Promotionsvortrag
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
Kristallstruktur von 10
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?
Kristallstruktur von 9
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
Kristallstruktur von 29
Helicalwinkel: 1,16(1)°
26
Helizität
Kristallstruktur von 30
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
T [°C] t [min] Ergebnis
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
T [°C] t [min] Ergebnis
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
Triebkraft der Umlagerung
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
Triebkraft der Umlagerung
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
Triebkraft der Umlagerung
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
Triebkraft der Umlagerung
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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