TRICARBONYL (TRICHLOR-BUTA-1.3-DIEN) EISEN-KOMPLEXE 911 Über den Einfluß von Chlor-Substituenten auf die Bindungsverhältnisse im Tricarbonyl(buta-1.3-dien)eisen: Tricarbony 1 (trichlor-buta-1.3 -dien)eisen The Effect of Chloro-Substituents on Tricarbonyl(buta-l,3-diene)iron Complexes: Tricarbonyl (trichloro-buta-l,3-diene) iron H A N S ALBERT BRUNE, G E R N O T HORLBECK und PAUL MÜLLER Lehrstuhl für Organische Chemie I der Universität Ulm ( Z . Naturforsch. 27 b, 911—914 [1972] ; eingegangen am 8. Juni 1972) Attempts to synthesize trichloro-substituted buta-l,3-diene-irontricarbonyl complexes are reported. While from *ra/is-l,2-dichloro-3-chloro-buta-l,3-diene and /ra/is-l,2-/rarcs-4-trichloro-buta-l,3diene and triirondodekacarbonyl the correspondingly substituted tricarbonyl (buta-l,3-diene)iron complexes are obtained, l,l-?nzns-4-trichloro-buta-l,3-diene under similar conditions does not form an irontricarbonyl complex. Im Rahmen von Untersuchungen über Substituenten-Einflüsse auf die Bindungsverhältnisse in Metall-Komplexen des Cyclobutadiens und des Buta1.3-diens berichteten wir kürzlich auch über die Auswirkung von Chlor-Substituenten auf die Bildungstendenzen und auf die Metall-Ligand-Bindungen im System Tricarbonyl (buta-1.3-dien) eisen 2 . Dabei konnte nachgewiesen werden, daß im 2.3-Dichlorbuta-1.3-dien die beiden Chlor-Atome die Einstellung der für die Komplexbildung erforderlichen ebenen — oder angenähert ebenen — s-cis-Konformation erschweren und dadurch die Aktivierungsenergie erhöhen. Im Gegensatz zur Auswirkung der Substituenten auf den Übergangszustand der Komplexbildung ist dagegen im Grundzustand des gebildeten Komplexes Tricarbonyl(2.3-dichlor-buta-l.3dien) eisen keine gegenseitige Behinderung der Chlor-Atome in ihrem Einfluß auf die koordinative Bindung nachzuweisen. Ein ähnliches Ergebnis hinsichtlich des Einflusses der beiden Chlor-Atome auf die Komplexbildung wurde für das J/-<ms-1.2-Dichlor-buta-1.3-dien * erhalten 2. Auch in diesem Falle wird die Aktivierungsenergie durch den Substituenten-Einfluß angehoben. Diese Erhöhung resultiert zur Hauptsache jedoch nicht aus der Nachbarstellung der beiden Chlor-Atome; sie wird vielmehr dadurch verursacht, daß die abstoßenden Wechselwirkungen zwischen Sonderdruckanforderungen an P r o f . Dr. HANS ALBERT BRUNE, Institut für Organische Chemie der Universität, D-7500 Karlsruhe 1, Richard-Willstätter-Allee. dem Chlor-Atom an C(2) und dem Wasserstoff-Atom an C(3) die Energie der für die Komplexbildung erforderlichen s-cw-Konformation ebenfalls — wenn auch weniger ausgeprägt als beim 2.3-Dichlor-buta1.3-dien — anheben. Eine wesentliche zusätzliche Behinderung durch die vicinale Ci's-Stellung der beiden Chlor-Atome ist nicht erkennbar. Im Grundzustand des Komplexes Tricarbonyl (jrans-1.2-dichlor-buta-1.3-dien) eisen selbst ist wiederum keine gegenseitige Behinderung der beiden Chlor-Atome in ihrer Auswirkung auf die Ligand-Metall-Bindung nachzuweisen (d. h. der Substituenten-Einfluß ist additiv) . Nachdem hiermit gezeigt war, daß die Ausbildung der koordinativen Bindung im System Tricarbonyl (buta-1.3-dien) eisen durch zwei Chlor-Atome — weder in 2.3- noch in czs-1.2-Stellung — nicht wesentlich erschwert wird, und daß außerdem in beiden Substitutionsarten zur Hauptsache nur die 2,3-Wechselwirkung maßgebend ist, lag es nahe, beide Disubstitutionstypen in einem Butadien-Molekül zu vereinigen und hinsichtlich ihrer Auswirkung auf die Komplexbildung zu prüfen. Trotz intensiver Versuche gelang es jedoch nicht, das Tricarbonyl {trans, trans-1. 2.3.4-tetrachlor-buta-1.3-dien) eisen oder das Tricarbonyl (trans,cis-1.2.3.4-tetrachlorbuta-1.3-dien) eisen zu synthetisieren 2 . * Die Nomenklatur „trans" bzw. „cis" wird jeweils auf die Stellung der beiden größten Substituenten an der Doppel bindung bezogen; vgl. hierzu Houben-Weyl, Methoden der Organischen Chemie, Band V / l c , 4. Aufl., S. 845, Stuttgart 1970. Unauthenticated Download Date | 10/30/17 9:33 PM H. A. BRUNE, G. HORLBECK UND P. MÜLLER 912 Angesichts der bisherigen Ergebnisse, daß einerseits eine Vielzahl von dichlor-substituierten Buta1.3-dien-eisentricarbonylen existenzfähig ist**, Tetrachlor-buta-1.3-dien-eisentricarbonyle dagegen trotz intensiver Versuche nicht erhalten werden konnten 2 und daher vermutlich nicht existenzfähig sind, erhob sich die Frage nach der Maximalzahl von Chlor-Atomen als Substituenten in einem existenzfähigen Komplex vom Typ Tricarbonyl (buta1.3-dien) eisen. Aus diesem Grunde haben wir versucht, Trichlor-buta-1.3-diene darzustellen und in die entsprechenden Eisentricarbonyl-Komplexe überzuführen. Da Butadiene mit Chlor-Substituenten an C ( l ) undC(4) in cw-Stellung zur (formalen) C(2)C (3)-Einfachbindung die für die Komplexbildung erforderliche ebene s-czs-Konformation vermutlich nicht — oder nur durch einen hohen Energieaufwand unter Deformation des C4-Gerüstes — ausbilden können, wurden in diese Untersuchung zunächst nur Jrcms-1.2-Dichlor-3-chlor-buta-1.3-dien dung des trans-Y.2-Dichlor-3-chlor-buta-1.3-dien (1) abgespalten wurden 7 . Aus 1 entstand schließlich mit Trieisendodekacarbonyl in Tetrahydrofuran Tricarbonyl(£rans-l.2-dichlor-3-chlor-buta-1.3-dien) eisen (9) in 1,5% Ausbeute in Form rotgelber Kristalle. 9 ist eine in Abwesenheit von Sauerstoff beständige Verbindung, die im Vakuum unzersetzt sublimiert werden kann. CH2=C-CH=CH2 C J F E R ci 4 „ CM^Cl Cl Cl n^^A / Cl \ Für die Synthese des Tricarbonyl (frans-1.2-dichlor-3-chlor-buta-1.3-dien) eisen wurde an Chloropren (4) in Gegenwart von Kupfer (I)-chlorid und Ammoniumchlorid Chlorwasserstoff zum 1.3-Dichlor-Jrans-but-2-en (5) angelagert5, das an die verbliebene Doppelbindung ein Mol Chlor unter Bildung des 1.2.3.3-Tetrachlorbutans (6) addierte. Dieses ist jedoch so unbeständig, daß es unter den Reaktionsbedingungen wieder Chlorwasserstoff zum 2.3.4-Trichlor-but-l-en (7) 6 abspaltet. Mit überschüssigem Chlor entstand hieraus das 1.2.2.3.4Pentachlorbutan (8) 6 , aus dem mit methanolischer Kalilauge zwei Moleküle Chlorwasserstoff unter Bil** Tricarbonyleisen-Komplexe folgender Butadiene: trans«rans-1.4-Dichlor-buta-1.3-dien 3 , Jrarc5,irans-1.4-Dichlor-2.3dimethyl-buta-1.3-dien4, 2.3-Dichlor-buta-1.3-dien 1 und irans-1.2-Dichlor-buta-1.3-dien 2. Cl 5 ci2J(-60«) Cl CH2-CH-C=CH2 • CH2-CH-C-CH Cl Cl Cl Cl 7 J+CL2 CL X CH2—C—CH—CH2 I Cl 1 I I Cl Cl I Cl H. / ,C=CN Cl Cl 1 8 3 Cl Cl 6 Cl H NH 1 (1), Jrans-1.2-Dichlor-£rans-4-chlor-buta-1.3-dien (2) und l.l-Dichlor-Jran,s-4-chlor-buta-1.3-dien (3) als für die Komplexbildung aussichtsreiche Liganden einbezogen. Cl CH2-CH=C-CH3 Cl T Fe 3 (CO) 1 2 CL CL ClJ v f Fe (CO) 3 9 Zur Darstellung des Tricarbonyl (trans,trans1.2.4-trichlor-buta-1.3-dien) eisen wurde an «5-3.4Dichlor-cyclobut-l-en (10) 8 in Eisessig Chlor zum czVczs^rans-1.2.3.4-Tetrachlor-cyclobutan (11) angelagert 9 . Mit methanolischer Kalilauge wurde eine Doppelbindung unter Bildung des l-£ratts-3.4-Trichlor-cyclobut-l-en (12) 9 eingeführt. Durch symmetrie-erlaubte thermische Ringöffnung wurde hieraus £ra/i5,Z/wis-1.2.4-Trichlor-buta-1.3-dien (2) gewonnen, das mit Trieisendodekacarbonyl in Tetrahydrofuran Tricarbonyl (trans, trans-1.2.4-trichlorbuta-1.3-dien) eisen (13) in 3,3% Ausbeute bildete. c f CL}/CH3C00H CI CL 1—1 CL KOH/CHJOH XI Zur Synthese eines Tricarbonyl (1.1 -transA-trichlor-buta-1.3-dien) eisen wurde zunächst 1.2-Dichloräthylen (Isomerengemisch) (14) in Gegenwart von Dibenzoylperoxid radikalisch an ein zwei- Unauthenticated Download Date | 10/30/17 9:33 PM TRICARBONYL (TRICHLOR-BUTA-1.3-DIEN) EISEN-KOMPLEXE tes Molekül 14 zum 1.3.4.4-Tetrachlor-but-l-en (eisund trans-Isomeres *) (15) angelagert10, aus dem durch Abspaltung von Chlorwasserstoff mit methanolischer Kalilauge l.l-fra/is-4-Trichlor-buta-1.3dien (3) erhalten wurde10. Trotz intensiver Versuche (vgl. experimentellen Teil) gelang jedoch keine Komplexbildung mit diesem Dien. CICH=CHCL + CICH=CHCL (C 6 H5-C0-0) 2 Cl CICH=CH-CH-CHCI2 14 15 -HCL|(KOH/CH3OH) 3(£0)« H jC—C Cl ct-c: Mit diesen Ergebnissen konnte gezeigt werden, daß Trichlorbuta-1.3-diene dann mit der Eisentricarbonyl-Gruppe beständige .T-Komplexe ausbilden können, wenn die Substituenten die Ausbildung der für die Komplexbildung erforderlichen ebenen — oder angenähert ebenen — s-czs-Konformation des Dien-Gerüstes nicht wesentlich behindern. Das Ausbleiben der Komplexbildung beim l.l-Jrans-4-Trichlor-buta-1.3-dien ist vermutlich auf die Unfähigkeit zur Ausbildung dieser — offenbar sehr energiereichen — Konformation unter den angewendeten Reaktionsbedingungen zurückzuführen. Gleichzeitig muß aber auch noch ein elektronischer Einfluß der beiden an das gemeinsame Kohlenstoff-Atom C ( l ) gebundenen Chlor-Atome auf die für die Ausbildung der Donor- und Rückgabe-Bindungen maßgeblichen Elektronenzustände des Diens ins Auge gefaßt werden. Diese Fragestellung wird an geeigneten Verbindungen weiter untersucht. Experimenteller Teil Synthese des Tricarbonyl(trans-1.2-dichlor-3-chlorbuta-1.3-dien)eisen (9): Eine Lösung von 12,0 g (0,076 Mol) £rarcs-l .2-Dichlor-3-chlor-buta-l .3-dien 7 in 50 ml absol. Tetrahydrofuran wurde bei Raumtemperatur innerhalb 20 Min. unter Reinst-Stickstoff-Atmosphäre zu einer intensiv gerührten Suspension von 41,0 g (0,080 Mol) Trieisendodekacarbonyl11 in 200 ml absol. Tetrahydrofuran getropft;anschließend wurden die Reaktanten 4 Stdn. unter fortgesetztem Rühren auf * Auch bei Einsatz jeweils des einheitlichen eis- bzw. trans1.2-Dichloräthylens erhält man ebenfalls beide Isomeren von 15 nebeneinander. 913 60° erhitzt. Dann wurde das Lösungsmittel und der Hauptteil des während der Reaktion gebildeten Eisenpentacarbonyls am Rotationsverdampfer abgezogen, der Rückstand in Pentan aufgenommen und das Unlösliche vom Pentan-Extrakt abfiltriert. Das Filtrat wurde zur Trockne eingeengt und aus dem Rückstand durch Vakuum-Destillation restliches Eisenpentacarbonyl und nicht umgesetztes 1 entfernt. Aus dem verbliebenen Destillationsrückstand wurde schließlich durch Sublimation bei 0,01 Torr/Badtemperatur 40° 9 isoliert. Nach Umkristallisation aus Pentan wurden 340 mg (0,0114 Mol; Ausbeute 1,5%, bezogen auf eingesetztes 1) Tricarbonyl (trans-1.2-dichlor-3-chlor-buta1.3-dien) eisen in Form gelbroter Kristalle vom Schmelzpunkt 36° erhalten. C7H3Cl3Fe03 (297,3) Ber. C 28,28 H 1,01 Gef. C 28,50 H 1,12 Cl 35,81 Cl 35,30 Fe 18,70, Fe 18,41. Mol.-Gew. (massenspektrometrisch, bezogen auf das Hauptisotop 56Fe): 296 (35C135C135C1); 298 ( 3 5 Q 3 5 Q 3 7 Q ) . 3 0 0 (35C137C137C1) ; 3 00 (37C137C1 37C1) ; S. U . IR-Spektrum (CC14) : vc = o = 2075, 2012 und 2008 cm -1 . ^-NMR-Spektrum (CDC13) : Chemische Verschiebungen [in ppm gegen TMS (5 = 0,00) inn. Standard] : H t 2,48 (s); H 4 e n d o 0,41 (d); H 4 e x o 2,38 (d). Kopplungskonstanten: /4)4' = 4,8 Hz. Im M a s s e n s p e k t r u m werden entsprechend den vier natürlich vorkommenden Isotopen des Eisens (54, 56, 57, 58), den je zwei Isotopen des Chlors (35, 37) und des Kohlenstoffs (12, 13) die möglichen Kombinationen dieser Isotopen als Molekülpeaks (Hauptpeaks s. o.) in den aus den Isotopenhäufigkeiten zu erwartenden Intensitätsverhältnissen beobachtet. Außerdem mißt man die Signale der jeweils um 1, 2 bzw. 3 CO-Gruppen ärmeren Fragmente, deren Intensitäten mit sinkender Zahl von Carbonylgruppen anwachsen. Synthese des Tricarbonyl (trans,trans-1.2.4-trichlorbuta-1.3-dien) eisen (13): 3,5 g (0,0224 Mol) 1-trans3.4-Trichlorcyclobut-l-en (12) 9 wurden — ohne Lösungsmittel — unter Reinst-Stickstoff-Atmosphäre 3,5 Stdn. im Ölbad auf 80 erwärmt. Der Fortschritt der Ringöffnung wurde protonenresonanz-spektroskopisch verfolgt. Das entstandene £rarcs,£raras-1.2.4-Trichlorbuta-1.3-dien (2) wurde bei 61°/l5Torr in einer Mikroapparatur destilliert. Ausbeute: 3,3 g (0,0211 Mol; 93%). Mol.-Gew. (massenspektrometrisch) : 156 (35C135C1 35C1); 158 (35C135C137C1); 160 (35C137C137C1); 162 (37C137C137C1). Aus dem Massenspektrum ergibt sich somit die Summenformel C4H3C13. 1H-NMR-Spektrum (CC14) : Chemische Verschiebungen [d-Werte in ppm gegen TMS (c3 = 0,00) inn. Standard: Ht 6,39; H3 6,50; H4 6,66. Kopplungskonstanten (in Hz): / 13 = 0,2; / 3 4 = 12,8. Unauthenticated Download Date | 10/30/17 9:33 PM TRICARBONYL (TRICHLOR-BUTA-1.3-DIEN) EISEN-KOMPLEXE 914 914 Zu einer intensiv gerührten Suspension von 11,1g (0,022 Mol) Trieisendodekacarbonyl11 in 150 ml absol. Tetrahydrofuran wurde unter Reinst-Stickstoff-Atmosphäre bei Zimmertemperatur innerhalb 15 Min. eine Lösung von 3,3 g (0,0211 Mol) trans,trans-1.2A-Trichlor-buta-1.3-dien (2) in 50 ml absol. Tetrahydrofuran getropft und das Reaktionsgemisch anschließend unter fortgesetztem Rühren 4 Stdn. auf 60° erwärmt. Dann wurde das Lösungsmittel (und der überwiegende Teil des während der Reaktion gebildeten Eisenpentacarbonyls) am Rotationsverdampfer abgezogen, der Rückstand in 500 ml Pentan aufgenommen und vom PentanExtrakt das Unlösliche abfiltriert. Das Filtrat wurde am Rotationsverdampfer bis fast zur Trockne eingeengt und die Rückstand an neutralem Aluminiumoxid (Woelm, Aktivitätsstufe I) chromatographiert. Durch Elution mit Pentan wurde zunächst noch vorhandenes Eisenpentacarbonyl und Anteile des nicht umgesetzten 2 abgetrennt; mit Pentan/Äther (9 : 1) wurde schließlich ein Eluat erhalten, das durch Destillation in einer Mikroapparatur in zwei Fraktionen im Verhältnis 2 : 1 zerlegt wurde: 1. 61°/l5 Torr: frans,frans-1.2.4-Trichlor-buta-1.3dien (2). 2. 60°/0,015 Torr: Tricarbonyl(frarcs,f/-(ms-1.2.4-trichlor-buta-1.3-dien) eisen (13) (Ausbeute 190 mg; 3,3%). Die Verbindung erstarrt glasartig bei —20°. C 7 H 3 Cl 3 Fe0 3 (297,3) Ber. C 28,28 H 1,01 Gef. C 28,55 H 1,10 Cl 35,81 Cl 35,49 Fe 18,70, Fe 18,79. Mol.-Gew. (massenspektrometrisch, bezogen auf das Hauptisotop 56Fe) : 296 (35C135C135C1) ; 298 (35C1 35C137C1) ; 300 (35C137C137C1); 302 (37C137C137C1). IR-Spektrum (CC14) : cm-1. = 2077, 2019 und 2014 ^-NMR-Spektrum (CDC1S) : Chemische Verschiebungen [(5-Werte in ppm gegen TMS (<5 = 0,00) inn. Standard] : H t 2,36 (s) ; H3 5,81 (d) ; H4 2,15 (d). Kopplungskonstanten (in Hz): / 1 3 = 0; / 1 4 = 0; /34 = 6,8. Im M a s s e n s p e k t r u m von 13 beobachtet man vier natürlich vorkommenden Isotopen des Eisens (54, 56, 57, 58), der Isotopenhäufigkeit des Chlors (35, 37) und des Kohlenstoffs (12, 13) entsprechend die sich aus den möglichen Kombinationen dieser Isotope ergebenden Molekülpeaks (s. o.) in den zu erwartenden 1 I I . A . B R U N E , G . HORLBECK U. W . S C H W A B , Intensitätsverhältnissen. Außerdem mißt man die entsprechenden Peaks der jeweils um 1, 2 bzw. 3 COGruppen ärmeren Fragmente. Dabei steigt die Intensität der Signale mit sinkender Zahl von Carbonylgruppen. Versuche zur Darstellung des Tricarbonyl( 1 .l-trans-4-trichlor-buta-1.3-dien) eisen a) Zu einer intensiv gerührten Suspension von 32.5 g (0,064 Mol) Trieisendodekacarbonyl11 in 200 ml absol. Tetrahydrofuran wurde bei Zimmertemperatur unter Reinst-Stickstoff-Atmosphäre eine Lösung von 10,0 g (0,064 Mol) l.l-£rans-4-Trichlor-buta-1.3-dien in 50 ml absol. Tetrahydrofuran innerhalb von 15 Min. getropft und anschließend das Reaktionsgemisch 3 Stdn. auf 60° erwärmt. Dann wurde das Lösungsmittel am Rctationsverdampfer abgezogen, der Rückstand in Pentan aufgenommen, vom Unlöslichen abfiltriert, das Filtrat bis fast zur Trockne eingeengt und der Rückstand schließlich — wie oben beschrieben — an neutralem Aluminiumoxid chromatographiert. Aus den aufgefangenen Fraktionen wurde jedoch — neben dem während des Erhitzens entstandenen Eisenpentacarbonyl — nur das eingesetzte Dien zurückerhalten. Hinweise für die Entstehung des angestrebten Komplexes wurden nicht beobachtet. b) Der obige Versuch wurde unter Variation der Reaktionsbedingungen mehrfach wiederholt. Dabei wurde in siedendem Tetrahydrofuran gearbeitet und die Reaktionsdauer schrittweise bis auf 8 Stdn. ausgedehnt. Auch diese Ansätze ergaben keinerlei Hinweise auf die Bildung des gesuchten Komplexes. Schließlich wurde zu Benzol als Lösungsmittel übergegangen und sowohl Reaktionsdauer als auch Reaktionstemperatur variiert. Auch diese Versuche verliefen negativ; ebenso führte der Einsatz von Dieisenenneacarbonyl nicht zu dem gewünschten Ergebnis. c) 5,0 g (0,032 Mol) 1.1.4-Trichlor-buta-l.3-dien, 20.6 g (0,040 Mol) Trieisendodekacarbonyl und 4,18 g (0,064 g-Atom) Zinkpulver wurden unter StickstoffAtmosphäre in 200 ml absol. Benzol zwischen 3 und 6 Stdn. am Sieden gehalten. Audi unter diesen Bedingungen konnte keine Komplexbildung beobachtet werden. Der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Verband der Chemischen Industrie danken wir für großzügige Förderung. Tetrahedron 7 2 H . A . B R U N E , G . HORLBECK U. W . S C H W A B , Tetrahedron 8 [London] 28 [1972], im Druck. 3 H . A . B R U N E . W . SCHWAB u . B . H Ü T H E R , Z . AVRAM, I. DINULESCU, M. ELIAN, M. FARCASIU, 9 H. A . BRUNE U. W . SCHWAB. Tetrahedron [London] 5 L . F . H A T C H U. S . G . B A L L I N . J . A m e r . c h e m . S o c . 7 1 , 1 0 3 9 M . A V R A M , G . H . D . MATEESCU, I . G . DINULESCU, A . J U V A R A u. C. D. NENITZESCU, Rev. roum. Chimie 13. 1075 [1968] : 26, 1357 [1970]. M. [1949]. W . H . C A R O T H E R S u . G . J. BERCHET, J. A m e r . c h e m . Soc. E. Ber. 97, 372 [1964], Naturforsch. 4 55, 1628 [1933]. M. M A R I C A , G . M A T E E S C U U. C . D . NENITZESCU, C h e m . 24 b. 1518 [1969]. 6 G . J . B E R C H E T U. W . H . C A R O T H E R S , J . A m e r . c h e m . S o c . 55, 2004 [1933]. [London] 28 [1972], im Druck. AVRAM, G. H . D . MATEESCU, I . G . DINULESCU, P O G A N I u . C . D . NENITZESCU, i b i d . 1 3 , 1 0 8 5 10 11 I. [1968]. W. BAUER. Chimia [Zürich] 5,147 [1951]. R. B. KING, in: „Organometallic Syntheses" (Herausg. J. J. EISCH U. R . B. KING), V o l . 1, S. 95, A c a d e m i c Press. New York 1965. Unauthenticated Download Date | 10/30/17 9:33 PM