物的适当的个人防护设备(PPE)。为了保护眼睛免受有机锂化合物的伤害，应始终佩戴安全眼镜或护目镜。在使用较高剂量的有机锂试剂(大于1L)的实验中，推荐使用面罩提供额外的眼睛保护。由聚四氟乙烯®制成的手套提供了最好的整体保护，但它们价格昂贵。丁腈手套在化学防护和价格之间取得了很好的平衡。合适的鞋类、皮革、闭趾鞋，可以保护脚不会被溅到。

    一旦发生泄漏，保护人员和设备的另一个重要措施是灭火器。对于有机锂火灾，绝对不能使用含有水、二氧化碳或卤代烃的灭火器——烷基锂与这三类灭火剂反应剧烈。使用这些不适当的灭火器会加剧而不是减轻火灾。

    实验室技术

    一种典型的用于套管转移的有机锂反应装置如上图所示。反应器配有机械搅拌器、带隔膜的恒压滴液漏斗、装有温度计的Claisen转接器和干冰冷凝器。惰性气体管路连接到冷凝器的出口，冷凝器的出口通过T形接头连接到装有矿物油的鼓泡器上。该鼓泡器监控通过系统的惰性气体的正向流动，并在部分真空的情况下防止空气流入反应器。

    有机锂试剂瓶采用第二条惰性气体管路加入。这一边的矿物油鼓泡器在出口上有一个夹子，以便于通过套管进行传输。反应容器和有机锂应分别放置在金属容器中，这可以作为有机锂溶液泄漏时的保护盘。此外，反应容器周围的金属碗可以用来容纳低温反应的冷却介质。

    试剂转移技术

    实验室中转移有机锂溶液有两种基本技术：注射器技术以及双头针技术，这两种技术非常相似。当需要相对少量的有机锂溶液(小于50mL)时，最好使用注射器，而使用插管技术很容易完成较大容量的转移。

    注射器技术

    首先清理通风橱中的杂物，使用热风枪干燥反应装置，用惰性气体充放气三次。反应瓶放在一个金属容器里，有机锂溶液的瓶子从冰箱里拿出来预先恢复室温，用夹子固定，并放在金属容器里。如果瓶子在转移过程中被意外撞到，金属容器最大限度地减少危险。建议注射器的体积至少是所需的有机锂的两倍。

    在转移过程中使用的注射器在使用之前也必须干燥，（玻璃）注射器应在120°C的烤箱中烘干至少2小时，在干燥器中冷却至环境温度，然后用惰性气体吹扫。穿上所有需要的的个人防护用品，打开惰性气体在管路，在末端插入一个标准的注射器针头。然后将针尖插入试剂瓶的隔膜中。观察鼓泡器处的气流，并相应地调整流量。然后使用注射器从样品瓶中取出所需数量的有机锂。

    必须注意，有机锂溶液的抽出速度不能超过惰性气流填充空隙的速度。否则空气有可能进入惰性气体管道，并污染有机锂溶液。

    然后通过向下推注射器柱塞将有机锂溶液加入到漏斗中（如果没有漏斗则缓慢滴加入溶液中）。盖好样品瓶上的实心盖子，并将其放回冰箱。

    建议在转移完成后立即清洗注射器，以最大限度地减少柱塞卡住和黏结的可能性。对于可能自燃的溶液，注射器中的任何残留物都应该用惰性溶剂(如庚烷)稀释到5 wt.%以下。然后，用等量的冷水慢慢混合，淬灭有机锂。

    双头针技术

    首先清理通风橱中的杂物，使用热风枪干燥反应装置，用惰性气体充放气三次。反应瓶放在一个金属容器里，有机锂溶液的瓶子从冰箱里拿出来预先恢复室温，用夹子固定，并放在金属容器里。如果瓶子在转移过程中被意外撞到，金属容器最大限度地减少危险。

    在传输过程中使用的双头针在使用之前也必须干燥。双头针应在120°C的烤箱中烘干至少2小时，放在干燥器中冷却至环境温度，然后用惰性气流吹扫。如果用于有机锂化合物的供应商提供了实心盖子，则应更换为带隔膜的盖子。在惰性气体管路的末端插入一个标准的注射器针头，然后将针尖插入样品瓶的隔膜中。观察鼓泡器处的气流，并相应地调整流量。然后将双头针的一端插入有机锂试剂瓶的隔膜中。插管的另一端插入等压滴液漏斗的隔膜中，套管的尖端慢慢放入有机锂溶液的液面下。慢慢关闭连接到试剂瓶上的矿物油鼓泡器出口上的夹子——这会导致试剂瓶内的压力增加，从而将有机锂溶液转移到漏斗中。

    当加完所需体积后，松开鼓泡器上的夹子，并将套管尖端提升到瓶子中的液面以上。后面一个操作的作用是防止有机锂溶液虹吸，让多余的有机锂溶液在重力作用下排回试剂瓶中。将针头从试剂瓶中取出，然后从漏斗中取下。淬灭操作同上。

（本文译自Safe Handling of Organolithium Compounds in the Laboratory）