Promotionsvortrag

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Der Einfluß amidischer Schutzgruppen auf die haptotrope Umlagerung von

Tricarbonylchromkomplexfragmenten entlang mehrkerniger aromatischer

Ringsysteme

Dipl. Chem. Benjamin Wenzel

20.10.2005

2

Einleitung

Templat-Effekt des Chromfragments

Cr CCC

O

OO

C

H

X

R4H

erhöhte Acidität= Cr(CO)3

Cr

Cr

erhöhte Acidität

erleichterte Solvolyse

erleichterternucleophiler Angriff

sterische Hinderung

Cr(CO)3-Fragment beeinflußt aromatisches -System

hohes Synthesepotential Cr(CO)3-komplexierter Arene

Cr(CO)3-6-Aren-Komplexe

Ligandenaustausch

3

Intention

wünschenswert: Positionskontrolle des Templats

externer Einfluß

Vorteile einer steuerbaren Umlagerung:

• veränderte Reaktivität des neukomplexierten Rings kann genutzt werden

• Templat kann mehrfach verwendet werden

CrCr

4

Intention

• Temperatur

• photochemisch: Dötz, Jahr (2003)

Möglichkeiten der Einflußnahme

Umlagerung meist irreversibel oder Gleichgewichte (Substitutionsmuster)

H.C. Jahr, M. Nieger, K.H. Dötz, Chem. Commun. 2003, 2866.K.H. Dötz, H.C. Jahr, Chem. Rec. 2004, 4, 61.

CrCr

vollständig reversible Umlagerung nahezu unbekannt

1. h2. CO

Zielsetzung:

Steuerung durch Variation des Aromatensubstitutionsmusters

5

Amidische Schützung

reversible Umlagerung durch elektronenziehende Schutzgruppe möglich?

Bedingung: Schutzgruppe stabil im stark basischen Medium

NH

OR1

R

RR2O

R3

N

R3

R4

O

OR1

R

RR2O

CrCr

tert.-Butyloxycarbonyl-Gruppe (BOC-)

weitere Vorteile:

Aminodonor wird zwischen zwei Zuständen geschaltet

• amidisch geschützte Edukt-Carbene besser zugänglich

• Benzannelierung zu Naphthalinderivat begünstigt

Hinweise auf elektronische Einflüsse auf das Umlagerungsverhalten

Donor Akzept

or

6

nachfolgend meist Schützung des oxidationsempfindlichen Hydrochinons

Synthese der Cr(CO)3-Aren-Komplexe

durch [3+2+1]-Benzannelierung aus Fischer-Carben und Alkin

Bildung von Enantiomeren

R´´

OH

RO

Cr(CO)3

X = OR

Cr(CO)3-Templat präkoordiniert die Reaktanden in notwendiger Geometrie

kinetisches Primärprodukt: Cr(CO)3-komplexiertes Hydrochinon

Cr(CO)3

Cr(CO)3

Cr(CO)3

R´´

OH

RO

R´´

OH

RO

+

OR´

OR´

Cr(CO)3

7

[3+2+1]-Benzannelierung

Benzannelierung mit 3-Hexin oder Tolan bildet Hydrochinone in guten Umsätzen

in-situ-IR

Cr

Edukt-Carbene über modifizierte Fischer-Route problemlos darstellbar

1.nBuLi

2.Et3OBF4

8

[3+2+1]-Benzannelierung

Schützen des oxidationsempfindlichen Hydrochinons

1. Base2. R1-X

O

ON

OH

R2

R3EtO

Me

NOR1

R2

R3EtO

Me

R4

Verbindung R1 R2/R3 R4 Ausbeute

6 Ac Et BOC 88%

9 CH3 Et BOC 71%

12 CH3 Ph BOC 54%

15 TBS Et H 49%

Cr Cr

9

Röntgenstruktur

Kristallstruktur von 9

10

Umlagerungsversuche

NMR sehr empfindliche Sonde für Ort der Komplexierung

die BOC-geschützten, kinetisch stabilen Cr(CO)3-Komplexe können nicht umgelagert werden

5.05.25.45.65.86.06.26.46.66.87.07.27.47.67.88.0

(ppm)

NSi OR

EtO

Me

N OR

EtO

Me

Si

35°C

CrCr

5.05.25.45.65.86.06.26.46.66.87.07.27.47.67.88.0

(ppm)

NBOC OMe

EtO

Me

N OMe

EtO

Me

BOC

Cr Cr

11

BOC-Entschützung


Verbindung R1 R2/R3 R4 Ausbeute

7 Ac Et H 17%

10 CH3 Et H 80%

13 CH3 Ph H 70%

12

Umlagerungsverhalten

Umlagerung erfolgt bereits ab 30°C

in allen Fällen Ausbildung von Gleichgewichten

Verbindung R1 R2/R3Verhältni

sAusbeute

7/8 Ac Et 1:12 51%

10/11 CH3 Et 1:4,5 67%

13/14 CH3 Ph 1:3 53%

15/16 TBS Et 1:4 61%

11

13

in-situ-NMR

4.64.85.05.25.45.65.86.06.26.46.66.87.07.27.47.67.8

(ppm) 7 zu 8 (35°C in CDCl3)

14

Kinetische Auswertung

Verbindung

k [sec-1] ΔG‡ [kJ mol-

1]

7/8a 1,05 • 10-4 99,0

10/11b 1,12 • 10-

4102,1

13/14b 4,72 • 10-

498,3

15/16a 1,42 • 10-

498,2

a35°C in CDCl3;b 45°C in CDCl3

in allen Fällen Kinetik 1. Ordnung

intramolekulare Reaktion

15

Neuschützung

Ziel: Schaltbarer Komplex

NR OCH3

EtO

Me

N OCH3

EtO

Me

R

R = BOC

R = H

alle Versuche zur Neuschützung erfolglos Grund: wahrscheinlich besonders elektronenarmes Amin

N

CH3

H

Cr(CO)3

N+

CH3

H

Cr(CO)3

-

CrCr

16

SchützungsversucheReagentien Lösungsmittel Zeit / Temp. Ergebnis

BOC2O

BOC2O

BOC2O

tBuOHtBuOH/CH2Cl2 1:1

CH2Cl2

16h / RT8h / RT

2h / 40°C

unlöslichEdukt reisoliert

Zersetzung

katalytischBOC2O / DMAP

BOC2O / ZrCl4BOC2O / Zn(ClO4)2

BOC2O / Zn(ClO4)2

BOC2O / ZrCl4AcBr / DMAP

Fmoc-Cl / DMAPFmoc-Cl / DMAP

TBME DMF

MeCNCH2Cl2

neat CH2Cl2

CH2Cl2

THF

16h / RT 16h / RT 16h / RT3h / 35°C

60 min / RT30 min / 0°C

5h / RT5h, RT

Edukt reisoliert keine Schützung

keine Schützung Zersetzung

keine Schützung Zersetzung

Edukt reisoliert

keine Schützung

stöchiometrischBOC-ON / NEt3

BOC-ON / NEt3

tBuOK / BOC2O

NaH / BOC2O12

NaH / AcBrnBuLi / BOC2O

nBuLi / AcBrnBuLi / Pivaloylchlorid

nBuLi / CBz-ClnBuLi / Fmoc-Cl / AgOTf

nBuLi / Fmoc-Cl

Et2O

CH2Cl2tBuOH / CH2Cl2 1:1

DMF CH2Cl2CH2Cl2THFTHF THF THFTHF

2-3h / RT2h / 40°C16h / RT

30 min / -30°C30 min / -30°C30 min / -30°C

-30°C -> RT-30°C -> RT-30°C -> RT-30°C -> RT-30°C -> RT

keine SchützungZersetzung

keine SchützungZersetzung ZersetzungZersetzungZersetzung

instabiles Produktinstabiles Produkt

Edukt reisoliertZersetzung

17

Sterik vs. Elektronik

ist gehinderte Umlagerung im BOC-Derivat elektronisch oder sterisch bedingt?


Versuch, Sterik unter Beibehaltung der elektronischen Situation nachzubilden

18

Molekülberechnungen

PM3 DFT: BLYP/6-31G*

x-ray PM3

19

N-Silylierungen

IRHR erfolgt, keine sterische Interaktion

32%

nach: S. Miyano, M. Nawa, A. Mori, H. Hashimoto, Bull. Chem. Soc. Jp. 1984, 57(8), 2171.

N OR

EtO

Me

Si1. nBuLi2. TBSOTf

THF, -35°C

N OR

EtO

Me

HCr Cr

NR OMe

EtO

Me

N OMe

EtO

Me

R

35°C

CrCr

R k [sec-1] ΔG‡ [kJ mol-

1]

TBS 1,65 • 10-4 101,1

TIPS 1,02 • 10-

4102,4

20

Direktsilyliertes System

Si OMe

EtO

I

I

Si

I

Si

Cr(CO)5

EtO

1. nBuLi2.TIPSOTf

THF

1. Cr(CO)6/nBuLi2. Et3OBF4

CH2Cl2

44%

30%1. 3-Hexin, 55°C2. nBuLi/MeOTf

CH2Cl2

nach Rechnung sterisch stark belastetes System

Cr

Si OR

EtO

75°C

k = 1,81 • 10-4 sec-1 ΔG‡ = 110,6 kJ mol-1

Crsterische Hinderung nicht ausreichend, um Umlagerung zu unterbinden

21

Fmoc-Schützung

Fmoc-Schützung von 10 erfolgreich

OCH3

O

N

CH3

O

OCr(CO)3

25

OCH3

O

NH

CH3

Cr(CO)3

10

Fmoc-Cl

RT, THF5h

IRHR erfolgt ebenfalls nicht

N OR

EtO

Me

FmocN OR

EtO

Me

Fmoc

Cr Cr

22

Fmoc-Schützung

sterische Belastung durch die amidische Fmoc-PG gering

HF/3-21G*

23

Phenanthren-Ansatz

Intention: Cr(CO)3 möglicherweise auf zentralem Ring faßbar

Versuch, Ergebnisse von Naphthalen auf Phenanthren zu übertragen

NH2

Br

N

Br

O

OH

tBuOHRT, 16h

BOC2O

> 99%

N

Br

O

OCH3

1. NaH2. MeI

DMF0°C, 4h

83-96% 87%

neuer Ansatz: Synthese von 9-aminosubstituierten Phenanthrenderivaten

Vorteil: bekannte Syntheseroute übertragbar

R

R

NOMe

EtO

CH3

OO

R

R

NOMe

EtO

CH3

H

R

R

NOMe

EtO

CH3

H CrCrCr

24

Benzannelierung

Benzannelierung zum 9-Aminophenanthrenderivat

Verbindung R1 R2 R3 Ausbeute

28 CH3 Ph BOC 65%

29 CH3 Et BOC 67%

30 CH3 Et H 65%

32 TBS Et H 81%

R

R

NOR

EtO

CH3

OO

1

2

2

Cr

R

R

NOR

EtO

HCH3

1

2

2

TMSOTf, NEt3

Cr

25

Helizität


Helicalwinkel: 1,16(1)°

26

Helizität


Helicalwinkel: 16,17(0)°

27

Umlagerungsversuche

Lösungsmittel

T [°C] t [min] Ergebnis

CH2Cl2 55 60 —

"65 60 —

CCl4 80 60 —

keine Umlagerung der BOC-geschützten Phenanthrene

NOMe

EtO

CH3

OO

NOMe

EtO

CH3

OO

T

LM

Cr

Cr

28

Umlagerungsversuche

Lösungsmittel


CH2Cl2 45 60 —

55 60 —

60 60 —

65 240 —

CCl4 80 60 —

TBME 70 240 —

d6-DMSOa 85 130 —

1,1,2,2-TCE 110 15 Zersetzung

125 5 ZersetzungaNMR-Experiment

NOMe

EtO

HCH3 N

OMe

EtO

HCH3

T

LM

Cr

Cr

29

Umlagerungsversuche

thermische Umlagerung bis 110°C nicht möglich

NOTBS

EtO

CH3 H NOTBS

EtO

CH3 H

T < 110°C

nach: Y. Oprunenko, S. Malyugina, A. Vasil´ko, K. Lyssenko, C. Elschenbroich, K. Harms, J. Organomet. Chem. 2002, 641, 208.

180°C(HV)6h 59%

thermische Umlagerung bei 180°C in der Schmelze im HV möglich

Umlagerung auch mit Methoxy-Phenanthren möglich (38%)

CrCr

30

Umlagerungsversuche

thermische Umlagerung bis 110°C nicht möglich

thermische Umlagerung bei 180°C in der Schmelze im HV möglich

nach: Y. Oprunenko, S. Malyugina, A. Vasil´ko, K. Lyssenko, C. Elschenbroich, K. Harms, J. Organomet. Chem. 2002, 641, 208.

Umlagerung auch mit Methoxy-Phenanthren möglich (38%)

59%

Umlagerung erfolgt nicht mehr ausschließlich intramolekular !

180°C(HV)6h

N

EtO

CH3H

OTBSCr Cr

5-10%

CrCr

31

HPLC-Trennung

NOTBS

EtO

CH3

H

rac-32

Cr

33

Umlagerung

185°C

NOTBS

EtO

CH3

H

rac-32

NOTBS

EtO

CH3

H

ent2-32

Cr

Cr

34

8-Aminophenanthren

keine Umlagerung des BOC-geschützten 8-Aminophenanthrens

OCH3

EtO

N

Me

O

O

OCH3

EtO

N

Me

O

O

Lösungsmittel


CH2Cl2 40 60 Edukt reisoliert

TBME 65 120 Edukt reisoliert

1,1,2,2-TCE 100 60 Zersetzung

nBu2O 110 30 Zersetzung

Cr Cr

OCH3

EtO

N

Me

H75°C

OCH3

EtO

N

Me

H

Entschützung ermöglicht IRHR

k = 1,65 • 10-4 sec-1 ΔG‡ = 101,1 kJ mol-1

Cr Cr

35

Triebkraft der Umlagerung

NR OR

EtO

Me

N OR

EtO

Me

R

R = BOC

R = H

• attraktiver Effekt elektronenreicher Substituenten (freies Amin)

• kein sterischer Aspekt (Fmoc)

Hinweise:

• repulsiver Effekt elektronenarmer Substituenten (BOC)

favorisiert Umlagerung elektronenreichen Cr(CO)3-Komplex ?

CrCr

36


elektronenreicher elektronenarmerKomplex

νCO-Frequenz klein groß

kCO klein groß

δCO(13C-NMR) hohe Werte kleine Werte

E0 gering hoch

dCrC-O lang kurz

dCr-CO kurz lang

A.D. Hunter, V. Mozol, S.D. Tsai, Organometallics 1992, 11, 2251.

Eigenschaften unterschiedlich elektronenreicher Cr(CO)3-Komplexe

lineare Abhängigkeit von E0 von νCO und δCO

37


15

32

42

10

1130

18

14/1613

20198

7

41

239

12/24

3133

286

2940

17

N

OEt

H MeO

Si

Cr(CO)3

19

OEt

MeO

Si

Cr(CO)3

23

N

AcO

OEtCH3

H

Cr(CO)3

7

N

OEtCH3

HMeO

Cr(CO)3

10

N

OEtCH3

HMeO

Ph

Ph

Cr(CO)3

13

N

OEtCH3

HTBSO

Cr(CO)3

15

N

OEtTBS

HMeO

Cr(CO)3

17

38

15

32

42

10

1130

18

14/1613

20198

7

41

239

12/24

3133

286

2940

17


N

OEt

H MeO

Si

Cr(CO)3

19

OEt

MeO

Si

Cr(CO)3

23

N

AcO

OEtCH3

H

Cr(CO)3

7

N

OEtCH3

HMeO

Cr(CO)3

10

N

OEtCH3

HMeO

Ph

Ph

Cr(CO)3

13

N

OEtCH3

HTBSO

Cr(CO)3

15

N

OEtTBS

HMeO

Cr(CO)3

17

Cr

N

EtO

CH3 HOMe

Cr32

30

Cr

Cr

CrOCH3

EtO

N

Me

H

41

Cr

39

A

B

C

D

E

F

H

G


TBSO

Et

Et

OMe

Cr(CO)3

TBSO

Et

Et

OMe

TBSO

Et

Et

OMe

O

Cr(CO)3

TBSO

Et

Et

OMe

O

TBSO

Et

Et

OMe

Br

Cr(CO)3

TBSO

Et

Et

OMe

Br

TBSO

Et

Et

OMe

F

Cr(CO)3

TBSO

Et

Et

OMe

F

(CO)3Cr(CO)3Cr

(CO)3Cr

(CO)3Cr

A B C D

E F

G H

90°C

90°C

90°C 90°C

40

Zusammenfassung

Helizität im Phenanthrensystem deutlich abhängig vom Aminodonorsubstituenten am zentralen Ring

• am terminalen Phenanthrenring hat geringen/keinen Einfluß• am zentralen Phenanthrenring verhindert Umlagerung

Vorzugsrichtung der Umlagerung nicht abhängig vom Elektronenreichtum des Chromfragments

Umlagerung in der Schmelze erfolgt intermolekular

Aminogruppe• im Naphthalen-System erleichtert Umlagerung

unterbundene Umlagerung innnerhalb der BOC-geschützten Naphthalene ist nicht sterischer Natur

Amid-PG unterbindet effektiv die Umlagerung des Cr(CO)3-Fragments

41

Danksagung

Doktorvater

Prüfungskommission

Prof. Dr. K.H. Dötz

Prof. Dr. F. VögtleProf. Dr. M. DolgProf. Dr. K. Maier

Finanzen

LaborDipl. Chem. Martin WernerDEA Romain Germaneau

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