3 - Dr. Benjamin Wenzel
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Promotionsvortrag Der Einfluß amidischer Schutzgruppen auf die haptotrope Umlagerung von Tricarbonylchromkomplexfragmenten entlang mehrkerniger aromatischer Ringsysteme Dipl. Chem. Benjamin Wenzel 20.10.2005 Einleitung Cr(CO)3-h6-Aren-Komplexe Ligandenaustausch sterische Hinderung O O C erhöhte Acidität C Cr Cr O C H R4 C X erleichterte Solvolyse H erleichterter nucleophiler Angriff erhöhte Acidität Cr = Cr(CO)3 Cr(CO)3-Fragment beeinflußt aromatisches p-System hohes Synthesepotential Cr(CO)3-komplexierter Arene Templat-Effekt des Chromfragments 2 Intention wünschenswert: Positionskontrolle des Templats externer Einfluß Cr CrCr OR1 OR 1 OROR 1 1 R R RO 2 R2O R R R R R2O R2O R R Vorteile einer steuerbaren Umlagerung: • veränderte Reaktivität des neukomplexierten Rings kann genutzt werden • Templat kann mehrfach verwendet werden 3 Intention Möglichkeiten der Einflußnahme • Temperatur 1. hn/ Cr Cr OR1 R R22O O R R 2. CO Cr Cr Cr OR1 1 OR D D RR RR22O O RR Umlagerung meist irreversibel oder Gleichgewichte (Substitutionsmuster) vollständig reversible Umlagerung nahezu unbekannt • photochemisch: Dötz, Jahr (2003) Zielsetzung: Steuerung durch Variation des Aromatensubstitutionsmusters H.C. Jahr, M. Nieger, K.H. Dötz, Chem. Commun. 2003, 2866. K.H. Dötz, H.C. Jahr, Chem. Rec. 2004, 4, 61. 4 Amidische Schützung Hinweise auf elektronische Einflüsse auf das Umlagerungsverhalten reversible Umlagerung durch elektronenziehende Schutzgruppe möglich? Cr R3 OR1 N R H Donor R2O R Cr R3 R4 OR1 N O R R2O R Akzeptor Aminodonor wird zwischen zwei Zuständen geschaltet weitere Vorteile: • amidisch geschützte Edukt-Carbene besser zugänglich • Benzannelierung zu Naphthalinderivat begünstigt Bedingung: Schutzgruppe stabil im stark basischen Medium tert.-Butyloxycarbonyl-Gruppe (BOC-) 5 Synthese der Cr(CO)3-Aren-Komplexe durch [3+2+1]-Benzannelierung aus Fischer-Carben und Alkin Cr(CO)3-Templat präkoordiniert die Reaktanden in notwendiger Geometrie kinetisches Primärprodukt: Cr(CO)3-komplexiertes Hydrochinon Cr(CO)3 OR´ OH Cr(CO)3 O - CO X Cr(CO)3 RO C R´´ X = OR + R´´ C X Cr(CO)3 R´´ OH OR´ R´´ OH RO OC CO R´´ RO Cr(CO)3 Cr(CO)3 Bildung von Enantiomeren nachfolgend meist Schützung des oxidationsempfindlichen Hydrochinons 6 [3+2+1]-Benzannelierung Edukt-Carbene über modifizierte Fischer-Route problemlos darstellbar Benzannelierung mit 3-Hexin oder Tolan bildet Hydrochinone in guten Umsätzen O O Me N O O N Me CH3 BOC Me N N O + Cr(CO)6 Br R THF 2.Et3OBF 4 55°C, CH2Cl2 CH2Cl2 -15°C/RT 3-4h EtO 3 R3OBF4 nBuLi 1.nBuLi -78°C/0°C 45min BOC LiO Cr(CO)5 Cr(CO)5 R 120min O Me Cr N OH R EtO RO R Cr(CO)5 R = Me 30% Et 83% (4) (5) in-situ-IR 7 [3+2+1]-Benzannelierung Schützen des oxidationsempfindlichen Hydrochinons O O Me Me Cr N OH R2 EtO R4 1. Base 2. R1-X Cr N OR1 R2 EtO R3 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% R3 8 Röntgenstruktur Kristallstruktur von 9 9 Umlagerungsversuche NMR sehr empfindliche Sonde für Ort der Komplexierung Me Si Me Cr N Si OR Cr N OR 35°C EtO EtO 8.0 7.8 7.6 7.4 7.2 7.0 6.8 6.6 6.4 6.2 6.0 5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 8.0 7.8 7.6 7.4 7.2 7.0 6.8 (ppm) 6.6 6.4 6.2 6.0 5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 die BOC-geschützten, kinetisch(ppm) stabilen Cr(CO)3-Komplexe können nicht umgelagert werden Me Me Cr BOC N Cr BOC N OMe OMe D EtO EtO 10 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% 11 Umlagerungsverhalten Umlagerung erfolgt bereits ab 30°C in allen Fällen Ausbildung von Gleichgewichten Verbindung R1 R2/R3 Verhältnis Ausbeute 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 12 in-situ-NMR 7.8 7.6 7.4 7.2 7.0 6.8 6.6 6.4 6.2 (ppm) 6.0 5.8 5.6 5.4 5.2 5.0 4.8 4.6 7 zu 8 (35°C in CDCl3) 13 Kinetische Auswertung 1 0,8 0,6 -0,3 0,4 ln c (Edukt) Molenbruch 0 0,2 -0,6 -0,9 0 0 2000 4000 6000 8000 -1,2 10000 Zeit [sec] -1,5 0 2000 4000 6000 8000 10000 Zeit [sec] Verbindung k [sec-1] ΔG‡ [kJ mol1] 7/8a 1,05 • 10-4 99,0 10/11b 1,12 • 10-4 102,1 13/14b 4,72 • 10-4 98,3 15/16a 1,42 • 10-4 98,2 a35°C in CDCl3;b 45°C in CDCl3 in allen Fällen Kinetik 1. Ordnung intramolekulare Reaktion 14 Neuschützung Ziel: Schaltbarer Komplex Me R Cr N R OCH3 EtO Me R=H N Cr OCH3 EtO R = BOC alle Versuche zur Neuschützung erfolglos Grund: wahrscheinlich besonders elektronenarmes Amin Cr(CO)3 H3C + N H Cr(CO)3 H3C N H 15 Schützungsversuche Reagentien Lösungsmittel Zeit / Temp. Ergebnis BOC2O BOC2O BOC2O tBuOH tBuOH/CH2Cl2 1:1 CH2Cl2 16h / RT 8h / RT 2h / 40°C unlöslich Edukt reisoliert Zersetzung katalytisch BOC2O / DMAP BOC2O / ZrCl4 BOC2O / Zn(ClO4)2 BOC2O / Zn(ClO4)2 BOC2O / ZrCl4 AcBr / DMAP Fmoc-Cl / DMAP Fmoc-Cl / DMAP TBME DMF MeCN CH2Cl2 neat CH2Cl2 CH2Cl2 THF 16h / RT 16h / RT 16h / RT 3h / 35°C 60 min / RT 30 min / 0°C 5h / RT 5h, RT Edukt reisoliert keine Schützung keine Schützung Zersetzung keine Schützung Zersetzung Edukt reisoliert keine Schützung stöchiometrisch BOC-ON / NEt3 BOC-ON / NEt3 tBuOK / BOC2O NaH / BOC2O12 NaH / AcBr nBuLi / BOC2O nBuLi / AcBr nBuLi / Pivaloylchlorid nBuLi / CBz-Cl nBuLi / Fmoc-Cl / AgOTf nBuLi / Fmoc-Cl Et2O CH2Cl2 tBuOH / CH2Cl2 1:1 DMF CH2Cl2 CH2Cl2 THF THF THF THF THF 2-3h / RT 2h / 40°C 16h / RT 30 min / -30°C 30 min / -30°C 30 min / -30°C -30°C -> RT -30°C -> RT -30°C -> RT -30°C -> RT -30°C -> RT keine Schützung Zersetzung keine Schützung Zersetzung Zersetzung Zersetzung Zersetzung instabiles Produkt instabiles Produkt Edukt reisoliert Zersetzung 16 Sterik vs. Elektronik ist gehinderte Umlagerung im BOC-Derivat elektronisch oder sterisch bedingt? Kristallstruktur von 9 Versuch, Sterik unter Beibehaltung der elektronischen Situation nachzubilden 17 Molekülberechnungen PM3 x-ray DFT: BLYP/6-31G* PM3 18 N-Silylierungen Me Me Cr H N OR EtO 1. nBuLi 2. TBSOTf Cr N Si OR EtO THF, -35°C 32% nach: S. Miyano, M. Nawa, A. Mori, H. Hashimoto, Bull. Chem. Soc. Jp. 1984, 57(8), 2171. IRHR erfolgt, keine sterische Interaktion Me Cr R N Cr Me R N OMe OMe 35°C EtO EtO R k [sec-1] ΔG‡ [kJ mol1] TBS 1,65 • 10-4 101,1 TIPS 1,02 • 10-4 102,4 19 Direktsilyliertes System I 1. nBuLi 1. Cr(CO)6/nBuLi 2. Et3OBF4 CH2Cl2 Si 2.TIPSOTf THF I Si EtO I Cr(CO)5 44% 1. 3-Hexin, 55°C 2. nBuLi/MeOTf 30% CH2Cl2 nach Rechnung sterisch stark belastetes System 75°C Cr Si Cr Si OR EtO OMe EtO sterische Hinderung nicht ausreichend, um Umlagerung zu unterbinden k = 1,81 10-4 sec-1 ΔG‡ = 110,6 kJ mol-1 • 20 Fmoc-Schützung Fmoc-Schützung von 10 erfolgreich CH 3 OCH3 CH 3 N O H N Fmoc-Cl Cr(CO)3 RT, THF 5h Cr(CO)3 O O O 10 OCH3 25 IRHR erfolgt ebenfalls nicht Me Fmoc Me Cr N OR EtO D Fmoc Cr N OR EtO 21 Fmoc-Schützung sterische Belastung durch die amidische Fmoc-PG gering HF/3-21G* 22 Phenanthren-Ansatz Versuch, Ergebnisse von Naphthalen auf Phenanthren zu übertragen Intention: Cr(CO)3 möglicherweise auf zentralem Ring faßbar O O H3C N H Cr Cr H3C N OMe H Cr OMe OMe R R R neuer Ansatz: Synthese von 9-aminosubstituierten Phenanthrenderivaten Vorteil: bekannte Syntheseroute übertragbar O O H NH2 Br N H3C O BOC2O 1. NaH 2. MeI tBuOH RT, 16h DMF 0°C, 4h Br > 99% R EtO R EtO R EtO H3C N N O H3C O O N 1. Cr(CO)6/nBuLi 2. Et3OBF4 1. THF, -78°C/RT, 60min 2. CH2Cl2, -20°C, 2h Br 83-96% EtO Cr(CO)5 87% 23 Benzannelierung Benzannelierung zum 9-Aminophenanthrenderivat O H3C N O O O 1.R2 R2 H3C N Cr H OR 1 N Cr OR1 R2 R2 2. nBuLi, R1-X EtO TMSOTf, NEt3 H3C R2 EtO Cr(CO)5 EtO 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% R2 24 Helizität Kristallstruktur von 29 Helicalwinkel: 1,16(1)° 25 Helizität Kristallstruktur von 30 Helicalwinkel: 16,17(0)° 26 Umlagerungsversuche keine Umlagerung der BOC-geschützten Phenanthrene O O O H3C N Cr H3C OMe CrO N OMe T LM EtO EtO Lösungsmittel T [°C] t [min] Ergebnis CH2Cl2 55 60 — " 65 60 — CCl4 80 60 — 27 Umlagerungsversuche H Cr H H3C N Cr H3C OMe N OMe T LM EtO EtO 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 Zersetzung a NMR-Experiment 28 Umlagerungsversuche thermische Umlagerung bis 110°C nicht möglich H3C N H EtO H3C H Cr N Cr OTBS 180°C T < 110°C (HV) 6h OTBS EtO 59% thermische Umlagerung bei 180°C in der Schmelze im HV möglich Umlagerung auch mit Methoxy-Phenanthren möglich (38%) nach: Y. Oprunenko, S. Malyugina, A. Vasil´ko, K. Lyssenko, C. Elschenbroich, K. Harms, J. Organomet. Chem. 2002, 641, 208. 29 Umlagerungsversuche thermische Umlagerung bis 110°C nicht möglich H3C Cr Cr N H 180°C Cr (HV) Cr OTBS 6h 59% thermische Umlagerung bei 180°C in der Schmelze im HV möglich EtO Umlagerung auch mit Methoxy-Phenanthren möglich (38%) 5-10% Umlagerung erfolgt nicht mehr ausschließlich intramolekular ! nach: Y. Oprunenko, S. Malyugina, A. Vasil´ko, K. Lyssenko, C. Elschenbroich, K. Harms, J. Organomet. Chem. 2002, 641, 208. 30 HPLC-Trennung H H3C N Cr OTBS EtO rac-32 31 Umlagerung H H3C N Cr OTBS EtO ent2-32 185°C H HCr C N 3 OTBS EtO rac-32 33 8-Aminophenanthren keine Umlagerung des BOC-geschützten 8-Aminophenanthrens Me O Cr Me OCH3 N O Cr O D OCH3 N O EtO EtO 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 Entschützung ermöglicht IRHR Me H Me Cr OCH3 N 75°C H Cr OCH3 N EtO EtO k = 1,65 10-4 sec-1 ΔG‡ = 101,1 kJ mol-1 • 34 Triebkraft der Umlagerung Hinweise: • repulsiver Effekt elektronenarmer Substituenten (BOC) • attraktiver Effekt elektronenreicher Substituenten (freies Amin) • kein sterischer Aspekt (Fmoc) Me R Cr N R OR EtO Me R = BOC R=H Cr N OR EtO favorisiert Umlagerung elektronenreichen Cr(CO)3-Komplex ? 35 Triebkraft der Umlagerung Eigenschaften unterschiedlich elektronenreicher Cr(CO)3-Komplexe elektronenreicher elektronenarmer Komplex νCO-Frequenz klein groß kCO klein groß δCO( C-NMR) hohe Werte kleine Werte E0 gering hoch dCrC-O lang kurz dCr-CO kurz lang 13 lineare Abhängigkeit von E0 von νCO und δCO A.D. Hunter, V. Mozol, S.D. Tsai, Organometallics 1992, 11, 2251. 36 Triebkraft der Umlagerung AcO H Cr(CO)3 MeO H N Cr(CO)3 N H3C Cr(CO)3 OEt 10 7 Ph H3C OEt 13 TBSO H Ph N H3C OEt MeO H Cr(CO)3 TBS 15 Cr(CO)3 MeO Si 236 OEt 15 OEt 19 23 32 10 17 235 ppm 17 Cr(CO)3 Si N 42 13 30 18 14/16 20 19 8 11 234,5 7 23 234 41 9 40 233,5 6 233 232,5 1946 OEt OEt MeO H Cr(CO)3 N N H3C 236,5 235,5 MeO H 1948 1950 1952 1954 1956 1958 cm-1 1960 29 12/24 33 31 28 1962 1964 1966 1968 37 Triebkraft der Umlagerung AcO H Cr(CO)3 MeO H N Cr(CO)3 N H3C Cr(CO)3 OEt 10 7 Ph H3C OEt 13 TBSO H Ph N H3C OEt MeO H Cr(CO)3 TBS OEt OEt 15 MeO H Cr(CO)3 MeO 17 Cr(CO)3 Si N Si 236 OEt 15 OEt 19 23 32 235,5 10 17 235 ppm Cr(CO)3 N N H3C 236,5 42 13 18 14/16 20 19 8 11 30 234,5 Me H Cr Cr OCH3 N 7 H3C N H Cr Cr H3C OTBS N EtO H 41 OTBS 23 234 41 T < 110°C 9 EtO EtO 233,5 MeO H 32 H3C N H 40 Cr Cr 29 12/24 OMe 6 233 33 31 28 EtO 30 232,5 1946 1948 1950 1952 1954 1956 1958 cm-1 1960 1962 1964 1966 1968 38 Triebkraft der Umlagerung Et Et Et TBSO Cr(CO)3 Et Et TBSO OMe OMe (CO)3 Cr OMe O (CO)3 Cr C D Et Et 236 Et TBSO Et TBSO Cr(CO)3 90°C OMe OMe 235,5 Br Br E F (CO)3 Cr 235 Et Et Et TBSO Et TBSO Cr(CO)3 234,5 90°C OMe C ppm 90°C OMe O B Et TBSO Cr(CO)3 90°C 236,5 A Et Et TBSO (CO)3 Cr G 234 OMe F H F A G 233,5 E D 233 B 232,5 232 H F 231,5 231 1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 cm-1 39 Zusammenfassung Vorzugsrichtung der Umlagerung nicht abhängig vom Elektronenreichtum des Chromfragments Aminogruppe • im Naphthalen-System erleichtert Umlagerung • am terminalen Phenanthrenring hat geringen/keinen Einfluß • am zentralen Phenanthrenring verhindert Umlagerung unterbundene Umlagerung innnerhalb der BOC-geschützten Naphthalene ist nicht sterischer Natur Amid-PG unterbindet effektiv die Umlagerung des Cr(CO)3-Fragments Umlagerung in der Schmelze erfolgt intermolekular Helizität im Phenanthrensystem deutlich abhängig vom Aminodonorsubstituenten am zentralen Ring 40 Danksagung Doktorvater Prof. Dr. K.H. Dötz Prof. Dr. F. Vögtle Prof. Dr. M. Dolg Prof. Dr. K. Maier Labor Prüfungskommission Dipl. Chem. Martin Werner DEA Romain Germaneau Finanzen 41
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