지식나눔

유기 합성 중 buthyllithium 을 이용하여 tin을 다는 procedure

 
To a solution of 2.20 g (4.14 mmol) of 7 in 50 mL of THF was added 5.7 mL (9.1 mmol) of 1.6 M n-butyllithium (caution) in hexane at 78 도. This was allowed to warm to room temperature and stirred at this temperature for 1 hour leading to the formation of a thick suspension. This was then susbsequently cooled to –78도, where a solution of 2.00 g (10.3 mmol) of trimethyltin chloride in 25 mL of THF was added dropwise. The reaction was warmed to room temperature and stirred overnight. The mixture was poured into a
separation funnel containing 200 mL DI water. To this was added 300 mL of hexane andthe organic layer was separated. The organic layer was further washed with 5 x 100 mL DI water. The organic layer was dried over anhydrous MgSO4 and decolorized with activated charcoal. The mixture was filtered and the solvent was removed via rotary evaporation. The product was further dried by pulling vacuum on a high vac line for 48 hours yielding 3.4 g (95.7 %) of pale green oil. Attempts to further purify via chromatography with silica or alumina led to significant decomposition.


다음과 같은 scheme이 있습니다. 여기서 2.2 당량의 n-buthylithium을 사용하는 것이
적정을 한 후에 사용하는 것인지 아니면 그냥 2.2를 사용해서 적당량을 맞춰주는 것인지 궁금합니다. 저는 excess하게 사용해야 한다고 생각합니다 그 이유는 별도의 분리과정이 없기 때문에 반응을 100% 보내는 것이 중요하다고 생각하기 때문입니다.
제가 알고 있는 반응 중 작용기 중에 Br이 달려있으면 -78 도씨에서 과량의 buthyllithium(2.6당량)을 첨가한 후 그 온도 그대로 유지하고 시간을 준 후에 바로 trimethyltinchloride을 더 과량 add해주는 과정이 기억납니다. 그런데 이번 물질은 H가 달려있고, R.T까지 올리기 때문에 과량으로 적가해주어야 할 지 아니면 정말 딱 맞춰서 적가해줘야 할지 궁금합니다.
물론 정확하게 2당량 적가해주는 것이 좋은 것은 알고 있습니다만 초기물질이 없어야 하고 적정에도 오차가 있을 수 있기 때문에 어렵습니다.

게다가 2.6당량으로 r.t까지 올려본 후 3당량의 trimethyltin을 가하는 실험을 해봤습니다만
이때 TLC 상에 초기물질이 남아있는 것은 명백한 오류인 건지 아니면 silicagel과 무관하게 확인을 해봐야 하는지 궁금합니다. ( 색깔도 pale yellow 나 green이 아닌 적갈색으로 얻어졌습니다..)

THF는 sodium을 넣어도 기포가 나지 않을 만큼 정제 했으며
적정은 diphenylaceticacid 를 사용하여 노란색이 될 때까지 하였습니다.
(이 때 노란색이 시간이 지나면 다시 하얀 salt처럼되는 것으로 보아 적정이 정확하지 않다고 생각합니다. )

좋은 조언이나 가장 확실한 노하우가 있는 분 도와주세요
  • buthyllithium
  • tin
  • 유기합성
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답변 2
  • 답변

    이준희님의 답변

    본 질문에 대한 답에 앞서 몇 가지 조언을 추가로 드립니다. 

    (1) THF 정제 시 sodium만 사용하면 용존 산소를 제거할 수 없고 용매에 존재하는 산소가 n-BuLi가 반응할 수도 있습니다. 반드시 sodium과 함께 benzophenone을 함께 (sodium/benzophenone ketyl) 사용해서 THF에 존재할 수 있는 물과 산소를 모두 제거해야 합니다.
    (2) n-BuLi 적정 시 diphenylacetic acid를 사용하게 되면 노란색의 end-point를 확인하는 것이 쉽지 않습니다. 보다 간편한 방법으로 N-benzylbenzamide를 사용하는 방법(J. Organomet. Chem. 1997, 542, 281-283)을 권합니다. 진한 잉크색의 end-point를 훨씬 쉽게 찾아 낼 수 있답니다. 논문에서 처럼 -40도에서 적정을 하는 것이 가장 바람직하지만 보다 간편하게 실험할 수 있는 -78도에서 적정을 한다면 n-BuLi을 가한 후 어느 정도(1~2분) 기다려 주어야만 보다 정확한 적정값을 얻을 수 있습니다.
    (3) 질문의 합성과정을 분석해 보면 출발물질에 포함된 두 개의 thiophene moiety에 n-BuLi을 가해서 두개의 thiophene의 2번 위치에 two-fold lithiation을 통해서 dianion을 얻고, 여기에 친전자체로 trimethyltin chloride를 가해서 생성물을 얻는 방법입니다. 이론적으로 2 당량의 염기(n-BuLi)이 필요하며 통상적으로 약간 과량의 염기를 가하는 것이 일반적인 실험방법입니다. 따라서 당연히 적정한 n-BuLi를 사용하는 것이 가장 좋습니다. 과량의 n-BuLi를 사용하면 여러 가지 부반응이 이론적으로 가능하며, 가장 먼저 생각할 수 있는 부반응은 반응하지 않고 남아 있던 n-BuLi이 친핵체로 Me3SnCl를 공격하는 것 입니다. 유기화학을 하는 사람들이 귀찮고 시간이 많이 걸리다는 핑계로 n-BuLi를 적정하지 않고 사용하는데 바람직하지 못한 습관입니다. 
    (4) bromine이 치환된 유도체에 n-BuLi을 가하게 되면  lithium-bromine exchange를 통해서 이론적으로는 위와 동일한 dianion 중간체가 얻어집니다. 일반적으로 lithium-halogen exchange는 정반응 방향으로 자발적으로 일어나면 발열반응이기 때문에 낮은 온도(-78 도, t-BuLi을 사용할 때는 -100 도에서 하는 경우도 있음)에서 n-BuLi을 아주 천천히 가해야 합니다. 물론 질문에 포함된 실험을 할 때도 n-BuLi을 천천히 가하는 것이 좋고 syringe pump를 사용해서 균일한 속도로 천천히 가하는 것이 가장 좋을 것 같네요. 

    정리하자면 Na/benzophenone ketyl을 사용해서 THF를 증류한 후 N-benzylbenzamide를 이용해서 n-BuLi를 적정하세요. 그리고 원래 합성과정 처럼 2.2 당량의 적정한 n-BuLi를 사용하세요. 
    본 질문에 대한 답에 앞서 몇 가지 조언을 추가로 드립니다. 

    (1) THF 정제 시 sodium만 사용하면 용존 산소를 제거할 수 없고 용매에 존재하는 산소가 n-BuLi가 반응할 수도 있습니다. 반드시 sodium과 함께 benzophenone을 함께 (sodium/benzophenone ketyl) 사용해서 THF에 존재할 수 있는 물과 산소를 모두 제거해야 합니다.
    (2) n-BuLi 적정 시 diphenylacetic acid를 사용하게 되면 노란색의 end-point를 확인하는 것이 쉽지 않습니다. 보다 간편한 방법으로 N-benzylbenzamide를 사용하는 방법(J. Organomet. Chem. 1997, 542, 281-283)을 권합니다. 진한 잉크색의 end-point를 훨씬 쉽게 찾아 낼 수 있답니다. 논문에서 처럼 -40도에서 적정을 하는 것이 가장 바람직하지만 보다 간편하게 실험할 수 있는 -78도에서 적정을 한다면 n-BuLi을 가한 후 어느 정도(1~2분) 기다려 주어야만 보다 정확한 적정값을 얻을 수 있습니다.
    (3) 질문의 합성과정을 분석해 보면 출발물질에 포함된 두 개의 thiophene moiety에 n-BuLi을 가해서 두개의 thiophene의 2번 위치에 two-fold lithiation을 통해서 dianion을 얻고, 여기에 친전자체로 trimethyltin chloride를 가해서 생성물을 얻는 방법입니다. 이론적으로 2 당량의 염기(n-BuLi)이 필요하며 통상적으로 약간 과량의 염기를 가하는 것이 일반적인 실험방법입니다. 따라서 당연히 적정한 n-BuLi를 사용하는 것이 가장 좋습니다. 과량의 n-BuLi를 사용하면 여러 가지 부반응이 이론적으로 가능하며, 가장 먼저 생각할 수 있는 부반응은 반응하지 않고 남아 있던 n-BuLi이 친핵체로 Me3SnCl를 공격하는 것 입니다. 유기화학을 하는 사람들이 귀찮고 시간이 많이 걸리다는 핑계로 n-BuLi를 적정하지 않고 사용하는데 바람직하지 못한 습관입니다. 
    (4) bromine이 치환된 유도체에 n-BuLi을 가하게 되면  lithium-bromine exchange를 통해서 이론적으로는 위와 동일한 dianion 중간체가 얻어집니다. 일반적으로 lithium-halogen exchange는 정반응 방향으로 자발적으로 일어나면 발열반응이기 때문에 낮은 온도(-78 도, t-BuLi을 사용할 때는 -100 도에서 하는 경우도 있음)에서 n-BuLi을 아주 천천히 가해야 합니다. 물론 질문에 포함된 실험을 할 때도 n-BuLi을 천천히 가하는 것이 좋고 syringe pump를 사용해서 균일한 속도로 천천히 가하는 것이 가장 좋을 것 같네요. 

    정리하자면 Na/benzophenone ketyl을 사용해서 THF를 증류한 후 N-benzylbenzamide를 이용해서 n-BuLi를 적정하세요. 그리고 원래 합성과정 처럼 2.2 당량의 적정한 n-BuLi를 사용하세요. 
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    심용호님의 답변

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    기본적으로 윗분의 말씀이 맞습니다.
    반응부분이 2곳이므로 실제로는 1.1 당량 넣은 것입니다. excess라고 할 수는 없죠.
    제가 드릴 말씀은, 일단 부틸리튬에 대해서 자세히 아셔야 합니다.
    제 기억에 (20년전 ^^) sure-seal bottle로 용액을 사용했던 것 같습니다.
    수분에 민감하게 반응하기 때문에 한번 사용 후, 잘 실링해서 냉장보관해야합니다.
    그리고 연구원 및 학생들이 각자의 bottle을 썼습니다. 여러명이 쓰다보면 실이 찢어지고 관리가 안되는 문제가 있었죠.
    한번을 사용해도 전문가처럼 깔끔하게 질소퍼징해서 막아놔야합니다.
    제대로 교육받지 못하면, 병을 따는 그날, 한번은 반응이 잘 되지만 그 이후로는 실험에 불순물이나 부반응들이 많이 생깁니다.
    반응이 의심이 가면 새로운 시약병을 사용하십시요. 앞뒤로 질소퍼징 잊지마시고요.
    또 솔밴트 정제도 중요합니다. THF가 의외로 물이나 이물질을 잘 먹기 때문에 오래된 THF는 아무리 소듐에 정제해도 복구가 안됩니다. 오래되면 라디칼 잡는것도 잊지마시고요.
    저때는 THF 정제탑이 있어서 365일 계속 증류하면서 사용했습니다. 여건이 안될 경우에는 사용하기전 바로 증류해서 곧바로 사용하고 폐기하곤 했습니다. 여기도 질소퍼징 연속적으로 하구요.
    당량도 중요하지만 이와같은 시약과 용매, 플라스크 등의 조건이 기본적으로 중요합니다.
    장비 및 시료들이 관리가 안 되면 아무리 쉬운 반응도 부산물이 생기기 마련입니다.
    저온에서하는 이유는 부틸리튬에 의한 폭발적 반응성 때문이라고 생각됩니다. 하지만 조건이 잘 잡히면 (시약, 용매 등의 완벽한 건조) 크게 위험하지 않습니다. 또한 저온으로 급격한 반응속도도 늦추고, 혹시 제거하지 못한 수분과의 반응을 늦추는 조건으로 기억합니다.
    좋은 결과 얻으시기 바랍니다
    기본적으로 윗분의 말씀이 맞습니다.
    반응부분이 2곳이므로 실제로는 1.1 당량 넣은 것입니다. excess라고 할 수는 없죠.
    제가 드릴 말씀은, 일단 부틸리튬에 대해서 자세히 아셔야 합니다.
    제 기억에 (20년전 ^^) sure-seal bottle로 용액을 사용했던 것 같습니다.
    수분에 민감하게 반응하기 때문에 한번 사용 후, 잘 실링해서 냉장보관해야합니다.
    그리고 연구원 및 학생들이 각자의 bottle을 썼습니다. 여러명이 쓰다보면 실이 찢어지고 관리가 안되는 문제가 있었죠.
    한번을 사용해도 전문가처럼 깔끔하게 질소퍼징해서 막아놔야합니다.
    제대로 교육받지 못하면, 병을 따는 그날, 한번은 반응이 잘 되지만 그 이후로는 실험에 불순물이나 부반응들이 많이 생깁니다.
    반응이 의심이 가면 새로운 시약병을 사용하십시요. 앞뒤로 질소퍼징 잊지마시고요.
    또 솔밴트 정제도 중요합니다. THF가 의외로 물이나 이물질을 잘 먹기 때문에 오래된 THF는 아무리 소듐에 정제해도 복구가 안됩니다. 오래되면 라디칼 잡는것도 잊지마시고요.
    저때는 THF 정제탑이 있어서 365일 계속 증류하면서 사용했습니다. 여건이 안될 경우에는 사용하기전 바로 증류해서 곧바로 사용하고 폐기하곤 했습니다. 여기도 질소퍼징 연속적으로 하구요.
    당량도 중요하지만 이와같은 시약과 용매, 플라스크 등의 조건이 기본적으로 중요합니다.
    장비 및 시료들이 관리가 안 되면 아무리 쉬운 반응도 부산물이 생기기 마련입니다.
    저온에서하는 이유는 부틸리튬에 의한 폭발적 반응성 때문이라고 생각됩니다. 하지만 조건이 잘 잡히면 (시약, 용매 등의 완벽한 건조) 크게 위험하지 않습니다. 또한 저온으로 급격한 반응속도도 늦추고, 혹시 제거하지 못한 수분과의 반응을 늦추는 조건으로 기억합니다.
    좋은 결과 얻으시기 바랍니다
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