유기리튬

유기리튬(organolithium)은 탄소−리튬(C−Li) 결합의 유기금속 화합물로서 1930년대에 지글러(K. Ziegler), 비티히(G. Wittig), 길만(H. Gilman) 등의 화학자가 처음 연구하기 시작했다. 리튬과 탄소는 전기음성도 차이가 크기 때문에 탄소−리튬 공유결합은 강한 극성을 띤다. 리튬보다 전기음성도가 커서 부분 음전하를 갖는 탄소 원자는 탄소 음이온(carbanion)처럼 강한 친핵체나 강한 염기로 작용하기 때문에 유기리튬은 물이나 공기에 노출되면 격렬하게 반응한다.

대표적인 유기리튬 화합물의 화학구조 (출처:대한화학회).

목차

전기음성도 차이가 큰 탄소와 리튬 사이의 결합은 이온 결합의 성질이 강한 공유결합으로 보는 것이 적절하다.¹⁾ 하지만 유기리튬 화합물은 무극성 용매에도 잘 녹기 때문에 이온 결합 화합물로 간주하기는 어렵다.

유기리튬 화합물은 여러 개의 분자가 모인 응집체 구조를 선호하는데,²⁾ 이는 탄소−리튬 결합의 이온 특성에서 오는 정전기적 인력으로 설명한다. 양이온성 리튬 세 개로 이루어진 정삼각형에 음이온성 탄소가 μ₃-방식의 다리(bridging) 리간드로 배위하고, 이러한 정삼각형이 모여서 정다면체를 만들면 아래 그림과 같이 다양한 다핵 뭉치 구조가 된다. 메틸 리튬, 에틸 리튬, t-부틸 리튬 등은 정사면체 구조를, 아이소프로필 리튬, n-뷰틸 리튬, 사이클로헥실 리튬 등은 정팔면체 구조를 선호한다. 드물지만 정십이면체 구조가 만들어지기도 한다.

정사면체 또는 정팔면체 응집체를 이루는 유기리튬의 구조와 사이클로헥실 리튬의 X-선 결정 구조 (CCDC 코드: CHXYLI). 리간드로 작용하는 알킬 탄소 하나마다 세 개의 리튬이 결합하고, 리튬 하나마다 세 개의 알킬 탄소가 배위한 형태이다 (출처:대한화학회).

유기리튬 화합물을 만들 때 리튬 금속과 할로젠화 유기화합물 사이의 리튬−할로젠 교환반응(lithium-halogen exchange)을 이용한다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\mathsf{RX + 2Li \rightarrow RLi + LiX} @@NAMATH_DISPLAY@@

또 다른 방법으로써 유기리튬 화합물과 할로젠화 화합물 사이의 리튬−할로젠 교환반응으로부터 새로운 유기리튬 화합물을 만들 수도 있다. 이 반응은 가역반응이기 때문에, 유기리튬 생성물이 반응물보다 더 안정해야 정반응이 선호된다. 주로 음이온성이 강한 탄소를 갖는 n-뷰틸 리튬, s-뷰틸 리튬, t-뷰틸 리튬 등이 반응물로 사용되며, 다른 방법으로는 만들기 어려운 비닐 리튬이나 페닐 리튬 등을 합성하는 데 이용된다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\mathsf{RX + C_4H_9Li \rightleftarrows RLi + C_4H_9X} @@NAMATH_DISPLAY@@

할로젠화 알킬, 알킬 설파이드(alkyl sulfide), 아릴 설파이드(aryl sulfide) 등을 나프탈렌화 리튬(lithium naphthalene)과 같은 라디칼 음이온의 리튬 염과 반응시켜 유기리튬 화합물을 합성하기도 한다. 여기에 사용되는 라디칼 음이온의 리튬 염은 방향족 화합물을 리튬 금속으로 환원하여 만든다.

나프탈렌화 리튬을 이용한 2,2-다이에톡시바이닐 리튬의 합성 (출처:대한화학회).

금속교환(transmetallation) 반응으로도 유기리튬 화합물을 합성할 수 있다. 아래 반응식처럼 유기구리(organocopper)나 유기주석(organotin)과 같은 유기금속 화합물과 유기리튬 사이의 리간드 교환 반응으로 새로운 유기리튬 화합물이 생성된다.³⁾ 하나의 유기리튬 화합물이 다른 유기리튬 화합물로 바뀌는 형태이기 때문에 가역 반응이며, 전기음성도가 작은 리튬이 전기음성도가 더 높은 치환기와 결합하는 쪽으로 평형이 치우친다. 리튬−할로젠 교환반응과 마찬가지로, 다른 방법으로는 합성이 힘든 바이닐 리튬이나 페닐 리튬을 만드는 데 쓸모가 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\mathsf{Sn(CHCH_2)_4 + C_4H_9Li \rightleftarrows CH_2CHLi + Sn(CHCH_2)_3(C_4H_9)} @@NAMATH_DISPLAY@@

유기리튬 화합물은 공기나 물에 노출되면 격렬한 발열반응을 일으킨다.⁴⁾ 알킬 리튬이 고온에서 열분해되면 수소화 리튬(LiH)이 만들어진다. 따라서, 유기리튬 화합물은 글러브박스와 같은 비활성 대기 조건에서 10 ˚C 이하의 온도로 보관해야 안전하다. 유기리튬 화합물이 시약으로 사용되는 화학 반응은 글러브박스나 쉴렝크(Schlenk) 기법을 사용해서 공기에 노출되지 않도록 한다.

탄소−리튬 결합의 이온성으로 인해 유기리튬 화합물은 탄소 음이온처럼 강한 친핵성이 있다. 유기리튬 화합물이 탄소−탄소 파이 결합에 친핵체로 작용하는 탄소리튬화(carbolithiation) 반응을 하면 탄소−탄소 시그마 결합과 탄소−리튬 결합이 새로 만들어진다. 이 유기리튬 중간체가 다른 분자의 탄소−탄소 파이 결합에 다시 친핵체로 작용하는 과정이 반복되면 고분자가 되는데, 이러한 반응을 음이온 중합이라고 부른다.

유기리튬 화합물과 올레핀의 반응으로 생성된 새로운 유기리튬 화합물 (출처:대한화학회).

친핵성 유기리튬 화합물은 친전자성 카보닐기에 첨가 반응을 해서 알코올을 만든다. 이때 유기리튬 화합물이 친핵체가 아닌 염기로 작용하면, 카보닐기의 에놀화(enolization)가 부반응으로 일어나기도 한다. 유기리튬 화합물이 이산화 탄소에 친핵체로 반응하면 카복실산이 만들어진다.

유기리튬이 케톤에 친핵체로 작용해서 알코올이 만들어지는 반응 (출처:대한화학회).

유기리튬 화합물은 이탈기가 있는 화합물과 친핵성 치환 반응을 하지만, 할로젠화 알킬을 쓰면 리튬−할로젠 교환반응과 같은 부반응이 일어날 수도 있다. 알릴리튬(allyllithium)이나 벤질리튬(benzyllithium)의 경우, S_N2 경로의 친핵성 치환 반응이 잘 일어난다.⁵⁾

유기리튬이 할로젠화 알킬에 친핵체로 작용해서 탄소-탄소 결합이 만들어지는 S_N2 반응 (출처:대한화학회).

강한 염기로 작용하는 유기리튬이 다른 분자의 C−H 결합과 반응해서 양성자를 떼어내고, 새로운 C−Li 결합을 만드는 반응을 리튬화(lithiation) 또는 리튬−수소 교환(lithium-hydrogen exchange) 반응이라고 부른다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\mathsf{RH + R^\prime Li \rightleftarrows RLi + R^\prime H} @@NAMATH_DISPLAY@@

염기 세기는 치환체에 따라 다른데, 전자 주개 성질이 강한 t-뷰틸기를 갖는 t-뷰틸 리튬은 매우 강한 염기로서, 짝산인 t-뷰테인의 산 해리 상수(pK_a) 값이 53에 이른다.

유기리튬을 포타슘 알콕사이드(potassium alkoxide)와 같은 염기와 혼합하면 더욱 강한 염기인 초강염기가 된다. 이러한 혼합물을 슐로써 염기(Schlosser’s base)라고 부르는데, n-뷰틸 리튬과 포타슘 t-뷰톡사이드(^tBuOK)의 1: 1 혼합물은 벤젠이나 톨루엔으로부터 수소 이온을 떼어낼 수 있을 만큼 염기성이 세다.

1. A. Streitwieser, Perspectives on Computational Organic Chemistry, J. Org. Chem. 2009, 74, 4433–4446.
2. C. Strohmann, Structure Formation Principles and Reactivity of Organolithium Compounds, Chem. Eur. J. 2009, 15, 3320-3334.
3. M. Weiner, The Preparation of Organolithium Compounds by the Transmetalation Reaction. I. Vinyllithium. J. Am. Chem. Soc. 1961, 83, 3583-3586.
4. R. Letchford, Safe handling of organolithium compounds in the laboratory, Chemical Health & Safety, 2002, 9, 6-11.
5. H. Reich, Role of Organolithium Aggregates and Mixed Aggregates in Organolithium Mechanisms, Chem. Rev. 2013, 113, 7130-7178.