1965 F. Nerdel und U. Kretzschmar 61

Fragmentierungsreaktionen an Carbonylverbindungen mit P-standigen elektronegativen Substituenten, 11 1)

p-Chlorketone und Sulfonsaureester von P-Mydroxyketonen')

von Friedrich Nerdel *) und Ulrich Kretzschmar

Aus der Technischen Universitiit Berlin, Lehrstuhl fur Theoretische Organische Chemie

Eingegangen am 15. Januar 1965

P-Hydroxy-pivalophenon-tosylat (1 a) und P-Chlor-pivalophenon (1 b) bilden mit Alkoholat innere Vierringketale (2-Phenyl-2-alkoxy-I -oxa-3.3-dimethyl-cyclobutane, 3). Die Reaktion lauft in Konkurrenz zur alkalischen Fragmentierung ab. Die moglichen Reaktionswege der Umsetzung von P-substituierten Ketonen mit Basen werden diskutiert. Die Untersuchungen werden auf aliphatische Ketone ausgedehnt.

In friiheren Arbeiten3.4) beschrieben wir die alkalische Spaltung von P-Brom- pivalophenonen. Der Mechanismus dieser Fragmentierungs) konnte durch kinetische Messungens) noch nicht vollig aufgeklart werden. Neben alteren Arbeiten finden sich in der Literatur Beispiele fur analoge Reaktionen7,*). Eschenmoser9) berichtete erst- malig iiber die Fragmentierung eines P-Tosyloxy-ketons. Auch quartare Salze von P-Amino-carbonylverbindungen fragmentieren in gleicher Weise 1JO). Wir versuchten, durch Variation der Substituenteri im Pivalophenon die bisher bekannten Ergebnisse zu erweitern.

Vom P-Acetoxy-pivalophenon war zu erwarten, daR es im alkalischen Medium nicht fragmentiert wird, sondern normale Esterhydrolyse erleidet. Dagegen sollten das 9-Hydroxy-pivalophenontosylat (1 a) und P-Chlor-pivalophenone fragmentierbar sein. Aliphatische Ketone waren schlieRlich wegen der moglichen Nebenreaktionen von Interesse.

*) Herrn Prof. Dr. Walter Huckel zum 70. Geburtstag gewidmet. 1) 1. Mitteilung: F. Nerdel, D . Frank und H.-J. Lengert, Chem. Ber. 98, 728 (1965). 2 ) Teil der Dissertation U. Kretzschmar, Techn. Univ. Berlin 1960. 3) F. Nerdel, A . Heymuns und H. Gansaa, Chem. Ber. 91, 944 (1958). 4) F. Nerdel, P. Weyerstahl und U. Kretzschmar, Chem. Ber. 92, 1329 (1959). 5 ) C. A. Grub, Experientia [Basel] 13, 126 (1957). 6 ) F. Nerdel, H. Goztz und M. W o l f , Liebigs Ann. Chem. 632, 65 (1960). 7) C. J . Pennieru. J. org. Chemistrv 20. 530 (1955). 8) J . PZeFek, Chem. Ligty 49, 1844-(1955) [CIA. 50, 9306 (1956)l; 50, 1854 (1956) [C. A. 50,

16665 (1956)l. 9) A. Eschenrnuser und A . Frey, Helv. chim. Acta 35, 1660 (1952). 10) H. R. Snyder und J. H. Brewster, J. Amer. chem. SOC. 71, 1062 (1949)

62 F. Nerdel und U. Kretzschmar Bd. 688

Darstellung der Ausgangsverbindungen

Die Sulfonsaureester der P-Hydroxyketone liel3en sich leicht aus den 1.3-Diolen durch partielle Umsetzung mit dem entsprechenden Sulfochlorid und anschliel3ende Oxydation der sekundaren Hydroxylgruppe darstellen. Chlorpivalophenon (1 b) war durch Friedel-Crafts-Reaktion ebensowenig zu erhalten wie das fruher beschriebene Bromketon4) 1 c. Dagegen entsteht es glatt aus P-Hydroxy-pivalophenon rnit SOClz in Pyridin. Andererseits ist P.P’-Dichlor-pivalophenon (1 d) glatt durch Friedel-Crafts- Synthese zuganglich. Mono- und Dichlor-pivaloylchlorid werden nach Khavasch 11)

durch radikalische Chlorierung der Sauren erhalten; die Trennung erfolgt durch Uberfuhrung des entstandenen Sauregemisches in die besser fraktionierbaren Saure- chloride. Chlorpivalon (1 f) la& sich durch radikalische Chlorierung von Pivalon darstellen.

Diskussion der Ergebnisse

Da die 1 .ZEliminierung von HX wegen des fehlenden Protons in der =-Position in den von uns untersuchten Verbindungen ausgeschlossen ist, konnen solche Ketone rnit Basen zunachst nur unter Substitution am zur Carbonylgruppe P-standigen Kohlenstoffatom reagieren. Diese Reaktion ist jedoch wegen der vorliegenden Neopentylstruktur erschwert.

Ple3ek 8) berichtet iiber eine Ausnahme beim 2-[1-Chlor-cyclohexyl-(l)]-cyclohexanon-(l), das leicht fragmentiert. Die erschwerte 1 .ZEliminierung kann in diesem Fall sterische Grunde haben.

Aus der aliphatischen Reihe ist bekanntlz), daR auch eine 1.4-Elirninierung von HX ein- treten kann, die zu Cyclobutanonen fuhrt. Diese RingschluBreaktion wurde auch an alicycli- schen P-substituierten Ketonen beobachtet13-15). Die Fragmentierung (Bildung von Saure + Olefin) verlauft mit groBer Wahrscheinlichkeit uber ein Primaraddukt (Weg A, GI. 1). Dieses Primaraddukt kann jedoch auch unter Bildung cyclischer Vierringketale 3 stabilisiert werden (Weg B). Dieser Weg ware der von Winsieinl6) und Temnikowal7) beobachteten Bildung von cyclischen Orthoestern bzw. Dreiringketalen vergleichbar.

Bei der Umsetzung der Ketone 1 c, 1 d und 1 e mit Alkali tritt in ubereinstimmung mit friihereii Ergebnissen ausschlieJlich Fragmentierung unter Bildung von Benzoesaure und einem olefinischen Bruchstuck ein (vgl. Tab. 1).

11) M . S. Kharasch und H . C . Brown, J. Amer. chem. SOC. 62, 925 (1940). 12) J. Colonge und D . Joly, Ann. Chimie [ I l l 18, 286, 1306 (1943). 13) E. Wenkert und D . P. Strike, J. org. Chemistry 27, 1883 (1962). 14) F. Nerdel, D . Frank und H. Marschall, Angew. Chem. 74, 581 (1962); Angew. Chem.

15) F. Nerdel, D . Frank und H. Marschall, Tetrahedron Letters [London] 1964, 2525. 16) S. Winstein und R. E. Buckles, J. Amer. chem. SOC. 65, 613 (1943); S. Winstein und R.

17) T. Z. Temnikowa, [J. allg. Chem.] 26, 1897 (1956) [C. A. 51, 4938 (1957)l.

internat. Edit. 1, 457 (1962).

Boschan, ebenda 72, 4669 (1950).

1965 Fragmentierungsreaktionen an Carbonylverbindungen 63

Tabelle 1 . Umsetzung der Ketone 1 a-g mit NaOR bzw. NaOH

X I

OTs CI Br c1 Br C1 OTs

X2 x 3

H H H c1 Br H H

H H H H Br H H

Losungsmittel

absol. CH30H

70-prOZ. Athanol CH3OHIH20 absol. Athano1

absol. CH30H

CH30H/H20

CH30H/HzO

Dauer Fragm. zur Ketal Saure2 3

3Stdn. 10% 80% 6 49 206)

1 84 0.5 82 1 90 23) 324)

705)

1) Vgl. Lit.4). - 2 ) Vgl. Lit.31. - 3) Bei 200’ im Bombenrohr. - 4) Ausbeute an Substitutionsprodukt ca 60%; isoliert als Gemisch von Pentamethylaceton und Methoxypivalon (Sdp.,o 8 5 O , ti20 1 4791). - 5 ) Ausbeute ca. 65 % 2.2.4.4-Tetramethyl-cyclobutanon-(l), verunreinigt mit geringen Mengen Diiso;ropyiketon und 2.2.4-Trimethyl- pentanol-(l)-on-(3). - 61 AuBerdem 1 % Substitutionsprodukt.

G1.(1)

R‘O CH2X3 I 1 I I

0-CHz 3a-g

R’O CH2X3 I 1

R~-C-C-CH~X~ --+ ~ 2 - C - c - C H ~ X ~ + IQI*CH2--X I ‘ m

(Erlauterung d e r Reste vgl. Tab. 1 bzw. 2)

Bei der Unisetzung von 1 a mit Natrium-methylut bilden sich jedoch bereits 80 % des inneren Ketals 3a, wahrend nur noch zu maximal 10% Fragmentierung eintritt. Analog entstehen mit Natrium-athylut bzw. -isopuopyZut die entsprechenden 2-Phenyl- 2-alkoxy-3.3-dimethyl-1-oxa-cyclobutane 3a’ bzw. 3a” (vgl. Tab. 2).

Tabelle 2. Nach GI. (1) aus l a dargestellte cyclische Ketale 3

R2 AUS- beute

3a C6H5 CH3 OTs H 80 % 3 a‘ C b H S CzHs OTs H 13 3a” CGHS CH(CHd2 OTs H 89

Die Ketale sind destillierbare, mentholartig riechende Fliissigkeiten, die in alkali- schem Medium und auch thermisch stabil sind und in Gegenwart von Saurespuren

64 F. Nerdel und U. Kretzschmar Bd. 688

rnit Wasser leicht Hydrolyse erleiden. Das IR-Spektrum zeigt als charakteristische Absorption eine starke Bande bei 958 cm-1. Aus den Ketalen lassen sich die 2.4- Dinitro-phenylhydrazone der ihnen entsprechenden Hydroxyketone darstellen.

Bei 1 b iiberwiegt die Frugmentierung (49%) (Ketalbildung 20%). Hierbei konnte in geringer Ausbeute (1 %) das Substitutionsprodukt P-Methoxy-pivalophenon isoliert wer den.

In der aliphatischen Reihe tritt Fragmentierung nur dann ein, wenn, wie beim Chlorpivalon 1 f, aul3er der Substitution keine anderen Reaktionsmoglichkeiten beste- hen. Neben der zur Pivalinsaure fiihrenden Fragmentierung entsteht aus If durch Substitution ein Gemisch aus Pentamethylaceton (iiber eine Retroketolreaktion des zunachst entstehenden Hydroxyketons) und Methoxypivalon.

Beim Keton l g rnit einem eliminierbaren Proton in a'-Position liefert die hier ab- laufende 1.4-Eliminierung 2.2.4.4-Tetramethyl-cyclobutanon-( 1) als Hauptprodukt. Das Auftreten einer starken Bande bei 1775cm-1 im TR-Spektrum der neutralen Reaktionsprodukte des 2.2-Dimethyl-l-hydroxy-butanon-(3)-mesylats deutet eben- falls auf ein Cyclobutanon hin, das jedoch aus dem durch Substitution und folgende Retroketolspaltung entstandenen Ketongemisch noch nicht isoliert werden konnte.

Der Gesellschaft der Freunde der Technischen Universitat Berlin danken wir fur die Unter- stiitzung dieser Arbeit.

Beschreibung der Versuche P-Chlor- und /3./3'-Dichlor-pivaloylchlorid. - 113 g Pivalinsuure in 250 ccm Cc14 werden mit

150 g SOzC12 und 1 g Benzoylperoxid 3 Stdn. im Dunkeln unter RiickfluB gekocht. Nach erneu- tem Zusatz von 140 g SO2C12 wird weitere 3 Stdn. erhitzt, wobei stiindlich je 1 g Benzoyl- peroxid nachgegeben wird. Das Reaktionsprodukt wird rasch destilliert. Ausbeute 175 g vom Sdp.12 110- 145". 42 g dieses Sauregemischs werden rnit iiberschiissigem SOCl, unter Ruckflulj gekocht. Nach 2maligem Fraktionieren werden die beiden Saurechloride in nahezu quanti- tativer Ausbeute erhalten.

fi-Chlor-pivaloylchlorid: Sdp.11 54-56", nh5 = 1.4530. C5HsC120 (155.0) Ber. C 38.74 H 5.20 C145.74 Gef. C 39.01 H 5.35 C1 43.31

fi.P'-Dichlor-pivaloyIchlorid: Sdp.11 80-81", nh5 = 1.4792. C5H7C130 (189.5) Ber. C 31.69 H 3.72 C1 56.14 Gef. C 31.78 H 3.84 CI 55.53

~./3'-Dichlor-pivalophenon (1 d). - 6.4 g (34 mMol) p'.p''-Dichlor-pivaloylchlorid in 130 ccm Benzol werden portionsweise rnit 6.7 g (50 mMol) AICI3 versetzt und 2 Stdn. auf dem Wasser- bad erhitzt. Ausbeute 7 g (90%) vom Sdp.2.5 146-150"; Schmp. 60-61" (aus Petrolather).

CllH12C120 (231.1) Ber. C 57.16 H 5.23 CI 30.68 Gef. C 57.45 H 5.19 C1 30.42

2.4-Dinitro-phenylhydrazon: Schmp. 169" (aus Athanol/Essigester).

C I ~ H I ~ C I ~ N ~ O ~ (411.2) Ber. C 49.65 H 3.92 CI 17.24 N 13.63 Gef. 49.88 3.92 11.74 13.62

1965 Fragmentierungsreaktionen an Carbonylverbindungen 65

P-Chlor-pivalophenon ( lb) . - 19 g (0.11 Mol) Hydroxypivalophenon werden in 75 ccm Benzol und 6 ccm Pyridin mit 5.2 ccm (0.1 1 Mol) SOCl2 2 Stdn. unter Ruhren und RuckfluB erhitzt. Ausbeute 15.5 g (74%) vom Sdp.1 100-102"; n:: = 1.5300.

C1,H.I3CIO (196.7) Ber. C 67.17 H 6.66 C1 18.03 Gef. C 67.16 H 6.70 CI 17.51

2.4-Dinitro-phenylhydrazon: Schmp. 177 - 177.5" (aus Athanol/Essigester). C17H17ClN404 (374.8) Ber. C 54.47 H 4.60 CI 9.46 N 14.42

Gef. 54.18 4.55 9.14 14.'73

2.2-Dimeihyl-3-phenyl-propundiol-(l.3)-[l-p-toluolsulfonsaureesterJ. - 67 g 2.2-Dimethyl- 3-pherzyl-1.3-propandiolla~ in 250 ccm absol. Pyridin werden portionsweise rnit 73 g p-Toluol- sulfochlorid versetzt (die Temperatur wird bei 40" gehalten) und noch 2 Stdn. auf dem Wasser- bad erhitzt. Man gieRt auf 500 g Eis, neutralisiert rnit 83 ccm konz. Schwefelsaure und extra- hiert mit Ather. Schmp. 82.5-83" (aus Petrolather/Benzol). Ausbeute 117 g (95 %).

Ber. C 64.64 H 6.63 S 9.59 C ~ ~ H Z ~ O ~ S (334.4) Gef. C 64.92 H 7.04 S 9.18

p-Nitro-benzoat: Schmp. 182.5" (aus Methanol). C Z ~ H ~ ~ N O ~ S (484.4) Ber. C 62.10 H 5.21 N 2.90 S 6.63

Gef. 61.51 5.62 2.97 6.20

2.2.4-Trimethyl-pentundiol- (1.3) - [ I -p-toholsulfonsaureesterl. - Aus 2.2.4-Trimethyl-pentan- dioL(1.3) 19) analog der oben beschriebenen Verbindung. Schmp. 33 -35" (aus Petrolather), Ausbeute 92 %.

C(~H2404S (300.4) Ber. C 59.97 H 8.05 S 10.67 Gef. C 60.30 H 8.04 S 11.02

p-Nitro-benzoat: Schmp. 164.5" (aus khanol) . C Z Z H Z ~ N O ~ S (449.4) Ber. N 3.12 S 7.13

2.2-Dimethyl-butandiol-(1.3/-il-methunsu~onsaureesterl. - Aus 2.2-DimethyLbutandiol-

Gef. N 2.84 S 7.98

(1.3) und Methansulfonsaurechlorid. Ausbeute 72 % (nicht destillierbares 01). 3.5-Dinitro-benzoat: Schmp. 104" (aus Methanol).

Ber. C 43.07 H 4.65 N 7.18 S 8.21 Gef. 44.36 4.88 7.28 7.80

C14H1gN209S (390.4)

8-Hydroxy-pivalophenon-p-toluolsulfonsaureester (1 a). - Aus dem entsprechenden sek. Alkohol durch Oxydation rnit cro3 in Eisessig. Schmp. 71 -71.5" (aus CHzClz/Petrolather). Ausbeute 68 %.

CisHzo04S (332.4) Ber. C 65.04 H 6.07 S 9.65 Gef.. C 64.96 H 6.12 S 9.50

2.4-Dinitro-phenylhydrazon: Schmp. 161' (aus AthanolJEssigester).

C24Hz4N407S (512.5) Ber. C 56.24 H 4.72 N 10.93 S 6.26 Gef. 55.83 4.75 10.47 5.63

2.2.4- Trirrrethyl-pentanol-((l)-on-(3)-[p-toluolsulfons~ureesterl. - Aus dem entsprechenden sek. Alkohol durch Chromsaureoxydution. Ausbeute 80 %. Viskoses 01, bildet kein 2.4-Dinitro- phenylhydrazon.

1s) R. Reik, Mh. Chem. 18, 599 (1898). ' 9 ) W. Fossek, Mh. Chem. 4, 664 (1883).

Liebigs Ann. Chem. Bd. 688 5

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2.2-Dimethyl-butanol-(I)-on-(3)-methansulfonsaureester. - Aus dem entsprechenden sek. Alkohol durch Chromsaureoxydation. Sdp.o.0, 105" (Zers. bei 150" Badtemperatur), n b =

1.4512. Roh-Ausbeute 75 %. C7H1404S (194.2) Ber. C43.28 H 7.26 S 16.51 Gef. C42.07 H 7.18 S 15.18

2.4-Diuitro-phenylhydrazon: Schmp. 123 - 125" (aus Athanol). C13H18N404S (374.4) Ber. C 41.80 H 4.80 N 14.95 S 8.55

Gef. 42.23 5.17 14.39 8.03

Chlorpivalon (If). - 20.2 g Di-tert.+butyl-keton20) werden in 50ccm cc14 unter RiickfluR gekocht. Im Abstand von 1 Stde. werden 19 g SO2CI2 und 0.6 g Benzoylperoxid in zwei Por- tionen zugefiigt. Nach 2stdg. Kochen wird zweimal fraktioniert. Sdp.13 88", nLo = 1.4447. Ausbeute 10.3 g (41 %). 1 f bildet kein 2.4-Dinitro-phenylhydrazon.

CgH17ClO (167.7) Ber. C 61.17 H 9.70 C1 20.07 Gef. C 61.30 H 9.55 C1 19.24

Fragmentierungsreaktionen der Ketone l b - l f : Die Ketone werden in dem in Tab. 1 angegebenen Losungsmittel rnit iiberschiissigem NaOH unter RiickfluD gekocht. Die erforder- liche Reaktionszeit ergibt sich durch Titration des verbrauchten Alkali. Dann wird das Lo- sungsmittel weitgehend abgedampft. Die Neutralstoffe werden durch Extraktion mit Ather abgetrennt, aus der waiRr. Phase wird nach Ansauern die entstandene Saure isoliert.

Umsetzung der Ketone 1 a und 1 g mit Alkoholaten: Das Keton wird in absol. Alkohol mit iiberschiissigem Natrium-Alkoholat 1-3 Stdn. (la) bzw. 70 Stdn. (1 g) unter RiickfluD erhitzt. Nach Erkalten wird rnit Ather oder Benzol versetzt, die ausfallenden Salze werden abgesaugt und rnit Ather gewaschen. Destillation des Filtrats liefert die nachfolgend aufgefuhrten Neu- tralstoffe:

2-Phenyl-2-methoxy-3.3-dimethyl-l-oxa-cyclobutan (3a). - Aus 1 a mit Natrium-methylat. Sdp.o.2 50", nk' = 1.4987, Ausbeute 80%.

C12H1602 (192.3) Ber. C 74.97 H 8.39 Gef. C 75.20 H 8.54

2-Phenyl-2-athoxy-3.3-dimethyl-l-oxa-cyclobutan (3a'). - Aus 1 a mit Natrium-athylat. Sdp.o.6 60", = 1.4922. Ausbeute 73 %.

C13H1802 (206.3) Ber. C 75.69 H 8.79 Gef. C 75.37 H 8.66

2-Phenyl-2-isopropyloxy-3.3-dimethyl-I-oxu-cyclobutan (3a"). - Aus 1 a mit Natrium-iso- propylat. Sdp.o.5 58", nZ,O = 1.4837. Ausbeute 89 %.

C14H2002 (220.3) Ber. C 76.32 H 9.15 Gef. C 76.61 H 9.17

2.2.4.4-TetramethyI-cyclobutanon-(l) 21). - Aus 1 g rnit Natriummethylat, Sdp.130°, nko =

1.4157; v(C0) 1775 cm-l. Ausbeute ca. 65%.

20) P. D . Bartlett und A . Schneider, J. Amer. chem. SOC. 67, 141 (1945). 21) H. Herzog und E. R . Buchmann, J. org. Chemistry 16, 99 (1951).