是魔鬼还是天使？高活性“枝晶状锂”的工业级新角色

从活性药物开发到锂电池，锂金属已经彻底改变了许多科学领域。其中，锂金属的物理形态极大地影响了它的化学性质和功能，因为大多数反应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，可以加工成型为各种形式，如颗粒、棒和箔。尽管锂金属的这些物理形式在许多现实生活环境中都有使用，但随着在工业应用中对更快电子转移特性的需求增加，对比表面积和成分不同的锂源进行研究具有重要意义。

【成果简介】

为了高效的在实验室制备用于有机锂化学的高活性锂源，近日美国得克萨斯A&M大学Andy Thomas教授（通讯作者）团队报道了一种简便快速的活化锂金属的方法，即使用液氨制备结晶态的枝状锂（Li-dendrites）。这种枝状锂与通过传统机械活化法制备的锂源相比，前者的比表面积增大了100倍。随着比表面积的增大，与目前常用于工业制备有机锂化合物的锂粉相比，Li-dendrites的反应速率有明显的提升。文章证明了Li-dendrites这种高反应活性可以实现在实验室规模上重复、快速的合成一系列有机锂试剂。相关研究成果以“Preparation of Highly Reactive Lithium Metal Dendrites for the Synthesis of Organolithium Reagents”为题于2022年8月29日发表在J. Am. Chem. Soc.上。

【核心内容】

氨作为一种廉价、方便的溶剂，其产量每年高达百万吨，广泛的被应用在学术界和工业界。虽然氨在标准大气压力和温度下是一种气体，但它的蒸发焓(19.86 kJ/mol at rt)很高，因此它很容易凝结作为液体进行操作。作者首先研究了金属锂在无水氨中的溶解度，发现0.5 g Li在-78℃时可以溶解在13 mL NH₃中，生成Li-bronze溶液。在剧烈搅拌的同时升温到室温后，在真空条件下以0.05 Torr的速度缓慢蒸发氨，这时金属锂会开始逐步沉积在容器壁上。在进一步蒸发除氨约10-15分钟后，Li-dendrites开始生长，形成半晶质材料（图1D）。真空除去氨约0.5小时后，Li-dendrites即可使用，并可以很容易地剥离下来并储存在惰性气氛中，同时不会对材料的表面或形态造成严重的破坏。此外，作者发现这个过程是可重复的，并且可以扩展到至少200 mmol，同样可以观察到类似的Li-dendrites形成。

图1.锂的使用和活化方法。(A)科学技术以锂化学技术的进步为基础；(B)生成金属−碳键的主要方法；(C)金属−碳键形成反应中金属的活化方法；(D)本研究研究了由锂氨溶液形成枝状锂。

作者首先对Li-dendrites的形貌进行了表征。通过对Li-dendrites的肉眼观察，相比于锂棒和锂箔，Li-dendrites表面干净，同时比表面积显著提高(图2A)。有趣的是，Li-dendrites的BET比表面积为115,000 cm²/g，是锂粉比表面积（1100cm²/g）的100倍。为了深入探究Li-dendrites的表面形貌，作者随机选择了一个样品小心的在惰性气氛下进行了扫描电子显微镜(SEM)表征。SEM图像显示Li-dendrites整体呈现出枝晶聚集的形貌，同时其微观结构是由直径为20−100 μm的无孔晶体组成 (图2B−D)。此外，这种晶体表现出大量的螺旋和阶梯状错位，这可能是由于在脱氨过程中锂成核受到了干扰。作者同时表征了锂粉的微观结构，正如预期的那样，锂粉呈现出球形结构，并没有明显的结晶特征（图2E）。

图2.锂离子材料的扫描电镜图像。(A) 比较每种材料使用500 mg的锂金属的不同形式的图像。(B-D) Li-dendrite的SEM图像 (E) 锂粉的SEM图像。

随后作者对不同形态锂的反应动力学进行了表征。首先探究了不同形态锂对异丙醇生成氢气速率的影响。在含有异丙醇的己烷悬浮液中分别添加到锂棒、箔、粉末和Li-dendrite，使用一个滴定管装置，通过录制视频来直观地监测氢气的产生（图 3）。结果表明锂棒、锂箔、锂粉和Li-dendrite的浓度时间曲线均呈现S型，这是诱导期的特征，与文献报道一致。为了进行直观的比较，氢气形成的速率通过每条曲线的线性区域进行计算。并首先用锂棒（2.08±0.05）×10^-4 M/s进行测量，使反应速率归一化。结果显示锂棒和锂箔的反应速率几乎相同，而锂粉比锂棒快 10.5 倍。有趣的是，Li-dendrite的反应速度比锂棒快 199 倍，比锂粉快 19 倍，这表明Li-dendrite提供了远优于其他锂金属源的反应活性。此外，Li-dendrite不仅整体反应速率更快，诱导期也显着缩短。作者推测反应速率的急剧增加是由于Li-dendrite整洁的表面与高比表面积的共同作用，这会显著加速电子转移。

图3.各种锂源的动力学测量，动力学实验的完整视频可以通过图中的二维码获得。

为了测试Li-dendrite在有机理化学中的可行性，作者选择了s-BuCl作为模型底物，因为其与锂金属的插入反应速率介于n-BuCl和t-BuCl之间。实验结果显示，通过使用4当量的Li-dendrites和1 mol %的Na，在2.5 mmol的规模下，s-BuLid 产率可以达到87%。这与之前所报道的结果一致，即通过添加钠（∼0.5-1 mol%）以及使用多个当量的锂金属可以有效提高锂插入率和防止有害的消除和/或二聚体形成。随后作者评估了Li-dendrite在一系列反应规模上的可靠性。图4显示出其在不同规模上都获得了类似的产率。同时值得注意的是，Li-dendrite的大表面积使得其在很小规模上也可以准确称量质量，这对于锂插入反应来说通常是很困难的。

图4.用Li-dendrite合成锂试剂的可扩展性。

鉴于观察到的氢气生成的速率提高，作者还假设Li-dendrite也可以提高还原性金属插入反应。作者对Li-dendrite和锂粉进行了比较（图5）。将Li-dendrite和锂粉分别加入到含有s-BuCl的戊烷悬浮液中，随后监测s-BuCl浓度随时间的变化。有趣的是，Li-dendrite在更短的时间内（约300秒）开始反应，并很快反应完全，而此时锂粉才开始反应。此外，在对线性区域进行恒定k_obs拟合时，Li-dendrite的插入速度是锂粉的6.2倍。这些结果表明，Li-dendrite将非常适合于那些需要更快或更可预测启动率的反应。

图5.Li插入到s-BuCl中的动力学测量。

随后作者对一系列有机卤化物进行了研究（图6）。从n-BuCl表现出86%的产率开始，表明伯烷基卤化物与仲烷基卤化物表现出相同的反应活性。此外，n-BuLi可以在更安全的不易燃的聚α烯烃（SpectraSyn2）中合成，这进一步突出了这种方法的可靠性。此外，氯甲烷（2）、新戊基氯（3）和三甲基硅基氯甲烷（4）均具有较高的产率 (86–94%)。尽管伯烷基溴化物（5）和（6）都显示出高的产率，但仲烷基溴化物（8）显示出较低的产率（63%），表明仲烷基溴化物有利于双分子消除反应。此外，卤代的环烷烃（9-12）也表现出良好的产率（65-86%）。对于五元和六元的卤代化合物，通过添加叔丁基甲醚（TBME）作为牺牲性添加剂进行了一定的改性，进一步提高产率。作者进一步将这种方法应用叔烷基锂试剂的合成，而这些试剂很难通过以前所报道的实验室规模的锂插入反应获得。与五元和六元环一样，在添加TBME之后，t-BuCl （13）产率明显提高（77% vs 45%）。但另一方面，氯化异丁烯（14）显示出中等的产率（72%），并且在加入TBME后没有显示出改善，这与TBME在抑制双分子消除方面的作用一致。为了拓展Li-dendrite的应用范围，作者对一些列乙烯基和芳基卤化物进行了测试。将溶剂改为乙醚后，1-氯环己烯 （15） 可以高产率的制备乙烯基锂。同时，氯苯 （16）、4-氯甲苯 （17）、4-氯苯甲醚 （18） 和 4-氯二甲氨基苯 （19） 均表现出较高的产率（91-96%）。此外，芳基溴化物 （20）在制备芳基锂方面也表现出较高的产率（92%）。然而，4-氯三氟甲苯作为强缺电子芳烃，在文章这种条件下完全不反应。为了进一步确认该方法的通用性，作者制备了有机锂化合物，这些化合物带有的官能团往往与烷基锂试剂如t-BuLi不相容。值得注意的是，醚常常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，同时带有烷基醚和四氢呋喃官能团的氯代芳烃（22）可以高效的进行锂插入反应。重要的是，含有烷基醚亚基的伯烷基氯化物（23）能顺利地转化为有机锂，突出了这种Li-dendrite锂源可以广泛用于生物相关化合物的合成。在小规模、短反应时间内实现锂离子插入反应的高产率的能力具有重要的合成意义。这种方法同时可以用于合成⁶Li同位素标记的有机锂试剂。实验结果表明，n-Bu⁶Li （24）的产量和浓度都很高。而目前常用的⁶Li合成方法要么使用有毒的汞化合物，要么需要在大于100 mmol的规模上进行合成。

图6. 有机锂试剂的制备和进一步的转化。

综上所述，这些例子都证明了Li-dendrite在各种有机锂化合物合成上的优势。为了更实际的应用，作者在选择了几个使用率很高的化合物，并对其进行了合成表征。典型的碳碳加成，例如腈加成表现出良好的产率。此外，通过使用新制备的Cyano-Gilman试剂发现 4-苯基-1-溴丁烷 （6） 具有较高的产率 (93%)。同时，苯基三氟硼酸钾也可以通过Li-dendrite高产率的制备。

【结论展望】

综上所述，本文开发了一个实用的新型结晶锂金属源Li-dendrite的合成方法，该方法被证明相比于锂粉有明显的反应速率提升。活化锂金属的方法很简单，并且可以在一系列的反应规模上进行，从而制备新一批的高活性的锂金属。这种反应性的提高不仅在时间上有重要影响，而且也是提高锂金属反应的可扩展性和可重复性的一个有效途径。虽然本文只关注将这种新的Li-dendrite锂材料应用于有机锂的合成，但可以预见，这种材料可以应用在许多需要高活性锂金属表面的的场景。

【文献信息】

Preparation of Highly Reactive Lithium Metal Dendrites for the Synthesis of Organolithium Reagents，J. Am. Chem. Soc. 2022.

https://doi.org/10.1021/jacs.2c07207