Uber die Camphenbydrat-meso-carbonsluren 137

Uber die cis- und die cis-trans- Camphenbydrst-meso-carbonstiure nnd uber

rac. ortho- und psra-Iso-borneol-carbons'aiurel) Von J.Bredt

(Eingegangen am 23. Mai 1931)

Borny len -ca rbonsaure (I) geht bei der Behandlung mit Eiseseig-Bromwasserstoff in das normale p -Hydrobromid (11), Schmp. 90-91 O, uber. cil = + 0,96 [cil]ba = + 9,6 (1,008 g in 10 ccm Benzol) l-dcm-Rohr. Wird dieses mit Alkali gekocht, so enteteht neben Borny len und zuriickgebildeter Borny len - c a r b on s I u r e durch Pinacolinumlagerung eine C a m p h e n - hydra t - c i s - (meso-carbons lure) , die spontan in ihr Lac- ton (IV), Schmp. 1834 Sdp.,, =145-147O, iibergeht.

La& man dagegen auf Borny len -ca rbonsaure (I) reine zentrierte waBrige Bromwasserstoffsaure, spez. Gew. 1,83, bei O o auf der Schuttelmaschine einwirken, so entsteht durch so- fortige Pinacolinumlagerung die Camphen - h y d r o - bromid- cis - t r a n s -(m e so - c a r b o n s a u r e) (V), Schmp. 157 O, welche sich durch Kochen mit Na,CO,-Losung in die Camphenhydra t - cis-trans-(meso-carbonsiiure (VI), Schmp. 17S0, und durch darauffolgende Wasserentziehung in Camphen - cis - t r ans - (meso - carbonsaurea) (VII), Schmp. 76-iTo, Sdp.,, = 157O,

I) Nachtrag zu den Abhandlungen Ann.Chem. 366, 1 (1909); dies. Journ. (2) 104, 1 (1921).

2, Fur die Verbindungen V, VI, VII war friiher [dies. Journ. (2) 104, 5 u. 7 (1921)] angenommen worden, da6 das Carboxyl in para- Stellung eum Hydroxyl stehe, eine Formulierung, die verlassen und durch obenetehende ersetzt wurde, urn die nachfolgend beschriebene Racemisierung beim Ubergang in die Is0 - b o r n e ol - c a r b o n s g u r e zu erklaren. Die Formel der C a r b o x y l - c a m p h e n - c a m p h e r s l u r e (a. a. 0. S. 9) muS dementsprechend such geandert werden. Die [Ann. Chem. 366, 41 (1909); dies. Journ. (2) 84, 781 (1911)] a18 OxysBure, C,,H,,O, (Schmp. 171 O) und a l s Dehydrosaure, C,,H,,O, (Schmp. 55 O)

snit einem Fragezeichen aufgefiuhrten, in geringer Menge als Neben-

138 J. Bredt

IV

umwandelt. Lactonbildung findet hier infolge der cis-trans- Stellung von Carboxyl zu Hydroxyl nicht statt.

CH,-CH-CH. CO,H CH2-CH- CMe,

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CH,-CH-CMe

CH,---CH-CMe3 CH2--CH- CMe,

CK,-CH-c :& CH,--CH-C<Me 1 I O H V I H 0 9 C . I H I Na,CO, + VI HO,C.LH

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(2) ($1 CH,--CH-CMq

(5) (4)

Die C a m p h en - ci s - t r a n 8 -(me s o - c a r b o n s a u r e (VII a) 1) wird durch Eisessig-Schwefelsaure in das Acetat der rat.- 1s o b orne o 1 - cis - t r a n s -(or t ho- c a r b o n saure) (IX), Schmelz- punkt 116O, einerseits und andererseits in das Acetat der I s o b o r n e o l - (para - ca rbonsaure ) (X), Schmp. 159O, uber- gefiihrt. Die Umlagerung in die Verbindung von der For- me1 IX entspricht der Verwandlung des Camphens in Iso- bornylacetat bei der B e r t r a m - Walbaumschen Reaktion, die Atomverschiebung nach Formel X ist mit der Uberfiihrung der

produkte entstandenen Verbindungen haben sich nach wiederholtem Um- krystallisieren ale ident,isch mit obiger Camphenhydrat - carbonsaure, C,,H,,O, uud der Camphencarbonsiiure, C,,H,,O, herausgestellt ; sie sind daher ale selbstandige Verbindungen eu streichen.

l) Die Formel VII wird hier in versnderter Schreibweise wieder- gegeben.

Uber die Carnphenhydrat-meso-carbonsauren 139

Fenchene in Iso-fenchyl-alkohol durch Eisessig-Schwefelsaure zu verg1eichen.l) Urn diese nach entgegengesetzten Seiten des Molekuls sich vollziehende Anlagerung der Essigsaure in ein- facher Weise zum Ausdruck zu bringen, nimmt man zweck- maBig ein Zwischenprodukt mit freien Valenzen (VIII) an.

(21 11 ) CH,--CH-CH. CO,H CH,-CH-CH. C0,H

I

HC--+ I C-CH

-* VIII I CMe, I VIIa I y? 1 I

CH, - -CH / \ , / H2c=i/(31 (4) cEf3. COOH / Me-C

CH,.COOH I .___ / +His01

)r )r +H&O*

CHZ-CH-GH. CO,H CH*--CH---CH. C02H I x 1 h u e , IX I CMe, I

( C H , c ~ ) O C H - b ~ e - C ~ , cH,--L!Me-cHo(oc. CR,)

Bei der Verseifung des vorstehenden Acetats (IX) b ildet sich Camphan-2-oxy-3-carbonsaurea) (Schmp. 169O). Diese ist nicht nur in ihrer allgemeinen Konstitution, sondern auch in der raumlichen cis-trans-Lage von Carboxyl zu Hydroxyl und ferner als Racemat festgelegt: DaB sie eine 2-0xy-3- carbonsaure ist, geht aus der Entstehung der in ihrer Konsti- tution bekannten Born y l en c a r b on s Bur e bei der Wasser- abspaltung hervor; da sich andererseits das Acetat dieser Oxy- saure (IX) bei der Ber t ram-Walbaumschen Reaktion bildet, durfte sie eine Iso-borneol-carbonsaure sein; ferner ist sie a19 cis- tr ans -1so-borneol-carbonsaure charakterisiert, weil sie sich durch Permanganat nicht oxydieren 1aBt und schlie6lich als Racemat, weil sie in Benzollosung die Ebene des polari- sierten Lichtes nicht dreht, und bei der Oxydation mit Sal- petersaure racemische Camphersaure vom Schmp. 202 O liefert, auch entsteht durch Wasserentziehung daraus dieselbe race-

I) Dies. Journ. (2) 61, 303 (1900); 106, 33 (1923); Ann. Chem. 417, 316 (1918).

Vgl. dies. Journ. (2) 104, 7 (1921). Der Schmelzpunkt ist in dieser Abhandlung S. 20 richtig angegeben, S. 7 und 21 aber infolge eines Druckfehlers 3 O zu hoch.

140 J. Bredt

mische Bornylen - c a r b o n s a u r e (Schmp. 109-llOo), welche wir aus dem racemischen Campher erhalten haben.1)

Es fragt sich nun, bei welcher Umwandlung findet die Racemisierung statt ? Wir haben festgestellt, ds6 sie beim Ubergang der Camphen-carbonsaure (VIIa) in das I so- b o r n eo 1- car b on8 a u r e - ace t a t (IX) unter dem Einflu6 der Ber t ram-Walbaumschen Reaktion erfolgt, denn der Athyl- ester der festen Camphen- carbons i iure ist noch optisch aktiv und dreht in demselben Sinne, wie der Campher, aus dem er gewonnen wurde, [elD = + 4,04O. Die freie Camphen- carbonsaure zeigt = + 4,3 9 Die hier stattfindende Ra- cemisierung la& sich durch Pinakolinumlagerung unter Wande- rung eines Methyls erklaren. Nimmt man an, da6 sich bei der Einwirkung von Eisessig-Schwefelsaure auf die optisch aktive Camp h en-cis-trans-mes so - c a r b o n s a u r e (XI) zuniichst 1 Mol. Essigsaure an die Methylengruppe anlagert, so entsteht das A c e t a t der C a m p h e n h y d r a t - c i s - t r ans - (meso-car - bonsiiure) (XII). Dieses wird dann durch Austausch eines Methyls von der gem-Dimethylgruppe aus der Mesostellung gegen den Acetoxylrest in das Acetat der antilogen Cam- p h e n h y d r a t - c i s - t r a n s - (meso - ca rbonsaure ) (XIII) iiber- gehen. Spaltet sich daraus Essigsaure wieder ab, so entsteht eine Camphenca rbonsaure (XIV), welche der optische Anti- pode und das Spiegelbild der urspriinglichen Camphen-ca r - bonsi iure (XI) ist, wie man aus einer Umformung der Schreib- weise der Formel (XIV) in Formel (XIVa) erkennt. Da die Reaktion umkehrbar ist, wird sich ein Qleichgewichtszustand zwischen d- und 1-Saure herausbilden, der zur racemischen Camphen-cis-trans-(meso-carbonsaure) fuhrt.

Dann tritt das zweite Stadium der B e r t r a m - W a l - baumschen Reaktion ein; es wird durch die Formeln VIIa-X wiedergegeben, wobei ausgehend von dem Racemat (XI+XIVa) jedes der Endprodukte (IX) und (X) ebenfalls racemisch werden mu6. Borny len -ca rbonsaure (I) zeigt eine starke optische Drehung: d - Bornylen - carbonsaure : [u]g = + 139,89 (in 10prozent. alkoholischer Losung) 2, und 1-B o r n y len - c a r b on-

I) Vgl. die vorstehende Abhandlung. 5, Rupe, Chem. Zentralbl. 1925, I, 1293.

ober die Camphenhydrat-meso-carbonsluren 141

XI1 XI11 (5) (I) CE,-CH-CH. C02H CH . C0,H

(2) CH*--

CH, . C . O(C0CHJ CHS-C-CH, (3)

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I CO,H

, ist gleich %

XI (2) (1) (1) (PI XIVa

Links-

CH,-CH-CH .CO,A HO,C-CH-CH- CH, 1 CH8. ~ ~ ( 3 H ~ 5 ~ B e c h t s - F o r m i(5y*E" I 1 Form CH9---- CH- - He

=cF& H H H,C=C

(41 (a

sanre: [.ID = - 144O (in Essigester). l) Da nun bei der Ein- wirkung von waBriger Bromwasserstoffsaure auf Bornylen- carbonsaure und darauf folgende Bromwasserstoffabspaltung aus dem entstandenen Bromid eine Camphencarbonsaure (VII) a,, = + 0,43 (1,002 g in 10 ccm Benzol) [a]h8 = + 4,3O entsteht, deren Bthylester (Sdp. 121-122O) und d:6=0,9895, auch nur eine schwache Drehung von 0,SO O im 2cm-Rohr = [.ID = + 4,04 O

zeigt, so ist wohl moglich, dab bereits das Bromid unter dem EinfluB des Bromwasserstoffes zum Teil racemisiert worden ist. An der vorher gegebenen Erklarung des Vorganges wiirde dies nichts andern; an die Stelle des Acetoxylrestes hatte man dann in die Formeln XI1 und XI11 Brom einzusetzen, welches sich gegen Methyl austauscht. Die hier angenommene Verschiebung eines Methyls aus der gem-Dimethylgruppe ist eine langst be-

Furneas und Perkin, Chem. Zentralbl. 1914, 11, 1315.

142 J. Bredt

kannte Erscheinung in der Chemie des Camphers und seiner Abkijmmlinge. Sie wurde beobachtet bei der Umwandlung der Camp h o 1 y t s a u r e (a - Campholytsaure) in I s o - c a m p h o 1 y t - s i iure (IS-Campholytsaure) und der Campho lensaure (a- Campholensiiure) in Is o-cam p hol en sa u r e (/I- Campholen- siiure) l), ferner bei der Santenumlagerung aus Camp h e n i l o 1 bzw. Campheni ly lch lor id2) und bei der Bildung des von N am e t k in 3, und B r e d t - S avel s b e rg *) in seiner Konstitution festgelegten 4-Me t hy l c a m p h erg. Auch die von T oivon en 6,

beobachtete Umlagerung des F e n chy la l ko hols in Me s a n - t e n o l ist dazu zu rechnen.

Wie vorstehend gezeigt wurde, haben wir aus der Camphen- c is- tr ans- ( m e a o - c a r b ons l u r e) durch die B e r t r a m -W a1 - baumsche Reaktion die rac.-Iso-borneol-trans-(ortho- ca rbonsaure ) Schmp. 169", erhalten. Bei der Reduktion der rac. - Camp ho c a r b onsi iure entsteht die z weite msgliche trans-Saure, Schmp. 154"; diese mu6 als rac.-Borneol- t rans- (o r tho -ca rbonsaure ) aogesprochen werdene); auch die ent- sprechende aktive Verbindung, Schmp. 171 ", ist bekannt. Er- fahrungsgemab entsteht bei der Reduktion des Clamphers mit Natrium in alkoholischer LSsung neben dem Borneo1 das Isoborneol. Somit wurde es nach der Analogie wahrscheinlich sein, dab die cis-Oxysiiure, welche neben der vorstehend be- zeichneten trans-Saure bei der gleichartigen Reduktion aus C a m p h o c a r b on s a u r e entsteht, die Is o - b orneol - c is - (or t ho - ca rbonsaure ) ware; auch diese ist wie die trans-Saure in einer racemischen Form, Schmp. 130°, und in einer aktiven Form, Schmp. 101 O, bekannt 7. Unbekannt bliebe demnach noch die aktive und die racemische Borneo l - c i s - (o r tho -

I) J. B r e d t , Ann. Chem. 314, 391 (1900); Semmler , Ather, Ole, Bd. 111, S. 441 (1906); Journ. chem. SOC. 77, 374 (1900); Compt. rend. 119, 799 (1894), 120, 927 (1895).

$) Ber. 32, 1503 (1899); Chem. Zentralbl. 1917, I, 640; Ber. 41, 129 (1908); Ann. Chem. 437, 3 (1924).

3, Ann. Chem. 469, 156 (1927). 4, Ber. 64, 600 (1931). 5, Acta Chem. Fennica 11, 169 (1929).

I ) Vgl. nachstehende Tabelle. Vgl. vorstehende Abhandlung; vgl. Ann. Chem. 366, 7 (1909).

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144 J. Bredt

c a r b o n s l u r e ) und schlieBlich die ak t ive I s 0 - borneo l - t r a n s - ( 0 r t h o - c a r b o n s a u r el.

Es liegen bisher keine Anzeichen dafur vor, daB die aus Campher und CO, dargestellte Camphoca rbonsaure in den zwei miiglichen Formen einer Endo- und einer Exoverbindung tatsachlich existiert. Aus den hier angefiihrten Tatsachen laBt sich mit einiger Wahrscheinlichkeit ebenfalls der SchluB ziehen, daS diese Camp h o c a r b o nsau re eine einheitliche Verbindung ist, und daB sie das Carboxyl in der Isoborneol-Stellung tragt; denn sonst hatten wir bei der Reduktion der rac.-Campho-carbon- saure auch die rac.- Is0 - borneo l - t r a n s - ( o r t h o - c a r b o n - saure) , Schmp. 169 O, auffinden mussen, was nicht der Fall war. l)

Wenn die Theorie richtig ist, welche fur die Racemisierung des Acetats der c i s - t r a n s - 1 8 0 - borneo l - o r t h o - ca rbon - s a u r e (IX) bei seiner Entstehung aus der Camphen-carbon- s i iure von mir aufgestellt wurde (XI-XIVa), so mu8 auch das Acetat der Iso-borneol-para-carbonsaure(X), Schmp. 159O, und die daraus durch Verseifen entstehende Oxysaure 3, Schmelz- punkt 180 O, racemisch sein. Wir haben festgestellt, daB beide Verbindungen in loprozent. alkoholischer Losung optisch voll- kommen inaktiv sind, der endgultige Beweis dafur, daB diese Inaktivitat ebenso wie bei der Orthoverbindung durch Racemie bedingt ist, steht aber noch aus.

Die hier gegebene Betrachtung uber die Bacemisierung durch Pinacolinumlagerung bildet auch den Wegweiser fur die Erklarung der IBngst bekannten Tatsache, daS Isoborneol und Campher, welche man aus aktivem Camphen durch die B e r t r am-W a l b aumsche Reaktion darstellt, stets racemisch sind. Wenn man in den obigen Formeln VIIa-XIVa die Carboxylgruppen durch Wasserstoffe ersetzt, so ergibt sich die Erklarung an Hand meiner Ausfiihrungen von selbst. Auf die Mdglichkeit dieser Atomverschiebung machen Name t kin und Briissow 3, bereits aufmerksam. Sie sagen aber dazu: ,,Es

l) Es ist bemerkenswert, daE bei der elektrolytischen Reduktion der optisch aktiven Epicampho-carbonsaure die vier theoretisch mijglichen Epiborneol- carbonsauren erhalten worden sind [dies. Journ. 89, 248 (1914)J

2, Dies. Journ. [2] 104, 19 (1921). 3 Ann. 459, 158 u. 160 (1927).

a b e r die Camphenhydrat-meso-carbonsiiuren 145

ist besonders interessant, dab das Dehydratationsprodukt des Isoborneols in beiden Fallen e in und de r se lbe Kohlen- wasserstoff, das Camphen sein muB, was, wie wir annehmea, die gute Ausbeute und E i n h e i t l i c h k e i t des bei dieser Reaktion erhaltenen Produkts bedingt". I n Wirklichkeit kann aber hier- bei nicht e in und dasse lbe Camphen entstehen, vielmehr mussen zwei optisch verschiedene Camphene , d-Camphen und 1-Camphen auftreten, wie von mir am analogen Beispiel der Camphen - c a r b o n s a u r e (Formel XI-XIVa) gezeigt wurde. l)

Die Formeln VIIa-X zeigen ferner noch, dd3 vom Camphen aus die Racemisierung des I s0 borneols bei der Bertram-Walbaumschen Reaktion noch in einer anderen Weise moglich istS2) Man kannte diese zweite Atomverschiebung als die horizontale 3, bezeichnen, wenn man die erstgenannte Pinacolinumlagerung als eine vertikale auffal3t.

Vgl. B r e d t - S a v e l s b e r g u. B u c h k r e m e r [Ber. 64, 603 (1931)j. z, Vgl. auch P. L i p p , Ber. 63, 773 (1920). Im Zusammenhang mit

dieser Theorie werden die Racemisierungserscheinungen am C a m p h e n selbst zur Zeit von Herrn L i p p im hiesigen Institut eingehend experi- mentell nachgepruft. Die Bearbeitung dieses Themas mochten wir uns dahervorbehalten [vgl.auchHouben u. Pfankuch,Ann.483,273(1930)].

*) A. v o n B a e y e r machte den zweckmaBigen Vorschlag, die Ver- bindungen der Campherreihe so zu schreiben, daS der Schwerpunkt moglichst tief liegt, also das w-Methyl in der Formel zu unterst steht. Daraus ergibt sich eindeutig die horizontale und die vertikale Richtung im Molekiil.

Ich bin damit bescbaftigt, festzustellen, ob die Atomverschiebung des unbestlndigen D i c h l o r - c a m p h a n s , welche zu dem von mir ent- deckten isomeren, bestandigen D i c h l o r - c a m p h a n fuhrte [Ann. 314, 386 (1900)], durch vertikale oder durch horizontale Pinacolinumlagerung [vgl. M e e r w e i n u. W o r t m a n n , Ann. 436, 199 (1924)l erfolgt.

Journal f. prnkt. Chemie [Z] Bd. 111. 10