Konformation und Bromierung von Bicyclo[3.3.1]nonan-2,6-dion sowie Dehydrobromierung der Bromketone....

H. Quast, C. Becker, E. GeiDler, K. Knoll, E.-M. Peters, K. Peters, H. G. von Schnering 109

Konformation und Bromierung von Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion sowie Dehydrobromierung der Bromketone. - Verbesserte Synthese von Bicyclo(3.3. l]nona-3,7-dien-2,6-dion1’I Helmut Quast*a, Christian Beckera, Evelyn GeiRlera, Katja Knolla, Eva-Maria Peters”, Karl Peters” und Hans Georg von Schnering”

Institut fur Organische Chernie der Universitat Wurzburga, Am Hubland, D-97074 Wurzburg

Max-Planck-Institut fur Festkorperforschungb, HeisenbergstraBe 1, D-70506 Stuttgart

Eingegangen am 4. Oktober 1993

Key Words: Bicyclo[3.3.l]nonane-2,6-dione, brominated derivatives of / Bromination of ketones by copper(I1) bromide / Dehydrobromination, 1,2- and transannular / Noradamantane, derivative of / Conformation of bicyclo[3.3. I]- nonane-2,6-dione and derivatives

Conformation and Bromination of Bicyclo[3.3.1]nonane-2,6-dione and Dehydrobromination of the Bromo Ketones. - Improved Synthesis of Bicycl0[3.3.l]nona-3,7-diene-2,6-dione~~~

Bromination by copper(I1) bromide of bicyclo[3.3. llnonane- 2,6-dione (1) affords the epimeric a-bromo diketones exo- and endo-5 and, eventually, the a,a’-dibromo diketones exo- and endo-? (3:?) in high yield. Dehydrobromination of the mixtures of bromo diketones by calcium carbonate in dime- thylacetamide yields the unsaturated diketones 6 (30%) and 2 (?2%), respectively. Bromination of 1 by molecular bromine is less selective and furnishes mixtures of brominated diketo- nes consisting of exo- and endo-7,8 and the tetrabromo dike- tone 10. An excess of bromine yields pure 10. - The ethylene acetall2 is brominated by pyridinium perbromide to produce the a,a’-dibromo acetal 13 which is very reluctant towards 1,2-dehydrobromination by potassium tert-butoxide. Thus,

with an excess of potassium tert-butoxide in tetrahydrofuran, 1,2-dehydrobromination is achieved only on one side to af- ford 14. In contrast, potassium tert-butoxide in dimethyl sulphoxide induces a transannular dehydrobromination le- ading to the diacetal 15 of 3-bromonoradamantane-2,6- dione. - The conformations of 1, 10, and 13 in the solid state are determined by X-ray diffraction analyses. From torsional angles, vicinal proton coupling constants are calculated with the aid of the Karplus equation and compared to those deter- mined from solutions by high-field NMR spectroscopy. The reasonable agreement provides the basis for the assessment of the configuration and conformation for exo- and endo-?.

Das ungesattigte Diketon 2 ist eine Schliisselverbindung der Synthese 2,4,6$-substituierter Barbaralane[2,3]. Durch 1,4-Addition, anschliel3ende 1 ,ZAddition und nachfol- gende Dehydratisierung erhalt man 2,4,6,8-tetrasubsti- tuierte Bicyclo[3.3. I]nona-2,6-diene, die auf verschiedene Weise zu Barbaralanen cyclisiert werden konnen. Da die Bromierung von Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion (l), das aus dem Meerwein-Ester erhalten ~ i r d [ ~ l , und die anschlie- Dende Dehydrobromierung der intermediaren Bromketone keine befriedigenden Ausbeuten an 2 ergaben, bromierten Knott und Mellor das Enolacetat 3L5I rnit N-Bromsuccin- imid unter sorgfaltig kontrollierten Bedingungen und hy- drolysierten die Mischung der y-Bromenolacetate 4 zum un- gesattigten Diketon 2, das im 1-mmol-MaDstab rnit einer Ausbeute von 50%, bezogen auf 3, erhalten wurde[6al. Diese Synthese wurde mehrmals wiederholt[6b,c]. Wir suchten er- giebigere Alternativen und berichten hier uber die Bromie- rung des Diketons 1, die Dehydrobromierung davon abge-

leiteter a-Bromketone sowie uber die Bromierung und De- hydrobromierung entsprechender Ethylenacetale. Ferner wird die Konformation einiger Bicyclo[3.3. Ilnonan-Deri- vate im Kristall und in Losung aufgeklart.

Weil die Dehydrierung von Ketonen rnit modernen Metho- zum Beispiel rnit Hilfe von Selen-Reagenzien@I, in gro-

Derem MaDstab nicht unproblematisch ist, untersuchten wir die Bromierung des Diketons 1 erneut, urn auf diesem Weg zu 2 zu gelangen. Fur die a-Bromierung von Ketonen zu Mo- nobromketonen wird in den allermeisten Fallen elementares Brom unter sehr unterschiedlichen Bedingungen einge- ~etzt[’-’~l. Snatzke und Seidler erhielten aus Bicyclo[3.3.1]- nonan-2,6-dion (1) und Pyridinium-tribromid ein Gemisch, aus dem ein Monobromketon 5, ein a,a’-Dibrom-endion und ein nicht ganz reines a,a’-Dibromdiketon 7 durch Chro- matographie an Kieselgel isoliert wurden. Die Konfiguration der Verbindungen wurde nicht aufgek1art[l5l. Russische Autoren bromierten 1 rnit Brom und erhielten mit zwei Mo-

Liebigs Ann. Chem. 1994, 109- 120 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-69451 Weinheim, 1994 0170-2041/94/0202-0109 $ 10.00+.25/0

110 H. Quast, C. Becker, E. GeiDler, K. Knoll, E.-M. Peters. K. Peters, H. G. von Schnering

AcO \

NBS - 82%L61

3 OAc

0

Q 0

len bei tiefer Temperatur ein bei 165 - 166°C schmelzendes a,a'-Dibromdiketon 7 unbekannter Konfiguration[l61, mit uberschussigem Brom bei hoherer Temperatur das Tetra- bromdiketon das unter den gleichen Bedingungen auch aus dem Enolacetat 3 entstand[16].

Unsere Versuche zur Herstellung von 7 aus dem Diketon 1 mit Brom in verschiedenen Losungsmitteln (Trichlorme- than, Tetrachlormethan, Essigsaure) unter breiter Variation der Reaktionsbedingungen ergaben stets Gemische bro- mierter Diketone, die nur durch analytische Hochdruck- Flussigkeitschromatographie getrennt werden konnten. Da- her bromierten wir 1 nach der bewahrten[18] Methode von King und O~trum[ '~] rnit Kupfer(I1)-bromid in einem sie- denden Gemisch aus Trichlormethan und Essigester. Zu- nachst entstanden die beiden a-Bromdiketone exo- und endo-5 und schlieBlich rnit hoher Ausbeute ein Produkt, das aus zwei epimeren a,a'-Dibromdiketonen 7 ( 3 :7, 'H-NMR) bestand und nur noch geringe Mengen von exo- und endo- 5 und einer dritten Verbindung enthielt. Weder durch Kri- stallisation noch durch Chromatographie konnten die bei- den Diastereomere exo- und endo-7 getrennt werden. Die Ursache dafur durfte in einer leichten Saure-katalysierten Epimerisierung zu suchen sein[1's'2]. Da durch Dehydrobro- mierung des Gemischs (siehe unten) neben dem Hauptpro- dukt 2 und sehr wenig 6 auch geringe Mengen a-Bromdien- dion 9 erhalten wurden, mu0 es sich bei der dritten Verbin- dung um ein Tribromdiketon, vermutlich 8, handeln.

Bromierte man das Diketon 1 rnit drei Mol Brom in Trichlormethan, so entstand ein Gemisch bromierter Dike- tone, das hauptsachlich ein Tribromdiketon 8 enthielt. Denn bei der Dehydrobromierung (siehe unten) lieferte das Gemisch das Diendion 2 und die beiden a-Bromdiendione 9 und 11 (1:7:2). Mit noch groI3eren Mengen Brom wurde nur das bereits bekannte Tetrabromdiketon 10 gebildet.

Die Dehydrobromierung von a-Bromketonen wird meist rnit Methylpyridinen oder Chinolin oder in dipolar aprotiscken Losungsmitteln in Gegenwart anorganischer Basen wie Lithiumhalogeniden, Lithiumcarbonat, Magnesi- umoxid oder Calciumcarbonat d~rchgefuhr t [ '~~*~,~ ' ] . Aus dem Gemisch der a,a'-Dibromdiketone exo- und endo-7 er-

0

1 0

1

exo-5 0 endo-5

1 Br JT)---- Br

endo-7 exo-7 0

1 Br >T)/ %., Br Br

8 '

0 1

10 '0

0

Q 6 '

0

Q 2 0

0

hielten wir mit Magnesiumoxid, Lithiumbromid, Lithium- carbonat oder Calciumcarbonat in Dimethylformamid bei 100- 140°C nur maBige Ausbeuten an Diendion 2. Wesent- lich bessere Ergebnisse wurden rnit Calciumcarbonat in Di- methylacetamid[201 erzielt. Diese Kombination von Base und Losungsmittel hatte sich bereits in einem ahnlichen Fall am besten bewahrt[l81. Damit wurde schlieWlich aus exo- und endo-7 eine Ausbeute von 66-72% Diendion 2 im 0.2-mol-MaBstab erreicht.

Da das Ausgangsgemisch fur das einfach ungesattigte Di- keton 6 neben exo- und endo-5 noch betrachtliche Mengen 1 und exo- und endo-7 enthielt, war die Isolierung von 6 nach der Dehydrobromierung mit Calciumcarbonat in Dimethyl- acetamid wesentlich aufwendiger und nur durch wiederholte Sublimation sowie Blitz- und Mitteldruck-Flussigkeitschro- matographie zu bewerkstelligen. Bei einem Umsatz von 85% 1 wurde 6 auf diese Weise immerhin rnit 30% Ausbeute im 10- g-MaBstab neben dem Diendion 2 (140/0) erhalten.

Das Bromdiendion 9 wurde aus dem chromatographisch nicht trennbaren Gemisch aus exo- und endo-7, 8 und 9,

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Konformation und Bromierung von Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion 1 1 1

das man aus 1 und drei Mol Brom erhalten hatte, durch Dehydrobromierung rnit Calciumcarbonat in Dimethylacet- amid gewonnen, wobei das entstandene Gemisch der unge- sattigten Diketone 2, 9 und 11 (1:7:2, HPLC) durch Subli- mation und Chromatographie getrennt wurde. Das Tetra- bromdiketon 10 war bereits rnit Dimethylformamid oder rnit Kaliumacetat in Essigsaure zum a,a’-Dibromdiendion 11 dehydrobromiert worden[l61. Calciumcarbonat in Dime- thylacetamid war dafiir ebenfalls brauchbar (Tab. 1).

cp cp

12 d3 13

sulfoxid

9

14 o d / Br l5

1 P O

16 u Wir priiften auch die vielfach bewahrte Methode zur De-

hydrierung von Ketonen iiber die a-Bromethylenacetale[22] auf ihre Eignung zur Herstellung von 2. Aus dem gut zu- ganglichen Ethylenacetal 12[l61 erhielt man durch Bromie- rung rnit Pyridini~m-tr ibromid[~~~~~I das bei 216-218°C schmelzende a,a’-Dibromacetal 13 rnit hoher Ausbeute. Eine niedriger schmelzende Verbindung (209 - 2 1 OOC) die- ser Konstitution hatten russische Autoren aus ihrem a,a’- Dibromdiketon der Konstitution 7 durch Acetalisierung hergestellt[l61. Die Acetalisierung und Bromierung in einer Eintopf-Reaktion nach einer neueren Vor~chrif t [~~] fiihrte

scheren Bedingungen nur langsam geringe Mengen an Di- enacetal 16 erhalten. Mit Kalium-tert-butylat in Dimethyl- sulfoxid trat kaum 1,2-Dehydrobromierung zu 14 ein, viel- mehr wurde durch Dehydrobromierung unter Cyclisierung hauptsachlich das Noradamantan-Derivat 15 gebildet.

Wegen der geringen Geschwindigkeit der 1 ,ZDehydro- bromierung und der konkurrierenden, rascheren cyclisieren- den Dehydrobromierung versuchten wir, das a,a’-Dibrom- ethylenacetall3 zum a,a’-Dibromdiketon exo-7 oder einem Gemisch aus exo- und endo-7 zu hydrolysieren. DaB a- Bromethylenacetale schwer zu hydrolysieren sind, ist lange bekannt[241. Tatsachlich war 13 unter weitgehend variierten Reaktionsbedingungen nahezu inert. Diese Ergebnisse zei- gen, daB der Weg iiber die a,a’-Dibromethylenacetale nicht zum Zielmolekiil 2 fiihrt.

Tab. 1. Ausbeuten, Schmelzpunkte sowie IR-spektroskopische Daten einiger Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dione, 2,2,6,6-Bis(ethylendioxy)bi- cyclo[3.3.l]nonane und des 3-Bromnoradamantans 15. Liisungsmittel

stehen in runden Klammern (Z. = Zersetzung)

Verb. Vor- Reagenz Ausb. Schmp. IR [cm-’I (CH,CI,)

c=c C=O stufe [%I roc]

exo-5, 1 CuBr2 end0-51~1 (CHC1,Essigester)

eXo-7, 1 CuBr, 89-95 164- 165 1728 e r 1 d o - 7 ~ ~ ~ (CHCI@sigester) (CHCl@ssigester)

7.8.10 1 Br, (CHCI,) 162 - 164 ( 1:7:2)fcI

10 1 BIZ (CHCI,) 87 153 - 155 (Z.) 1721 (Cyclohexafloluol)

2 exo-7, CaCO, (AcNMez) 66-72 83 - 84Idl 1606 1671 endo-7fb]

6 exo-5, CaCO, (Acme,) 30 97 - 991d1 1605 1670, end0-51~1 (KBr) 1710

9 8 CaCO, (AcNM9) 3Ole] 163 - 165 1587 1678 (roluol) 1604 1698

11 10 CaC03(AcNMe2) 51 256-259(Z.) 1591 1697 (CyclohexaOoluol)

13 12 Py+Br3-(rHF9 90 216-218 (Aceton)

14 13 tBuOK(THF) 87 73-75 1644 (KBr) (Petrolether)

16‘fl 13 fBuOK(THF) 1650

15 13 fBuOK(DMS0) 76 75-77 (Ethanol)

im Falle des Diketons 1 nur zu maBigen Ausbeuten an a,a’ -Dibromethylenacetal.

Wahrend im allgemeinen die Dehydrobromierung solcher a-Bromethylenacetale keine Schwierigkeiten bereitet und mit Alkoholaten gelingt[22], erwies sich das a,a’-Dibrom-

[a] Im Gemisch rnit 1 und 7 (1:5:7=1:5:4, HPLC). - Ib] Das Rohpro- dukt enthielt noch geringe Mengen 5 und 8; das Verhaltnis von exo- und endo-7 betrug 3:7. - LCl HPLC nach Deh drobromierung zu 2, 9 und 11. - [dl Nach Vakuum-Sublimation. - le7 Ausbeute bezogen auf 1. - [q Gemisch aus 14 und 16 (9:1, ‘H-NMR).

ethylenacetal 13 als iiberraschend inert. Mit einem Uber- schuB von Kalium-tert-butylat in siedendem Tetrahydrofu- ran entstand langsam das nur einseitig dehydrobromierte Produkt 14. Aus diesem wurden selbst unter noch drasti-

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Rontgenbeugungs-Ana’J’sen Die Konstitution der hier beschriebenen Derivate des Bi-

cyclo[3.3.l]nonan-2,6-dions (1) wurde rnit Hilfe der ‘H-

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und I3C-NMR-Spektren ermittelt (siehe unten). Zur Be- stimmung der Konfiguration und Konformation im Kri- stall, die zum Vergleich mit den Konformationen in Losung herangezogen wird, wurden Rontgenbeugungs-Analysen von 1, seinem Tetrabrom-Derivat 10 sowie von dem c1,a'- Dibromethylenacetal 13 durchgefiihrt (Tab. lo).

C5

02

Abb. 1. Stereographische Projektion von Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion (1) rnit der Benennung der Atome (oben); Sauerstoff-Atome sind punktiert. Die Benennung der Methylen-Briicke entspricht nichr der Numerierung nach Nomenklatur-Regeln. Projektionsformel rnit Inter-

planar-Winkeln (unten)

Br32

Abb. 2. Stereographische Projektion des Tetrabrombicyclo[3.3.l]no- nandions 10 rnit der Benennung der Atome (oben); Sauerstoff-Atome sind schraffiert; Brom-Atome sind punktiert. Projektionsformel rnit In-

terplanar-Winkeln (unten)

Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion (1) besitzt im Kristall C2- Symmetrie und liegt in einer stark abgeflachten Doppel- Sessel-Konformation vor. Der flexible Interplanar-Winkel betragt nicht weniger als 148" (Abb. 1).

Im Gegensatz zu 1 bevorzugt das Tetrabrom-Derivat 10 im Kristall eine Sessel-Boot-Konformation. Mit einem In- terplanar-Winkel von 154.6" auf der Sessel-Seite und 150.4" auf der Boot-Seite ist sie noch starker abgeflacht als die Doppel-Sessel-Konformation von 1. Die AbstoDung zwi- schen einem exo-standigen Brom-Atom und einem Wasser- stoff-Atom der Methylen-Briicke fiihrt zur Verkleinerung des mittleren Interplanar-Winkels auf 109.7" (Abb. 2).

c9

Br7

Abb. 3. Stereographische Projektion des Dibrombis(ethy1endioxy)bi- cyclo[3.3.l]nonans 13 rnit der Benennung der Atome (oben); Sauer- stoff-Atome sind punktiert; Brom-Atome sind schraffiert. Projektions-

formel mit Interplanar-Winkeln (unten)

Das formal C2-symmetrische a,a'-Dibromethylenacetal 13 zeigt Sessel-Konformationen auf beiden Seiten, die sich infolge von Wechselwirkungen im Kristall-Gitter geringfu- gig unterscheiden. Beide Brom-Atome stehen in exo-Stel- lung am Bicyclo[3.3.l]nonan-Gerust, entsprechend einer aquatorialen Position an den Cyclohexan-Ringen. Diese sind deutlich weniger abgeflacht als im Falle der Diketone 1 und 10.

Die formal symmetrischen 2,6-Diketone 1 und 10 und auch exo-4,exo-8-Diphenylbicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion (17)131 existieren in abgeflachten Doppel-Sessel- (1) oder Sessel-Boot-Konformationen (10, 17). Das zeigt, daB das Potential der Ring-Inversion niedrig ist und die eine oder andere Konformation erst durch Wechselwirkungen im Kri- stall-Gitter fixiert wird. In Losung liegen wahrscheinlich Gleichgewichte zwischen Doppel-Sessel- und Sessel-Boot- Konformationen vor. Auch die Inversions-Barriere des Cy- clohexanons ist niedriger als bei anderen Cyclohexan-Deri-

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vaten[261, doch ist die Sessel-Konformation um mehr als 11 kJ . mol- ' stabiler als die beiden Twist-Boot-Konformatio- nen und die Boot-K~nformation[~'].

NMR-Spektren und Konformation

Da die epimeren a-Bromketone 5 nur im Gemisch neben betrachtlichen Mengen 1 sowie exo- und endo-7 vorlagen, wurden sie nicht spektroskopisch charakterisiert. Die Zuordnung der Signale in den 13C-NMR-Spektren fast aller anderen Verbindungen (aul3er 11, 12, 14) wurde durch '3C,'H-COSY-Experimente gesichert.

Die Ring-Protonen des Bicyclo[3.3.l]nonan-Geriists bil- den komplizierte Spin-Systeme, deren Multipletts nicht vollstandig analysiert wurden. Die Kopplungs-Partner wur- den rnit Hilfe von Entkopplungs-Experimenten und 'H,'H- COSY-Spektren bestimmt. Die Aufspaltungen der Signale wurden naherungsweise als Absolutwerte der Kopplungs- konstanten angenommen. Kleine weit reichende Kopplun- gen wurden vernachlassigt. Die chemischen Verschiebungen und Naherungswerte der Kopplungskonstanten sind in den Tab. 2-7 zusammengestellt.

Im Falle von Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion (1) wurden auch die NMR-Spektren des a-perdeuterierten Isotopomers [D4]-1 aufgenommen, das leicht aus 1 durch Base-kataly- sierten H/D-Austausch erhalten wurde. Da auch im 'H- NMR-Spektrum von [D4]-1 die W-Kopplung von 4-He,d, (%Hendo) mit einem der beiden Protonen 9-H nicht zu er- kennen ist, beruht die Zuordnung der Signale von 4-Hex, und 4-HendU (%Hex, und %Hendo) auf dem Vergleich rnit 'H- NMR-Parametern von Cyclohexan und seinen Derivaten. Axiale Cyclohexan-Protonen absorbieren bei hoherem Feld als aquatoriale, und vicinale Kopplungen zwischen aquato- rialen Protonen sind kleiner als solche zwischen aquatoria- len und axialen P r o t ~ n e n [ ~ ~ ] . Tatsachlich zeigt der Hoch- feld-Teil des AB-Spektrums der Methylen-Gruppen neben den Bruckenkopfen von [D4]-1 eine Aufspaltung von 6.3 Hz (3J1,8exu = 3J4e.r0,5), wahrend im Tieffeld-Teil keine solche Aufspaltung zu erkennen ist.

Die Zuordnung der Signale der Methylen-Gruppen im 'H-NMR-Spektrum des Bicyclo[3.3.1]non-3-en-2,6-dions (6) gelingt auf der Basis chemischer Verschiebungen und weit reichender Kopplungen. Der Vergleich rnit den chemi- schen Verschiebungen der Methylen-Briicken des gesattig- ten (1) und des doppelt ungesattigten Diketons (2) zeigt, dal3 9-H,, von 6 bei tieferem Feld absorbiert als 9-HOnti. Zwischen diesem Proton und 4-H sowie zwischen jenem und 8-Hend, besteht eine W-Kopplung, wodurch die Zuord- nung der Signale von %Hendo und 8-H,, gesichert ist. Auf die gleiche Weise wurden die Signale von 7-He,d, und 7- He,, zugeordnet, dessen W-Kopplung rnit den Brucken- kopf-Protonen sich durch Kreuzpeaks im 'H,'H-COSY- Spektrum zu erkennen gibt.

Die a-Bromethylenacetale 13 und 14 waren laut 13C- NMR-Spektren konfigurativ einheitlich. Dagegen erwies sich das bei 165-166°C schmelzende Produkt der zweifa- chen Bromierung des Diketons 1 als Gemisch von zwei Epi- meren, einem symmetrischen (exo-7) und einem unsymme- trischen (endo-7). Die Zuordnung der Signale erfolgte durch

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H, "n

5-H +-fg 63.0 68.2 c3

52.5 H, C6

1

99.1

101.0

21.6

10

Abb. 4. Newman-Projektion und durch Rontgenbeugungs-Analyse be- stimmte Torsionswinkel H-C-C-H ["] ausgewahlter Bindungen der Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dione 1 (C4-C3, oben links; C4-C5, oben

rechts) und 10 (C4-C5, unten links; C8-C1, unten rechts)

Untersuchung von Gemischen unterschiedlicher Zusam- mensetzung, da eine Trennung nicht moglich war. Dem un- symmetrischen a,a'-Dibromdiketon kann ohne weiteres die Konfiguration endo-7 zugewiesen werden. Schwieriger ist die Bestimmung der Konfiguration des symmetrischen a,a'-Dibromdiketons, da beide moglichen Stereoisomere (exo,exo-Br2 und endo,endo-Br2) in drei Konformationen vorliegen konnen. Von diesen kann wegen offensichtlich zu groI3er transannularer Wechselwirkungen nur jeweils eine als zu ungunstig auI3er Betracht bleiben, namlich die Boot- Boot-Konformation von exo, exo-Br2 und die Sessel-Sessel- Konformation von endo,endo-Br2. Die 'H- (Tab. 7) und I3C- NMR-Spektren (Tab. 8) des symmetrischen Dibromdike- tons ahneln weitgehend denen einer Halfte des unsymmetri- schen a,a'-Dibromdiketons endo-7. Jenes besitzt offensicht- lich auf beiden Seiten die gleiche Konfiguration und Kon- formation wie diese Halfte. Daher wurde zunachst die Kon- formation von endo-7 bestimmt.

Die Konformation monocyclischer Ketone und a-Halo- genketone war Gegenstand zahlreicher Untersuchun- gen[26-28]. Uber Bicyclo[3.3. llnonanone und insbesondere a-Halogenbicyclo[3.3. llnonanone ist kaum etwas bekannt. Eine Konformations-Analyse von Bicyclo[3.3.l]nonan-De- rivaten gelingt auf der Basis vicinaler 'H,'H-Kopplungs- konstanten, die rnit Hilfe der Karplus-Gleichung (3J = 7 - coscp + 5c0s2cp)[~~] aus Torsionswinkeln errechnet wer- den[2.3,30.3'l. Die Zuverlassigkeit dieses Verfahrens erkennt man am besten, wenn man aus den durch Rontgenbeu- gungs-Analyse erhaltenen Torsionswinkeln (Abb. 4 und 5) 'H,'H-Kopplungskonstanten errechnet und diese mit expe- rimentellen Werten vergleicht. Fur die Verbindungen l, 10, 13 und 17L31 sind diese Daten in Tab. 2 zusammengestellt.

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73.9 46.5

c2 69.0

51.6 C6

Hn H n Hn Hn

5-H 4$:.7c3

65.2 71.1

49.9 H, C6

13

1 -H 4g:7 66.8 71.6 c 7 49.3

Hll c 2

Ph D2 17 0

'@Br 'ABr Br Br

H" Hn Hn

18 19

Das unsymmetrische a,a'-Dibromdiketon endo-7 (exo, en- do-Br2) kann vier energetisch verschiedene Konformationen einnehmen. Da in dreien davon transannulare Wechselwir-

Abb. 5. Newman-Projektion und durch Rontgenbeugungs-Analyse be- kungen zwischen Brom- und Wasserstoff-Atomen bestehen, stimmte Torsionswinkel H-C-C-H ["I ausgewahlter Bindungen des Dibrombis(ethylendioxy)bicyclo[3.3.l]nonans 13 (C4-C3, oben links; Daher liegt endo-7 sehr wahrscheinlich in der Sessel-Boot-

Konformation 18 vor. Die 400-MHz-NMR-Spektren des Danach liegen 1 und 13 auch in Losung in einer Doppel- Gemischs aus exo- und endo-7 wurden von Losungen in Sessel-Konformation vor, wahrend fur 10 und 17 die experi- [D3]Acetonitril gemessen, da darin die Uberlagerung der Si- mentellen Werte den Durchschnittswerten zweier entarteter gnale am geringsten war. Der Vergleich der vicinalen Sessel-Boot-Konformationen ahneln. 'H,'H-Kopplungskonstanten von endo-7 mit denen von 1

Tab. 2. Experimentell bestimmte und aus Torsionswinkeln H-C-C-H (["I, in Klammern sowie Abb. 4 und 5 ) errechnete (/~ursiv)[*~] vicinale 'H,'H-Kopplungskonstanten von Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion (1) und der Derivate exo-7, endo-7, 10, 13 und 17F3]

durften diese Konformationen wohl keine Rolle spielen. c8-c7, oben c4-c5, unten links; C8-C1, unten rechts)

1

endo-7

eX0-7

10

17

13

7.3 3.3 10.7 8.0 6.3fb] <2lb1 S 7.4 2.1 11.7 7.2 5.0 3 5

(38.4) (81.3) (159.4) (39.7) (52.8) (63.6)

s - - 11.9 9.5 6.3 b]

s - - 11.8 7.9 6.0 3.3

- 8.1 2.2 - - - S 4.6 3.6

(55.8) (63.0) S=B 7.35 3.014

5.6 - 2.4 S 2.1 7.3 2.5

S*B 7 2 6.65 3.3[c]

- - 7.2

- 13.1 6.6 5.0 2.4 S 12.7 5.2 4.9 3.3

(170.5) (51.6) (53.6) (65.2) s*s 12.5 5.65 5.1 325[c1

-

7 .O 13.4 -

12.3

12.3 (165.1)

C6D6 S

- 5.0 CbI B CD3CN

S CD3CN

C6D6 10.1 2.4 B

(18.0) (99.1)

CDCl3 6.3 4.1 B

CDC13 6.1 5.3 3 2 S

(46.5) (51.3) (66.8)

la ] Konformation: S=Sessel; B=Boot; S % B, S % S=Gleichgewicht zwischen der Sessel- und Boot-Konformation bzw. zwei im Kristall verschiedenen Sessel-Konformationen. - C b ] Aus dem 'H-NMR-Spektrum von [DJl. - 1'1 Berechnete Durchschnittswerte der Kopplungskon- stanten der im Kristall nicht-aquivalenten Halften.

Liebigs Ann. Chem. 1994, 109- 120

Konformation und Bromierung von Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion 115

(Tab. 2) zeigt, dal3 die beiden Paare der Kopplungskonstan- ten der a-Protonen 3-H und 7-H tatsachlich nur rnit der Sessel-Boot-Konformation 18 vereinbar sind, in der die transannularen Wechselwirkungen am geringsten sind und die beiden Brom-Atome in einer quasi-aquatorialen Stel- lung stehen. Von a-Bromcyclohexanonen ist bekannt, dalj sie in polaren Losungsmitteln eine Konformation rnit aqua- torialem Brom-Atom b e v o r z ~ g e n [ ~ ~ . ~ ~ ] .

Die Kopplungskonstanten der a-Protonen 3-H und 7-H von exo-7 ahneln denen der Sessel-Halfte von endo-7 rnit der exo-Konfiguration des Brom-Atoms. Daher besitzt exo- 7 auf beiden Seiten die exo-Konfiguration und liegt in [D3]Acetonitril in der Doppel-Sessel-Konformation 19 rnit aquatorialen Brom-Atomen vor.

Diskussion

Die hier beschriebenen Ergebnisse eroffnen einen ergiebi- gen Zugang zu den ungesattigten Diketonen 2, 6, 9 und 11 durch direkte Bromierung von 1 und Dehydrobromierung der Bromketone rnit Calciumcarbonat in Dimethylacet- amid. Die in anderen Fallen bewahrte Methode via Ethylenacetale[22] scheitert hier an der schwierigen 1,2-De- hydrobromierung des a,a'-Dibromethylenacetals 13. Diese Reaktionstragheit gegeniiber starken Basen 1al3t sich auf Grund der Konfiguration und Konformation von 13 verste- hen (Abb. 3). Die fur die Eliminierung notwendige antiperi- planare Anordnung der Abgangsgruppen ist nur in einer Boot-Konformation zu realisieren, die aber wegen einer ekliptischen Wechselwirkung zwischen Dioxolan-Ring und dem anderen Cyclohexan-Ring sehr ungiinstig ist. Daher kann eine transannulare Dehydrobromierung zum Zuge kommen, die den Ring zum 3-Bromnoradamantan-Derivat 15 schlieljt. Vermutlich spielt auch die Grolje der Base eine Rolle, da die Protonen 3-H und 7-H von 13 nur schwer zuganglich sind.

Wir danken Frau Dr. G Lunge und Herrn E Dadrich fur die Aufnahme der Massenspektren sowie Frau E. Ruckdeschel und Herrn Dr. D. Scheutzow fur die Messung der 400-MHz-'H-NMR- Spektren und die Durchfiihrung der COSY- und Doppelresonanz- Experimente. Dem Fonds der Chemzschen Zndustrie, Frankfurt am Main, schulden wir Dank fur finanzielle Unterstiitzung.

Experimenteller Teil Ausbeuten, Schmelzpunkte und IR: Tab. 1. - 'H-NMR: Tab.

2-7. - I3C-NMR: Tab. 8. - Summenformeln, Molmassen und Elementaranalysen: Tab. 9. - Schmelzpunkte: In zugeschmolzenen Kapillaren mit einem Gerat der Fa. Biichi, Flawil, Schweiz, oder mit einem Kofler-Mikroheiztisch der Fa. Reichert, Wien. - IR: Perkin-Elmer 1420. - 'H-NMR: Bruker AC 250 (0.305 HzlPkt.) und WM 400 (0.110 HdPkt.). Die Signale von 1, [D,]-l, 2, 6, exo- und endo-7, 9, 10, 13, 14 und 15 wurden rnit Hilfe von 'H,'H- COSY-Experimenten zugeordnet; die Kopplungskonstanten ermit- telte man durch Doppelresonanz-Experimente. Zur Auflosung klei- ner Fernkopplungen und sehr nahe benachbarter Signale wurde eine Lorentz-Gauss-Transformation durchgefiihrt. - I3C-NMR: Bruker AC 250. Die Signale wurden rnit Hilfe von DEPT-Spektren und im Falle von 1, 2, 6, exo- und endo-7, 9, 10, 13, 14 und 15 durch I3C,'H-COSY-Experimente zugeordnet. - MS (70 eV): Fin- nigan MAT 8200.

Blitzchromatographie: (40 X 4)cm-Glas-Saule rnit Kieselgel 32-63 pm (ICN-Biomedicals), Petrolether (PE) (30-75'C)IEssig- ester (EE), 1.8 bar, UV-Detektor Knauer 87.00 (h = 254 nm). - Cyclische praparative Mitteldruck-Fliissigkeitschromatogra- phie[33,34]: (70 X 7)cm-Glas-Saule rnit Kieselgel LiChroprep Si60, 15-25 pm (Merck), UV-Detektor Knauer 87.00 (h = 254 nm) und Differentialrefraktometer Bischoff 81 10. - Hochdruck-Fliissig- keitschromatographie: Bruker-Franzen LC 21 -C rnit UV-Detektor Knauer 87.00 (h = 254 nm) und Differentialrefraktometer Erma ERC 7512, (250 X 4.6)mm-Stahl-Saule rnit Nucleosil 100, 3 pm (Knauer), 1.5 mllmin PE (50-75"C)IEE (90: lo), Retentionszeit tR [min]: 5.1 (15), 6.9 (13), 12.7 (14), 13.9 (12), 17.2 (16); Waters M- 6000A mit UV-Detektor 440 (h = 254 nm) und Differentialrefrak- tometer R401, (250 X 4.6)mm-Stahl-Saule rnit Kieselgel LiChro- sorb Si60, 5 pm (Knauer); 1.5 ml/min; PEIEE (80:20), tR: 9.2 (11), 10.2 (9), 11.0 (2); PE/EE (70130) tR: 3.5 (15), 4.3 (13), 5.0 (12), 6.3 (9), 7.0 (2); PE/EE (50150) tR: 4.0 (exo-7), 4.0 (S), 4.8 (lo), 7.1 (endo-7), 8.0, 9.7 (5), 12.4 (1). - Gaschromatographie: Varian 1400 rnit Integrator Chromatopac C-RIB (Shimadzu); (3.0 X 0.002)m- Glas-Saule mit 3% oder 10% Siliconol SE 30 auf Volaspher Az, 60-80 pm (Merck), 30-35 ml N,/min, Saulentemp. 100-200°C rnit 4"C/min. - Die Berechnung von Verhaltnissen erfolgte ohne Beriicksichtigung stoffspezifischer Korrekturfaktoren.

Aus Umlaufapparaturen wurden unter Argon (99.998%) destil- liert: Tetrahydrofuran und Toluol iiber Natriumhydrid, Methanol iiber Magnesiummethanolat und Trichlormethan uber Diphos- phorpentoxid. Essigester wurde iiber Diphosphorpentoxid und Di- methylsulfoxid uber Calciumhydrid bei 5 X lopz Torr destilliert. Dimethylacetamid wurde zweimal bei 15 Torr iiber Calciumhydrid destilliert und unter Argon iiber 3-A-Molekularsieb aufbewahrt. - Kalium-tert-butylat wurde dreimal bei 1 Op2 Torr sublimiert und unter Argon gehandhabt. - Pyridinium-tribr~rnid~~] und Bicyclo- (3.3. I]nonan-2,6-dion (l)c4] wurden nach Literaturangaben herge- stellt. Sublimation von 1 bei 120°C/10-2 Torr ergab farblose Kri- stalle rnit Schmp. 140- 142°C. Aus Toluol kristallisierten farblose Prismen rnit Schmp. 144- 146°C (Schmp. 138- 140"C[41, 137-140°C[6b]). - IR, UV, IH-, I3C-NMR: Lit.[6b]

3,3,7,7- Tetradeuteriobicyclo(3.3. I/nonan-2,6-dion ( [D4]-l): Durch dreimalige Umkristallisation von 1 aus [ODIMethanol in

Tab. 3. Chemische Verschiebungen (&Werte, Hauptdiagonale) und Ab- solutwerte der Kopplungskonstanten ([Hz], iibrige Werte) in den 'H- NMR-Spektren (400 MHz) von Losungen von Bicyclo[3.3.l]nonan- 2,6-dion (1) und [D,]-l in [D6]BenZOl. Die Daten der Symmetrie-aqui- valenten Protonen 3-H2/7-H2 und 4-H2/8-H2 sind nur einmal angege-

ben

I-H 3-H, 3-HendO 4-H, 4-He,, 5-H 9-H, 9-H,,,,/a1

1-H 2.23 2.9 2.9

3-H, 2.07 16.8 7.3 3.3

3-Hend0 1.82 10.7 8.0

4-H, 1.30 13.9 6.3fb1

1.48 <2Ib1 Lcl 4-Hend0

5-H 2.23 2.9 2.9

9-H, 1.39

9 . ~ anti la1 1.39

L a ] 9-HanZi steht anti zu 4-H2. - [bl Aus dem 'H-NMR-Spektrum von [D4]-1. - ['I Ohne vollstandige Analyse der Multipletts nicht zu ermit- teln.

Liebigs Ann. Chem. 1994, 109-120

116 H. Quast, C. Becker, E. GeiBler, K. Knoll, E.-M. Peters, K. Peters, H. G. von Schnering

Gegenwart von Kaliumcarbonat erhielt man farblose Kristalle mit einem Deuterierungsgrad >95% (400 MHz-lH-NMR).

Bromierung von 1 rnit 2.2 rnol Kupfer(II)-bromid: Zu einer Lo- sung von 38.6 g (254 mmol) 1 in einem Gemisch aus 300 ml Tri- chlormethan und 300 ml Essigester gab man 123 g (0.55 mol) Kup- fer(I1)-bromid und ruhrte die Suspension 3.5 h unter RuckfluB. Man gab 50 ml Dichlormethan zu, ruhrte 5 min, filtrierte die heiBe Suspension und wusch das Kupfer(1)-bromid mit Dichlormethan (2 X 20 ml). Nach 5 h bei 20-25°C kiihlte man das Filtrat 2 d auf -20°C und erhielt 24.2 g farblose Kristalle mit Schmp. 150-153"C, die aus (exo- + endoJ) , exo-7 und endo-7 (47:18:35, HPLC, Differentialrefraktometer) bestanden. Man wusch die grune Mutterlauge rnit Wasser (3 X 100 ml), trocknete sie mit Ma- gnesiumsulfat, destillierte das Losungsmittel i.Vak. und erhielt 3 1 .O g hellgelbes Pulver rnit Schmp. 13O-14O0C, das aus 1, (exo- + endo-5), exo-7 und endo-7 (21 :57:9: 13, HPLC, Differentialrefrak- tometer) bestand. Gesamtausbeute 49% 5 (bez. auf eingesetztes 1).

exo-3,exo-7-Dibrombicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion (exo-7) und exo- 3,endo-7-Dibrombicyclo[3.3.I]nonan-2,6-dion (endo-7): Zu einer Losung von 30.4 g (200 mmol) 1 in einem Gemisch aus 250 ml Trichlormethan und 250 ml Essigester gab man 180 g (0.81 mol) Kupfer(I1)-bromid und ruhrte die Suspension unter RiickfluB. Nachdem exo- und endo-5 verschwunden waren (ca. 3.5 h, HPLC), gab man 150 ml Dichlormethan zu, riihrte 5 min, filtrierte die heiBe Suspension und wusch das Kupfer(1)-bromid mit Dichlormethan (2 X 50 ml). Nach 5-10 h bei 20-25°C kuhlte man das Filtrat 2 d auf -20°C und erhielt 42-49 g (68-79%) farblose Kristalle rnit Schmp. 163-165"C, die aus exo- und endo-7 (3:7, 'H-NMR), ca. 3% 8 und geringen Mengen exo- und endo-5 bestanden (HPLC nach Dehydrobromierung). Man wusch die griine Mutterlauge rnit Wasser (2 X 100 ml), trocknete sie rnit Magnesiumsulfat, destillierte das Losungsmittel i.Vak. und erhielt 10- 11 g hellgelbes Pulver rnit Schmp. 157- 160°C. - Das Kupfer(1)-bromid extrahierte man 16 h in einem HeiBdampf-Extraktor rnit 0.5 1 Dichlormethan, destil- lierte das Losungsmittel i.Vak. und erhielt 2-8 g blaBbraunliches Pulver rnit Schmp. 158-160°C. Die Produkte aus der Mutterlauge und der Kupfer(1)-bromid-Extraktion wurden gemeinsam aus Es- sigester/Trichlormethan (1 : 1) umkristallisiert und ergaben 9- 18 g farblose Kristalle rnit Schmp. 162- 165°C. Einengen ihrer Mutter- lauge i.Vak. lieferte weitere 1-3 g hellgelbe Kristalle rnit Schmp. 160- 162°C. Gesamtausb. 55-59 g (89-95%).

Bromierung von 1 rnit 3 mol Brom: In Anlehnung an Lit.[16] tropfte man unter Ruhren und FeuchtigkeitsausschluB zu einer Lo- sung von 3.0 g (19.8 mmol) 1 in 120 ml Trichlormethan in 30 min eine Losung von 3.1 ml(60 mmol) Brom in 120 ml Trichlormethan und riihrte 2 h. Nach vollstandiger Umsetzung (HPLC) wusch man die gelbe Losung mit gesattigter waBriger Natriumhydrogencarbo- nat-Losung (2 X 50 ml) und 50 ml Wasser und trocknete rnit Ma- gnesiumsulfat. Man destillierte das Losungsmittel i.Vak. und er- hielt 6.6 g hellgelbes Pulver rnit Schmp. 162-164"C, das aus 7 , 8 und 10 (1 :7:2, HPLC nach Dehydrobromierung zu 2,9 und 11) be- stand.

3,3,7,7-Tetrabrombicyclo[3.3. I]nonan-2,6-dion (10): In Anleh- nung an Lit.[16] tropfte man unter Ruhren und Feuchtigkeitsaus- schlul3 zu einer Losung von 1 .O g (6.6 mmol) 1 in 40 ml Trichlorme- than bei 0°C in 15 min eine Losung von 1.7 ml (33 mmol) Brom in 100 ml Trichlormethan und ruhrte 6 h bei 20-25°C. Nach Been- digung der Reaktion (HPLC) wusch man die gelbe Losung mit gesattigter wal3riger Natriumhydrogencarbonat-Losung (2 X 30 ml) und 30 ml Wasser und trocknete mit Magnesiumsulfat. Man destillierte das Losungsmittel i.Vak. und erhielt 2.7 g (87%) hellgel- bes Pulver mit Schmp. 149 - 15 1 "C. AUS CyclohexanlToluol ( 1 : 1

kristallisierten 1.8 g (58%) farblose Kristalle mit Schmp. 153- 155°C (Zers.) [Lit.['6] 148- 149°C (Zers.)].

Bicyclo[3.3.l]non-3-en-2,6-dion (6): Unter Stickstoff ruhrte man eine Suspension von 33 g (0.33 mol) Calciumcarbonat und 30.5 g Gemisch aus 1, (exo- + endo-5), exo-7 und endo-7 (21:57:9:13) in 150 ml Dimethylacetamid 3 h bei 115°C. Man destillierte die Hauptmenge des Losungsmittels bei 50°C/10-2 Torr, suspendierte den hellbraunen, schmierigen Ruckstand in 100 ml Ether und tropfte vorsichtig unter Eiskiihlung eine Mischung aus 80 ml konz. HCI und 80 ml Wasser zu. Die klare, orangefarbige Losung wurde 16 h in einem Riihrextrakt~r[~~I mit 0.5 1 Ether extrahiert. Man destillierte das Losungsmittel i.Vak., zuletzt bei 20-25"C/lO-* Torr, und erhielt einen gelben Feststoff, der bei 50"C/4 . Torr sublimiert wurde und 8.3 g hell gelbes Sublimat lieferte. Man dige- rierte den Sublimationsruckstand rnit 20-30 ml Essigester und er- hielt 1.33 g 1 mit Schmp. 140-145°C. Blitzchromatographie der Losung rnit PE/EE (60:40) ergab 4.8 g hellgelbes Pulver. Mittel- druck-Flussigkeitschromatographie des Sublimats und des hellgel- ben Pulvers mit Essigester (6 Portionen, 35 ml/min, 12 bar, t R

[min]: 75 (2), 82 (6), 98 (1)) lieferte 3.31 g 1 und nach Sublimation bei 50°C/4 . Torr 1.83 g 2 rnit Schmp. 82-83°C sowie 7.92 g 6 mit Schmp. 97-99°C. - Auf die gleiche Weise wurden 23.7 g Gemisch aus (exo- + endo-5), exo- und endo-7 (47:18:35) rnit 26 g (0.26 mol) Calciumcarbonat in 100 ml Dimethylacetamid umge- setzt. Sublimation, Blitzchromatographie und anschlieoende Mit- teldruck-Fliissigkeitschromatographie lieferten nach Sublimation bei 50°C/4 . lop5 Torr 2.66 g 2 und 2.27 g 6. Ausb. beider Versuche (bez. auf 85% Umsatz von 1): 4.5 g (14%) 2 und 10.2 g (30%) 6 als farbloses Pulver rnit Schmp. 97-99°C.

Tab. 4. Chemische Verschiebungen (6-Werte, Hauptdiagonale) und Ab- solutwerte der Kopplungskonstanten ([Hz], ubrige Werte) im 'H- NMR-Spektrum einer Losung von Bicyclo[3.3.l]non-3-en-2,6-dion (6)

in [D6]Benzol

1-H 3-H 4-H 5-H 7-H, 7-H, 8-H, 8-H, 9-H, 9-Hl2i

I-H 2.23 [bl 4.9 3.0 3.2 2.6

3-H 5.89 9.8

4-H 6.14 6.9 1.9

5-H 2.72 3.2 2.6

7-H, 1.87 15.8 6.0 1.5

2.30 13.4 7.8 7-Hend0

1.33 13.4

1.71 3.0

1.82 13.2

9-H,,l/a1 1.39

la] 9-H,,,, steht anti zu 4-H. - Lb] Die Kopplungskonstante 4J1,7ex0 ist aus dem Multiplett nicht abzulesen. Die W-Kopplung zwischen 1-H und 7-H, ist durch einen Kreuzpeak im 'H,'H-COSY-Spektrum gesi- chert.

Bicyclo[3.3.l]nona-3,7-dien-2,6-dion (2): Man riihrte unter Stick- stoff eine Suspension aus 103 g (1.03 mol) Calciumcarbonat und 62.0 g (200 mmol) des Gemischs aus exo- und endo-7 (3:7), das ca. 3% 8 und geringe Mengen exo- und endo-5 enthielt, in 280 ml N,N- Dimethylacetamid 3.5 h bei 115°C. Man destillierte die Haupt- menge des Losungsmittels bei 50°C/10-2 Torr, suspendierte den

Liebigs Ann. Chem. 1994, 109- 120

Konformation und Bromierung von Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion 117

Tab. 5. Chemische Verschiebungen (6-Werte, Hauptdiagonale) und Ab- solutwerte der Kopplungskonstanten ([Hz], ubrige Werte) im 'H- NMR-Spektrum einer Liisung von 3-Brombicyclo[3.3.1]nona-3,7-

dien-2,6-dion (9) in [DJTrichlormethan

1-H 4-H 5-H 7-H 8-H 9-H,!] 9-H,,j

I-H 3.60 1.1 0.6 6.5 2.9 2.9

4-H 7.41 7.2 1.6

5-H 3.39 0.9 2.9 2.9

7-H 5.93 10.0

8-H 7.06 1.8

9 - ~ [a1 2.84 13.2

9-Honri 2.77

SY"

~~

La] 9-H,, steht auf der Seite des Brom-Atoms.

Tab. 6. Chemische Verschiebungen (6-Werte, Hauptdiagonale) und Ab- solutwerte der Kopplungskonstanten ([Hz], ubrige Werte) im 'H- NMR-Spektrum einer Lijsung des 3-Bromnoradamantans 15 in

[D]Trichlormethan

1-H 4-Hx 4-Hn 5-H 7-H 8-H, 8-Hn 9-Hsy~,Ial 9-H,,,,i ~~

I-H 1.87 lbl 1.8 1.0 3.4 Ib1

4-H-0 2.71 11.6 1.0

4-Hcnd0 2.51 3.3 1.3

5-H 1.91 1.8

7-H 2.38 1.0 7.1

1.97 11.3 8-H-o

8-Hendo 2.19 1.2

9-H la] 1.73

9-H,; 1.73

w

O(CH2)20: 6=3.8-4.0 (6H , 4.1 4.3 (2H). - la] 9-Hsyn steht auf der Seite des Brom-Atoms. - Ohne vollstandige Analyse des Multi- pletts nicht zu ermitteln.

hellbraunen, schmierigen Ruckstand in 0.2 1 Ether und tropfte vor- sichtig unter Eiskuhlung 0.5 1 2 M HCl (1.0 mol) zu. Die klare, orangefarbige Losung wurde 18 h in einem Riihre~traktor[~~] rnit 1 1 Ether extrahiert. Das Losungsmittel wurde i.Vak., zuletzt bei 20-25°C/10-2 Torr, destilliert. Man erhielt einen dunkelgelben Feststoff, der bei 50-55°C110-2 Torr sublimiert wurde und 11-15 g (36-49%) hellgelbes Sublimat mit Schmp. 75-82°C lieferte. Blitzchromatographie des dunkelorangefarbigen, oligen Ruck- stands mit PE/EE (60:40) ergab ein hellgelbes Pulver, das erneut bei 50-55°C/10-2 Torr sublimiert wurde und 7-11 g (23-37%) blaDgelbes Pulver rnit Schmp. 75 -82°C lieferte. Beide Fraktionen wurden gemeinsam aus PE/EE (70: 30) umkristallisiert und ergaben 17-18 g (56-60%) hellgelbe Kristalle rnit Schmp. 83-84°C und >98% Reinheit (HPLC, Verunreinigungen 0.3% 9 und 1% 6) und 3 g blaBgelbe Kristalle rnit Schmp. 81 -82°C und >91% Reinheit (HPLC, 0.7"/0 9 und 8% 6). Blitzchromatographie der zweiten Frak- tion mit PE/EE (60:40) ergab ein hellgelbes Pulver rnit Schmp. 83-84°C und >98% Reinheit. Durch Blitzchromatographie des Ruckstands der Mutterlauge rnit PElEE (60:40) und Mitteldruck- Flussigkeitschromatographie rnit EE (40 ml/min, 9.5 bar, tR [min]:

Tab. 7. Chemische Verschiebungen (6-Werte) und Absolutwerte der Kopplungskonstanten [Hz] in den 400-MHz-'H-NMR-Spektren von Liisungen einiger Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion- und 2,2,6,6-Bis(ethy- lendioxy)bicyclo[3.3.l]nonan-Derivate in [DITrichlormethan. Bei Aquivalenz von Protonen infolge von Symmetrie (2, -0-7, 10, 11, 13 und 16) stehen die chemischen Verschiebungen und Kopplungskon- stanten nur in den Spalten rnit den niedrigsten Nummern. Kursiv ge- druckte ahnliche Werte konnen vertauscht sein. Indices der Protonen:

x = exo, n = endo

Verb. 1-H 3-H, 4-H, 7-H, 8-H, 9-H2 O(CH320 m 5-H 3-Hn 4-H, 7-H, 8-H,

Bicyclo[3.3.l]nonan-Derivate ex0-71~1 2.98 - 2.47

m ddd 5.04 2.63 dd ddd

endo-7raI 2.68 - 2.02 m m

3.17 5.24 2.90 m dd m

10[h.cI 2.23 - 2.83 m dd - 3.31

dd

13 2.03 - 2.13 m ddt

4.45 2.52 ddd ddd

Bicyclo[3.3.1 Inonen-Derivate

14 2.04 5.72 6.09 m ddd ddd

2.44 (3-H) (4-H) m

1-H 3-H 4-H

2.38 m

4.79 2.74 2.02 dd dddd m - 2.28 2.59

ddd m

1.65 ddt

2.03 3.9-4.0 (6H) m 4.1-4.3 (2H)

- 2.12 2.09 3.9-4.1 (5H) dd m 4.1-4.30H)

4.70 2.56 dd dddd

~

214 3.33 5.81 6.99 m dt ddt

Ille] 3.70 - 7.67 dddd d

ddd dd 16[fl Id 5.45 5.97

2.76 tt

2.80 br. t

3.7-4.2

- - exo-7 14.1 11.8 7.9 6.0 3.3

endo-1 11.9 9.5 13.6 13.4 7.0 5.0 - -

10 16.5 - - 8.1 2.2 3.0 - - 1.1(4x.9)

- -

2.4 13 13.9 13.1 6.6 5.0 -

2 - - - 3.0 10.0 6.8 0.7 0.7

11

16

- -

- - - - - 2.8 - 6.9 - -

10.0 5.7 1.4 0.6

- - - - _

14 13.1 13.0 5.5 4.6 2.3 10.0 6.1 0.9 0.7 1.6

[a] Liisungsmittel [D,]Acetonitril; Gemisch aus exo- und endo-7 (3 :7) und geringen Mengen 8; 6 = 2.0-3.1 (m, ubrige Protonen des Bicy- clo[3.3.l]nonan-Geriists). - 1'1 Lijsungsmittel [D Benzol. - IC] 60- MHz-NMR-Spektrum in \D]Trichlormethan: Lit.['$ - Cd] Literaturan- gaben siehe - el Losungsmittel [D6]Dimeth Isulfoxid; 60- MHz-NMR-Spektrum in [D7]Dimethylformamid: LitfI6] - [fl Ge- misch aus 14 und 16 (9:l); 6= 1.4-2.7 (m, ubrige Protonen des Bicy- clo[3.3.l]nonan-Geriists). - 191 Wegen Uberlagerung rnit anderen Si- gnalen nicht ablesbar. - ch] Fehlende Kopplungskonstanten konnten ohne vollstandige Analyse der Multipletts nicht ermittelt werden.

Liebigs Ann. Chem. 1994, 109-120

118 H. Quast, C. Becker, E. GeiIJler, K. Knoll, E.-M. Peters, K. Peters, H. G. von Schnering

quart. c Verb. c-2 c-3

C-6 C-7

Tab. 8. Chemische Verschiebungen (6-Werte) in den I3C-NMR-Spektren von Liisungen einiger Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion- und 2,2,6,6- Bis(ethylendioxy)bicyclo[3.3.l]nonan-Derivate sowie des 3-Bromnoradamantans 15 in [DITrichlormethan. Wenn Kohlenstoff-Atome aquivalent sind, steht die chemische Verschiebung nur in der Spalte des Kohlenstoff-Atoms rnit der niedrigsten Nummer. Kursiv gedruckte ahnliche Werte

von Kohlenstoff-Atomen rnit gleichem Protonierungsgrad konnen vertauscht sein. Literaturangaben stehen in eckigen Klammern ~~

CH CH2 c-1 c-3 c-4 c-3 c-4 c-9 O(CH2)$3 c-5 c-7 C-8 C-7 C-8

Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dione

43.5 1 212.6 - 43.5 i212.6 - - 31.5(d) -

-

- [212.5

exo-71bl 202.46 - 47.76 52.69

end0-7[~] 202.06 - 45.75 51.84 205.85 - 45.89 53.19

- 10 194.4 60.3 41.6

214 192.9 45.2 125.5 -

6 200.4 - 41.6 132.8 - 49.6 - 206.6 - - 186.0 120.9 45.5

48.1 192.0 - 9

l l [ d l 185.3 120.0 47.7 -

2,2,6,6-Bis(e1hylendioxy)bicyclo[3.3.l]nonane 12 110.6 - 36.0 -

13 108.6 - 41.5 54.3

14 108.36 - 39.23 131.28 105.56 - 40.09 53.60

16ce] 107.05 - 37.85 126.70

Brombis(ethy1endioxy)noradamantan

15 115.66 67.8 41 .O - 116.13 - 42.8 53.8

- - -

- - - -

146.0

148.3

146.4 145.3

147.9

-

-

- 133.39 -

132.45

- -

37.1 37.0 37.l(t) - - -

-

-

- 34.0

145.3 -

-

31.5 - - -

-

- -

26.6 31.4 26.6 31.7][361 26.7(t) 43.6(t)][6cl[al

39.66 33.70

42.78 29.72 33.11

52.1 26.8 - 33.9

- 34.8 28.9

- 33.0 - - 33.1

23.7 29.4 64.19 64.34

35.5 27.9 65.50 66.79

- 29.13 64.23 65.61 35.83 64.89 66.24

- 29.55 63.91 64.11

44.0 29.6 64.06 65.50 31.5 64.71 65.70

Fur die Diskrepanz zwischen der in dieser Arbeit sowie in getroffenen und der in vorgenommenen Zuordnung haben wir keine Erklarung. - Ibl Losungsmittel [D3]Acetonitril; Gemisch aus exo- und endo-7 (3:7) und geringen Mengen 8. - ['I Literaturangaben siehe Lit.[6b,c] - Ldl Losungsmittel [D,]Dimethylsulfoxid. - [el Gemisch aus 14 und 16 (9:l).

65 (9), 69 (2), 77 (6)) wurden nur noch geringe Mengen 2 und 6 erhalten. Gesamtausb. 20-22 g (66-72%) blaBgelbe Kristalle mit Schmp. 83-84"C, die 0.3% 9 und ~ 2 % 6 enthielten (HPLC) (Schmp. 81-83"Cr6"1; 81-82°C[6bl; 82-83"C[6c1).

3-Brombicyclo[3.3. I]nona-3,7-dien-2,6-dion (9): Man gab unter Stickstoff zu 6.6 g des Gemischs aus 7 , 8 und 10, das durch Bromie- rung von 1 mit 3 mol Brom in Trichlormethan erhalten worden war, 14.0 g (0.14 mol) Calciumcarbonat und 25 ml N,N-Dimethyl- acetamid und riihrte 2.5 h bei 115°C. Man kiihlte auf 20-25"C, destillierte die Hauptmenge des Losungsmittels bei 50°C/10-2 Torr, gab zu dem braunen Ruckstand 100 ml Ether und tropfte vorsichtig unter Eiskiihlung 70 ml 2 M HC1 (0.14 mol) zu. Man wusch die organische Phase mit EislWasser (2 X 150 ml) und 100 ml gesattig- ter waBriger Natriumchlorid-Losung, extrahierte die waBrigen Lo- sungen rnit Ether ( 3 x 30 ml), trocknete die vereinigten organi- schen Phasen rnit Calciumchlorid, destillierte das Losungsmittel i.Vak. und erhielt 2.5 g hellgelbes Pulver. Aus Toluol kristallisierten 2.2 g blaBgelbe Kristalle rnit Schmp. 140- 142"C, die aus 2, 9 und 11 (1 :7:2, HPLC) bestanden. Durch Sublimation bei 60°C/10-2 Torr wurden 2 und 9 abgetrennt, 11 blieb als nichtfliichtiger Riick- stand. Cyclische Mitteldruck-Fliissigkeitschromatographie des Sublimats (44 mllmin EE, 12 bar, 2 Durchlaufe) und Kristallisation aus Toluol ergaben 1.35 g 9 (30%, bez. auf 1) als groBe hellgelbe

Nadeln rnit Schmp. 163- 165°C. - MS, m/z (YO): 228, 226 (27, 27) [M+], 147 (40) [M+ - Br], 119 (90), 91 (100).

3,7-Dibrombicyclo[3.3.l]nona-3,7-dien-2,6-dion (11): Unter Stickstoff riihrte man eine Suspension aus 2.5 g (5.3 mmol) 10 und 3.2 g (32 mmol) Calciumcarbonat in 13 ml N,N-Dimethylacetamid 2.5 h bei 115°C. Man kiihlte auf 20-25"C, destillierte die Haupt- menge des Losungsmittels bei 5O0C/1O-* Torr, gab zu dem braunen Riickstand 70 ml Ether und tropfte vorsichtig unter Eiskiihlung 30 ml 2 M HC1 (60 mmol) zu. Man wusch rnit Eiswasser (2 X 100 ml) und 50 ml gesattigter waIJriger Natriumchlorid-Losung, extrahierte die waBrigen Losungen mit Ether (3 X 30 ml), trocknete die verei- nigten organischen Phasen mit Calciumchlorid, destillierte das Lo- sungsmittel i.Vak. und erhielt 0.97 g (68%) rote Kristalle rnit Schmp. 250-260°C. Aus 3 ml Cyclohexan/Toluol (1 : 1) kristallisier- ten 0.83 g (51%) gelbe Kristalle rnit Schmp. 256-259°C (Zers.) [Lit.['6] 258-260°C (Zers.)].

Dispiro {1,3-dioxoIan-2,2'-bicyclo[3.3.l]nonan-6',2"-~1,3]dioxo- Ian) (12): Man erhitzte eine Losung von 15.2 g (0.1 mol) 1, 16 ml (0.26 mol) 1,2-Ethandiol und 0.24 g (1.3 mmol) 4-Toluolsulfonsau- re-Hydrat in 100 ml Toluol 2.5 d unter RiickfluB und destillierte dabei das entstandene Wasser azeotrop ab. Man kiihlte auf 20-25°C und wusch die gelbe Losung rnit gesattigter waBriger Na-

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Konformation und Bromierung von Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion 119

Tab. 9. Summenformeln, Molmassen und Elementaranalysen einiger Bicyclo[3.3.l]nonan-2,6-dion- und 2,2,6,6-Bis(ethylendioxy)bicyclo

[3.3.1]nonan-Derivate sowie des 3-Bromnoradamantans 15

Elementaranalyse

Verb, Summenformel Molmasse C H

6

7

9

~ ~~

150.2 Ber. 71.98 Gef. 72.41

310.0 Ber. 34.87 Gef. 35.03

227.1 Ber. 47.61 Gef. 47.86

~~ ~

6.71 6.66

3.25 3.23

3.11 3.15

10

11

13

14

15

467.8 Ber. 23.11 Gef. 23.24

306.0 Ber. 35.33 Gef. 35.21

389.1 Ber. 39.65 Gef. 39.22

317.2 Ber. 49.23 Gef. 49.03 Gef. 49.28

1.77 1.70

1.98 1.91

4.54 4.56

5.40 5.66 5.47

Tab. 10. Experimentelle Einzelheiten und Ergebnisse der Rontgenbeu- gungs-Analysen der Bicyclo[3.3.l]nonan-Derivate 1, 10 und 13

Verbindung 1 10 13

Summenformel CgH1202 C9HaBr402 Ci3Hi&O4 Molmasse 152.19 467.80 399.81 Kristallsystem monoklin orthorhombisch monoklin

Raumgruppe c21c p212121 P2,lc a [pml 744.0(1) 11 16.4(4) 1559.9(5) b [pml 1060.6(1) 1187.9(3) 883.0(2) c [pml 988.1(2) 951.5(3) 1076.7(3) P ["I 95.41(2) 108.28(2) v [pm3] . 776.2(3) 1312.7(7) 1408.30) Z 4 4 4 d (berechnet) [g cm-,] 1.302 2.367 1.885

KristallgroSe [mm] 0.3 x 0.6 ~ 0 . 2 0 . 4 ~ 0.7 xO.35 0.2 xO.85 x 0.1 MeBbereich ( h ) 0 - 9 0 - 14 0 - 20

(4 0- 13 0 - 15 0 - 11 (4 -12 - 12 0 - 12 -14 - 13

Zahl der gemessenen Reflexe 1009 3252 3551 davon Symmetrie-unabhangig 902 3252 3225 beobachtete Reflexe F23o (FJ 764 2334 2560 lin. Absorptions-Koeff. [mm-'1 0.08 12.62 5.71 Absorptions-Korrektur v-Scan y-Scan y-scan Verhdtnis Fob,Paramete.r 10.91 16.91 14.80

R 0.041 0.075 0.051 Rw 0.040 0.064 0.037 Diff. Four. Apmax[ll [eA-,] 0.16 2.31 0.54

APmin ["I 0.12 1.98 1.03

[*I Maximale und [**I minimale Rest-Elektronendichte in der abschlie- Oenden Differenz-Fourier-Synthese.

triumhydrogencarbonat-Losung (2 X 30 ml), 50 ml Wasser und 50 ml gesattigter waBriger Natriumchlorid-Losung. Man extrahierte die waBrigen Losungen mit Ether (3 X 40 ml), trocknete die verei- nigten organischen Phasen mit Calciumchlorid, destillierte das Lo- sungsmittel i.Vak. und erhielt 24.2 g (quantit.) farbloses Pulver rnit Schmp. 69-72°C. Aus 60 ml Petrolether kristallisierten 22.0 g (92%) farblose Plattchen rnit Schmp. 74-76°C (Lit.[16] 73-75°C). - 'H-NMR (250 MHz, CDCI,): 6 = 1.6-2.0 (m, 12H), 3.8-4.0

exo-3',exo- 7'-Dibromdispiro (1,3-dioxolan-2,2'-bicyclo[3.3. I / - nonan-6',2"-[1,3]dioxolan) (13): In Anlehnung an Lit.[23] gab man bei -70°C zu einer Losung von 9.0 g (37.5 mmol) 12 in 50 ml Tetrahydrofuran 26.0 g (81 mmol) Pyridinium-tribromid und riihrte 1 h bei -70°C. Die Losung entfarbte sich sofort, und es entstand ein Niederschlag. Man lieB in 0.5 h auf 20-25°C erwar- men, goo die gelbe Suspension in 0.6 1 kaltes Wasser, riihrte 5 min und filtrierte. Man riihrte das farblose Pulver in 50 ml Methanol 10 min bei 60°C, kiihlte 3 h auf - 10°C, filtrierte, und erhielt 14.0 g (94%) farbloses Pulver rnit Schmp. 206-208°C. Aus Aceton kri- stallisierten 12.0 g (90%) farblose Prismen rnit Schmp. 216-218°C. - MS; mlz (%): 398 (2) [M+], 355 (2), 319, 317 (33, 33), [M+ - Br], 275, 273 ( 5 , 5 ) [M+ - Br - C2H40], 179 ( l l ) , 177 ( l l ) , 99 (100).

exo- 7'- Bromdispiro (1,3-dioxolan-2,2'-bicyclo[3.3. Ilnon-3' -en- 6',2"-[1,3/dioxolan) (14): Man erhitzte unter Stickstoff und Riih- ren eine Losung von 1.08 g (9.6 mmol) Kalium-tert-butylat in 15 ml Tetrahydrofuran unter RiickfluB und tropfte in 15 min eine Lo- sung von 0.51 g (1.3 mmol) 13 in 20 ml Tetrahydrofuran zu. Nach 1 h bildete sich in der gelben Losung ein farbloser, feiner Nieder- schlag. Man erhitzte 13 h unter RiickfluB, bis 13 vollstandig umge- setzt war (HPLC), kiihlte die gelbe Suspension auf 20-25"C, wusch rnit gesattigter, waBriger Kaliumdihydrogenphosphat-Lo- sung (2 X 20 ml), extrahierte die waBrigen Losungen rnit Ether (3 X 20 ml), wusch die vereinigten organischen Phasen mit 20 ml gesattigter, waBriger Kaliumdihydrogenphosphat-Losung, trock- nete rnit Magnesiumsulfat und destillierte das Losungsmittel i.Vak. Man erhielt 0.38 g gelbes 01, das beim Digerieren mit 3 ml Pentan bei -30°C langsam zu einem hellgelben Pulver (0.33 g, 87%) mit Schmp. 66-71 "C erstarrte. Mehrmalige Kristallisation aus Petrol- ether ergab farblose Kristalle rnit Schmp. 73-75°C. - MS: mlz (%) = 318, 316 (9, 9) [M+], 237 (loo), [M+ - Br], 193 (21) [M+ - Br - C2H40], 183 (20), 179 (25), 177 (27), 165 (8), 149 (8), 112 (1 l), 99 (92).

(m, 8H).

Dispiro {1.3-dioxolan-2,2'-bicyclo[3.3. I]nona-3', 7'-dien-6',2"- [1,3]dioxoZan) (16) und 14: Nach der Vorschrift fur 14 erhielt man aus 1.50 g (13 mmol) Kalium-tert-butylat in 15 ml Tetrahydrofuran und 0.48 g (1.2 mmol) 13 in 20 ml Tetrahydrofuran nach 20 h 0.34 g gelbes 01, das aus 14 und 16 (9:1, 'H-NMR) bestand.

3'-Bromdispiro ~I,3-dioxolan-2,2'-tricyclo[3.3. l .03. 7]nonan- 6',2"[1,3]dioxoIan) (15): Man gab unter Stickstoff und Ruhren zu einer Losung von 2.2 g (20 mmol) Kalium-tert-butylat in 20 ml Dimethylsulfoxid 1.0 g (2.5 mmol) 13, wobei die Temperatur auf 30°C anstieg. Man envarmte auf 50°C, riihrte 3 h, bis 13 vollstan- dig umgesetzt war (HPLC), go13 die gelbe Losung auf 30 g Eis, sattigte rnit Natriumchlorid und extrahierte rnit EthedPetrolether (1 : 1, 5 X 20 ml). Man wusch die vereinigten organischen Phasen rnit gesattigter, wal3riger Natriumchlorid-Losung (5 x 20 ml), ex- trahierte die waBrigen Losungen rnit 20 ml EtherlPetrolether (1 : l), trocknete rnit Kaliumcarbonat und destillierte das Losungsmittel i.Vak. Man erhielt 0.75 g gelbes 01, das aus 14 und 15 (1 :9, 'H- NMR) bestand und langsam kristallisierte. Man digerierte mit 20 ml Pentan und danach rnit 20 ml Dichlormethan und erhielt 0.71 g farblose Kristalle rnit Schmp. 66-73°C. Aus Ethanol kristalli-

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120 H. Quast, C. Becker, E. GeiBler, K. Knoll, E.-M. Peters, K. Peters, H. G. von Schnering

sierte 15 in farblosen Nadeln (0.60 g, 76%) rnit Schmp. 75-77°C. - MS: mlz (YO) = 318, 316 (28, 28) [M+], 238 (15), 237 (100) [M+ - Br], 193 (5) [M+ - Br - C2H40], 175 (4) , 165 (23), 149 (9, 113 (23), 112 (11).

Rontgen-Strukturbestimmungen: Die Verbindungen lagen als farblose, transparente Kristalle vor, deren Zellparameter auf der Basis von 22 Reflexen bestimmt wurden. Die in Tab. 10 angegebe- nen Zahlen der Reflexe beziehen sich auf Mo-K, und 2 0 = 55” (Graphit-Monochromator, Wyckoff-Scan). Die Messungen erfolg- ten rnit dem System Nicolet R3mN, die Auswertungen rnit einer Rechenanlage Micro-Vax I1 und dem Programm-System SHELXTL-PLUS[371. Die Strukturen wurden rnit Hilfe Direkter Methoden gelost und rnit der Methode der kleinsten Fehlerqua- drate anisotrop verfeinert; Wichtungsschema fur R,* = 1102. Die Lagen der Wasserstoff-Atome wurden geometrisch berechnet und mit isotroper Beschreibung bei den Verfeinerungen berucksich- tigtL3’1.

[ I ] Die Ergebnisse stammen aus der Dissertation von K. Knoll, Univ. Wiirzburg, 1993, der Diplomarbeit von C. Becker, Univ. Wiirzburg, 1993, sowie der Diplomarbeit, Univ. Wiirzburg, 1985, und unveroffentlichten Versuchen von E. GeiDler.

E2] H. Quast, K. Knoll, E.-M. Peters, K. Peters, H. G. von Schne- ring, Chem. Ber. 1993, 126, 1047-1060.

L31 H. Quast, E. GeiBler, T. Herkert, K. Knoll, E.-M. Peters, K. Peters, H. G. von Schnering, Chem. Ber. 1993,126, 1465-1475.

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beim Fachinformationszentrum Karlsruhe, Gesellschaft fur wissenschaftlich-technische Information mbH, D-76344 Eggen- stein-Leopoldshafen, unter Angabe der Hinterlegungsnummer CSD-57027, der Autorennamen und des Zeitschriftenzitats an- gefordert werden.

L2I Y Neuere Beispiele fur die Dehydrobromierung von a-Brom-

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