Darstellung und Umwandlung von 1-Hydroxyindolin-2-onen · 2.2.4 Darstellung von Aminyloxiden ... 3.3 Versuche zur Verwendung von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrosophenyl)-2-methylpropansäure

Darstellung und Umwandlung von

1-Hydroxyindolin-2-onen

Vom Fachbereich Chemie

der Universität Duisburg-Essen

zur Erlangung des akademischen Grades eines

Doktors der Naturwissenschaften

genehmigte Dissertation

von

Martin Becker

aus

Duisburg

Referent: Prof. Dr. D. Döpp Korreferent: Prof. Dr. W. S. Veeman Tag der mündlichen Prüfung: 22.09.2005

Die experimentellen Arbeiten wurden in der Zeit von Mai 1992 bis Dezember 2003 im Fach-

gebiet Organische Chemie des Instituts für Synthesechemie der Universität Duisburg-Essen

(Standort Duisburg) unter Anleitung von Prof. Dr. D. Döpp durchgeführt.

Mein herzlichster Dank gilt allen, die durch ihre Unterstützung die Entstehung der vorliegenden Arbeit ermöglicht haben, insbesondere jedoch meinen Eltern.

Meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr. D. Döpp danke ich für die Überlassung des interessanten Themas, seine zahlreichen Anregungen und wertvollen Ratschläge bezüglich theoretischer und praktischer Fragen und nicht zuletzt für seine Geduld und ständige Diskussionsbereit-schaft.

Herrn Prof. Dr. W. S. Veeman danke ich für die freundliche Übernahme des Korreferats.

Für die Anfertigung der Röntgenstrukturanalyse danke ich Herrn Prof. Dr. M. Köckerling (Universität Rostock).

Ebenso bedanke ich mich bei Prof. Dr. L. Greci und seiner Arbeitsgruppe (Universität Ancona) für die Durchführung der ESR-Experimente.

Weiterhin möchte ich mich bei Frau Renate Brülls für die Anfertigung der Elementar-analysen, bei den Herren Jürgen Gündel-Graber und Manfred Zähres für die Aufnahme der NMR-Spektren und bei Herrn Winfried van Hoof für die massenspektrometrischen Untersuchungen bedanken.

Mein besonderer Dank gilt auch Herrn Jörg Grabowski, der in allen technischen Fragen mit Rat und Tat zur Seite stand.

Nicht zuletzt sei allen nicht namentlich erwähnten Mitarbeitern des Fachgebiets Organische Chemie für den regen Informationsaustausch, die stete Hilfsbereitschaft und das angenehme Arbeitsklima gedankt.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung und Aufgabenstellung ...................................................................... 1

2 Diskussion der relevanten Literatur ................................................................. 4

2.1 Photochemie der ortho-Alkylnitrobenzole............................................................ 4

2.2 Aminyloxide........................................................................................................ 24

2.2.1 Allgemeines über Aminyloxide ....................................................... 24 2.2.2 Stabilität der Aminyloxide ............................................................... 27 2.2.3 Weitere Reaktionen der Aminyloxide.............................................. 37 2.2.3.1 Reduktion von Aminyloxiden .......................................................... 37 2.2.3.2 Oxidation der Aminyloxide.............................................................. 39 2.2.4 Darstellung von Aminyloxiden ........................................................ 40 2.2.5 Anwendung von Aminyloxiden ....................................................... 49

3 Eigene Ergebnisse und Diskussion .................................................................. 50

3.1 Photolyse der 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methylpropansäure (6a)........... 50

3.1.1 Darstellung der Ausgangsverbindung .............................................. 50 3.1.2 Belichtung von kristalliner 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-

2-methylpropansäure (6a) ................................................................ 55 3.1.3 Belichtung von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methylpro-

pansäure (6a) in organischen Lösungsmitteln.................................. 60 3.1.4 Aminyloxide aus 1-Hydroxyindolin-2-onen .................................... 75 3.1.5 Belichtung von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methylpro-

pansäure (6a) in alkalischer Lösung................................................. 79 3.1.6 Feststoffbelichtung von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-

methylpropansäure-Na-Salz (6a-Na-Salz)....................................... 81 3.2 Photolyse des 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methylpropansäure-(-)-

menthylesters (118)............................................................................................. 83

3.2.1 Darstellung der Ausgangsverbindung .............................................. 83 3.2.2 Belichtung des 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methylpro-

pansäure-(-)-menthylesters (118) in organischen Lösungs-mitteln............................................................................................... 87

3.2.3 Belichtung des 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methylpro-pansäure-(-)-menthylesters (118) in alkalischem Methanol............. 97

3.3 Versuche zur Verwendung von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrosophenyl)-2-methylpropansäure (5a) als Spin-Trap.............................................................. 100

3.3.1 Thermolyse der 2-(4-tert-Butyl-2-nitrosophenyl)-2-methyl-propansäure (5a)............................................................................. 100

Inhaltsverzeichnis

3.3.2 Reaktion von 5a mit 3-(4-Methoxyphenyl)-1-phenyltriazen 1-Oxid (131) als Radikalquelle ...................................................... 104

3.3.3 Reaktion von 5a mit Dibenzoylperoxid (138)................................ 105 3.3.4 Reaktion von 5a mit 1-Chlorbenzotriazol (140) ............................ 107 3.3.5 Reaktion von 5a mit 2,2´-Azoisobutyronitril (141) ....................... 110 3.3.6 Reaktion von 2-(3,5-Di-tert-butyl-2-nitrosophenyl)-2-me-

thylpropansäure (5b) mit 2,2´-Azoisobutyronitril (141) ................ 115

4 Zusammenfassung........................................................................................... 119

5 Experimenteller Teil ....................................................................................... 123

5.1 Vorbemerkungen............................................................................................... 123

5.2 Belichtung von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methylpropansäure (6a) .................................................................................................................... 125

5.2.1 Darstellung von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methyl-propansäure (6a)............................................................................. 125

5.2.2 Belichtung von pulverisierter 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophe-nyl)-2-methyl-propansäure (6a) ..................................................... 127

5.2.3 Belichtung von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methylpro-pansäure (6a) in organischen Lösungsmitteln................................ 128

5.2.3.1 Versuche zur Oxidation von 99...................................................... 132 5.2.3.1.1 Umsetzung von 99 mit FeCl3 ......................................................... 132 5.2.3.1.2 Umsetzung von 99 mit PbO2.......................................................... 132 5.2.4 Belichtung von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methylpro-

pansäure (6a) in alkalischer Lösung............................................... 134 5.2.5 Feststoffbelichtung von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-

methylpropansäure-Na-Salz (6a-Na-Salz)..................................... 135 5.3 Belichtung von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methylpropansäure-

(-)-menthylester (118) ....................................................................................... 138

5.3.1 Darstellung des 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methyl-propansäure-(-)-menthylesters (118).............................................. 138

5.3.2 Belichtung des 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methylpro-pansäure-(-)-menthylesters (118) in Methanol............................... 140

5.3.3 Belichtung des 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methylpro-pansäure-(-)-menthylesters (118) in wässriger KOH/Metha-nol................................................................................................... 145

5.4 Versuche zur Verwendung von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrosophenyl)-2-methylpropansäure (5a) als Spin-Trap.............................................................. 148

5.4.1 Darstellung der Ausgangsverbindung 5a ....................................... 148 5.4.2 Thermolyse der 2-(4-tert-Butyl-2-nitrosophenyl)-2-methyl-

propansäure (5a)............................................................................. 149

5.4.3 Thermolyse des 1,4-Di-tert-butyl-2-nitrosobenzols (130) ............. 152 5.4.4 Umsetzung von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrosophenyl)-2-methyl-

propansäure (5a) mit 3-(4-Methoxyphenyl)-1-phenyl-tria-zen 1-Oxid (131) ............................................................................ 152

5.4.5 Reaktion von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrosophenyl)-2-methyl-propansäure (5a) mit Dibenzoylperoxid (138)............................... 153

5.4.6 Reaktion von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrosophenyl)-2-methyl-propansäure (5a) mit 1-Chlorbenzotriazol (140) ........................... 154

5.4.6.1 Darstellung des 1-Chlorbenzotriazols (140) .................................. 154 5.4.6.2 Umsetzung von 140 mit 5a ............................................................ 155 5.4.6.2.1 analytisch........................................................................................ 155 5.4.6.2.2 präparativ........................................................................................ 155 5.4.7 Reaktion von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrosophenyl)-2-methyl-

propansäure (5a) mit 2,2´-Azoisobutyronitril (141) ...................... 157 5.4.8 Umsetzung von 2-(3,5-Di-tert-butyl-2-nitrosophenyl)-2-

methylpropansäure (5b) mit 2,2´-Azoisobutyronitril (141) ........... 158 5.4.8.1 Darstellung der 2-(3,5-Di-tert-butyl-2-nitrosophenyl)-2-

methylpropansäure (5b) ................................................................. 158 5.4.8.2 Umsetzung von 5b mit 2,2´-Azoisobutyronitril (141) ................... 159

6 Literaturverzeichnis........................................................................................ 162

7 Anhang ............................................................................................................. 168

7.1 Struktur von 2-(4-tert-Butyl-2-nitrophenyl)-2-methylpropansäure (6a) im Kristall ......................................................................................................... 168

7.2 Parameter zur ESR-Spektroskopie von 102a, b, c ............................................ 174

1

1 Einleitung und Aufgabenstellung

1-Hydroxyindolin-2-one (3) sind durch ein einfaches photochemisches Verfahren leicht zugänglich1, 2, 3, 4, 5). Bei der UV-Belichtung (λ ≥ 280 nm) der 2-Nitroalkylbenzole 1 in protischen oder aprotischen Lösemitteln, in Einzelfällen auch als kristalline Feststoffe6, 7), entstehen zunächst 3H-Indol 1-Oxide (2), die durch Wasseranlagerung und Dehydrierung (am einfachsten durch alkalisch-oxidative Aufarbeitung der aus 1 gewonnenen Photolysate ohne Isolierung von 2) in die Zielverbindungen 3 überführt werden können.

N

OH

O

NO2

CH3

N+

O

H

N

H

O

21

hν-2 H

H2O

-H2O

R1

R2

R3

R4 R4

R1

R2

R3

R1

R2

R3

R4 R4 R4

R4

3

R1

R2

R3

R4 R4

4

ReduktionIsomerisierung

( H+ )

a: R1 = R3 = H; R2 = tert-Butyl; R4 = CH31, 3, 6)b: R1 = R3 = tert-Butyl; R2 = H; R4 = CH34, 7)c: R1 = R3 = H; R2 = H, NO2, Br, NHCOCH3, C6H5; R4 = CH32, 5)d: R1 = R3 = H; R2 = CN, COOH, OCH3; R4 = CH32, 5)

Schema 1.1

Diese entsprechen in der Konnektivität den Hydroxamsäuren und sind somit als cyclische Hydroxamsäuren aufzufassen, die sich durch intensiv blau gefärbte Eisen(III)-Komplexe zu erkennen geben8). Die Entoxygenierung1, 2) der Verbindungen 3 führt zu den Indolin-2-onen 4, die auch durch säurekatalysierte Isomerisierung4) der Imin N-Oxide zugänglich sind.

H N C OO

Andererseits können die 1-Hydroxyindolin-2-one 3 oxidativ zu Nitrosobenzolen mit ortho-ständiger carboxylierter Seitenkette geöffnet werden9), wie am Beispiel des 6-tert-Butyl-1-hydroxy-3,3-dimethylindolin-2-ons (3a) und seines Analogons 3b gezeigt wird.

1 Einleitung und Aufgabenstellung

2

N

OH

OCOOH

NO

OH -

COOH

N+

O

O

3a, b 5a, b

1. /K3[Fe(CN)6] 2. H3O+

R1

R2

R3

a: R1 = R3 = H; R2 = tert-Butylb: R1 = R3 = tert-Butyl; R2 = H

R1

R2

R3

6a

R1

R2

R3

[O]

Schema 1.2

5a

Da Nitrosobenzole leicht zu den entsprechenden Nitroverbindungen oxidiert werden können, soll das gut zugängliche 5a in die Nitrobenzolcarbonsäure 6a überführt werden.

Im Grundsatz ist 6a dem Edukt 1a analog, seine Photolyse sollte daher die zu 2a, 3a und 4a analogen Produkte erschließen, in denen an Position 3 nicht zwei Methylgruppen stehen, sondern eine Methyl- und eine Carboxylgruppe. Letztere sollte, sofern sie bei Lichtreaktionen nicht stört (was noch zu überprüfen ist), den Produkten zum einen eine gewisse Wasserlöslichkeit verleihen, zum anderen derivatisierbar sein. Dies gilt auch für die Nitrosocarbonsäuren 5a, b.

Den vorstehend erwähnten Verbindungen 1 - 3 und 5 ist eigentümlich, dass sie sämtlich mit den sogenannten Aminyloxiden1, einer Klasse persistenter11) freier Radikale, in Beziehung stehen:

1. Wie später noch dargelegt wird, verläuft die Photolyse von 1 zu 2 über Aminyloxide.

2. 3H-Indol 1-Oxide des Typs 2 sind Spin-Traps12) und können transiente Radikale addieren, zu den gleichen Produkten gelangt man jedoch auch durch Addition von

1 Die Nomenklatur der Aminyloxide ist in der Literatur uneinheitlich. Die in dieser Arbeit benutzte Bezeichnung „Aminyloxid“ repräsentiert den systematischen Gruppennamen nach IUPAC-Regel C 81.210). Alternativ bezeichnet man diese Verbindungsklasse häufig als „Aminoxyle“ oder, insbesondere in der angelsächsischen Literatur, als „Nitroxyle“ und „Nitroxide“.

3

Nucleophilen13), z. B. Grignard-Reagenzien14, 15i) und anschließende Rückoxidation.

O

N C

H

O

N C

H OH

N C

H

X

O

N C

H

X

O

N C

H

X

HX: Ox

X

Schema 1.3

3. Die Hydroxamsäuren 3a-c können mit Oxidationsmitteln wie Blei(IV)-acetat und/oder Blei(IV)-oxid in cyclische α-Acylaminyloxide überführt werden13, 16).

4. C-Nitroso-Verbindungen sind ebenfalls „spin-traps“12), somit könnte die Nitroso-verbindung 5a ein Reagenz zum Abfangen transienter Radikale darstellen. Die zu erwartenden Produkte wären wiederum Aminyloxide, die aufgrund der Carboxyl-substitution eine gewisse Löslichkeit in alkalischem bis neutralem wässrigen Milieu besitzen sollten.

Den Aspekten unter 3. und 4. wird später im Kapitel 3.1.4 bzw. 3.3 nachgegangen, zunächst soll im folgenden Abschnitt 2 eine Diskussion der relevanten Literatur erfolgen.

Die eigenen Ergebnisse werden dann im Kapitel 3 behandelt und diskutiert.

2 Diskussion der relevanten Literatur 4

2 Diskussion der relevanten Literatur

2.1 Photochemie der ortho-Alkylnitrobenzole

Die photochemische Aktivität von Nitrobenzolen wurde um 1900 bemerkt. Bereits 1886 berichteten G. Ciamician und P. Silber17) über die lichtinduzierte Reduktion von Nitroben-zol in Ethanol, bei der sie als Produkte Anilin sowie 4-Aminophenol erhielten. Eine generelle Lichtempfindlichkeit von Nitrobenzolen, die benzylische Wasserstoffatome in ortho-Position tragen, wurde 1904 von F. Sachs und S. Hilpert18) beschrieben („Sachs-Regel“). Bei diesen Reaktionen fand man allgemein, dass ein Sauerstoffatom unter Reduktion der Nitro- zur Nitrosogruppe in eine ortho-benzylische C–H-Bindung insertiert wurde.

H

NO2

OH

NO

R 1 R 2 R 1 R 2

hν

Schema 2.1.1

Einen ersten mechanistischen Erklärungsansatz für diese Reaktion veröffentlichte I. Tanasescu im Jahre 192619a). Er mutmaßte im einleitenden Schritt die Übertragung eines Wasserstoffatoms auf die Nitrogruppe. Diese Formulierung wurde 1961 von P. de Mayo und S. Reid konkretisiert und zur Deutung der Photochemie einiger Nitroaryle herange-zogen20). G. Wettermark stellte 1962 einen photochromen Effekt beim 2-Nitrotoluol (7a) fest, den er auf das Vorhandensein einer aci-Nitroverbindung zurückführte21). Den Beweis einer Wasserstoffabstraktion als Primärprozess bei der Photochemie von Nitroaromaten mit benzylischen Wasserstoffatomen in ortho-Position erbrachten H. Morrison und B. Migdalof 1965 durch ein Austauschexperiment22). Unter Berücksichtigung der Ergebnisse von Löschungsversuchen bei der lichtinduzierten Reaktion des Nitrobenzols in Tetrahydro-furan19b) veröffentlichte Morrison 1969 den nachstehenden Reaktionsmechanismus für die Belichtung von 2-Nitrotoluol (7a) in deuteriertem Methanol19b) (Schema 2.1.2).

Ausgangspunkt seines Vorschlags war die n→π* Anregung der Nitrogruppe, da man Wasserstoffabstraktionen als charakteristisch für Verbindungen mit tiefliegenden n→π*-Anregungszuständen erkannt hatte. Aufgrund der oben erwähnten Löschungsexperimente am Nitrobenzol formulierte er die Wasserstoffabstraktion im 2-Nitrotoluol (7a) über einen Triplettzustand, obwohl er zu bedenken gab, dass die Beteiligung von Singulettzuständen bei intramolekularen Reaktionen nicht ausgeschlossen werden konnte19b).

5

CH

H

H

N+

OO

CH

H

H

N+

OO

CH

H

H

N+

OO

CH

H

N+

OHO

CH

H

N+

OHO

C

H

H

N+

OHO

CH

D

H

N+

OO

7a 8a (S1) 9a (T1) 10a (T1)

hνCH3OD

CH3OD

"ac i-Form"11a (S1) 12a 7b

ISC

ISC

Schema 2.1.2

Nach der n→π*-Anregung der Nitrogruppe befindet sich das 2-Nitrotoluol (7a) in einem angeregten Singulettzustand, der mehrere Optionen der Weiterreaktion besitzt. Eine dieser Möglichkeiten besteht in einem Interkombinationsübergang (intersystem crossing, ISC), der die Nitrogruppe in einen Triplettzustand überführt. Die triplettangeregte Nitrofunktion abstrahiert nun ein Wasserstoffatom aus der ortho-ständigen Methylgruppe unter Bildung des Diradikals 10a, das sich noch im Triplettzustand befindet. Durch erneutes intersystem crossing zurück in den Singulettzustand kommt es zur Ausbildung von 11a, zu dem sich die Grenzform 12a aufstellen lässt. Struktur 12a bezeichnet man gemeinhin als „aci-Form“ oder „aci-Tautomer“22, 25) der Nitroverbindung 7a. Diese aci-Form stellt mit einem pKa-Wert von 1.1 - 3.723a) eine starke Säure dar, die in schwach basischem Medium zum aci-Nitro-Anion 13a deprotoniert wird23a), aber auch in einer Dunkelreaktion zum Edukt 7a zurückreagieren kann19a).

C

N+

OHO

H

H

C

N+

OO

H

H

CH

H

H

N+

OO

H+

+

H+-

"aci-Form"12a

"aci-Anion"13a7a

Schema 2.1.3


Das Anion der aci-Form sowie die aci-Form des 2,4,6-Trinitrotoluols wurden indirekt durch Blitzlichtphotolyse23a) und Belichtung in Lösung23a) nachgewiesen. Die Ausbildung derartiger aci-Formen erklärt den bei einigen Alkylnitrobenzolen beobachteten photochro-men Effekt. Jüngeren Untersuchungen an diversen ortho-substituierten Nitrobenzolen zufolge läuft die Bildung der aci-Nitroverbindung unter intramolekularer Wasserstoffab-straktion nicht nur über den oben beschriebenen Weg der triplettangeregten Nitrogruppe, sondern, möglicherweise sogar bevorzugt, aus dem angeregten Singulettzustand ab23a).

Ähnlich stellt sich das photochemische Verhalten des 2-Nitrobenzaldehyds (14) dar23a).

C

N+

OO

O

H

C

N+

OHO

OC

N+

OHO

O

ON

O

OH

C

N

O

O

OH

S1* T1*

14 15 16

17 18Schema 2.1.4

Auch hierbei kommt es nach lichtinduzierter n→π*-Anregung der Nitrogruppe zur intramolekularen Abstraktion des aldehydischen Wasserstoffatoms. Spektroskopische Befunde deuten dann auf die Bildung des Keten-Intermediats 16 hin. In einer klassischen Dunkelreaktion20) kommt es nachfolgend zur Bildung von 17, das im Gleichgewicht mit dem isolierbaren Produkt 18 steht23a). Löschungsexperimente in Verbindung mit spektros-kopischen Befunden weisen auch bei dieser Reaktion darauf hin, dass die Wasserstoff-abstraktion, abhängig von den Reaktionsbedingungen, sowohl aus dem angeregten Triplett- als auch aus dem angeregten Singulettzustand erfolgen kann23a).

Dass der Charakter des angeregten Zustands in der Photochemie der Nitroaromaten eine zentrale Rolle für den Reaktionsverlauf spielt, zeigen Untersuchungen einer sowjetischen Arbeitsgruppe24). Anhand der Auftragung der Energien des untersten angeregten Triplett-zustands ET gegen die Einelektron-Halbstufenpotentiale -ε½ an einer Quecksilber-Tropf-elektrode teilen sie 19 Nitroaryle in drei Gruppen mit unterschiedlichen Reaktivitäten der

7

angeregten Zustände ein. Bei den ersten beiden Gruppen finden sie eine lineare Korrelation zwischen ET und -ε½, während die dritte Gruppe keinen derartigen Zusammenhang aufweist.

Chemisch zeigt sich, dass die Verbindungen der Gruppe 1 ausschließlich Photoreduktionen eingehen. Das erklärt sich unter der Annahme, dass der Anregungszustand dieser Nitroaryle n→π*-Charakter oder π→π*-Charakter mit erheblichem n→π*-Anteil besitzt. Dies bewirkt in dem angeregten Triplettzustand eine zunehmende Elektrophilie, die eine Wasserstoff- oder Elektronenabstraktion begünstigt.

Die Verbindungen der Gruppe 2 reagieren demgegenüber sowohl unter Photoreduktion als auch unter Photosubstitution der Nitrogruppe. Bei diesen Substanzen vermutet man, dass Charge-Transfer-Zustände energetisch günstiger liegen als n→π*-Anregungen, so dass die Anregung durch eine Mischung von Charge-Transfer- und π→π*-Zuständen gekennzeich-net ist. Durch diese Situation wird die Photoreduktion deutlich erschwert.

Einige der zur Gruppe 3 gehörenden Nitroaniline und Nitronaphtylamine erweisen sich als überaus reaktionsträge gegenüber Lichteinwirkung. Eine Photoreduktion beobachtet man bei den Nitroanilinen erst nach Acylierung der Aminogruppe. Diese Reaktionsträgheit führt man auf das Vorhandensein eines intramolekularen Charge-Transfer-Zustands im angeregten Triplett zurück. Dadurch wird negative Ladung auf die Sauerstoffatome der Nitrogruppe verschoben und deren Elektrophilie deutlich abgeschwächt. Andererseits wäre, besonders mit Blick auf die geringe Energiedifferenz zwischen Grundzustand und dem niedrigsten angeregten Zustand, auch eine stärker ausgeprägte strahlungslose Deaktivierung als Erklärung denkbar24).

Aus dieser Untersuchung geht hervor, dass die hier abgehandelten ortho-Alkylnitrobenzole überwiegend zu den Verbindungen der beschriebenen Gruppe 1 gehören.

Ein weiterer wesentlicher Aspekt bei den photochemischen Reaktionen der ortho-Alkylnitrobenzole sind sterische Faktoren, wie folgende Untersuchung von Y. Kitaura und T. Matsuura belegt25).

Bei einer zehnstündigen Belichtung von 2-Nitrotoluol (7a) in 1,4-Dioxan/Deuteriumoxid findet man in den Produkten einen Deuterierungsgrad von 13 %, während die analoge Reaktion beim 2,4,6-Trimethylnitrobenzol (7c) lediglich zu einem Markierungsgrad von 4 % führt25). Da diese Austauschreaktion, wie in Schema 2.1.2 (S. 5) dargestellt, über das aci-Tautomer der Nitroverbindung läuft, muß die Fähigkeit zur Bildung dieser Spezies als Ursache für die unterschiedlichen Deuterierungsgrade angesehen werden. Konkret führt die zweite ortho-ständige Methylgruppe bei 7c in Lösung zu einer Verdrillung der Nitrogruppe gegenüber der π-Ebene des Benzolrings von 66-90° 26, 27), wodurch deren Konjugation zum Benzolring nahezu aufgehoben ist. Die Bildung der aci-Form ist somit


schwieriger als beim sterisch weniger gehinderten 2-Nitrotoluol (7a), bei dem eine Verdrillung von etwa 34° angenommen wird27).

Auch die Wahl des Lösungsmittels hat einen entscheidenden Einfluß auf den Reaktionsverlauf. So konnten Kitaura und Matsuura25) bei der Belichtung des 2,4,6-Trimethylnitrobenzols (7c) zeigen, dass das Edukt bei der Belichtung in trockenem Benzol vollständig zurückgewonnen wurde (Schema 2.1.5), während sie bei Bestrahlung in 2-Propanol die Photoreduktionsprodukte 2,4,6-Trimethylanilin (19) (45 %) und 2,4,6-Tri-methylphenol (20) (13 %) fanden (Schema 2.1.6). Bei Durchführung der gleichen Reaktion in feuchtem Benzol isolierten sie schließlich 2,4,6-Trimethylphenol (20) als Hauptprodukt, 2,4,6-Trimethylanilin (19) konnte nicht nachgewiesen werden25).

Überträgt man den von Morrison19b) aufgestellten Mechanismus für die Photoreaktion von 2-Nitrotoluol (7a) in deuteriertem Methanol auf die Reaktion von 7c in trockenem Benzol, so führt die Reaktion zur aci-Nitroverbindung 12c, die in Ermangelung eines Wasserstoff-lieferanten jedoch nur die Option der Rückreaktion zum Edukt besitzt25).

CH3

NO2

CH3

CH3

CH2

N+

CH3

CH3 O

OH

CH3

NO2

CH3

CH3

hν

7c

Benzol

7caci-Tautomer

Schema 2.1.5

12c

Bestrahlt man 7c hingegen in 2-Propanol, so findet man, vollkommen analog zu den Ergebnissen von Sachs und Hilpert18), eine Photoreduktion bis zur Stufe des Amins25). Da diese Reaktion auch beim Wechsel zu feuchtem Benzol als Lösungsmittel ausbleibt, kann man folgern, dass die Photoreduktion von 7c ein protisches Lösungsmittel erfordert25).

CH3

NO2

CH3

CH3

CH3

NH2

CH3

CH3

CH3

OH

CH3

CH3

hν

7c

2-Propanol +

19 20

Schema 2.1.6

...

45 % 13 %

9

Das Auftreten der Phenolderivate führen die Autoren25) auf einen möglichen alternativen Reaktionsmechanismus zurück. Aufgrund der starken Verdrillung der Nitrogruppe in 7c sehen sie als Konkurrenzreaktion zur Photoreduktion eine Nitro-Nitrit-Umlagerung, woraus nach Solvolyse des Nitrits die phenolischen Produkte resultieren. In feuchtem Benzol ist dies der einzige, zu einem Produkt führende Mechanismus.

CH3

N+

CH3

CH3 OO

CH3

O

CH3

CH3 NO

CH3

OH

CH3

CH3

CH3

NO2

CH3

CH3

H2O

hνBenzol / H2O

7c

Schema 2.1.7

21

22 20

Betrachtet man nun ortho-Alkylnitrobenzole mit Alkylresten, die sowohl α- als auch β-Wasserstoffatome tragen, so zeigt sich, dass die Abstraktion aus einer β-Position eher die Ausnahme ist23a). Zurückführen kann man dies auf den Umstand, dass die β-Wasser-stoffatome im Vergleich zu den α-Wasserstoffatomen, bei deren Abstraktion sich die Möglichkeit zur Ausbildung einer aci-Struktur ergibt, keine derartige Aktivierung erfahren2).

Eines dieser Beispiele ist die Photolyse des 2-(2-Nitrophenyl)ethanols (23), bei der unter β-Wasserstoffabstraktion die cyclische Hydroxamsäure 3e gebildet wird28).

CH2 CH2OH

NO2

CH2 COOH

N

H

OH N

OH

Ohν

23 3e24

Schema 2.1.8


J. Bakke28) schlägt für diese Reaktion eine photochemisch induzierte intramolekulare Redoxreaktion von 23 zu 24 vor. Die eigentliche Cyclisierung zum gefundenen Produkt 3e resultiert dann aus einem nucleophilen Angriff der Hydroxylaminfunktion am Carboxyl-C-Atom.

Auch die Belichtung des 2-Ethylnitrobenzols (1e) in 2-Propanol führt zur Bildung von Oxindol (4e) und 1-Hydroxyoxindol (3e)29).

CH2 CH3

NO2

CH CH3

N+

O

OH

CH CH3

N+

O

OH

CH2 CH2

N+

O

OH

N+

CH2

CH2

OOH

N+

CH

CH2

O

N

OH

O

N

H

O

hν

+

1e

12e

3e 4e

hν

2e

10e25e

26e

Schema 2.1.9

Obwohl die Abstraktion eines α-Wasserstoffatoms in dieser Reaktionssequenz möglich ist, führt diese zur Bildung der aci-Nitroverbindung 12e, die dann wieder zum Edukt 1e zurückreagiert.

Dagegen kommt es bei der Photoreaktion des 2,4,6-Triethylnitrobenzols in 2-Propanol ausschließlich zur β-Wasserstoffabstraktion25). Als Produkt erhält man 5,7-Diethyloxindol in einer Ausbeute von 40%. Belichtungen in Dioxan/D2O zeigen keinen Wasserstoff-Deuteriumaustausch, ein Hinweis darauf, dass in diesem Fall keine aci-Form ausgebildet wird und somit auch keine α-Wasserstoffabstraktion stattfindet. Als Grund hierfür wird die

11

Konformation des angeregten Moleküls gesehen, die eine α-Wasserstoffabstraktion un-möglich macht25).

Bei einer Substitution mit Isopropylresten beobachtet man ausschließlich die Abstraktion der α-Wasserstoffatome, wie die Beispiele in Schema 2.1.10 zeigen25). Man führt dies darauf zurück, dass die α-H-Atome in diesem Fall stärker aktiviert sind als die β-H-Atome, da bei der α-H-Abstraktion tertiäre C-Radikale entstehen. Diese sind deutlich stabiler als die primären C-Radikale, die bei einer β-H-Abstraktion erhalten würden.

NO2

H

H

H

N

OH

OH

H

N

OH

OH

H

NO2

HH

H H

H

H H

N

O

2 hν2-Propanol

hν2-Propanol

Schema 2.1.10

Anhand der Beispiele in Schema 2.1.10 zeigt sich auch, dass eine relativ geringfügige Änderung der Substitution am Aromaten das Reaktionsgeschehen vollkommen verändern kann. Offensichtlich hängt der Reaktionsverlauf von der Konformation der beteiligten funktionellen Gruppen ab, deren Bewegungsfreiheit in solch sterisch überfrachteten Molekülen stark eingeschränkt sein dürfte29).

Durch eine ortho-Substitution mit tert-Butylgruppen wird die Konkurrenz zwischen α- und β-Wasserstoffabstraktion vollkommen eliminiert. Es zeigt sich jedoch, dass die Reaktions-verläufe und -produkte wesentlich von den eingesetzten Substraten und den gewählten Reaktions- sowie Aufarbeitungsbedingungen abhängen23a).

Wie in Schema 2.1.11 gezeigt, erfahren ortho-tert-Butylnitrobenzole 1, die am Phenylring keine starken Donorsubstituenten tragen, bei Belichtung als Feststoffe oder in polaren Solventien ausser Aminen in der Regel eine n→π*-Anregung der Nitrogruppe, die dann,


aufgrund der Abwesenheit von α-H-Atomen, ein Wasserstoffatom aus dem benachbarten tert-Butylrest abstrahiert. Das resultierende mesomere Diradikal 25 besitzt folgende Optionen der Weiterreaktion:

1. Es stabilisiert sich durch intramolekulare Cyclisierung zum „Nitronisohydrat“ 26, das nach Wasserabspaltung in das N-Oxid 2 übergeht. Dieses N-Oxid, das als Primärprodukt der Photoreaktion der ortho-tert-Butylnitrobenzole angesehen wird23a), kann in einigen Fällen gefasst werden. Man erhält es beispielsweise bei den Feststoffbelichtungen von 1,4-Di-tert-butyl-2-nitrobenzol (1a)6) und 1,3,5-Tri-tert-butyl-2-nitrobenzol (1b)4,7). Bei anderen Reaktionen deuten die isolierten Produkte auf das intermediäre Vorhandensein von 2 hin30, 31, 23a).

N+

CH3

CH3 CH3

O

ON

+

CH2

CH3 CH3

O

OHN

CH2

CH3 CH3

O

OH

CH3 CH3

N+

CH2

OHO

CH3 CH3

N+

CH

O

CH3 CH3

NO

CH2

OH

N

CH2OH

CH3 CH3

O

H2O-

1

hν

R

25

R R

1 *1,3

25

26R

2R

25

R

28

R

27Schema 2.1.11

1.

2.

2. Das Diradikal 25 kann intramolekular zu 27, dem inneren Halbacetal des Nitroso-alkohols 28 cyclisieren. Obwohl 28 bislang nicht isoliert werden konnte, legen spektros-kopische Befunde wie auch isolierte Produkte dessen Existenz als Intermediat bei der Belichtung in Lösung nahe3).

Eine Rückreaktion von 25 zum Edukt 1 findet dagegen nicht statt, wie ein Austausch-experiment am Beispiel von 1a belegt32).

13

Bezüglich der Multiplizität des angeregten Zustands bestand zunächst die Annahme, es handele sich in Analogie zum lichtangeregten Nitrobenzol33, 34) um einen Triplettzustand35). Die generelle Unemfindlichkeit der Reaktion gegenüber Luftsauerstoff schrieb man der kurzen Lebensdauer des Tripletts sowie der schnellen intramolekularen Reaktionsfolge zu. Triplettsensibilisierungs und -löschungsexperimente bei der Photocyclisierung von 1a36) legen jedoch den Schluß nahe, dass diese überwiegend vom untersten angeregten Singu-lettzustand S1 ausgeht.

Der Geschwindigkeitsbestimmende Schritt innerhalb der oben dargestellten Reaktion ist die Wasserstoffabstraktion des angeregten 1 unter Bildung von 25. Das zeigen Experimen-te an 1a mit deuteriummarkierten Methylgruppen32). Demnach erfolgt eine Wasserstoff-abstraktion aus einer Methylgruppe 4.1 - 4.8 mal schneller als eine Deuteriumabstraktion aus einer isotopenmarkierten Methylgruppe. Begünstigt wird die Wasserstoffabstraktion durch einen Elektronenmangel am Reaktionszentrum, der sich durch elektronenziehende Substituenten in meta-Stellung zur Nitrogruppe herbeiführen lässt5).

Das weitere Schicksal des N-Oxids 2 und des Nitrosoalkohols 28 hängt von den Photolyse- und Aufarbeitungsbedingungen ab. Bei alkalisch oxidativer Aufarbeitung erhält man sowohl aus 26) als auch aus 283) hauptsächlich die cyclische Hydroxamsäure 3.

CH3 CH3

N+

CH

O

CH3 CH3

N

C

OH

OH

H

CH3 CH3

N

C

OH

OOH - /O21.

N

CH2OH

CH3 CH3

O

2R

29R

3R

+ H2O

2. H+

28

R

hν

Schema 2.1.12

Die Bildung des Oxindols 4 kann ebenfalls über das N-Oxid 2 oder den Nitrosoalkohol 28 formuliert werden. So entsteht 4 beispielsweise durch die Dehydratisierung des N-Hydroxyhalbaminals 293), das entweder, wie oben bereits gezeigt, aus dem N-Oxid 2 durch Anlagerung eines Moleküls Wasser oder photolytisch über die Zwischenstufe 30 aus dem


Nitrosoalkohol 283) oder auch aus 27 durch eine Deprotonierungs-Protonierungssequenz über die Hydroxylaminozwischenstufe 31 gebildet werden kann3).

CH3 CH3

N+

CH

O

CH3 CH3

N

C

OH

OH

H

CH3 CH3

N

C

H

O

CH3 CH3

NO

OH

HH

N

CH2OH

CH3 CH3

O

CH3 CH3

N

O

OH

H

N

C

CH3 CH3

OH

H

OH

H2O-

2R

29R

4R

hν oder Δ

R

28R

27

- H+

R

31

+ H+

R

hν

30

Schema 2.1.13

+ H2O

Auch bei der Thermolyse von 2 entsteht 4, was am Beispiel der Verbindung 2a gezeigt wurde6). Prinzipiell ist auch der photochemische Weg von 2 zu 4 denkbar; photolytische Umwandlungen von N-Oxiden zu Amiden sind literaturbekannt37).

Wie stark die Photolyse- und Aufarbeitungsbedingungen das Produktbild beeinflussen, zeigt Schema 2.1.14, in dem die photochemischen Reaktionen des gut untersuchten 1,4-Di-tert-butyl-2-nitrobenzols (1a) zusammengestellt sind. Ausgenommen ist die Licht-reaktion in aliphatischen Aminen als Lösungsmittel, ein Sonderfall, der später behandelt werden soll.

15

N+

O

H

NO2

N OH

O

N H

O

N

OH

H

OH

N OH

O

N H

O

N

OH

H

OH

N OH

O

N OH

O

NH2

CH2OH

N

HOH2C

OH

N

CH2OH

3a

1a

hν(Feststoff)

Chromatographiean desakt. Kieselgel

+ + +

42 % 5 %9.6 % 3.3%2a 4a 32a

3a

+ +

4 %48 % Spuren4a 32a

alkalisch-oxidativeAufarbeitung

hνMethanol:Dioxan

1:1

3a61.9 %

alkalisch-oxidativeAufarbeitung

3a60 %hν

Methanol / NaOHLuftsauerstoff

alkalischerAuszug

Spuren33a

saurerAuszug

neutralerAuszug

34a

Lit. 6)

Lit. 3)

Lit. 3)

Schema 2.1.14


Während alle bislang gefundenen Produkte der Feststoffbelichtung von 1a aus dem N-Oxid 2a abgeleitet werden können, sprechen einige Befunde für eine Beteiligung des Nitrosoalkohols 28a bei der Bestrahlung von 1a in polaren protischen und aprotischen Lösungsmitteln.

So findet man sowohl während als auch nach der Photolyse eine Absorptionsbande bei 780 nm, die beim Zusatz von Alkali vollständig und irreversibel ausbleicht3). Ebenso dürften die Produkte 33a und insbesondere 34a, das bei Anwesenheit von Alkali in geringem Umfang gebildet wird, nach folgendem Schema aus 28a resultieren3):

N

CH2OH

CH3CH3

ON

CH2OH

CH3CH3

OH

H

N

CH2OH

CH3CH3

H

H

N

HOH2C

N+

CH2OH

O

36a

N

HOH2C

OH

N

CH2OH

34a

28a 35a 33a

28a 35a+

Schema 2.1.15

hν hν

hν

Auch die bei der Belichtung des 1,3,5-Tri-tert-butyl-2-nitrobenzols (1b) von diversen Arbeitsgruppen25, 38, 4) mitgeteilten, scheinbar widersprüchlichen Ergebnisse sind in der Präparation verschiedener Folgeprodukte aufgrund unterschiedlicher Photolyse- und Aufarbeitungsvarianten begründet. Als eigentliches Primärprodukt dieser Reaktion muß das 5,7-Di-tert-butyl-3,3-dimethyl-3H-indol 1-Oxid (2b) angesehen werden, das durch Feststoffbelichtung und nachfolgende Chromatographie an desaktiviertem Kieselgel gefasst werden kann4).

Das folgende Schema 2.1.16 zeigt nochmals zusammenfassend die möglichen Reaktions-wege der Photolyse von ortho-tert-Butylnitrobenzolen am Beispiel der wohl am eingehensten untersuchten Verbindung 1a.

17

N+

CH3

CH3 CH3

O

O

OH - /O21.

N+

CH2

CH3 CH3

O

OH

1a *1,3

CH3 CH3

NO

OH

HH

27a

N

CH2OH

CH3 CH3

O

28a

CH3 CH3

N+

CH2

OHO26a

N

C

CH3 CH3

OH

H

OH

30a

CH3 CH3

N

O

OH

H

31a

CH3 CH3

N+

CH

O2a

CH3 CH3

N

C

OH

OH

H

29a

N

CH2OH

CH3 CH3

OH

H35a

N

CH2OH

CH3 CH3

H

H33a CH3 CH3

N

C

OH

O

3a

N

HOH2C

N+

CH2OH

O

36aN

HOH2C

OH

N

CH2OH34a

CH3 CH3

N

C

H

O

4a

28a+

N

CH2

CH3 CH3

O

OH

1a

hν

25a

-H2O

+ H2O

2. H+

hν

- H2O

hν oder Δ

- H+

+ H+

hν

Weg AWeg BWeg CWeg D

hν

hν

Schema 2.1.16


Nach diesen Ausführungen ist die Frage des Reaktionsverhaltens von Nitroaromaten, die in ortho-Position sowohl die β-Wasserstoffatome einer tert-Alkyl- als auch benzylische α-Wasserstoffatome tragen, von besonderem Interesse.

Anhand der Photolysen der drei Nitro-Moschusderivate 37a-c zeigt sich, dass die Wasser-stoffabstraktion nahezu ausschließlich an der tert-Butylgruppe stattfindet30, 31, 39).

NO2

CH3

O2N

R

CH3

a: R = NO2 , "Xylol-Moschus"b: R = CH3 , "Tibeten-Moschus"c: R = COCH3 , "Keton-Moschus"

37

Während das durch eine Wasserstoffabstraktion aus der benzylischen Position gebildete Intermediat die besondere Stabilisierung der aci-Tautomerie erfahren würde und dieser Reaktionsweg damit als prädestiniert anzusehen wäre, demonstrieren diese Beispiele eindrucksvoll die Auswirkungen konformativer Effekte auf das photochemische Verhalten der ortho-Alkylnitroaromaten.

Wie am Beispiel des 2,4,6-Trimethylnitrobenzols (7c) erwähnt, führt bereits die Flankie-rung durch zwei ortho-ständige Methylgruppen zu einer Torsion der Nitrogruppe von 66 - 90° 26, 27) gegenüber der π-Ebene des Benzolrings. Aus Kristallstrukturanalysen der Verbindungen 37a-c geht hervor, dass die Nitrogruppe in 37a und 37b zwischen 77.6 und 81.4° und bei Verbindung 37c, deren Elementarzelle aus vier unabhängigen Konformeren besteht, zwischen 77.0 und 93.7° aus der π-Ebene des Benzolrings herausgedreht ist39). Ähnliche Verhältnisse dürfte man in Lösung vermuten, wobei man dann bei 37c eine zu 37a und 37b vergleichbare Verdrillung erwarten sollte, da lediglich in einem der Konformere im Kristall eine Torsion von etwa 90° gefunden wird. In den anderen drei Konformeren ist die Nitrogruppe um rund 80° gegen den Benzolring gedreht.

Durch diese stark gestörte Konjugation der Nitrogruppe mit dem aromatischen System wird analog zum 2,4,6-Trimethylnitrobenzol (7c) auch bei 37a-c die Bildung einer aci-Form weitgehend unterdrückt30), was auch durch Austauschexperimente gestützt wird31). Damit können die benzylischen Wasserstoffatome bezüglich ihrer Reaktivität als gleichberechtigt neben den β-Wasserstoffatomen der tert-Butylgruppe angesehen werden.

Die Tatsache, dass die gefundenen Produkte nahezu ausschließlich aus einem Angriff der angeregten Nitrogruppe auf die Wasserstoffatome der tert-Butylgruppe resultieren, legt

19

eine genauere Betrachtung der konformativen Erfordernisse der Wasserstoffabstraktion und der nachfolgenden intramolekularen Radikalkombination nahe.

Für den Angriff einer n→π*-angeregten Nitrogruppe sollte der Abstand zwischen deren Sauerstoffatom und dem zu abstrahierenden Wasserstoffatom (rOH) kleiner sein als die Summe der van der Waals Radien beider Atome39, 40). Die entsprechende C–H-Bindung sollte sich dabei in der Ebene der Nitrogruppe23a) befinden und der C–H⋅⋅⋅O-Winkel günstigerweise 180° betragen23a, 39, 40). Unter der Annahme, dass die neue O–H-Bindung nach der n→π*-Anregung unter Beteiligung des halbbesetzten n-Orbitals am Sauerstoff-atom gebildet wird, dürfte sich der Winkel N–O⋅⋅⋅H je nach Hybridisierung des Sauerstoff-atoms zwischen 90° (reiner p-Charakter)23a, 39, 40) und 120° (reine sp2-Hybridisierung) bewegen23a).

Als optimale Bedingung für die nachfolgende Radikalkombination kann man einen Abstand der Reaktionszentren, der geringer als die Summe der van der Waals-Radien der beteiligten Atome ist erwarten 39).

Obwohl die Daten der Kristallstrukturanalysen und Simulationsrechnungen39) von 37a-c belegen, dass diese Kriterien nicht vollends erfüllt sind, liegen die Parameter für eine Wasserstoffabstraktion aus der tert-Butylgruppe wesentlich näher an der beschriebenen optimalen Geometrie als die der Methylsubstituenten. Daraus resultiert ein eindeutig bevorzugter Angriff der angeregten Nitrogruppe auf die β-Wasserstoffatome der tert-Butylgruppe. Unter der Annahme, dass die Molekülgeometrie des Grundzustands im Wesentlichen der des n→π*-angeregten Zustands entspricht, kann die Zahl der neun möglichen abstrahierbaren Wasserstoffatome bei der Belichtung kristalliner Proben von 37a und 37b anhand der Röntgenstrukturdaten auf zwei beschränkt werden39).

Interessant erscheint in diesem Zusammenhang eine analoge Untersuchung des 1,4-Bis(2-chlor-1,1-dimethylethyl)-2-nitrobenzols (38a), dessen Photolyse sowohl als Feststoff als auch in Lösung zu einer selektiven Reaktion an der halogensubstituierten Methylengruppe des ortho-ständigen tert-Alkylsubstituenten führt40) (Schema 2.1.17).

Obwohl in diesem Fall auch eine im Vergleich zu den Methylsubstituenten verringerte Bindungsdissoziationsenergie der C–H-Bindung der Methylengruppe als Grund für diese Selektivität denkbar wäre23a), besitzt ein Wasserstoffatom dieser Funktion im Kristall hervorragende geometrische Parameter für eine Abstraktion durch die lichtangeregte Nitro-gruppe40); rOH = 2.11 Å (optimal ≤ 2.72 Å40)), C–H⋅⋅⋅O = 131.9° (optimal 180° 39, 40)),

N–O⋅⋅⋅H =117.5° (optimal 90-120° 23a, 39, 40)). Die entsprechende C–H-Bindung weicht um 49.4° von der Ebene der Nitrogruppe ab (optimal 0° 39, 40)).


NO2

CH2

CH2

Cl

Cl

N+

CH

CH2

Cl

O

OH

Cl

N+

O

CH2Cl

Cl

N

OH

CH2O

Cl

38a

hν

Schema 2.1.17

Die Gegenüberstellung der realen und optimalen Parameter in diesem Beispiel zeigt, dass eine größere Abweichung der Winkelgeometrie ohne weiteres toleriert wird, ein Ergebnis, das auch von Untersuchungen der photochemisch induzierten Wasserstoffabstraktion bei Ketonen gestützt wird41, 42).

Es sei noch erwähnt, dass die selektive Abstraktion eines Methylen-Wasserstoffatoms in Lösung auch bei weiteren Verbindungen des Typs 38 beobachtet wird43).

NO2

CH2

X

N+

CH

X

O

OH

38

hν

R R

. . .

Schema 2.1.18

Um die facettenreiche Photochemie der ortho-Alkylnitroaromaten abzurunden, sei abschließend auf zwei Beispiele eingegangen, bei denen geringe Änderungen in der Wahl des Substrats sowie des Lösungsmittels weitreichende Auswirkungen auf den Reaktions-mechanismus haben.

21

Wie bereits erwähnt, erfordert die Photoreaktion der ortho-Alkylnitroaromaten unter Wasserstoffabstraktion eine n→π*-Anregung der Nitrogruppe. Nur diese verleiht den Sauerstoffatomen der Nitrogruppe den zur Abstraktion eines Wasserstoffatoms aus nicht aktivierten C–H-Bindungen nötigen Radikalcharakter44). So zeigen die Beispiele unter-schiedlich substituierter Derivate von 1, dass die oben beschriebene Reaktion dann ausbleibt, wenn die Substituenten starken Elektronen-Donor-Charakter besitzen5). Dies gilt unter anderem für Amino- und Dialkylaminogruppen in 4- und 5- Position zur Alkylgruppe5). In diesen Fällen führt die Donorsubstitution bei Lichtanregung der Nitrofunktion zur Bevorzugung eines π→π*- oder möglicherweise sogar eines Charge-Transfer-Zustands3, 44).

Dass die n→π*-Anregung jedoch nicht zwangsläufig in einer Wasserstoffabstraktion münden muß, belegt die Photolyse des zu 1a strukturell ähnlichen 2,6-Di-tert-butyl-1-nitronaphtalins (39) 44).

NO2 N+

OO

O

O

H

H

O

O

O

ON

O

2 H-

39

hνn → π∗

40

+ 40

Schema 2.1.19


Analog zu der in Schema 2.1.7 (S. 9) gezeigten Photolyse des 2,4,6-Trimethylnitrobenzols (7c) in feuchtem Benzol beobachtet man hier ausschließlich die Nitro-Nitrit-Isomerisie-rung. Dieser zur Wasserstoffabstraktion alternative Mechanismus n→π*-angeregter, stark gegen die π-Εbene eines Arylsystems verdrillter Nitrogruppen wird bei Verbindungen des Typs 1 bislang nicht beschrieben, weil der Benzolring die zwischenzeitliche Aufhebung des aromatischen Charakters nicht toleriert.

Bekannt hingegen ist die Tatsache, dass es bei der Belichtung sterisch gehinderter ortho-Alkylnitrobenzole in aliphatischen Aminen zu einer drastischen Änderung des Reaktions-mechanismus kommt4, 34, 45, 46, 47).

Die Produkte einer intramolekularen Wasserstoffabstraktion mit nachfolgender Cyclisie-rung findet man unter diesen Bedingungen, falls überhaupt, nur in Spuren. Stattdessen zeigt sich bei der Belichtung in primären Aminen eine Konkurrenz zwischen Photoreduk-tion und Photosubstitution23). Letztere kommt dann zum Zuge, wenn das Arylsystem mit geeigneten Austrittsgruppen substituiert ist.

Benutzt man hingegen sekundäre oder tertiäre Amine als Lösungsmittel, so beobachtet man eine glatte Photoreduktion der Nitrogruppe ohne jegliche Beteiligung der Alkylsubstituenten4, 23, 45, 46, 47). Im Gegenzug unterliegen die beteiligten Amine einer oxi-dativen Dealkylierung23).

Eingeleitet wird die Photoreduktion durch eine Elektronenübertragung vom Amin auf die angeregte Nitrogruppe [1]. Amin und Nitroaromat bilden dann ein enges Radikalionenpaar 41. Innerhalb dieses Assoziats kommt es zur Übertragung eines Protons von dem Aminiumkation auf das Nitroradikalanion [2], gefolgt von der Kombination der Radikalzentren [3]. Das so entstandene labile Intermediat 43 zerfällt dann unter Bildung der Nitrosoverbindung 44 und des Aminoalkohols 45 [4]23).

Ar NO2 CH2 Ar NO2 CH2

Ar NO2H CH2 N CH

Ar N(OH) O CHR´ N CH2

Ar CH2 OH CHR´ N

NO2

R

R

R

* + Ŕ3

N Ŕ3N

- +

Ŕ 2 Ŕ

Ŕ 2

Ŕ 2NO +

[1]

[2]

[3]

[4]

(42)

(43)

(45)(44)

Ar =R = CH3; C2H5; i-C3H7

(41)

(41)

(42)

(43)

23

CH2 OH CHR´ N CH2 O CHR´ NH

Ar NO2HAr Ar Ar NO2

Ar Ar NO2H Ar NHOHAr NO2

Ar NHOH O CHR´ ArN(O)R´HC

CH2 OH CHR´ NAr NHOH CH2 NH ArN+

O

R´HC

NO2

R

R

R

Ŕ 2 Ŕ 2+

NO + NHO +

NHO + +

+ H2O +

Ŕ 2+ Ŕ 2 +

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

(46)

(47)

(47)

Ar =R = CH3; C2H5; i-C3H7

H2O +

Während man die Kondensationen [8] und [9] als spezifisch für die angegebenen Arylreste ansehen muß, kann man die Reaktionen [5] - [7] als allgemeingültig annehmen. Wenn das Hydroxylamin 46 nicht wie beim Nitrobenzol direkt erhalten wird, lassen sich die bislang gefundenen Produkte derartiger Reaktionen stets auf ein dementsprechendes Intermediat zurückführen.

Die Belichtung des Nitrobenzols in Triethylamin gibt hauptsächlich Phenylhydroxylamin neben geringen Mengen Anilin46). Letzteres kann man sich als durch Sekundärreaktionen des Hydroxylamins unter den gegebenen Reaktionsbedingungen entstanden vorstellen34).

Auch die Photolysen des 1,4-Di-tert-butyl-2-nitrobenzols (1a) und 1,3,5-Tri-tert-butyl-2-nitrobenzols (1b) in Di- bzw. Triethylamin liefern nicht das in den Schritten [8] und [9] beschriebene N-Oxid. Auch hier kann die Entstehung der Produktpalette auf ein bislang nicht gefasstes labiles Hydroxylamin des Typs 46 zurückgeführt werden4, 45).

Dass man keine Kondensationsprodukte der Reaktionsschritte [8] und [9] findet, könnte im Fall des Hydroxylamins auf eine mangelnde Nucleophilie gegenüber 45 und in den beiden letztgenannten Fällen auf die starke sterische Hinderung zurückzuführen sein46).


2.2 Aminyloxide

2.2.1 Allgemeines über Aminyloxide

Aminyloxide stellen N, N-disubstituierte NO-Radikale15a) des allgemeinen Typs 48 dar.

N

O

N+

O

N

O

R 1 R 2

48

R 1 R 2R 2 R 1

48a 48b

Schema 2.2.1

Der Radikalcharakter derartiger Verbindungen wird am besten durch die beiden Grenzformeln 48a und 48b repräsentiert. Diese deuten bereits an, dass die Spindichte zwischen dem Stickstoff- und dem Sauerstoffatom delokalisiert ist15a). Geht man davon aus, dass sowohl das Stickstoffatom als auch das Sauerstoffatom in einer sp2-Hybridisierung vorliegt, so werden die drei sp2-Hybridorbitale des Stickstoffs zur Ausbildung der drei σ-Bindungen zu R1, R2 und zum Sauerstoff genutzt, während eines der Hybridorbitale des Sauerstoffatoms zur Bindungsbildung mit dem Stickstoffatom benötigt und die beiden anderen von den zwei freien Elektronenpaaren des Sauerstoffs besetzt werden.

Die verbleibenden pz-Orbitale an Sauerstoff und Stickstoff bilden im Rahmen der LCAO-Methode ein bindendes sowie ein antibindendes Molekülorbital mit π-Charakter. Diese beiden Molekülorbitale werden mit drei Elektronen besetzt, so dass letztendlich eine Zweizentren-Dreielektronenbindung15b) resultiert. Durch die doppelte Besetzung des bindenden Molekülorbitals π und die einfache Besetzung des antibindenden Molekül-orbitals π* entsteht in Summe eine „halbe“ π-Bindung15a). Da das ungepaarte Elektron in einem π-Orbital untergebracht ist, bezeichnet man diese Radikale als π-Radikale im Gegensatz zu den σ-Radikalen, bei denen die Spindichte in einem σ-Orbital lokalisiert ist15c, 48a).

Unter Einbeziehung der σ-Bindung besitzt die NO-Bindung in den Aminyloxiden somit die Bindungsordnung 1.515a), was sowohl durch die Bindungslänge als auch durch schwingungsspektroskopische Befunde gestützt wird:

25

Röntgenbeugungsexperimente verschiedener Aminyloxide zeigen eine durchschnittliche NO-Bindungslänge von etwa 1.26 Å15b), die damit zwischen den Werten der NO-Einfach-bindung mit 1.44 Å15b) und der NO-Doppelbindung mit 1.20 Å15b) liegt. Die charak-teristische Schwingungsfrequenz49a, 15d) der Aminyloxidfunktion erscheint bei ungefähr 1350 cm-1. Auch dieser Wert liegt zwischen dem, der für eine NO-Einfachbindung mit 950 - 970 cm-1 in N-Oxiden49a, 50a) gemessen wird und dem, den man für eine NO-Doppelbindung mit 1500 - 1600 cm-1 in Nitrosoverbindungen50a) oder die asymmetrische Valenzschwingung der Nitrogruppe im Nitromethan49a) mit 1564 cm-1 erhält.

Aufgrund der oben beschriebenen Bindungsverhältnisse würde man bei den Aminyloxiden eine planare Koordination des Stickstoffatoms erwarten. Dass dies häufig, jedoch nicht generell zutrifft, zeigen kristallographische Untersuchungen. Während die Stickstoffatome in Di-tert-butylaminyloxid (51a)15b), 4-Oxo-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxyl (49a)15b), Di-(4-methoxyphenyl)aminyloxid (51b)15b) und Bis(pentachlorphenyl)aminyloxid (51c)15b) im Kristall vollkommen planar koordiniert sind, findet man, dass die NO-Gruppe bei Bis(trifluormethyl)aminyloxid (51d)15b) um 21.9°, bei 4-Hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl-piperidin-1-oxyl (50a)15b) um 15.8° und bei 4-Oximino-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxyl (49b)15b) um 25.8° aus der durch R1-N-R2 aufgespannten Ebene herausragt.

N

O

CH3CH3

CH3CH3

R

N

O

CH3CH3

CH3CH3

H R

RN

R

O

49a: R = O49b: R = N-OH

50a: R = OH50b: R = H

51a: R = tert-Butyl51b: R = 4-Methoxyphenyl51c: R = Pentachlorphenyl51d: R = CF3

Besonders an den Beispielen der 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyle 49 und 50 zeigt sich, dass geringfügige Änderungen der Substitution weitreichende Auswirkungen auf die Geometrie der NO-Gruppierung haben15b).

Verständlich wird dies anhand theoretischer Berechnungen: Diese zeigen am Beispiel des einfachsten Aminyloxids H2NO, dass der Energieunterschied zwischen einer optimierten pyramidalen und einer planaren Struktur sehr gering ausfällt. So berechnen Y. Ellinger et. al.51) mit einer semiempirischen Methode, je nach gewähltem Basissatz, eine Energie-differenz von 1.87 kJ⋅mol-1 bzw. 1.36 kJ⋅mol-1, während T. D. Davis und Mitarbeiter52) mit einer ab initio Methode eine Energiedifferenz von 5.44 kJ⋅mol-1 finden.

Demgegenüber scheinen Diarylaminyloxide53) stets planar zu sein, was als Resultat der Konjugation und damit der erweiterten Delokalisation des Radikalcharakters zu sehen ist.


Eine energetische Betrachtung der NO-Bindung in den Aminyloxiden bestätigt die Bindungsordnung und zeigt die Ursache für deren merkwürdiges Widerstreben gegenüber einer Dimerisation über die Sauerstoffatome:

Die Bindungsenergie der NO-Bindung in den Aminyloxiden beträgt etwa 418 kJ⋅mol-1. Verglichen mit 222 kJ⋅mol-1 einer NO-Einfach- und 607 kJ⋅mol-1 einer NO-Doppelbindung unterstreicht dies die Bindungsordnung von 1.515a).

Kalorimetrische Untersuchungen an 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (50b) und 4-Oxo-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxyl (49a) zeigen, dass die NO-Gruppierung durch die Delokalisation der Spindichte einen Energiegewinn von ungefähr 125 kJ⋅mol-1 erfährt15a). Dies verhindert überaus wirkungsvoll die Dimerisation dieser Radikale über das Sauer-stoffatom, da der Energiegewinn durch die Bildung einer O–O-Bindung54) mit 144 kJ⋅mol-1 die Delokalisationsenergie der beiden beteiligten Aminyloxidradikale nicht zu kompensie-ren vermag. Sicherlich ist das mit ein Grund für die bemerkenswerte Stabilität einiger Aminyloxide, es sollte allerdings erwähnt werden, dass die persistenten Radikale unter diesen Verbindungen eher die Ausnahme bilden. Der Großteil der Aminyloxide ist labil, wobei deren Haltbarkeit von einigen Jahren bis zu Bruchteilen von Sekunden reicht15a).

Eine eingehendere Betrachtung der Grenzformeln 48a und 48b (Schema 2.2.1, S. 24) erlaubt qualitative Rückschlüsse auf die Spindichteverteilung in den Aminyloxiden. Aufgrund des Beitrags der dipolaren Grenzform 48b zeigt sich eine Lösungsmittel-abhängigkeit der Spindichteverteilung15d, 16): Bei näherungsweisen Spindichteberechnun-gen aus Kopplungskonstanten von ESR-Spektren55), findet man eine Verschiebung der Spindichte zum Stickstoffatom mit zunehmender Polarität des Lösungsmittels.

In arylsubstituierten Aminyloxiden wird die Spindichte auch über den aromatischen Ring delokalisiert. Die Ausweitung der Delokalisation führt gemäß den Strukturen 52c-e zu einer Spindichte am Aromaten. Im Fall der Phenylsubstitution findet man erhöhte Spindichte an 2-, 4- und 6-Position.

N+ R

N+

O

RN

O

R

N+

O

RN

+

O

R

O

52a 52b

52c 52d 52e

Schema 2.2.2

27

Die Verlagerung des Radikalcharakters in den Phenylring bewirkt in der Regel eine Abnahme der Spindichte am Stickstoffatom der Aminyloxidfunktion, während die Elektronendichte am Sauerstoffatom nahezu unverändert bleibt15e, 55). Eine durch sperrige Substituenten in ortho-Position bewirkte Verdrillung des Arylsystems gegenüber der Aminyloxidfunktion führt zu einer Einschränkung der Delokalisation, was eine Abnahme der Spindichte im Aromaten zur Folge hat49b).

Tritt die Aminyloxidgruppe mit Alkylresten in Konjugation, wie in Schema 2.2.3 dargestellt, so steigt die Elektronendichte mit zunehmender Elektronegativität von X am Sauerstoffatom des Aminyloxids sowie am α-C-Atom des Substituenten, während sie am Stickstoffatom und an X selbst abnimmt15e).

RN

O

CX

RN

+

O

CX

RN

+

O

CX

RN

+

O

CX

RN

+

O

CX

53a 53b

53c 53d 53e

Schema 2.2.3

Weiterhin ist die Spindichteverteilung in der NO-Funktion der Aminyloxide von der Geometrie der Aminyloxidgruppe abhängig. Eine Abweichung von der idealen planaren Geometrie verleiht dem einfach besetzten Orbital einen gewissen s-Charakter, was eine Spindichteverschiebung zum Stickstoffatom zur Folge hat15e).

2.2.2 Stabilität der Aminyloxide

Obwohl die Stabilität der Aminyloxide bemerkenswerte Ausmaße erreicht, existieren doch Faktoren, die eine Destabilisierung dieser Radikale zur Folge haben.

Wie bereits anhand energetischer Betrachtungen gezeigt, ist eine Dimerisation zweier Aminyloxidradikale über die Sauerstoffatome ungünstig15a). Auch eine Dimerisation durch Ausbildung einer Stickstoff-Sauerstoffbindung scheint wenig wahrscheinlich15f).


N O NO

N O NON+

OR 1

R 2

48R 1

R 2 R 1

R 2

2

R 1

R 2R 1

R 2

oder _

Schema 2.2.4

Es gibt jedoch Hinweise auf die Existenz von Dimeren, bei denen es allerdings nicht zur Ausbildung einer echten kovalenten Bindung kommt. So findet man bei einigen sterisch ungehinderten Aminyloxiden eine Dimerisation im kristallinen Zustand. Kristallogra-phische Untersuchungen am Beispiel des 9-Azabicyclo[3.3.1]nonan-3-on-9-oxyls (54a) zeigen, dass der Abstand der beiden Aminyloxidfunktionen 2.278 Å beträgt 15f, 56).

N

O

O

N

O N

O

54a

Dimerisation im Kristall89.9° 1.289 Å

2.278 Å

Schema 2.2.5

Dass es sich hierbei nicht um eine Dimerisation durch die Bildung einer kovalenten Bindung handelt, wird anhand der Betrachtung der Bindungsabstände deutlich:

Wie bereits erwähnt, liegt der Bindungsabstand einer NO-Einfachbindung bei etwa 1.44 Å15b). Demgegenüber ist der Abstand der Aminyloxidfunktionen in kristallinem 54 mit 2.278 Å15f) wesentlich zu groß, während der NO-Bindungsabstand in der Aminyloxid-gruppe mit 1.289 Å15f) weiterhin für die beschriebene Zweizentren-Dreielektronenbindung spricht. Somit handelt es sich bei diesem Typ der Dimeren wohl eher um eine dipolare Wechselwirkung.

Einige sterisch ungehinderte Aminyloxide bilden reversibel diamagnetische Spezies in Lösung bei tiefen Temperaturen15f). Auch in diesem Fall kann man davon ausgehen, dass es sich nicht um kovalent gebundene Dimere handelt. Wahrscheinlicher ist die Bildung eines Molekülkomplexes, bei dem es durch die Kombination der beiden einfach besetzten Molekülorbitale zu einem bindenden und einem antibindenden Molekülkomplexorbital und, infolge der doppelten Besetzung des bindenden Molekülkomplexorbitals, zu einem Energiegewinn kommt15f).

29

Bei einigen sterisch gehinderten Aminyloxiden findet man in hochviskosen Lösungsmittelsystemen Radikalpaare15f). Dabei assoziieren zwei Aminyloxidmoleküle zu einem relativ starren Dimer, in dem die beiden Aminyloxidgruppen etwa 7.0 Å voneinander entfernt sind15f).

Andere Möglichkeiten der Dimerisation ergeben sich durch eine erweiterte Delokalisation der Spindichte, z. B. in Arylaminyloxiden. Sie führt zu einer Zunahme der reaktiven Stellen in einem Aminyloxid, wodurch eine Dimerisation unter Ausbildung einer echten kovalenten Bindung nicht mehr nur auf die beiden Atome der Aminyloxidfunktion beschränkt bleibt15f).

So liegen phenylsubstituierte Aminyloxide wie beispielsweise 52 mit Dimeren des Typs 56 in einem Gleichgewicht vor15f).

N

O

R

N

O

R

N+

O

R

H

NR

H

O

N+

O

R

52 56

2

+

57 58

Schema 2.2.6

Dadurch, dass 56 irreversibel zu 57 und 58 zerfällt, kommt es letztendlich zu einem Abbau von 5215f). Verhindern lässt sich dieser Zerfall entweder durch das Einführen sperriger Substituenten in der para- oder meta-Position des Phenylrings von 52 oder durch geeignete Substitution in ortho-Position15f). Eine Substitution der ortho-Position müsste dann jedoch eine extreme Verdrillung des Phenylrings aus der O–N–C-Ebene bewirken, was eine Einschränkung der Elektronendelokalisation und damit eine Abnahme der Spindichte im Aromaten zur Folge hätte49b).

Das Aminyloxid 59 wird als freies Radikal erst bei erhöhten Temperaturen nachgewie-sen15f). Bei Raumtemperatur liegt das Gleichgewicht auf der Seite des Dimeren 6015f).


C

N

H

R

N

O

R

C

N

HR

N+

O

R

C

N

RH

N+

O

R2

59 60 R = Phenyl

Schema 2.2.7

Im Gegensatz dazu stellt sich bei 61 kein Gleichgewicht mit dem Dimeren 62 ein15f):

N

C

R

N

O

RH

N

C

R

N+

O

R

N

C

R

N+

O

R

H H

2

61 62 R = Phenyl

Schema 2.2.8

Offensichtlich ist die bei der Ausbildung der C–C-Bindung in 60 freiwerdende Bindungs-enthalpie von etwa 335 kJ⋅mol-1 ausreichend, um die Delokalisationsenergie der beiden Monomeren 59 zu kompensieren15f). Die im hypothetischen 62 gebildete N–N-Bindung würde demgegenüber eine Bindungsenthalpie von etwa 167 kJ⋅mol-1 liefern, ein Beitrag, der nicht ausreicht um die Delokalisationsenergie von 61 zu übertreffen15f).

Auf dieser Grundlage ist auch die Persistenz der Acylaminyloxide zu erklären15f).

Analog zu 59 zeigen sich die Verhältnisse bei einem der wenigen Vinylaminyloxide. Auch hier kommt es durch eine C–C-Verknüpfung zur Bildung eines Dimeren, das jedoch sofort zu stabilen Produkten weiterreagiert15f).

Die Dimeren des 4-Oxo-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxyls (49a) sind das Resultat einer komplexeren Reaktionssequenz. Hierbei entsteht in einer vorgelagerten Disproportionie-rung zunächst das Hydroxylamin 63 und das Diradikal 64, die dann zu dem Dimeren 65 reagieren15f).

31

N

O

CH3CH3

CH3CH3

O

N

OH

CH3CH3

CH3CH3

O

N

O

CH3CH3

CH3CH3

O

NO

CH3CH3

CH3CH3

O

N

OH

CH3CH3

CH3CH3

O

49a

2 +

63 64

65

Schema 2.2.9

63 64+

Insgesamt zeigt diese Diskussion, dass Aminyloxide zwar zur Bildung Dimerer in der Lage sind, allerdings geschieht dies nicht unter kovalenter Verknüpfung der eigentlichen Aminyloxidfunktion.

Demgegenüber erweist sich die Addition anderer Radikale an die Aminyloxidgruppe als durchaus möglich, falls der Energiegewinn der neu entstandenen Bindung größer als der Verlust der Delokalisationsenergie von 125 kJ⋅mol-1 ist15f). Diese Bedingung wird von den meisten Alkylradikalen erfüllt15f).

Bei kinetischen Verfolgungen der Darstellung von Aminyloxiden durch Spin-Trapping-Reaktionen mit Nitrosoverbindungen zeigt sich, dass die Geschwindigkeitskonstante der Radikalfangreaktion geringer ist, als die Geschwindigkeitskonstante der Addition eines zweiten Radikals an das primär gebildete Aminyloxid15f, 57).

N

O

N

O

N

O

R 1 R 1 R 2R2 R2

R 1 R 2

R 2

k1 k2

Schema 2.2.10

k1< k2


Auch die Reaktion des 4-Oxo-2,2,6,6-tetramethylpiperidin-1-oxyls (49a) mit den aus der Thermolyse75b) von 2,2´-Azoisobutyronitril (141) generierten 2-Cyano-2-propylradikalen (66a) liefert ein stabiles Addukt58).

N

O

CH3CH3

CH3CH3

O

N

O

CH3CH3

CH3CH3

O

49a

+R 1

R 3

R 1

R 2

66a: R1 = R2 = Methyl; R3 = CN66b: R1 = R2 = Methyl; R3 = Phenyl66c: R1 = Methyl; R2 = R3 = Phenyl

R 2

R 3

Schema 2.2.11

Die Addition des 1,1-Diphenylethylradikals (66c) gibt ein Produkt, das in Lösung im Gleichgewicht mit den Eduktradikalen vorliegt59). Diese induzieren scheinbar einen Zerfall, an dessen Ende 1-Hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidin und 1,1-Diphenylethylen erhalten werden59).

Sehr reaktive Radikale können sowohl an Dialkyl- als auch an Arylaminyloxide addiert werden15a), während weniger reaktive Radikalspezies wie beispielsweise die Stickoxide NO und NO2 oder das Triphenylmethylradikal vorzugsweise an arylsubstituierte Aminyl-oxide addieren49a, 58, 60). Eine Ausnahme bildet das Bis(trifluormethyl)aminyloxid (51d), dessen Substituenten durch ihren stark elektronenziehenden Effekt destabilisierend auf die Aminyloxidgruppe wirken. Hier beobachtet man die Bildung stabiler Addukte mit NO und NO2 über das Sauerstoffatom des Aminyloxids15f).

Auch Diphenylaminyloxid (51e) reagiert mit NO60, 61) und NO249a) (Schema 2.2.12), es ist jedoch ungewiss, ob die Stickoxide in den einleitend gebildeten Addukten über das Sauerstoff- oder das Stickstoffatom verknüpft sind. Im Fall der Reaktion mit Stickstoff-monoxid kommt es zur Ausbildung eines Nitramins 67, das sich dann zu 68 umlagert und weiterreagiert49a). Am Ende dieser Reaktionssequenz erhält man die beiden Nitrosamine 69 und 70. Führt man die Reaktion mit para-substituierten Diphenylaminyloxiden durch, so bleibt die Reaktion auf der Stufe des Nitramins 67 stehen49a). Offensichtlich ist die Umlagerung von 67 zu einem ortho-nitrierten Produkt unvorteilhaft49a).

33

R

R

N O

R

R

N O

N

O

R

R

N+

O

N

O

NO2

R

R

N

NO2

H

R

N

NO2

R

N

R

R

N

NO oder

51e: R = Phenyl 67

68

NO

NO+

69 70

Schema 2.2.12

Triphenylmethylradikale werden stets am Sauerstoffatom des Aminyloxids addiert. Man beobachtet hierbei sowohl die Bildung von 1:1- als auch von 1:2-Addukten49a, 61):

N O C

N O C

O CN

CN O C

R

R

(p-NO2C6H4)2 + R3 (p-NO2C6H4)2 R3

R = Phenyl

R2 + R3 R2 R351e

2

Schema 2.2.13

1 : 1

1 : 2

51f

Interessant ist die Reaktion von Diphenylaminyloxid (51e) mit Dianisylaminylradikalen, die im Zuge einer Gleichgewichtsreaktion auf einen Austausch der Aminyloxidfunktion hinausläuft49a, 62) (Schema 2.2.14). Möglich wird diese Reaktion aufgrund der Tatsache, dass Tetraanisylhydrazin bereits bei Raumtemperatur zu Dianisylaminylradikalen zerfällt (Gleichung [1]), während das aus der Dimerisation der Diphenylaminylradikale entstande-ne Tetraphenylhydrazin bei Raumtemperatur stabil ist (Gleichung [4])49a). Dies bewirkt in Gleichung [3] eine Verschiebung des Gleichgewichts auf die Produktseite und stellt somit die treibende Kraft dieser Reaktion dar.


N N N

N O N

N O(C6H5)2

O NN

N N N

N N O N

(p-CH3OC6H4)2

+

51e

2(p-CH3OC6H4)2 (p-CH3OC6H4)2Δ

(C6H5)2 (p-CH3OC6H4)2 (C6H5)2 (p-CH3OC6H4)2

2 (C6H5)2 (C6H5)2 (C6H5)2

[1]

[3]

[4]

(p-CH3OC6H4)2+ (C6H5)2 (p-CH3OC6H4)2 [2]

Schema 2.2.14

Ein weiterer destabilisierender Effekt ergibt sich direkt aus gewissen Strukturelementen der Aminyloxide.

So zeigen monosubstituierte Aminyloxide die Tendenz zur Disproportionierung unter Bildung von Hydroxylaminen und Nitrosoverbindungen15f). Hierbei handelt es sich um eine schnelle bimolekulare Reaktion, deren Geschwindigkeit von der Art der Substituenten R abhängt63).

H N

O

R

H N

OH

R

N

O

R

N N+

R

O

R

2

R = Phenyl, tert-Butyl

+

Schema 2.2.15

Im Fall des Phenylaminyloxids und des tert-Butylaminyloxids stellt sich zwischen den Aminyloxiden und deren Disproportionierungsprodukten ein Gleichgewicht ein, so dass man beim Zusammengeben der Hydroxylamine und der Nitrosoverbindungen geringe Konzentrationen der korrespondierenden Aminyloxide nachweisen kann64, 65). Da die Hydroxylamine mit den Nitrosoverbindungen zu Azoxyverbindungen kondensieren können, kann dieses Gleichgewicht gestört werden, was zu einem Abbau der Aminyloxide führt 63).

Ein anderer Weg der Disproportionierung bietet sich den Aminyloxiden, die am α-C-Atom Wasserstoffatome tragen. Als Produkte entstehen dabei Hydroxylamine und N-Oxide66).

35

C N

O

R

H

N

OH

R

C

H

N+

O

R

C2

R = Methyl, Ethyl, i-Propyl

+

Schema 2.2.16

Auch bei diesem Reaktionstypus handelt es sich um eine bimolekulare Reaktion, deren geschwindigkeitsbestimmender Schritt im Bruch der Kohlenstoff-Wasserstoffbindung liegt66). Große Unterschiede in der Reaktionsgeschwindigkeit sind im Wesentlichen in zwei Ursachen begründet.

So beobachtet man bei einigen Aminyloxiden in einer vorgelagerten Reaktion die Bildung eines Dimers15f, 66).

Ein weiterer geschwindigkeitsbestimmender Parameter liegt in der Konformation des Reaktanden, der im Zuge der Disproportionierung zum N-Oxid oxidiert wird. Die Aktivie-rungsenergie für die Wasserstoffabstraktion aus dem Aminyloxid ist dann minimal, wenn das entsprechende Wasserstoffatom und das einfach besetzte Molekülorbital in einer Ebene liegen15f). Ist diese geometrische Situation nicht gegeben, so steigt die Aktivierungsenergie der Disproportionierung um den zum Erreichen dieser Konformation nötigen Energiebe-trag15f).

Eine solche Konformation ist für einige bicyclische Aminyloxide wie beispielsweise das 9-Azabicyclo[3.3.1]nonan-3-on-9-oxyl (54a) oder das 9-Azabicyclo[3.3.1]nonan-9-oxyl (54b) ausgeschlossen, weshalb sich diese als sehr persistent erweisen15f, 67).

N

O

O

N

O

N

O

54a 54b 71

Demgegenüber findet man beim 8-Azabicyclo[3.2.1]octan-8-oxyl (71) ein Dimer 72, dessen Entstehen nur aus dem Vorhandensein des entsprechenden N-Oxids erklärt werden kann67) (Schema 2.2.17).


N

O NOH

N+

O

2

71 72

Schema 2.2.17

Eine weitere Zerfallsreaktion der Aminyloxide besteht in dem homolytischen Bruch der α-Bindung15g).

N O N O R 2

R 1

R 2

48

R 1 +

Schema 2.2.18

Diese Reaktion stellt die Umkehrung einer typischen Reaktion zur Bildung von Aminyl-oxiden dar, nämlich dem Spin-Trapping von Radikalen durch Nitrosoverbindungen15g). Die Neigung zu diesem Zerfall ist umso höher, je sperriger der Substituent R1 und je stabiler das entstehende Radikal R2 ist15g). Als Folgereaktion beobachtet man häufig die Addition der entstandenen Radikale R2 an unverbrauchtes Aminyloxid unter Bildung O-substituier-ter Hydroxylamine15g).

Auch bei der Photolyse der Aminyloxide nimmt man als ersten Reaktionsschritt nach der Anregung einen Bruch der α-Bindung an15g).

Handelt es sich bei den zur Aminyloxidfunktion α-ständigen Atomen um Heteroatome wie Sauerstoff oder Stickstoff, erfolgt der Bindungsbruch leichter als bei Kohlenstoffato-men15g). So ist die Darstellung acyclischer Triazenaminyloxide bislang nicht gelungen, da das intermediär gebildete Triazenaminyloxid vermutlich sofort zur Nitrosoverbindung und einem Diazenylradikal zerfällt. Letzteres addiert dann nach Abspaltung von Stickstoff in einer Spin-Trapping-Reaktion an die Nitrosokomponente unter Bildung eines disubstituier-ten Aminyloxids15g) (Schema 2.2.19).

37

NN

N

OH

NN

N

O

NN

N

O

N

O

N

O

H-

N2-

R 1 R 2 R 1 R 2 R 1 R 2+

R 1

R 2+

R 2R 1

Schema 2.2.19

Als stabiler erweisen sich cyclische Triazenaminyloxide, sofern deren Geometrie ein intramolekulares Spin-Trapping unmöglich macht15g).

Auch Alkoxyaminyloxide sind durch das Sauerstoffatom in α-Position relativ labil, da ein N–O-Bindungsbruch einen Energiebedarf von lediglich 42 kJ⋅mol-1 hat15g).

2.2.3 Weitere Reaktionen der Aminyloxide

2.2.3.1 Reduktion von Aminyloxiden

Die Reduktion von Aminyloxiden zum entsprechenden Hydroxylamin gelingt in der Regel mit milden Reduktionsmitteln wie Hydrazin, Phenylhydrazin, Hydrazobenzol, Ascorbin-säure oder Thiolen15h). Auch die katalytische Hydrierung am Platinkatalysator gibt Hydroxylamine15h), während man bei Benutzung von Raney-Nickel Amine erhält15h).

Generell werden Aminyloxide umso leichter reduziert, je höher die Spindichte am Sauerstoffatom der Aminyloxidgruppierung ist15h). Unter Berücksichtigung der Grenz-formeln 48a und 48b bedeutet dies eine stärkere Gewichtung der Formel 48b und eine Abnahme der Elektronendichte am Sauerstoffatom der Aminyloxidfunktion15h).

N+

O

N

O

R 1 R 2R 2 R 1

48a 48b

Schema 2.2.20

Da sich in gleichem Maße der elektrophile Charakter des Aminyloxidsauerstoffatoms erhöht, steigt auch das Vermögen zur Wasserstoffabstraktion unter Bildung der


entsprechenden Hydroxylamine15h). Deren O–H-Bindungsdissoziationsenergie spiegelt die Fähigkeit zur Wasserstoffabstraktion wider: Hohe Bindungsdissoziationsenergien des Hydroxylamins lassen bezüglich des korrespondierenden Aminyloxids auf eine starke Tendenz zur Wasserstoffabstraktion schließen15h).

Ein Vergleich der O–H-Bindungsdissoziationsenergien15h) zeigt, dass sich Acylaminyl-oxide und bicyclische Aminyloxide leichter reduzieren lassen als „normale“ Dialkyl-aminyloxide wie beispielsweise 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (50b). So ist die Abstraktion eines Wasserstoffatoms aus Ethylbenzol durch Benzoyl-tert-butylaminyloxid etwa um den Faktor 1000 schneller als durch ein Dialkylaminyloxid15h). Das noch reaktivere 3,5-Dinitrobenzoyl-tert-butylaminyloxid ist sogar in der Lage ein Wasserstoff-atom aus Cyclohexan zu abstrahieren68) und kann Cyclohexanol zu Cyclohexanon oxidie-ren68).

Eine gewisse herausragende Stellung nimmt das Bis(trifluormethyl)aminyloxid (51d) ein. Bedingt durch seinen stark elektrophilen Charakter vermag 51d Kohlenwasserstoffe mit Ausnahme von Methan zu dehydrieren15h). Während diese Reaktion mit Ethan relativ langsam verläuft und die gebildeten Ethylradikale sofort an unverbrauchtes Aminyloxid addieren15h), wird 2-Methylpropan (73) leicht dehydriert15h).

CH3CH3

H

CH3

NCF3F3C

O

NCF3F3C

OH

CH3 CH3CH3

O

N

CF3

F3CCH3CH3

CH2N

CF3

F3C

OCH2

CH3CH3

O

N

CF3

F3C

CH3CH3CH3

51d+

51d+[H]-

++

51d73

74 7675

Schema 2.2.21

Produkt 74 entsteht dabei durch die Addition von 51d an das intermediär gebildete 2-Me-thylpropen (75)15h).

Setzt man Toluol mit einem großen Überschuß 51d um, so zeigt sich, dass 51d sogar zur Abstraktion des aldehydischen Wasserstoffatoms aus dem im Verlauf der Reaktion gebildeten Benzaldehyd fähig ist15h).

39

Wie bereits erwähnt, sind Dialkylaminyloxide im Grundzustand tendenziell schlechte Wasserstoffabstraktoren. Die konventionelle Reaktion mit Kohlenwasserstoffen läuft, falls überhaupt, nur sehr langsam. Demgegenüber ist eine derartige photochemisch induzierte Wasserstoffabstraktion problemlos möglich. Das Dialkylaminyloxid erleidet dabei eine n→π*-Anregung15h), wodurch seine Reaktivität enorm zunimmt. Eine Konsequenz der photochemischen Anregung ist eine Elektronendichteverschiebung vom Sauerstoff- zum Stickstoffatom der Aminyloxidfunktion und damit verbunden eine zunehmende Elektro-philie des Sauerstoffatoms15h).

Diese Tatsache spiegelt sich in den Dipolmomenten des 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyls (50b) wider: Bei einer lichtinduzierten Anregung fällt das Dipolmoment dieser Verbindung von 3.14 D im Grundzustand auf 1.0 D im angeregten Zustand15h).

2.2.3.2 Oxidation der Aminyloxide

Wie bereits bei der Disproportionierung der Aminyloxide gezeigt, führt die Oxidation von Monoalkyl- sowie Monoarylaminyloxiden zu Nitrosoverbindungen15f). Die Oxidation disubstituierter Aminyloxide mit Wasserstoffatomen in α-Position unter Bildung der entsprechenden N-Oxide wurde dort ebenfalls vorgestellt66).

Eine über die Stufe der N-Oxide hinausgehende Oxidation findet man bei den Aminoalkylaminyloxiden. Als Produkte erhält man α,β-ungesättigte Aminyloxide15h).

NC

O

N

H

H

N+

C

O

N

H

NC

O

NH- H-R

1 R 3

R 2

R 1 R 3

R 2

R 1 R 3

R 2

Schema 2.2.22

Die Oxidation von Di-tert-alkylaminyloxiden führt zu Oxoammoniumsalzen15h) gemäß Schema 2.2.23:

N

O

N+

OR 1

R 3

R 2R 4

R 5

R 6

R 1

R 3

R 2R 4

R 5

R 6

- e-

Schema 2.2.23


Als Oxidationsmittel können die unterschiedlichsten Reagenzien eingesetzt werden: So wird 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl (50b) durch Xenondifluorid zum entsprechenden Oxoammoniumfluorid oxidiert15h). In vielen Fällen kann man die Oxoammoniumsalze durch Oxidation mit elementarem Chlor oder Brom in inerten Lösungsmitteln isolieren15h). Da es sich bei den Oxoammoniumkationen im Vergleich zu den Aminyloxiden um Elektronenmangelverbindungen handelt, tendieren sie zu Sekundärreaktionen, die jedoch unter Umständen präparativ wertvoll sein können15h).

2.2.4 Darstellung von Aminyloxiden

Da die Aminyloxide, bedingt durch ihre elektronische Situation, zu den stabilisierten Radikalen zählen, werden sie verhältnismäßig leicht gebildet15c).

So führt die Oxidation von bzw. Wasserstoffabstraktion bei Hydroxylaminen zur Bildung von Aminyloxiden gemäß:

N

OH

N

O

H-R 1 R 2 R 1 R 2

Schema 2.2.24

Gebräuchliche Oxidationsmittel für eine solche Reaktion sind K3[Fe(CN)6]15i, 49c), Ag2O60, 61, 62), PbO213, 14, 15i, 16, 49c), Pb(CH3COO)415i, 16), Nickelperoxid15i), HgO15i), [MnO4]- 49c) sowie NaOBr49c). Manchmal kann auch Luftsauerstoff, je nach Fall mit oder ohne Katalysator, als Oxidationsmittel eingesetzt werden15i, 49c, 69, 70). Auch Nitrosoverbin-dungen können zur Wasserstoffabstraktion genutzt werden15i). Dieser Reaktionstypus wurde bereits für monosubstituierte Aminyloxide bei der Abhandlung derer Disproportio-nierung erwähnt.

Die Hydroxylamine ihrerseits können auf unterschiedlichen Wegen erhalten werden.

NO

NO

NOH

N+

C

O

NC

O

NC

OH

R 1R 2MgX+

R 1

R 2

MgX H2OR 1

R 2

R 1

R 3

R 2

R 4Li+ R 1

R 3

R 2

R 4

Li

H2O R 1R 3

R 2

R 4

Schema 2.2.25

41

Besonders bewährt hat sich hierzu die Addition von Nucleophilen an Nitrosoverbindun-gen15i) oder N-Oxide12, 15i). Effektive Nucleophile sind Grignard- und Organolithiumrea-genzien12, 15i).

Darüber hinaus bilden Nitrosoverbindungen mit Sulfinsäuren und Hydrogensulfiten15i) Addukte, die direkt zu den Aminyloxiden oxidiert werden. Auch Allylverbindungen mit einem Wasserstoffatom am α-Atom können an Nitrosoverbindungen addieren15i). Eine nachfolgende Wasserstoffabstraktion liefert das entsprechende Aminyloxid.

NO C C

X HN

C

OH

C

X

NC

O

C

X

H-R 1

R 3

R 2 R 4

+R 1

R 3

R 2R 4

R 1

R 3

R 2R 4

X = CR2, NR, OSchema 2.2.26

Nach diesem Schema reagieren auch Imine und Ketone in Form ihrer tautomeren Enamin- und Enolstrukturen mit Nitrosoverbindungen15i).

Bei der Reaktion von Aminen mit N-Oxiden stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem das entsprechende Hydroxylamin in gewissem Umfang gebildet wird und zum Aminyloxid oxidiert werden kann15i).

N+

C

O

NC

OHN

N

H

NC

ON

H-R 1

R 3

R 2

R 4

+R 1

R 3

R 2

R 4

R 5

R 5

R 1

R 3

R 2

R 4

R 5

Schema 2.2.27

Stehen N-Oxide des Typs 76 mit den formal als Tautomere anzusehenden Hydroxylaminen im Gleichgewicht, so erhält man auch hier durch Oxidation die entsprechenden Aminyloxide15i).

N+

C

O XH

N C

OH X

N C

O X

H-

R 1 R 2 R 1 R 2 R 1 R 2

X = NR3, CHR3 76

Schema 2.2.28


Auch O, N-disubstituierte Hydroxylamine können gelegentlich zur Darstellung von Aminyloxiden benutzt werden15i). So erhält man durch die Deprotonierung von 77 das Anion 78, das im Gleichgewicht mit seinem Umlagerungsprodukt 79 vorliegt. Die Oxidation von 79, entweder durch Luftsauerstoff oder elektrochemisch, gibt das Aminyloxid 51g.

NHSi

O

CH3

R

CH3

Si

CH3

R

CH3

NSi

O

CH3

R

CH3

Si

CH3

R

CH3

Si CH3

R

CH3N

Si

O

CH3

R

CH3

Si CH3

R

CH3N

Si

O

CH3

R

CH3

H+- - e-

77 78 79 51g

Schema 2.2.29

Aminylradikale können ebenfalls durch Umsetzung mit elementarem Sauerstoff zur Darstellung von Aminyloxiden benutzt werden15i). Aufgrund der Tatsache, dass alkylsubstituierte Aminylradikale gar keine und arylsubstituierte nur eine vernachlässigbar geringe Stabilisierung15i) erfahren, sind diese Radikale äußerst reaktiv und addieren sich bereitwillig an elementaren Sauerstoff. Neben der Möglichkeit, 17O-markierte Präparate herzustellen15i, 55), stellt diese Reaktion eine elegante Methode zur in-situ-Herstellung von Aminyloxiden für ESR-Untersuchungen dar15i, 55).

N N O

O

N O

N

+ 2O2

Schema 2.2.30

Die entsprechenden Aminylradikale können relativ einfach photochemisch oder auch thermisch aus Tetrazenen oder Hydrazinen15i, 55), photochemisch aus N-Chloraminen und N-Nitrosaminen15i, 55) oder durch Wasserstoffabstraktion aus sekundären Aminen generiert werden15i, 55).

Eine Vielzahl disubstituierter (auch cyclischer) Aminyloxide ist durch die Oxidation entsprechender sekundärer Amine zugänglich15i, 70). Geeignete Oxidationsmittel sind neben PbO215i) überwiegend Peroxoverbindungen wie alkalisches H2O215i) bzw. H2O2 mit

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Wolframaten, Molybdaten oder Vanadaten als Katalysator70) sowie 3-Chlorperbenzoe-säure, Perbenzoesäure, Dibenzoylperoxid, Di-tert-butylperoxid und Ozon70).

N H N O

N R N O

Schema 2.2.31

[O]

[O]

R = Methyl, Benzyl

Die in Schema 2.2.31 gezeigte direkte Oxidation tertiärer Amine zu Aminyloxiden führt nur bei sterisch gehinderten cyclischen N-Methyl- und N-Benzylaminen zu befriedigenden Ergebnissen70).

Ein weiterer bedeutender Weg zur Darstellung von Aminyloxiden besteht in der Addition reaktiver Radikale an Nitrosoverbindungen oder N-Oxide. Generell bezeichnet man das Abfangen derartiger Radikale durch geeignete Verbindungen unter Bildung eines neuen persistenten Radikals als Spin-Trapping12). Ein wichtiges Kriterium für ein echtes Spin-Trapping ist der Erhalt des Radikalcharakters im Produkt nach der Reaktion. Neben der Möglichkeit zur Darstellung von Aminyloxiden, die auf anderen Wegen nicht oder nur schwer zugänglich sind, benutzt man das Spin-Trapping unter anderem zur Klärung mechanistischer Fragestellungen bei Reaktionen, bei denen eine Beteiligung von Radikalen vermutet wird15k).

Nitrosoverbindungen zeigen eine ausgesprochen hohe Tendenz zur Addition von Radikalen15k). Dies lässt sich leicht nachvollziehen, wenn man bereits im Übergangszu-stand dieser Reaktion eine partielle Delokalisation der Elektronendichte annimmt. Eine qualitativ-theoretische Betrachtung des Reaktionsverlaufs veranschaulicht diesen Sachver-halt15k):

Mit der Annäherung eines Radikals an die Nitrosofunktion beginnt ein Elektronendichte-transfer vom Radikal in das unbesetzte π*-Orbital der Nitrosogruppe, was eine Zunahme der N–O-Bindungslänge zur Folge hat. Das wiederum erleichtert eine Drehung des Stickstoffatoms gegenüber dem Sauerstoffatom. Diese Drehung ist notwendig, da die neue Bindung durch die Kombination des einsamen Elektrons des Radikals mit einem π-Elek-tron am Stickstoffatom der Nitrosofunktion gebildet wird. Das zweite Elektron der N–O-Doppelbindung verbleibt dabei am Sauerstoffatom. Dieser Prozess wird durch die


zunehmende Torsion der gestreckten N–O-Bindung unterstützt, mit der Konsequenz, dass auch die Überlappung des einfach besetzten Sauerstoff-pz-Orbitals mit dem ursprünglich sp2-hybridisierten Orbital des Stickstoffatoms, welc

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