148 E. V. Dehmlow Bd. 758

Liebigs Ann. Chem. 758, 148 - 154 (1972)

Reaktion Acceptor-substituierter Doppelbindungen mit dem Dichlorcarben-Reagenz nach Makosza

von Eckehard V. Dehpnlow

Aus dem Organisch-chemischen Tnstitut der Technischen TJniversitlt, D-1 Berlin 12

Eingegangen am 28. Dezember 1971

Eine bekannte und drei neue Reaktionsweisen von basisch erzeugtem Dichlorcarben werden beobachtet : einfache Chloroformaddition an die Doppelbindung ungesattigter Ester und Nitrile (2a, Zb, 5a, 5d, 5g); Cycloaddition von CC12 an ungesattigte Ester und Nitrile, die einen dhbst i tuenten tragen (3 b, 6b, 6c) ; Bildung von Spiropentanen aus substituierten ungeslttigten Estern mit cr-Wasserstoff ( l l e , l l f , l l g ) und Entstehung der acetylenischen, Carbonyl-freien Verbindung 14 aus Mesityloxid.

Conversion of Acceptor-substituted Double Bonds with the Dichlorocarbene Reagent of Makosza

One known and three new types of reaction of base-generated dichlorocarbene are observed : simple addition of chloroform across the double bond of unsaturated nitriles and esters (2a, 2b, 5a, 5d, 5g); cycloaddition of dichlorocarbene to unsaturated nitriles and esters, which bear an a-substituent (3b, 6b, 6c); formation of spiropentanes from substituted unsaturated esters bearing an a-hydrogen ( l le , l l f , l l g ) ; and finally formation of thc acetylenic carbonyl-free compound 14 from mesityl oxide.

Das elektrophile Dichlorcarben entsteht nach den meisten Herstellungsarten durch Chlorid-Abspaltung aus Trichlormethylid. a.P-Ungesattigte Acceptorverbindungen sind im allgemeinen gegenuber elektrophilem Angriff reaktionstrage, dagegen akti- viert fiir eine nucieophile Addition. Man erwartet daher eher die nucleophile Anla- gerung von CC130 bzw. der Base, mit deren Hilfe das Trichlormethylid erzeugt wurde, als eine Cycloaddition von CC12, wenn man ungesattigte Carbonylverbindungen, Nitrile oder dergleichen einsetzt :

Vnrstufe f- CCl? C C I B * LlL’

.1 .1 otfenkettige Folgeprodukte Cpclopropan-Folgeproaukte

So ist bekannt, daB Chloroform unter alkalischen Bedingungen an die Doppelbindung von Acrylnitril (la) zu 2a angelagert werden kannl). Erzeugt man das Dichlorcarben

1) H. A. Bruson, W. Niederhauser, T. Riener und W. F. Hester, J. Amer. chem. SOC. 67, 601 (1945).

1972 Reaktion Acceptor-substit. Doppelbindungen mit Dichlorcarben 149

jedoch aus Phenylquecksilber-bromdichlormethylid (CsHSHgCBrCIz), so wird keine carbariionische Zwischenstufe durchlaufen; aus 1 a entsteht 1-Cyan-2.2-dichlor-cyclo- propan2) (3a).

Bei dem neuen Dichlorcarben-Darstellungsverfahren von Mukosza3-5) wird das in Chloroform geloste Substrat mit 50proz. waBriger Natronlauge bei Gegenwart katalytischer Mengen Triathylben7ylammoniumchlorid geruhrt. Durch das Arbeiten im zweiphasigen System werden Substrat, Dichlorcarben und Reaktionsprodukte einerseits weitgehend gegen die Wirkung der starken Base abgeschirmt, andererseits sind hohe molare Uberschusse des billigen Reagenzes leicht zu handhaben. Man erhalt auch mit reaktionstragen Olefinen gute Ausbeuten an Addukten; selbst Mehr- fachadditionen sind haufig4.5).

Ergebnisse und Diskussion

Mit Acrylnitril(1 a), Acrylsauremethylester (4a) und Vinylacetat konnen auch unter Makosza-Bedingungen nur die einfachen Chloroform-Anlagerungen beobachtet wer- den (Bildung von 2a, 5a bzw. 2-Acetoxy-1 .l.l.-trichlor-propan6)). Setzt man jedoch Methacrylsaureathylester (4b) ein, so entsteht ausschliefilich das Cyclopropan 6 b in guter Ausbeute. Aus Methacrylnitril (1 b) entstehen offenkettiges Produkt (2b) und Dreiring (3 b) nebeneinander. Analog wird aus Tiglinsauremethylester (4 c) ausschlieB- lich 6c erhalten. In allen Fallen fand Verseifung n w in untergeordnetem MaBe statt.

4 -6 _.

a T 1 H R: ,C02R4 c1 C l b

A 2 A 3 R2 ‘R3 R2 R3 d 4 6 e

f g

C13C-C-C-C02R4 I t ,C=C - R&C02R4 C

5

R L RZ R3 R4

H 11 H CH3 H H CH, CzH5

H CH, CH, CH, H H H CZHS H CsH5 H CH3

CH, CH, H CII,

H CH, H CH3

2 ) D. Seyferth, J . M. Burlitch, R . J. Minusz, J. Y . - P . Mui, H . D. Simmons Jr., A . J. H. Trei-

3) M. Makosza und M. Wuwrzyniewicz, Tetrahedron Letters [London] 1969, 4659. 4) E. V. Drhmluw und J . Schdnefeld, Liebigs Ann. Chem. 744, 42 (1971). 5 ) E. V. Dehniluw, Tetrahedron [London] 27, 4071 (1971); 28, 175 (1972). 6) Mit Natriumtrichloracetat wurden bei Vinylacetat in gleichem Umfang CCl,C- und CC12-

Addition beobachtet: W. M. Wagner, H . Kluosterziel und S. van dcr Ven, Recueil Trav. chim. Pays-Bas 80, 740 (1961).

ber und S. R . Dowd, J. Amer. chem. SOC. 87, 4259 (1965).

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Zunachst war zu prufen, ob die offenkettigen Chloroform-Addukte die Vorstufen der Cyclopropane waren, da die 1.3-Eliminierung von HX eine gebrauchliche Dar- stellungsmethode fur Dreiringverbindungen ist. Es zeigte sich jedoch, daR die CC13- Gruppe gegen Carbanionen recht stabil ist. 2b verharzte beim Erwarmen der benzoli- schen Lijsung mit Natronlauge auf 60". 5a war nach 24stundigem Erhitzen mit Kalium-tert.-butylat in Benzol zu etwa 90 "/, unveriindert ; die restlichen 10 % waren zum tert.-Butylester der Ausgangsverbindung geworden. - Tm Vergleichsversuch mit Kalium-tat.-butylat und Chloroform wurde aus 4b ein komplexes Gemisch erhalten, das neben vie1 unumgesetztem 4b und 6b noch 2-Methyl-3-tert.-butoxy-propionsaure- athylester und -tert.-butylester enthielt.

Im Konkurrenzversuch mit einem 1 : 1-Gemisch von 4b und 4d unter Verwendung von molarer Menge NaOH/Chloroform wurde bei 57proz. Umsatz ein Gemisch von 28 % 5d und 72% 6b erhalten. Methacrylsiiureathylester ist gegen nucleophilen An- griff etwa 50mal weniger reaktiv als Acrylsauremethylester7), wahrend er bei elektro- philem Angriff etwa fiinfmal rascher reagierts). Da wir an dem gegenuber elektro- philem Reagenz zuganglicheren 4b mchr Cycloaddition fanden, kann in diesem Falle keine vorangehende nucleophile Addition (zu 5b) und darauffolgende HC1-Eliminie- rung stattgefunden haben. Es liegt also auch in den hier behandelten Fallen die ubliche elektrophile Addition des Dichlorcarbens vor*). Daruber hinaus ist man jedoch in der Lage, durch geeignete Wahl des Substrates sowohl CC130 als auch CClz aus dem oben angegebenen Gleichgewicht abzufangen (vgl. auch Lit.6)).

Die bisher beschriebenen Ergebnisse wurden mit Substraten erzielt, die in cc-Stel- lung zur funktionellen Gruppe einen Substituenten trugen. Befindet sich hier jedoch ein Wasserstoffatom, so treten wesentlich kompliziertere Produkte auf. Aus Zimtsaure- methylester (4e) und aus P.$Dimethyl-acrylsauremethylester (4f) wurden Produkte erhalten, deren Sunimenfornieln (Elementaranalyse und Massenspektrum) urn C3C14 gegeniiber dem Ausgangsmaterial gewachsen waren. Aus Crotonsauremethylester (4g) entstanden eine entsprechende Substanz und das einfachc Anlagerungsprodukt von Chloroform (5g) nebeneinander. Erneutes Einsetzen von 5 g in dieselbe Reaktion crbrachte keine Verwandlung in die CjCl4-reichere Substanz. Gaschromatographische und NMR-spektroskopische Befunde zeigten, dal3 die neuen Verbindungen aus 4 e und 4f einheitlich waren, wahrend das Praparat aus dem Crotonsaureester ein nur analytisch-gaschromatographisch auftrennbares Gemisch zweier Isomere (45 : 55) war.

Die Summenformeln dcr neuen Verbindungen verlangen das Vorhandensein von zwei Ringen oder zwei Doppelbindungen. Die Tatsache, daB das Piodukt aus 4f von

*) Dieser SchluB wird durch Konkurrenzversuche mit Cyclohexenl4b (Adduktverhaltnib 3.4 : 1) und 4b/Pcnten-(l) (3.8 : 1) erhdrtet. Nach W. von E. Doering und W. A . Hender- son Jr., J. Amer. chem. SOC. 80, 5275 (1958), reagjert Cyclohexen mit CClz 13.8maI rascher als Penten (3.4. 3.8 ~ 12.9).

7) R . N . Ring, G . C. Tesoro und D . R . Moore, J. org. Chemistry 32, 1091 (1967). 8) S. V. Anantakrishnon und R . Vankaturaman, Chem. Reviews 33, 27 (1943).

1912 Reaktion Acceptor-substit. Doppelbindungen mit Dichlorcarben 151

Ozon nicht angegriffen wird, schliel3t ungesattigte Strukturen, wie I und 8, sowie deren Stellungsisomere aus. Es verbleiben die Typen 9 10 und 11. Die Struktur 10 erscheint zunachst besonders attraktiv, da die Umwandlung von Dichlorcyclopropa- nen mit Lithiumalkylen in Allene eine wohlbekannte Reaktion ist und eine doppelte Addition von CC12 an das entsprechende Allen Verbindungen vom Typ 10 geben konnte. Andererseits sprechen die beobachteten groBen Kopplungskonstanten der tertiaren Wasserstoffe (5.8 Hz im Produkt aus 4e und einem der Stereoisomeren aus 4g, 9Hz bei dem zweiten Stereoisomeren aus 4g) sowohl gegen Struktur 9 als auch gegen 10. Bekannte Spiropentane zeigen keine merkliche Kopplung von Protonen in verschiedenen Ringen 2.9).

Zur Entscheidung wurde 4-Methyl-pentadien-(2.3)-saureathylesterlo) (12) in die Makosza-Reaktion eingesetzt. Es trat nur einfache Dichlorcarben-Addition zu 13 auf. Auch erneut mit groDerem ReagenzuberschuB eingesetztes 13 blieb unverandert. Diese Beobachtungen lassen nur noch die Strukturen l l e -g ubrig. Die Massenspek- tren bestatigen diese Zuordnung: Es treten intensive Fragmente fur M-C2C13 und M-CzCL-H auf. Der Mechanismus der Bildung von 11 bleibt vorerst im Dunkeln.

7 8 9

10 11 12 13

Wenig erfolgreich war die Umsetzung verschiedenster x.P-ungesattigter Ketone (einschlieBlich Steroidketonen) mit dem Makosza-Reagenz. In allen Fallen traten komplizierte Gemische auf, vermutlich meist wegen Sel bstkondensation der Substrate. Zudem war die Trennung von dem immer vorhandenen schwarzbraunen Schlamm4) d a m besonders schwierig, wenn das Reaktionsprodukt nicht herausdestilliert werden

9) D. E. Appleyuist, G. F. Funta und B. W. Henrikson, J. Amer. chem. SOC. 82, 2368 (1960); E. F. Lrllman und W. J. Fanshnwe, ebenda 83, 2379 (1961); W. M. Jones, M. H. Grasley und W. S. Brey Jr., ebenda 85,2754 (1963); D. E. Appleyuist , M . R . Johnston und F. Fisher, ebenda 92, 4614 (1970). E. R. H. Jones, G. K. Whitham und M. C. Whiting, J. chem. SOC [London] 1957, 4628.

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konnte. Das erste rein isolierte, wenn auch in maBiger Ausbeute gebildete Produkt war Verbindung 14 aus Mesityloxid. Insgesamt erschienen diese Reaktionen von geringem praparativen Interesse*).

c1 c1 14 II,C,&=C-LH~

H,C c1 Die Struktur von 14 folgt aus der Summenformel, dem NMR-spektroskopischen

Nachweis von drei Methylgruppen (davon zwei im gesattigten Bereich) und dem Auf- treten einer Acetylen-Bande im IR-Spektrum. Auch die Entstehung von 14 ist zu- nachst nur uber hypothetische Zwischenstufen formulierbar; das Verschwinden der Carbonyl-Funktion des Mesityloxids bei der Umsetzung ist merkwurdig.

Zusammenfassend beobachtet man mit dem Dichlorcarben nach Makosza vier verschiedene Reaktionswejsen, von denen drei hier erstmalig beschrieben wurden: 1) Cycloaddition bei Substitution in ol-Stellung zur funktionellen Gruppe; 2) Bildung der Spiropentane l l e - g beim Vorliegen von rx-standigen H und 3) Entstehung des acetylenischen Cyclopropans aus Mesityloxid.

Vorliegende Arbeit wurde dankenswerter Weise von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefordert. Fur AeiBige experimentelle Mitarbeit dankt der Verfasser Frl H. Korff und Frl. I . Hoppe.

Beschreibung der Versuche Die NMR-Spcktren wurden mit den Varian-Geraten A-60 oder HA-100 (Tetramethylsilan

als innerer Standard) aufgenommen. Die Massenspektren wurden mit dem Gerat MAT-CH 7 gemessen. - Die Siedepunkte beziehen sich auf Luftbadtemperatur bei Destillation im Kugelrohr.

Umsefzungen mit Dichlorcarben (Makosza-Reagenz3-5)). - Allgenieine Vorschrift: Die Losung von 5 g Substrat in 50 g Chloroform wird mit 50 g frisch bereiteter 50 Gew.-proL. Natronlrruge unterschichtet. Man setzt 500 mg Triathylbenzylammonium~hlori~ zu und riihrt intensiv zunachst bei 0" (Eisbad), splter bei Raumtemperatur. Die Mischung farbt sich zuneh- mend braunschwarz. Nach 15 Stdn. wird in vie1 Wasser gegossen. Bei der Phasentrennung beseitigt man hartnackige Emulsionen am besten dadurch, daI3 man zunlchst nur grob trennt und anschlieRend des ofteren langsam in frischcs Wasser flieRen 1aRt. Stets bleibt ein braun- schwarzer Schlamm zuruck, der in den meisten Losungsmitteln unloslich ist und vermutlich aus Perchlordlkanen besteht. Man extrahiert mit Chloroform nach, trocknet die CHC13- Phasen uber Natriumsulfat, dampft das Chloroform ab und dcstilliert odcr chromatogra- phiert an Kieselgel.

*) Anmerkung bei der Korrektur (12.4.72): Inzwischen konnten wir maRige Ausbeuten von Addukten des Tetrachlorspiropentantyps aus Cholestenon und Testosteron erhalten. Bei letzterem war zusatzlich die Hydroxylgruppe gegen Chlor ausgetauscht. Diese Reaktionsweise des CC12 wurde kiirzlich auch von I. Tabuski, Z.-I. Yshida und N . Takahashi, J. Amer. chem. SOC. 93, 1820 (1971), beobachtet.

153 1972 Keaktion Acceptor-substit. Doppelbindungen mi t Dichlorcarben

4.4.4-Trichlor-buttersauremet~y~e~te~ (Sa). - Erhalten aus A c r y l s a u r e m e l i e r (4a). Sdp.o.3 80"; Ausbeute 43 % d. Th.

(hH7C1302 (205.5) Ber. C 29.22 H 3.44

chlor-buttersaure Yom Schmp. 55' (Lit. 1 ) 550) gewonnen.

Gef. c 29.56 H 3.28 Durch AnsLuern und Extrahieren der alkalischen Phase werden 10 % d, Th. an 4.4.4-T,.j-

4.4.4-Trichlor-b~tyronitril @a). - Erhalten aus Acrylnitril (1 a). Schmp. 41° (Lit.') 41 ");

Ausbeute 72 D/I d. Th. 2-Aceto~y-l.l.l-trichlor-propan. - Erhalten aus Vinylacetat. Sdp.o.2 45" (Lit. 6) Sdp.20 75").

N M R : T = 8.45 (d; 3H), 7.90 (s; 3 H), 4.57 (9; lt l) .

2.2-Dichlor-I-methyl-cyclopropuncarbonsaureathylester (6b). - Erhalten aus Methrrcryl- saureuthylester (4b). Sdp.15 120'; Ausbeute 8 5 % d. Th. - NMR: 7 = 8.70 (t; 3H), 8.42 ( s ; 3H), 8.66 (d, J = 7 Hz; lH), 7.78 (d, J = 7 Hz; IH), 5.78 (9; 2H).

C7H1oC1202 (197.1) Ber. C 42.67 H 5.12 Gef. C 42.62 H 5.17

2.2-Dichlor-I-uynn-I-methyl-cyclopropan (3 b) und 2-Methyl-4.4.4-trichlor-butyronitril(2 b). - Sie werden bei der Umsetzung von Metharrylnitril (1 b) erhalten. Fraktionierte Destillation des Reaktionsprodukts liefert zunlchst 3 b vom Sdp.15 78"; Ausbeute 42% d. Th.- NMR: T = 8.41 (d, J = 7 Hz; lH), 8.31 (s; 3H), 7.91 (d; 1H).

CsHsC12N (150.0) Ber. C 40.03 H 3.36 N 9.34 Gef. C40.19 H 3.51 N 9.05

AnschlieRend destilliert 2b. Sdp.15 95-97"; Ausbeute 13% d. Th. - NMR: z = 8.47 (d; 3H), 6.6-7.4 (2 m ; 3H).

CjH6C13N (186.5) Ber. C 32.20 H 3.24 N 7.51 Gef. C 32.08 H 2.92 N 7.42

2.2- Diclilor-cis-I.3-dimetliyl-cyclopropancarbonsaureme~hylester (6c). - Erhalten aus Tigiin- sauremethylesler (4c). Sdp.o.4 80"; Ausbeute 69% d. Th. - NMR: T = 8.84 (d, J = 6.5 Hz; 3H), 8.65 (s; 3H), 7.69 (4 ; IH), 6.30 (s; 3H).

C7H1&1202 (197.1) Ber. C 42.67 H 5.12 Gel. C 43.01 H 5.12

4.4.5.S-Tet~achlor-trans-2-phenyl-sp~ro[2.2~penfan-r~rbonsaure-(l)-methylester (lle). ~

Erhalten aus Zimtsauremethylester (4e). Schmp. 80-82"; Ausbeute 48% d. Th. - NMR: T = 7.15 (d, J = 5.8 Hz; IH), 6.42 (d; IH), 6.25 (s; 3H), 2.6-3.0 (m; 5H).

C13H10C1402 (340.0) Ber. C 45.92 H 2.96 Gef. C 45.99 H 2.78

4.4.S.5-Tetrachlor-2.2-dimethyl-spiro/ 2.2.~pentan-carbonsaure-(l) -methylester (11 f ) . - Erhal- ten aus ~.~-Dimethyl-ncr,~lsiuremethylester (4f). Sdp.o.5 95 - loo", Schmp. 27"; Ausbeute 35% d. Th. ~ NMR: T = 8.52, 8.44, 6.30 (je s ; je 3H), 7.80 (s; IH). - M S : mje = 290 (CL, klein, MQ), 275 (C14, M - CH3), 255 (Ck, M - Cl), 219 (Clz, M - HCIz), 195 (Cl3, M - HCI - COZCH~), 161 (CI, M - CzCI3, sehr intensiv), 125 (CI-frei, M - C2c14 - H, sehr intensiv).

C9H10Ci402 (292.0) Ber. C 37.02 H 3.46 Gef. C 36.93 H 3.46

Produkte der Umsetzung yon Crotonsauremethylester (49) : Bei der fraktionierten Destil- lation kam zuerst 3-Trichlormethyl-buttersuure~nethy/ester (5g) vom Sdp.lb 80"; Ausbeute 10% d. Th. - NMR: 7 - 8.62 (dd, J = 6 und schwach ca. 0.6 Hz; 3H), 7.67 (dd, J = I 0 und 16 Hz; 1 H), 6.6-7.1 (m; 2H), 6.31 (s; 3H). ~ MS: m/e = 101 (M - CC13; base peak).

C6H9C1302 (219.5) Ber. C 32.82 H 4.13 Gef. C 32.84 H 4.02

154 E. V. Dehmlow Bd. 758

AnschlieSend destillierte 4.4.5.~-Tetrachlor-2-mefhyl-spiro~2.2]penfan-c~rbonsaure-(l) -methyl- ester (11g) als Gemisch (45: 55) zweier Stereoisomerer. Sdp.o.4 80-85'; Ausbeute 14% d. Th. - NMR: T 8.50 und 8.60 (je d), 7.3-7.9 (m, mit herausragenden Zd, J = 9 und 5.8 Hz), 6.28 und 6.29 (OCH3). Signalgruppen im Verhaltnis 3 : 2 : 3. - MS: Analog l l f n i t charakteristischen Peaks bei m/e 7 147 (M - CZCI~), 111 (M - C2CIdH); beide von hoher lntensitat.

C8H8C1402 (278.0) Ber. C 34.57 H 2.90 Gef. C 34.58 H 2.99

I-Athox~carbonyImethylen-2.2-diehIor-3.3-dirneth~~l-eycIopropan (13). - Erhalten aus 4-Me- thyl-penradien-32.3)-saureatliylesterlo) (12). Sdp.o.2 75-85"; Ausbeute 69 ;< d. Th. - NMR: T = 8.70 (t; 3H), 8.49 (s; 3H), 5.80 (9; 2H), 3.53 (s; 1H). - Aus ungeklirten Grunden konnte die nach dem NMR-Spektrum reine Verbindung nicht reproduzierbar verbrannt werden. Vier aufeinanderfolgende Analysen ergaben folgende Werte:

C9H12C1202 (223.1) Ber. C 48.46 H 5.42 Gef. C 42.41 49.67 H 4.48 4.75 47.34 40.37 6.01 4.32

1.2.2-Trichlor-3.3-dimethy1- l-[propin-( I)-yl]-cyclopropan (14). ~ Erhalten aus Mesityl- oxid. Sdp.20 looo, Schmp. 31"; Ausbeute 10% d. Th. - N M R : 7 -- 8.59, 8.55, 8.05 (je s; je 3H). - ZR (CCI4): 2270cm-1. - MS: m/e = 210 ('213, Me), 195 (M - CH3), 175 (M - Cl), 139 (M - HCIz), 103.

C8H9C13 (211.5) Ber. C 45.43 H 4.29 Gef. C 44.76 H 3.98 [209/71]