ZIP - FreiDok - Albert-Ludwigs

1.Darstellung von Metallocen-Aminosäure-Verbindungen
Untersuchung in Lösung
und
2.Vergleichende Olefin-Metathese-Polymerisationsstudien mit den
Nitrido-Verbindungen
CoKatalysator
WNCl3
und
MoNCl3
mit
Inaugural-Dissertation
zur Erlangung der Doktorwürde
der Fakultät für Chemie- und Pharmazie
der Albert-Ludwigs-Universität
Freiburg im Breisgau
vorgelegt von
Diplom-Chemikerin
Goranka Vujevic
Juli 2000
MAO
als
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3
Die vorliegende Arbeit entstand in der Zeit vom März 1997 bis Juli 2000 am Institut für
Anorganische und Analytische Chemie der Albert-Ludwig-Universität Freiburg.
Ich danke Herrn Prof. Janiak für sein Interesse, die ergebnisreichen Diskussionen und die
stets intensive Betreuung der Arbeit.
Herrn Prof. G.Thiele danke ich für die Übernahme des Koreferats.
Ich danke Herrn Brecht für die Aufnahmen der 1H-NMR und 13C-NMR-Spektren, Frau Bär
für die Durchführung der Elementaranalysen und Frau Dettinger für die
schwingungsspektroskopischen Messungen. Ganz besonders danke ich Herrn Warth für die
ESI-MS-Messungen. Ich danke Herrn Prof. H.Vahrenkamp für die Benutzung der
potentiometrische Messapparatur. Ich danke Herrn Dr. W.Deck für die Aufnahmen der
Röntgeneinkristalldaten.
Mein Dank gilt der Arbeitsgruppe, besonders Herrn Dipl. Chemiker S. Temizdemir, für die
kollegiale Unterstützung und die angenehme und anregende Arbeitsatmosphäre.
4
Diese Arbeit ist meinen Eltern, meinen Geschwistern Pero und Branka
und besonders meinem Freund Dodger gewidmet, der viel Liebe und
Geduld während der Anfertigung dieser Arbeit aufbringen musste.
„Ich lebe mein Leben in wachsenden Ringen,
die sich über die Dinge ziehn.
Ich werde den letzten vielleicht nicht
vollbringen,
aber versuchen will ich ihn.“
Rainer Maria Rilke
5
Abstract
1.Darstellung von Metallocen-Aminosäure-Verbindungen und Untersuchung in Lösung
2.Vergleichende Olefin-Metathese-Polymerisationsstudien mit den Nitrido-Verbindungen
WNCl3 und MoNCl3 mit MAO als CoKatalysator,
Goranka Vujevic, Juli 2000
In dieser Dissertation wurden zwei Gebiete getrennt voneinander bearbeitet. Der erste Teil
beschäftigt sich mit Metallocenen des Molybdäns und Titans mit Aminosäuren . Im zweiten
Teil werden vergleichende Olefin-Metathese-Polymerisationsstudien von Norbornen mit
Molybdän- und Wolfram-Nitridokatalysatoren und MAO als CoKatalysator durchgeführt.
Die cytostatische Aktivität der Metallocene Cp2TiCl2 und Cp2MoCl2 ist schon länger
bekannt. Titanocendichlorid befindet sich mittlerweile in der klinischen Phase II der Testung.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Darstellung und Charakterisierung von AminosäureKomplexen des Molybdocens und Titanocens, sowie die Untersuchung dieser Verbindungen
in wässrigem oder wasser-ähnlichen Millieu. Es wurden Molybdocen- und TitanocenVerbindungen mit den Aminosäuren Phenylalanin, Leucin, Valin, Serin, Histidin, Prolin, und
Tryptophan dargestellt. Der Schwerpunkt lag auf den Verbindungen mit Phenylalanin, Leucin
und Valin. Es ist erstmals gelungen, Molybdocen-Verbindungen mit diesen drei Aminosäuren
mittels Röntgenstrukturanalyse zu charakterisieren und als N,O-Aminosäurechelat der Form
[Cp2MoAS]Cl *nH2O (AS = Aminosäure) zu identifizieren. Das Verhalten in Lösung wurde
mit den Methoden der Potentiometrischen Titration, UV-VIS-Spektroskopie, 13C- und 1HNMR sowie ESI-MS als Funktion des pH-Wertes untersucht. Dabei konnte festgestellt
werden, dass die Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen in einem breiten pH-Bereich von
0.1-12.9 bis zu fünf Wochen stabil bleiben. Dann erst erfolgt die Abspaltung der CpLiganden, wobei der N.O-Chelat der Aminosäure an Molybdän gebunden bleibt.
Die Titanocen-Aminosäure-Komplexe konnten nicht röntgenographisch charakterisiert
werden. Sie ergeben aber aus dem Vergleich der strukturellen Daten mit bekannten
Komplexen eine 1:2-Koordination über die Carboxylgruppe der Aminosäure an das Titan.
Untersuchungen in Lösung belegen, dass sich die Titanocen-Aminosäure-Komplexe analog
der Ausgangsverbindung Titanocendichlorid verhalten. Die erste Aminosäure wird sehr
schnell abgespalten, so dass in Lösung nur eine [Cp2TiAS]+-Spezies nachweisbar ist, die nach
ca einer Stunde zusammen mit den Cp-Liganden ebenfalls abgespalten wird.
Der zweite Teil der Arbeit hatte als Schwerpunkte, die Überprüfung von Nitridoverbindungen
des Molybdäns und Wolframs auf Metathese-Polymerisationsfähigkeit bei der ROMP von
Norbornen. Zudem sollte MAO als CoKatalysator auf Wirksamkeit und Aktivität überprüft
werden.
Die
Aufmerksamkeit
konzentrierte
sich
bei
den
vergleichenden
Polymerisationsstudien auf die beiden Größen „Aktivität“ und „Umsatz“, die beide über die
Ausbeute
des
Polymers
bestimmt
werden
können.
Es
wurden
Standartpolymerisationsbedingungen entwickelt, die Vergleiche der Nitridverbindungen mit
MAO einerseits und in der Metathese etablierten Katalysatorsystemen wie WCl6 und MoCl5
mit Et2AlCl andererseits erlauben, sowie aller Kombinationen zwischen Katalysatoren und
CoKatalysatoren. An ausgesuchten Systemen wurden einzelne Parameter der
Standardbedingungen variiert und die Auswirkungen auf Aktivität und Umsatz wurde
beobachtet. Es konnte gezeigt werden, dass die molybdänhaltigen Verbindungen mit MAO
die höchsten Aktivitäten und Umsätze aufweisen, während die Wolframverbindungen mit
Et2AlCl die höchsten Werte erzielten. Die Nitridoverbindungen MoNCl3 und WNCl3 zeigen
vergleichbar hohe Aktivitäten wie die Metathese-Katalysatoren MoCl5 und WCl6. 13C- und
1
H-NMR-Untersuchungen weisen darauf hin, dass in Abhängigkeit vom Katalysatorsystem
unterschiedliche cis/trans -Anordnungen der Doppelbindungen im Polymer auftreten.
MoNCl3 und MAO führen zu Polymeren mit Doppelbindungsanordnungen von 25% cis und
75% trans-Verteilung. Im Gegensatz dazu führt WNCl3 und MAO zu Polymeren mit 75% cis
und 25% trans-Anteilen der Doppelbindungen.
6
Inhaltsverzeichnis
1
Metallocene und Aminosäuren .......................................................................................... 9
1.1
Einleitung ................................................................................................................... 9
1.1.1
Metallocene als Cytostatika ............................................................................... 9
1.1.2
Cisplatin und Titanocendichlorid - ein Vergleich............................................ 13
1.1.3
Hydrolyseverhalten von Titanocendichlorid.................................................... 14
1.1.4
Titanocendichlorid - ein Antitumor-Agens ...................................................... 15
1.1.5
Struktur-Wirkungsbeziehung ........................................................................... 15
1.1.6
Untersuchungen zum Wirkungsmechanismus ................................................. 16
1.1.7
Titanocendichlorid- Koordination mit Bausteinen der DNA........................... 17
1.1.8
Titanocen-Aminosäure-Komplexe................................................................... 18
1.1.9
Titan(IV)-Verbindungen und Protein-Modell-Komplexe................................ 20
1.1.10
Molybdocendichlorid ....................................................................................... 22
1.1.11 Molybdocendichlorid – Verhalten in wässriger Lösung.................................. 23
1.1.12 Molybdocendichlorid- Koordination an Mono-Nukleobasen.......................... 25
1.1.13
Koordination an Oligonukleotide..................................................................... 26
1.1.14 Molybdocendichlorid-Aminosäureverbindungen ............................................ 26
1.1.15
Anhang I........................................................................................................... 28
1.1.15.1
Aminosäurekomplexe mit Übergangsmetallen- ein kurzer Überblick..... 28
1.1.15.2
Metalle in der Medizin- ein kurzer Überblick.......................................... 34
1.2
Aufgabenstellung ..................................................................................................... 43
1.3
Ergebnisse und Diskussion ...................................................................................... 44
1.3.1
Allgemeines: .................................................................................................... 44
1.3.2
Aminosäureverbindungen des Molybdocens ................................................... 46
1.3.2.1 Verbindungen mit den Aminosäuren Phenylalanin, Leucin und Valin....... 46
1.3.3
Aminosäureverbindungen des Titanocendichlorid .......................................... 62
1.3.3.1 Verbindungen mit Phenylalanin, Leucin und Valin..................................... 62
1.3.3.2 Ausblick ....................................................................................................... 73
1.4
Zusammenfassung der Ergebnisse ........................................................................... 75
1.5
Experimenteller Teil................................................................................................. 76
1.5.1
Allgemeine Arbeitstechnik............................................................................... 76
1.5.2
Analysenmethoden........................................................................................... 77
1.5.3
Synthesen der Ausgangsverbindungen ............................................................ 79
1.5.3.1 Aminosäureverbindungen des Molybdäns ................................................... 79
1.5.3.2 Aminosäureverbindungen des Titans........................................................... 86
1.6
Anhang II ................................................................................................................. 95
1.6.1
Zusammenfassung und Interpretation der analytischen Daten ........................ 96
1.6.1.1 Molybdocen-Verbindungen mit Serin, Histidin, Tryptophan und Prolin .... 96
1.6.1.2 Zusammenfassung........................................................................................ 97
1.6.1.3 Titanocen-Verbindungen mit Serin, Histidin, Tryptophan, Glycyl-Leucin . 98
1.6.1.4 Sonderfall Histidin ..................................................................................... 100
1.6.2
Röntgenstruktur Daten von Molybdocen mit Phenylalanin,Leucin, Valin.... 103
1.6.2.1 Molybdocen-Phenylalanin-Komplex ......................................................... 103
1.6.2.2 Molybdocen-Leucin-Komplex................................................................... 107
1.6.2.3 Molybdocen-Valin-Komplex ..................................................................... 110
1.6.3
Potentiometrische Titration............................................................................ 113
2 Olefin-Metathese............................................................................................................ 120
2.1
Einleitung ............................................................................................................... 120
2.1.1
Allgemeines.................................................................................................... 120
7
2.1.2
Historisches .................................................................................................... 121
2.1.3
Metathese-Mechanismen................................................................................ 123
2.1.4
Katalysatorsysteme ........................................................................................ 126
2.1.5
ROMP ............................................................................................................ 129
2.1.6
Technisch relevante Metathese-Reaktionen................................................... 131
2.1.7
Norbornen: Metathesereaktionen ................................................................... 134
2.1.8
Norbornen: ROMP und die verwendeten Katalysatorsysteme ...................... 136
2.1.9
Nitrido-Komplexe .......................................................................................... 140
2.1.10 Anorganische Nitrido-Komplexe ................................................................... 142
2.1.11 Der Nitrido-Ligand und seine Reaktionen: kurzer Überblick........................ 144
2.1.12
MAO- Struktur ............................................................................................... 145
2.1.13 MAO als Cokatalysator.................................................................................. 146
2.2
Aufgabenstellung ................................................................................................... 147
2.3
Ergebnisse und Diskussion .................................................................................... 148
2.3.1
Allgemeines.................................................................................................... 148
2.3.2
Aktivitätsvergleiche ....................................................................................... 150
2.3.2.1 Vergleich der Co-Katalysatoren MAO, EAO und IBAO mit WNCl3 ....... 150
2.3.2.2 Katalyse mit MAO als Co-Katalysator ...................................................... 152
2.3.2.3 Aktivitätsbetrachtungen mit MAO als Co-Katalysator.............................. 155
2.3.3
Katalyse mit Et2AlCl als Co-Katalysator....................................................... 157
2.3.3.1 Aktivitätsbetrachtungen der Et2AlCl-Polymerisationen ............................ 159
2.3.3.2 Zusammenfassung der Aktivitätsbetrachtungen mit MAO und Et2AlCl... 160
2.3.4
Aktivität und Umsatz in Abhängigkeit vom Al/Katalysatorverhältnis .......... 161
2.3.4.1 System MoNCl3/MAO ............................................................................... 161
2.3.4.2 System WNCl3/Et2AlCl ............................................................................. 163
2.3.4.3 Zusammenfassung der Aktivitäts - und Umsatzvergleiche nach Änderung
des Al/Katalysator-Verhältnisses durch Erhöhung der Katalysatormenge 164
2.3.5
Aktivität und Umsatz in Abhängigkeit von der Erhöhung der CoKatalysatorMenge (Änderung des Al/M-Verhältnisses)................................................... 165
2.3.5.1 System MoNCl3/MAO ............................................................................... 165
2.3.5.2 System WNCl3/Et2AlCl ............................................................................. 167
2.3.5.3 Zusammenfassung der CoKatalysatorabhängiggen Aktivitäts- und
Umsatzvergleiche durch Änderung der Al/Katalysator-Verhältnisse........ 169
2.3.6
Zeitabhängige Polymerisation des Systems MoNCl3/ MAO......................... 169
2.3.6.1 Zeitabhängige Aktivitätsbetrachtung der Polymerisation des Systems
MoNCl3/ MAO........................................................................................... 169
2.3.7
Strukturbetrachtungen via 13C-NMR ............................................................. 171
2.3.7.1 Zusammenfassung der NMR-spektroskopischen Ergebnisse .................... 176
2.3.8
Fotografische Aufnahmen.............................................................................. 178
2.4
Zusammenfassung der Ergebnisse ......................................................................... 181
2.5
Experimenteller Teil: Olefin-Metathese ............................................................... 183
2.5.1
Allgemeine Arbeitstechnik............................................................................. 183
2.5.2
Analysenmethoden......................................................................................... 184
2.5.3
Ausgangsverbindungen .................................................................................. 185
2.5.3.1 Nitride ........................................................................................................ 185
2.5.3.2 Metathese-Reaktionen: allgemeine Durchführung einer MetathesePolymerisation............................................................................................ 188
2.5.3.3 Vergleichende Katalyse mit den Co-Katalysatoren MAO, EAO und IBAO
.................................................................................................................... 189
2.5.3.4 Katalyse mit MAO als Co-Katalysator ...................................................... 190
2.5.3.5 Katalyse mit Et2AlCl als Co-Katalysator................................................... 191
8
2.5.3.6 Katalyse mit Variation der Katalysatorkonzentration................................ 193
2.5.3.7 Katalyse mit Variation der CoKatalysator-Konzentration......................... 194
2.5.3.8 Zeitabhängiger Aktivitätsvergleich des Systems MoNCl3/ MAO ............. 195
2.6
Literaturliste: Olefin-Metathese ............................................................................. 196
3
Lebenslauf ...................................................................................................................... 199
9
1 Metallocene und Aminosäuren
1.1 Einleitung
1.1.1 Metallocene als Cytostatika
Allgemeines:
Bis zur Entdeckung von Cisplatin („cis“-Diamindichloroplatin(II)) als Cytostatikum1 (siehe
Abb.2) bildeten organische Verbindungen vom Typ alkylierender Agensien, Antimetabolite,
cytostatisch wirksame Antibiotika, Vince-rosea-Alkaloide sowie einige Naturstoffe die
Substanzklasse, die für die Chemotherapie maligner Tumore als wirksam erachtet wurde2.
Nun zeigte sich, dass tumorhemmende Aktivität nicht nur organischen Verbindungen eigen
ist, sondern dass die breite Palette anorganischer und metallorganischer Verbindungen in
Betracht gezogen werden sollte. Im Laufe der Untersuchungen stellte sich heraus, dass viele
Metalle und Metalloide in der Lage sind, als Zentralatom in cytostatisch wirksamen
Verbindungen zu fungieren. Abbildung 1 gibt einen kurzen Überblick einiger bekannter
Nicht-Platinmetall-Cytostatika2. Die Verbindungen unterscheiden sich nicht nur in ihrem
Zentralatom, sondern auch hinsichtlich ihrer übrigen strukturchemischen Eigenschaften. So
können frühe Übergangsmetalle wie Titan, Vanadium, Molybdän oder Niob, mittlere
Übergangsmetalle wie Eisen, Ruthenium oder Rhodium, späte Übergangsmetalle wie Kupfer
und Gold aber auch Hauptgruppenelemente wie Zinn,
+
Cl
Cl
M
O
3HC
-
Nb
(BF4)
Cl
Cl
O
O
Ti
X
X
O
M= Ti, V, Mo
CH3
NH
+
Fe
Cl
Ru
N
L
R
N
Cl
-
Cl
Cl
HN
O
O
NH
N+
H
O
R
Abb. 1a Nicht-Platin-metallhaltige Cytostatica
1
2
B. Rosenberg, Naturwiss., 1973, 60: 399.
P. Köpf-Maier, Naturwiss., 1986, 73: 239.
O
Rh
Rh
L
O
R
O
O
O
R
10
O
Cu
HC N
OH
H
N C
L
O
L
+
R
X
Sn
P
P
X
Cl-
Au
R
OH
P
P
[(GeCH2CH2COOH)2O3]n
H3C
H2
C
Ge
H3C
N
C
H2
H2 H2 CH3
H2C C C N
CH3
2HCl
Abb. 1b Nicht-Platin-metallhaltige Cytostatica
Germanium oder Gallium tumorhemmende Komplexverbindungen bilden3. Da das Interesse
an Nicht-Platinmetall-Cytostatika nach wie vor ungebrochen ist, dauert die Suche und
Entwicklung neuer anticancerostatischer metallorganischer Komplexverbindungen an.
Carboplatin
Cisplatin
O
NH3
Cl
H3N
Pt
Pt
NH3
O
Cl
H3N
O
O
Abb. 2 Cisplatin und Carboplatin
Im Bereich der Cytostatika werden die Verbindungen nach Wirkungsmechanismen und
Angriffspunkten eingeteilt4,5.
Bei Cisplatin (Abb. 2) handelt es sich um das erste rein anorganische Cytostatikum und
aufgrund dieser Einteilung betrachtet man es als Pharmazeutikum in der Reihe der
alkylierenden Agensien. Es vermag, ähnlich den bifunktionellen Alkylantien, eine irreversible
Vernetzung der DNA-Stränge herbeizuführen, die eine Hemmung der DNA-Replikation und
–Transkription bewirkt. Besondere Bedeutung scheint dabei den Verknüpfungen innerhalb
3
P. Köpf-Maier, H. Köpf, Titanocendichlorid: ein neuentwickeltes, metallorganisches Cytostatikum, in W.E.
Berdel, J. Baumgart, F. Bach: Stand der präklinischen und klinischen Entwicklung eines neuen Cytostatikums,
Zuckerschwert Verlag München, 1995, und dort zitierte Literatur.
4
H.G. Neumann, Entstehung und Behandlung von Tumoren, Immunrepressiva. In: W. Forth, D. Henschler, W.
Rummel, K. Stark (Hrsg.), allgemeine und spezielle Pharmakologie und Toxikologie. 6. Auflage, Mannheim: BIWissenschaftsverlag, 1992: 722.
5
Chemotherapie maligner Tumore, in: H. Auterhoff, J. Knake, H.-D. Höltje, Lehrbuch der pharmazeutischen
Chemie, 13. Auflage, Stuttgart: Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, 1994: 838.
11
einer der Doppelhelices- sogenannte „intrastrand cross-links“- zuzukommen6,7,8,9. Die
cytostatische Aktivität wurde per Zufall von B.Rosenberg im Jahre 1969 durch
Untersuchungen an Eschericea coli-Bakterien entdeckt10. Seither wird Cisplatin gegen
maligne Tumore des Urogeniltraktes (Eierstock-, Hoden-, Prostata- und Harnblasenkrebs), der
Lunge und des Kopf-Hals-Bereiches eingesetzt.
Entscheidend für die tumorhemmende Wirkung ist die Metalldichloro-Gruppierung und die
cis-Stellung der Aminliganden. Die analoge trans-Verbindung ist inaktiv. Nach der Diffusion
der neutralen Platinkomplexmoleküle durch die Zellmembran in das Cytoplasma erfolgt die
Hydrolyse der Chloridliganden als geschwindigkeitsbestimmender Schritt (siehe Abbildung
3).
H3N
H3N
Pt
Cl + H O
2
-
Cl -Cl
+
H3N
H3N
Pt
OH2 + H2O
Cl
-
- Cl
H3N
Pt
H3N
OH2 2+
OH2
- H+
+
H3N
H3N
Pt
OH2
OH
Abb. 3 Hydrolyse von Cisplatin
Die unter Erhalt des Diaminplatinfragmentes entstandenen kationischen Komplexe
diffundieren zum Polyanion der DNA. Dort bildet das Platinzentrum bivalente, verbrückende
Bindungen zu nukleophilen Zentren der DNA, vor allen Dingen der darin enthaltenen
Guanidin-Basen, aus11,3. Sowohl Quervernetzungen zwischen den Nucleobasen GuaninGuanin (GG) und Adenin-Guanin (AG) innerhalb eines Stranges der DNA-Doppelhelix, als
auch inter-Strange-Verknüpfungen und DNA-Protein-Verknüpfungen scheinen dabei möglich
zu sein (siehe Abbildung 4).
Die strukturelle Aufklärung eines
Cisplatin-DNA-Adduktes
einer
doppelsträngigen
DNA
via
Röntgenstrukturanayse
weist
die
Ausbildung einer WasserstoffbrückenBindung von einem Aminliganden zum
terminalen Sauerstoffatom der dem einen
Guaninrest benachbarten Phosphatgruppe
auf.
Abb. 4 Anbindungsarten von Cisplatin an DNA
6
L.L. Munchhausen, R.O. Rahn, Cancer Chemoth. Dep., 1975, 59: 643.
I.A.G.Ross, Chem. Biol. Interact., 1977, 16: 39.
8
C.C. Chiang, T. Sorell, T.J. Kistenmacher, L.G.Marzilli, J.Am.Chem.Soc., 11978, 100: 5102.
9
H. Köpf, P. Köpf-Maier, Nachr.Chem.Tech.Lab., 1981, 3: 154.
10
B.Rosenberg, L. van Camp, J.E. troskow, V.H. Mansour, Nature, 1969, 222: 385.
11
Clarke et al, Chem. Rev., 1999, 99: 2511.
7
12
Durch die intra-Strange-Adduktbildung des Cisplatin-Fragments kommt es zu einer
Krümmung des DNA-Doppelstranges, die aber nicht zur Zerstörung der Watson-CrickWasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren führt. Sowohl die Cisplatinmodifizierten Basen Guanin-Cytosin als auch die benachbarten Basenpaare bleiben Hverbrückend gebunden, werden jedoch um 8-37° verdreht63,64 ( siehe Abbildung 5). Zur
Vermeidung oder Verringerung der Toxizität und Resistenz sind mittlerweile schon PlatinAmin-Komplexe in der klinischen Anwendung oder zumindest Testung, die man als
wirksame Substanzen der zweiten und dritten Generation bezeichnet .
Abb. 5 Cisplatin-Bindungstelle an Guanin
Die therapeutische Verwendbarkeit und klinische Bewährung bei zahlreichen Indikationen
führte zu umfangreichen Untersuchungen und Erforschungen weiterer, dem Cisplatin
analoger Substanzklassen12. Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeiten von Cisplatin und
Titanocendichlorid wurde die cytostatischen Wirksamkeit von Titanocendichlorid in
Erwägung gezogen und bestätigt9.
63
P.M.Takahara, A.C.Rosenzweig, C.A.Frederick, S.Lippard, Nature, 1995, 377: 649.
S.E.Shermann, D.Gibson, A.H.Wang, S.J.Lippard, J.Chem.Soc., 1988, 110: 7368.
12
Chemotherapie mit Verbindungen nicht-essentieller Elememente: Pt, Au und Li, in W.Kaim, B. Schwederski,
Bioanorganische Chemie: Zur Funktion chemischer Elemente, 2. Auflage, Stuttgart, Teubner, 1995, 117: 369.
64
13
1.1.2 Cisplatin und Titanocendichlorid - ein Vergleich
In Abbildung 6 sind strukturelle Vergleiche der beiden Verbindungen aufgezeigt. Am
auffälligsten und für die cytostatische Wirksamkeit am bedeutendsten sind die leicht
abdissoziierbaren Chloridliganden.
Die naheliegende Vermutung, Titanocendichlorid habe einen, dem Cisplatin anologen
Wirkungsmechanismus, erwies sich als falsch. Neuere Studien zeigen zwar, daß
Titanocendichlorid, so wie andere Metallocene, u.a. Molybdocen auch, in vitro an DNA
binden, aber es scheint dennoch keine Korrelation zwischen der Bindung an die DNA und der
cytostatischen Aktivität zu bestehen11. Im Gegenteil, man kann nach dem bisherigen
Kenntnissstand von unterschiedlichen Mechanismen der cytostatischen Aktivität
ausgehen13,14,15,3.
Cl
Cl
H3N
Pt
Ti
Cl
Titanocendichlorid
H3N
Cl
Cisplatin
Molekulargewicht: 250 - 300 g / mol
zwei abspaltbare Chloridionen in "cis"-Position
Titan:
leichtes, frühes Übergangsmetall
Platin:
edles, schweres und spätes Übergangsmetall
Oxidatinsstufe: IV
Oxidationsstufe: II
tetraedrische Molekülkonformation
planare Molekülkonformation
zwei organische Cyclopentadienylliganden
zwei anorganische Ammoniakliganden
Organometallkomplex
anorganischer Komplex
d (Ti-Cp) = 2.06 A
d (Ti-Cl ) = 2.36 A
d (Pt-NH3) = 1.05 A
d (Pt-Cl) = 2.32 A
Winkel (Cl-Ti-Cl) = 94°
Winkel (Cl-Pt-Cl) = 92°
harte Lewis-Säure
weiche Lewis-Säure
Abb. 6 Vergleich von Titanocendichlorid und Cisplatin
13
E. Tonew, M. Tonew, B. Heyn, H.P. Schröer, Zbl. Bakt. Hyg.,I.Abt.Orig.A., 1981, 250: 425.
S.G.Ward, R.C. Taylor, P.Köpf-Maier, H.Köpf, J. Balzarini, E. DeClerque, Appl.Organom.Chem.,1989, 3:
491.
15
D.P. Fairlie, M.W. Wkitehouse, J.A. Broomhead, Chem.Biol.Interact., 1987, 61:277.
14
14
1.1.3
Hydrolyseverhalten von Titanocendichlorid
Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, dass sich das Hydrolyseverhalten der
Metallocene nicht nur deutlich von dem des Cisplatin (hinsichtlich der Nicht-Chlorliganden)
unterscheiden, sondern dass die hydrolytische Stabilität der M-Cp-Einheit abhängig ist vom
Metall und dem pH- Wert der verwendeten Lösungen42.
Die Hydrolyse der Chlorideinheiten wurde mittels chloridsensitiver Elektroden verfolgt und
zeigte eine fast gleichzeitige Dissoziation der Chloridionen und dem Auflösungsprozess des
Titanocendichlorids42. Tabelle 1 zeigt die Gleichgewichtskonstanten für die Chloridhydrolyse
in Cisplatin, Titanocen- und Vanadocendichlorid.
Tabelle 1
Komponenten
K1, M
K2, M
Cis-Pt(NH3)2Cl2a
4.37 (13) * 10-3
1.88 (8) * 10-3
Cp2TiCl2b
c
4.2 (2.7) * 10-3
b
c
2.7 (1.2) * 10-3
Cp2VCl2
a
bei 35°C, 0.318 M KNO3 b bei 37°C, 0.318 M KNO3 c konnte nicht gemessen werden 42.
Die Halbwertszeit des ersten Hydrolyseschrittes bei den Metallocenen ist so kurz, dass sie mit
chloridpotentiometrischen Methoden nicht erfasst werden konnte. Die Halbwertszeit der
zweiten Chloriddissoziation ist etwa um das 20-40 fache geringer als bei Cisplatin.
Die Cyclpentadienyl-Protolyse wurde mittels Hochfeld-1H-NMR verfolgt. Das Auftreten von
freiem Cyclopentadien folgt der Kinetik erster Ordnung. Die Halbwertszeit von Cp2TiCl2
beim Ringverlust beträgt 57.0 ± 0.9 h bei 37° C
(114 ± 11 h, wenn die
Chloridionenkonzentration der des Blutplasmas entspricht)42.
Das bedeutet, dass die M-Cp-Bindung in ungepufferter Lösung bei niedrigem pH und einer
dem menschlichen Blutplasma vergleichbaren Chloridionenkonzentration in einem Zeitraum
von ein paar Tagen stabil ist. Im Gegensatz dazu erfolgt eine raschere Hydrolyse bei pHWerten, die im physiologischen Bereichen relevant sind.
Die beobachtete Labilität der M-Cp-Bindung in ungepufferter Cp2TiCl2-Lösung könnte unter
anderem mit dem effektivem achtfach koordiniertem Ionenradius des Metalls erklärt werden:
V(IV): 0.72 Å
Ti(IV): 0.74 Å
Zr(IV): 0.84 Å
Möglicherweise
erleichtern
große
und
weniger
koordinativ
abgesättigte
Metallkoordinationssphären die hydrolytische Cyclopentadienyl-Attacke42.
In Tabelle 2 sind die pKa-Daten für die Aquo-Komplexe von Cisplatin und der Titanocenund Vanadocenverbinungen aufgeführt 42.
Tabelle 2
Verbindungen
pKa1
pKa2
Cis-Pt(NH3)2(H2O)22+ a
Cp2Ti(H2O)22+
b
b
Cp2V(H2O)22+
5.6
3.51 (5)
4.73 (3)
7.3
4.35 (9)
5.15 (13)
Nachdem beobachtet wurde, dass sich ein Niederschlag bei der Behandlung von wässriger
Cp2TiCl2-Lösung mit Base bildet, wurden Anstrengungen unternommen, um das
Hydrolyseprodukt zu identifizieren. Dabei hat man eine Verbindung mit der empirischen
15
Formel „Ti(η5-C5H5)0.31O0.30(OH)“ identifiziert42,69. IR- und 13C-NMR-Untersuchungen
zeigten die Existenz von Oligomeren, µ-OH oder µ-O-Komplexen mit magnetisch
äquivalenten η5-C5H5-Liganden. Die chemische Verschiebung der Hydrolyseverbindung für
den Cp-Liganden entspricht dem, der bei Cp2TiCl2 für Cp auftritt70.
1.1.4 Titanocendichlorid - ein Antitumor-Agens
In den vergangenen Jahren konnte die cancerostatische Aktivität von Titanocendichlorid in
präklinischen Studien gegenüber verschiedenen tierexperimentellen Tumoren (des MagenDarm-Traktes, der Lunge und der Mamma) und heterotransplantierten menschlichen
Karzinomen (wie Kolon-38-Adenokarzinom, Melanom B 16, Lewis-Lung-Karzinom) mit
Heilungsraten bis zu 100% bestätigt werden3,16,17. Neben den tumorhemmenden
Eigenschaften konnten in Einzelbefunden auch antivirale Wirkungen gegen Vaccinia-,
Influenza-B- und Herpes-Viren sowie signifikante antientzündliche und antirheumatische
Wirkungen gezeigt werden3.
1.1.5 Struktur-Wirkungsbeziehung
Cancerostatische Aktivitäten mit Heilungsquoten bis zu 100% gegenüber experimentellen
Tumoren konnten auch bei anderen Metallocendihalogeniden von Typ [(C5H5)2MX2] sowie
Organozinn-Komplexen erzielt werden3.
Um eine Strukur-Wirkungsbeziehung für die Metallocenhalogenide zu untersuchen, wurde
der Einfluss von Modifizierungsmöglichkeiten an drei Stellen des Molekülgerüsts auf die
tumorhemmende Aktivität an Ehrlich-Ascites-Tumoren der Maus getestet9.
In Abbildung 7 sind die Modifizierungsmöglichkeiten dargestellt.
Die Variation des Zentralatoms belegte,
dass
lediglich Ti, V, Nb und Mo gute
cytostatische Wirkung besitzen, wohingegen
X
Ta und W nur geringe und Zr und Hf gar
keine Wirkung erzielen9,11. Dies Ergebnis
und die diagonale Beziehung der aktiven
M
Zentralatome (siehe Abbildung 8) deuten auf
eine Abhängigkeit der Antitumoraktivität
X
von den Atomradien und der daraus
Zentralatom M resultierenden Strukturparameter in der
Dichlorometall-Gruppierung
hin.
Die
Elektronenkonfiguration
der
Metalle
scheint
Substituenten R1, R2
dabei keinen Einfluß auszuüben. In
Abbildung 8 werden die Schrägbeziehungen
verdeutlicht.
Acide Liganden
R1
R2
Abb. 7 Substitutionsmöglichkeiten
69
G.Doyle, R.S.Tobias, Inorg. Chem.,1967, 6 (6):1111-1115.
P.Köpf-Maier, H.Köpf, Transition andd Main Group Metal Cyclopentadienyl Complexes: Pre-clinical Studies
on Series of Antitumor Agents of Different Structural Types, in: H.J. Clark, J.A.Ibers, D.M.P. Mingos, G.A.
Palmer, P.J. Sadler, R.J.P. Wiliams, Structur and Bonding, 70. Berlin: Springer, 1988: 103.
17
H.Köpf, P.Köpf-Maier, Chem.Rev., 1987, 87: 1137.
16
16
(C5H5)2MCl2
M=
MIV :
6
4
5
Ti
V
Zr
Nb
Mo
Hf
Ta
W
d0
d1
d2
Die Variation der Halogenidliganden scheint eine
wesentlich geringere Auswirkung auf die
therapeutische Wirkung zu haben. Es ergaben sich bei
Applikationen von optimalen Dosen von Bromid- und
Iodid-Verbindungen die gleichen Heilungsquoten wie
bei Titanocendichlorid18. Der Grund für die
Unempfindlichkeit der therapeutischen Wirkung
könnte in der pH-abhängigen Hydrolyse von
Titanocendichlorid in wäßriger Lösung liegen19,20.
Danach dissozieren bei pH ≤ 5.5 die schwach
gebunden Chloridliganden ab und werden durch
Oxobrücken ersetzt. Die Vermutung, dass es sich bei
den Hydrolyseprodukten um das aktive
Antitumoragens handelt, ist allerdings relativ
umstritten11.
Abb. 8 Schrägbeziehungen
Die Bedeutung der Chlorliganden liegt aller Wahrscheinlichkeit nach in ihrer hohen
Dissoziationsfähigkeit, da die hydrolytische Labilität des „cis“- konfigurierten MX2Bindungssystems eine entscheidende Voraussetzung für die zellwachstumshemmende
Aktivität des Moleküls zu sein9 scheint.
Die Modifizierung der Cp-Liganden bewirkt Verminderungen der Heilungsraten bis hin zur
Untersuchungen
der
Hydrolyseprodukte
von
therapeutischen
Unwirksamkeit9.
Titanocendichlorid [(TiCp2Cl)2(µ2-O)] und Cyclopentadienyltitantrichlorid [{TiCoCl(µ2O)}4] widerlegen die Hypothese, die Hydrolyseprodukte stellten das eigentliche Agens dar21.
Die Annahme, die Cyclopentadienylringe selbst induzieren die cytostatische Wirkung,
erscheint aufgrund experimenteller Untersuchungen unwahrscheinlich, da weder
Cyclopentadien (C5H6 = Cp) noch Dicyclopentadien (C10H12 = Cp2) tumorhemmende
Aktivitäten aufweisen können22,23. Nach dem bisherigen Stand der Kenntnisse wird davon
ausgegangen, daß die Cp-Liganden bei der Wanderung der Metallocene zum Wirkungsort als
„carrier“, vergleichbar mit den Aminliganden in Cisplatin, fungieren9,11.
1.1.6 Untersuchungen zum Wirkungsmechanismus
Bei der Suche nach Aufklärung des Wirkungsmechanismus der Antitumoraktivität des
Titanocendichlorids wurden verschiedene analytische und biologische Methoden
angewendet9.
Mit Hilfe der elektronenmikroskopischen Methode konnten zelluläre Veränderungen nach
Verabreichung von Titanocendichlorid beobachtet werden.
Titankonzentrationen wurden u.a. mittels Atom-Absorptionsspektroskopie (AAS) ermittelt.
Leber und Darm sind die Organe, in denen Titan hauptsächlich angereichert wird, wobei die
titanhaltigen Metabolite vornehmlich über die Galle ausgeschieden werden.
18
P.Köpf-Maier, B.Hesse, R.Voigtländer, H.Köpf,J.Cancer Res.Clin.Oncol., 1980, 97:31.
K.Döppert,J.Organomet. Chem., 1979, 178,:C3-C4.
20
U.Thewald, G.Schleusner, Angew.Chem., 1978, 7: 579.
21
P.Köpf-Maier, S.Grabowski, h.Köpf, Eur.J.Med.Chem., 1984,19:347.
22
K.Döppert, J.Organom.Chem., 1087,319:351.
23
P.Köpf-Maier, H.Köpf, J.Organomet.Chem.,1980, 67: 415.
19
17
Durch die Methode der Elektronen-Energie-Verlust-Spektroskopie (EELS) wurde intrazellulär
die maximale Anreicherung von Titan in den Titanocendichlorid-sensiblen Tumoren
lokalisiert. Titananreicherung findet dabei stets in DNA-reichen Zellbezirken statt.
Die Anwendung der Vitalfärbemethode lässt auf einfache Weise Rückschlüsse auf die
cytostatische Potenz zu, die direkt zum Absterben der Tumorzellen führt9.
Die Frage nach dem Wirkungsmechanismus ist nach wie vor relevant. Inkorporationsstudien
mit Tritium-markierten spezifischen Bausteinen des DNA-, RNA- und Proteinstoffwechsels
lassen erkennen, dass bei der Applikation einer therapeutischen Dosis von Titanocendichlorid
eine deutliche und langanhaltende Depression der DNA-Synthese, eine weniger ausgeprägte
und reversible Hemmung der RNA-Synthese und eine unwesentliche, kurzzeitig
nachweisbare Hemmung der Proteinbiosynthese belegt werden kann3,24. UV-spektroskopische
Untersuchungen dokumentieren Wechselwirkungen zwischen Titanocendichlorid oder einem
seiner Folgeprodukte mit der DNA ( siehe Abbildung 9).
1.1.7 Titanocendichlorid- Koordination mit Bausteinen der DNA
Modellstudien haben gezeigt, daß Cp2M-Einheiten mit M= Ti, V, Mo , ähnlich wie Cisplatin,
chelatartige Bindungen an die N7-Bindungstelle der Base Guanin eingehen65. In Methanol ist
eine Komplexierung von Cp2Ti-Einheiten mit Mononukleotiden über die N-Ti-Koordination
zu beobachten66 . Allerdings gibt es bisher keine Hinweise darauf, dass sich analoge Cp2TiNukleotidkomplexe auch in Wasser ausbilden25. Eine solche Bindung ist lediglich bei den
hydrolytisch stabileren Cp2Mo-Spezies beobachtet worden67 .
Unter
Einsatz
der
Induktiv-gekoppelten
Plasmaspektroskopie (ICS) und von TritiumMarkierungsexperimenten konnte eine deutliche
pH-Abhängigkeit der mit der DNA agierenden
Spezies belegt werden25. Es bildeten sich in
ungepufferter Lösung bei einem pH-Wert
zwischen 5 und 7 DNA-Cp2Ti-Fragmente, die
bis zu 48 h bei neutralem pH stabil sind.
Diese Ergebnisse weisen auf die DNA als
Zielmoleküle für Titanocendichlorid und seine
Folgeprodukte
hin3,9.
Synthetisierte
und
strukturell
aufgeklärte
Modellkomplexe
zwischen Titanocen und Bausteinen der
Nukleinsäuren stützen diese Annahme26,27,28
Abb. 9 UV-VIS-Spektrum der Titanocendichlorid-DNA Anbindung
24
P.Köpf-Maier, H.Köpf, Naturwiss., 1980, 67:415.
D.Cozak, A.Mardhy, M.J.Olivier, A.L.Beauchamp, Inorg. Chem. 1986, 25: 2600.
66
G.Pneumatikakis, A.Yannopoulos, J.Markopoulos, Inorg. Chim. Acta, 1988, 151: 112.
67
L.Y.Kuo, M.G.Kaaanatzidis, T.J.Marks, J.Am.Chem.Soc., 1987, 109: 7202.
25
M.L.McLaughlin, J.M.Conan, T.R.Schaller, R.B.Snelling, J.Am.Chem.Soc., 1990, 112: 8949.
26
A.L.Beauchamp, D.Cozak, A.Mahardy, Inorg.Chim.Acta, 1984, 92: 191.
27
A.L.Beauchamp, F.Belaner-Gariepy, A.Mahardy, D.Cozak, Inorg.Chim.Acta, 1986, 124: 223.
28
D.Cozak, A.Mahardy, M.J.Olivier, A.L.Beauchamp, Inorg.Chem., 1986,25: 2600.
65
18
Ihre Analogie zu tatsächlichen Bindungs- und Reaktionsverhältnissen, die sich unter
physionomischen Bedingungen zwischen Krebszellen und dem Antitumoragens abspielen, ist
begrenzt. Zum einen wurden die Synthesen der Modellverbindungen in organischen
Lösungsmitteln, nicht in Wasser, durchgeführt und zum anderen wurden Ausgangsedukte mit
dem Metall in niedrigeren Oxidationsstufen, beispielsweise Titan in den Oxidationsstufen
(III) und (II) verwendet ( [Cp2TiCl]2 oder Cp2Ti(CO)2 )68 .
Die in Abbildung 10 vorgestellte Modellverbindung demonstriert, dass eine prinzipielle
Koordination zwischen Titanzentrum und Purinen oder Oxopurinen über Ti-N-Bindung oder
aber auch O-Ti-N und N-Ti-N möglich ist.
Allerdings besteht keine zwingende Korrelation zwischen DNA/Bausteine der DNAAnbindung der Metallspezies und der cytostatischen Aktivität. Es konnte bei dem aktiven
Vanadocen mittels ICS keine DNA-Metalladduktbildung nachgewiesen werden, wohingegen
die inaktiven Verbindungen Hafniumcen und Zirkonocen deutliche Hinweise darauf geben25.
Abb. 10 Modellkomplex Bis(cyclopentadienyl)-(theophyllinato)titan(III)
1.1.8 Titanocen-Aminosäure-Komplexe
Während Koordinationskomplexe von Platin mit α-Aminosäuren schon seit längerem bekannt
sind und mittels multinuklearer NMR-Spektroskopie ausführlich untersucht wurden29,30, ist es
erst Mitte der neunziger Jahre gelungen, Titanocendichlorid-Komplexe mit α-Aminosäuren
darzustellen und strukturell zu charakterisieren31.
Aminosäure-Komplexe des Platin (II) und Paladium (II) koordinieren in Abhängigkeit des
pH-Wertes in wässriger Lösung sowohl über Stickstoff als auch über Sauerstoff oder als
Chelatligand über beide gleichzeitig30.31. Aminosäuren als chelierende Liganden sind bei
Organo-Osmium-Verbindungen, aber auch bei Molybdocendichlorid32 und bei Titan-AlkoxidVerbindungen des Typs [(EtO)3Ti(Gly`)]2 bekannt33,34. Im Gegensatz dazu koordinieren die
Titanocen-Aminosäure-Komplexe des Typs [Cp2Ti(AS)2]Cl2 ausschließlich über den
Sauerstoff31.
68
P.Köpf-Maier, Progress in Clinical Biochemistry ans Medicine, Vol. 10, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
1989: 151.
29
T.G. Appleton, J.R.Hall, S.F.Ralph, Inorg.Chem., 1985, 24: 673.
30
T.G.Appleton, A.J.Bailey, D.R.Bedgood,jr., J.R.Hall, Inorg.Chem., 1994, 33: 317.
31
T.M.Klapötke, H.Köpf, I.C.Tornieporth-Oetting, P.S.White, Angew.Chem., 1994, 106:1587.
32
Gore, Green
33
H.Werner, T.Daniel, O.Nürnberg, W.Knaup, U.Meyer, J.Organomet.Chem.,1993, 445: 229.
34
U.Schuber, S.Tewinkel, F.Möller, Inorg. Chem., 1995, 34: 995.
19
Abbildung 11 zeigt die Strukur von
[Cp2Ti(mAla)2][Cl]2.
Die
strukturelle
Aufklärung mittels Röntgenstrukturanalyse
weist auf eine starke Kation-AnionWechselwirkung im festen Zustand hin35.
Dabei haben alle Wasserstoffatome der NH3+Gruppe Kontakt zu den Chlorid-Ionen, wobei
der N-Cl-Abstand von 3.2 Å kleiner als die
Summe der Van der Waals-Radien von N,H
und Cl ist.
Abb. 11 Struktur von [Cp2Ti(mAla)2][Cl]2
Zum Vergleich:
Die Summe der Van der Waals-Radien von N,H und Cl beträgt 4.27 Å36, die Summe der
kovalenten Radien beträgt 2.06 Å37.
Diese Titanocen-Aminosäure-Komplexe zeichnen sich durch gute Wasserlöslichkeit, hohe
thermische Stabilität und stabiles Verhalten an Luft aus. Erste mikrobiologische
Untersuchungen weisen auf ähnliche zellwachstumshemmende Eigenschaften analog der
Ausgangssubstanz Titanocendichlorid hin38. Durch den Austauch der Chlorid-Ionen durch
große, schwere und wenig basiche AsF6- -Ionen in einer Metathese-Reaktion, erhält man
Komplexe des Typs [Cp2Ti(AS)2][AsF6]2. Hier ist keine Kation-Anion-Wechselwirkung
nachweisbar und die Komplexe sind thermisch weniger stabil, sehr schlecht bis gar nicht
löslich in Wasser und zersetzen sich langsam an Luft38. Sie zeigen zwar weniger ausgeprägte,
aber trotzdem registrierbare Wirkung auf Zellwachstum und DNA-Replikation von E.coli 38.
35
T.M.Klapötke, H.Köpf, I.C.Tornieporth-Oetting, P.S.White, Organomett., 1994, 13,: 3628.
A.J.Bondi, Phys.Chem., 1964, 68: 441.
37
N.N.Greenwood, A.Earnshaw, Chemistry of Elements, Oxford, New York: Pergamon, 1984.
38
I.C.Tornieporth-Oetting, P.S.White, Organomet., 1995, 14:1632.
36
20
1.1.9 Titan(IV)-Verbindungen und Protein-Modell-Komplexe
Da das Augenmerk der Forschung bis vor Ende der Neunziger Jahre auf dem Nachweis von
Ti-DNA-Fragmenten ruhte, finden sich in der Literatur keine Hinweise auf spezifisch an
Proteine gebundene Titanionen. Da Forschungen aus der Richtung von Ti-DNA-Anbindung
aber zu keinen großen Fortschritten in der Erklärung zur Antitumorwirksamkeit führte,
richtete sich der Blick nun auch auf andere Zielmoleküle für die aktive Spezies. Im Laufe der
Neuorientierung wurde eine starke Koordination zwischen Ti(IV)-Ionen und dem humanen
Serumtransferrin beobachtet, indem sie die Bindungsstellen von Fe(III)-Ionen besetzen71 .
Transferrin ist ein Blutplasmaprotein, dass eine wichtige Rolle beim Transport und Verteilung
von Metallionen an Tumorzellen spielt. Der Nachweis für Ga(III)- und Ru(III) wurde schon
erbracht 72.
Bei der Umsetzung von Titan(IV)-citrat mit Serum-apoTransferrin (apo-hTF) konnte mit UV-Differenzspektroskopie
das Auftreten zweier scharfer Banden beobachtet werden, die
charakteristisch
für
an
Phenolatgruppen
von
Tyrosinseitenketten der spezifischen
Bindungsstellen für Eisenzentren gebundene Metallionen
sind71,73. Die Auswertung der Titrationskurve von Ti(IV)-citrat
mit apo-hTR ergab eine Zusammensetzung von 2:1, dh. zwei
Titanionen pro hTR-Einheit (eine Ti(IV)-Ion pro TransferrinDomäne). Die Wechselwirkung von Cp2TiCl2 mit hTF konnte
nicht UV-Spektroskopisch verfolgt werden, da das Titanocen
im zu untersuchenden Wellenlängenbereich absorbiert.
Abb. 12 13C-NMR der Anbindung von Titan(IV) an (apo-hTF)
Daher wurde die Wechselwirkung 1H- und 13C-NMR-spektroskopisch verfolgt (siehe
Abbildung 12). Es wurde deutlich, dass die Ti(IV)-hTF-Bindung starke Änderungen in
bestimmten Regionen hervorruft (in der N-Acetylregion und in der Hochfelregion)71.
Außerdem verschwanden die Signale gebundener Cp-Liganden, dafür traten Signale freier
Cp-Liganden auf. Da die Stärke der Bindung an das Transferrin mit der Acidität der
Metallionen korreliert74, erwartet man eine stärkere Anbindung von Ti(IV) verglichen mit
Fe(III). Tatsächlich stellt man fest, daß Fe(III) die Titanionen aus Transferrin verdrängen
können, allerdings nur sehr langsam71. Aufgrund der Tatsache, daß das Blutplasma-Tranferrin
nur zu 30% mit Fe(III) gesättigt ist75, ist es vorstellbar, dass von Antitumorkomplexen wie
dem Titanocendichlorid stammende Titanionen leicht von Transfferrin gebunden werden
können, zu Krebszellen transportiert werden und dort im Inneren der Zelle aufgrund von
niedrigeren pH freigesetzt werden könnten.
71
H.Sun, H.Li, R.A.Weir, P.J.Sadler, Angew.Chem. ,1998, 110, Nr.11:1622.
F.Kratz, M. Hartmann, B.K.Keppler, L.Messori, J.Biol.Chem.,1994, 269: 2581.
73
D.C.Harris, P.Aisen, Iron Carriers and Iron Proteins (Hrsg. T.M.Loehr), VCH, Weinheim, 1989: 69.
74
H.Sun, M.C.Cox, H.Li, P.J.Sadler, Struct. Bonding, 1997, 88: 71.
75
A.Leibmann, P.Aisen, Blood, 1979, 53: 1058.
72
21
Neuste Untersuchungen mit pH-abhängigen Transferreaktionen
von Ti(IV)-Ionen durch Bindung an einen Transferrinsimulierenden Modellkomplex H4ehpg auf ATP-Moleküle
zeigen neue Wege auf zum Verständniss der Wechselwirkung
zwischen Ti(IV) und DNA76 in vivo (Abb.13: Modellkomplex).
Bei der Verbindung H4ehpg handelt es sich um das
chelierendes
Agens
N,N`-ethylen-bis-(ohydroxyphenylglycine), welches Donorgruppen enthält, die den
aktiven Metallbindungs-Zentren von Transferrin ähneln (2Tyr,
His, Asp und CO32-). ATP ist ein potentieller Akzeptorligand
für von Transferrin in Zellen übertragene Metalle. Außerdem
gehört es zur Klasse der Purinen, die als Phosphatester
Bestandteile der DNA sind. Möglicherweise werden „harte“
Ti(IV)-Ionen durch Transferrin in die Zellen transportiert, wo
sie dann anschließend an die DNA sowohl über die
negativgeladenen Phosphatgruppen am „Gerüst“ (backbone) als
auch über die N-Doneren der Basen koordinieren könnten 76.
Die hohe DNA-Konzentration im Zellkern und wahrscheinlich
niedrige pH-Wert nahe an der DNA-Oberfläche, favorisiert
DNA als Zielmolekül für Ti(IV) unter diesen Bedingungen.
Abb. 13 Modellkomplex zwischen Ti (IV) und N,N`-ethylen-bis-(o-hydroxyphenylglycine)
Abb. 14 Modellmolekül H4ehpg
76
M.Guo, P.J.Sadler, J.Chem.Soc., Dalton Trans., 2000,7:9.
22
1.1.10 Molybdocendichlorid
Molybdocendichlorid reiht sich ein in die Klasse der kleinen, hydrophoben metallorganischen
Komplexe des Typs Cp2MX2 mit M = Ti, Mo, Nb, V und X = Halogenide, die hohe
cancerostatische Aktivitäten gegenüber einer Vielzahl von malignen Tumoren, einschließlich
Ehrlich-ascites, B16 Melanom, Colon 38 Carcinom, Lewis-Lung-Carcinom, lymphoide
Leukemia L1210 und anderer humaner und in Mäuse heterotransplantierter
Carzinome39,40,aufweisen.
In
Abbildung
15
werden
die
Ähnlichkeiten von Titanocendichlorid und
Molybdocendichlorid bezüglich ihrer
Antitumoraktivitäten dargestellt.
In
dieser
Abbildung
sind
die
„Wirkungsfenster“
der
Metallocene
dargestellt, die eine Balance bilden
zwischen der wirksamen Dosis der
Therapeutika und der tödlichen. Auffällig
ist hier, dass der Austausch der
Chloridliganden durch Trichloreesigsäure
das Wirkungsfenster stark verbreitert. Die
Trichloressigsäure ist über den Sauerstoff
der Carboxylgruppe gebunden.
Es konnte gezeigt werden, daß trotz
ähnlich
hoher
tumorwachstumshemmender
Effekte
von
Cisplatin und den Metallocenen keine
mechanistischen Ähnlichkeiten in ihrem
chemischen
Verhalten
und
der
Wirkungsweise vorhanden sind41. Beide
Substanzklassen inhibieren die DNABisosynthese und die Bildung von DNAMetallocenkomplexen
scheint
ein
Schlüssellprozess für die Wirksamkeit zu
sein. Anders als bei Cisplatin sind die in
vivo aktiven Spezies bei den Metallocenen
noch nicht identifiziert.
Abb. 15 Antitumorwirkungsfenster von Titanocendichlorid und Molybdocendichlorid
Am auffälligsten ist das unterschiedliche Hydrolyseverhalten von Cisplatin und den
Metallocenen. Unter physiologischen Bedingungen findet die Hydrolyse der Chloridionen der
Metallocene schneller und extensiver statt, als dass bei Cisplatin zu beobachten ist42.
Während die Ti-Cp-Bindung hydrolytisch instabil ist42, konnte gezeigt werden, dass die MoCp-Bindung unter physiologischen Bedingungen stabil bleibt41. Molybdocendichlorid ist
39
P.Köpf-Maier, H.Köpf, Drugs Future,1986, 11: 297.
P.köpf-Maier, H.Köpf, in Metal Compounds in Cancer Chemotherapy; S.P.Fricker, Ed.: Chapman and Hall:
London, 1994: 109.
41
L.Kuo, M.G.Kanatzidis, M.Sabat, A.L.Tripton, T.J. Marks,J.Am.Chem.Soc.,1991, 113: 9027.
42
J.H.Toney, C.P.Brock, T.J.Marks, J.Am.Chem.Soc., 1985, 107:947.
40
23
somit die einzige Metallocenverbindung, deren Cp-Ringe bei einem pH-Wert von ca. 7 an das
Metall gebunden bleiben, während die Hydrolyse der Chloridionen vollständig stattfindet41.
Weitere Studien des Hydrolyse- und Koordinationsverhaltens der Metallocene an DNA legen
die Vermutung nahe, dass es sich bei der Wirkungsweise um jeweils unterschiedliche
Mechanismen handelt25,43.
1.1.11 Molybdocendichlorid – Verhalten in wässriger Lösung
Wie schon erwähnt, ist die Mo-Cp-Bindung unter physiologischen Bedingungen (dh. pH =
7.2-7.4) hydrolytisch stabil, während die Chloridionen vollständig und sehr schnell
hydrolisieren. Dies steht im Kontrast zum leichten Ringverlust von Titanocen- und
Zirkonocendichlorid. Möglicherweise ist der Grund hierfür eine Kombination aus einem
kleineren Metallionenzentrum, besserer Metall/Cp-Ring-Überlappung und größerer
elektronischer Dichte der Metall-Cp-Bindungsorbitale41. Das schnelle Hydrolisieren der
Chloridionen bewirkt eine Absenkung des pH-Wertes von ca. 7 auf den einer sauren Lösung
(pH ca. 2). Diese Eigenschaft kann nicht wirklich auf der Basis von Metallionengrößen und
Orbitalüberlappungen erklärt werden, könnte aber seine Ursachen in der elektronischen
Besetzung der Mo-Cl-Orbitale mit signifikantem Antibindungs-Charakter haben41. Diese
Beobachtungen repräsentieren eine viel größere Abweichung Molybdocens von den
Eigenschaften des Cisplatin, als sie bei den entsprechenden Titan- und
Vanadiumverbindungen beobachtet wurden.
Bei der Hydrolyse von Cp2MoCl2 in Wasser wird eine Verbindung der Form
Cp2Mo(H2O)OH+ als vorherrschende Spezies angenommen41.
Cp2MoCl2
+
2H2O →
Cp2Mo(H2O)OH+
+
HCl
+
Cl-
Dabei wechselt die Farbe der wässrigen Molybdocendichloridlösung von olivgrün zu
dunkelrot, dass der Farbe des Hydrolyseproduktes entspricht und der pH-Wert wird von 7 auf
2 abgesenkt. Die Hydrolyse der Cp-Ringe in dem pH-Bereich von 2.0-7.0 findet nur in einem
vernachläßigbarem Grad statt, wie in den pH-abhängigen 1H-NMR-Studien von Harding54
und Kuo41 gezeigt werden konnte
Die Hydrolyse-Studien verdeutlichen, daß bei einm pD-Wert von 2.0 auch nach 24 h keine
signifikante Cp-Hydrolyse stattfindet, während es beim pD von 7 zu Intensitätsänderungen
der metallgebundenen Cp-Signale kommt. Das Signal bei 6.0 ppm verkleinert sich, während
eines bei 6.1 deutlich an Intensität gewinnt. Es konnten ebenfalls Peaks bei ca 6.6 ppm und
kleiner bei ca 2.5-3.5 ppm beobachtet werden, was zum einen freiem Cyclopentadien und
zum anderen dem korrespondierendem Dimer zugeordnet werden kann. Im Gegensatz dazu
können die bei 8.0 und 8.5 ppm auftretenden und erstmals bei Hydrolyseexperimenten des
Cp2MoCl2 beobachteten Signale nicht zugeordnet werden54. Bei einer Intensitätsintegration
aller Signale des Spektrums (b) zeigt sich aber, dass es sich bei ca 70% der sich in Lösung
befindlichen Spezies um metallgebundene Cp-Ringe handelt. Untersuchungen bei pD-Werten
bis zu 9.5 weisen ähnliche Ergebnisse auf.
43
M.M.Harding, G.J.Harden, L.D.Field, FEBS Lett.,1993, 322: 291.
24
Tabelle 3:
pKa-Werte der Titan-, Molybdän- und Vanadieum-Metallocen-HydrolyseProdukte im Vergleich zu Cisplatin
Komplexe
Cis-Pt(Nh3)2(H2O)22+
Cp2Ti(H2O)22+
Cp2V(H2O)22+
Cp2Mo(H2O)22+
pKa1
5.6
3.51
4.73
5.5
pKa2
7.3
4.35
5.15
8.5
Jensen, K.A., Z.Aorg.Allg.Chem., 1939, 242:87.
Die in der Tabelle 3 zusammengefaßten pka-Werte einiger Metallocene und Cisplatin machen
deutlich, dass sich die Acidität der Cp2M(H2O)2+ mit dem steigendem Elektronenreichtum des
Metalls verringert. Dies bedeutet, daß Cp2VCl2 und Cisplatin unter physiologischen
Bedingungen als neutral geladene Komplexe vorliegen, während CpMoCl2 als kationische
Spezies vorliegt41. Dieser Unterschied könnte der Grund dafür sein, dass im Vergleich zu
Cisplatin und Cp2VCl2 Molybdocendichlorid eine sehr hohe cytostatischen Aktivität
gegenüber Hep-2-Carcinom in vitro und eine geringere Metallakkumulation in TA3Ha-Zellen
in vitro aufweist44.
44
P.Köpf-Maier, H-Köpf, J.Organomet.Chem., 1988, 342: 167.
25
1.1.12 Molybdocendichlorid- Koordination an Mono-Nukleobasen
Durch NMR-Experimente von wässriger Cp2MoCl2-Lösung mit Mononukleotiden wurde
belegt, dass in Abwesenheit von anderen konkurierenden Bindungspartnern eine Koordination
sowohl an die N-Funktion der Nukleobase als auch an die O-Funktion der Phosphatgruppe
der Mononukleotide stattfindet41. Die kristallographische Aufklärung der Strukturen der
Modelkomplexe von [Cp2Mo(9-Methyadenyl)][PF6], [Cp2Mo(1-Methylcytosyl)][PF6] und
[Cp2Mo(2`-Deoxyguanosin-5`-monophosphat)]2, dargestellt in Abbilung16, weisen zum einen
die chelierende Koordination von Molybdocen an zwei Stickstofffunktionen der Nukleobase
(exo- und endocyclische N-Funktion) und zum anderen die Koordination sowohl an die NFunktion (N7) und O-Phosphatfunktion von Purin-Mononukleotiden41 auf. Beide Ergebnisse
überraschen. Vorhergehende kristallographische Untersuchungen zeigten Beispiele für N7/OPhosphatkoordinationen an polynuklearen Strukturen, an denen das Metallzentrum an
Stickstoff- und Sauerstofffunktionen verschiedener Nukleotidliganden bindet45,46. Der
Modellkomplex ( [Cp2Mo(5`-dAMP)] ist ein seltenes Beispiel für die Koordination des
Metallzentrums sowohl an Stickstoff als auch Sauerstoff (der Phosphatgruppe) an ein und
dem selben Nukleotid41.
Cp
NH2
Cp
Mo
HO
O
N
N
O
P
N
N
O
O
H
H
H
OH
H
1
H
Cp
Cp
Cp
Mo
NH
HN
N
N
N
Mo
N
N
N
H
Cp
N
N
H
2
Abb. 16 Koordination von Cp2MoCl2 an Mono-Nukleobasen
Die Strukturen der Komplexe 1 und 2 in Abbildung 16 zeigen einen scheinbar gespannten
Vierring-Chelat von Mo (IV), entstanden durch die Deprotonierung der Aminogruppe und
gleichzeitige Koordination zu sowohl den endo- als auch exocyclischen Stickstofffunktionen
der Nukleobase. Für Pyrimidine ist jedoch die Korrdination von Metallzentren an den
endocyclischen Stickstoff (N3) oder den Sauerstoff (O2) typisch. Exocyclischen
Aminogruppen sind üblicherweise keine Metallbindungsstellen, es sei denn in stark
basischem Millieu47,48.
45
R.W.Gellert, R.J.Bau, J.Am.Chem.Soc.,1975, 97:7379.
G.Clark, J.D.Orbell, J.Chem.Soc., 1975: 697.
47
L.G.Marzilli, S.J.Lippard ,Ed., Prog.Inorg.Chem. , 1982, 23: 256.
46
26
Für Purinbasen gilt das endocyclische Stickstoffatom (N7) als bevorzugte
Metallbindungsstelle. In den bisher bekannten Beispiele für eine gleichzeitige Koordination
eines Metallzentrums an sowohl N1 als auch N7 von 9-Methyladenin binden Silber (I) und
Cobalt (II) an die N-Funktionen von zwei 9-Methyladeneinliganden49,49. Eine N1Koordination an 9-Methyladenin ist kristallographisch für die Metalle Zink, Platin und
Quecksilber charakterisiert worden50,51,52. Die Kristallstruktur von trans,trans-{Pt(NH3)2(1methyl-cytosyl)2}(NO3)·2H2O zeigt Parallelen zu den Komplexen 1 und 2 auf, da auch dort
eine gleichzeitige Metallbindung an N3 und N4 von 1-Methylcytosin in einem Vierringchelat
beobachtet werden kann53.
1.1.13 Koordination an Oligonukleotide
1
H-NMR und 31P-NMR-Studien geben keinerlei Hinweise darauf, dass es zur Ausbildung von
stabilen Oligonukleotid-Addukten von Cp2MoCl2 in Wasser bei pH 7 kommt54. Die
Ergebnisse der Oligonukleotid-Studien unterscheiden sich stark von denen mit den
Mononukleotiden dAMP, dGMP, dCMP und dUMP41,55. Es scheint so, als ob die OPhosphatbindung dann favorisiert wird, wenn die Ausbildung eines stabilisierenden Chelates
mit einem Nachbarheteroatom möglich ist55. Weiterhin zeigen diese Studien, dass zwar
stabile Metallocen-Oligonukleotidaddukte bei pH ≤ 4 gebildet werden, jedoch keinerlei
Hinweise auf stabile Metallocen-DNA-Addukte unter physiologischen Bedingungen, dh. bei
pH ≥ 6 vorliegen. Dies bedeutet, dass nach neusten Studien die Bildung von MolybdocenDNA-Addukten in vivo nicht der Grund für die Antitumorwirksamkeit sein kann. Im
Einklang dazu stehen neuere Studien, die Proteinkinase C und Topoisomerase II als
potentielle Ziele des Molybdocendichlorids in vivo ausweisen56. Bei der Verwendung von
größeren DNA-Fragmenten gewinnen sterischen Effekte an Bedeutung, da nun
möglicherweise, im Kontrast zu den Mononukleotiden, nicht unbedingt die gleichen
Koordinationsstellen zur Verfügung stehen. Vor diesem Hintergrund scheint es sinnvoll zu
sein, das Reaktionsverhalten von Molybdocendichlorid mit Proteinen und erst einmal mit
deren kleinsten Bausteinen, den Aminosäuren , in wässriger Lösung zu untersuchen.
1.1.14 Molybdocendichlorid-Aminosäureverbindungen
Aminosäurekomplexe von Kupfer, Kobalt und Platin und die verwandten Komplexe mit
Dipeptidderivaten mit Kobalt sind schon seit längerem bekannt57,58,60,59. Eine kurze Übersicht
über Aminosäure-Übergangsmetallkomplexe wird im nächsten Abschnitt gegeben,
ausführlicher wird dieses Thema in einem Aufsatz von Beck abgehandelt77. Mit den
48
W.S.Sheldrick, P.Bell, Inorg.Chim:Acta, 1986, 123: 181.
P.C.Gagnon, A.L.Bauchamp, Acta Crystallogr., !977, B33: 1448.
49
P.De Meester, D.M.L.Goodgame, A.C.Skapski, Z.Warne, Biochim.Biophys.Acta, 1973, 324: 301.
50
M.J.McCall, M.R.Taylor, Biochim.Biophys.Acta, 1975, 390: 137.
51
F.Schwarz, B.Lippert, H.Schöllhorn, U.Thewalt, Inorg.Chim.Acta, 1990, 176: 113.
52
M.J.Olivier, A.L.Beauchamp, Inorg.Chem., 1980, 19: 1064.
53
H.Schöllhorn, R.Beyerle-Pfnur, U-Thewalt, B.Lippert, J.Am.Chem.Soc., 1986, 108: 3680.
54
M.M.Harding, G.Mokdsi, J.P.Mackay, M.Prodigalidad, S.W.Lucas, Ionorg.Chem.,1998, 37: 2432.
55
J.H.Murray, M.M.Harding, J.Med.Chem.,1994, 37: 1936.
56
L.Y.Kuo, A.H.Liu, T.J.Marks, Met.Ions Biol.Syst., 1996, 33: 53.
57
A.C.Kurtz, J.Biol.Chem., 1949, 180: 1253.
58
B.Halpern, A.M.Sargeson, K.R.Turnbull, J.Am.Chem.Soc., 1966, 88:4630.
60
L.E.Erickson, A.J.Dappen, J.C.Uhlenhopp, J.Am.Chem.Soc.,1969, 91: 2510.
59
R.D.Gillard, P.R.Mitchell, N.C.Payne, Chem. Comm., 1968: 1150.
77
W.Beck, K.Severin, R.Bergs, Angew.Chem., 1998, 110: 1722.
49
27
Aminosäuren Glycin, Alanin, Phenylalanin, Valin, Leucin, Isoleucin, Prolin, Methionin,
Sarcosin und N-methylalanin wurden Umsetzungen mit Molybdocendichlorid gemacht, die zu
Komplexen führten, die sowohl über die Sauerstofffunktion der Carboxylgruppe als auch über
die Stickstofffunktion der Aminogruppe der Aminosäure führten und somit stabile
Fünfringchelate ausbilden61. Die Aminosäuren mit einer Schwefelfunktion koordinieren mit
dem Metallzentrum über Schwefel und Stickstoff. Der kristallographischen Beweis für das
tatsächliche Vorliegen eines Chelates zwischen Molybdocendichlorid und den Aminosäuren
wurde bisher noch nicht erbracht. Das Verhalten der Komplexe in wässriger Lösung und
Betrachtungen der Stabilität wurden ebenfalls bisher noch nicht ausreichend untersucht.
Dechelatisierungsexperimente mit Molybdocen-Aminosäurekomplexen in Gegenwart von
Chloridionen ergaben eine sehr langsame Reaktionszeit (ca. 12 h).
Es wird angenommen, daß die Bindung des Metalls an den Stickstoff der Aminofunktion
erhalten bleibt und die Sauerstoffbindung unter Abspaltung von Wasser gelöst wird. Die
Dechelatierung wird bei größeren und sterisch anspruchsvolleren Aminosäuren unterdrückt62.
61
E.S.Gore, M.L.H.Green, Inorg. Phys.Theor., 1970, X : 2315.
28
1.1.15 Anhang I
1.1.15.1 Aminosäurekomplexe mit Übergangsmetallen- ein kurzer Überblick1
Die Biometallorganischen Chemie stellt ein gutes Beispiel für den neuen Trend in den
Naturwissenschaften dar, unterschiedliche Forschungsbereiche miteinander zu Verschmelzen.
Hier führt die Kombination von Metallorganischen Komplexen mit biogenen Liganden zu
Verbindungen mit speziellen chemisch-physikalischen Eigenschaften, deren Potential sich in
der Vielfältigkeit ihrer Anwendungen wiederspiegeln. Es seien nur einige Stichpunkte aus
diesem Bereich erwähnt: Synthese, Markierung und Stabilisierung von α-Aminosäuren und
Peptiden mit speziellen Eigenschaften durch metallorganische Komplexe, Aktivierung durch
diese. Anwendung finden diese beispielsweise in der enatiosellektiven Katalyse. Peptide und
α-Aminosäuren mit ungewöhnlichen Seitenketten führen zur Entwicklung von Immunoassays
auf der Basis von Carbonylkomplexen oder auch zur Entwicklung von „künstlichen
Ribosomen“,
dh
zu
einer
templatgesteuerten
Peptidsynthese
an
chiralen
Halbsandwichkomplexen.
Die α-Aminosäuren und Peptide sind chirale Verbindungen, die unterschiedlichste
funktionelle Gruppen enthalten können, so dass sie im Rahmen der metallorganischen
Komplexchemie vielseitige und überaus interessante Liganden darstellen. Dabei bestehen
zwei Möglichkeiten zur Komplexbildung, zum einen eine Koordination der Aminosäure über
Donatoratome funktioneller Gruppen an metallorganische Fragmente, beispielsweise die
Ausbildung von N,O-Chelaten oder aber eine zusätzliche Koordination über eine funktionelle
Gruppe aus der Seitenkette wie bei Histidin oder Cystein (hiebei fungiert die Aminosäure als
ein dreizähniger Ligand). Zum anderen besteht auch die Möglichkeit einer KohlenstoffMetallbindung der Aminosäure mit dem Metallatom. Funktionelle Gruppen bestimmen
ebenfalls
das
komplexchemische
Verhalten
von
einfachen
Peptiden
und
Aminosäurederivaten. Amidgruppen koordinieren bei Anwesenheit von stark Lewis-sauren
Metallzentren oder bei Zugabe eines Überschusses an Base. Syntheseprinzipien der
Aminosäure-Übergangskomplexe greifen auf Substitutionsreaktionen als einfachste
Herstellungsmethode zurück, insbesondere bei Verbindungen, deren Liganden als „spectator
ligands“ (Cp*, CO, η6-Arene etc.) fungieren. Chlorverbrückte Komplexe haben sich als
besonders gut geeignet erwiesen.
1
K.Severin, R.Bergs, W.Beck, Angew. Chem.,1998, 110: 1722.
29
Carbonylkomplexe mit α-Aminosäuren
Bei dem ersten isolierten und auf Grundlage von IR-spektroskopischen Daten
charakterisierten α-Aminosäure-Carbonylkomplex handelt es sich um [Fe(CysO)2(CO)2].
Dieser Komplex wurde schon im Jahre 1929 beschrieben und es wurde eine N,SChelatstruktur vorgeschlagen2. Neuere Untersuchungen zeigten, dass es sich bei dem aktiven
Zentrum der Ni/Fe-Hydrogebnase ebenfalls um einen Eisencarbonylkomplex handelt, wie in
Abbildung 17.1, dargestellt3.
Mittlerweile sind zahlreiche α-Aminocarboxylat-Carbonylkomplex der Übergangsmetalle Cr,
Mo, W, Mn, Re, Fe, Ru, Os und Rh bekannt. Eine Zusammenfassung wird in dem Artikel von
A.A Iogenson gegeben4.
Aus [Cr(CO)6] und [W(CO)6] mit α-Aminosäure- oder Peptidestern entsteht durch
photochemische Reaktion in Lösung relativ instabile η1- Aminkomplexe, wie in Abbildung
17.2,
CN
NC
CO
OC
Fe
Cys
S
S
Cys
M
OC
Ni
S
OC
CO
OC
S
NH2CHR1COR2
M= Cr, W
OC
OC
H2
N
n
R
M
OC
O
OC
O
M= W, Re
Cys
Cys
1
2
3
Abb. 17 Carbonylkomplexe mit Aminosäuren
dargestellt5. Aber die Umsetzung von Alkalimetall-α-Aminocarboxylaten mit [W(CO)5(thf)]
ergibt N,O-Chelatkomplexe (s. Abbildung 17. 3)6.
Cysteindianionen und Histidinate können als dreizähnige Liganden reagieren und ergeben mit
Tricarbonylverbindungen des Cr, Mo, W und Mn Komplexe, wie sie in Abbildung 20
dargestellt werden7. Bemerkenswert ist dabei, dass das Histidinatanion vom
komplexchemischen Verhalten vergleichbar ist mit dem Hydrotrispyrazolylborat- (Tp) und
dem Cyclopentadienanion (Cp). Analog zu den [TpM(CO)3] und [CpM(CO)3]-Komplexen
(M= Mo, W) reagieren die entsprechenden Histidinat-Tricarbonylmetallkomplexe des Mo und
Cr mit Elektrophilen unter Substitution eines Carbonylliganden8.
In jüngerer Zeit wurden wasserlösliche Tricarbonyldiiminorhenium(I)-Komplexe mit
Histidinatliganden
als
Sensibilisatoren
für
photochemisch
induzierte
9
Elektronentransferprozesse vorgeschlagen .
2
W.Cremer, Biochem.
A.L.de Lacey, E.C. Hatcchikian
4
A.A.Iogenson, Russ.Chem.Rev.1985, 54: 277-292.
5
Y.G.Kovalev, A.A.Ioganson, J.Gen. Chem.USSR,1985, 55: 1081-1083.
6
D.J.Darensbourg, J.D.Draper, J.H.Reibenspies, ibid, 1997, 36: 3648-3656.
7
W.Beck, W.Petri, H.-J.Meder, J.Organomet.Chem.,1980, 191: 73-77.
8
H.-J-Meder, W.Beck,Z.Naturforsch.B,1986, 41: 1247-1254.
9
R.-J.Lin, K.-S.Lin, I.-J.Chang, Inorg.Chim.Acta, 1996, 242: 179-183.
3
30
Umsetzungen von α-Aminosäuren mit Metallcarbonylclustern ergeben seltene und
interessante Koordinationsformen, wie beispielsweise die Umsetzung von dreikernigen
Osmiumcarbonylclustern mit Aminosäureestern, die zu Thiolat- bzw. Alkoholat-verbrückten
Spezies führen10 (s.Abb.18.1). Mit Rhutenium werden ähnliche Verbindungen erhalten11 .
Die Umsetzung von heterodreikernigen, chiralen Hydridoclustern mit der prochiralen
Alaninvorstufe Acetamidoacrylsäuremethylester erfolgt unter Insertion der M-H-Bindung und
Substitution einer Carbonylgruppe. Es entstehen Komplexe, wie sie in Abbildung 18.2
dargestellt sind12. Die vollständige Charakterisierung einer zentralen Zwischenstufe in der
katalytischen enantiosellektiven Hydrierung von Amidoacrylsäurederivaten gelang anhand
eines solchen heterodreikernigem Carbonylclusters mit einer CoRuMo-Einheit.
Hydrierungsreaktionen dieser Art gehören zu den Schlüsselmechanismen in der industriellen
L-Dopa-Synthese aus den entsprechenden Dehydroaminosäuren. Auf weitere α-metallierte
Aminosäurederivate und auf die Funktionalisierung elektronenreicher, phosphanhaltiger
Catbonylkompexe der späten Übergangsmetalle wird in dem Übersichtsartikel von Beck
ausführlicher eingegangen.
R
(CO)4
Os
(OC)3Os
H
Os(CO)2
(OC)3 Co
NH
X
Me
M1Cp(CO)2
O
HN
CO2Et
Me
1
Abb. 18 Carbonylcluster mit Aminosäuren
M2
M1= Mo, W,
M2= Ru, Os
CO2Me
2
N-Acylaminosäuren reagieren in Abhängigkeit von dem Lewis-Säure-Charakter des
Metallatoms (MoII, WII und RuII) durch Koordination der Carboxylgruppe ein(η1) - oder
zweizähnig (η2) . Hierbei verhalten sie sich analog den einfachen Carbonsäuren13.
Von RhI und PtII sind quadratisch planare α-Aminocarboxylatcarbonylkomplexe bekannt,
dargestellt in Abbildung 19.
H
N
OC
R
M
L
O
O
M= Rh, Pt
L= CO, PPh3, Cl
Abb. 19 N,O-Chelate von Aminosäuren mit Pt, Ru-Carbonylkomplexen
10
A.A Ioganson, Y.G.Kovalev, J.Gen.Chem.USSR, 1987, 57: 736-1739.
G.Süss-Fink, T.Jenke, H.Heitz, M.A.Pellinghelli, A.Titpicchio, J.Organomet.Chem. 1989, 379: 311-323.
12
D.Mani, H.-T.Schacht, A.K.powell, H.Vahrenkamp, Chem.Ber., 1989, 122:2245-2251.
13
K.severin, S.Mihan, W.Beck, Chem.ber, 128: 1127-1130.
11
31
η1-Alkyl-, η2-Olefin und η3-Allylkomplexe
Als Modellverbindung für das stark toxische [MeHg]+ in Wechselwirkung mit αAminosäuren und Peptiden wurde der Komplex 1, dargestellt in Abbildung 20.1 isoliert und
röntgenstrukturell charakterisiert14. Diese ergab eine lineare koordination des [MeHg]+ an die
Amino- bzw. Mercaptogruppe der jeweiligen Aminosäuren. Außerdem bestehen im Kristall
intra- und intermolekulare Wechselwirkungen zwischen dem Hg- und Carboxylat-O-Atomen.
Die Untersuchung solcher Wechselwirkungen ist aus physiologischer Sicht von besonderem
Interesse, da Komplexierungsreaktionen die Bioverfügbarkeit von Hg stark beeinflussen
können.
Dimethyl-AuIII-Komplexe mit α-Aminosäuren entstehehen durch Umsetzung der Salze der
entsprechenden Aminosäure mit [Me2Au(OH2)2]NO3. Es enstehen monomere,
lichtempfindliche Komplexe, die N,O-Chelate ausbilden, wie in Abbildung 20.2 gezeigt
wird15. Wird Cystein eingesetzt, so wird ein S,O-Chelat postuliert.
H2
N
Me
H2
N
Me
R
R
Au
Hg
Me
O
O
O
O
2
1
Abb. 20 Hg- und Au-η1-Alkyl-N,O-Chelate mit Aminosäuren.
Bisherige Studien von Platin-Aminosäureverbindungen haben sich bisher auf nichtmetallorganische Komplexe mit Platin in der Oxidationsstufe II wegen der
pharmakologischen Bedeutung von Cisplatin konzentriert. In jüngerer Zeit wurden die
Studien auf η1- Alkyl- und η2-Olefinkomplexe von Pt ausgedehnt.
Oktaedrische Di- und Trimethylkomplexe von PtIV mit Glycinat ergeben ebenfalls N,OChelate16. Zu den bestuntersuchtesten α-Aminocarboxylat-Olefinkomplexen gehört der PtIIKomplex aus Abbildung 21.117, das in zwei stabilen Isomeren vorliegen kann.
H
N
Cl
R
Ru
Pt
Cl
O
H
N
R
O
O
O
1
2
Abb. 21 η2- und η3-gebundene Pt- und Ru-N,O-Aminosäurechelatkomplexe.
14
M.C.Corbeil, A.Beauchamp, S.Alex, R.Savoie, Can.J.Chem, 1986, 64: 1876.
R.S.Tobias, C.E.Rice, W.Beck, B.Purucker, K.Bartel, Inorg.Chim.Acta, 1979, 35: 11.
16
T.G.Appleton, J.R.Hall, T.G.Jones, J.A.Sinkinson, Polyhedron, 1995, 14: 2613.
17
Y.Zhou, B.Wagner, K.Polborn, K.Sünkel, W.Beck, Z.Naturforsch. B,1994, 49: 1193.
15
32
Weitere η2-Olefinkomplexe mit chelatartiger Anbindung von Aminosäuren sind von Rh, Ir
und Ru bekannt18,19 . Als Diene wurden Norbornadien oder Cyclooctadien eingesetz. Bei der
Reaktion von Histidinat oder mit Anionen schwefelhaltiger Aminosäuren werden Komplexe
gebildet, die eine zwei-, drei- oder vierzähnige Chelierung durch die entsprechenden
Aminosäure (S,N,- S,N,O- N,N,O- S,S,N,O) aufweisen können20.
In der Verbindung [{(η3:η3-C10H16)RuCl2}2] liegt RuIV vor und bei dem Chlorid-freien Kation
handelt es sich um ein chirales Fragment. Die Umsetzung von Salzen von α-Aminosäuren
führt zu neutralen, trigonal-bipyramidal koordinierten Komplexen21, dargestellt in Abbildung
21.2. Allyl-PdII-Komplexe mit Aminocarboxylatliganden sind schon seid längerem bekannt
und verhalten sich in Lösung dynamisch22. Komplexe ähnlicher Struktur werden als
Zwischenstufen bei der asymmetrischen α-Allylierung von Carbonylverbindungen
diskutiert23.
η5-Cyclopentadienyl- und η6-Arenkomplexe
Der erste synhtetisierte Halbsandwichkomplex war ein η6-Benzol-η3-Allyl-Komplex des Mo
mit einem α-Aminocarboxylatliganden24. Seitdem sind zahlreiche solcher Verbindungen
synhtetisiert und charackterisiert worden, wobei das Zentralatom als ein zusätzliches chirales
Zentrum wirkt. Dies macht solche Verbindungen im Hinblick auf ihr Potential für
stereosellektive Synthesen interessant.
Durch Umsetzung von [CpM(CO)3Cl] mit α-Aminocarboxylatkomplexen erhält man chirale
Komplexe des Mo und W25. Ein Austausch der Carbonylliganden durch Nitrosyl- oder
Iodidliganden ist möglich und man erhält auch hier Komplexe, die sich durch ihre
„Klavierhocker“-Geometrie auszeichenen26 (siehe Abbildung 22.1).
Durch Umsetzung von Aminocarboxylaten oder Aminosäure-N-Glycosiden mit
halogenverbrückten Komplexen [{Cp*MX2}2] erhält man Verbindungen des Co, Rh, Ir und
Ru, die sich stark im Hinblick auf Struktur und Reaktivität ähneln20,21,27( siehe Abbildung
22.2).
M
R
N
H
OC
CO
1
18
M= Co, Rh, Ir, Os
NH
X
O
M= Mo, W
M
R
O
O
X= I, Cl, PR3
verschiedene aromatische
Systeme
O
2
Abb. 22 η5- Cyclopentadienyl- und η6-Aren-N,O-Aminosäurechelatkomplexe.
C.Potvin, L.Davignon, G.Pannetier, Bull.Soc.Chim.Fr., 1975, 507.
W.S.Sheldrick, R.Exner, Inorg.Chim.Acta, 1992, 195:1.
20
W.S.Sheldrick, R.Exner, Organomet. Chem.,1990, 386: 375.
21
K.Severin, S.Mihan, W.Beck, Chem.Ber., 1995, 128: 1117.
22
E.Schumann, C.Robl, W.Beck, Z.Naturforsch.B, 1994, 49:1569.
23
K.Hiroi, J.Abe, K.Suya, K.Sato, T.Koyama, J.Org.Chem., 1994, 59: 203.
24
M.L.H.Green, L.C.Mitchard, W.E.Silerthorn, J.Chem.Soc.Dalton Trans., 1973, 1403.
25
W.Petri, J.meser, M.Girnth-Weller, K.Bartel, V.Bejenke, G.Huttner, W.beck, Chem.Ber., 1982, 115: 846.
26
M.Maurus, B.Aechter, W.Hoffmüller, K.Polborn, W.Beck, Z.Anorg. Allg. Chem., 1997, 623: 299.
27
R.Bergs, K.Sünkel, C.Robl, W.Beck, J.Organomet.Chem.,1997, 533:247.
19
33
Mit einfachen Aminosäureanionen werden N,O-Chelate erhalten, während es bei
Aminosäuren mit koordinierenden Seitenkette zu Mehrfach-Chelaten kommen kann. Bei
Reaktionen mit Histidin können sich N,O,N- bei Asparagin und Asparaginsäure zu N,O,Ound bei Methionin und Penicillamin zu N,O,S-Chelate ausbilden28. Der {Cp*Co}Asparaginatkomplex
co-kristallisiert
mit
Alkalimetallhalogeniden,
wobei
das
27
Asparaginatanion als bis zu achtzähniger Ligand wirken kann .
Durch die cytostatische Aktivität liegt in letzter Zeit das besondere Augenmerk auf
Bis(cyclopentadienyl)-Komplexen
der
frühen
Übergangsmetalle,
speziell
auf
Titanocendichlorid.
Aminosäurekomplexe
des
Titanocendichlorids
sind
als
IV
Modellverbindungen für die Wechselwirkung mit biologisch relevanten Liganden des Ti
synthetisiert und charakterisiert worden, die eine η1-Koordination der Carboxylatgruppe mit
freien protonierten Aminogruppen aufweisen. Sie besitzen ebenfalls Antitumoraktivität29,30.
Die analoge [Cp2NbCl2]-Verbindung weist in wässriger Lösung keine Wechselwirkung mit
Aminosäuren auf31, während eine Koordination von C,N-geschützen α-Aminosäuren an
{ZrCp2}-Fragmente stattfindet32.
N,O-Chelate von Molybdänverbindungen mit Aminosäuren lassen sich aus [Cp2MoCl2]
synthetisieren33,34.
Wolfgang
Beck
stellt
in
seinem
Aufsatz
„Biometallorganische
ChemieÜbergangsmetallkomplexe mit α-Aminosäuren und Peptiden“ eine Vielzahl von weiteren
Verbindungen aus dem Gebiet der Aminosäuren und Peptide mit metallorganischen
Seitenketten, mit metallorganischen Schutzgruppen, Synthese von α-Aminosäuren und
Peptiden mit Hilfe metallorganischer Verbindungen, vor und geht auf die Verwendung von
metallorganischen Aminosäurekomplexen als Markierungsreagentien und in der Katalyse ein.
Hier wird auf diese Gebiete nicht weiter eingegangen.
28
W.S.Sheldrick, E.Hauck, S.Korn, J.Organomet.Chem., 1994, 467: 283.
I.C.Tornieprth-Oetting, P.S.White, Organometatallics, 1995, 14: 1632.
30
P.Köpf-Meier, I.C.Tornieporth-Oetting, Biometals, 1996, 9: 267.
31
M.M.Harding, M.Pritigalidad, M.J.Lynch, J.Med.Chem., 1996, 9: 267.
32
M.Oberhoff, G.Erker, R. Fröhlich, Chem.Eur.J., 1997, 3: 1521.
33
E.S.Gore, M.L.H.Green, J.Chem.Soc. A, 1970, 2315.
34
H.Wautier, V.Daffe, M.-N.Smets, J.Fastrez, J:Chem.Soc.DaltonTrans., 1981, 2479.
29
34
1.1.15.2 Metalle in der Medizin- ein kurzer Überblick35
Das Forschungsgebiet der Bioanorganischen Chemie besitzt im Hinblick auf
Anwedungsmöglichkeiten in der Medizin („elemental medicine“) ein großes Potential und
erhielt großen Auftrieb durch den Erfolg von Cisplatin, dem weltweit meistverkauften Mittel
gegen Krebs. Die „elemental medicine“ ist ein bedeutendes neues Gebiet in der Chemie, dass
eine vielversprechende Perspektive im Bereich von Entwicklung neuartiger Therapeutica und
Diagnostica und damit zum Verständniss und zur Behandlung von zur Zeit kaum
behandelbaren Krankheiten, bietet. In Abbildung 23 sind die Kerngebiete der medizinisch
ausgerichteten Anorganischen Chemie schematisch dargestellt.
Spurenelemente
Nahrungszusätze
(zB. Fe, Cu, Zn, Se)
Chelattherapie
Diagnostica für MRI
(zB. Gd, Mn)
Röntgen (zB. Ba, I)
medizinisch ausgerichtete
Anorganische Chemie
"Targeting der Elemente"
Steuerung der Toxizität
Therapeutica
(zB. Li, Pt, Au, Bi)
Enzyminhibitoren
Radiopharmazeutica
für die Diagnose (zB. 99mTc)
für die Therapei (z.B.186Re)
Abb. 23 Kerngebiete der medizinisch ausgerichteten Anorganischen Chemie
35
Z.Guo, P.J.Sadler, Angewe.Chem., 111: 1610.
35
MRI-Kontrastmittel
Eine der aussagekräftigsten Untersuchungsmethoden in der klinischen Diagnostik ist die MRI
(„magnetic resonanz imaging“ = Magnetresonanz-Tomographie). Durch Verabreichung von
Kontrastmitteln in Form von paramagnetischen Reagentien ist man in der Lage, durch
Unterschiede in den 1H-NMR-Signalen (hauptsächlich von Wasser) normales und anomales
Gewebe zu erkennen. Bei den Kontrastmitteln handelt es sich meistens um Verbindungen, die
GdIII, MnII oder FeIII-Ionen mit mehreren ungepaarten Elektronen (7 bzw. jeweils 5) im Highspin-Zustand und mit langen Relaxationszeiten, enthalten36. Bisher sind vier GdIII-Komplexe
zugelassen und werden intensiv zB. zum Aufspüren von Anomalien in der Blut-HirnSchranke genutzt37. Abbildung 24 zeigt ein Beispiel einer solchen angewendeten GdIIIVerbindung. Weitere Studien haben gezeigt, daß auf der Grundlage von derivatisierten
löslichen und unlöslichen Polysacchariden der Einsatz von mehrkernigen paramagnetischen
Verbindungen möglich ist38.
COO-
-
OOC
N
N
Gd3+
N
-
OOC
N
COO-
Abb. 24 [Gd(dota)]- -Komplex als Kontrastmittel in der MRI
Ein verzerrt oktaedrischer MnII-Komplex [Mn(dpdp)]4- wird zur Erhöhung des Kontrastes bei
Leberaufnahmen eingesetzt und dient zum Aufspüren von Leberzellkarzinomen39.
Weitere als MRI-Kontrasmittel eingesetzte Verbindungen sind superparamagnetische
Nanopartikel aus mit Dextran überzogenem Eisenoxid40.
36
J.A.Peters, J.Huskens, D.J.Raber, Prog. Nucl. Magn. Reson. Spec., 1996, 28: 283.
M.Schaefer, Met.Based Drugs, 1997, 4:159.
38
S.W.A.Blight, C.T.Harding, P.J.Sadler, R.A.Bulman, G.M.Bydder, J.M.Pennock, J.D.Kelly, I.A.Latham,
J.A.Marriott, Magn. Reson. Med., 1991, 17: 516.
39
B.Gallez, G.Bacic, H.M.Swartz, Magn. Reson. Med., 1996, 35: 14.
40
I.Berry, S.Benederbous, J.P.Ranjeva, D.Graciameavilla, C.Manelfe, D.Lebihan, Magn.Reson.Med., 1996, 36:
415.
37
36
Radiopharmaka
Starke γ-Strahler wie 201Tl, 111In, 67Ga, 51Co, 51Cr, 169Yb und insbesondere 99mTc haben nach
wie vor große Bedeutung als Radionuclide zur Bildgebung bei der Diagnostik. Das Interesse
liegt aber auch auf β-Strahlern wie 89Sr, 153Sm und 186Re für die Therapie41. Der 99mTcKomplex [99mTcIV(d,l-hm-pao)] ist ein zugelassenes Perfusionsmittel zur Diagnose von
Schlaganfällen. Der Komplex wird vom Gehirn aufgenommen und dort in eine hydrophile
Substanz mit längerer Verweilzeit umgewandelt42.
Monoklonale Antikörper (mAbs) in Verbindung mit Radionucliden wie zB. das 111In, werden
in der klinischen Diagnostik von Grimm/Mastdarm- und Eierstockkrebs eingesetzt43.
Wesentliche Fortschritte konnte man mit der Weiterentwicklung rezeptorspezifischer
Radiopharmaka mit 99mTc erzielen44. Ein weiteres vielversprechendes Forschungsgebiet ist
der Einschluß von Radionekleotiden in Fulleren, die die Freisetzung am gewünschten Ort
ermögliche sollen45.
Antiinfektiva
Schon seit längerer Zeit werden Silber und einige seiner Verbindungen gegen Mikroben
eingesetzt. Silber wirkt schon in geringen Konzentrationen und hat keine ausgeprägte
Toxizität aufzuweisen. Silbersulfadiazin wird in der Klinik gegen Mikroben und
Pilzinfektionen eingesetzt. Es handelt sich um eine unlösliche, polymere Verbindung, die die
AgI-Ionen langsam freisetzt und bei schweren Verbrennungen als Salbe zur Vorbeugung
gegen bakterielle Infektionen lokal angewendet wird. Industrielle Anwedung findet auch die
langsame Freisetzung von AgI-Ionen aus anorganischen und organischen Polymermatrices46.
Wie genau AgI als Zellgift wirkt, ist unbekannt, aber möglicherwiese spielt die Zerstörung
von Zellwänden ein Rolle. Man kennt auch Silberresistente Bakterien und ist auf dem Weg
zum besseren Verständniss des Mechanismus47.
Antimon gehört zu den Elementen, die schon sehr lange zu medizinischen Zwecken
verwendet werden. Zwei SbV-haltige Arzneimittel, N-Methylglucaminantimonat
(Glucantime) und Natriumstibogluconat (Pentostam), werden in der Klinik zur Behandlung
von Leishmaniasis, einer von intrazellulären Parasiten verursachten Krankheit, eingesetzt48.
Die darin enthaltenen Kohlenhydrate dienen wahrscheinlich dazu, SbV an die Makrophagen
abzugeben. Die SbV-Komplexe sind möglicherwiese nur Vorstufen der toxischen SbIIIKomponenten, die dann in der Nähe des Wirkortes gebildet werden.
Die Wirksamkeit von Desferrioxamin in der Malariabehandlung hängt wahrscheinlich damit
zusammen, dass es durch Eisenchelierung den FeIII-Metabolismus in den
Verdauungsvakuolen von Malariaparasiten unterbricht49.
Verschiedene Antisense-Oligonucleotide erwiesen sich als wirksame Inhibitoren der HIV-1Intergrase. Sie enthalten Desoxyguanosin und Thymidin und falten sich in Gegenwart von K+-
41
J.P.Sadler, Adv.Inorg.Chem., 1991,36: 1-4.
P.F.Sharo, F.W. Smith, H.G.Gemmell, D.Lyall, N.T.S.Evans,
D.Gvozdanovic,J.Davidson,D.A.Tyrell,R.D.Pickett,R.D.Neirinckx, J.Nucl.Med., 1986, 27:171.
43
R.T.Maguire V.L.Pascucci, A.N.Maroli, J.V.Gulfo, Cancer,1993, 72: 3453.
44
R.K.Hom, J.A. Katzenellenbogen, Nucl.Med.Biol., 1997, 24: 485.
45
D.W.cagle, T.P.Thrash, M.Alford, L.P.F.Chibante, G.J.Ehrhardt, L.J.Wilson, J.Am.Chem.Soc., 1997, 118:
8043.
46
S.P.Fricker, Toxicol. In vitro, 1994, 8: 8043.
47
A.Gupta, K.Matsui, J.F.Lo, S,Silver, Nature Med., 1999, 5: 183.
48
J.D.Berman, Clin. Infect.Dis., 1997, 24: 684.
49
Z.I.Cabantchik, H.Glickstein, J.Goldenser, M.Loyevsky, A.Tsafack, Acta Haematol., 1996, 95: 70.
42
37
Ionen zu Strukturen aus vier Strängen, die durch zwei parallele Schichten von
Guaninquartetten ausgezeichnet sind50.
Makrocyclische Bicyclam-Zinkkomplexe gehören ebenfalls zu den wirksamsten HIVInhibitoren. Sie scheinen dabei mit bestimmten Corezeptoren zu wechselwirken und so das
Eindringen des HIV-1 und die Membranfusion in den frühen Phasen des Replikationscyclus
des Retrovirus zu blockieren51.
Mimetica für Superoxid-Dismutase
Das von aktivierten Leukozyten und Endothelzellen gebildete Superoxid O2- ist ein freies
Radikal, das man für ischämische Erkrankungen infolge von einer Reperfusion sowie für
Entzündungen und Gefäßerkrankungen als Mediator verantwortlich macht. Mit NO reagiert
es zum schädlichen ONO2- Peroxynitrit. Die Superoxid-Dismutase (SOD) ist ein
Metallenzym, daß O2- zerstören kann. Im Cytoplasma von eukaryotischen Zelle wirken Cu,
Zn-SOD-Komplexe, in Mitochondrien dagegen Mn-SOD-Komplexe. Durch die kurze
Halbwertzeit des SOD im Plasma und ausschließliche extrazelluläre Aktivität (kann die
Zellmembran nicht durchdringen), sind niedermolekulare SOD-Mimetica von großem
pharmazeutischen Interesse52. MnII - und MnIII- Komplexe von Porphyrinen und anderen
Makrocyklen scheinen dabei am vielversprechendsten zu sein53. Sie sind sowohl beim Schutz
von Herzmuskeln und bei Erkrankungen des Gehirns wie Parkinson oder Alzheimer als
Therapeutika denkbar54.
50
J.S.Bishop, J.K.Guycaffey, J.O.Ojwang, R.S.Smith, M.E.Hogan, P.A.Cossum, R.F.Rando, N.Chaudharxý,
J.Biol.Chem., 1996, 271. 5698.
51
G.A.Donzella, D.Schols, S.W.Lin, J.A.Este, K.A.Nagashima, P.J.Maddon, G.P.Allaway, T.P.Sakmar,
G.Henson, E.DeClerq, J.P.Moore, Nature Med., 1998, 4: 72.
52
M.M.Hardy, A.G.Flickinger, D.P.Riley, R.H.Weiss, U.A.Ryan, J.Biol.Chem., 1994, 269: 18535.
53
D.P.Riley, P.J.Lennon, W.L.Neumann, R.H.Weiss, J.Am.Chem.Soc., 1997, 119: 6522.
54
S.Melov, J.A.Schneider, B.J.Day, D.Hinterfield, P.Coskun, S.S.Mirra, J.D.Crapo, D.C.Wallace, Nature
Genet., 1998, 151: 281.
38
Kardiovaskuläres System
Der einzige klinisch eingesetzte Nitrosylkomplex ist der low-spin-FeII-Komplex
Natriumnitroprussid, dargestellt in Abbildung 2555. Er wird zur Erniedrigung des Blutdrucks,
bei akut auftretendem Bluthochdruck, bei Herzinfarkt und bei Operationen eingesetzt. Der
therapeutische Effekt beruht auf der Freisetzung von Stickstoffmonoxid, was zur
Entspannung der glatten Muskulatur der Blutgefäße führt. Es findet wahrscheinlich bei der invivo-Aktivierung
ein Reduktion zu [Fe(CN)5(NO)]3- statt, was zunächsteinmal die
Freisetzung von Cyanid unter Bildung von Fe(CN)4(NO)]2- und danach Stickstoffmonoxid
bewirkt56.
Rutheniumkomplexe wurden als NO-Fänger zur Kontrolle des NO-Spiegels vorgeschlagen.
Die übermäßige Bildung von NO im Körper scheint nicht nur eine wesentliche Bedeutung bei
septischem Schock zuhaben, sondern auch eine Rolle zu spielen bei Diabetes, Arthritis,
Entzündungen und Epilepsie.
2NC
NC
NO
CN
Fe
CN
CN
Abb. 25 Natriumnitroprussid, low-spin-FeII-Komplex
55
I.H.Tuzel, J.Clin.Pharmacol., 1974, 14: 494.
A.R.Butler, A.M.Calsey-Herrison, C.Glidewell, I.L.Johnson, J.Reglinski, W.E.Smith, Inorg.Chim.Acta, 1988,
151: 145.
56
39
Insulinmimetica
Vanadat(VV)- und Vanadyl(VIV)-Verbindungen sind in der Lage, Insulin bezüglich der
Stimulierung der Aufnahme und Oxidation von Glucose sowie der Glycogensynthese
nachzuahmen57. Durch Einsetzten von organische Liganden entstehen Vanadiumkomplexe,
die weniger toxisch, besser wasserlöslich und lipophiler sind. Der Vanadiumkomplex aus
Abbildung 26 wird oral verabreicht und ist in vivo als Insulimmimetikum dreimals so aktiv
wie VOSO458. Bei einer weiteren Verbindung, die die Insulin-abhängige TyrosinkinaseAktivität der Insulinrezeptoren aktiviert, handelt es sich um ein niedermolekulares
Oligopeptid, dass aus CrIII und den Aminosäuren Asp, Glu, Gly und Cys besteht. Die
Aktivität der Verbindung ist dem Cr-Gehat des Oligopeptids proportional59.
H3C
O
O
O
O
V
O
O
O
CH3
Abb. 26 Bis(maltolato)oxovanadium (IV)-Komplex (BMOV), Insulinmimetikum
Photodynamische Therapie
Die photodynamische Therapie ist ein Methode, bei der krankes Gewebe und kranke Zellen
mit einem Photosensibilator und sichtbare Licht behandelt werden60. Benötigt werden dabei
Photosensibilatoren, die eine gewisse Selektivität für die lichtinduzierte Zerstörung von
Tumorgewebe aufweisen. Das klinische Interesse konzentriert sich auf die Behandlung von
Krebs, Porphyrias, hämatologische Krankheiten und auf verschiedene Formen der Gelbsucht.
Bei der Verbindung Zinn(IV)-ethyltiopurpurin handelt es sich um einen Photosensibilisator
der zweiten Generation. Der Komplex bindet bevorzugt an die Lipoproteine hoher Dichte im
Blutplasma. Er befindet sich zur Zeit in klinischer Prüfung61. Komplexe der Texaphyrine
(expandierte Porphyrine) mit CdII, LaIII und LuIII sind ebenfalls wirksame
Photosensibilisatoren62. Durch intensive Absorption im physiologisch wichtigem
Spektralbereich des fernen Rot (700-800 nm) liefern sie langlebige Triplettzustände und in
der Folge eine hohe Ausbeute an cytotoxischem Singulettsauerstoff63.
57
Y.Schechter, S.J.D.Karlish, Nature, 1980, 286: 556.
V.G.Yuen, C.Orvig, J.H.McNeill, Can.J.Physiol. Pharmacol., 1995, 73: 55.
59
C.M.Davies, J.B.Vincent, Biochemistry, 1997, 36 : 4382.
60
R.Bonnett, Chem.Soc.Rev.,1995: 19.
61
L.Polo, E.Reddi, G.M.Garbo, A.R.Meregan, G.Jori, Cancer Lett., 1992, 66: 217.
62
J.L.sessler, G.Hemmi, T.D.Mody, T.Murai, A.Burell, S.W.Young, Acc.Chem.Res., 1994, 27: 43.
63
S.W.Young, K.W.Woodburn, M.Wright, T.D.Moody, Q.Fan, J.L.Sessler, W.C.Dow, R.A.Miller,
Photochem.Photobiol., 11996, 63: 892.
58
40
Organische Reagentien mit Affinität zu Metallen
Bei den organischen Verbindungen Galardin (Glycomed), Ro33119790, Batimastat (BB-94)
und BB-2222555516 handelt es sich um eine Verbindungsklasse, die als Inhibitoren der
Matrix-Metalloproteinasen (MMPs) wirken. MMPs gehören zu einer Familie Zinkabhängiger Enzyme, die die Hauptkomponenten der extrazellulären Matrix abbauen. Sie
werden mit verschiedenen Krankheiten wie Krebs, Arthritis und multipler Sklerose in
Verbindung gebracht. Inhibitoren dieser Enzyme enthalten gewöhnlich eine Gruppe, die
durch Chelatisierung an das Zink(II)-Ion im aktiven Zentrum binden kann, und ein zur
Peptidspaltungsstelle komplementäres Peptidgerüst64(siehe Abbildung 27).
Bleomycine (BLMs) sind Glycopeptid-Antibiotica mit cytostatischer Wirkung gegen eine
Reihe von Tumoren65. Es wird angenommen, dass BML-Komplexe vermutlich auf
delokalisierte π-Elektronen um das Eisen und die starke Eisen-Pyrimidin-π-Rückbindung
zurückzuführen ist. Oxygeniertes BLM nimmt ein zusätzliches Elektron auf und bildet ein
aktiviertes low-spin-Ferriperoxid-BLM (O2—FeIII-BLM)66. Es ist noch unklar, welche
strukturellen Charakteristika des Fe-BLM-Komplexes für den DNA/RNA-Abbau
verantwortlich sind.
Tasche, wichtige Komponente
für die Aktivität und Selektivität
zinkbindende Gruppen
R2
O
O
R4
H
N
HO
N
H
N
H
R1
ein Substituent
O
R3
eine große Vielfalt an Gruppen
Abb. 27 Das Peptidgerüst von Matrix-Metallproteinase-Inhibitoren.
64
R.P.Becket, A.H.Davidson, A.H.Drummond, P.Huxley, M.Whittaker, Drug Discovery Today, 1996, 1: 16.
J.Stubbe, J.W.Kozarich, W.Wu, D.E.Vandervall, Acc.Chem.Res., 1996, 29: 322.
66
K.E.Loeb, J.M.Zaleski, T.E.Westre, R.J.Guajardo, P.K.Mascharak, B.Hedman, K.O.Hodgson, E.I.Solomon,
J.Am.Chem.Soc., 1995, 117: 4545.
65
41
Metallhaltige Cytostatika auf Nicht-Platin Basis
Über Cisplatin und einige Platinverbindungen der neueren Generation ist am Anfang dieser
Einleitung schon näher eingegangen worden und wird hier nicht weiter vertieft. Ich verweise
interessierte Leser auf die dort zitierte Literatur und selbstverständlich auf den
Übersichtsartikel von Guo und Sadler, der sich sehr ausführlich mit diesem Thema
beschäftigt. Das gleiche gilt für die Metallocene von Ti, Mo, V, Fe, Nb, Ge und Sn.
Tetraedrische Bis(diphoshpanyl)gold(I)-Komplexe sind bei einer Reihe von Krebsmodellen
wirksam, wobei sich der Wirkungsmechanismus stark von dem des Cisplatin unterscheidet.
Hier sind die Mitochondreien die bevorzugten Angriffsstellen, in denen das
Membranpotential zerstört wird. Allerdings erwies sich der Komplex auch als zu toxisch für
das Herz. An der Modifizierung zur Verbesserung der Verträglichkeit wird noch gearbeitet67.
Ebenfalls bekannt für ihre Krebswirksamkeit sind Galliumsalze. Dabei wird wahrscheinlich
GaIII mit Hilfe des Serumproteins Transferrin in Tumorzellen hineintransportiert und entfaltet
dort sein Wirksamkeit. Außerdem besteht großes Interesse an Galliumsalzen wegen ihres
synergistischen Effekts mit Cisplatin bei der Behandlung von Lungenkrebs und Karzinomen
des Urothels68. GaIII-Maltolat befindet sich momentan in klinischer Studie zur Behandlung
von Erkrankungen des Knochens und seines Umfeldes69.
Die Wirksamkeit von Ru(III)-Komplexen ist gegen Metastasen deutlich höher als gegen die
Primärtumore. Auch hier wird angenommen, dass RuIII mit Hilfe von Transferrin in die
Tumorzellen gelangt70. Möglicherweise findet in vivo eine Reduktion von RuIII zu RuII , das
dann die aktive Spezies darstellt. Sowohl RuII als auch RuIII bilden bevorzugt an das N7-Atom
von G-Resten. Es ist aber auch eine Anbindung an A- und C-Reste möglich71.
Goldpräperate gegen Arthritis und Bismutpräperate gegen Ulcus
Die Komplexe Natriumaurothiomalat 1, Aurothioglucose 2 und Natriumthiopropanolsulfonat
3 (siehe Abbildung 28) werden klinisch zur Behandlung von schweren Fällen von
rheumatischer Arthritis durch Injektion verabreicht72.
NaO
2HC
OH
O
O
S
Au
Au
S
HO
S
OH
Au
SO3Na n
OH
O
OH
ONa
n
n
Abb. 28 Goldpräparate gegen Arthritis (Natriumthiomalat, Aurothioglucose, NatriumAurothiopropanolsulfonat).
67
S.J.Berners-Price, R.J.Bowen,P.Galettis, P.C.Healy, M-J-McKeage, Coord. Chem.Rev, 1999.
R.Dreicer, K.J.propert, B.J.Roth, L.H.Einhorn, P.J.Loehrer, Cancer, 1997, 79: 110.
69
L.R.Bernstein(GeoMed), US-A 57474482, 1998.
70
F.Kratz, M.Hartmann, B.K.Keppler,L.Messori, J.Biol.Chem.,1994, 269: 2581.
71
M.J.Clarke, M.Stubbs, Met. Ions.Biol.Syst., 1996, 32: 727.
72
C.F.Shaw III in Gold-Progress in Chemistry, Biochemistry und Technology (Hrsg. H.Schmidtbauer), Wiley,
New York, 1999: 259.
68
42
Bismutverbindungen nutzt man schon seid mehr als zwei Jahrhunderten zur Behandlung von
Erkrankungen des Magen-Darm-Traktes73. Verwendet werden die BiIII-Verbindungen als
Nitrate, Salicylate und das kolloidale, basische Bismutcitrat. Im Übersichtsartikel von Guo
und Sadler und der darin angegeben Literatur wird dieses Thema ausführlicher behandelt.
Neuropharmakologie
Die Rollen von Na+, K+ und Ca2+ in der Neurochemie sind wohlbekannt. Neu ist, dass
offensichtlich Fe und Cu-Enzyme Biosythesewege für Neurotransmitter kontrollieren können.
Daneben hat man herausgefunden, dass der Zn2+-Spiegel im Hippokampus während der
Neurotransmission millimolar ist. Auch Mn kommt im Gehirn in Form von Enzymen wie der
Glutamin-Synthase und der Superoxid-Dismutase in größeren Mengen vor. Es wird
angenommen, dass die Steuerung der Neurochemie der Metalle entscheidend ist sowohl für
die Hemmung einer Neurodegeneration, als auch zum besseren Verständnis und vielleicht
auch zur wirksameren Behandlunge von Krankheiten wie Parkinson, senile Demenz,
Alzheimer oder aber auch von Creutzfeld-Jakob (CJD). Bei dem wahrscheinlichen Auslöser
von CJD handelt es sich um ein Cu-haltiges Protein74.
73
G.F.Baxter, Chem.Br.,1992, 28: 445.
D.R.Brown, K.Qin, J.W.Herms, A.Madlung, J.Manson, R.Strome, P.E.Fraser, T.Kruck, A.von Bohlen,
W.Schulz-Schaeffer, A.Giese, D.Westaway, H.Kretschmar, Nature, 1997, 390, 684.
74
43
1.2 Aufgabenstellung
Im Rahmen dieser Arbeit sollen Aminosäure-Komplexe der beiden cytostatisch aktiven
Metallocene des Molybdäns und Titans dargestellt werden.
Alle Verbindungen sollen strukturell charakterisiert und auf ihr Verhalten in wässrigem oder
wasserähnlichem Medium untersucht werden. Es sollen wenn möglich Stabilitätskonstanten
der Verbindungen bestimmt werden. Durch den Einsatz von Methoden wie der
Potentiometrischen Titration oder ESI-MS werden Aussagen über in Lösung vorliegende
Spezies gemacht werden. Es wird ein Vergleich zwischen den beiden MetallocenAminosäure-Verbindungen des Molybdäns und des Titans bezüglich ihres Verhaltens in
Lösung und ihrer Stabilitäten gezogen.
44
1.3 Ergebnisse und Diskussion
1.3.1 Allgemeines:
Die Forschungen der jüngsten Zeit bringen Enzyme wie Transferrin, Proteinkinase und
Topoisomerase C1,2 in Zusammenhang mit Fragen zum Wirkungsmechanismus der
cytostatischen Aktivität der Metallocendichloride Cp2MoCl2 und Cp2TiCl2. Es erscheint daher
sinnvoll, das Reaktions- und Koordinationsverhalten dieser Metallocendichloride mit αAminosäuren als kleinste Einheiten der Protein- und Enzymstrukturen näher zu betrachten.
Schwerpunkte dieser Arbeit liegen zum einen in der Darstellung und Charakterisierung der
Metallocen-Aminosäure-Verbindungen des Molybdäns und Titan, zum anderen in
Untersuchungen der Verbindungen in Lösung. Die Aufmerksamkeit konzentriert sich hierbei
auf das Koordinationsverhalten der biologischen Liganden an die Metallocene und die
Betrachtung der Stabilitäten in wässrigem und wasserähnlichem Medium, um möglichst
große Ähnlichkeiten mit dem physiologischen Medium Wasser herzustellen. Einerseits sollen
dadurch Kenntnisse über Bindungsverhältnisse im Feststoff und in Lösung gesammelt und
miteinander verglichen werden. Andererseits soll am Ende dieser Diskussion eine „zaghafte“
Prognose bezüglich der cancerostatischen Wirksamkeit der biologisch modifizierten
Metallocenverbindungen im Hinblick auf eine mögliche Verbesserung der Löslichkeiten und
Toxicitäten gewagt werden.
Bei den verwendeten Aminosäuren handelt es sich um Phenylalanin (Phe), Leucin (Leu),
Valin (Val), Serin (Ser), Histidin (His), Prolin (Pro) und Tryptophan (Trp). Im Anhang II sind
die Strukturen der verwendeten Aminosäuren ( = AS) dargestellt. Eingehender untersucht und
diskutiert werden die Verbindungen mit den Aminosäuren Phenylalanin, Leucin und Valin
(Abb.29). Sie besitzen im Rest R keine weiteren funktionellen Gruppen ( wie OH, SH oder
NH2), so daß erst einmal lediglich die Aminosäurefunktion (Carboxyl- und Amingruppe) zur
Koordination zur Verfügung steht. Die Intension ist, erst das Koordinationsverhalten der
Aminosäuregruppe
aufzuklären,
bevor
Untersuchungen
an
MetallocenAminosäureverbindungen, die weitere funktionelle Gruppen enthalten, durchgeführt werden
können. Die nächst höhere Untersuchungsstufen wären kleine Peptide, zunächst ohne
Aminosäuren mit zusätzlichen funktionellen Gruppen, dann welche mit funktionellen
Gruppen bis hin zu kleinen Protein- und Enzymstrukturen, die möglichst genau die
physiologischen Bedingungen simulieren könnten. Dies ist jedoch noch ein weites und bisher
noch wenig bearbeitetes Feld der Forschung. In der vorliegenden Arbeit werden die ersten
Grundlagen zur Bearbeitung dieses weiten, großen „Feldes“ gelegt. Gore und Green3 haben
die ersten Molybdocen-Aminosäure-Verbidungen dargestellt und Tornieporth-Oetting die
ersten Titanocen-Aminosäure-Verbindungen4. Die röntgenographischen Strukturaufklärung
der Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen ist Gore und Green nicht gelungen, während es
von
den
ausgesuchten
Titanocen-Aminosäure-Verbindungen
charakterisierte
Kristallstrukturen gibt. Aber beide Metallocen-Aminosäure-Verbindungen wurden bisher nur
spärlich in Bezug auf ihr Verhalten in Lösung untersucht.
Im ersten Abschnitt dieses Kapitels werden die Molybdocen-Verbindungen von Phenylalanin,
Leucin und Valin vorgestellt und ihr Verhalten als Feststoff und in Lösung besprochen. Die
analytischen Daten der Molybdocen-Verbindungen mit Histidin, Serin, Prolin und
Tryptophan werden in Anhang vorgestellt und ausgewertet, ebenso wie die Titanocen1
H.Sun, H-Ki, R.A. Weir, P.J.Sadler, Angew. Chem, 1998, 110, Nr.11: 1622.
M.Guo, P.J.Sadler, J.Chem.Soc., Dalton Trans., 2000:7.
3
E.S.Gore, M.L.H.Green, Inorg.Phys.Theor., 1970(A): 2315.
4
T.M.Klapötke, H.Köpf,I.C.Tirnierorth-Oetting, P.S.White, Organomet., 1994, 13: 3628.
2
45
Verbindungen dieser vier Aminosäuren. Es ist trotz intensivster Bemühungen nicht gelungen,
von diesen Verbindungen für die Röntgenanalyse taugliche Kristall zu erhalten. Im zweiten
Abschnitt werden die analogen Titanocen-Aminosäure-Verbindungen mit Phenylalanin,
Leucin und Valin bearbeitet. Im dritten Abschnitt wird ein Vergleich der beiden MetallocenAminosäure-Verbindungen im Hinblick auf Gemeinsamkeiten und Unterschiede bezüglich
ihres Verhalten als Festststoff und in Lösung gezogen. Der vierte Abschnitt stellt eine
Zusammenfassung der bisherigen Erkenntnisse dar, gibt Ausblick auf eine Auswahl an
zukünftig lohnenswerten Forschungsaufgabenstellungen und es wird eine Prognose in
Zusammenhang mit der möglichen cytostatischen Tauglichkeit der beiden biologisch
modifizierten Metallocen-Verbindungen gewagt.
Die Untersuchung der Feststoffe erfolgte hauptsächlich mit IR-Spektropskopie,
Elemetaranalyse und wo eine Züchtung von Kristallen erfolgreich war, mit
röntgenkristallographischer Strukturanalyse.
Das Verhalten in Lösung wurde NMR-Spektroskopisch verfolgt. Desweiteren fand ESI-MS
bei diesen Verbindungen breite Anwendung und brachte interessante Erkenntnisse.
Betrachtungen der Stabilitäten durch potentiometrische Titrationen werden ebenfalls
vorgestellt. Im Anhang II werden die Prinzipien der Potentiometrischen Titration und die
Anwendung kurz skizziert. Einige ausgewählte Verbindungen wurden UV-VISSpektroskopisch untersucht.
H2N
CH
C
O
O
O
OH
CH2
H2N
CH
C
OH
H2N
CH2
CH
CH3
CH
C
CH
CH3
CH3
CH3
Phenylalanin (Phe)
Leucin (Leu)
Abb. 29 Verwendete Aminosäuren
Valin (Val)
OH
46
1.3.2 Aminosäureverbindungen des Molybdocens
1.3.2.1
Verbindungen mit den Aminosäuren Phenylalanin, Leucin und Valin
1.3.2.1.1 Darstellung und Eigenschaften der Verbindungen
Die Präparation der Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen mit Phenylalanin, Leucin und
Valin (Struktur siehe Abbildung 29) erfolgt nach eine Vorschrift von Gore und Green3, die in
den Siebziger Jahren die ersten Molybdocen-Verbindungen mit den Aminosäuren Glycin,
Alanin, Phenylalnin, Valin, Leucin, Isoleucin, Prolin und Methionin dargestellt haben.
Danach wird Dicyclopentadienylmolybdändichlorid (Cp2MoCl2) in entgastem Wasser unter
Schutzgasatmosphäre suspendiert, mit gleichen Äquivalenten Aminosäure und Hilfsbase
(Triethylamin = NEt3) versetzt und bis zur intensiven Rotfärbung der Reaktionslösung zum
Rückfluß erwärmt. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wird die dunkelrote Suspension
filtriert und das Filtrat wird vom Lösungsmittel befreit. Der Rückstand wird in wenig
Methanol aufgenommen, auf eine Alumni B Säule aufgetragen und mit Dichlormethan, Ether
und anschließend Methanol eluiert. Die tiefrote methanolischen Lösung wird im dynamischen
Vakuum bis zum dunkelroten Feststoff getrocknet. In Abbildung 30 ist die Reaktionsroute
dargestellt.
Reaktionsroute:
+
HO
Cl
Mo
C
O
+
Cl
2HN
C
R
H
O
NEt3
in H2O
C
O
Mo
H2N
C
H Cl-
R
Abb. 30 Reaktionsroute der Umsetzung von Molybdocendichlorid mit Aminosäuren
Die Verbindungen sind luft- und feuchtigkeitsstabil, sehr gut in Wasser und Methanol löslich
und weniger gut in organischen und chlorierten Lösungsmitteln.
47
1.3.2.1.2 Untersuchungen am Feststoff
1.3.2.1.2.1 Röntgenstrukturanalyse
Die Züchtung von röntgentauglichen Kristallen gelang durch Kühlung der
Dichlormethanfraktion nach dem Säulen bei -18° C nach ca. 4 Tagen. Es war auch möglich,
geeignete Kristalle durch Abdampfen einer methanolischen Lösung zu erhalten. Bei den
Verbindungen mit Histidin und Serin entdstanden leider durch die gleiche Methode
verwachsene oder für die Analyse zu kleine Kristalle.
In der folgenden Aufstellung sind die relevanten Mo-N- und Mo-O-Bindungslängen und die
O-Mo-N-Winkel aufgelistet.
Zusammenstellung der relevanten Bindungslängen und Winkel :
[Cp2MoPhe]Cl [Cp2MoLeu]Cl [Cp2MoVal]Cl
Mo-O [Å]
Mo-N [Å]
O-Mo-N [°]
Kristallsystem
Raumgruppe
2.099 (4)
2.216 (4)
76.17 (17)
monoclin
2.102 (3)
2.198 (3)
75.12 (11)
tetragonal
C2
P4/n
2.097 (17)
2.216 (19)
75.40 (7)
triclin
P-1
In der Literatur lassen sich nur wenige Beispiele für kristallographisch charakterisierte
Metallocen-Aminosäure-Verbindungen finden. Es sind Titanocen-Aminosäure-Komplexe4
und Titan-Komplexe der Zusammensetzung [Cp2Ti(O2CCHR1NHCOR2]5 bekannt. Weiterhin
sind in der Literatur [Cp2Zr]-Fragmente bekannt, die an OCNCHR1COR2-Verbindungen
koordinieren6, aber ohne kristallographisch analysiert worden zu sein. MolybdocenAminosäure-Verbindungen sind schon 19970 sythetisiert worden, jedoch ohne dass
röntgenographische Strukturbestimmung möglich war.
Halbsandwich-Komplexe (d.h. mit nur einem Cp-Liganden am Metall gebunden) mit N,OChelat-gebundenen Aminosäuren und den Metallen Osmium, Ruthenium, Iridium, Kobalt
usw. sind von Beck, Severin und Sheldrick Mitte der Neunziger Jahre publiziert worden7,8,9.
Bei diesen Komplexen beträgt beispielsweise der O-M-N-Winkel (M = Metall) zwischen
77.5-80.9°, im Gegensatz zu den 75-76° bei den Molybdocen-Aminosäuren, die hier
vorgestellt werden. Die M-N-Bindungslänge beträgt beim Co-Komplex 1.9956 (8) Å, beim
Ruthenium-Komplex 2.021 (13) Å und beim Iridium-Komplex 2.087 (4) Å. Die
Bindungslängen der Molybdocen-Aminosäure-Komplexe sind um ca. 0.1 Å größer. Die CoO-Bindung ist nur geringfügig kleiner als die der Molybdän-Verbindungen (1.962 Å).
In den folgenden Abbildungen werden die Molekül-Strukturen der Molybdocen-AminosäureVerbindungen gezeigt.
5
E.Schumann, C.Robl, W.Beck, Z.Naturforschung, 1994, B, 49: 1569.
M.Oberhoff, G.Erker, R.Fröhlich, Chem.Eur.J., 1997, 3:1521.
7
R.Lampeka, R.Bergs, R.F.de Bobadilla, K.Polborn, S.Mihan, W.Beck, J.of Oraganomt. Chem., 1995, 491: 203.
8
W.Sheldrick, E.Hauck, S.Korn, J. of Organomet.Chem., 1994, 467: 283.
9
W.S.Sheldrick, A.Gleichmann, , J. of Organomet.Chem., 1994, 470: 183.
6
48
Abb. 31 Molybdocen-Leucin-Komplex
Abb. 32 Gitterstruktur vom Molybdocen-Leucin-Komplex
49
Abb. 33 Molybdocen-Valin-Komplex
Abb. 34 Gitterstruktur vom Molybdocen-Valin-Komplex
50
Abb. 35 Molybdocen-Phenylalanin-Komplex
1.3.2.1.2.2 IR-Spektroskopische Untersuchungen
Die IR-Spektren aller drei Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen weisen eine starke bis
mittelstarke, breite Bande im Bereich von ca. 3420 cm-1 auf. Es handelt sich hierbei um
Wasser-Banden, zumal die kristallographischen Untersuchungen mindestens ein
koordinierendes Wassermolekül pro Verbindungsmolekül aufweisen. Die IR-Spektren der
reinen Aminosäuren und des Cp2MoCl2 zeigen keine solche Bande. Ebenfalls allen
Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen gemeinsam sind mittlere bis schwache Banden im
Bereich von 3100-2950 cm-1. Sie werden den νCH,Cp, νCH, νNH-Schwingungen zugeordnet. In
Tabelle 1 sind die relevanten IR-Banden der drei Verbindungen aufgeführt.
Die asymmetrischen Schwingungen der Carboxylatgruppe ( νas,CO2) sind bei der MolybdocenPhenylalanin-Verbindung, verglichen mit der reinen Aminosäure, stark zu höheren
Wellenzahlen verschoben, während sie bei der Molybdocen-Valin-Verbindung nur eine sehr
schwache Verschiebung erfahren. Die asymmetrische (νNH) Schwingung der Amingruppe
wird bei der Molybdocen-Phenylalanin-Verbindung stärker zu niedrigeren Wellenzahlen
verschoben, als die entsprechende Valin-Verbindung (immer im Vergleich zu den reinen
Aminosäuren). Bei der Molybdocen-Leucin-Verbindung fallen die Schwingungen der
Carboxylat- und der Amingruppe bei einem Wert von 1646 cm-1 zusammen. Die
symmetrischen Schwingungen (νsym, CO2) der Carboxylatgruppen bewegen sich bei allen drei
Verbindungen im Bereich von ca. 1360 cm-1. Eine weitere Gemeinsamkeit der drei
Verbindungen sind γCH,Cp-Schwingungen bei Wellenzahlen von ca 840 cm-1.
Tabelle 1:
Relevante IR-Daten der Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen
IR-Banden [cm-1]
[Cp2MoPhe]Cl*H2O
[Cp2MoLeu]Cl*H2O
[Cp2MoVal]Cl*H2O
H2O
3422
3420
3426
51
νCH; CH,Cp; NH
νas, CO2
νas, NH2
νsym, CO2
γCH,Cp/NH
3057
2950
1647
1577
1357
825
3093
2954
1646
1646, sh
1366
840
3086
2962
1644
1598
1363
847
Die drei Banden νas,CO2, νsym, CO2 und νNH stimmen in etwa mit den in der Literatur3
angegebenen überein. Es gibt darin aber keine Aussagen über die Wasser-Banden noch über
die γCH,Cp-Schwingungen bei Wellenzahlen von ca 840 cm-1.
1.3.2.1.2.3 Zusammenfassung der Erkenntnisse aus den analytischen Daten der
Festkörperuntersuchungen
Die Auswertung der Daten der Festkörperuntersuchungen zeigen ganz eindeutig das
Vorliegen eines N,O-gebundenen Aminosäure-Fünfring-Chelates an die Molybdocen-Einheit,
wie es Gore und Green postuliert haben aber nicht den kristallographischen Beleg aufweisen
konnten (Abb 36).
Die Kristallstrukturen und IR-spektroskopischen Daten weisen ferner auf koordinierende
Wassermoleküle in verschiedenen Zusammensetzungen an die Verbindungen hin.
+
O
C
O
Mo
H2N
C
H
Cl-
* (H2O)n
R
Abb. 36 Schematische Struktur der Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen
1.3.2.1.3 Untersuchungen in Lösung
1.3.2.1.3.1
1
H-NMR-Spektroskopie
Alle Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen weisen am αH eine relativ starke
Hochfeldverschiebung zu niedrigeren Werten der chemischen Verschiebung δ, verglichen mit
den jeweiligen ungebundenen Aminosäuren, hin. Desweiteren sind in allen Spektren
entweder zwei eindeutige Singulett-Signale, die die Protonen der beiden Cp-Ringe
repräsentieren, oder zwei nur sehr leicht verschobene Singulett-Signale zeigen eine
unterschiedliche chemische Umgebung für die Protonen der Cp-Ringe. Diese unterschiedliche
chemische Umgebung kommt durch die Koordination der Amino-Gruppe an das Molybdän
und die Ausbildung des Fünfring-Chelates über eine N,O-Bindung der Aminosäure. Es sind
auch Spuren von Triethylamin, der zugesetzten Hilfsbase, in Spektren zu finden (t bei 1.2 und
q bei 3.1 ppm). Bei den Molybdocen-Leucin und Valin-Verbindungen ist ein Methanol-Signal
bei 3.25 ppm zu sehen.
In der Tabelle 2 sind die wichtigsten NMR-Daten der drei Verbindungen aufgeführt.
52
Tabelle 2:
1
H-NMR-Daten der Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen, D2O, δ in ppm
[Cp2MoPhe]Cl
[Cp2MoLeu]Cl
[Cp2MoVal]Cl
2.95-3.25 m, Hβ
(J1= 3 Hz; J2= 5 Hz)
0.85 dd, Hδ (J= 3.5 Hz)
1.40-1.70 m,Hβ,γ
(J= 6 Hz)
0.80 dd, Hγ (J= 7 Hz)
0.95 d, Hγ ( J= 7Hz)
2.20 m, Hβ
(J1= 7 Hz; J2= 3 Hz)
3.15 t, Hα
(J= 5 Hz)
3.05 t, Hα
(J= 3.3 Hz)
3.45 t , Hα
(J= 5 Hz)
7.20 d , Hγ
(J1= 2 Hz ; J2= 7.7 Hz)
7.30 m, Hγ
(J1= 2.3 Hz; J2= 7.5 Hz)
5.75 s, HCp (klein)
5.80 s, HCp
5.80 s, H Cp(klein)
5.85 s, HCp
5.40 s, HCp
5.80 s, HCp
α, β und γ : Bezeichnungen der jeweiligen Protonen- siehe Anhang und Strukturen der
Aminosäuren
Die Daten stimmen in etwa mit denen von Gore und Green veröffentlichten überein.
1.3.2.1.3.2 ESI-Massenspektroskopie
Die ESI-Massenspektroskopie (Elektronen-Spray-Ionisation) ist eine sehr gute Methoden, um
Verbindungen in Lösung zu untersuchen. Die Messungen erfolgen in Lösungen mit
mindestens 10% Methanol-Anteil. Die ESI-MS-Messungen der Molybdocen-AminosäureVerbindungen wurden in einem Wasser-Methanol-Gemisch mit ca 10% Methanol,
aufgenommen. Zum Unterschied zur EI-Massenspektroskopie (Elektronen Ionisation) werden
beim ESI-MS keine charakteristischen Fragmentierungsreaktionen registriert, sondern es zeigt
an, welche Spezies sich in Lösung befinden. Dabei ist oft Adduktbildung zwischen
verschiedenen Komponenten der Verbindungen und Lösungsmittel zu beobachten. Die
jeweiligen Signal-Lagen verteilen sich oftmals über einige Massenzahlen (m/z). Der
Übersicht und Einfachheit halber wurden statt Massenzahlen-Bereichen (z.B.bei [Cp2MoVal]:
342-346 m/z) herausragende Massenzahlen verwendet, die die höchste absolute Intensität
aufweisen. Da Molybdän eine charakteristisches Isotopenmuster im ESI-MS aufweist, ist sehr
leicht zu erkennen, bei welchen Signalen es sich um Molybdän-haltige Addukte handelt. In
Abbildung 37 ist das Isotopenmuster der Molybdocen-Valin-Verbindung etwas gespreizt, um
es besser erkennen zu können. In Abbildung 38 wird das ESI-MS-Spektrum der MolybdocenValin-Verbindung gezeigt und verdeutlicht, wie gut Molybdän-Anteile in den ESI-Spektren
zu sehen sind.
Die Spektren der drei Verbindungen weisen ein sehr starkes Signal, das dem jeweiligen
Molekül-Peak entspricht, auf. In der Tabelle 4 sind die charakteristischen Signale und deren
Zuordnung aufgelistet. Interessant ist dabei, das es weder Hinweise auf freie Aminosäure oder
Aminosäure-Addukte, noch auf Molybdocen-Spezies ohne gebundene Aminosäure, gibt.
Lediglich bei der Molybdocen-Phenylalanin sind „zweikernige“ Spezies im Bereich von 780815 M/z mit dem typischen Molybdän-Muster zu beobachten. Dies hängt aber mit der ESIMS-Meßmethode zusammen. Solche „Zweikerner“ sind oft direkt nach dem Einspritzen der
methanolische Lösungen zu beobachten. Die Spektren weisen zudem Signale auf, die der
53
Hilfsbase Triethylamin (ca 102 M/z) und deren Addukten ( 239 M/z: [(NEt3)2Cl] ) zugeordnet
werden können.
Tabelle 3:
ESI-MS-Daten der Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen
Verbindung
[Cp2MoPhe]Cl
Molekül-Peak
[M]+ in M/z
392
NEt3 und
Addukte in M/z
239
Frei Aminosäure
oder Addukte
-
[Cp2MoLeu]Cl
358
-
-
[Cp2MoVal]Cl
344
102
239
-
Aus den ESI-Massenspektroskopischen Untersuchungen ist ganz klar ersichtlich, dass die
Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen in Lösung als Spezies eindeutig dominieren und es
nicht zu anderen Kombinationen und Adduktbildungen kommt.
Abb. 37 ESI-MS-Spektrum mit Isotopenmuster von Molybdän
54
Abb. 38 ESI-MS-Spektrum der [Cp2MoVal]-Spezies
55
1.3.2.1.3.3 Zusammenfassung der 1H-NMR und ESI-MS Untersuchungen in Lösung
Die Auswertung der 1H-NMR- und ESI-MS-Untersuchungen zeigen deutlich, daß die
Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen des Phenylalanins, Leucins und Valins in Lösung
genau wie im Feststoff vorliegen. Es findet weder Abdissoziation der Cp-Liganden noch der
Aminosäuren statt.
1.3.2.1.4 Stabilitätsuntersuchungen in Lösung
Für Stabilitätsuntersuchungen der Molybdocen-Aminosäure-Komplexe wurden folgende
Meßmethoden angewandt:
Potentiometrische Titration
UV-VIS-Spektroskopie
13
C-NMR-Spektroskopie
ESI-MS-Spektroskopie.
Die Potentiometrische Titration ist eine sehr gute Methode zur Ermittlung von
Stabilitätskonstanten und Spezies-Verteilung in Lösung. Ausführlichere Erläuterungen des
Prinzips dieser Methode, der Messbedingungen und der einzelnen durchgeführten Messungen
finden sich im Anhang II.
Es wurden die drei Molybdocen-Aminosäure-Komplexe auf pH = 2.3 eingestellt und mit 0.1
molarer Natronlauge titriert. Um Zuge der Auswertung stellte sich heraus, dass es nicht
möglich war, Stabilitätskonstanten zu ermitteln. Offensichtlich ist bei der Säurezugabe und
Einstellung des pH-Wertes auf ca 2.3 der Komplex stabil geblieben, so dass keine
Konkurrenzreaktion zwischen den Protonen und der positiv geladenen Metall-Spezies
stattfinden konnte. Die Auswertung der inversen Titrationen, bei denen pH-Wert-Einstellung
mit Natronlauge auf 11.5 erfolgte und mit 0.1 molarer Salzsäure titriert wurde, ergaben die
gleichen Ergebnisse. Aus den Ergebnissen der Potentiometrischen Titrationen läßt sich
schließen, dass die Komplexe in einem pH-Bereich von ca. 2.3-11.5 stabil bleiben. Es findet
weder eine Abspaltung der Aminosäuren noch der Cp-Liganden statt. Dies führt zu der
Annahme, es könnte sich um Komplexe mit kinetischer Stabilität handeln. Weitere
Methoden wurden angewandt, um das zu bestätigen.
Der Reaktionsverlauf bei Zugabe von Salpetersäure zu den Komplexen in wässriger Lösung
wurde UV-VIS-Spektroskopisch verfolgt. Der zuvor gemessene pH-Wert betrug 1.0. Es
wurden Messungen vor Säurezugabe und dann in definierten Zeitabständen nach Säurezugabe
gemacht. In Abbildung 39 und 40 sind zwei Spektren dargestellt, wobei die oberen Kurven
jeweils die wässrige Verbindung ohne Säurezugabe darstellt, und die unteren Kurven im Fall
a) nach einer Stunde Säurezugabe und im Fall b) nach einem Tag (24h) aufgenommen
wurden. Im Fall a), nach einer Stunde Säurezugabe sind zwei schwache Peaks bei 450 und
500 nm zu beobachten, die aber nach 24 h (b) nicht mehr zu finden sind. Die Kurve nach 24h
Säurezugabe ist fast identisch mit der Kurve ohne Säurezugabe. Das bedeutet, dass mit UVVIS-Messungen keine wesentliche Änderungen vor und nach der Säurezugabe zu beobachten
sind eine kinetische Stabilität des Komplexes wahrscheinlich erscheint.
56
Abb. 39 [Cp2MoVal]Cl in wässriger Lösung, vor und nach Zugabe von HNO3 (pH= 1.0) (obere Kurve: ohne
Säurezugabe; untere Kurve: 1h nach Säurezugabe) (a)
Abb. 40 [Cp2MoVal]Cl in wässriger Lösung, vor und nach Zugabe von HNO3 (pH= 1.0) (obere Kurve: ohne
Säurezugabe; untere Kurve: 1d nach Säurezugabe) (b)
Es wurden Experimente unternommen, um den Reaktionsverlauf vor, während und in
definierten Zeitabständen nach der Säurezugabe über 1H-NMR-Messungen zu verfolgen.
Dabei konnte ein Übergangsmetall-katalysierter Austausch von Protonen des Komplexes und
den deuterierten Protonen des Lösungsmittels (D2O) beobachtet werden. Dies führte dazu,
dass eine Auswertung der Spektren nicht möglich war. Es konnte nicht geklärt werden, ob
bevorzugt die Cp-Protonen oder die der Aminosäure ausgetauscht werden oder ob überhaupt
eine „Bevorzugung“ besteht. Allerdings wurde dahingehend auch nicht näher geforscht.
Stattdessen konzentrierte sich das Interesse auf der Beobachtung des Reaktionsverlaufes via
13
C-NMR-Spektroskopie, bei der dieser Austauscheffekt keine Rolle spielt. Wie auch bei den
bisherigen Methoden wurden Messungen vor und in definierten Abständen nach der
Säurezugabe durchgeführt. Der pH-Wert wurde mit konzentrierter Salzsäure auf einen pHWert von 0.08 gebracht. Die Spektren befinden sich im Anhang II. Sie zeigen 13C-NMR-
57
Messungen ohne Säurezugabe, nach einer, zwei und 25 Stunden Säurezugabe . Es ist deutlich
zu sehen, dass sich weder die Signallage ändert, noch dass neue Signale von beispielsweise
freier Aminosäure oder den Cp-Liganden dazukommen. Einzig die Intensitäten verändern
sich, wie auf dem Spektrum nach einer Stunde Säurezugabe beobachtet werden kann.
Die 13C-NMR-Messungen bestätigen die Beobachtungen und Ergebnisse aus der
Potentiometrischen Titration und den UV-VIS-Messungen, es handele sich um kinetisch
stabile Komplexe.
Als letzte Methode zur endgültigen Bestätigung der bisher gewonnen Erkenntnisse wurde die
ESI-Massenspektroskopie herangezogen. Auch hier wurden Messungen ohne Säurezugabe in
wässrig-methanolischer Lösung durchgeführt und anschließend nach Säurezugabe (pH= 0.08)
in definierten Zeitabständen. Die Messungen erstreckten sich auf 7 Tage. Dabei konnte ganz
eindeutig beobachtet werden, daß erst nach einer Woche Säurezugabe außer dem MolekülPeak bei 344 M/z ( für [Cp2MoVal]+) noch weiter Peaks auftauchen, die nach dem
Isotopenmuster zu urteilen, ebenfalls Molybdän enthalten. Allerdings sind die Intensitäten
verglichen mit dem Molekül-Peak, sehr klein. Sie bewegen sich im 12%-Bereich. Es handelt
sich dabei um einen Peak bei 260 m/z, der ein [MoVal](OH)(OMe)-Addukt repräsentiert und
einen weiteren Peak bei ca. 400 m/z, der ein Molekül-Methanol-Addukt darstellt ( [Cp2
MoVal](MeOH)2 ). Freies Valin ist hier mit einer Intensität von ca. 6 % (verglichen mit der
absoluten Intensität) zu beobachten. Bei den übrigen Spektren (1h, 2h, 1 Tag, 2, Tage) sind
keine weiteren Molybdän-Addukte außer dem Molekül-Peak zu beobachten. Es treten auch
keine freien Aminosäuren oder deren Addukte auf. Lediglich die Peaks, die die Hilfsbase
Triethylamin und deren Addukte repräsentiert ( 102 M/z; 239 M/z) verändern sich in ihren
Intensitäten. In Abbildung 41-43 wird der Reaktionsverlauf nach der HCl-Zugabe mittels ESIMS dargestellt.
Abb. 41 ESI-MS von [Cp2MoVal]Cl ein Tag nach Säurezugabe (1d)
58
Abb. 42 ESI-MS von [Cp2MoVal]Cl sieben Tage nach Säurezugabe (7d)
Abb. 43 ESI-MS von [Cp2MoVal]Cl fünf Wochen nach Säurezugabe
Eine einmalige Messung nach fünf Wochen ergab, dass sich [Cp2MoVal]+ noch zu ca 9 %
(vgl. mit der Absolutintensität) in der sauren, methanolischen Lösung (die nun grün statt
59
dunkelrot ist) befindet. Das intensivste Signal kommt jedoch von freien Cp-Liganden. Hier ist
verstärkt das Signal bei 260 m/z zu beobachten, dass dem [MoVal](OH)(OMe) zugeordnet
werden kann. Es ist mit 15 % auch deutlich intensiver als das ursprüngliche Molekülsignal
(342 m/z). Freies Valin ist bei dieser Messung mit kaum nenenswerten Intensitäten in der
Meßliste gar nicht aufgeführt worden. Das gleichzeitig intensivste Signal bei 65 m/z (100 %
absolute Intensität) und der Peak bei 260 m/z, der dem Mo-Valin-Lösungsmittel-Addukt
zugeordnet werden kann, lassen darauf schließen, dass die Mo-Cp-Bindung vor der N,OChelat-Bindung unter den angegeben Bedingungen gelöst wird. In Tabelle 5 werden die
Daten der ESI-MS-Messung nach fünf Wochen Säurezugabe mit den entsprechenden
Intensitäten aufgelistet.
Tabelle 4:
ESI-MS-Daten von [Cp2MoVal]Cl in H2O/MeOH bei pH= 0.1 nach 5 Wochen
Spezies
Cp-Ligand
m/z
Intensität [%]
65
100
Cp-MeOH
Addukt
97
46
[MoVal](OH)(OMe)
Spezies
260
15
[Cp2MoVal]Spezies
342
9
60
Die Peaks der Hilfsbase Triethylamin und deren Adukte sind ebenfalls zu beobachten, werden
aber in der Tabelle nich aufgelistet. Das ESI-MS-Spektrum wird im Anhang gezeigt.
Inverse ESI-MS-Messungen, analog zur inversen Potentiometrie, wurden bei einem pH-Wert
von 12.91 durchgeführt. Die Messungen wurden nach einer halben Stunde, 3h, 19h und 2
tagen nach Basen-Zugabe und pH-Einstellung auf 12.91 durchgeführt. Die Spektren zeigen
neben dem Molekülpeak, der das intensivste Signal darstellt (100 %), auch nach zwei Tagen
keine weiteren Molybdän-haltigen Addukte. Außer diesem Signal sind nur noch Peaks der
Hilfsbase (NEt3) und freies, protoniertes Valin (199 m/z mit 20 % Intensität) zu erkennen. In
Abbildung 44 ist das ESI-MS-Spektrum der inversen Messung bei pH= 12.91 nach 2 Tagen
Basen-Zugabe dargestellt.
Abb. 44 ESI-MS von [Cp2MoVal]Cl zwei Tage bei pH=12.9
Aus den ESI-MS-Messungen bei pH= 12.91 ergibt sich ebenfalls, dass der MolybdocenValin-Komplex auch unter basischen Bedingungen mindestens zwei Tage stabil bleibt und
keine Abspaltung weder der Aminosäure noch der Cp-Liganden erfolgt.
1.3.2.1.4.1 Zusammenfassung der Stabilitätsuntersuchungen in Lösung
Die Verbindungen des Molybdocens mit den Aminosäuren Phenylalanin, Leucin und Valin
sind nach den Auswertungen der Potentiometrischen Titrationsmessungen, der UV-VISMessungen, der Beobachtung durch 13C-NMR und durch ESI-MS-Messungen in einem pHBereich von ca. 0.1-12.9 für bis zu eine Woche stabil. Nach einer Woche beginnt laut ESI-MS
Adduktbildung der Molybdän-Valin-Einheit mit Lösungsmittel (Methanol). Nach fünf
Wochen liegt in Lösung immer noch zum Teil die Verbindung als [Cp2MoVal]-Spezies vor.
Aber es sind nun auch Molybdän-Valin-Lösungsmittel-Spezies und freie Cp-Liganden und
deren Adukte zu beobachten. Es konnten aber keine Cp-Molybdän-Addukte ohne Valin
61
beobachtet werden. Das lässt darauf schließen, dass bei dem unter extremen Bedingungen
stabile Molybdocen-Valin-Komplex erst nach fünf Wochen die Cp-Abspaltung erfogt, der
Aminosäure-Chelat jedoch weiterhin gebunden bleibt.
Laut Gore und Green hat der vergleichbare Molybdocen-Cystein-Komplex einen pka-Wert
von 2.9. Ermittelt wurde dieser Wert durch Potentiometrische Titration. In Abbildung 45 sind
der Einkernige (A) und der Zweikernige (B) Cystein-Komplex dargestellt.
S
Mo
N
H
CH2 O
CH C OH
S
S
2HC
CH2
Mo
Mo
CH COO
N
H
H
OOC HC
N
H
Abb. 45 Molybdocen-Cys-Verbindungen
Recherchen in der SC-Database haben ergeben, dass keine Stabilitätskonstanten von
Molybdän-Aminosäuren mit Phenylalanin, Leucin und Valin bekannt sind. Im Folgenden
wird exemplarisch für Phenylalanin eine kleine Zusammenfassung der Metalle und Bereiche,
in denen sich die ermittelten Stabilitätskonstanten bewegen, gegeben.
CuII
7.5
NiII
5.0
ZnII
4.6
AgI
5.3
CdII
4.0
CoII
4.0
FeIII
10.0
HgII
12.4
Stabilitätskonstanten mit Aminosäure-Komplexe, bei denen die
Metallen in der
Oxidationsstufe IV vorliegen, sind von Th, V und Zr bestimmt worden. Sie liegen im Bereich
von 8.510. Literatur zu den einzelnen Stabilitätskonstanten der Metall-AminosäureVerbindungen
können
aus
der
SC-Database
entnommen
werden.
10
C.B.Konunova, A.S.Vernichenko, M.S. Popov, Zh.Neorg.Khim., 1976, 21:100.
62
1.3.3 Aminosäureverbindungen des Titanocendichlorid
1.3.3.1 Verbindungen mit Phenylalanin, Leucin und Valin
1.3.3.1.1 Darstellung und Eigenschaften der Verbindungen
Die Darstellung der Titanocen-Aminosäure-Komplexe erfolgt nach Vorschriften von
Tornieporth-Oetting4,11, die Mitte der Neunziger Jahre die ersten Titanocen-AminosäureKomplexe mit Glycin, Methylalanin und Alanin dargestellt hat. Danach wird
Titanocendichlorid in wenig Methanol suspendiert und mit jeweils zwei Äquivalenten der
Aminosäuren Phenylalanin, Leucin und Valin versetzt und bei Raumtemperatur zwischen 13h gerührt. Es ist im Gegensatz zu den entsprechenden Molybdocen-Verbindungen nicht
nötig, unter Schutzgasatmosphäre zu arbeiten. Das Lösungsmittel wird im dynamischen
Vakuum entfernt und der Rückstand wird mehrmals mit Dichlormethan oder Pentan
gewaschen und im dynamischen Vakuum getrocknet. Es entstehen intensiv orangefarbene
Feststoffe, die luftstabil sind, nicht-hygroskopisch, gut löslich in Wasser und sehr gut in
Methanol und kaum löslich in organischen und chlorierten Lösungsmitteln. Sie sind bis zu
150-170°C temperaturstabil. In Abbildung 46 ist die Reaktionsroute dargestellt.
Cl
Ti
HO
+ 2
Cl
O
H
C
C
O
H
C
O
C
R
2+
R
NH3
2Cl-
Ti
NH2
H
O
C
C
O
NH3
R
Abb. 46 Reaktionsroute
1.3.3.1.2 Untersuchungen am Feststoff
Trotz intensiver Bemühungen ist es nicht gelungen von den Verbindungen röntgentaugliche
Kristalle zu züchten und die Strukturen dadurch zu belegen. Allerdings ist es TornieporthOetting gelungen, von den Titanocen-Verbindungen mit Glycin und Methylalanin, durch
Röntgenstrukturanalyse eine 1:2: Koordination über die Carboxylatgruppe der Aminosäuren,
wie sie in der Reaktionsroute dargestellt sind, zu beweisen11. Es existiert auch eine
Röntgenstrukturanalyse von Titanocen-Phenylalanin-Komplex, bei dem der Phenylring der
Aminosäure Tetrafluoro substituiert ist und mit Hexafluorophosphat statt Chlorid als
Gegenion11. Durch den Vergleich charakteristischer Daten der Verbindungen von
Tornieporth-Oetting mit den Phenylalanin-, Leucin- und Valin-Komplexen des Titanocens
wird ebenfalls eine 2:1 Koordination der Aminosäuren über den Sauerstoff der
Carboxylatgruppe gefolgert.
11
I.C.Tornieporth-Oetting, P.S.White, Organomet., 1995, 14: 1632.
63
1.3.3.1.2.1 IR-Spektroskopische Untersuchungen
Die IR-Spektren aller drei Titanocen-Aminosäure-Komplexe weisen ebenso wie die
entsprechenden Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen breite, relativ intensive Banden bei
ca. 3400 cm-1 auf. Es handeln sich hier aller Wahrscheinlichkeit nach ebenfalls um
Wasserbanden. Es lassen sich außerdem für eine Koordination der Aminosäure an das
Titanocen-Fragment typische IR-Banden erkennen, wie z.B. die ν CH, Cp und ν CH-Banden
bei 3100 cm-1 bzw. 2950 cm-1. Es tritt eine Verschiebung der asymmetrischen CO2Schwingung zu höheren Wellenzahlen auf, während die symmetrische CO2-Schwingung bei
niedrigeren Wellenzahlen, verglichen mit den freien, unkoordinierten Aminosäuren, auftritt.
In der Tabelle 5 sind die charakteristischen Daten aus den IR-Messungen zusammengefasst.
Tabelle 5:
Charakteristische IR-Banden der Titanocen-Aminosäure-Komplexe
IR-Banden
[cm-1]
H2O
νCH; CH,Cp; NH
νas, CO2
νas, NH
νsym, CO2
γCH,Cp/ NH
[Cp2TiPhe2]Cl2
3400
3100
1652
1600
1375
829, sh
[Cp2TiLeu2]Cl2
[Cp2TiVal2]Cl2
3400
3100
1653
1613
1368
819
3400
3100
1655
1593
1376
828
1.3.3.1.2.2 Raman-Spektroskopie
Die Raman-Spektren der drei Titanocen-Aminosäure-Komplexe zeigen typische Banden der
CH-Streckschwingungen sowohl der Aminosäure (ca. 2900 cm-1) als auch der Cp-Liganden
(> 300 cm-1). Zusätzlich dazu sind Banden der Cp-Ring-Schwingungen (ca. 1130 cm-1) zu
beobachten. Auffällig ist das Auftreten einer sehr intensiven Bande im Bereich von 255-280
cm-1, die nicht zugeordnet werden konnte, aber durchaus als charakteristisch für die (1:2)Titanocen-Aminosäure-Komplexe betrachtet werden kann. In Tabelle 6 sind signifikante
Raman-spektroskopische Daten der drei Verbindungen zusammengestellt.
Tabelle 6:
Signifikante Raman-Banden der Titanocen-Aminosäure-Komplexe
Raman-Banden [cm1]
[Cp2TiPhe2]Cl2
[Cp2TiLeu2]Cl2
[Cp2TiVal2]Cl2
CH, Cp
CHgesättigt
Cp-Ring
??
3120
2934
1133
260
3122
2964
1133
255
3099
2919
1136
282
Der Vergleich der IR- und Raman-Daten mit den analogen, kristallographisch
charakterisierten Titanocen-Verbindungen lässt den Schluß zu, dass es sich bei den drei
Verbindungen um die gleiche Komplex- und Bindungsart handelt, zumal der TitanocenPhenylalanin-Komplex in etwas abgewandelter Form strukturell eindeutig charakterisiert ist11.
Aus diesem Grund wird im weiteren Untersuchungsverlauf die Struktur der TitanocenAminosäure-Verbindungen mit Phenylalanin,. Leucin und Valin als 1:2 über den Sauerstoff
der Carboxylatgruppe koordinierte Aminosäuren an die Titanoceneinheit, postuliert (siehe
Abb.31).
64
1.3.3.1.3 Untersuchungen in Lösung- Stabilitätsuntersuchungen
1.3.3.1.3.1 1H-NMR-Untersuchungen
Alle drei Titanocen-Aminosäure-Verbindungen zeigen eine deutliche Tieffeldverschiebung
des am α-C-gebundene Protons (Hα) und je ein deutlich ausgeprägtes Signal für die Protonen
der Cp-Ringe. Hier ist keine Spur von leichter Singulett-Aufspaltung oder gar zwei Signalen
für die Cp-Ringe, wie sie bei den Molybdocen-Verbindungen auftreten, zu finden. Bei keiner
der Verbindungen konnten im 1H-NMR-Spektrum Signale der freien, unkoordinierten
Aminosäuren beobachtet werde. Durch Lösungsexperimente der Verbindungen in
Dichlormethan (Titanocendichlorid löst sich sehr gut in CH2Cl2) und 1H-NMR-Messungen in
CDCl3 konnte ausgeschlossen werden, dass sich noch Spuren von Titanocendichlorid in den
Produkten befinden. Die Protonen der Ammoniumgruppen konnten im 1H-NMR nicht
beobachtet werden. In der Tabelle 7 sind die charakteristischen Protonensignale der
Verbindungen aufgeführt.
Tabelle 7:
Charakteristische 1H-NMR-Daten der Titanocen-Aminosäure-Komplexe, in
D2O, δ in ppm
Verbindungen
[Cp2TiPhe2]Cl2
[Cp2TiLeu2]Cl2
[Cp2TiVal2]Cl2
Hα
4.15 t
3.95 t
3.75 t
H,Cp
6.70 s
6.65 s
6.55 s
Hα (frei Aminosäure)
3.90 t
3.65 t
3.50 t
Wenn die Reaktionsbedingungen zur Darstellung der Titanocen-Aminosäure-Komplexe
dahingehend modifiziert werden, dass die drei-vierfache Menge an Methanol eingesetzt wird
und statt 1-3 h Reaktionszeit auf bis zu 15 h erhöht wird, so erhält man hellorange bis gelborange Feststoffe, die in den 1H-NMR-Spektren keine Spuren von den Cp-Protonen aufweisen
(Variante A der Darstellungen von Titanocendichlorid mit Aminosäuren). Stattdessen sind
ausgeprägte Methanol-Signale zu finden, die sich auch nach längerem Trocknen (bis zu 18 h)
im dynamischen Vakuum nicht wesentlich verändern. Die Signale für die Hα-Protonen
bleiben verglichen mit den Titanocen-Aminosäure-Komplexen im wesentlichen unverändert.
In Tabelle 8 ist eine Zusammenstellung der Signale zu sehen.
Tabelle 8:
Signifikante 1H-NMR-Signale der Titan-Aminosäure-Verbindungen ohne CpLiganden
Verbindungen
[TiPhe2]Cl2*(MeOH)2
[TiLeu2]Cl2*(MeOH)2
[TiVal2]Cl2*(MeOH)2
Hα
4.10 t
3.90 t
3.75 t
H,MeOH
3.3
3.3
3.3
Hα (frei Aminosäure)
3.90 t
3.65 t
3.50 t
Die Ergebnisse der Elementaranalysen ähneln in den Abweichungen den Ergebnissen der
Titanocen-Aminosäure-Komplexen mit Cp-Liganden, nur das hier Methanol koordiniert ist.
In der folgenden Tabelle (Tabelle 10) sind die IR-Daten der Verbindungen ohne Cp-Liganden
zusammengefasst. Die Unterschiede der relevanten Schwingungsbanden zu den
entsprechenden Titanocen-Aminosäure-Verbindungen sind minimal. Auch hier sind zum
einen ausgeprägte breite Banden im Bereich von 3400 cm-1 zu erkennen, zum anderen die
symetrischen und asymetrischen Schwingungend er Carboxylatgruppe, die auf eine
Koordination des Sauerstoffs an Titan hindeuten. Die Signale im Bereich von 814-833 cm-1
65
können nun nicht mehr den Cp-Schwingungen zugeordnet werden, sondern sie gehören
wahrscheinlich zu den γNH-Schwingungen.
Tabelle 9:
Zusammenfassung
Verbindungen
IR-Banden
[cm-1]
H2O
νCH; NH
νas, CO2
νas, NH
νsym, CO2
γNH
der
signifikanten
IR-Daten
der
Ti-Aminosäure-
[(MeO)2TiPhe2]Cl2
[(MeO)2TiLeu2]Cl2
[(MeO)2TiVal2]Cl2
3419
2950
1633
1600
814
3424
2960
1599
1599
1349
814
3419
2971
1611
1600
1353
833
Durch weitere Experimente, bei denen die Lösungsmittelmenge zum einen und die
Reaktionszeit zum anderen variiert wurden, stellte sich heraus , dass nur beide Faktoren
zusammen zur vollständigen Abspaltung der Cp-Liganden führen. In der folgenden Tabelle
(Tabelle 10) sind die Ergebnisse, die anhand von 1H-NMR-Spektroskopie verfolgt wurden,
zusammengefasst. Ausschlaggebend war hierbei die Existenz und „Intensität“ des Cp-Signals.
Zusätzlich wurde über 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie der Reaktionsverlauf verfolgt, um
direkt aus der Reaktionslösung heraus Aussagen machen zu können, ob eine Koordination
von Aminosäure und Titanocendcihlorid stattfindet. Falls keine Koordination erfolgt oder
wenn die Aminosäure nach einer gewissen Zeit abgespalten wird, so hätte dies zur
Konsequenz, dass in den NMR-Spektren unterschiedliche Signale des α-Protons der
Aminosäure zu sehen sein müssten.
Tabelle 10:
Ergebnisse aus der Variation der Lösungsmittelmenge und Reaktionszeit bei
der Reaktion von Cp2TiCl2 mit Valin
(Reaktionsbedingungen: 2 mmol Cp2TiCl2 , 4 mmol L-Val in Methanol/ 1H-NMR in D2O)
1
Charge
LM [mL]
Reaktionszeit [h]
H-NMR (Cp-Signal)
[ppm] / Intensität*
Val 4 a
5 mL
2
6.58 / groß (10 H)
Val 4 b
18 mL
15
Val 4 c
5 mL
2
6.58 / klein
Val 4 d
18 mL
15
6.58 / klein
(* Die Intensitäten der Cp-Signale wurden noch „optischer“ Größe des Signals und des
Integrals bestimmt. Es erfolgte keine „mathematische“ Bestimmung.)
Die 1H-NMR-Untersuchungen ergaben , dass sich den Integralen und demzufolge Intensitäten
nach zu urteilen, die Signale der Cp-Liganden nach etwa 16 h verkleinern. Am Anfang der
Messung sind „Signal-Berge“ im Bereich von 6.3-6.8 ppm zu sehen, die den
nichtkoordinierten Titanocen-Cp-Liganden und den schon zum Teil an Aminosäure
koordnierten Titanocen-Cp-Fragmenten entsprechen. Es ist auch nach zwei Tagen kein
Signal des α-Protons der freien Aminosäure zu beobachten. Leider waren die 1H-NMRMessungen nicht so aussagekräftig und interpretierbar, wie erhofft. Aus diesem Grunde
wurde der Reaktionsverlauf, der zum Cp-Ringverlust führt, zusätzlich mit 13C-NMR verfolgt.
Im Anhang II sind die zeitabhängigen 13C-NMR-Studien der Reaktion dargestellt.
66
Aus den 13C-NMR-Spektren geht hervor, dass nach 24 h nur noch ein sehr kleines Cp-Signal
beobachtet werden kann. Es sind keine zusätzlichen Signale zu sehen, die auf freie
Aminosäure oder freie Cp-Liganden hinweisen.
Dazu müssen folgende Dinge berücksichtigt werden:
Die Aminosäure (Valin) ist in Methanol nicht löslich genug, um ein 13C-NMR-Spektrum
unter den hier angewandten Bedingungen (Messzeiten von ca. 10-30 Minuten, RT)
aufnehmen zu können. Das bedeutet, dass auch wenn freie Aminosäure auftritt, sie mit 13CNMR nicht registriert werden kann.
Die freien Cp-Liganden dimerisieren wieder und verdampfen höchstwahrscheinlich, da hier
nicht mit luftdicht verschließbaren NMR-Röhrchen gearbeitet wurde.
1.3.3.1.3.2 Zusammenfassung der NMR-Studien mit den Titanocen-AminosäureVerbindungen
Aus den NMR-Spektren der dargestellten Verbindungen geht hervor, dass nach der
Umsetzung von Titanocendichlorid mit zwei Äquivalenten Aminosäure in wenig*(* = 5 mL)
Methanol eine Koordination über mindestens den Sauerstoff der Carboxylgruppe erfogt, da
eine ausgeprägte chemische Verschiebung des α-Protons und ein deutliches Signal der CpLiganden bei Messungen in D2O zu erkennen sind.
Rückstände von Titanocendichlorid, die dann zu dem Cp-Signal in wässriger Lösung führen,
können ausgeschlossen werden. Die Produkte wurden mehrmals mit Pentan oder
Dichlormethan gewaschen, um Reste unumgesetzten Titanocendichlorids zu entfernen. An
ausgesuchten Verbindungen wurden zur Kontrolle 1H-NMR-Spektren in Chloroform
aufgenommen (Titanocendichlorid löst sich sehr gut in Chloroform), um die Wirksamkeit des
Waschprozesses zu testen. Sie wiesen kein Spuren mehr auf vonTtitanocendichlorid.
(Bei den Beobachtungen des Reaktionsverlauf via NMR im NMR-Röhrchen haben diese
„Waschprozesse“ nicht stattgefunden.)
1
H- und 13C-NMR-Studien des Reaktionen, die zum Cp- Ringverlust führen, belegen zwar
diesen, geben aber keine eindeutigen Hinweise auf freie Cp-Liganden oder Aminosäuren. Die
Gründe dafür liegen in der „schlechten“ Löslichkeit der verwendeten Aminosäuren in
Methanol, so dass geringe Mengen an freier Säure mit 13C-NMR nicht erfasst werden können.
Im 1H-NMR sind Spuren der freien Aminosäure am Anfang der Reaktion zu erkennen. Es ist
jedoch nicht möglich gewesen, die genaue Signallage zu bestimmen, da sie sehr klein sind.
Den NMR-Studien zufolge, koordiniert die Aminosäure an das Titanocendichlorid und nach
ca. 12 Stunden können Cp-Ring-Verluste belegt werden. Die Aminosäure bleibt aber der
Signallage des α-Protons nach zu urteilen an das Titanocenfragment gebunden.
Der Austausch der Cp-Ringe bei längeren Reaktionszeiten (bis zu 12 h) durch
Lösungsmittelanbindung kann mit der ohnehin labilen Cp-Ti-Bindung erklärt werden. Wie in
der Einleitung schon erwähnt wurde, beträgt die Halbwertszeit des Cp-Ring-Verlustes
zwischen 54-114 h, bei niedrigen pH-Werten. Die Oxophilie des Titans beschleunigt
wahrscheinlich den Ringverlust, da nun zwei Ti-Sauerstoffbindungen die beiden Cp-TiBindungen ersetzen. Neuste Ergebnisse aus der Forschung berichten von ähnlichen Effekten.
Guo und Sadler berichten über die Umsetzung von Titanocendichlorid mit dem sechszähnigen
Liganden N,N`ethylenbis(ο-hydroxyphenylglycin) (H4ehpg) in wässriger Lösung, die zu
Komplexen der Zusammensetzung [Ti(ehpg)(H2O)]ּ(11/3)H2O, oder auch zu den
entsprechenden Oxo-verbrückenden Dimeren Komplexen, führt2 (siehe Einleitung). Die
Reaktion erfolgt auch hier unter Cp-Ringverlust.
67
1.3.3.1.3.3 Potentiometrische Messungen
Um weitere Aussagen über das Verhalten der Titanocen-Aminosäure-Verbindungen in
Lösung treffen zu können, wurden potentiometrische Titrationsmessungen durchgeführt. Die
Intension war, Stabilitätskonstanten ermitteln zu können, die Aussagen über die Bindung der
Aminosäure an Titanfragmente treffen können. Dies sollte zu Erkenntnissen führen, welche
Spezies in Lösung vorliegen. Die Titanocen-Aminosäure-Verbindungen wurden in Wasser
gelöst. Dabei stellt sich durch Hydrloyse der Chlorid-Gegeionen automatisch ein pH-Wert im
Bereich von 2 ein. Die für die Messung entsprechend vorbereitete Lösungen (siehe
Experimental-Teil: Potentiometrie) wurden mit 0.1 molarer Natronlauge titriert. Dabei konnte
bei allen Verbindungen beobachtet werden, dass ab einem pH-Wert von ca. 2.5-3.0 zuerst
eine leichte milchige Trübung auftritt, die im Zuge der Titration und weiterer NatronlaugeZugabe zu einem feinen weißen Niederschlag führt. Der gleiche Effekt tritt auf, wenn man
statt Wasser in Methanol-Wasser-Mischungen arbeitet. Handversuche, bei denen nur
Methanol oder Ethanol als Lösungsmittel verwendet wurden und mit 0.1 molarer Natronlauge
titriert wurde, führten zu gleichen Ergebnissen. Der Versuch, durch Retro-Titration den
feinen weißen Niederschlag wieder aufzulösen, führten nicht zum gewünschten Ergebnis.
Die während der Messung der Titanocen-Valin-Verbindung aufgezeichnete Titrationskurve
(Abbildung 47) zeigt gegenüber der theorethisch errechneten eine Verschiebung in den sauren
pH-Bereich und simuliert einen „Protonen-Überschuß“.
Bei der potentiometrische Titration der Ausgangsverbindung Titanocendichlorid unter den
gleichen Bedingungen konnten die gleichen Beobachtungen gemacht werden:
- es tritt ab pH = 2.5-3.0 eine milchige Trübung auf, die sich bei weitere Zugabe von
Natronlauge zu einem feinen, weißen Niederschlag entwickelt
- dieser lässt sich durch inverse Titration mit 0.1 molarer salzsäure nicht wieder
auflösen
- die aufgezeichnete Titrationskurve der Titration mit 0.1 molarer Natronlauge zeigt im
Vergleich zur theorethisch errechneten eine Verschiebung in den sauren pH-Bereich,
so dass auch hier ein „Protonen-Überschuß“ simuliert wird.
Diese Beobachtungen führen zu den Schluß, dass es sich bei den Titrationsmessungen im
Falle
der
Titanocen-Aminosäure-Verbindungen
und
der
Ausgangsverbindung
Titanocendichlorid um die gleichen Vorgänge in Lösung handelt. Aus Literaturkenntnissen
über das Hydrolyseverhalten des Titanocendichlorids wird geschlossen, dass bei der Titration
der Titanocen-Aminosäure-Verbindungen mit Natronlauge das Hydrolyse-Produkt mit der
Zusammensetzung „Ti(η5-C5H5)0.31O0.30(OH)“ entsteht. Dies erklärt auch die Verschiebung
der gemessenen Titrationskurve verglichen mit der theorethischen in den sauren Bereich.
Durch Entzug der OH--Ionen ( Titration mit NaOH) aus der Lösung und Entfernung ais dem
Lösungsgleichgewicht durch Einbindung in das Hydrolyse-Produkt, entsteht der Eindruck
eines „Protonen-Überschusses“ und die Titrationskurve verschiebt sich in den sauren Bereich.
68
Abb. 47 Titrationskurve
1.3.3.1.3.4 Zusammenfassung aus den Potentiometrischen Titrationen
Diese Erkenntnisse implizieren, dass die Aminosäuren als Liganden keinen Einfluß auf das
Hydrolyseverhalten des Titanocen-Fragmentes ausüben. Im Gegenteil, es entsteht der
Eindruck, dass sich die Aminosäuren bezüglich des Dissoziationsverhaltens analog den
Chloridionen bei der Ausgangsverbindung Titanocendichlorid verhalten.
1.3.3.1.3.5 ESI-MS-Messungen
Um weitere Aufschlüsse über das Verhalten der Titanocen-Aminosäure-Verbindungen in
Lösung zu erhalten, wurden ESI-MS-Messungen durchgeführt. Wie im Abschnitt 1.3.2.1.3.2
erwähnt wurde, ist diese Methode besonders gut geeignet, um Aussagen über in Lösung
vorliegende Spezies zu treffen. Die Titanocen-Aminosäure-Komlexe wurden kurz vor den
jeweiligen Messungen in Methanol gelöst und vermessen. Weitere Messungen wurden nach
ca. 5 Minuten und 45-50 Minuten durchgeführt. Außerdem liegen Messergebnisse vor, bei
denen die Verbindungen ca. 4-5 h vor Messbeginn in Methanol gelöst wurden. Es konnte
beobachtet werden, dass sich die methanolischen Lösungen der Verbindungen innerhalb von
ca. 1 h von orange-gelb nach farblos entfärben. In der volgenden Tabelle 11 sind die ESI-MSDaten aufgeführt, die direkt nach dem Lösen (t = 0) beobachtet werden konnten. Titan zeigt
im ESI-MS-Spektrum ein ausgeprägtes Isotopenmuster, dass in Abbildung 48 berechnet und
in Abbildung 49 für die Titanocen-Valin-Verbindung gemessen wurde.
69
Tabelle 11:
Relevante ESI-MS-Daten bei t = 0 der Titanocen-Aminosäure-Komplexe
Spezies
Freie Aminosäure
(AS)
[As-MeOH]
[Cp2TiOMe]
[Cp2Ti(OMe)2]
[Cp2TiAS]
Ti-MeOH/H2OAddukte
[Cp2TiAS]+
[Cp2TiOMe]
[Cp2TiPhe2]Cl2
m/z (Intensitäten %)
166 (80)
[Cp2TiLeu2]Cl2
[Cp2TiVal2]Cl2
132 (66)
118 (34)
198 (17)
209 (25)
241 (24)
342 (100)
335 (23)
164 (23)
209 (14)
241 (12)
308 (100)
335 (31)
150 (10)
209 (14)
241 (12)
294 (100)
335 (34)
550 (22)
516 (21)
502 (42)
(Bei den Zahlenangaben der ESI-MS-Daten muß beachtet werden, dass sich die
Titan/Chlorid-und Kohlenstoffhaltigen Peaks über mehrere Massenzahlen m/z erstrecken und
hier nur die ausgeprägtesten, Intensität-stärksten herausgegriffen und aufgeführt werdenanalog zu den ESI-MS-Daten der Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen).
Bei den Messungen mit t = 5 Minuten vergößern sich sowohl die Intensitäten der Signale der
freien Aminosäuren und deren Addukte, als auch der Peak bei 335 m/z. Gleichzeitig
verleinern sich die Intensitäten der [CpTiAS]-Signale. Nach ca. 45-50 Minuten sehen die
Spektren der drei Verbindungen fast identisch aus. Sie unterscheiden sich lediglich in den
entsprechenden Aminosäure/Aminosäure-Addukt-Signalen. Der jeweils intensivste Peak ist
unabhängig von der Aminosäure der 335 Peak, der als [OMeTiCl]2Cl-Addukt interpretiert
werden kann. Da auch die ESI-MS-Spektren der Titanverbindungen ohne Cp-Liganden
immer alle ebenfalls diesen Peak aufweisen, unabhängig davon, welche Aminosäure
eingesetzt wurde, kann diese Spezies weder Cp-Liganden enthalten, noch Aminosäure. In den
Abbildungen 50-52 sind die zeitabhängigen ESI-MS-Messungen für die Valin-Verbindung
dargestellt (mit t = 0, t = 5 Minuten und t = 50 Minuten).
Auffällig ist, dass bei den Messungen mit t = 0 aller drei Aminosäure-TitanocenVerbindungen kein Signal für die 2:1-koordinierten Komplex zu sehen ist, sondern lediglich
die [Cp2TiAS]-Spezies. Dies deutet entschieden darauf hin, dass die Dissoziation der ersten
Aminosäure so schnell ist, dass es messtechnisch nicht möglich ist, den Komplex als
[Cp2TiAS2]-Spezies zu erfassen. Bei weiterem Verbleib der Verbindungen in Lösung spaltet
auch die zweite Aminosäure ab und es bilden sich Ti-Lösungsmittel-Addukte. Dieser
Vorgang ist mit der Entfärbung der Lösungen von orange/gelborange zu farblos verbunden
und dauert in etwa 1 h.
Abb. 48 Theoretisches Isotopenmuster von Titan
70
Abb. 49 Gemessenes Isotopenmuster von Titan
Abb. 50 ESI-MS-Spektrum vom Titanocen-Valin-Komplex (t=0)
71
Abb. 51 ESI-MS-Spektrum vom Titanocen-Valin-Komplex (t=5 min.)
Abb. 52 ESI-MS-Spektrum vom Titanocen-Valin-Komplex (t=50 min.)
1.3.3.1.3.6 Zusammenfassung der ESI-MS-Untersuchungen
Die ESI-MS-Messungen zeigen, dass kurze Zeit nach dem Lösen der Verbindungen in
Methanol (t = 0) die [Cp2TiAS]-Spezies vorliegen. Es konnten keine [Cp2TiAS2]-Spezies in
72
Lösung beobachtet werden. Nach ca. 45-50 Minuten ist der Dissoziationsvorgang sowohl der
zweiten Aminosäure als auch der Cp-Liganden fast abgeschlossen und in Lösung herrscht
eine Titan-Lösungsmittel (MeOH/H2O)-Spezies vor. Diese Spezies (335 m/z) ist bei allen
Aminosäure-Verbindungen unabhängig von der Identität der Aminosäure und unabhängig
von der Anwesenheit der Cp-Liganden vorhanden und dominiert nach ca 50 Minuten in
Lösung. Sie ist ebenfalls bei der Messung der Ausgangsverbindung Titanocendichlorid zu
beobachten.
1.3.3.1.3.7 Zusammenfassung der
Komplexe in Lösung
Untersuchungen
der
Titanocen-Aminosäure-
Aus den Feststoffuntersuchungen durch IR- und Raman-Spektroskopie und durch den
Vergleich mit Titanocen-Aminosäure-Komplexen mit kristallographisch belegten Strukuren
wird eine 1:2-Koordination der Aminosäuren über den Sauerstoff der Carboxylgruppe
geschlossen, wie in der nächsten Abbildung 53 dargestellt.
Cl
Ti
HO
+ 2
Cl
O
C
H
C
C
O
H
C
O
R
2+
R
NH3
2Cl-
Ti
NH2
H
O
C
C
O
NH3
R
Abb. 53 Schematische Struktur der Titanocen-Aminosäure-Verbindungen
Von der Titanocen-Phenylalanin-Verbindung exestiert von Tornieporth-Oetting in etwas
abgewandelter Form eine Kristallstruktur 11.
NMR-, ESI-MS-Spektroskopische und potentiometrische Titrationsmessungen belegen, dass
sich die Titanocen-Aminosäure-Verbindungen in Lösung analog der Ausgangsverbindung
Titanocendichlorid verhalten. Potentiometrische Titrationen mit Natronlauge ergeben
unabhängig von der Aminosäure das Hydrolyseprodukt des Titanocendichlorids, welches in
der Literatur mit folgender Zusammensetzung angegeben wird: „Ti(η5-C5H5)0.31O0.30(OH)“.
Längere Reaktionszeiten und ein „Überschuß“ an Lösungsmittel führen zum Austauscht der
Cp-Liganden durch Lösungsmittel (OMe). Die „Labilität“ der Cp-Ti-Bindung ist in der
Literatur bekannt12 und wird mit einer Halbwertszeit für den Ringverlust mit 54-117 h
angegeben. In diesem Falle wird es durch die Möglichkit des Titans, zwei weitere
Sauerstoffbindungen einzugehen, auf ca 12-15 h beschleunigt.
Aus Zeitabhängigen ESI-Studien ist ersichtlich, dass die erste Aminosäure so schnell
dissoziiert, dass sie fast sofort nach dem Lösen in Methanol nicht mehr als an den Komplex
gebunden, messtechnisch erfasst werden kann. Es ist aber die [Cp2TiAS]-Spezies für alle drei
Aminosäure-Verbindungen eindeutig identifizierbar. Innerhalb von ca. 1 h spalten sowohl die
zweite Aminosäure als auch die Cp-Ringe vom Titan ab und es bilden sich TitanLösungsmittel-Addukte, die ein ausgeprägtes Signal bei 335 m/z aufweisen. Dieses Signal ist
unabhängig von der eingesetzten Aminosäure und unabhängig vom Vorhandesein von CpLiganden in allen Messungen der Verbindungen nach ca 1 h zu finden.
12
J.H.Toney, C.P.Brock, T.J.Marks, J.Am.Chem.Soc., 1985, 107: 947.
73
Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, daß sich die Aminosäuren als Liganden für das
Titanocen ähnlich verhalten wie die Chloridliganden. Auch da ist bekannt, dass die
Dissoziation des ersten Chloridliganden so schnell verläuft, dass es meßtechnisch nicht erfasst
werden kann (siehe Einleitung: Hydrolyse-Verhalten des Titanocendichlorids)13. Die zweite
Aminosäure wird nach spätestens 1 h abgespalten.
Eine der wichtigen Vorausetzungen für die cytostatische Wirksamkeit sowohl des Cisplatins
als auch des Titanocens ist die leichte Dissoziationsfähigkeit der Chloridliganden. Sie ist im
Falle der Aminosäureliganden nachweislich ebenfalls gegeben. Der eindeutige Vorteil der
Titanocen-Aminosäure-Komplexe gegenüber dem Cytostatikum Titanocendichlorid liegt in
der weitaus besseren Löslichkeit im physiologischem Medium Wasser und in der
möglicherweise geringeren Toxizität, da Aminosäure körpereigene Bausteine sind. Zusätzlich
dazu ist bekannt, dass der Austausch der Chlorid-Liganden durch Trichloressigsäure eine
starke Verbreiterung des „Wirkungsfensters“ des Cytostatikums bewirkt (siehe Einleitung:
Vergleich der cytostatischen Aktivitäten von Titanocendichlorid und Molybdocendichlorid).
Die Essigsäure ist über den Sauerstoff der Carboxylgruppe an das Titanocenfragment
gebunden. Ähnliche Wirkungseffekte könnten die Titanocen-Aminosäure-Komplexe haben.
Erste Experimente zur Untersuchung der antimikrobialen Aktivität der TitanocenPhenylalanin-Verbindungen mit tetrafluorosubstituiertem Phenylring zeigten Erfolge11.
An der Stelle muß nachdrücklich darauf hingewiesen werden, dass die Untersuchungen der
Titanocen-Aminosäure-Verbindungen in Lösung bisher nur mit Aminosäuren ohne
funktionelle Gruppen im Rest R durchgeführt wurden. Sowohl die Bindungsverhältnisse als
auch das Verhalten der Komplexe in Lösung könnten sich durch die Existenz von weiteren
funktionellen Gruppen ändern. Die bisherigen Erkenntnisse über das Verhalten dieser
Komplexe im physiologischen Medium sind noch nicht übertragbar auf das Verhalten
möglicher Titanocen-Peptid- oder Protein-Verbindungen.
Aus SC-Database-Recherchen geht hervor, dass bisher keine Stabilitätskonstanten von
Titan(IV)-Aminosäure-Verbindungen mit den Aminosäuren Phenylalnin, Leucin und Valin
ermittelt wurden. Lediglich Verbindungen mit Ti(III) und Alanin, Leucin und Valin werden
aufgeführt und die Stabilitätskonstanten werden in einem Bereich von 8.5-9.7 angegeben14.
1.3.3.1.4 Vergleich der Molybdocen- und Titanocen-Aminosäure-Verbindungen
Die Metallocen-Aminosäure-Verbindungen des Molybdäns und Titans, die in dieser Arbeit
vorgestellt wurden, stellen bezüglich der Stabilitäten und Verhalten in Lösung zwei Extreme
dar. Die Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen sind in einem breiten pH-Bereich (0.112.9) bis zu einer Woche stabil. Auch nach fünf Wochen sind immer noch bei pH 0.1
signifikante Anteile der Molekül-Spezies in Lösung. Auf der anderen Seite findet die
Abspaltung der ersten Aminosäure der Titanocen-Aminosäure-Komplexe sofort nach dem
Lösen der Komplexe in Methanol oder Methanol/Wasser-Gemischen, statt. Die zweite
Aminosäure wird innerhalb einer Stunde abgespalten, unter gleichzeitigem Austausch der CpLiganden durch Sauerstoffhaltiges Lösungsmittel. Das Liganden-Verhalten der Aminosäuren
steht in Analogie zu dem Verhalten der Chloridionen als Liganden für das Titanocen.
1.3.3.2 Ausblick
Wie in der Einleitung und am Anfang dieses Kapitels schon erwähnt wurde, befindet sich die
Forschung, die die cytostatisch aktiven Metallocene in Zusammenhang mit Proteinen und
Enzymen bringen, noch in den Anfängen. In dieser Arbeit wurden einige Kenntnisse
bezüglich der Stabilitäten und Verhalten von Metallocen-Aminosäure-Komplexen des Titans
13
14
G.Doyle, R.S.Tobias, Inorg.Chem., 1967,6 (6): 1111.
O.Farooq, A.U. Malik, N.Ahmad, S.H.F.Rahmann, J.Electroanal.Chem., 1970, 24: 464.
74
und Molybdäns erweitert. Viele Fragen bleiben jedoch offen und bilden interessante
Aufgaben für weitere Forschungsarbeiten. Im folgenden sind einige davon stichpunktartig
aufgeführt:
- Untersuchung der Kinetik der Molybdocen-Aminosäure-Komplexe, zB. via UV-VISSpektroskopie (Farbänderung von rot zu grün nach 5 Wochen bei pH 0.1)
- für die Titanocen-Aminosäure-Komplexe Lösungsmittel suchen, in denen die
Dissoziationen der Aminosäure-und Cp-Liganden nicht so schnell stattfindet, um dann
über potentiometrische Titration Stabilitäten zu betrachten (dazu müsste entsprechend
eine neue Meß- und Auswertungsmethode für nicht-wäßrige Medien entwickelt
werden)
- modifizierte Reaktionrouten zur Darstellung von 1:2 Molybdocen-AminosäureVerbindungen, die lediglich über O oder N koordinieren und auf Stabilitäten und
Verhalten in Lösung prüfen
- analog dazu modifizierte Reaktionsrouten zur Darstellung von N,O-chelierenden
Aminosäure-Titanocen-Verbindungen entwickeln und diese Verbindungen auf
Stabilitäten und Verhalten in Lösung untersuchen
- Umsetzungen der beiden Metallocene mit Peptiden bekannter Sequenzen und
Untersuchung auf Bindungsart im Fesstoff und auf Verhalten in wässrigem oder
wasserähnlichem Medium.
Es ist wohl noch ein weiter Weg, bis die mechanistischen Effekte der Wirkungsweise der
Metallocen-Cytostatika vollständig verstanden werden können. Durch die Beschäftigung mit
diesem Gebiet könnte die eine oder andere Verbindungsklasse als potentielle Cytostatika
näher in Augenschein genommen werden, wie zum Beispiel die Titanocen-AminosäureKomplexe.
75
1.4 Zusammenfassung der Ergebnisse
Im Mittelpunkt dieser Arbeit standen Metallocen-Aminosäure-Verbindungen des Molybdäns
und Titans, ihre strukturelle Charakterisierung und Untersuchungen in wässriger und
wasserähnlicher Lösung. Im Rahmen der Dissertation ist es gelungen, die MolybdocenAminosäure-Komplexe mit den Aminosäuren Phenylalanin, Leucin und Valin darzustellen
und erstmals via Röntgenkristallstrukuranalyse zu charakterisieren. Die Darstellung erfolgt in
entgastem Wasser unter Schutzgasatmosphäre durch Zugabe von gleiche Äquivalenten
Cp2MoCl2, Aminosäure und der Hilfsbase Triethylamin (NEt3). Die Strukturanalyse zeigt,
wie von Gore und Green postuliert, einen N,O- koordinierenden Fünfringchelat der
Aminosäure an die Molybdoceneinheit der Form [Cp2MoAS]+Cl- (AS = Aminosäure) mit
angelagerten Wassermolekülen. Mit den Aminosäuren Histidin und Tryptophan wurden neue
Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen dargestellt, die in der Literatur noch nicht
beschrieben wurden. Ihre Charakterisierung erfolgte über IR-, NMR- und ESI-MSSpektroskopie. Die Zusammenfassung und Interpretation der analytischen Daten befindet sich
im Anhang II. Die Molybdocen-Aminosäure-Komplexe mit den Aminosäuren Phenylalanin,
Leucin und Valin wurden mittels Potentiometrischer Titrationsmessungen, UV-VISMessungen, 1H-NMR- und 13C-NMR- sowie ESI-MS-Spektroskopischer Messungen auf
Stabilitäten und Verhalten in Lösung untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass diese
Verbindungen in einem breiten pH-Bereich (von 0.1-12.9) bis zu einer Woche kinetisch
stabil sind. Erst dann sind weitere Molybdän-Addukte registrierbar, wobei die MolekülSpezies “[Cp2MoAS]“ bis zu fünf Wochen bei pH = 0.1 als eine der dominierenden Spezies in
Lösung nachweisbar ist. Dann erst erfolgt die Abspaltung der Cp-Liganden, wobei der N,OChelat der Aminosäure an Molybdän gebunden bleibt.
Ganz anders verhalten sich die Titanocen-Aminosäure-Verbindungen mit den analogen
Aminosäuren mit der Strukturformel [Cp2TiAS2]Cl2. Sie wurden in Methanol durch Zugabe
von Titanocendichlorid und zwei Äquivalenten Aminosäure durch Rühren bei
Raumtemperatur hergestellt. Es ist nicht gelungen, für die Röntgenstrukturanalyse taugliche
Kristalle zu erhalten . Daher wurden die neuen Verbindungen mit denen von TornieporthOetting strukturell charakterisierten Titanocen-Aminosäure-Verbindungen verglichen. Aus
dem Vergleich der IR- , Raman- und NMR-Spektroskopischen Untersuchungen kann darauf
geschlossen werden, dass diese Verbindungen ebenfalls in einer 1:2 Koordination über die
Sauerstoffe der Carboxylgruppen vorliegen.
NMR-, ESI-MS- und Potentiometrische Titrationsmessungen
belegen, dass sich die
Titanocen-Aminosäure-Verbindungen in Lösung analog der Ausgangsverbindung
Titanocendichlorid verhalten. Sobald sie in Lösung gehen, stellt sich durch Hydrolyse der
Chloridgegenionen ein pH-Wert von ca. 2 ein. Eine Erhöhung des pH-Wertes durch Zugabe
von Natronlauge (Potentiometrische Titration) führt unabhängig von der jeweiligen
Titanocen-Aminosäure-Verbindung zum Hydrolyseprodukt des Titanocendichlorids. Dieses
wird in der Literatur mit folgender Zusammensetzung angegeben : „Ti(η5C5H5)0.31O0.30(OH)“. Durch Reaktionszeiten von 12 bis 15 h und einem „Überschuß“ an
Lösungsmittel (Methanol/Ethanol/Wasser) wird die ohnehin schwache Cp-Titan-Bindung
gebrochen und die Cp-Liganden werden durch Lösungsmittel ersetzt. Zeitabhängige ESI-MSMessungen zeigen eindeutig, dass die erste Aminosäure so schnell abgespalten wird, dass sie
sofort nach dem Lösen in Methanol nicht an den Titanocen-Aminosäure-Restkomplex
gebunden registriert werden kann. Die [Cp2TiAS]-Spezies ist aber für alle drei Aminosäuren
eindeutig identifizierbar. Innerhalb von ca. 1 h spalten sowohl die Cp-Ringe als auch die
zweite Aminosäure ab und es bilden sich Ti-Lösungsmittel-Addukte. Diese Ergebnisse lassen
darauf schließen, dass sich die Aminosäuren als Liganden für das Titanocen ähnlich verhalten
76
wie die Chloridliganden. Die leichte Dissoziationsfähigkeit der Chloridliganden ist bei den
beiden Cytostatika Cisplatin und Titanocendichlorid von entscheidender Bedeutung zur
Entfaltung ihrer Antitumor-Wirksamkeit. Sie ist im Falle der hier untersuchten TitanocenAminosäure-Komplexe für die Dissoziation der Aminosäure-Liganden nachweislich ebenfalls
gegeben. Diese Verbindungen haben zusätzlich den Vorteil gegenüber
der
Ausgangsverbindung Titanocendichlorid, dass sie sehr gut löslich sind im physiologischem
Medium Wasser und wahrscheinlich eine geringere Toxicität besitzen, da Aminosäuren
körpereigene Bausteine sind.
1.5 Experimenteller Teil
1.5.1 Allgemeine Arbeitstechnik
Die
Synthese
der
Ausgangsverbindung
Molybdocendichlorid
wurden
unter
Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Als Schutzgas wurde Argon R (Schweißargon, 5.0)
verwendet. Als Reaktionsgefäße dienten zuvor im Hochvakuum mehrmals ausgeheizte und
entsprechend mit Argon gespülte Glaskolben und Glasfritten mit Hahnansätzen nach Schlenk.
Arbeiten an offenen Apparaturen erfolgten im Schutzgasgegenstrom. Flüssigkeiten wurden
mittels Spritzen über Septen eingebracht.
Die verwendeten Lösungsmittel wurden durch Rückflußkochen mit Trocknungsmitteln unter
Argon absolutiert, destilliert und bis zur Verwendung unter Argon aufbewahrt.
Als Trocknungsmittel dienten:
• Kalium für Pentan, Tetrahydrofuran, Hexan
• Phosphorpentoxid oder Molekularsieb für Chloroform, Dichlormethan
• Molekularsieb für Ethanol, Methanol
Die folgenden Chemikalien wurden wie folgt bezogen oder vorbehandelt:
• Aminosäuren
• Cyclopentadienylnatrium
•Cyclopentadien
• MoCl5
Cp2TiCl2
Aldrich, Deisenhofen
durch Reaktion von Cyclopentadien mit
Natrium in THF
Aldrich, Deisenhofen
Fluka /Merck
Aldrich, Deisenhofen
Die Synthese der Ausgangsverbindung Cp2MoCl2 wird im 2.Teil der Arbeit (OlefinMetathese: Experimentalteil) beschrieben.
77
1.5.2 Analysenmethoden
Elementaranalyse
Die verbrennungsanalytische Bestimmung von Kohlenstoff- Wasserstoff- und
Stickstoffgehalten erfolgte mit Hilfe eines Vario EL der Firma Elementaranalysen-System
GmBH.
Infrarot-Schwingungsspektroskopie
Die Aufnahme der IR-Schwingungsspektren erfolgten mit einem Bruker IFS 25
Spektrometer. Die Proben wurden als KBr-Preßlinge (2-4 mg Substanz pro 300 mg KBr) bei
Raumtemoeratur vermessen. Die Auswertung erfogte an einem PC mit Hilfe des Programmes
OPUS.
Verwendete Abkürzungen:
w (weak), m (medium), s (strong), sh (shoulder), vs (very strong).
Raman-Spektroskopie
Die Ramanspektren konnten mit einem RFS 100 der Firma Bruker
(Titanaminosäureverbindungen) aufgenommen werden. Die Messungen erfolgten bei einer
Spaltbreite von 2.4 mm mit einer Laserleistung von 260 mW und 500 Scans pro Probe. Die
Spektren wurden mit Hilfe des OPUS21 an einem PC ausgewertet.
Massenspektrometrie
Die ESI-massenspektrosopischen Untersuchungen wurden an einem Finnigan TSQ 7000Spektrometer durchgeführt. Die Verbindungen wurden in Methanol oder Methanol-Wasser
gelöst und vermessen. Die angegeben Massenzahlen beziehen sich auf Fragmente mit den
Isotopen 1H, 12C, 16O, 35Cl, Mo, Ti, die in der Regel das Maximum der Peakgruppe
darstellen.
Kernresonanzspektroskopie
Die 1H-, 13C-, -NMR-Spektren wurden an einem mit einer Multikernsonde ausgerüstetem
ARX 300 (MHz)-Spektrometer der Firma Bruker aufgenommen.
Die Proben wurden in 5 mm-Röhrchen abgefüllt und größtenteils bei Raumtemperatur
vermessen. Die Referenzierung erfogte gegen das jeweilige Lösungsmittel.
UV-VIS-Spektroskopie
Die UV-VIS-Messungen wurden mit Hilfe einer UV-Mini-Tauchsonde (Schichtdicke 10 nm)
am Gerät Dioenarray Spektralphotometer X-dab der Firma Polytec durchgeführt. Die
Messungen erfolgten in einem Bereich von 300-1000 nm. Für die Aufnahme und Bearbeitung
der Spektren wurde die Software XLAB (Version 3.11) der Firma IKS Optoelektronik
verwendet.
78
Potentiometrische Titration
Die Potentiometrischen Titrationen wurden mit Hilfe eines Metrohm 665 Dosimaten mit 1mL-Wechseleinheit Metrohm 535-138 und einer kombinierten pH-Glas-Elektrode Metrohm
Nr. 6.0203.100 durchgeführt. Zur Steuerung und Auswertung der Messungen wurde das
Programm Titfit verwendet.
Einkristallstrukturuntersuchungen
Zur Röntgen-Einkristalldiffraktometrie wurde das Gerät Bruker AXS CCD mit Mo-KαStrahlung und Graphit-Monochromator verwendet. Die Lösung und Verfeinerung der
Röntgenstrukturen erfolgte mit dem Programm SHELXS 97.
79
1.5.3 Synthesen der Ausgangsverbindungen
1.5.3.1 Aminosäureverbindungen des Molybdäns
1.5.3.1.1 Phenylalanin (Phe4,Mo)
In 40 mL entgastem Wasser wird 0.83 g D-Phenyalanin (5 mmol) unter Schlenkbedingungen
suspendiert und löst sich nach der Zugabe von 0.7 mL Triethylamin (5 mmol) vollständig auf.
Nach zehnminütigem Rühren bei RT wird zur farblosen Lösung 1.5 g Cp2MoCl2 dazugegeben
und die olivgrüne Suspension wird zwei Tage am Rückfluß erhitzt, bis eine dunkelrote
Lösung mit braunem Niederschlag entstanden ist. Das Reaktionsgemisch wird durch ein
Papierfilter filtriert und das dunkelrote wäßrige Filtrat wird im dynamischen
Ölpumpenvakuum vom Lösungsmittel befreit. Der Rückstand wird in Methanol
aufgenommen, wiederum filtriert und im dynamischen Vakuum etwas eingeengt.
Die methanolische Lösung wird auf eine mit Dichlormethan suspendierte Alumni B-Säule
aufgetragen und mit Dichlormethan, Diethylether und Methanol eluiert. Das Produkt befindet
sich in der dunkelroten methanolischen Fraktion. Das Lösungsmittel wird im dynamischen
Vakuum entfernt. Es entsteht ein dunkelroter, pulveriger Feststoff, der luft- und
feuchtigkeitsstabil ist.
C19H20ClNO2Mo
( 425.76 g/mol)
Cber.: 53.60 %
Cgef.: 50.68 %
Hber.: 4.76 %
Hgef.: 6.32 %
Ausbeute:
Elementaranalyse:
1
Nber.: 3.39 %
Ngef.: 4.22 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
1.2 (t ,NEt3), 2.95-3.25 (m, 2Hβ; J1= 3Hz; J2= 5Hz), 3.2 (q,
NEt3), 3.45 (t, 1Hα; J= 5Hz), 5.48 (s, 5H, Cp), 5.8 (s, 5H,Cp),
7.2 (dd, 3Hγ; J1= 2Hz; J2= 7.7Hz), 7.4(m, 2Hγ; J1= 2.3Hz; J2=
7.5Hz).
IR (in KBr): ν in cm-1
=
3422 s, 3071m, 3056 m, 22950 w, 2678 w, 2496 w, 2380 w,
2250 w, 1647 vs, 1595 s, 1577 m, 1433 w, 13357 m, 1312 w,
1262 w, 1172 w, 1035 w, 886 w, 825 w, 749 w, 701 m.
ESI-MS: m/z (%) =
239 (20), 392 (100).
Röntgenstrukturanalyse: siehe Anhang
80
1.5.3.1.2 Leucin (Leu1,Mo)
0.44 g L-Leucin (3.36 mmol) werden in 25 mL entgastem Wasser unter Schlenkbedingungen
bei Zusatz von 0.47 mL Triethylamin (3.36 mmol) vollständig gelöst und
nach
zehnminütigem Rühren bei Raumtemperatur wird 1.0 g Cp2MoCl2 (3.36 mmol) dazugegeben.
Die olivgrüne Suspension wird 24 h zum Rückfluß erhitzt, bis sich eine dunkelrote Lösung
mit braunem Niederschalg gebildet hat. Das dunkelrote Reaktionsgemisch wird über ein
Papierfilter filtriert und das wäßrige Filtrat wird im dynamischen Ölpumpenvakuum vom
Lösungsmittel befreit. Der Rückstand wird in Methanol aufgenommen, erneut über ein
Papierfilter filtriert. Das eingeengte methanolische Filtrat wird auf eine, mit Dichlormethan
suspendierte Aluminiumoxidsäule (Alumni B) aufgetragen und nacheinander mit
Dichlormethan, Diethylether und Methanol eluiert. Das Produkt befindet sich in der
dunkelroten methanolischen Fraktion. Das Lösungsmittel wird im dynamischen Vakuum
entfernt. Der entstandene dunkelrote fesstoff ist luft- und feuchtigkeitsstabil.
C16H22ClNO2Mo
(391.73 g/mol)
Cber.: 49.06 %
Cgef.: 51.87 %
Hber.: 5.66 %
Hgef.: 6.57 %
Ausbeute:
Elementaranalyse:
1
Nber.: 3.57 %
Ngef.: 3.08 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
0.85 (dd, 6Hδ; J= 3.5 Hz), 1.2 (t, NEt3), 1.4-1.7 (m, 1Hγ,2Hβ; J
= 6Hz) 3.1 (m, NEt3), 3.15 (t, 1Hα; J= 5 Hz), 3.2 (s, MeOH), 5.8
(s,s 10H,Cp).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3421 m,, 3093 m, 2954 m, 1647 vs, 1600 m,sh, 1468 w, 1422 w,
1366 m, 1331 m, 1244 w, 1211 w, 1070 w, 992 w, 917 w, 841
m, 559 m.
ESI-MS: m/z (%) =
351 (100), 369 (11).
Röntgenstrukturanalyse: siehe Anhang
81
1.5.3.1.3 Valin (Val2,Mo)
0.2 g D,L-Valin (1.69 mmol) werden in 20 mL entgastem Wasser unter Schlenkbedingungen
suspendiert und lösen sich nach der Zugabe von 0.23 mL Triethylamin (1.68 mmol)
vollständig. Nach zehnminütigem Rühren bei Raumtemperatur wird 0.5 g Cp2MoCl2 (1.68
mmol) zugegeben und die nun olivgrüne Suspension wird über Nacht (18 h) am Rückfluß
erhitzt. Das dunkelrote Reaktionsgemisch wird über ein Papierfilter filtriert und das Filtrat
wird im Ölpumpenvakuum bis zur Trockne eingeengt, mit etwas Methanol suspendiert und
wiederum über Papierfilter filtriert. Die methanolische Lösung wird etwas eingeengt und auf
eine Alumni B-Säule aufgetragen. Die Eluierung erfolgt mit Diethylether, Dichlormethan und
Methanol. Sowohl die Diethylether- als auch die methanolische Fraktion waren dunkelrot
gefärbt. Die Dichlormethanphase blieb farblos. Das Lösungsmittel wurde aus der dunkelroten,
methanolischen Produktfraktion entfernt. Der entstandene dunkelrote Fesstoff ist luft- und
feuchtigkeitsstabil.
C15H22ClNO3Mo
(395.72 g/mol)
Cber.: 45.53 %
Cgef.: 45.62 %
Hber.: 5.60 %
Hgef.: 5.78 %
Ausbeute:
Elementaranalyse:
1
Nber.: 3.54 %
Ngef.: 3.76 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
0.80 (d, 3Hγ; J= 7 Hz), 0.95 (d, 3Hγ; J= 7Hz), 1.3 (t, NEt3),
2.2 (m, 2Hβ; J1= 7 Hz; J2= 3 Hz), 3.1 (q, NEt3), 3.25 (s, MeOH),
3.05 (d, 1Hα; J= 3.3 Hz), 5.83 (s, 5H, Cp), 5.85 (s, 5H, Cp).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3426 m, 3087 m, 2962 w, 1644 vs, 1599 m, 1421 w, 1364 m,
1338 s, 1310 m, 1255 m, 1222 m, 1009 m, 903 w, 847 m, 797 w,
554 w, 475 w.
ESI-MS: m/z (%) =
102 (30), 239 (5), 344 (100).
Röntgenstrukturanalyse: siehe Anhang
82
1.5.3.1.4 Prolin (Pro1,Mo)
0.23 g L-Prolin (2 mmol) werden in entgastem Wasser unter Schutzgasatmosphäre
suspendiert und lösen sich nach der Zugabe von 0.28 mL Triethylamin (2 mmol) vollständig
auf. Die klare Lösung wird zehn Minuten bei Raumteperatur gerührt. 0.3 g
Dicyclopentadienylmolybdändichlorid (1 mmol) werden zugegeben und nach halbstündigem
Rühren bei RT wird das Reaktionsgemisch zum Rückfluß ca. fünf Stunden erhitzt. Nach
Abkühlen auf RT wird das Gemisch über ein Papierfilter filtriert, das Lösungsmittel wird im
dynamischen Ölpumpenvakuum entfernt,. Der Rückstand wird in Methanol aufgenommen
und wiederum mittels Papierfilter filtriert. Die methanolische, klare auberginenfarbene
Lösung wird etwas eingeengt und auf eine mit Dichlormethan aufgeschlemmte Alumni BSäule aufgetragen. Die Eluierung erfolgt mit Dichlormethan, Diethylether und Methanol.
Die gereinigte methanolische Phase wird zum Teil für Kristallisationszwecke verwendet und
zum Teil bis zum Feststoff im dynamische Vakuum getrocknet und zu Analysezwecken
verwendet. Es ist ein dunkelroter Fesstoff mit Lila-Stich (auberginenfarben) entstanden, der
weder luft- noch feuchtigkeitsempfindlich ist.
C15H20ClNO3Mo ( 393.70 g/mol)
Elementaranalyse:
1
Cber.: 45.76 %
Cgef.: 45.19 %
Hber.: 5.12 %
Hgef.: 5.17 %
Nber.: 3.56 %
Nber.: 3.43 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
1.2 (t, NEt3), 1.5-2.0 (m, 2Hγ; Jβ,γ= 8 Hz; Jγ,δ= 11 Hz ), 2.2 (t,
2Hδ; Jγ,δ= 11 Hz), 2.5 (m, 2Hβ; Jβ, α= 11 Hz; Jβ,γ= 8 Hz), 3.1 (m,
NEt3), 3.2 (s, MeOH), 3.6 (t, 1Hα; Jα,β= 11), 5.95 (s, 10H, Cp).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3419 m, 3079 m, 2977 m, 2942 m, 27739 w, 2676 m, 2603 s,
2530 w, 2496 s, 2356 w, 1644 s, 1475 m, 1444 m, 1397 m,
1383 m, 1363 m, 1298 m, 1266 mw, 1172 m, 1072 w, 1036 m,
922 w, 850 m, 807 w, 629 w.
ESI-MS: m/z (%) =
229 (84), 245 (34), 260 (6), 242 (100), 679 (29), 715 (6).
( alle Peaks sind Molybdänhaltig)
83
1.5.3.1.5 Serin (Ser2,Mo)
0.26 g L-Serin (2.5 mmol) werden in entgastem, destilliertem Wasser suspendiert und lösen
sich vollständig nach der Zugabe von 0.4 mL Triethylamin (ca 2.5 mmol). Nach
zehnminütigem Rühren bei RT wird 0.75 g Cp2MoCl2 (2.5 mmol) zugegeben und das
olivgrüne Reaktionsgemisch wird zwei Tage zum Rückfluß erhitzt. Die nun dunkelrote
Suspension wird nach Abkühlen auf RT über ein Papierfilter filtriert. Das Lösungsmittel wird
im dynamischen Vakuum entfernt und der Rückstand wird in Methanol aufgenommen. Nach
wiederholten Filtrieren wird die klare, dunkelrote Lösung etwas eingeengt und auf eine
Alumni B-Säule aufgetragen. Die Eluierung erfolgt mit Dichlormethan, Diethylether und
Methanol. Die orangefarbene methanolische Lösung wird bis zur Trockne eingeengt und für
Analysezwecke verwendet. Lediglich Kristallisationsansätze in Methanol und Abdampfen
ergeben Kristalle, die aber bisher nicht röntgentauglich sind.
C14H19NO4Mo
Ausbeute:
0.71 g (78 %)
Elementaranalyse:
Cber.: 46.55 %
Cgef.: 45.62 %
1
(361.24 g/mol)
[Cp2MoSer](OCH3)
Hber.. 5.30 %
Hgef.: 5.78 %
Nber.: 3.87 %
Ngef.: 3.76 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
1.2 (t, NEt3), 3.1 (m, NEt3), 3.35 (t, 1Hα; J= 7.6 Hz), 3.85 (d
2Hβ; J= 7.5 Hz), 5.75 (s, klein, HCp), 5.8 (s, HCp).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3421 m, 3091 w, 2369 w, 2342 w, 1645 vs, 1425 w, 1326 w,
1263 w, 1237 w, 1191 w, 1072 w, 1019 w, 841 w.
ESI-MS : m/z (%) =
102 (100), 239 (14), 332 (93), 485 (5).
84
1.5.3.1.6 Histidin (His1,Mo)
0.26 g L-Histidin (1.67 mmol) werden in entgastem Wasser suspendiert, 0.2 mL Triethylamin
(ca 1.67 mmol) wird zugegeben und die klare, farblose Lösung wird nach zehnminütigem
Rühren bei RT mit 0.5 g Cp2MoCl2 (1.67 mmol) versetzt. Die olivgüne Suspension wird über
Nacht (18 h) zum Rückfluß erwärmt. Das dunkelrote Reaktionsgemisch wird filtriert und das
Filtrat wird vom Lösungsmittel befreit. Der Rückstand wird in etwas Methanol
aufgenommen. Nach wiederholtem Filtrieren wird die rote Lösung etwas eingeengt und auf
eine Alumni B-Säule aufgetragen. Die Eluierung erfolgt mit Dichlormethan, Diethylether und
Methanol.
Die rote methanolische Fraktion wird zur Trockne eingeengt und der Feststoff wird zu
Analysezwecken und Kristallisationsansätzen verwendet. Lediglich das Abdampfen der
methanolischen Lösung ergibt kristallines Produkt, daß aber aufgrund von Verwachsungen
nicht röntgentauglich ist.
C17H21Cl3N3O2Mo (501.49g/mol)
Ausbeute:
0.62 g (74 %)
Elementaranalyse:
Cber.: 40.70 %
Cgef.: 40.54 %
1
Hber.:
Hgef.:
[Cp2MoHis]Cl·CH2Cl2
4.22 %
4.28 %
Nber.: 8.37 %
Ngef.: 8.40 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
1.2 (t, NEt3), 3.2 (m, 2H,β, NEt3), 3.3 (s, MeOH), 3.5 (t, 1H,α),
5.75 (s, H,Cp), 5.95 (s, H,Cp), 7.1 (s, 1H,γ), 7.85 (s, 1H,δ).
IR (in KBr) : ν in [cm-1]
=
3419 s, 3094 s, 2976 m, 2603 m, 2495 m, 1652 s, 1475 w, 1429
w, 1383 w, 1309 w, 1267 w, 1171 w, 1079 w, 1035 w, 849 w,
622 w, 559, 493 w.
85
1.5.3.1.7 Tryptophan (Try2,Mo)
Zu einer olivgrünen Suspension von 2.0 g Cp2MoCl2 (6.76 mmol) in entgastem Wasser
werden gleiche Äquivalente L-Tryptophan (6.76 mmol, 1.37g) und Triethylamin ( ca. 6.76
mmol, 0.94 mL) zugegeben. Das Reaktionsgemisch wird mehrere Stunden zum Rückfluß
erhitzt. Nach Abkühlen auf RT wird die dunkelrote Suspension filtiriert und das
Lösungsmittel wird entfernt. Der Rückstand wird in Methanol gelöst. Nach erneuter
Filtration wird die rote, klare Lösung etwas eingeent und auf eine Alumni B-Säule
aufgetragen. Die Eluierung erfolgt mit Dichlormethan, Diethylether und Methanol. Sowohl
die Dichlormethan als auch die methanolische Phase sind rot gefärbt.
Die methanolische Phase wird zur Trockne eingeengt und zu Analysezwecken und für
Kristallisationsansätzen verwendet. Aus der Dichlormethanphase entstehen beim Abdampfen
lange, dunkelrote verwachsene, nicht röntgentaugliche Nadeln.
C21H21ClN2O2Mo
( 463.78 g/mol)
Es wurde keine Elementaranalyse durchgeführt.
1
H-NMR (300 MHz, D2O) :δ in [ppm] =
1.2 (t, NEt3), 2.1 (s, Aceton), 3.1-3.3 (m, q, NEt3, 1Hγ), 3.5 (dd,
2Hβ), 3.4 (t, 1Hα), 5.1 (s, HCp), 5.8 (s, HCp), 7.2 ( m, Hδ), 7.6
(m, Hδ).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3417 m, 3095 m, 2283 w, 1645 s, 1425 m, 1374 m, 1342 m,
1316 m, 1254 m, 1010 w, 842 m, 740 m, 557 m.
ESI-MS : m/z (%)
119 (25), 183 (5), 430 (100).
( nur der Molpeak bei 430 ist Molybdan-haltig)
=
86
1.5.3.2 Aminosäureverbindungen des Titans
1.5.3.2.1 Umsetzung mit Phenylalanin
Variante a (Phe4,Ti)
Zu einer roten Suspension aus 0.5 g Titanocendichlorid ( 2 mmol) in 18 mL Methanol werden
0.66 g L-Phenylalanin (4mmol) zugegeben und 20 h bei Raumtemperatur gerührt.
Die gelborange, klare Lösung wird im dynamischen Vakuum vom Lösungsmittel befreit und
2 h getrocknet. Der gelborange, glänzende Feststoff ist luftstabil, sehr gut löslich in Methanol
und Wasser, weniger gut löslich in i-Propanol.
C20H28Cl2N2O6Ti
Ausbeute:
0.88 g
Elementaranalyse:
Cber.: 46.98%
Cgef.: 46.59 %
1
(M: 511.21 g/mol)
[(MeO)2TiPhe2]Cl2
Hber.: 5.52 %
Hgef.. 5.50 %
Nber.: 5.47 %
Ngef.: 6.76 %
(86 %)
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
3.1 (m, 2Hβ ), 3.3 (m, 2Hβ ), 3.75 (s,OMe),
4.1 (t, 1Hα), 7.3 (m, 5Hγ ).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3419 m, 3027 vs, 2950 s, 1957 w, 1683 s, 1596 m, 1496 s, 1479
s, 1447 m, 1217 w, 1138 w, 1081 w, 814 s, 744 s, 701 s, 642 m,
563 m, 481 w, 420 w.
ESI-MS: m/z (%) =
166 (40), 335 (100), 340 (11), 342 (7).
Variante b (Phe3,Ti)
Zu einer roten Suspension von 0.5 g Titanocendichlorid ( 2 mmol) in 5 mL Methanol wird
0.66 g L-Phenylalanin (4 mmol) zugegeben und zwei Stunden bei Raumtemperatur gerührt.
Die orange, klare Lösung wird im dynamischen Vakuum vom Lösungsmittel befreit und
mehrmals mit Pentan oder Dichlormethan gewaschen, um überschüssiges Titanocendichlorid
zu entfernen. Der Rückstand wird zwei Stunden im dynamischen Vakuum getrocknet. Der
tief-orange, pulverige Feststoff ist luftstabil und sehr gut löslich in Methanol und Wasser,
weniger gut in i-Propanol.
C28H32Cl2N2O4Ti
Ausbeute:
0.98 g (84 %)
Elementaranalyse:
Cber.: 58.05 %
Cgef.: 54.48 %
1
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
(M: 579.33 g/mol)
Hber.: 5.56 % Nber.: 4.83 %
Hgef.: 5.68 % Ngef.: 4.62 %
87
3.2 (m, 2Hβ + s, MeOH), 3.3 (m, 2Hβ), 4.75 (t, Hα),
6.7 (s, 5HCp), 7.45 (m, 5Hγ).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3439 m, 291 m, 2921 m, 2359 w, 1739 w, 1652 vs, 1630 s, 1496
s, 1440 m, 1375 s, 12222265 vs, 1130 m, 1017 w, 983 w, 830 s,
744 m, 701 m, 624 w, 590 w, 542 w, 420 w.
ESI-MS: m/z (%) =
166 (80),172 (11), 198 (17), 209 (25), 241 (24), 335 (25), 342
(100), 550 (21).
1.5.3.2.2 Umsetzung mit Leucin
Variante a: Leu5,Ti
0.5 g Titanocendichlorid (2 mmol) werden in 18 mL Methanol suspendiert und 0.52 g LLeucin (4 mmol) werden zur roten Suspension zugegeben. Nach 20 h Rühren bei
Raumtemperatur wird die gelbe, klare Lösung im dynamischen Vakuum vom Lösungsmittel
befreit und ca. 2 h getrocknet. Das orangegelbe pulverige Produkt ist luftstabil, sehr gut
löslich in Wasser und Methanol, weniger gut in i-Propanol und chlorierten Lösungsmitteln.
C14H32Cl2N2O6Ti
Ausbeute:
0.81 g (92 %)
Elementaranalyse:
Cber.: 37.94 %
Cgef.: 38.98 %
1
(443.17 g/mol)
[(MeO)2TiLeu2]Cl2
Hber.: 7.28 %
Hgef.: 7.32 %
Nber.: 6.32 %
Ngef.: 6.48 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
0.9 (dd, 6Hδ, J= 3.7 Hz), 1.6-1.8 (m, 2Hβ, Hγ), 3.8 (s, OMe),
3.9 (t, Hα, J= 4.6 Hz)
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3424 s, 2960 s, 1599 m, 1506 m, 1436 m, 1387 w, 1349 w, 1172
w, 1133 w, 1021 w, 814 m.
ESI-MS: m/z (%)
132 (35), 164 (18), 308 (22), 335 (100).
=
Variante b: Leu4,Ti
Zu einer roten Suspension aus 0.5 g Titanocendichlorid (2 mmol) in 5 mL Methanol wird 0.52
g L-Leucin (4 mmol) zugegeben. Nach 2h Rühren bei Raumtemperatur wird die dunkelorange
Suspension filtriert, der Rückstand wird mehrmals mit Pentan gewaschen (um mögliche
überschüssige Reste von Titanocendichlorid zu entfernen) und im dynamischen Vakuum
getrocknet. Der orangefarbene pulverige Feststoff ist luftstabil und sehr gut löslich in Wasser
und Methanol, weniger gut in i-Propanol und chlorierten Lösungsmitteln.
C22H36Cl2N2O4Ti
(M: 511.32 g/mol)
88
Ausbeute:
0.73g (71.6 % )
Elementaranalyse:
Cber.: 51.68 %
Cgef.: 46.59 %
1
Hber.: 7.10 % Nber.: 5.48%
Hgef.: 6.80 % Ngef.: 5.38 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
1.0 (m, 6Hδ; J= 4 Hz), 1.6-2.0 (m, Hγ, 2Hβ; J1= 4.5 Hz; J2= 6
Hz), 3.2 (s, MeOH), 3.95 (t, Hα; J= 7 Hz), 6.65 (s, 5HCp).
IR (in KBr): ν in cm-1
=
3443 w, 3100 m, 2954 m, 2357 w, 2338 w, 1694 m, 1681 m,
1651 m, 1633 m, 1557 w, 1505 w, 1487 m, 1471 w, 1455 w,
1386 w, 1368 w, 1282 m, 1182 w, 1137 m, 818 s, 667 m, 582 m,
ESI-MS: m/z (%)
=
132 (66), 164 (23), 209 (15), 241 (12), 308 (100), 335 (30),
516 (20).
Raman: ν (cm-1)
=
3122 (3), 2901 (3), 1445 (2), 1365 (2), 1133 (10), 1075 (1),
835 (2), 417 (2), 394 (2), 303 (10), 255 (5), 203 (2), 166 (2),
137 (2).
1.5.3.2.3 Umsetzung mit Valin
Variante a: Val4,Ti b
0.5 g Titanocendichlorid (2 mmol) werden in 18 mL Methanol suspendiert und 0.47 g L-Valin
werden zugegeben. Die rote Suspension rührt bei Raumtemperatur 20 h. Die orangefarbene,
klare Lösung wird im dynamischen Vakuum vom Lösungsmittel befreit und der hellorange
pulverige Feststoff wird getrocknet. Das Produkt ist luftstabil, sehr gut löslich in Methanol
und Wasser, weniger gut in i-Propanol und chlorierten Lösungsmitteln.
C12H28Cl2N2O6Ti
Ausbeute:
0.74 g (89 %)
Elementaranalyse:
Cber.: 34.72 %
Cgef.: 34.82 %
1
(415.13 g/mol)
[(MeO)2TiVal2]Cl2
Hber.: 6.79 % Nber.: 6.74 %
Hgef.: 6.52 % Ngef.: 6.40 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
0.95 (dd, 3Hγ; J1= 7 Hz; J2= 2 Hz), 2,25 (m,Hβ; J2= 3 Hz; J3= 4
Hz), 3.25 (s, MeOH), 3.75 (d, Hα¸J3= 4.5 Hz ).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3419 m, 2971 s, 2359 w, 1959 w, 1729 s, 1611 m, 1487 s, 1435
m, 1353 w, 1220 s, 1168 w, 1063 w, 1030 w, 833 m, 576 w.
ESI-MS: m/z (%)
118 (10), 335 (100).
Variante b: Val4,Ti a
=
89
Zu einer roten Suspension aus 0.5 g Titanocendichlorid (2 mmol) in 5 mL Methanol wird 0.47
g L-Valin gegeben. Das Reaktionsgemisch wird zwei Stunden bei Raumtemperatur gerührt.
Die orangefarbene Suspension wird filtriert, in Methanol aufgelöst, wiederum filtriert. Nach
mehrmaligem Waschen mit Pentan wird der Rückstand im dynamischen Vakuum getrocknet.
Das orangefarbene, glänzende Produkt ist luftstabil, sehr gut löslich in Wasser und Methanol,
weniger gut in i-Propanol und chlorierten Lösungsmitteln.
C20H32Cl2N2O4Ti
Ausbeute:
0.62g (64 %)
Elementaranalyse:
Cber.: 49.71 %
Cgef.: 45.87 %
1
(M: 483.27 g/mol)
Hber.: 6.67 % Nber.: 5.80 %
Hgef.: 6.70 % Ngef.: 5.87 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
0.95 (dd, 6Hγ), 2.25 (m, Hβ), 3.25 (s, MeOH)
3.75 (d,Hα), 6.4 (s, klein, Cp), 6.55 (s, 5HCp).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3444 m, 2966 s, 2360 w, 1662 s, 1600 m,sh, 1521 s, 14423 w,
1376 s, 1157 w, 1104 w, 1017 w, 827 s, 769 w, 631 w, 588 w,
481 w, 420 w.
ESI-MS: m/z (%)
=
118 (34), 150 (10), 209 (14), 241 (11), 292 (100), 335 (34),
502 (40).
Raman: ν (cm-1)
=
3132 (2), 3099 (2), 2966 (4), 2919 (5), 1448 (2), 1364 (1),
1136 (9), 1071 (1), 834 (2), 282 (10), 244 819, 190 819, 147 (1).
1.5.3.2.4 Umsetzung mit Prolin
Variante a: Pro2,Ti
0.5 g Titanocendichlorid (2 mmol) werden in 18 mL Methanol suspendiert. Zur roten
Suspension wird 0.46 g L-Prolin (4 mmol) gegeben und nach 20 h Rühren bei RT wird die
gelbe, klare Lösung im dynamischen Vakuum vom Lösungsmittel getrennt und getrocknet.
Es entsteht ein gelboranger, glänzender Fesstoff, der luftstabil ist. Das Produkt ist sehr gut
löslich in Wasser und Methanol, weniger gut in iPropanol und chlorierten Lösungsmitteln.
C12H24Cl2N2O6Ti
Ausbeute:
0.72g (88 % )
Elementaranalyse:
Cber: 35.06 %
Cgef.: 37.85 %
1
(411.10 g/mol)
[(MeO)2TiPro2]Cl2
Hber.: 5.88 %
Hgef.: 5.08 %
Nber.: 6.81 %
Ngef.: 8.02 %
H-NMR (300 MHz, D20): δ in [ppm] =
1.95 (m,2Hγ), 2.4 (m, 2Hβ), 3.3 (m, 2Hδ + s MeO), 4.2 (t, Hα).
90
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3421 s, 2950 m, 2369 w, 1736 m, 1617 m, 1439 m, 1038 w, 812
m, 669 m.
Variante b: Pro3,Ti
Zu einer roten Suspension aus 0.5 g Titanocendichlorid (2 mmol) in 5 mL Methanol wird 0.46
g L-Prolin (4 mmol) zugegeben und zwei Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Die klare rote
Lösung wird im dynamischen Vakuum vom Lösungsmittel befreit, mehrmals mit Pentan
gewaschen und zwei Tage getrocknet. Der entstandene rotbraune, glänzende Feststoff ist
hygroskopisch und wird unter Schlenkbedingungen aufbewahrt.
C15H28Cl2N2O4Ti
Ausbeute:
0.69g (82 %)
Elementaranalyse:
Cber.: 42.98 %
Cgef.: 44.68 %
1
( 419.155 g/mol)
Hber.: 6.73 %
Hgef.: 5.87 %
Nber.: 6.68 %
Ngef.: 5.62 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
2.0 (m,2Hγ), 2.2 (m,2Hβ), 3.3 (m, 2Hδ+ s, MeOH), 3.75 (s)
4.2 (t, Hα), 6.4 (s, kleinCp), 6.55 (s, 5HCp).
IR (in KBr). ν in [cm-1]
=
3420 s, 2954 m, 1734 w, 1618 s, 1439 m, 1384 m, 1018 w, 830
s, 654 s.
1.5.3.2.5 Umsetzung mit Serin
Variante a: Ser4,Ti
0.5g Titanocendichlorid (2mmol) werden in 18mL Methanol suspendiert und 0.42g L-Serin
(4mmol) werden zur roten Suspension zugegeben. Nach 34 h Reaktionszeit bei RT wird die
nun orangefarbnene Lösung im dynamischen Vakuum vom Lösungsmittel befreit und zwei
Tage am ölpumpenvakkum getrocknet. Der rotbraune glänzende Fesstoff ist hygroskopisch
und wird unter Schlenkbedingungen aufbewahrt. Er ist sehr gut löslich in Methanol und
Wasser, weniger gut in i-Propanol und chlorierten Lösungsmitteln.
C8H20Cl2N2O8Ti
Ausbeute:
0.46g (59 %)
Elementaranalyse:
Cber.: 24.57 %
Cgef.: 30.45 %
1
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm]=
(391.05 g/mol)
[(MeO)2TiSer2]Cl2
Hber.: 5.15 %
Hgef.: 5.05 %
Nber.: 7.15 %
Ngef.: 6.06 %
91
3.25 (s, MeO), 3.80 (s), 3.95 (dd, 2Hβ; J= 5 Hz), 4.00 (t, 1Hα;
J= 5 Hz).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
ESI-MS: m/z (%)
=
3419 s, 2950 m, 2359 w, 1746 w, 1616 m, 1506 m, 1439 w,
1244 m, 1023 w.
=
106 (14), 335 (100).
Variante b: Ser3,Ti
Zu einer roten Suspension von 0.5 g Titanocendichlorid (2 mmol) in 5 mL Methanol wird
0.42 g L-Serin (4 mmol) zugegeben und vierzig Minuten bei RT gerührt. Die hellorange
Suspension wird filtriert und der Rückstand wird mehrmals mit Pentan gewaschen. Der
hellorangefarbene pulverige Feststoff wird mehrere Stunden im dynamischen Vakuum
getrocknet. Er ist sehr gut in Wasser und Methanol löslich, gut in DMSO (wobei er sich in der
Hitze zersetzt und es nicht auszuschließen ist, daß er sich grundsätzlich nach einiger Zeit in
DMSO zersetzt), weniger gut in i-Propanol und chlorierten Lösungsmitteln, gar nicht in THF
und Acetonitril.
C16H24Cl2N2O6Ti
Ausbeute:
0.56g (61 %)
Elementaranalyse:
Cber.: 41.80 %
Cgef.: 41.37 %
1
(M: 459.16 g/mol)
Hber.: 5.27 %
Hgef.: 5.25 %
Nber.: 6.10 %
Ngef.: 6.34 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
4.05 (m, Hα+ 2Hβ), 6.58 (s, klein), 6.7 (s, HCp).
IR ( in KBr): ν in [cm-1]
ESI-MS: m/z (%)
Raman: ν (cm-1)
=
3426 m, 2927 m, 1979 w, 1664 vs, 1596 m, 1498 m, 1458 w,
1442 w, 1366 m, 1337 m, 1315 m, 1291 s, 1266 s, 1149 m, 1085
w, 1027 m, 831 s, 627 m, 573 w, 526 w, 423 m.
=
=
106 (17), 335 (100), 676 (11).
3124 (3), 2952 (2), 2889 (1), 1672 (1), 1440 (1), 1130 (10),
1069 (1), 833 (1), 424 (2), 373 81), 258 (9), 146 (1).
1.5.3.2.6 Umsetzung mit Histidin (His,Ti)
Zu einer roten Suspension aus 0.5 g Titanocendichlorid (2 mmol) in 5 mL Methanol wird 0.62
g L-Histidin zugegeben und bei RT gerührt. Schon nach ein paar Minuten beginnt sich die
rote Suspension zu einer milchig-weißen Suspension zu entfärben. Nach ca 30 Minuten ist die
Reaktion beendet. Die Suspension wird filtriert, mehrmals mit Pentan gewaschen und im
dynamischen Vakuum mehrere Stunden getrocknet.
92
Das cremeweiße pulverige Produkt ist mäßig löslich in Wasser und ansonsten in allen
gängigen Lösungsmitteln schwer bis gar nicht löslich.
C12H18Cl2N6O4Ti
Ausbeute:
0.72 g (84 %)
Elementaranalyse:
Cber.: 33.75 %
Cgef.: 33.97 %
1
(M: 427.08 g/mol)
Hber. : 3.78 %
Hgef.: 5.69 %
Nber.: 19.69 %
Ngef.: 18.01 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
3.3 (m, 2Hβ), 3.95 (t, Hα), 7.35 (s, Hγ), 8.6 (s, Hδ).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
ESI-MS: m/z (%)
=
Raman: ν (cm-1)
=
=
3412 vs, 3240 s,sh, 3157 vs, 3108 vs, 3083 vs, 3022 vs, 2940 vs,
2890 vs, 2790 s, 2740 s, 2713 s, 2625, 2560 m,sh, 2460 m,sh,
2012 m, 1639 vs, 1606vs, 1582 vs, 1500 s, 1478 s,sh, 1450 s,
1431 s, 1415 s, 1336 vs, 1311 s, 1287 s, 1272 m, 1261 m, 1248
m, 1187 m, 1169m, 1144 s, 1124 m, 1087 m, 1064 m, 979 m,
961 s, 918 m, 867 s, 824 s, 806 m, 652 m, 626 s, 537 m.
3158 (2), 3126 (4), 3109 (4), 2970 (6), 2947 (10), 2895 (4),
1483 (5), 1448 (5), 1431 (4), 1360 (3), 1317 (3), 1261 (4), 1189
(3), 1160 (4), 1127 (5), 1065 (3=, 975 (3), 961 (2), 874 (2), 823
(2), 804 (4), 605 (3), 382 (2), 266 (4), 155 (8), 132 (6), 115 (2).
1.5.3.2.7 Umsetzung mit Tryptophan
Variante a: Try1,Ti
0.5 g Titanocendichlorid (2 mmol) werden in 18 mL Methanol suspendiert und 0.82 g LTryptophan (4 mmol) werden dazugegeben. Nach 20h Rühren bei RT wird die klare rotbraune
Lösung im dynamischen Vakuum vom Lösungsmittel befreit und mehrere Stunden am
Ölpumpemvakuum getrocknet. Der eigelbfarbene pulverige Feststoff ist ausgezeichnet löslich
in Methanol und Wasser, weniger gut in i-Propanol und gar nicht bis kaum in chlorierten
Lösungsmitteln.
C24H30Cl2N4O6Ti
Ausbeute:
1.11g (95 %)
Elementaranalyse:
Cber.: 48.92 %
Cgef.: 48.26 %
1
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
(589.28 g/mol)
[(MeO)2TiTry2]Cl2
Hber.: 5.13 %
Hgef.: 4.38 %
Nber.: 9.50 %
Ngef.: 8.08 %
93
3.25 (s, OMe), 3.3 (dd, 2Hβ; J= 7 Hz), 3.5 (m, Hγ), 4.25 (t, 1Hα;
J= 7 Hz), 7.25 (m, Hδ; J= 8 Hz), 7.45 (dd, Hδ; J= 7.8 Hz).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3390 vs, 2937 s, 1736 s, 1581 m, 1459 m, 1433 m, 1349 w, 1233
w, 1193 m, 1096 w, 1057 w, 1013 w, 812 w, 750 s.
Variante b: Try2,Ti
Zu einer roten Suspension aus 0.5 g Titanocendichlorid (2 mmol) in 5 mL Methanol wird 0.82
g L-Tryptophan (4 mmol) zugegeben und die zunächst orange Suspension wird zwei Stunden
bei RT gerührt. Das Lösungsmittel wird von der nun orangroten klaren Lösung im
dynamischen Vakuum entfernt. Der rückstand wird mehrmals mit Pentan gewaschen.
Anschließend wird der tieforange glänzende Feststoff mehrere Stunden am Ölpumpenvakuum
getrocknet. Er ist sehr gut löslich in Wasser und Methanol, weniger gut in i-Propanol und
schlecht bis gar nicht in chlorierten Lösungsmitteln.
C32H34Cl2N4O4Ti
Ausbeute:
1.21g (92 %)
Elementaranalyse:
Cber.: 58.46 %
Cgef.: 56.45 %
1
(657.35 g/mol)
Hber.: 5.21 %
Hgef.: 4.77 %
Nber.: 8.52 %
Ngef.: 8.51 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
3.20 (s, MeOH), 3.30 (dd, Hβ, J= 7.5 Hz), 3.45 (dd, Hβ; J1= 7.7
Hz; J2= 5.3 Hz), 4.15 (t, Hα; J= 5.6 Hz), 6.55 (s, HCp), 7.2 (m,
Hδ; J1= 7.6 Hz; J2= 5.6 Hz), 7.45 (d, Hδ; J= 8 Hz), 7.65 (d, Hδ;
J= 8 Hz).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3404 m, 2919 m, 2360 w, 1647 s, 1491 m, 1458 m, 1438 m,
1382 m, 1276 m, 1100 w, 1014 w, 829 m, 744 w, 553 s, 424 vs.
1.5.3.2.8 Umsetzung mit Glycyl-L-Leucin
Variante a: GL2,Ti
0.25 g Titanocendichlorid (1 mmol) werden in 18 mL Methanol suspendiert und 0.37 g
Glycyl-L-Leucin (2 mmol) werden dazugegebn. Die rote Suspension wird 34 h bei RT
gerührt. Die d gelbe klare Lösung wird im dynamischen Vakuum vom Lösungsmittel befreit
und der Rückstand wird mehrere Stunden am Ölpumpenvakuum getrocknet. Der feine,
gelborange glänzende Feststoff ist sehr gut löslich in Methanol und Wasser, weniger gut in iPropanol und schlecht bis gar nicht in chlorierten Lösungsmitteln.
94
C18H36Cl2N4O10Ti
Ausbeute:
0.43g (73 %)
Elementaranalyse:
Cber.: 36.81 %
Cgef.: 37.70 %
1
(587.25 g/mol)
[(MeO)2TiGL2]Cl2
Hber.: 6.18 %
Hgef.: 6.57 %
Nber.: 9.53 %
Ngef.: 9.66 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
0.8 (dd, 6Hleu; J= 6 Hz), 1.6 (m, Hleu; J= 6.6 Hz), 3.6 (s,
2Hgly), 3.8 (s), 4.3 (t, Hα; J= 7 Hz).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3450 m, 3250 m, 3100 m, 2959 s, 1681 s, 1557 s, 1471 m, 1434
m, 1272 w, 1157 w, 1125 w, 911 w.
Variante b: GL1,Ti
Zu einer roten Suspension aus 0.5g Titanocendichlorid (2mmol) in 5 mL Methanol wird 0.75g
Glycyl-L-leucin zugegeben und zwei Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Die dunkelorange
klare Lösung wird im dynamischen Vakuum vom Lösungsmittel befreit und der rotbraune,
glänzende Feststoff wird mehrere Stunden getrocknet.
Er ist sehr gut löslich in Methanol und Wasser, weniger gut in p-Propanol, Ethanol, Toluol,
Chloroform, Dichlormethan, THF, Acetonitril und gar nicht löslich in Pentan und Heptan.
C26H40Cl2N4O8Ti
Ausbeute:
0.97g (74 %)
Elementaranalyse:
Cber.: 47.64 %
Cgef.: 44.59 %
1
(655.35 g/mol)
Hber.: 6.18 %
Hgef.: 6.33 %
Nber.: 8.54 %
Ngef.: 9.04 %
H-NMR (300 MHz, D2O): δ in [ppm] =
0.8 (dd, 6Hleu; J= 6 Hz), 1.6 (m, Hleu; J= 6.6 Hz), 3.6 (s,
2Hgly), 3.8 (s), 4.3 (t, Hα; J= 7 Hz), 6.5 (s, HCp).
IR (in KBr): ν in [cm-1]
=
3420 m, 3200m, 3100 m, 2957 s, 1681 vs, 1556 s, 1470 m,
1439m, 1368 m, 1158 m, 1124 w, 1019 w, 914 w, 821 m, 589
m, 457 w.
95
1.6 Anhang II
Die Aminosäuren
O
H2N
CH
O
C
OH
H2N
CH2
CH
CH
C
CH
CH3
O
OH
H2N
CH
C
OH
CH2
CH3
CH3
CH3
Valin (Val)
Leucin (Leu)
Phenylalanin (Phe)
O
H2N
CH
C
OH
CH2
OH
Serin (Ser)
O
O
H2N
CH
C
H2N
OH
CH
C
OH
CH2
CH2
N
HN
NH
Tryptophan ( Try)
Histidin (His)
H
N
C
OH
O
Prolin (Pro)
Anhang Abb. 1 Verwendete Aminosäuren
96
1.6.1 Zusammenfassung und Interpretation der analytischen Daten
1.6.1.1 Molybdocen-Verbindungen mit Serin, Histidin, Tryptophan und Prolin
1.6.1.1.1 Darstellung und Eigenschaften der Verbindungen
Die Darstellung der Verbindungen erfolgt gemäß der Vorschrift von Gore und Green.
Cp2MoCl2 wird in entgastem Wasser unter Schutzgasatmosphäre suspendiert, mit gleichen
Äquivalenten Aminosäure und Triethylamin versetzt und bis zur intensiven Rotfärbung der
Reaktionslösung zum Rückfluß erwärmt. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wird die
dunkelrote Suspension filtriert. Das Filtrat wird im dynamischen Vakuum vom Lösungsmittel
befreit und in wenig Methanol aufgenommen. Die methanolische Lösung wird auf eine
Alumni B Säule aufgetragen und mit Dichlormethan, Diethylether und anschließend mit
Methanol eluiert. Die tiefrote methanolische Lösung wird vom Lösungsmittel befreit und im
dynamischen Vakuum 3-5 h Stunden getrocknet. Der dunkelrote Feststoff ist luft- und
feuchtigkeitsstabil, sehr gut in Wasser und Methanol löslich, weniger gut in Dichlormethan.
Kristallisationsversuche aus Dichlormethan und Abkühlen ergaben bei den Histidin- und
Serin-Verbindungen zwar Kristalle. Sie waren jedoch nicht röntgentauglich.
Kristallisationsansätze aus Methanol und langsam Abdampfen lassen, führten zu
verwachsenen oder zu kleinen Kristallen, die nicht für die Strukturanalyse geeignet waren.
Die Tryptophan- und Prolin-Verbindungen ließen sich gar nicht kristallisieren. Die
Reaktionsroute ist in Kapitel 1.3: Ergebnisse und Diskussion dargestellt.
1.6.1.1.2 IR-Spektroskopische Untersuchungen
In der folgenden Tabelle 1 sind die relevanten IR-Spektroskopischen Daten der MolybdocenAminosäure-Verbindungen aufgelistet. Sie stimmen im wesentlichen mit den Daten der
strukturell charakterisierten Verbindungen des Phenylalanins, Leucins und Valins überein.
Tabelle 1:
Relevante IR-Daten der Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen mit Serin,
Histidin, Prolin und Tryptophan
IR-Banden
[cm-1]
H2O
νCH; CH,Cp; NH
νas, CO2
νas, NH2
νsym,CO2
γCH,Cp/NH
[Cp2MoSer]Cl
[Cp2MoHis]Cl
[Cp2MoPro]Cl
[Cp2MoTry]Cl
3419
2297
1644
1363
807
3421
3091
1645
1326
841
3419
22976
1652
1309
849
3417
3095
1645
1316
842
97
1.6.1.1.3
1
H-NMR-Spektroskopie
Die 1H-NMR-Spektren dieser Verbindungen weisen ebenfalls am α-Proton relativ starke
Hochfeldverschiebungen zu niedrigeren Werten der chemischen Verschiebung δ hin (im
Vergleich zu den freien, nicht gebundenen Aminosäuren). Die Signale der Cp-Ring-Protonen
zeigen zum Teil zwei ausgeprägte Singulett-Signale, oder sind nur sehr leicht verschieden.
Auch hier kommt die unterschiedliche chemische Verschiebung durch die unterschiedliche
chemische Umgebung, die durch den N,O-Chelat zustande kommt. In der Tabelle 2 sind die
signifikanten 1H-NMR-Signale zusammengestellt.
Tabelle 2:
1
H-NMR-Daten der Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen
Histidin, Prolin und Tryptophan (D2O, δ in [ppm])
Verbindungen
Hα
H,Cp
[Cp2MoSer]Cl
[Cp2MoHis]Cl
[Cp2MoPro]Cl
[Cp2MoTry]Cl
3.35 t, J = 7.6 Hz
3.5 t
3.60 t, J = 11 Hz
3.4 t
5.75 s, 5.8 s
5.75 s, 5.95 s
5.95 s
5.1 s. 5.95 s
mit
Serin,
1.6.1.1.4 ESI-Massenspektroskopie
Einige Verbindungen wurden mittels ESI-Massenspektroskopie untersucht. Hier konnte
ebenfalls beobachtet werden, dass das Molekül-Signal der Zusammensetzung [Cp2MoAS]+,
das am stärksten ausgeprägte Signal darstellt (AS = Aminosäure). Freie Aminosäure,
Aminosäure-Addukte oder andere Molybdäns-Spezies ohne Aminosäure konnten nicht
beobachtet werden. Eine Ausnahme bildet die Prolin-Verbindung. Da sind alle Signale
Molybdän-haltig. In der Tabelle 3 sind charakteristische Signale und deren Zuordnung
aufgelistet.
Tabelle 3:
ESI-MS-Daten der Molybdocen-Aminosäure-Verbindungen
Verbindung
Molekül-Peak
Freie Aminosäure
NEt3 und Addukte in
+
[M] in M/z
M/z
oder Addukte
[Cp2MoSer]Cl
332
102, 239
[Cp2MoHis]Cl
[Cp2MoPro]Cl *
242
109, 239
[Cp2MoTry]Cl
430
* weiter Mo-haltige Signale sind im Spektrum erkennbar, Auflistung siehe Experimentalteil
1.6.1.2 Zusammenfassung
Aus dem Vergleich der IR-, NMR- und ESI-Massenspektroskopischen Daten wird für die
Molybdocen-Verbindungen mit Serin, Histidin, Prolin und Tryptophan ebenfalls eine N,OChelatstruktur der jeweiligen Aminosäure an das Molybdocenfragment gefolgert ( siehe
Kapitel 1.3: Ergebnisse und Diskussion). Leider ist es bisher nicht gelungen, für die
Röntgenstrukturanalyse geeignete Kristalle zu züchten. Die Serin- und Histidin-MolybdocenVerbindungen scheinen dabei aber am vielversprechendsten zu sein. Sie kristallisieren sowohl
aus Dichlormethan beim Kühlen auf ca. –18 ° C oder aus Methanol beim langsamen
98
Abdampfen,
aber
bisher
nicht
als
Einkristalle.
Modifizierungen
der
Kristallisationsbedingungen könnten erfolgreich sein. Bei den Tryptophan- und ProlinMolybdocen-Verbindungen ist es bisher nicht gelungen, kristallines Material zu erhalten.
Die Tryptophan- und Histidin-Molybdocen-Verbindungen sind erstmals in dieser Arbeit
dargestellt und strukturell beschrieben worden.
Die hier vorgestellten Verbindungen sind bisher nicht auf ihr Verhalten in Lösung untersucht
worden.
1.6.1.3 Titanocen-Verbindungen mit Serin, Histidin, Tryptophan, Glycyl-Leucin
1.6.1.3.1 Darstellung und Eigenschaften
Die Darstellung erfolgt nach der Vorschrift von Tornieporth-Oetting für die Aminosäuren
Glycin und Alanin. Die hier vorgestellten Verbindungen mit Serin, Histidin, Prolin,
Tryptophan, Leucin und Valin sowie dem Mini-Peptid Glycyl-Leucin wurden erstmals von
mir während der Diplomarbeit an der TU-Berlin oder im Rahmen dieser Dissertation
dargestellt und strukturell beschrieben.
Titanocendichlorid wird in wenig Methanol suspendiert, mit zwei Äquivalenten Aminosäure
versetzt und 1-3 h bei Raumtemperatur gerührt. Das Lösungsmittel wird entfernt und der
Rückstand wird mehrmals mit Pentan oder Dichlormethan gewaschen und anschließen ca. 3 h
im dynamischen Vakuum getrocknet. Es entstehen luftstabile intensiv-orange gefärbte
Feststoffe, die sehr gut in Methanol, gut in Wasser und kaum in organischen und chlorierten
Lösungsmitteln löslich sind. Eine Ausnahme bildet die Histidin-Verbindung, die in allen
bisher ausprobierten Lösungsmitteln schwer löslich ist. Sie sind bis zu 150-170° C
temperaturstabil. Die Reaktionsroute ist in Kapitel 1.3: Ergebnisse und Diskussion,
dargestellt.
1.6.1.3.2 IR- und Raman-Spektroskopische Untersuchungen
In Tabelle 4 sind die relevanten IR-Spektroskopischen Daten der Titanocen-AminosäureVerbindungen aufgelistet. Sie stimmen im wesentlichen mit den Daten der strukturell
charakterisierten Verbindungen von Tornieporth-Oetting (bei den Glycin-, Alanin- und
Phenylalanin-Komplexen) überein.
Tabelle 4:
Relevante IR-Banden der Titanocen-Aminosäure-Verbindungen
IR-Banden
[cm-1]
H2O
νCH; CH,Cp; NH
νas, CO2
νas, NH2
νsym,CO2
γCH,Cp/NH
[Cp2TiSer2]Cl2
« Ti-His »
[Cp2TiPro2]Cl2
[Cp2TiTry2]Cl2
3420
2954
1618
1384
830
3426
2927
1664
1337
831
3412
2940
1639
1582
1336
824
3404
2919
1647
1382
829
Von den Titanocen-Verbindungen mit Histdin und Serin wurden Raman-Spektren
aufgenommen. In der Tabelle 5 sind signifikante Raman-spektroskopische Daten der
Verbindungen zusammengestellt. Auffällig ist auch hier das Auftreten einer sehr intensiven
99
Bande im Bereich von 255-280 cm-1, die nicht zugeordnet werden konnte. Sie kann aber als
charakteristisch für die (1:2)-Titanocen-Aminosäure-Komplexe betrachtete werden.
Tabelle 5:
Signifikante Raman-Banden der Titanocen-Aminosäure-Verbinduingen mit
Histidin und Serin
Raman-Banden [cm-1]
CH, Cp
CHgesättigt
Cp-Ring
???
1.6.1.3.3
1
[Cp2TiSer2]Cl2
3124
2952
1130
258
“Ti-His2 ”
3126
2970
266
H-NMR-Untersuchungen
Alle Titanocen-Aminosäure-Verbindungen zeigen deutliche Tieffeldverschiebungen des am
α-C gebundenen Protons und mit Ausnahme der Histidin-Verbindung je ein deutlich
ausgeprägtes Signal für die Cp-Ring-Protonen. Es konnten keine Signale der freien,
unkoordinierten Aminosäuren beobachtet werden. Auch hier konnte durch mehrmaliges
Waschen mit Pentan oder Dichlormethan ausgeschlossen werden, dass sich unumgesetztes
Titanocendichlorid in den Produkten befindet. In der Tabelle 6 sind charakteristische
Protonensignale der Verbindungen aufgeführt.
Tabelle 6:
Charakteristische 1H-NMR-Daten der Titanocen-Aminosäure-Komplexe
(D2O, δ in [ppm]
Verbindungen
[Cp2TiSer2]Cl2
“Ti-His2”
[Cp2TiPro2]Cl2
[Cp2TiTry2]Cl2
Hα
4.05 t
3.95 t
4.20 t
4.15 t, J = 5.6 Hz
H,Cp
6.70 s
6.55 s
6.55 s
Durch Variation der Reaktionsbedingungen („Überschuss“ an Methanol, Reaktionszeiten von
12-15 h) erhält man auch hier hellorange bis gelbe Feststoffe, die im 1H-NMR keine CpSignale mehr aufweisen und stattdessen ausgeprägte Merthanol-Signale zu erkennen sind. Die
Signale für die Hα-Protonen bleiben, verglichen mit den Titanocen-Aminosäure-Komplexen,
im wesentlichen unverändert. In der Tabelle 7 ist eine Zusammenstellung der 1H-NMRSignale zu sehen.
Tabelle 7:
Hα-Signale der Titan-Aminosäure-Verbindungen ohne Cp-Liganden
Verbindungen
[(MeO)2TiSer]Cl2
[(MeO)2TiPro]Cl2
[(MeO)2TiPro]Cl2
Hα
4.00 t
4.00 t
4.25 t
H, MeO
3..3 s
3.25 s
3.25 s
100
Einige der Verbindungen wurden mit ESI-Massenspektroskopischen Methoden untersucht.
Da diese Verbindungen mindestens 1-2 h nach dem Lösen in Methanol/Wasser vermessen
wurden, konnten keine [Cp2TiAS]-Spezies in den Spektren (AS = Aminosäure) beobachtet
werden. Stattdessen zeigten die Spektren die freien Aminosäuren, deren Addukte, und TiLösungsmittel-Addukte als ausgeprägtesten Signale.
1.6.1.3.4 Zusammenfassung
Aus dem Vergleich der IR-, Raman-, 1H-NMR- und ESI-MS-Daten kann für die
Verbindungen mit den Aminosäuren Serin, Prolin und Tryptophan auf ähnliche Bindungsund Koordinationsverhältnisse wie die von Tornieport-Oetting charakterisierten TitanocenAminosäure-Komplexe geschlossen werden (Schematische Struktur siehe Abbildung in
Kapitel 1.3: Ergebnisse und Diskussion). Das gilt nicht für die Histidin-Verbindung. Sie wird
im nächsten Abschnitt getrennt betrachtet.
Sie verhalten sich, mit Ausnahme der Histidin-Verbindung in Lösung analog den TitanocenAminosäure-Verbindungen mit Phenylalnin, Leucin und Valin. Allerdings wurden hier keine
intensiveren Studien betrieben.
1.6.1.4 Sonderfall Histidin
Nach Auswertung des 1H-NMR-Spektrums zeigt sich eine starke Tieffeldverschiebung des αProtons, der Ringprotonen und ebenfalls eine signifikante Tieffeldverschiebung der Protonen
der CH2-Gruppe (siehe Abbildung 1).
O
H2N
CH
C
OH
CH2
N
NH
Anhang Abb. 2 Histidin Struktur
Das 14N-NMR-Spektrum zeigte, dass die Aminogruppe der Aminosäure unverändert, d.h.
nicht-koordinierend vorliegt. Aber es lässt durch Änderung der Signalform darauf schließen,
dass eine Veränderung im Bindungsverhalten bei den Stickstoffatomen des Fünfringes
stattgefunden hat. Die Annahme, es handele sich hier um die spontan Bildung eines
Doppelchelates aus zwei Histidin-Molekülen, die sowohl über den Sauerstoff der
Carboxylgruppe als auch über einen der Ring-Stickstoffe an das Titan koordiniert, erwies sich
leider als nicht zutreffend. Die Röntgenstrukturanalyse zeigt (Abbildung 3), dass es sich bei
den Kristallen (aus einem Methanol/Wasser-Gemisch durch langsames Abdampfen gezüchtet)
um protonierte Histidin-Chlorid-Verbindungen handelt, die kein Titan enthalten. Der N-Ring
ist protoniert und das Chlorid-Anion geht Wechselwirkungen mit der Aminogruppe der
Aminosäure-Funktion, ein. Allerdings muss hierbei beachtet werden, dass die Kristallstruktur
lediglich Aufschluss darüber gibt, was von der Verbindung in Lösung gegangen ist und daher
kristallisiert werden konnte. Bei der Umsetzung von Titanocendichlorid mit zwei
Äquivalenten Histidin verfärbt sich die Reaktionssuspension innerhalb kürzester Zeit von rot
101
nach weiß. Das als Feststoff isolierte Produkt ist optisch homogen (die Kristalle wurden aus
der Reaktionslösung mit Zusatz von Wasser gezüchtet). Der Feststoff ist sehr schwer löslich
in allen gängigen Lösungsmitteln. Daher ist immer noch nicht geklärt, welche
Zusammensetzung der weiße Feststoff hat und warum es zu diese spontanen Reaktion (die zur
Entfärbung der Reaktionssuspension führt) kommt.
Anhang Abb. 3 ESI-MS-Spektrum der Umsetzung von Titanocendichlorid mit Histidin
Anhang Abb. 4 Kristallstruktur von Histidin-Chlorid
102
In Abbildung 2 ist das ESI-MS-Spektrum der Histidin-Verbindung dargestellt. Es zeigt
weder, dass Ti-His-Spezies vorliegen, noch wiest es den für alle Titanocen-Aminosäureverbindungen typischen Peak bei 335 M/z auf. Lediglich Histidin und seine Addukte sind zu
erkennen.
Tabelle 8: wichtige Daten zum Kristall und zur Strukturbestimmung von „His“
'C6 H10 N3 O2, Cl, (H2 O)'
Chemische Formel
M = 419.27
molare Masse
g/mol
Kristallgröße
0.5 x 0.4 x 0.3
Kristallsystem
orthorhombic
Raumgruppe
P212121
Gitterparameter
a = 6.85592(11) Å
α = 90°
b = 8.9057(14) Å
β = 9o°
c = 15.2540(2) Å
γ = 90°
Zellvolumen
931.8 (3) Å3
Dichte (berechnet)
1.494 g/cm3
Anzahl der Formeleinheiten pro Zelle
2
F(000)
440
µ
0.391 mm-1
Röntgenstrahlung
Mo-Kα = 0.71073
2Φ-Bereich
1.23 ≤ 2 Φ ≤ 28.24°
hkl-Grenzen
-5 ≤ h ≤ 9, -11 ≤ k ≤ 11, -19 ≤ l ≤ 18
Temperatur
180(2) K
Gesamtzahl der gemessenen Reflexe
5746
davon Symmetrieunabhängig
2188
beobachtete Reflexe [F02 ≥ 3σ02)]
2056
Parameterzahl
154
maximaler Shift im letzten Verfeinerungszyklus
<0.001
1.6.1.4.1 Umsetzung mit dem Mini-Peptid Glycyl-Leucin
Titanocendichlorid wurde mit dem Mini-Peptid Glycyl-Leucin umgesetzt. Die
experimentellen Daten befinden sich in Kapitel 1.4. Es wurden weder Interpretationen der
gesammelten Daten, noch intensiver Untersuchungen der Bindungsverhältnis oder des
Verhalten in Lösung unternommen. Kristallisationsversuche ergaben lediglich, dass beim
Abdampfen von Methanol oder Wasser ein klebriger, gelleartiger Rückstand entsteht.
103
1.6.2 Röntgenstruktur Daten von Molybdocen mit Phenylalanin,Leucin,
Valin
1.6.2.1 Molybdocen-Phenylalanin-Komplex
Tabelle 9: wichtige Daten zum Kristall und zur Strukturbestimmung von Phe,Mo
Chemische Formel
C19H20ClNO2Mo·1.5 H2O
molare Masse
M = 452.77 g/mol
Kristallgröße
0.320 x 0.136 x 0.124
Kristallsystem
monoklin
Raumgruppe
C2
Gitterparameter
a = 34.965(4) Å
α = 90°
b = 6.4547(7) Å
β = 91.842°
c = 16.560(3) Å
γ = 90°
Zellvolumen
3735.5(8) Å3
Dichte (berechnet)
1.61 g/cm3
Anzahl der Formeleinheiten pro Zelle
8
F(000)
1848
µ
0.866 mm-1
Röntgenstrahlung
Mo-Kα = 0.71073
2Φ-Bereich
1.23 ≤ 2 Φ ≤ 28.24°
hkl-Grenzen
-29 ≤ h ≤ 33, -8 ≤ k ≤ 7, -21 ≤ l ≤ 10
Temperatur
173(2) K
Gesamtzahl der gemessenen Reflexe
5676
davon Symmetrieunabhängig
5042
beobachtete Reflexe [F02 ≥ 3σ02)]
4074
Parameterzahl
493
maximaler Shift im letzten Verfeinerungszyklus
<0.003
Ra, Rwb
8.88 %, 8.34 %
Goodness-of-fit, GOFc
0.9851.062
a
∑F −F
R=
∑F
0
c
b
0
R=
∑w ⋅ F − F
∑w ⋅ F
0
2
2
c
c
GOF =
0
∑w F
0
− Fc
n−p
Tabelle 10: Positionen und äquivalente isotrope Temperaturfaktoren der Nichtwasserstoffatome
Mo1
0.603390(16)
0.38606(7)
z
0.96927(3)
Beq/Å2
0.02069(18)
C1
0.5454(2)
0.2482(14)
0.9334(5)
0.041(2)
C2
0.5452(2)
0.3132(18)
1.0156(5)
0.050(3)
C3
0.5478(2)
0.5290(16)
1.0164(4)
0.044(3)
C4
0.5494(2)
0.5962(15)
0.9377(5)
0.038(2)
C5
0.5480(2)
0.4298(13)
0.8879(4)
0.035(2)
C6
0.6634(2)
0.3225(12)
1.0115(3)
0.0313(19)
C7
0.6465(2)
0.1242(11)
1.0044(4)
0.0323(18)
C8
0.6177(2)
0.1133(13)
1.0613(4)
0.046(2)
C9
0.6184(2)
0.3044(14)
1.1049(3)
0.043(2)
C10
0.6455(2)
0.4333(12)
1.0750(3)
0.044(2)
O1
0.62758(13)
0.6659(7)
0.9314(2)
0.0302(11)
C11
0.63958(19)
0.6918(10)
0.8578(3)
0.0248(15)
O2
0.65163(14)
0.8561(8)
0.8331(3)
0.0340(13)
C12
0.63629(18)
0.5049(10)
0.8026(3)
0.0203(14)
C13
0.6732(2)
0.4668(12)
0.7556(3)
0.0273(16)
C14
0.7074(2)
0.4170(12)
0.8108(3)
0.0244(17)
C15
0.7286(2)
0.5719(12)
0.8464(4)
0.0303(19)
C16
0.7590(2)
0.5275(14)
0.9007(4)
0.037(2)
C17
0.7682(2)
0.3263(14)
0.9185(4)
0.040(2)
Atome
x
y
2
104
C18
0.7477(3)
0.1698(14)
0.8830(5)
C19
0.7172(2)
0.2116(12)
0.8282(4)
0.039(2)
0.030(2)
N1
0.62443(14)
0.3138(8)
0.8476(2)
0.0195(11)
Mo2
0.896948(16)
0.29535(6)
0.52773(3)
0.02082(18)
C21
0.8557(2)
0.3627(14)
0.4229(4)
0.047(2)
C22
0.8348(2)
0.2802(13)
0.4883(4)
0.034(2)
C23
0.8452(2)
0.0716(12)
0.4983(4)
0.0377(19)
C24
0.8731(2)
0.0263(13)
0.4432(4)
0.043(2)
C25
0.8783(2)
0.2069(15)
0.3960(3)
0.049(2)
C26
0.9527(2)
0.1270(14)
0.5625(4)
0.030(2)
C27
0.9541(2)
0.3266(12)
0.5995(4)
0.0288(19)
C28
0.9556(2)
0.4781(14)
0.5387(5)
0.037(2)
C29
0.9535(2)
0.3777(15)
0.4637(4)
0.037(2)
C30
0.9519(2)
0.1610(16)
0.4772(4)
0.039(2)
O3
0.87906(13)
0.5850(7)
0.5696(2)
0.0279(11)
0.0257(16)
C31
0.86737(19)
0.6130(10)
0.6424(3)
O4
0.85587(14)
0.7804(8)
0.6666(2)
0.0346(13)
C32
0.86980(19)
0.4264(10)
0.6985(3)
0.0238(16)
C33
0.8330(2)
0.3996(13)
0.7469(3)
0.0307(17)
C34
0.7978(2)
0.3494(11)
0.6948(3)
0.0257(18)
C35
0.7776(2)
0.5093(13)
0.6568(4)
0.033(2)
C36
0.7466(3)
0.4653(15)
0.6054(5)
0.042(2)
C37
0.7353(2)
0.2630(16)
0.5919(4)
0.042(2)
C38
0.7550(3)
0.1048(12)
0.6302(5)
0.041(2)
C39
0.7861(2)
0.1496(12)
0.6814(4)
0.0331(19)
N2
0.87847(15)
0.2363(8)
0.6517(2)
0.0199(12)
O5
0.93143(16)
0.0424(9)
0.7608(3)
0.0379(13)
O6
0.48228(19)
0.2596(9)
0.6985(3)
0.0489(15)
O7
0.5521(2)
-0.1893(12)
0.7592(4)
0.075(2)
Cl1
0.57212(5)
0.2430(3)
0.68507(8)
0.0402(5)
Cl2
0.96876(6)
0.4325(3)
0.83257(9)
0.0453(5)
Tabelle 11: Anisotrope Temperaturfaktoren der Nichtwasserstoffatome in Å2
Atom
Mo1
U11
0.0171(5)
U22
0.0278(3)
U33
0.0173(2)
U23
-0.0006(2)
U13
0.0037(2)
U12
0.0004(3)
C1
0.007(6)
0.037(5)
0.079(6)
-0.007(4)
-0.003(4)
0.001(4)
C2
0.014(6)
0.087(7)
0.051(4)
0.035(5)
0.014(3)
0.008(5)
C3
0.023(7)
0.069(7)
0.040(4)
-0.017(4)
0.005(4)
0.019(5)
C4
0.029(6)
0.042(5)
0.042(4)
0.005(3)
0.000(4)
0.010(4)
C5
0.018(5)
0.059(6)
0.029(3)
-0.003(3)
0.004(3)
0.008(4)
C6
0.011(5)
0.057(5)
0.027(3)
0.005(3)
0.001(3)
0.007(4)
C7
0.031(6)
0.035(4)
0.030(3)
0.001(2)
-0.009(3)
0.013(3)
C8
0.041(6)
0.053(5)
0.043(4)
0.027(3)
-0.012(4)
-0.009(4)
C9
0.032(6)
0.075(6)
0.021(3)
0.012(3)
0.004(3)
0.018(5)
C10
0.068(7)
0.040(4)
0.023(3)
-0.008(3)
-0.016(3)
0.001(4)
O1
0.032(3)
0.034(2)
0.0257(19)
-0.0031(17)
0.0103(18)
-0.008(2)
C11
0.014(5)
0.034(4)
0.027(3)
0.001(2)
0.005(2)
-0.001(3)
O2
0.028(4)
0.032(3)
0.043(2)
0.004(2)
0.014(2)
-0.006(2)
C12
0.007(4)
0.034(3)
0.021(2)
0.002(2)
0.003(2)
-0.003(3)
C13
0.016(5)
0.045(4)
0.022(3)
-0.002(3)
0.007(3)
-0.003(3)
C14
0.016(5)
0.037(4)
0.021(2)
-0.002(3)
0.010(2)
-0.006(4)
C15
0.017(6)
0.036(4)
0.039(4)
-0.008(3)
0.001(3)
-0.001(4)
C16
0.025(6)
0.045(5)
0.041(4)
-0.003(4)
-0.008(4)
-0.001(4)
C17
0.017(6)
0.065(6)
0.038(3)
-0.004(4)
0.002(3)
0.009(4)
C18
0.043(7)
0.033(4)
0.042(4)
0.005(3)
0.009(4)
0.008(4)
C19
0.024(6)
0.039(4)
0.028(3)
-0.005(3)
0.008(3)
-0.013(4)
N1
0.013(4)
0.025(3)
0.021(2)
-0.001(2)
0.0047(18)
0.004(3)
105
Mo2
0.0181(5)
0.0282(4)
0.0162(2)
-0.0010(2)
0.0031(2)
0.0002(3)
C21
0.059(7)
0.051(5)
0.029(3)
0.007(3)
-0.019(3)
-0.007(5)
C22
0.002(5)
0.064(6)
0.037(3)
-0.017(4)
0.000(3)
-0.006(4)
C23
0.036(6)
0.047(4)
0.030(3)
-0.003(3)
-0.005(3)
-0.015(4)
C24
0.023(6)
0.058(5)
0.050(4)
-0.031(4)
-0.005(3)
-0.002(4)
C25
0.035(7)
0.095(7)
0.018(3)
-0.017(4)
0.005(3)
-0.026(5)
C26
0.012(5)
0.048(5)
0.029(3)
0.011(3)
0.003(3)
0.003(4)
C27
0.003(5)
0.052(5)
0.031(3)
-0.005(3)
0.003(3)
-0.002(4)
C28
0.001(5)
0.047(5)
0.064(5)
0.005(4)
0.001(4)
-0.008(4)
C29
0.018(6)
0.061(5)
0.032(3)
0.018(3)
0.010(3)
-0.003(4)
C30
0.021(6)
0.074(7)
0.023(3)
-0.007(4)
0.007(3)
0.010(5)
O3
0.030(3)
0.031(2)
0.0233(18)
0.0004(16)
0.0062(18)
0.003(2)
C31
0.017(5)
0.034(4)
0.026(3)
-0.005(2)
0.001(3)
-0.002(3)
O4
0.036(4)
0.029(3)
0.039(2)
-0.009(2)
0.010(2)
0.003(3)
C32
0.017(5)
0.037(4)
0.018(2)
-0.005(2)
0.003(2)
0.001(3)
C33
0.028(5)
0.049(4)
0.016(2)
0.000(3)
0.008(2)
0.000(4)
C34
0.018(5)
0.040(4)
0.020(2)
0.002(3)
0.010(2)
0.005(3)
C35
0.027(6)
0.032(4)
0.040(4)
-0.003(3)
0.007(4)
0.006(4)
C36
0.032(7)
0.053(6)
0.042(4)
0.011(4)
0.008(4)
0.012(5)
C37
0.022(6)
0.062(6)
0.043(4)
-0.015(4)
-0.001(3)
-0.002(5)
C38
0.035(7)
0.028(4)
0.061(5)
-0.010(4)
0.006(5)
-0.004(4)
C39
0.030(6)
0.034(4)
0.036(4)
0.003(3)
0.009(3)
0.000(4)
N2
0.011(4)
0.029(3)
0.019(2)
0.001(2)
0.0051(19)
0.000(2)
O5
0.038(4)
0.044(3)
0.031(2)
0.002(2)
-0.002(2)
0.003(3)
O6
0.048(4)
0.052(4)
0.047(3)
-0.007(2)
0.000(3)
0.013(3)
O7
0.073(6)
0.062(5)
0.091(4)
0.033(4)
0.026(4)
0.019(4)
Cl1
0.0474(16)
0.0476(11)
0.0258(7)
-0.0026(6)
0.0048(7)
-0.0149(9)
Cl2
0.0560(17)
0.0455(11)
0.0352(8)
-0.0084(7)
0.0130(8)
-0.0058(10)
Tabelle 12: Ausgewählte Bindungslängen (Å) in
Mo1
O1
2.099(4)
Mo1
N1
2.216(4)
Mo1
C6
2.229(7)
Mo1
C2
2.247(8)
Mo1
C10
2.271(6)
Mo1
C1
2.275(8)
Mo1
C3
2.309(8)
Mo1
C7
2.327(7)
Mo1
C5
2.339(7)
Mo1
C9
2.350(5)
Mo1
C4
2.371(8)
Mo1
C8
2.371(7)
106
Tabelle 13 : Ausgewählte Bindungswinkel (°)
O1
Mo1
N1
76.17(17)
O1
Mo1
C6
82.4(2)
N1
Mo1
C6
84.8(2)
O1
Mo1
C2
131.3(3)
N1
Mo1
C2
126.7(3)
C6
Mo1
C2
135.1(3)
O1
Mo1
C10
81.8(2)
N1
Mo1
C10
120.2(2)
C6
Mo1
C10
37.1(2)
C2
Mo1
C10
109.6(3)
O1
Mo1
C1
128.5(3)
N1
Mo1
C1
90.0(3)
C6
Mo1
C1
146.3(3)
C2
Mo1
C1
36.7(3)
C10
Mo1
C1
143.5(3)
O1
Mo1
C3
96.2(3)
N1
Mo1
C3
134.3(2)
C6
Mo1
C3
139.6(3)
C2
Mo1
C3
35.7(3)
C10
Mo1
C3
102.5(3)
C1
Mo1
C3
59.5(3)
O1
Mo1
C7
115.8(2)
N1
Mo1
C7
81.0(2)
C6
Mo1
C7
36.1(3)
C2
Mo1
C7
110.4(3)
C10
Mo1
C7
60.4(3)
C1
Mo1
C7
110.3(3)
C3
Mo1
C7
138.7(3)
O1
Mo1
C5
93.3(2)
N1
Mo1
C5
78.1(2)
C6
Mo1
C5
163.0(2)
C2
Mo1
C5
58.7(3)
C10
Mo1
C5
158.7(3)
C1
Mo1
C5
35.2(3)
C3
Mo1
C5
57.1(2)
C7
Mo1
C5
138.5(3)
O1
Mo1
C9
113.5(3)
N1
Mo1
C9
138.7(2)
C6
Mo1
C9
58.7(2)
C2
Mo1
C9
78.6(3)
C10
Mo1
C9
34.3(3)
C1
Mo1
C9
109.4(3)
C3
Mo1
C9
86.0(3)
C7
Mo1
C9
58.3(2)
C5
Mo1
C9
137.1(2)
O1
Mo1
C4
76.6(3)
N1
Mo1
C4
101.9(2)
C6
Mo1
C4
155.5(3)
C2
Mo1
C4
58.1(3)
C10
Mo1
C4
125.8(3)
C1
Mo1
C4
57.9(3)
C3
Mo1
C4
34.2(3)
C7
Mo1
C4
167.5(3)
C5
Mo1
C4
33.4(3)
C9
Mo1
C4
119.4(3)
O1
Mo1
C8
138.8(2)
107
N1
Mo1
C8
111.0(2)
C6
Mo1
C8
59.0(3)
C2
Mo1
C8
78.5(3)
C10
Mo1
C8
59.1(3)
C1
Mo1
C8
92.6(3)
C3
Mo1
C8
104.0(3)
C7
Mo1
C8
34.7(2)
C5
Mo1
C8
127.8(3)
C9
Mo1
C8
35.2(3)
C4
Mo1
C8
135.8(3)
C5
C1
C2
105.7(7)
C5
C1
Mo1
74.9(5)
C2
C1
Mo1
70.5(5)
1.6.2.2 Molybdocen-Leucin-Komplex
Tabelle 14: wichtige Daten zum Kristall und zur Strukturbestimmung von Leu,Mo
Chemische Formel
C16 H26 Cl Mo N O4
molare Masse
M = 427.77 g/mol
Kristallgröße
0.3 x 0.3 x 0.2 mm
Kristallsystem
tetragonal
Raumgruppe
P4/n
Gitterparameter
a = 18.3294(9) Å
α = 90°
b = 18.3294(9) Å
β = 90°
c = 11.3000(8) Å
γ = 90°
Zellvolumen
3796.4(4) Å3
Dichte (berechnet)
1.497g/cm3
Anzahl der Formeleinheiten pro Zelle
8
F(000)
1760
µ
0.849 mm-1
Röntgenstrahlung
Mo-Kα = 0.71073
2Φ-Bereich
1.57 ≤ 2 Φ ≤ 28.33°
hkl-Grenzen
-24 ≤ h ≤ 24, -23 ≤ k ≤ 22 , -14 ≤ l
Temperatur
180(2) K
Gesamtzahl der gemessenen Reflexe
33410
davon Symmetrieunabhängig
4677
beobachtete Reflexe [F02 ≥ 3σ02)]
2745
Parameterzahl
259
maximaler Shift im letzten Verfeinerungszyklus
<0.001
Ra, Rwb
14.55 %, 12.71 %
Goodness-of-fit, GOFc
0.914
a
∑F −F
R=
∑F
0
c
b
0
R=
∑w ⋅ F − F
∑w ⋅ F
0
2
c
c
2
GOF =
∑w F
0
≤ 14
− Fc
n−p
0
Tabelle 15: Positionen und äquivalente isotrope Temperaturfaktoren der Nichtwasserstoffatome
Mo
x
0.847607(17)
y
0.050613(17)
z
0.75388(3)
Beq/Å2
0.02571(13)
C1
0.7531(3)
0.1349(3)
0.7940(4)
0.0480(12)
C2
0.8154(3)
0.1752(3)
0.7682(4)
0.0407(11)
C3
0.8693(2)
0.1569(2)
0.8514(4)
0.0331(9)
C4
0.8394(2)
0.1058(2)
0.9343(3)
0.0342(9)
C5
0.7671(2)
0.0928(3)
0.8978(4)
0.0411(11)
C6
0.8251(3)
-0.0685(3)
0.7962(5)
0.0489(12)
C7
0.7591(3)
-0.0354(3)
0.7632(5)
0.0624(17)
C8
0.7657(3)
-0.0139(3)
0.6402(5)
0.0656(17)
Atome
2
108
C9
0.8336(3)
-0.0392(3)
0.6060(5)
0.0593(16)
C10
0.8684(3)
-0.0697(3)
0.6972(5)
0.0544(14)
O1
0.90626(15)
0.09524(16)
0.6113(2)
0.0346(7)
O2
1.00785(16)
0.10358(17)
0.5090(3)
0.0434(8)
C11
0.9754(2)
0.0844(2)
0.5980(3)
0.0315(9)
C12
1.0136(2)
0.0422(2)
0.6964(3)
0.0330(9)
C13
1.0851(2)
0.0774(3)
0.7308(4)
0.0416(11)
C14
1.1356(2)
0.0308(3)
0.8087(4)
0.0422(11)
C15
1.1979(3)
0.0772(4)
0.8522(6)
0.084(2)
C16
1.1625(4)
-0.0367(4)
0.7470(5)
0.082(2)
N
0.96292(19)
0.03365(19)
0.7996(3)
0.0269(7)
Cl
0.98438(6)
-0.11316(6)
0.95616(9)
0.0381(3)
O3
0.82223(19)
0.17934(19)
0.4579(3)
0.0470(8)
O4A
0.2500
0.2500
0.2499(8)
0.044(3)
O4B
0.2500
0.2500
0.335(5)
0.039(16)
O5
1.1750(4)
0.2246(3)
0.5428(6)
0.0548(18)
O6
1.2810(13)
0.236(3)
1.0103(14)
0.063(4)
Tabelle 16: Anisotrope Temperaturfaktoren der Nichtwasserstoffatome in Å2
Atom
Mo
U11
U22
0.02436(19)
0.0335(2)
U33
0.0193(2)
U23
U13
U12
-0.00145(14)
0.00080(13)
0.00350(12)
C1
0.033(3)
0.063(3)
0.048(3)
-0.017(2)
-0.006(2)
0.017(2)
C2
0.053(3)
0.040(2)
0.029(2)
-0.0004(18)
0.0061(19)
0.022(2)
C3
0.036(2)
0.029(2)
0.034(2)
-0.0039(17)
0.0026(18)
0.0027(17)
C4
0.043(3)
0.038(2)
0.0218(19)
-0.0044(17)
0.0034(17)
0.0056(18)
C5
0.037(3)
0.045(3)
0.042(2)
-0.016(2)
0.017(2)
-0.001(2)
C6
0.059(3)
0.041(3)
0.047(3)
-0.002(2)
-0.007(2)
-0.013(2)
C7
0.043(3)
0.070(4)
0.074(4)
-0.045(3)
0.031(3)
-0.028(3)
C8
0.065(4)
0.062(4)
0.070(4)
-0.019(3)
-0.043(3)
0.011(3)
C9
0.085(4)
0.055(3)
0.038(3)
-0.017(2)
0.013(3)
-0.010(3)
C10
0.048(3)
0.045(3)
0.070(4)
-0.027(3)
0.000(3)
-0.002(2)
O1
0.0304(16)
0.0478(18)
0.0257(14)
0.0096(12)
0.0037(11)
0.0096(13)
O2
0.0385(17)
0.061(2)
0.0310(15)
0.0133(14)
0.0085(13)
0.0090(15)
C11
0.032(2)
0.036(2)
0.0256(19)
-0.0006(17)
0.0025(16)
0.0050(17)
C12
0.031(2)
0.042(2)
0.026(2)
0.0049(18)
0.0045(17)
0.0060(18)
C13
0.031(2)
0.056(3)
0.037(2)
0.009(2)
0.0027(19)
-0.003(2)
C14
0.028(2)
0.063(3)
0.036(2)
0.007(2)
-0.0026(19)
0.009(2)
C15
0.055(4)
0.124(6)
0.072(4)
0.011(4)
-0.014(3)
-0.015(4)
C16
0.081(5)
0.104(5)
0.061(5)
0.005(4)
0.002(3)
0.056(4)
N
0.0296(18)
0.0300(18)
0.0212(15)
0.0009(14)
0.0000(13)
0.0049(15)
Cl
0.0482(6)
0.0328(6)
0.0334(5)
-0.0041(4)
-0.0099(5)
0.0065(5)
O3
0.049(2)
0.053(2)
0.0384(17)
0.0091(15)
-0.0014(15)
0.0084(17)
O4A
0.042(3)
0.042(3)
0.048(6)
0.000
0.000
0.000
O5
0.061(4)
0.040(4)
0.064(5)
0.020(3)
0.006(4)
-0.009(3)
O6
0.024(13)
0.048(16)
0.118(11)
-0.013(15)
0.019(8)
0.007(12)
Tabelle 17: Ausgewählte Bindungslängen (Å)
Mo
O1
2.102(3)
Mo
N
2.198(3)
Mo
C7
2.265(5)
Mo
C6
2.273(5)
Mo
C3
2.273(4)
Mo
C4
2.281(4)
Mo
C8
2.303(5)
Mo
C10
2.328(5)
109
Mo
C5
2.328(4)
Mo
C9
2.360(5)
Mo
C2
2.364(4)
Mo
C1
2.365(4)
Tabelle 18: Ausgewählte Bindungswinkel (°)
O1
Mo
N
75.12(11)
O1
Mo
C7
132.29(16)
N
Mo
C7
125.4(2)
O1
Mo
C6
128.87(16)
N
Mo
C6
89.36(16)
C7
Mo
C6
36.0(2)
O1
Mo
C3
87.04(13)
N
Mo
C3
80.74(14)
C7
Mo
C3
134.40(16)
C6
Mo
C3
138.86(16)
O1
Mo
C4
123.10(13)
N
Mo
C4
85.20(14)
C7
Mo
C4
102.71(16)
C6
Mo
C4
103.07(17)
C3
Mo
C4
36.70(14)
O1
Mo
C8
96.07(19)
N
Mo
C8
133.27(18)
C7
Mo
C8
37.0(2)
C6
Mo
C8
60.4(2)
C3
Mo
C8
145.54(18)
C4
Mo
C8
133.1(2)
O1
Mo
C10
94.23(16)
N
Mo
C10
76.88(17)
C7
Mo
C10
58.0(2)
C6
Mo
C10
34.67(19)
C3
Mo
C10
156.42(18)
C4
Mo
C10
132.61(19)
C8
Mo
C10
57.8(2)
O1
Mo
C5
136.90(15)
N
Mo
C5
119.49(14)
C7
Mo
C5
75.23(17)
C6
Mo
C5
93.29(18)
C3
Mo
C5
59.18(16)
C4
Mo
C5
35.54(15)
C8
Mo
C5
98.5(2)
C10
Mo
C5
127.65(18)
O1
Mo
C9
77.55(15)
N
Mo
C9
99.92(18)
C7
Mo
C9
57.94(18)
C6
Mo
C9
57.25(18)
C3
Mo
C9
163.77(18)
C4
Mo
C9
159.26(18)
C8
Mo
C9
34.50(19)
C10
Mo
C9
33.08(18)
C5
Mo
C9
131.11(18)
O1
Mo
C2
78.71(13)
N
Mo
C2
111.13(15)
C7
Mo
C2
119.4(2)
C6
Mo
C2
150.27(19)
C3
Mo
C2
35.18(15)
C4
Mo
C2
59.59(15)
110
C8
Mo
C2
111.81(19)
C10
Mo
C2
167.11(18)
C5
Mo
C2
58.20(16)
C9
Mo
C2
134.05(18)
O1
Mo
C1
105.49(15)
N
Mo
C1
138.75(15)
C7
Mo
C1
85.5(2)
C6
Mo
C1
117.05(19)
C3
Mo
C1
58.36(16)
C4
Mo
C1
59.38(16)
C8
Mo
C1
87.98(19)
C10
Mo
C1
142.35(19)
C5
Mo
C1
35.42(16)
C9
Mo
C1
120.78(19)
C2
Mo
C1
34.21(17)
1.6.2.3 Molybdocen-Valin-Komplex
Tabelle 19: wichtige Daten zum Kristall und zur Strukturbestimmung von Val,Mo
Chemische Formel
C15 H22 Cl Mo N O3
molare Masse
M = 395.73 g/mol
Kristallgröße
0.24 x 0.20 x 0.12 mm
Kristallsystem
triclinic
Raumgruppe
P-1
Gitterparameter
a = 7.6736(6) Å
α = 103.058(10)
b = 10.4488(8)Å
c = 10.7914(8) Å
787.66(10) Å3
1.669g/cm3
2
404
1.011 mm-1
Mo-Kα = 0.71073
1.97 ≤ 2 Φ ≤ 28.30°
-10 ≤ h ≤ 10 , -13 ≤ k
180(2) K
7090
3578
3320
256
0.000
9.03 %, 0.08.86 %
1.048
Zellvolumen
Dichte (berechnet)
Anzahl der Formeleinheiten pro Zelle
F(000)
µ
Röntgenstrahlung
2Φ-Bereich
hkl-Grenzen
Temperatur
Gesamtzahl der gemessenen Reflexe
davon Symmetrieunabhängig
beobachtete Reflexe [F02 ≥ 3σ02)]
Parameterzahl
maximaler Shift im letzten Verfeinerungszyklus
Ra, Rwb
Goodness-of-fit, GOFc
a
∑F −F
R=
∑F
0
c
b
0
R=
∑w ⋅ F − F
∑w ⋅ F
0
2
c
2
0
c
GOF =
β = 94.861(10)
γ = 108.522(10)
≤ 13 , -13 ≤ l ≤ 13
∑w F
0
− Fc
n−p
Tabelle 20: Positionen und äquivalente isotrope Temperaturfaktoren der Nichtwasserstoffatome
Mo
x
-0.04604(2)
y
0.243735(17)
z
0.326090(17)
Beq/Å2
0.02071(9)
C1
-0.0245(4)
0.0436(3)
0.3596(3)
0.0282(5)
C2
-0.1331(3)
0.0875(3)
0.4471(3)
0.0326(5)
C3
-0.0216(4)
0.2162(3)
0.5358(3)
0.0328(5)
C4
0.1602(4)
0.2499(3)
0.5078(3)
0.0318(5)
C5
0.1590(3)
0.1468(3)
0.3981(2)
0.0287(5)
Atome
2
111
C6
-0.2272(4)
0.2935(4)
0.1755(3)
0.0414(7)
C7
-0.3237(4)
0.1609(3)
0.1908(3)
0.0382(6)
C8
-0.3614(4)
0.1827(5)
0.3166(4)
0.0565(10)
C9
-0.2832(6)
0.3283(6)
0.3787(3)
0.0708(15)
C10
-0.2079(5)
0.3929(3)
0.2878(5)
0.0587(11)
O1
0.1706(2)
0.43393(18)
0.34724(19)
0.0315(4)
C11
0.3010(3)
0.4440(3)
0.2774(3)
0.0297(5)
O2
0.4370(3)
0.5514(2)
0.2958(2)
0.0420(5)
C12
0.2809(3)
0.3144(2)
0.1709(2)
0.0253(4)
N
0.0944(3)
0.2045(2)
0.1576(2)
0.0217(4)
C13
0.3255(3)
0.3521(3)
0.0446(3)
0.0323(5)
C14
0.3343(4)
0.2273(4)
-0.0568(3)
0.0431(7)
C15
0.1924(4)
0.4174(4)
-0.0068(4)
0.0443(7)
Cl
0.20751(8)
-0.07808(7)
0.12205(6)
0.03223(15)
O3
0.4230(4)
0.8357(3)
0.3507(3)
0.0468(5)
Tabelle 21: Anisotrope Temperaturfaktoren der Nichtwasserstoffatome in Å2
Atom
U11
U22
U33
U23
U13
U12
Mo
0.02013(12)
0.01932(12)
0.02329(13)
0.00706(9)
0.00067(8)
C1
0.0349(12)
0.0214(11)
0.0284(12)
0.0094(10)
-0.0044(9)
0.00750(8)
0.0104(9)
C2
0.0264(11)
0.0378(13)
0.0403(15)
0.0263(12)
0.0037(10)
0.0097(10)
C3
0.0397(13)
0.0399(14)
0.0273(13)
0.0145(11)
0.0065(10)
0.0213(11)
C4
0.0305(12)
0.0334(13)
0.0277(13)
0.0114(11)
-0.0061(9)
0.0068(10)
C5
0.0257(11)
0.0385(13)
0.0292(12)
0.0160(11)
0.0028(9)
0.0168(10)
C6
0.0357(13)
0.0586(19)
0.0500(18)
0.0319(16)
0.0104(12)
0.0306(13)
C7
0.0252(11)
0.0351(13)
0.0473(17)
-0.0018(12)
-0.0125(11)
0.0145(10)
C8
0.0298(13)
0.092(3)
0.083(3)
0.065(2)
0.0233(15)
0.0370(16)
C9
0.082(3)
0.118(4)
0.0319(16)
-0.008(2)
-0.0092(17)
0.085(3)
C10
0.0426(17)
0.0326(15)
0.095(3)
0.0059(18)
-0.0202(18)
0.0205(13)
O1
0.0323(8)
0.0215(8)
0.0354(10)
0.0053(7)
0.0026(7)
0.0045(7)
C11
0.0255(10)
0.0241(11)
0.0369(14)
0.0113(10)
-0.0027(9)
0.0049(9)
O2
0.0317(9)
0.0262(9)
0.0564(13)
0.0097(9)
0.0009(9)
-0.0032(7)
C12
0.0191(9)
0.0255(10)
0.0315(12)
0.0125(10)
-0.0004(8)
0.0057(8)
N
0.0204(8)
0.0199(8)
0.0258(10)
0.0107(8)
0.0015(7)
0.0056(7)
C13
0.0224(10)
0.0380(13)
0.0384(14)
0.0229(12)
0.0044(9)
0.0042(10)
C14
0.0328(13)
0.0591(19)
0.0355(16)
0.0147(15)
0.0072(11)
0.0115(13)
C15
0.0363(14)
0.0472(17)
0.0555(19)
0.0364(16)
0.0015(13)
0.0084(13)
Cl
0.0299(3)
0.0324(3)
0.0329(3)
0.0043(3)
0.0009(2)
0.0131(2)
O3
0.0527(13)
0.0444(12)
0.0447(13)
0.0114(11)
0.0085(10)
0.0192(11)
Tabelle 22: Ausgewählte Bindungslängen
Mo
O1
2.0967(17)
Mo
N
2.2160(19)
Mo
C1
2.254(2)
Mo
C7
2.270(2)
Mo
C8
2.285(3)
Mo
C2
2.288(2)
Mo
C5
2.295(2)
Mo
C6
2.302(3)
Mo
C9
2.320(3)
Mo
C3
2.344(3)
Mo
C10
2.362(3)
Mo
C4
2.389(2)
112
Tabelle 23: Ausgewählte Bindungswinkel:
O1
Mo
N
75.40(7)
O1
Mo
C1
127.96(8)
N
Mo
C1
86.77(9)
O1
Mo
C7
126.73(10)
N
Mo
C7
89.48(10)
C1
Mo
C7
100.96(10)
O1
Mo
C8
133.66(11)
N
Mo
C8
124.83(12)
C1
Mo
C8
96.67(11)
C7
Mo
C8
35.67(13)
O1
Mo
C2
135.92(9)
N
Mo
C2
122.52(9)
C1
Mo
C2
36.05(10)
C7
Mo
C2
95.39(11)
C8
Mo
C2
72.80(10)
O1
Mo
C5
91.37(8)
N
Mo
C5
77.78(8)
C1
Mo
C5
36.70(9)
C7
Mo
C5
135.43(10)
C8
Mo
C5
131.00(10)
C2
Mo
C5
59.40(9)
O1
Mo
C6
91.03(10)
N
Mo
C6
80.05(9)
C1
Mo
C6
133.91(11)
C7
Mo
C6
35.72(11)
C8
Mo
C6
58.48(11)
C2
Mo
C6
129.39(10)
C5
Mo
C6
156.32(11)
O1
Mo
C9
99.49(16)
N
Mo
C9
137.82(11)
C1
Mo
C9
124.39(17)
C7
Mo
C9
59.64(12)
C8
Mo
C9
35.88(17)
C2
Mo
C9
90.65(16)
C5
Mo
C9
144.32(12)
C6
Mo
C9
57.99(12)
O1
Mo
C3
102.14(9)
N
Mo
C3
136.34(8)
C1
Mo
C3
59.97(10)
C7
Mo
C3
121.98(11)
C8
Mo
C3
88.93(11)
C2
Mo
C3
35.58(10)
C5
Mo
C3
58.60(9)
C6
Mo
C3
143.23(10)
C9
Mo
C3
85.83(12)
O1
Mo
C10
77.31(10)
N
Mo
C10
106.34(14)
C1
Mo
C10
154.37(12)
C7
Mo
C10
58.27(11)
C8
Mo
C10
57.72(13)
C2
Mo
C10
124.57(14)
C5
Mo
C10
166.24(12)
C6
Mo
C10
34.09(14)
C9
Mo
C10
34.22(17)
C3
Mo
C10
115.70(14)
113
O1
Mo
C4
78.69(8)
N
Mo
C4
105.66(9)
C1
Mo
C4
59.55(9)
C7
Mo
C4
153.63(11)
C8
Mo
C4
123.37(11)
C2
Mo
C4
58.29(9)
C5
Mo
C4
34.87(10)
C6
Mo
C4
166.31(12)
C9
Mo
C4
114.42(11)
C3
Mo
C4
34.48(9)
C10
Mo
C4
133.13(13)
1.6.3 Potentiometrische Titration1
Bei der Potentiometrie handelt es sich um ein elektrochemisches Verfahren, dass die
Konzentratiosabhängigkeit der relativen Elektrodenspannung einer Indikatorelektrode als
analytisches Signal benutzt. Potentiometrische Messungen werden mit ionensellektiven
Elektroden durchgeführt. Seine größte Anwendung hat dieses Messprinzip in der pHMesstechnik. Eine Glaselektrode dient als Indikatorelektrode. Im Idealfall ergibt sich ein
linearer Zusammenhang zwischen Potential der Glaselektrode und dem pH-Wert, der dem
dekadischen Logarithmus der Konzentration der zu bestimmenden Spezies gemäß der
Nernst`schen Gleichung entspricht.
Nernstsche Gleichung:
U = Uo+ 2.3 RT/ zjF * log aj
Die potentiometrische Messanordnung besteht aus der Messzelle mit kombinierter Indikatorund Bezugselektrode und einem hochohmigen Millivoltmeter. Wird die Potentiometrie zur
Endpunktserkennung herangezogen, so spricht man von potentiometrischer Titration. Der
Äquivalenzpunkt ist durch eine sprunghafte Änderung des Elektrodenpotentials der
Indikatorelektrode gekennzeichnet. Es ist möglich, mit der potentiometrischen Titration
Stabilitätskonstanten von Spezies in wässriger Lösung zu bestimmen. Das Prinzip der
Methode liegt in der Bestimmung des Gleichgewichtes, dass sich zwischen den protonierten
und metallierten Formen eines Liganden einstellt. Dieser stellt definitionsgemäß eine LewisBase dar. Es entsteht eine Konkurrenzsituation zwischen Protonen und Metallionen um den
Liganden. Das Metallion verdrängt Protonen, so dass es ein Absinken des pH-Wertes
registriert werden kann (pH-Depression). Diese Vorgänge können durch Messungen der
Protonenaktivität erfasst werden.
Die Messung und Auswertung wird durch Anwesenheit zusätzlicher Komplexe, durch
mehrere verschiedene Liganden (gemischte Komplexe) oder durch polynukleare Komplexe
erschwert.
Messung
Vor Beginn der täglichen Messung wird die pH-Elektroden durch Standard-PufferMessungen (7 und 4) geeicht . In einem auf 25° C vortemperiertem Reaktionsgefäß wird eine
„Eichmessung“ durchgeführt. Dazu wird eine exakte Menge an 1.1.1-Tris-(hydroxymethyl)methylamin (Tris-Lösung) mit einem bekannten pKa-Wert titriert. Anhand des täglichen
1
R.Vogler, Potentiometrie , 9.Auflage :Januar 2000, Laborexemplar.
114
Bestimmens des pKa-Wertes der Tris-Lösung werden alle darauffolgenden Messungen in
Relation dazu gesetzt. Eine andere Methode wäre die „Blanktitration“, bei der Salzsäure
bekannter Konzentration mit Natronlauge bekannter Konzentration titriert wird. Anhand
dieser Daten erfolgt dann die „Eichung“ der übrigen Messungen.
Jede Messung wird mit einem Volumen von 50 mL durchgeführt. In der Lösung befindet sich
folgende Zusammensetzung:
10 mL zu titrierende Substanz
10 mL HNO3, 0.01M
5 mL Elektrolyt KNO3, 1M
25 mL H2O, bidest.
Die Messung erfolgt immer unter Einleiten von Schutzgas, da aus der Luft aufgenommenes
CO2 zu starken Störrungen der Messung führen kann. Die Titration erfolgt mit 0.1 molarer
Natronlauge. Aufnahme der Messpunkte, Steuerung der Messung und Auswertung wurde mit
dem Programm TITFIT durchgeführt.
115
13
C-NMR-Studien der pH-abhängigen Stabilitätsmessungen von Molybdocen-ValinChlorid
116
13
C-NMR-Studien der pH-abhängigen Stabilitätsmessungen von Molybdocen-ValinChlorid (pH = 0.01)
117
13
C-NMR der Umsetzung von Titanocendichlorid mit Valin bei einem
Lösungsmittelüberschuß und bis zu 24 h Reaktionszeit
118
13
C-NMR der Umsetzung von Titanocendichlorid mit Valin bei einem
Lösungsmittelüberschuß und bis zu 24 h Reaktionszeit
119
120
2 Olefin-Metathese
2.1 Einleitung
2.1.1 Allgemeines
Der aus dem Griechischen stammenden Begriff „Metathesis“ setzt sich aus den beiden
Wörtern „meta“ (Veränderung) und „tithemi“ (Platz, Ort) zusammen und bedeutet im
Grammatikalischem die Veränderung von Betonung oder Buchstaben in einem Wort. In der
Chemie wird dieser Begriff für die Umstellung oder den Austausch von Atomen zwischen
zwei Molekülen verwendet. Im Falle der Olefin- oder Alken-Chemie wird der reversible,
katalytische Austausch von Alkylidengruppen zwischen zwei Olefinen als Metathese
beschrieben. Die olefinischen Metathese-Reaktionen werden in drei große Gruppen,
dargestellt in den Gleichungen 1-3, eingeteilt. Metathese-Reaktionen sind sowohl bei
terminalen (Ri = H) als auch bei internen Olefinen möglich.
PhCH
CHPh
Gleichung 1
+
+
CH2
CHPh
PhCH
CH2
CH2
CH2
Abb. 1
[ CHCH2CH2CH2CH
]
Gleichung 2
Abb. 2
+
Abb. 3
Gleichung 3
121
2.1.2 Historisches
Der Begriff der „Olefin-Metathese“ wurde als erstes von Calderon im Jahre 1967 verwendet.
Bis zu diesem Zeitpunkt entwickelte sich die Chemie von „Umstellungsreaktionen“ (Gl.1)
und Polymerisationen (Gl. 2) unabhängig von einander. Überhaupt waren beide
Reaktionstypen „Spätstarter“ auf der Bildfläche der modernen Chemie. Die ersten Arbeiten zu
diesem Thema wurden von Truett 1960 (Gl. 4) und Banks 1964 (Gl. 5) publiziert.
[
Gleichung 4
CH ]
CH
Abb. 4
CH3CH
CH2
+
CH3CH
CH2
CH2
CH3CH
CH3CH
+
Gleichung 5
CH2
Abb. 5
Die Verknüpfung dieser beiden Reaktionstypen schien auf den ersten Blick nicht zwingend,
da sie recht unterschiedliche Konditionen für die Reaktionsführung aufweisen und
unterschiedliche Katalysatoren verwendet werden.
Zum einen handelt es sich um Disproportionierungs- oder Dismutations-Reaktionen von
acyclischen Olefinen, die üblicherweise bei hohen Temperaturen (ca 160°C) und mit OxidKatalysatoren wie MoO3/Al2O3 durchgeführt werden, zum anderen um ringöffnende
Polymerisation von Cycloalkenen, die von Kataysatoren des Ziegler-Natta-Typs,
beispielsweise MoCl5/Et3Al , bei Raumtemperatur und darunter initiiert werden.
Die Entwicklung des Katalysatorsystems WCl6/EtAlCl2/EtOH stellte die Brücke dar, da es
sowohl die schnelle Polymerisation von Cycloocten und Cycloocta-1,5-dien (Calderon,
1967c) katalysiert als auch bei der Disproportionierung von Pent-2-en eingesetzt werden
kann (Calderon 1967a,b, 1968). Es zeigte sich, daß beide katalytischen Typen Aspekte eines
chemischen Reaktionsprinzipes sind. Die Reaktion zwischen But-2-en und But-2-en-d8, die
zur Ausbildung von But-2-en-d4 führt (Calderon), zeigt auf, daß dies das Prinzip sowohl bei
cyclischen als auch acyclischen katalytischen Reaktionen ist . Die in Abbildung 6 dargestellte
Reaktion wird seitdem als allgemeine „Olefin-Metathese-Reaktion“ bezeichnet.
CH3CH
CHCH3
+
CD3CD
WCl6/ EtAlCl2/ EtOH
CH3CH
CD3CD
CDCD3
Abb. 6
CHCH3
+
Gleichung 6
CDCD3
122
Metathese Reaktionen mit Dreifachbindungen unter Erhalt der Dreifachbindung sind erstmals
von Mortreux (1972) mittels 14C-Isotopenmarkierungen nachgewiesen worden (Gl. 8).
14
CH
BuC
MoO3/SiO2/ 350°
+
BuC
14
CH
14
BuC
+
BuC
CH
Gleichung 8
14
CH
Abb. 7
Seit 1970 wurden dann immer mehr Polymerisationen von Acetylenen mit für Metathese
typischen Katalysatoren, wie z.B. MoCl5 oder WCl6/Ph4Sn, dokumentiert (Woon 1974,
Masuda 1974, 1976). Im Zuge der dann einsetzenden intensiven Forschungen fand man
heraus, daß Metallcarbenkomplexe zur Polymerisation von Me3CC≡CH bei 60°C verwendet
werden konnten. (Katz 1980a). Bei Polymeren von PhC≡CPh wurden Endgruppen solcher
Initiatoren detektiert (Kunzler 1988b). Ferner entdeckte man die Möglichkeit „triblockcoplymere“ durch successive Addition von Norbornen, Acetylen und Norbornen mit Hilfe
solcher Initiatoren darzustellen (Schlund 1989).
123
2.1.3 Metathese-Mechanismen
Die acyclische Olefin-Metathese stellt eine fast energieneutrale chemische Reaktion dar, so
daß man als Produkte statistische Gemische erhält. Wie aus Gleichung 1 zu ersehen ist,
kommt es bei der Metathese von zwei Olefinen mit verschiedenen Resten Ri zur Bildung aller
Kombinationen Ri-CH=CH-Rj, so daß sechs verschiedene Olefine im Gleichgewicht
vorliegen. Diese Metathese-Art findet in der SHOP ( Abb. 8) als ein Teilschritt Anwendung.
Bei den meisten anderen Metathese-Reaktionen werden Olefine mit höchstens drei
verschiedenen Alkyliden-Einheiten eingesetzt. Bei monomeren Edukten und Produkten stellt
die =CH2-Gruppe eine Einheit dar, so daß entweder zwei α-Olefine und/oder Ethen an der
Reaktion beteiligt sind, wie am Beispiel der Phillips Triolefin- und Neohexen-Prozesse zu
sehen ist (Abb. 9 und 10).
H2C
SHOP:
CH2
Ni
a-Olefingemisch
katalytische
Isomerisierung
internes Olefingemisch,
davon:
( allg C>20)
H21C10CH
CHC10H21
H21C10 CH
+
( allg. C4-C6)
H3CCH
H3CCH
CHCH3
+
HCC10H21
HCCH3
Abb. 8 Shop Prozess
Phillips-Triolefin-Prozeß:
CH3
H2C
CH
CH2
+
H2C
CH3
CH2
CH
CH3
Abb. 9 Phillips-Triolefin-Prozeß
+
HC
HC
CH3
124
Neohexen-Prozeß:
CH3
CH3
H3C
CH3
H
C
C
CH3
CH3
C
CH3
C
+
H2C
C
+
CH
CH3
CH3
H3C
CH2
CH2
CH2
Abb. 10 Neohexen-Prozeß
Die vollständige Verschiebung der Reaktion auf die Produktseite gelingt durch Entfernen des
flüchtigen Coprodukts Ethen. Beim Prozess der Ethenolyse findet ebenfalls eine
Gleichgewichtsverschiebung hin zu den Produkten durch Einsatz von hohen Ethendrucken bei
der Umsetzung oder Spaltung eines internen Olefins mit Ethen zu α-Olefinen statt.
Bei der Alken-Metathese werden Metallcarbenkomplexe als katalytisch aktive Spezies
postuliert, die in einer [2+2]-Cycloaddition ein Olefin unter Bildung eines
Metallacycolbutanrings addieren. In Abbildung 11 ist dieser Mechanismus, auch ChauvinMechanismus genannt, dargestellt.
CHR
LnM
LnM
+
H2C
CH3
CHR
CHR
LnM
CHR
H2C
CHR
+
CHR
Abb. 11 Chauvin-Mechanismus
Dabei kann die Reaktion von Carbenkomplexen mit Olefinen in zwei Richtungen ablaufen.
Zum einen kann eine Carbenübertragung stattfinden, die zur Bildung von
Cyclopropanderivaten führt. Zum anderen ist eine [2+2]-Cycloaddition des Olefins und
Ringöffnung des Metallacyclobutan-Intermediates möglich, was zu einem neuen
Carbenkomplex und einem neuen Olefin führt. Das Symmetrieverbot, welches an sich für
eine [2+2]-Cycloaddition zweier Alkene zu Cyclobutan besteht, wird durch die dOrbitalbeteiligung des Metalls entschärft. In den Abbildungen 12 und 13 sind die beiden
Möglichkeiten aufgeführt. Die Olefin-Metathese kann sowohl homogen als auch heterogen
geführt werden. In der Industrie überwiegt die heterogene Reaktionsführung.
Me
H
(OC)5W
C
+
Ph
H2C
+
CMe2
Ph
Abb. 12 [2+2]-Cycloaddition zu Cyclobutan
Me
[W(CO)5]
125
Ph
(OC)5Cr
Ph
(OC)5Cr
C
+ H2C
C
OMe
CHOEt
HC
OMe
CH2
EtO
H
(OC)5Cr
+
C
OEt
Abb. 13 Chrom-Carbonyl-Komplex
H2C
CPhOMe
126
2.1.4 Katalysatorsysteme
Die Katalysatorsysteme, die in der Metathese Verwendung finden, beinhalten immer
Übergangsmetallkomplexe als zentralen Bestandteil. In einigen Fällen sind diese allein aktiv,
aber meistens ist die Anwesenheit von weiteren Komponenten nötig. Am häufigsten werden
Chlorid- und Oxidverbindungen der Übergangsmetalle verwendet.
Mo, Ru,
W, Re
Os, Ir
Ti, V Cr
Co, Nb,
Rh, Ta
Co-Katalysatoren
EtAlCl2, R3Al, R4Sn
Promotoren
O2, EtOH, PhOH
Abb. 14 Katalysatorkomponenten für die Metathese
In Abbildung 14 werden die drei verwendeten Komponenten mit den
Übergangsmetallgruppen gezeigt.
Bei den gängigen Katalysatorsystemen handelt es sich um MoCl5, WCl6, RuCl3/HCl , Re2O7,
WO3, aber auch Komplexe des Typs [Mo(NO)2Cl2(PPh3)2 ] und M(=O)(acetylacetonat)2
finden Anwendung. Aktiviert werden diese Katalysatoren durch Alkylierungsmittel, die man
allgemein als Cokatalysator bezeichnet. Typische Cokatalysatoren sind EtAlCl2, R4Sn oder
N2=CR2 (Diazoalkane). In vielen Fällen ist auch die Anwesenheit einer dritten Komponente,
den sogenannten Promotoren erforderlich. Diese setzen sich aus der Substanzklasse der Ether,
Nitrile und Alkohole zusammen. Die aufgeführten Beispiele für die drei Komponenten
werden auch als Katalysatorsysteme der ersten Generation bezeichnet.
Oftmals werden auch Trägermaterialien wie Al2O3 und SiO3 verwendet. Klassische Beispiele
für industriell angewandte Metathesekatalysatoren sind WCl6/SnMe4 oder Re2O7/Al2O3.
In den letzten Jahren ist die Darstellung zahlreicher, gut definierter Metallcarbenkomplexe
gelungen, die mittlerweile als Kataysatoren der „zweiten Generation“ gelten. Sie können
direkt als Initiatoren für alle Typen der Olefin-Metathese-Reaktionen eingesetzt werden. Sie
erlauben eine größere Kontrolle und ein besseres Verständnis der mechanistischen Aspekte
der Metathese-Reaktion. Die initiierende und aktive Spezies kann deutlicher verfogt werden.
In manchen Fällen ist es auch möglich, den als Intermediat agierenden MetallacyclobutanKomplex zu beobachten. Gut charakterisierte Metallacyclobutene werden zum Teil ebenfalls
in der Metathese-Reaktion eingesetzt.
Die Funktion der Cokatalysatoren besteht zum einem in der Bindung einer MetallcarbenSpezies als Startgruppe. Zum anderen stabilisieren sie die katalytischen Spezies und
unterdrücken Olefin-Dimerisierungs- und Polymerisierungsprozesse an den katalytischen
Zentren. In Abbildung 15 ist die Bildung von Katalysator-Cokatalysatorsystemen am Beispiel
von Zinntetramethyl und Diazoalkanen dargestellt.
127
Die Aktivitätsreihenfolge der technischen Metalloxid-Katalysatoren sieht folgendermaßen
aus:
Re> Mo >> W.
Allerdings besitzen die Wolframkatalysatoren eine höhere Resistenz gegenüber
Katalysatorgiften, was sie trotz ihrer geringeren Aktivität für die Metathese attraktiv bleiben
läßt. Protonen- und Elektonendonor-Reagenzien sowie Sauerstoff wirken in höheren
Konzentrationen als Katalysatorgift, so daß gereinigte Olefinkomponenten verwendet werden
müssen und unter Inertgasbedingungen gearbeitet werden muß. Bezüglich der
Alkylidengruppen setzt sich die Reaktivitätsreihen wie folgt zusammen:
=CH2 > =CHR > =CH-CHR2 > =CR2
Cl
Cl
WCl6 + Sn(CH3)4
Cl4W
Cl4W
-ClSn(CH3)3
CH3
CH2
H
+ Sn(CH3)4
- ClSn(CH3)3
CH3
Cl4W
CH2
Cl4W
CH2
- CH4
Abb. 15 Bildung von Ktakysator/CoKatalysatorsystemen
H
Im Allgemeinen sind konjugierte Olefine und Diolefine weniger reaktiv. Bei der industriellen
Metathese von funktionalisierten Olefinen tritt eine Desaktivierung durch Hydroxyl-,
Aldehyd-, Carboxyl- und andern Gruppen auf. Aktuellere Forschungsrichtungen befassen sich
mit der Entwicklung von Metallkomplexen, die gegenüber protischen Reaktionsmedien wie
Wasser stabil sind und gleichzeitig eine lebende Polymerisation von Monomeren mit polaren
funktionellen Gruppen erlauben. In Abbildung 16 sind zwei Beispiele der neueren
Katalysatorgeneration dargestellt.
128
PR3
i
i
Pr
Pr
Cl
Ru
Ph
PR3
Ph
N
Cl
i
M
RO
Bu
RO
M= Mo, W
R= Cyclohexyl
R= Alkyl, Aryl
Abb. 16 Katalysatoren der neuen Generation für die Metathese
Als Nebenreaktionen bei der Olefin-Metathese können Doppelbindungsisomerisierungen,
Polymerisation und Hydrierung/Dehydrierung auftreten.
129
2.1.5 ROMP
Einen besonderen Aspekt der Metathese-Reaktionen stellt die ringöffnende Polymerisation,
deren Resultat ungesättigte Polymere sind, dar. Diese werden Polyalkenamere [Poly(1alkenylen)] genannt. Hierbei handelt es sich um vulkanisierbare, ungesättigte Elastomere mit
Kautschuk-Charakter.
Der
Vorgang
der
Darstellung
wird
ringöffnende
Metathesepolymerisation oder Ringöffnungspolymerisation (engl.: Ring Opening Metathesis
Polymerisation = ROMP) genannt. Dabei verläuft die Polymerisation kontrolliert in der
Koordinationssphäre eines Metalls, weswegen sie zum Typ der Ziegler-NattaPolymerisationen gezählt wird. Bei der Ziegler-Natta-Polymerisation von Cycloolefinen sind
also abhängig vom Katalysator zwei verschiedene Reaktionstypen denkbar. Die eine Route
umfaßt die Polymerisation über die Doppelbindungen wie sie z.B. beim Einsatz von
Metallocenen stattfindet. Bei der anderen handelt es sich um Ringöffnung, was einen
äquivalenten Vorgang zur Öffnung von Doppelbindungen darstellt. Die Zahl der eigentlichen
Dopppelbindungen der Eduktmoleküle bleiben im Produktpolymer bestehen, wie in
Abbildung 17 zu sehen ist.
p
(CH2)n
(CH2)n
p
(CH2)n
p
(CH2)n
(CH2)m
p
(CH2)m
Abb. 17 Schematisches Beispiel für ROMP
Die Doppelbindungen, die Teile der Hauptkette bilden, weisen cis/trans-Isomerien auf.
Zusätzlich dazu liegen bei prochiralen Monomeren, wie sie Bicyclen darstellen, Taktizitäten
als Stereoisomere vor. Alle Arten von ringöffnenden Polymerisationen werden für 3-, 4-, 8-,
und noch größere Ringe thermodynamisch favorisiert (Iving, 1974, 1991). Tabelle 1 gibt
einen Überblick über die polymerisierbaren und nicht-polymerisierbaren Ringsysteme. Zum
Beispiel ist das nichtgespannte System Cyclohexen weder für ROMP geeignet, noch läßt es
sich über die Doppelbindung polymerisieren.
Ein wesentlicher Unterschied zu Gleichgewichts-Metathese-Reaktionen acyclischer Olefine
liegt darin, daß ROMP bei hochgespannten cyclischen Systemen eine irreversible Reaktion
darstellt. Abbildung 18 zeigt die polymerisierbaren und nicht-polymerisierbaren Systeme.
130
polymerisierbar
nicht-polymerisierbar
Me
Pri
Me
Me
OEt
X
Y
CH CH2
Si
Me
Me
Me
Si Me
Si Me
Me
Abb. 18 Polymerisierbare und nicht-polymerisierbare Cycloalkene
In der Tabelle 1 sind einige thermodynamische Daten für die ROMP von Cycloalkenen
zusammengestellt (Iving, Mol). Für Cyclohexen wurden die thermodynamischen Daten für
das Polymer anhand von Daten verwandter Polymere abgeschätzt.
Tabelle 1: Thermodynamische Daten ∆H°, ∆S° und ∆G° für ROMP von Cycloalkenen
Monomer
Polymer
Cyclobuten
Cyclopenten
cis
cis
trans
cis
trans
70 % trans
48 % trans
cis
trans
45 % trans
Cyclohexen
Cyclohepten
Cycloocten
Cycloocta-1,5dien
Norbornen
-∆H°
kJ mol-1
121
15.4
18
-2
2
18
13
25
33
62.2
-∆S°
J K-1 mol-1
52
51.8
52
31
28
37
9
5
5
50
-∆G°
kJ mol-1
105
0.3
2.6
-6.2
-7.3
7
13
19
24
47
Die thermodynamischen Daten gelten für die Umwandlung von flüssigem Polymer in den
festen, amorphen Zustand bei 25°C (Lebedev 1992, 1994; Kranz, 1972; Lebedev 1977 a,b;
Cherednichenko 1979; Hocks 1975 a).
Die trans-Form der Polymere liegt grundsätzlich energetisch niedriger als die cis-Form.
131
2.1.6 Technisch relevante Metathese-Reaktionen
Bei den acyclischen Olefinen sind der Neohexen- und der Philips-Triolefin-Prozeß die
technisch relevanten Metathese-Reaktionen, dargestellt in Abbildung 9 und 10.
Der Philips-Triolefin-Prozeß, der die erste technische Anwendung der Olefinmetathese
darstellt, diente ursprünglich zur Disproportionierung von Propen in Ethen und 2-Buten. Dies
erlaubte eine bessere Raffinerieflexibilität und eine Erhöhung des Ethenanteils in NaphtaCrackgemischen auf Kosten von Propen. Im Zeitraum von 1966-1972 wurde es in einem
Umfang von 30000 Jahrestonnen betrieben, wurde dann aber wegen einer veränderten
wirtschaftlichen Rohstoffsituation eingestellt. Allerdings wurde es in neuerer Zeit auf Grund
von wachsender Propennachfrage aus Ethen in umgekehrter Richtung wiederbelebt. Die
Firma ARCO betreibt in den USA eine Anlage mit einer 136000 Jahrestonnen-Kapazität. Das
benötigte 2-Buten wird durch Ethendimerisierung erhalten. In diesem Falle ist der PhilipsTriolefin -Prozeß auch ein Beispiel für angewandte Ethenolyse.
Der Neohexen-Prozeß ist ein Beispiel für die Spaltung eines höheren Olefins mit
innenständiger Doppelbindung im Zusammenspiel mit Ethen in endständige Olefine. Dabei
wird Neohexen aus technischem Di-iso-buten und Ethen dargestellt. Verwendung findet es in
Weiterverarbeitung zu Duftstoffen.
In einem Teilschritt des Shell higher olefins process (SHOP) liegt die mit Abstand größte
technische Anwendung der Olefinmetathese. Dabei werden in einem mehrere hunderttausend
Jahrestonnen Maßstab Olefingemische im C4-C6-Bereich und oberhalb des C20-Bereiches zu
Mischungen mit beträchtlichen Anteilen im gewünschten C10-C18-Bereich umgesetzt. Diese
werden durch Destillation abgetrennt und als Edukte in der Hydroformylierung eingesetzt. Da
der Anteil der gewünschten Olefinzusammensetzung in dem Gemisch nur 10-15% beträgt,
werden die höheren und niedrigeren Olefine wieder in den Metathese-Prozeß zurüchgefahren.
Die so erhaltenen C10-C18-Olefine fallen jedoch als interne Olefine an und werden einem
Prozeß der Rückisomerisierung unterworfen, um zur Weiterreaktion im Rahmen der
Hydroformylierung zu n-Aldehyden und Alkoholen für die Tensidherstellung eingesetzt
werden zu können.
Eine weitere Anwendung der Metathese-Reaktion ist der Shell FEAST (further exploitation of
advanced Shell technology)-Prozeß. Hierbei werden α,ω-Diolefine durch Ethenolyse von
Cycloolefinen erhalten. Bei den verwendeten Cycloolefinen handelt es sich vorwiegend um
Cycloocten, Cyclooctadien und Cyclodedecen, die in hohen Ausbeuten zu 1,5-Hexadien, 1,9Decadien und 1,13-Tetradecadien umgesetzt werden. Das technische Interesse an α,ω-Dienen
liegt in ihrer Verwendbarkeit als Vernetzer bei Olefinpolymeristationen oder bei der
Herstellung von bifunktionellen Verbindungen. Das Reaktionsprinzip ist in Abbildung 19
dargestellt.
CH2
+
CH2
Abb. 19 Shell FEAST-Prozeß
CH2
CH2
132
H2C
+
CH2
CH2
2
CH2
+
H2C
CH2
Abb. 20
2H2
H2C
CH2
H2C
CH(CH2)12CH
CH2
1,5,9-CDT
Abb. 21
Technische Anwendung findet die ringöffnende Metathesepolymerisation (ROMP) in den drei
Prozessen Norsorex, Vestanamer und Metton, dargestellt in Abbildung 9. In allen drei Fällen
werden auf Wolframverbindungen basierende Katalysatoren verwendet. Im VestanamerProzess wird von der Firma Hüls aus Cycloocten ein Polyoctenamer produziert, daß als
vulkanisierbares Elastomer ähnlich wie Polynorbornen im Kautschukbereich eingesetzt
werden kann. Im Metton-Prozess wird via ROMP Dicyclopentadien (DCPD) zu stark
quervernetzten Produkten polymerisiert. Die Quervernetzung kommt durch die Beteiligung
der zweiten Doppelbindung zustande. Eingesetzt werden die so entstandenen Polymere für
versteifungsfeste Formkörper und Gehäuseteile. DCPD ist ein Nebenprodukt beim
Crackprozess von Öl. Im Norsorex-Prozess wird Norbornen via ROMP mit einem 90%igem
trans-Anteil der Doppelbindungen zu Polynorbornen umgesetzt und ist das älteste produzierte
Polyalkenamer. Es wurde 1976 durch CdF Chimie in Frankreich auf den Markt gebracht und
wird heute von der ELF Atochem (Frankreich) mit einem RuCl3/HCl-Katalysatorsystem in
Butanol dargestellt. Das unter dem Namen Norsorex vertriebene pulverige Polymer enthält
geringe Mengen an nichtfärbenden Antioxidantien. Es hat ein hohes Molekulargewicht und ist
in der Lage bis zu einer 400fachen Menge seines Eigengewichtes Ölmengen zu absorbieren,
weswegen es bei Ölpest-Bekämpfungen verwendet wird. Das vulkanisierte gummiartige
Polymer wird bei Schwingung- und Geräuschdämpfungsproblemen eingesetzt, z.B für
Einfassung von Maschinen, bei schwingungsfreien Halterungen, bei Stoßstangen und
beweglichen Kupplungen. Durch die Möglichkeit aus Norbornen besonders weiche
Gummiarten herzustellen, wird das Polymer auch für Armlehnen, Dichtungsringe und
Druckwalzen verwendet.
133
Norsorex-Prozeß
n
n
Abb. 22 Norsorex-Prozeß (ROMP)
Vestanamer-Prozeß
CH-(CH2)6-CH
n
n
Abb. 23 Vestanamer-Prozeß (ROMP)
Metton-Prozess
n
n
+
m
n
m
Abb. 24 Metton-Prozeß
134
2.1.7 Norbornen: Metathesereaktionen
Norbornen (Bicyclo[2.2.1]hept-2-en) ist ein C7-einfach ungesättigtes, gespanntes bicyclisches
System, daß zusammen mit seinen Derivaten auf drei unterschiedliche Arten polymerisiert
werden kann. Es wird in einer Diels-Alder-Reaktion aus Cyclopentadien und Ethen
gewonnen.
vinylisch
n
n
ROMP
n
kationisch/
radikalisch
n
Abb. 25 Polymerisationsarten von Norbornen
In Abbildung 25 sind die unterschiedlichen Polymerisationsrouten des Norbornens dargestellt.
Die Wahl der Polymerisationsroute und damit die Beeinflussung sowohl der Struktur als auch
der gewünschten Eigenschaften des Polymers ist von den verwendeten
Katalysator/Cokatalysator-Systemen abhängig.
Bei der vinylische Polymerisation wird über die Doppelbindung unter Erhalt des gespannten
bicyclischen Systems polymerisiert. Das so entstehende Polymer ist bezüglich seiner Rotation
stark eingeschränkt und weist aufgrund dessen interessante Eigenschaften auf. Es zeichnet
sich durch hohe Dichte, hohe Glastemperatur, großen Brechungsindex, geringe
Doppelbrechung und große chemische Resistenz aus (Lasshan-Bericht). Als Katalysatoren
werden üblicherweise Metallkomplexe des Nickels, Cobalts, Chroms, Zirkoniums und des
Palladiums, aktiviert durch MAO (Methylalumoxan) als Co-Katalysator, eingesetzt (Dehnicke
1999).
Einen besonderen Aspekt der vinylischen Polymerisation stellt die Copolymerisation von
Norbornen mit acyclischen Olefinen (Ethylen und Propen) unter Verwendung von
Metallocenen und Aluminoxan als Katalysator/ Cokatalysator-Systeme, dar (Hoechst).
Darüber existieren eine Reihe von Patenten der Firma Hoechst. Da das Norbornen-HomoPolymer thermisch sehr stabil ist, aber eine thermoplastisch schwierigen Verarbeitungvorgang
aufweist, ist man auf der Suche nach Abhilfe auf die Copolymerisation mit α-Olefinen
135
gestoßen. Damit läßt sich die Einfriertemperatur des Polymers deutlich absenken und dadurch
die Verarbeitung verbessern. Durch den Einsatz von Metallocen-Katalysatoren läßt sich die
Herstellung von sowohl amorphen als auch teilkristallinen Copolymeren steuern. Die
Polymere sind thermoplastisch verarbeitbar und eignen sich zur Herstellung von Folien,
Schläuchen, Rohren, Stangen und Fasern zur Herstellung von Spritzgußartikeln. (Hoechst,
Lasshan). Durch den hohen Brechungsindex können die Copolymere auch als Glasersatz für
Linsen, Prismen, Trägerplatten und –folien für optische Datenspeicher, für Videoplatten und
Copact Discs, als Deck- und Fokussierscheiben für Solarzellen, als Deck- und Streuscheiben
für Leistungsoptiken, als Lichtwellenleiter in der Form von Fasern und Folien eingesetzt
werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Herstellung von Polymerlegierungen, die
sowohl in der Schmelze als auch in der Lösung darstellbar sind.
Das mit Nickel- und Palladium-Katalysatoren und Aluminoxan als Cokatalysator gebildete
vinylische Polynorbornen der Firma Idemitsu Kosan Co (Japan) weist ein hohes
Molekulargewicht, gute mechanische Eigenschaften, Hitzebeständigkeit und gute Löslichkeit
in organischen Lösungsmitteln auf. Es hat eine sehr gute Transparenz und eignet sich als
Kondensator- oder Isolatorschicht.
Die kationische oder radikalische Polymerisation von Norbornen ist bisher noch nicht in dem
Umfang wie die ROMP- oder vinylische Polymerisation, untersucht worden. Daher wird sie
in der Literatur auch selten erwähnt. Sie liefert 2,7-verknüpftes Polynorbornen. Über eine
industrielle Anwendung dieser Polymerart ist bisher noch nichts bekannt.
vinylisch
Norbornen
kationisch/
radikalisch
ROMP
Zr, Co, Cr
Ni, Pd
???
Ti, Ta, W, Mo
Re, Ru, Os, Ir
Abb. 26 Katalysatoren für die Polymerisationsarten von Norbornen
In Abbildung 26 sind noch einmal die verschiedenen Polymerisationsrouten und die dabei
verwendeten Metalle für die Katalysatoren aufgeführt.
136
2.1.8 Norbornen: ROMP und die verwendeten Katalysatorsysteme
Im Jahr 1969 veröffentlichte Truett die ersten Arbeiten über ROMP mit Norbornen, in denen
er TiCl4 / LiAl(C7H15)4 als Katalysatorsystem benutzte. Die Strukuraufklärung erfolgte durch
Ozonolyse des Polymers zu cis-Cyclopentan-1,3-dicarboxylsäure und später durch 13C-NMRSpektroskopie. In Abbildung 27 ist sowohl das Polymer als auch das Ozonolyse-Produkt
dargestellt.
Ozonolyse
ROMP
CH
CH
HOOC
COOH
Abb. 27 ROMP von Norbornen
Wird TiCl4/ i-Bu3Al im Verhältnis 2:1 verwendet, führt es zu ungesättigten Polymeren, aber
schon die Umkehrung der Verhältnisse (1:2) bewirkt ringöffnende Polymerisation. In der
Folge wurden Titanacyclobutan-Komplexe dargestellt, die ebenfalls zur lebenden ROMP von
Norbornen führen (Gilliom 1986, 1988; Petasis 1993). Diese Komplexe können auch zur
Darstellung von Block-Polymeren verwendet werden (Cannizzo 1988), deren „living-ends“
mit Benzophenon verknüpft werden können, um eine Ph2C= Endgruppe zu erhalten
(Cannizzi, 1987). Die Verknüpfung mit Terphtalaldehyd ergibt eine =CHC6H4(CHO)-4
Endgruppe (Risse 1989).
Der Einsatz von Tantal-Komplexen führt zu den aktiven Spezies Tantal-Carbenkomplex
(siehe Abbildung 28), die im Zusammenspiel mit koordinativen Basen wie THF und Py
große Effektivität unabhängig von der Monomerkonzentration zeigen.
Ta(=CHCMe3)(OC6H3-i-Pr2-2,6)3(THF)
a
Ta(=CHCMe3)(SC6H2-i-Pr3-2,4,6)3(Py)
b
(Me3SiCH2)4(Ta2(u-CSiMe3)2
c
Hierbei wird die Polymerisationsrate durch
die Bildung der Tantalcarben-Spezies aus zB.
Tanatalcyclobutan kontrolliert (siehe a).
Im Fall b is die Polymerisationsrate erster
Ordnung bezüglich des Initiators und des
Monomers und der Carbenkomplex fungiert
als stabiler Ketten-„carrier“. In beiden Fällen
wird das Polymer mit Benzaldehyd vom
Metall abgespalten und zeigt nahezu
monosdisperse Eigenschaften (Wallace 1987,
1988). Der DitantaldicyclocyclobutadienKomplex (siehe c) zeigt ebenfalls ROMPAktivität, jedoch lediglich in Anwesenheit
von einem Äquivalent Sauerstoff.
Abb. 28 Tantal-Katalysatoren für ROMP
Hier entspricht die Polymerisationrate der nullten Ordnung (Eillerts 1992). Ebenfalls hohe
Effektivität zeigt der [Ta (CH2Ph)2]-Komplex (Mashima 1996).
137
Bei dem als erstes verwendeten Molybdän-Katalysator handelte es sich um Mo/γAl2O3
(Eleutrio 1957), das jedoch zu niedrigen Polymerisationraten führte.
MoCl2(PPh3)2(NO)2
(Larroche 1982)
[Mo2(MeCN)8](BF4)2
(McCann 1991)
(Bu4N)2(Mo6O19)
(McCann 1993)
(C4H7)4Mo
(Kormer 1972)
Mo(CO)5(py)
(Johnston 1991)
MoCl5
(Sartori 1963)
Mo(CO)6
(Green 1986)
In Abbildung 29 sind einige auf
„Nicht-Carbenen„basierende
Molybdän-Komplexe dargestellt. Als
sehr effektiv stellten sich MolybdänCarbenkomplexe
des
Typs
Mo(=CHR)(=NAr)(OCMe3)2 heraus
(Schrock 1988c). Ihr großes Potential
liegt darin, daß sie mit KettenTransfer-Agentien (chain transfer
agents ), wie z.B. Penta-1,3-dien oder
Styren,
das
PolymerMolekulargewicht
reduzieren
könnnen, ohne die enge Verteilung zu
beeinträchtigen.
Zum anderen können sie mit
substituierten Benzaldehyden als
terminale Agentien zu Polymeren mit
einer variablen Bandbreite an
funktionalen Endgruppen eingesetzt
werden (Mitchell 1991; W. Fischer 1993).
Abb. 29 Molybdän-Katalysatoren für ROMP
Molybdän-Carbenkomplexe mit dreizähnigen Liganden wie [Tris(pyrazolyl)Borat] stellen in
Anwesenheit von AlCl3 ebenfalls hochaktive Katalysatorsysteme dar (Vaughan 1995). Durch
Zugabe von einer toluolischen Lösung von EtAlCl2 zu (Bu4N)2(Mo6O19) entsteht ein
heterogenes Katalysatorsystem, daß zu einer sofortigen Polymerisation führt. Das entstandene
Polymer ist gelartig, teilwiese löslich in Chloroform und besitzt zu 33% cisDoppelbindungen. Das Katalysatorsystem ändert seine Farbe von gelb zu dunkelbraun, was
mit einer Oxidationsstufenänderung von Mo(VI) zu Mo (V) und Mo(IV) korrespondiert.
Durch anschließende atmosphärische Oxidation kann die ursprüngliche Katalysatorform ohne
Aktivitätsverlust wiederhergestellt werden (McCann 1993, 1995).
138
Die Wolfram-Katalysatoren für die ROMP von Norbornen könne in drei große Gruppen
eingeteilt werden, die in Abbildung 30 dargestellt sind.
WCl6 +
CoKat.
(H.T.Ho 1982,
Bespalova
1994a)
andere nicht-Carbenkompexe.
zB mit Aryloxy-Liganten
(Barnes 1994)
mit CoKat.
(Dietz 1993)
Wolfram-CarbonylKomplexe
(Bencze 1984, 1996)
Wolfram-CarbenKomplexe mit einzähnigen
Liganden
(Kress 1985, Schrock 1988,
Green 1989)
W-Kompl.
mit zweizähnigen
Liganden
(Couturier 1992,
1994)
1,3- DiwolframcyclobutadienKomplex
(Eilerts 1992)
W-Kompl.
mit dreizähnigen Liganden
(Blosch 1991)
W[=C(OMe)Ph](CO)5
W(=CPh2)(CO)5
(Thoi 1982)
Abb. 30 Wolfram-Katalysatoren für ROMP
Die meisten Rhenium-Katalysatoren basieren auf ReCl5 und führen zu Polymeren mit hohen
cis-Anteilen (Oshika 1968, Iving 1977, 1979; Green 1986). Das System Re2O7/ Al2O3 bewirkt
die Darstellung von Polymeren mit reinem cis-Charakter. Wird es jedoch mit Me4Sn
vorbehandelt, entstehen Polymere mit gleichen cis/trans-Doppelbindungs-Anteilen, was einen
Hinweis darauf liefert, daß es sich um unterschiedliche aktive Spezies handelt (Moloy, 1994).
Von Rhenium ist lediglich ein aktiver Carben-Komplex bekannt (Toreki 1993).
Katalysatoren, die auf Ru, Os oder Ir-Komponenten basieren, unterscheiden sich stark von
den bisher vorgestellten Katalysatoren. Sie initiieren ROMP von Norbornen nicht nur wie
üblicherweise in nicht-polaren oder schwach-polaren Lösungsmitteln, sondern auch in
ethanolischen oder sogar wäßrigen Lösungsmitteln (Rinehart 1965, 1968). Es konnte gezeigt
werden, daß diese Katalysatoren in Form ihrer Hydrat-Trichloride in Ethanol wirksam sind
(Michalotti 1965b). Die Hydratverbindung von Ru(Ots)2 z.B. ist bei 50°C hochaktiv und
liefert Polymere mit hohem trans-Doppelbindungsanteil in protischen Lösungsmitteln (France
1993a, Mühlebach 1994). Behandelt man Aren-Komplexe dieses Salzes mit UV-Strahlung,
erweisen sie sich ebenfalls als hochaktiv (Karlen 1995). In Anwesenheit von Sauerstoff und
bei 20°C sind RuCl2(PPh3)2(Py)2 und verwandte Komplexe aktiv (Iving 1981b). Dabei wird
das Monomer zuerst einer katalytischen Epoxidation unterworfen, gefolgt von der Bildung
eines Oxaruthencyclobutans, aus dem dann die eigentlich katalytisch wirksame CarbenSpezies entsteht. Ein ähnlicher Mechanismus wird für OsO4 bei einer Temperatur von 60°C
angenommen (Hamilton 1990 a). Durch den Zusatz von Ethyldiazoacetat kann die Effektivität
von Ruthenium-Katalysatoren gesteigert werden (Demonceau 1992).
Weitere aktive Ruthenium-Komplexe sind in Abbildung 31 dargestellt.
139
Ru(=CHCH=CPh2)(Cl)2(PPh3)2
(Schwab 1995)
(RuClCp)2(=CHCH=CPh2)
nicht sehr aktiv
(Gagne 1992)
Ru(=CHR)(Cl)2(PPh3)2
R= Me, Et, Ph
Abb. 31 Ruthenium-Katalysatoren für ROMP
Einen weiteren interessanten Aspekt stellt der Zusatz von Dienen dar. Dieser führt zu einer
Koordination des Diens an das Metallzentrum, was signifikante Effekte zur Folge hat. Zum
Beispiel kann man durch Zusatz von Isopren zu einer durch WCl6/Me4Sn katalysierten
Polymerisation von Norbornen vollständig die Ausbildung von cylischen Oligomeren
verhindern (Reif 1983). Ferner ist die Aktivität von RuCl3 durch den Zusatz von endoDicyclopentadien
beeinträchtigt
und
führt
zusätzlich
zu
unterschiedlichen
Stereoselektivitäten, verglichen mit der Selektivität ohne Anwesenheit des Diens (Gillian
1988). Ähnliche Effekte ergeben sich beim Einsatz von OsCl3 als Katalysator, jedoch nicht
ganz so stark ausgeprägt (Green 1986, Gillan 1988).
140
2.1.9 Nitrido-Komplexe
Nitrido-Komplexe M≡N und Imido-Komplexe mit einer M=N-R-Gruppe (mit R= Aryl, Alkyl
oder H) sind in einer Vielzahl von wichtigen Prozessen als Katalysatoren, stöchiometrische
Reagentien oder als Schlüsselintermediate involviert. Nitrido-Komplexe mit einer terminalen
Metall-Stickstoff-Dreifachbindung bilden eine besonders interessante Unterklasse der
Übergangsmetallkomplexe mit mehrfach gebundenen Liganden (.Nugent, Mayer 1988). Der
erste terminale Nitrido-Komplex wurde schon 1847 von J.Fritsche und K.Struwe dargestellt.
Es handelt sich um das sogenannte Kaliumosmiamat, dargestellt in Abbildung 32.
-
N
K+
Os
O
O
O
Abb. 32 Kaliumosmiamat-Komplex
Eine große Rolle spielen terminale Nirtido- und Imido-Komplexe in der biologischen
Stickstofffixierung. Es werden überbrückende Hydrazido-Komplexe als aktive Spezies bei der
enzymatischen Stickstofffixierung angesehen (J.Chatt, Dilworth, Richard, 1978).
Mit synthetischen Modellkomplexen (siehe Abbildung 33) konnten einzelen Teilschritte der
biologisch in 107-108-Jahretonnenmaßstab ablaufenden Reduktion von molekularem
Luftstickstoff zu Ammoniak nachvollzogen werden (Rocklage, Turner, Fellmann, Schrock
1985).
Cp*
Me
W
Me
Cp*
NN
Me
Me
W
Me
Me
Abb. 33 Modellkomplexe für Reduktion von molekularem Luft-Stickstoff zu Ammoniak
In der Nuklearmedizin werden terminale Nitrido-Komplexe wegen ihrer Bedeutung als
Radiotracer intensiv untersucht. Die Technetium-99-Nitridoverbindung, dargestellt in
Abbildung 34 A, ist hierbei von großem Interesse.
Der Molybdän-Imido-Komplex aus Abbildung 34 B wird als wichtiger Bestandteil der C-NVerknüpfungsreaktion für die Übertragung eines Allyl-Radikals auf dessen Oberfläche im
Zuge der heterogen katalysierten Oxidation von Propen mit Sauerstoff in Gegenwart von
Ammoniak zu Acrylnitril, diskutiert (Burrington, Grasselli 1979). Bei dem Prozeß der
Denitrohydrogenierung
von aromatischen Stickstoffverbindungen zu stickstofffreien
Kohlenwasserstoffen haben die Funktionen von Oberflächen-Mo-N-Einheiten große
Bedeutung. Es werden Molybdännitridphasen (Mo2N/MoN) als heterogene Katalysatoren
verwendet (Nagai, Miyao, 1992).
141
O
N
NH
Tc
S
R2NC
S
S
S
Mo
Bi
CNR2
NH
O
A
O
B
Abb. 34 A. Technetium-99-Nitridoverbindung und B. Molybdän-Imido-Komplex
Sterisch gehinderte Imido-Komplexe zeigen hohe Reaktivitäten bezüglich der
Funktionalisierung von organischen Substraten. An den Komplexen des Typs von 1 und 2 aus
Abbildung 35 konnte die C-H-Aktivierung sowohl von aromatischen als auch von
aliphatischen Kohlenwasserstoffen beobachtet werden (A: Walsh, B: Cummins).
SiN
H
Zr
NR
Zr
N
Si
SiNH
1
2
Abb. 35 Komplexe zur Verwendung für CH-Aktivierung
Ein weiteres großes Gebiet der Chemie, in dem Imido- und Nitrido-Komplexe intensiv
untersucht werden, ist die Verwendung in der Metathesereaktion als Katalysatoren. Einer der
am besten untersuchten molekular definierten Metathesekatalysatoren ist der ArylimidoKomplex, dargestellt in Abbildung 36.
N
RO
Mo
RO
CHiBu
Abb. 36 Arylimido-Komplex des Molybdän
142
Es wird angenommen, daß der Imido-Ligand hierbei die Rolle eines „non-innocent spectator
ligand“ spielt, indem er die Energie des Metallacyclobutan-Zustandes absenkt (Rappe,
Goddard,1982).
Die Rolle von terminalen Nitrido-Liganden von alkylierten Molybdännitrido-Komplexen im
Bereich der Olefin-Metathese ist bisher noch wenig aufgeklärt (Bogdanivic, 1994).
2.1.10 Anorganische Nitrido-Komplexe
Seit 1965 wurden von den Stammvätern der Nirtido-Chemie K.Dehnicke und J.Strähle eine
Reihe von Methoden zur Herstellung von Nitrido-Übergangsmetall-Halogeniden
ausgearbeitet. Hierbei wurde auch nicht vor der Verwendung von explosiven Reagentien wie
Chlorazid (ClN3) und Iodazid (IN3) gescheut (Dehnicke 1992, Dehnicke, Strähle 1981). So
wurde die Stammverbindung der Nitrridomolybdän(VI)-Reihe, das Nitridomolybdäntrichlorid
(siehe Abbildung 37), durch die Umsetzung von Molybdänpentachlorid mit Chlorazid 1965
dargestellt. Die strukturelle Aufklärung erfolgte 1971 und wies eine tetramere Struktur mit
verbrückenden Nitrido-Liganden auf (Strähle 1971). In jüngerer Zeit ist auch der Einsatz von
weniger oder nicht explosiven Aziden, wie Natriumazid und Trimethylsilylazid (Dehnicke,
Weiher, 1977), sowie das in verdünnter Lösung gut handhabbare Stickstofftrichlorid (NCl3)
zur Darstellung etabliert worden (siehe Abb.39). In den folgenden Abbildungen 37-40 werden
unterschiedliche Darstellungsrouten für Mo- und W-Nitrido-Halogenkomplexe kurz
vorgestellt.
Cl
Cl
Cl
Mo
MoVICl5N3
MoCl5 + ClN3
-1/2 Cl2
Cl
-Cl2
-N2
Mo
Cl
Mo
N
Cl
N Cl
N
N
Mo
Cl
Cl
Cl
Cl
Abb. 37 Darstellung über die Clorazid-Route
Cl
MoCl5
CH3CN
MoCl4(CH3CN)2
1. NaN3
CH3CN
Cl3Mo
N
+
N
- NaCl
-
N
-N2
2. THF
1/4 [ NMoCl3(THF)]4
Abb. 38 Azid-Route mit Mono-THF-Addukt N≡MoCl3(THF)
2 [Mo(CO)6 + 4 NCl3
[{Cl4MN-Cl}2]
[{Cl4MN-Cl}2] + N2 + Cl2 + 12 CO
2 MNCl3 + 2 Cl2
Abb. 39 Darstellung über Stickstofftrichlorid
143
2 WCl6 + N(SiMe3)3
WCl6 + N(SiMe3)3
T< 20°C
[W2NCl9] + 3 ClSiMe3
T=20°C
WNCl3 + 3 ClSiMe3
Abb. 40 Darstellung mit silylierten und stanylierten Aminen (Godemeyer, Dehnicke 1985)
Weitere Synthesemöglichkeiten bestehen aus der Oxidation von koordinierten AmmoniakLiganden
von
Chrom(III)und
Mangan(III)-Porphinato
und
–N,N`ethylenbis(salicylaldiminato)-Komplexen mit NaOCl oder anderen starken Oxidationsmitteln
(Buchler 1983; DuBois 1997; Chang 1998).
Desweiteren ist es möglich, Zugang zu Nitrido-Komplexen über Thermolyse oder Photolyse
von Azido-Komplexen unter Stickstoffabspaltung zu erhalten. Die ersten Nitridokomplexe,
die durch Photolyse von Aziden dargestellt wurden, sind Chrom- und Osmiumverbindungen
(Arshankow, 1981). Die Reaktionsroute ist an Beispiel der Chromverbindung dargestellt.
[CrIII(N3)(salen)]*2H2O → [CrVN(salen)]*H2O + N2 + H2O salen= Salicylaldiminato-Ligand
(Photolyse-Route)
Als letztes soll das Reagenz 2,3:5,6-Dibenzo-7-aza-bicyclo[2.2.1]hepta-2,5-dien, verkürzt
dhabh genannt, als elegante Umgehung der Azidierungs- und anschließenden
Abspaltungsreaktion zur Herstellung von Nitrido-Metallkomplexen genannt werden. Sie wirkt
einerseits als Nitridostickstoffquelle, bewirkt durch sterische Schutzfunktion eine selektivere
Substitution und ist anders als die meisten Azide gefahrloser einsetzbar (Mindiola 1998).
144
2.1.11 Der Nitrido-Ligand und seine Reaktionen: kurzer Überblick
Mit Ausnahme der Fischer`schen Carben- und Carbin-Komplexe und der aromatischen
Ringsysteme ist die Chemie der π-gebundenen Liganden eng verknüpft mit der Chemie hoher
Oxidationsstufen der Metalle. Zu den Hauptfunktionen dieser Liganden zählt die
Stabilisierung dieser hohen Oxidationsstufen.
Dies beruht auf einem synergistischen Effekt, da durch Mehrfachbindungen des Liganden an
das Metall durch π-Donation eine Wechselwirkung mit unbesetzten d-/p-Orbitalen
vorausgesetzt wird. Dies ist gleichbedeutend mit einem hohen Metall-Valenzzustand.
Letztendlich beruht die Wirkung von mehrfachbindenden Liganden auf das Metall auf einer
Verringerung der hohen Partialladung. In Abbildung 41 sind die Bindungsverhältnisse in
terminal gebundenen Stickstoff-Metall-Komplexen dargestellt. Hochvalente Metallkomplexe
sind wegen ihren katalytischen Aktivitäten im Rahmen von Reaktionen mit ungesättigten
Substraten oder in Kombination mit Oxidationsmitteln in der Oxidationskatalyse sehr beliebt.
Besondere Bedeutung kommt dabei den Komplexen des Rheniums, Wolframs, Molybdäns,
Chroms und Osmiums zu (Strukul 1992).
M
+
+
-
N
+
-
-
+
+
M
N
Der Nitrido-Ligand hat einen formalen Bindungsgrad einer
Dreifachbindung, die durch eine σ- und zwei π-Bindungen
gebildet wird. Die π-Bindungen entstehen durch Überlappung
besetzter p-Orbitale des Stickstoffs mit bezüglich der
Symmetrie geeigneten d-Orbitalen des Metalls.
Chemische Reaktionen von terminalen MetallnitridoKatalysatoren können zwei verschiedene Routen einschlagen.
Zum einen sind Reaktionen unter Erhalt der Nitrido-Funktion
möglich, z.B bei der Addition von Verbindungen aus der Reihe
der Lewis-Säuren. Dies führt zu Addukt-Verbindungen mit
„Nitrido-Brücken“.
Abb. 41 Bindungsschema der Metall-Nitrid-Bindung
Bisher sind jedoch nur wenige Verbindungen diesen Typs strukturell charakterisiert. Eine der
wenigen bekannten Reaktionen ist die Umsetzung von Tris(pentaflourophenyl)bor mit einem
Rhenium(V)-Nitrido-Komplex (Litstelle?????) Green...).
Die andere mögliche Route sind chemische Reaktionen mit der Nitrido-Funktion als reaktive
Gruppe. Sie liefert eine Vielzahl von Reaktionen, die aber hier nicht weiter erwähnt werden
sollen. Einen ausgezeichneten Überblick liefern Dehnicke und Strähle in einem ReviewArtikel ( Dehnicke, Strähle 1992).
145
2.1.12 MAO- Struktur
Schon in den frühen Sechzigern wurde die hohe Aktivität von MAO (Methylalumoxan) im
Zusammenspiel mit Metallocenkatalysatoren für die Olefin-Polymerisation erkannt
(Vandenberg, Longiave, Castelli 1960-1963). Aber bis heute ist der Mechanismus der
katalytischen Wirksamkeit des MAO nicht vollständig bekannt.
Alumoxane werden im Allgemeinen als oligomere Aluminiumoxid-Gerüste mit organischen
oder anorganischen Gruppen beschrieben. Diese Reste R können aus Alkyl-, Alkoxyl- und
Siloxylkomponenten oder Halogeniden bestehen. Es wurde sowohl eine kettenförmige aber
auch eine cyclische zweidimensionale Anordnung für möglich gehalten (siehe Abbildung 42).
Es
ist
erst
1995
gelungen,
eine
Me
Al
O
AlMe2
Alkylalumoxanverbindung
durch
Röntgenstrukturanalyse
strukturell
aufzuklären.
Das
n
durch Hydrolyse bei tiefen Temperaturen aus AlR3
Me
entstandene Alkylalumoxan ist als Verbindung mit
der Formel (RAlO)n charakterisiert worden (Barron
linear
1995), mit einer dreidimensionalen Käfigstruktur. Als
Alkylrest ist eine t-Butylgruppe verwendet worden.
R
Die
Struktur
zeigt
außerdem,
daß
das
Aluminiumzentrum vierfach koordiniert ist und die
Al
O
R
Sauerstoff-Koordination so angeordnet ist, daß sie zu
O
drei Aluminiumzentren bindet.
Al
Im Allgemeinen gestaltet sich die Charakterisierung
von Alumoxanen durch ihre extreme Reaktivität
O
Al
bezüglich Wasser und Sauerstoff als sehr schwierig.
Al
O
R
Dies ist für MAO noch nicht gelungen und es wird
m
angenommen, daß in Lösung cyclische und/oder
R
lineare Spezies mit hoher Lewis-Acidität vorliegen,
cyklisch
die ineinander umwandelbar sind.
Abb. 42 MAO-Struktur
146
2.1.13 MAO als Cokatalysator
MAO hat sich als Cokatalysator in der α-Olefin-Polymerisation mit Metallocenen der vierten
Gruppe, hauptsächlich Zirkonocenen, seit ca 30 Jahren fest etabliert (Janiak). Der
Mechanismus der Alumoxane ist jedoch immer noch nicht vollständig geklärt. Ansätze von
Barron gehen von einem Konzept der „latenten Lewis-Acidität“ (latent Lewis acidity) aus
(Barron 1995). Er hat in seinen Arbeiten herausgefunden, daß nicht die ungesättigten
dreifach-koordinierten Aluminiumzentren die aktive Rolle besetzen, sondern die
vierfachkoordinierten,
in
dreidimensionalen
Käfig-Strukturen
angeordneten
Aluminiumzentren hohe katalytische Effektivität aufweisen (Barron, 1995).
MAO selbst erfüllt mehrere Funktionen. Zum einen alkyliert es den Metallocenkomplex
durch Ligandenautausch und bewirkt eine Ligandeabstraktion. Zum anderen stabilisiert es den
„kationischen Metallocen-Alkylkomplex“ als Gegenion und beugt einer bimolekularen
Reduktion des Katalysators vor (P.C. Möhring, N.J.Coville, J.Organomet.Chem. 1994,
479:1). Außerdem wird es auch zur Reinigung des Reaktionsmediums von Wasser und
Sauerstoff („scavenger“) verwendet, um so den Katalysator zu schützen und eine
ungehinderte Bildung des Katalysator/Cokatalysatorsystems zu gewährleisten. Die
wesentliche Bedeutung des MAO bleibt aber die Erzeugung der aktiven Spezies zur
Polymerisation, die jedoch erst bei relativ hohen MAO-Überschüssen gelingt. In Abbildung
43 ist das Aktivierungsgleichgewicht der MAO/Metallocen-Katalysatoprsysteme dargestellt.
+
R
M
Me
MAO/AlMe3
R
M
Abb. 43 Mechanismus des Metallocen-MAO-Katalysator-Systems
[MAO]x-
147
2.2 Aufgabenstellung
Nitrido-Komplexe des Molybdäns und Wolframs sind in der Metathese-Polymerisation als
Katalysatoren bisher noch wenig eingesetzt worden. In dieser Arbeit sollen die NitridoVerbindungen MoNCl3 und WNCl3 im Hinblick auf ihre Polymerisationfähigkeit für die
ROMP (Ring Opening Metathesis Polymerisation) von Norbornen untersucht werden. Als
CoKatalysator wird MAO eingesetzt, daß in der Metathese noch wenig etabliert ist, jedoch in
der Olefin-Polymerisation mit Metallocenen ein große und bedeutende Rolle spielt.
Schwerpunkte der Arbeit sind vergleichende Metathese-Polymerisationen mit Norbornen als
Monomer. Dazu werden die Nitrido-Komplexe des Molybdäns und Wolframs und die
analogen, als Metathese-Katalysatoren der ersten Generation geltenden Halogenide (WCl6,
MoCl5), verglichen. Als CoKatalysatoren sollen sowohl MAO als auch Aluminiumorganyle,
die üblicherweise mit den Wolfram- oder Molybdänhalogeniden aktive Katalysatorsysteme
bilden, eingesetzt werden. Hierzu wurde Diethylaluminiumchlorid (Et2AlCl).
Für vergleichende Polymerisationsstudien sollen Bedingungen für Standartpolymerisationen
entwickelt werden. Sie sollen zum einen Resourcen schonen, zum anderen aber
aussagekräftige Ergebnisse liefern.
Es sollen einzelne Parameter der Standartbedingungen an ausgesuchten Katalysatorsystemen
varriert und die Änderungen der „Aktivitäten“ und „Umsätze“ betrachtet werden. Als
variable Parameter kommen zum einen die Polymerisationszeiten, die Änderungen der
CoKatalysator-Konzentrationen oder die Katalysator/CoKatalysator-Verhältnisse in Betracht.
Die entstehenden Polymere sollen nach Möglichkeit auf strukturelle Unterschiede in
Abhängigkeit von dem eingesetzten Katalysatorsystem untersucht werden.
148
2.3 Ergebnisse und Diskussion
2.3.1 Allgemeines
Die Schwerpunkte dieser Arbeit liegen zum einen in den vergleichenden MetathesePolymerisationen von üblicherweise angewendeten Metallkatalysatoren der sechsten Gruppe
(Wolfram- und Molybdänhalogenide) und den entsprechenden Nitridoverbindungen, zum
anderen liegt das Augenmerk auf MAO (Methylalumoxan), dessen „Karriere“ als CoKatalysator in der Metathese noch sehr jung ist. Es wurden die fünf Katalysatoren MoCl5,
WCl6, MoNCl3, WNCl3 und Cp2MoCl2 mit den Co-Katalysatoren Et2AlCl und MAO
kombiniert und auf ihre Aktivität bezüglich der ringöffnenden Metathese-Polymerisation von
Norbornen getestet. Desweiteren wurden Aktivitätsvergleiche zwischen MAO und seinen
analogen Alkylalumoxanen EAO (Ethylalumoxan) und IBAO (Isobutylalumoxan) in
Kombination mit WNCl3 angestellt. Die Aktivität wurde neben dem Umsatz als
herausragende Größe zum Vergleich herangezogen.
Definition Aktivität:
[mmol Produkt]/ [mmol Katalysator] pro Stunde = [h-1]
Definition Umsatz:
[mmol Produkt]/ [mmol Monomer] * 100
= [%]
Um eine Vergleichbarkeit dieser beiden Größen zu gewährleisten, wurden
Standardbedingungen für die Polymerisationen entwickelt. Die Standardpolymerisationen
wurden unter folgenden Bedingungen durchgeführt:
Katalysatormenge
CoKatalysatormenge
Momomermenge
Lösungsmittelvolumen
Reaktionszeiten
Abbruchbedingungen
:
:
:
:
:
:
ca 0.0215
mmol
ca 1.84
mmol
13
mmol
50
mL Toluol
1
h (üblicherweise)
mit MeOH/ HCl
Durch die hohe Luft- und Feuchtigkeitsempfindlichkeit der Katalysatorverbindungen erfolgte
das Abwiegen der Katalysatormenge unter Schutzgasatmosphäre in der Glove-Box in 100
mL-Weithals-Schlenkkolben. Die Kolben wurden zuvor über Nacht im Trockenschrank bei
120°C aufbewahrt und anschließend je dreimal an einer kombinierten Argon-VakuumSchlenkanlage im dynamischen Vakuum ausgeflammt und mit Argon gespült. Pro
Polymerisationsversuch wurden drei „identische“ Ansätze gemacht und aus den Ergebnissen
der Mittelwert gebildet. Nach dem Abwiegen des Katalysators in der Glove-Box, wurden das
Lösungsmittel (außerhalb der Box) und der CoKatalysator im Argongegenstrom dazugegeben
und dem System wurde durch Rühren bei Raumtemperatur die Möglichkeit zur Ausbildung
der aktiven Spezies gegeben. Durch Zugabe des Monomers wurde die Polymerisation
gestartet und durch ein Gemisch aus Methanol und Salzsäure (10:1) abgebrochen.
Überschüssiges Lösungsmittel und nicht umgesetztes Monomer wurden, wenn möglich,
abpipettiert, das Polymer wurde ein bis zwei Tage stehen gelassen und anschließend entweder
in Trockenschrank bei ca 45°C zwei Tage getrocknet oder im dynamischen Vakuum 12-18 h
von restlichen Lösungsmittelmengen befreit.
149
Die Auswertung und damit die Betrachtung der Aktivitäten und Umsätze erfolgte über die
Bestimmung
der
Ausbeuten.
Außerdem
interessierten
die
jeweiligen
CoKatalysator/Katalysator-Verhältnisse, in den Tabellen als Al/W bzw. Al/Mo angegeben,
und die Monomer/Katalysator-Verhältnisse (Norbornen/W oder Norbornen/Mo). Die
graphische Auftragung in den Abbildungen gibt Aussagen über die Aktivitäten oder Umsätze
in Abhängigkeit von der jeweiligen variablen Größe (Katalysator/CoKatalysator-System,
Konzentration, Zeit usw.). Verwendet wurden die gerundeten Mittelwerte aus den
dazugehörigen Tabellen.
Abschnitt 1
: Aktivitätsvergleich der CoKatalysatoren MAO, EAO und IBAO mit WNCl3
Abschnitt 2
: Aktivitätsvergleich der Katalysatoren WNCl3, WCl6, MoNCl3, MoCl5 und
Cp2MoCl2 mit MAO
Abschnitt 3
: Aktivitätsvergleich der Katalysatoren WNCl3, WCl6, MoNCl3, MoCl5 und
Cp2MoCl2 mit Et2AlCl
Abschnitt 4 : Aktivität und Umsatz in Abhängigkeit von der Katalysatorkonzentration der
Systeme MoNCl3/MAO und WNCl3/Et2AlCl
Abschnitt 5 : Aktivität und Umsatz in Abhängigkeit von der CoKatalysatorkonzentration
der Systeme MoNCl3/MAO und WNCl3/Et2AlCl
Abschnitt 6
: Aktivität und Umsatz in Abhängigkeit von der Polymerisationszeit des
Systems MoNCl3/MAO
Es wurden folgende Systeme auf ihre Aktivitäten und Umsätze bei der ROMP von Norbornen
miteinander verglichen:
WNCl3/MAO
WCl6 / MAO
MoNCl3/MAO
MoCl5 /MAO
Cp2MoCl2/MAO
WNCl3/Et2AlCl
WCl6 /Et2AlCl
MoNCl3/Et2AlCl
MoCl5 /Et2AlCl
Cp2MoCl2/Et2AlCl
WNCl3/EAO
WNCl3/IBAO
Es sei an dieser Stelle noch einmal nachdrücklich darauf hingewiesen, daß die Schwerpunkte
dieser Arbeit in dem Vergleich der Aktivitäten und Umsätze der jeweiligen
Katalysatorsysteme lagen und nicht in der Betrachtung des Polymers. Im Abschnitt 7 wird
jedoch der Vollständigkeit halber kurz auf Aussehen und Struktur des Polymers in
Abhängigkeit vom Katalysatorsystem eingegangen.
Die Abbildung 44 zeigt zur Erinnerung die ROMP von Norbornen und das entstehende
Polymer.
ROMP
CH
Abb. 44 ROMP mit Norbornen
CH
150
2.3.2 Aktivitätsvergleiche
2.3.2.1 Vergleich der Co-Katalysatoren MAO, EAO und IBAO mit WNCl3
Tabelle 1: Auswertung der MAO/WNCl3-Polymerisationen
Nr.
M1
M2
M3
Mittelwert
Kat.
[mmol]
0.0164
0.0164
0.0167
0.0165
MAO
[mmol]
0.550
0.550
0.550
0.550
Al/W
33.5
33.5
33.0
33.3
Norbornen/ Ausbeute
W
[mmol]
2878
13.8
2878
13.4
2826
16.3
2860
14.5
Aktivität
[h-1]
421
408
490
440
Umsatz
[%]
30
28
35
31
Aktivität
[h-1]
78
63
91
77
Umsatz
[%]
5.3
4.2
6.3
5.3
Aktivität
[h-1]
22
29
20
24
Umsatz
[%]
1.6
2.0
1.4
1.6
Tabelle 2: Auswertung der EAO/WNCl3-Polymerisationen
Nr.
E1
E2
E3
Mittelwert
Kat.
[mmol]
0.0164
0.0161
0.0164
0.0163
EAO
[mmol]
0.550
0.550
0.550
0.550
Al/W
34
34
34
34
Norbornen/ Ausbeute
W
[mmol]
2878
2.5
2931
2.0
2878
3.0
2896
2.5
Tabelle 3: Auswertung der IBAO/WNCl3-Polymerisationen
Nr.
I1
I2
I3
Mittelwert
Kat.
[mmol]
0.0167
0.0167
0.0164
0.0166
IBAO
[mmol]
0.550
0.550
0.550
0.550
Al/W
33
33
34
33.3
Norbornen/ Ausbeute
W
[mmol]
2826
0.74
2826
0.96
2878
0.64
2843
0.81
Der Einfachheit halber wurden die Mittelwerte der Aktivitäten, der gerundeten
Norbornen/Metall-Verhältnisse und der Aluminium/Metall-Verhältnisse miteinander
verglichen. Tabelle 4 und die Kurve in Abbildung 45 veranschaulichen das Ergebniss, daß
MAO mit WNCl3 bei gleichen Reaktionsbedingungen eine um eine Zehnerpotenz höhere
Aktivität in der Norbornenpolymerisation via ROMP aufweist, als die analogen
Alkylalumoxane mit WNCl3. Je größer und sperriger der Alkylrest ist, der an der
Alumoxangruppe gebunden ist, desto kleiner wird die Aktivität. Die Vermutung liegt nahe,
daß aus sterischen Gründen durch die sperrigeren Alkylreste bei EAO und vor allen Dingen
bei IBAO die Ausbildung der aktiven Katalysator-CoKatalysator-Spezies erschwert wird, was
zur Minderung der Aktivitäten und Umsätze führt. In Abbildung 46 ist zur Erinnerung eine
der möglichen Strukturen des MAO dargestellt.
Tabelle 4: Vergleich der Aktivität der Cokatalysatoren MAO, EAO und IBAO
Komplex
WNCl3
WNCl3
WNCl3
Cokat
EAO
IBAO
MAO
Al/MNCl3
34
33.3
33.3
Norb/M
3000
3000
3000
Aktivität
77 h-1
24 h-1
440 h-1
151
lg Aktivitäten
4
3
2
1
MAO
IBAO
EAO
Cokatalysator
Abb. 45 Graphische Darstellung der Aktivitäten in Abhängigkeit vom Co-Katalysator
Me
Al
O
AlMe2
n
Me
linear
Abb. 46 Lineare Struktur von MAO
152
2.3.2.2 Katalyse mit MAO als Co-Katalysator
Verwendete Abkürzungen: a1h; b3h; c20h; d24h (Reaktionszeiten).
Tabelle 5: Auswertung der MAO/WNCl3-Polymerisationen
Nr.
Kat.
[mmol]
16a
0.0124
a
17
0.0216
18d
0.0213
d
19
0.0213
20a
0.0210
a
21
0.0210
a
22
0.0233
23a
0.0220
a
51
0.0213
a
54
0.0216
57a
0.0216
c
63
0.0220
c
64
0.0220
MWa 1
0.0216
MWc 2
0.0220
MWd 3
0.0213
a
c
d
1h, 20h, 24h
Co-Kat.
[mmol]
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
Al/ W
Norb./ W
148
85
86
86
88
88
82
84
86
85
85
84
84
85
84
86
1048
602
610
610
620
620
583
591
610
602
602
591
591
604
591
610
Ausbeute
[mmol]
2.02
2.23
6.48
7.12
1.38
2.44
1.91
2.44
2.23
2.23
2.97
10.09
8.39
2.23
9.24
6.8
Aktivität
163
103
13
14
66
116
86
111
105
103
138
23
19
104
21
14
Umsatz
[%]
15.5
17.1
49.8
54.8
10.6
18.8
14.7
18.8
17.2
17.2
22.8
77.6
64.5
17 ± 7
71 ± 6
52 ± 2
2.3.2.2.1 Reproduzierbarkeit von Polymerisationen
Abweichungen in den Aktivitäten und Umsätzen bei gleichen Standardbedingungen kommen
zumeist durch zeitliche Abstände der Versuche (an den Versuchsnummern ersichtlich)
zustande. Das bedeutet, dass trotz „gleicher“ Reaktionsbedingungen unterschiedliche MAOoder/und unterschiedliche Katalysator-Chargen verwendet wurden. Die MAO-Lösung „altert“
trotz Aufbewahrung und sorgfälltiger Handhabung unter Schutzgas. Eine weiter Fehlerquelle
ist das Lösungsmittel (Toluol). Toluol wird über Kalium unter Schuzgas mindestens 12 h
absolutiert und auch weiterhin unter Schutzgasatmosphäre verwendet und aufbewahrt. Aber
auch da kann nicht gänzlich ausgeschlossen werden, dass nach mehrmaligem Öffnen des
Vorratsbehälters nicht doch Spuren von Sauerstoff eindringen, die während der
Polymerisation zum Katalysatortod führen können. Eine andere Fehlerquelle ist das Trocknen
des Polymers. Es findet bei Standardbedingungen im dynamischen Vakuum für ca. 12
Stunden statt. Bei eingen Polymerisationsansätzen reicht diese Zeit allem Anschein nicht aus,
um auch die letzten Reste des Lösungsmittels zu entfernen.
Ein weiteres Problem stellt das Abwiegen der sehr kleinen Katalysatormengen dar. Es ist
nicht trivial, 4-6 mg Katalysator in der Glove-Box abzuwiegen. Am genausten und
reproduzuierbarsten sind die Versuche, die von einer Person in einem Ansatz abgewogen und
durchgeführt werden. Gleicher Ansatz bedeutet, dass drei Polymerisationsversuche
gleichzeitig und unter gleiche Standardbedingungen durchgeführt werden.
Daher werden höhere Ausbeuten vorgetäuscht. Die Versuche, bei denen es sich offensichtlich
um Ausreißer handelt, wurden nicht in der Berechnung der Mittelwerte berücksichtigt.
Abbildung 47 stellt die graphische Reproduzierbarkeit bei Reaktionszeiten von 1 h beim
System MAO/WNCl3 dar.
153
Abb. 47 graphische Darstellung der Reproduzierbarkeit der Polymerisation mit WNCl3/MAO
Abb. 48 graphische Darstellung der Reproduzierbarkeit der Polymerisation mit WCl6/MAO
In Abbildung 48 wird die graphische Reproduzierbarkeit der Polymerisation mit WCl6/MAO
bei einer Stunde Reaktionszeit dargestellt.
154
Tabelle 6: Auswertung der MAO/WCl6-Polymerisationen
Nr.
25a
26a
27d
30d
105a
106a
107a
MWa
MWd
a
1h, d24h
Kat.
[mmol]
0.0215
0.0211
0.0215
0.0216
0.0216
0.0215
0.0216
0.02155
0.0215
Co-Kat.
[mmol]
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
Al/ W
Norb./ W
86
87
86
85
85
86
85
86
86
605
616
605
602
602
605
602
606
603
Ausbeute
[mmol]
2.76
2.55
7.43
7.22
3.40
2.23
3.19
3.5
7.3
Aktivität
128
121
14
14
157
104
148
132
14
Umsatz
[%]
21.2
19.6
57.1
55.5
26.1
17.1
24.5
22 ± 4
56 ± 1
Tabelle 7: Auswertung der MAO/MoNCl3-Polymerisationen
Nr.
Kat.
[mmol]
52a
0.0217
a
55
0.0217
56a
0.0208
c
62
0.0208
95a
0.0212
a
96
0.0212
a
97
0.0221
103d
0.0226
104d
0.0231
a
MW
0.0214
MWc
0.0208
d
MW
0.0228
a
c
d
1h, 20h, 24h
Co-Kat.
[mmol]
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
Al/ Mo
85
85
88
88
87
87
83
81
80
86
88
81
Norb./
Mo
599
599
625
625
613
613
588
575
563
606
625
570
Ausbeute
[mmol]
3.40
3.40
2.55
9.88
2.76
2.97
3.50
10.41
10.41
3.10
9.88
10.41
Aktivität
157
157
123
24
130
140
159
19
19
144
24
19
Umsatz
[%]
26.1
26.1
19.6
76.0
21.2
22.8
26.9
80.1
80.1
24 ± 4
76 ± 0
80 ± 0
Tabelle 8: Auswertung der MAO/ MoCl5-Polymerisationen
Nr.
Kat.
Co-Kat.
Al/ Mo
Norb./
Ausbeute Aktivität Umsatz
[mmol]
[mmol]
Mo
[mmol]
[%]
34d
0.0215
1.84
86
605
7.12
13
54.8
36a
0.0215
1.84
86
605
4.25
198
32.7
d
37
0.0215
1.84
86
605
6.80
13
52.3
98a
0.0226
1.84
81
575
5.52
244
42.3
a
99
0.0223
1.84
82
583
4.99
224
38.4
108d
0.0215
1.84
86
605
11.26
22
86.6
MWa
0.0221
1.84
84
595
4.90
222
38 ± 4
d
MW
0.0215
1.84
86
605
6.97
13
53 ± 2
a
1h, d24h (Reaktionsversuch 108d wurde nicht in der Mittelwertberechnung berücksichtigt)
155
Tabelle 9: Auswertung der MAO/ Cp2MoCl2-Polymerisationen
Nr.
Kat.
Co-Kat.
Al/ Mo
Norb./
Ausbeute Aktivität Umsatz
[mmol]
[mmol]
Mo
[mmol]
[%]
a
50
0.0222
1.84
83
586
2.44
110
19.0
a
53
0.0222
1.84
83
586
2.87
130
22.1
61a
0.0215
1.84
86
605
2.55
113
19.6
d
65
0.0215
1.84
86
605
3.5
7
26.9
d
66
0.0222
1.84
83
586
8.60
16
66.1
67d
0.0212
1.84
87
613
2.76
6
21.2
a
MW 1
0.0220
1.84
84
592
2.62
118
20 ± 2
d
MW 2
0.0213
1.84
87
609
3.13
7
24 ± 3
a
1h, d24h (Reaktionsverusch 66 wird nicht in der Mittelwertberechnug berücksichtigt)
Bei dem System Cp2MoCl2/MAO fällt auf, dass sich der Umsatz nach 24 h
Polymerisationszeit nicht wesentlich erhöht, verglichen mit dem Umsatz von 1 h
Polymerisationszeit. Das deutet darauf hin, dass das Katalysatorsystem nach einer Stunde
nicht mehr aktiv ist, d.h. es ist der „Katalysatortod“ eingetreten. Diese Phänomen ist bei
Metallocen/MAO-Systemen in der Olefin-Polymerisation bekannt..
2.3.2.3 Aktivitätsbetrachtungen mit MAO als Co-Katalysator
Tabelle 10: Aktivitätsbetrachtungen der Polymerisationen mit MAO als Co-Katalysator
Aktivität
1h Rkt. (a)
20h Rkt.(c)
24h Rkt.(d)
MoCl5
MoNCl3
WCl6
Cp2MoCl2
WNCl3
222
144
132
118
104
24
21
13
19
14
7
14
156
Abb. 49 Vergleich der Aktivitäten aller Katalysatoren mit MAO als CoKatalysator bei einer Stunde
Polymerisationszeit
Bei der Betrachtung der Aktivitäten der Katalysatoren mit MAO als CoKatalysator wird
deutlich, daß die Verbindungen mit Molybdän die höheren Aktivitäten besitzen. Sowohl
MoCl5 als auch die Nitridoverbindung MoNCl3 weisen mit MAO höhere Aktivitäten auf, als
die entsprechenden Wolframverbindungen. WNCl3 bildet beim Aktivitätsvergleich sogar das
Schlußlicht.
Auffällig ist außerdem, daß unter den Standardbedingungen die Molybdänverbindungen mit
MAO als CoKatalysator dünne, durchsichtige Polymerfolien auszubilden vermögen, während
die Polymere, die durch die entsprechenden Wolframverbindungen unter gleichen
Bedingungen entstanden sind, äußerlich eher klassische Polymerformen annehmen.
157
2.3.3 Katalyse mit Et2AlCl als Co-Katalysator
Tabelle 11: Auswertung der Et2AlCl/WNCl3-Polymerisationen
Nr.
Kat.
[mmol]
24d
0.0210
32d
0.0210
a
33
0.0210
a
74
0.0236
75a
0.0193
b
76
0.0213
77d
0.0223
d
78
0.0233
89b
0.0213
b
90
0.0213
d
110
0.0207
111d
0.0216
a
MW
0.0213
MWc
0.0213
d
MW
0.0218
a
c
d
1h, 3h, 24h
Et2AlCl
[mmol]
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
Al/ W
Norb./ W
87
87
87
77
95
86
82
78
86
86
88
85
86
86
84
619
619
619
551
674
610
583
558
610
610
628
602
615
610
596
Ausbeute
[mmol]
7.22
7.22
3.50
5.10
5.31
10.73
5.20
5.20
9.66
6.90
4.35
4.99
4.64
9.10
5.69
Aktivität
14
14
162
216
275
168
10
9
151
108
9
10
218
142
11
Umsatz
[%]
55.5
55.5
26.9
39.2
40.8
82.5
40
40
74.3
53.1
33.5
38.4
36 ± 9
70 ± 10
44 ± 10
Hier fällt auf, daß Umsätze bei 3h Reaktionszeit höher sind als die bei 24 h. Das hängt
anscheinend mit der Konzentration des Katalysators zusammen. Bei den Versuchen76, 89 und
90 wurde lediglich 25 mL Toluol verwendet und die Reaktionszeit betrug 3 h. Die
Konzentration des Katalysators bewegte sich hier im Bereich von ca. 0.85*10-3 [mmol/mL].
Dieser Effkekt wurde nicht näher untersucht.
Tabelle 12: Auswertung der Et2AlCl/WCl6-Polymerisationen
Nr.
28a
29d
31a
112a
109d
113d
MWa
MWd
a
1h, d24h
Kat.
[mmol]
0.0216
0.0216
0.0219
0.0224
0.0219
0.0219
0.0220
0.0218
Et2AlCl
[mmol]
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
Al/ W
Norb./ W
85
85
84
82
84
84
83
84
602
602
594
580
594
594
592
597
Ausbeute
[mmol]
3.93
9.45
3.61
4.88
9.03
7.01
4.14
8.56
Aktivität
182
18
166
218
17
13
187
16
Umsatz
[%]
30.2
72.7
27.8
37.5
69.5
53.9
32 ± 4
65 ± 7
158
Tabelle 13: Auswertung derEt2AlCl/MoNCl3-Polymerisationen
Nr.
Kat.
Et2AlCl
Al/ Mo
Norb./
Ausbeute Aktivität
[mmol]
[mmol]
Mo
[mmol]
a
70
0.0235
1.83
78
553
0.53
23
71d
0.0203
1.83
90
640
2.12
4
d
72
0.0203
1.83
90
640
4.46
9
73d
0.0226
1.83
81
575
0.74
2
b
86
0.0217
1.83
84
599
4.88
75
b
87
0.0221
1.83
83
588
3.93
60
88b
0.0212
1.83
86
613
3.19
50
b
91
0.0212
1.83
86
613
3.29
52
b
92
0.0208
1.83
88
625
4.57
73
93d
0.0217
1.83
84
599
6.48
13
a
MW
0.0225
1.83
81
578
0.53
23
b
MW
0.0214
1.83
85
607
3.97
62
MWd
0.0210
1.83
87
620
5.7
11
a
1h, b3h, d24h
(Bei den Veruchen 68 und 69 konnte die Ausbeute nicht bestimmt werden.
Für die Mittelwertsberechnung wird der Versuch 73 ausgelassen.)
Umsatz
[%]
4.1
16.3
34.3
5.7
37.5
30.2
24.5
25.3
35.1
49.8
4
30 ± 5
42 ± 8
Aus der Tabelle 12 ist zu entnehmen, dass die Umsätze bei drei Stunden Reaktionszeit höher
sind als bei 24 Stunden. Auch hier handelt es sich allem Anschein nach um
Konzentrationseffekte. Alls Lösungsmittelmenge wurde bei den Versuchen 86, 87 und 92 nur
25 mL Toluol eingesetzt ( unter Standardbedingungen: 50 mL) und die Reaktionszeit betrug 3
Stunden. Die Auswirkungen der Konzentrationsänderungen wurden nicht näher untersucht.
Tabelle 14: Auswertung der Et2AlCl/MoCl5-Polymerisationen
Nr.
34d
36a
37d
100a
101a
102d
MWa
MWd
a
1h, d24h
Kat.
[mmol]
0.0223
0.0223
0.0219
0.0219
0.0215
0.0215
0.0219
0.0219
Et2AlCl
[mmol]
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
Al/ Mo
82
82
84
84
85
85
84
84
Norb./
Mo
583
583
594
594
605
605
594
594
Ausbeute
[mmol]
4.46
3.29
4.78
2.23
3.72
4.46
3.08
4.56
Aktivität
Umsatz
[%]
34.3
25.3
36.8
17.1
28.6
34.3
24 ± 5
35 ± 2
8
147
9
102
173
9
141
9
Tabelle 15: Auswertung der Et2AlCl/Cp2MoCl2-Polymerisationen (3h Reaktionszeit)
Nr.
80
81
82
Kat.
[mmol]
0.0225
0.0212
0.0095
Et2AlCl
[mmol]
1.83
1.83
1.83
Al/ Mo
82
87
196
Norb./
Mo
578
613
1383
Ausbeute
[mmol]
3.82
-
Aktivität
61
-
Umsatz
[%]
29.4
-
159
2.3.3.1 Aktivitätsbetrachtungen der Et2AlCl-Polymerisationen
Tabelle 16: Gesamtvergleich der Aktivitäten mit Et2AlCl als CoKatalysator
Aktivität
1h Rkt.
3h Rkt.
24h Rkt
WNCl3
WCl6
MoCl5
Cp2MoCl2
MoNCl3
218
187
141
23
142
61
62
11
16
9
11
In der nächsten Abbildung werden lediglich die Aktivitäten bei Polymerisationen
Reaktionszeit von einer Stunde miteinander verglichen.
Abb. 50 Vergleich der Aktivitäten der Katalysatoren mit Et2AlCl als CoKatalysator bei einer Stunde
Polymerisationszeit.
Durch Verwendung des CoKatalysators Et2AlCl mit den gleichen Katalysatoren wie in
Abschnitt 2, verändern sich die Aktivitätsverhältnisse. Hier wird deutlich, daß die
Wolframverbindungen mit Et2AlCl deutlich aktiver sind als die analogen
Molybdänverbindungen und als das mit MAO als CoKatalysator der Fall war. Die WolframNitridoverbindung nimmt eindeutig die Spitzenreiterfunktion ein, während die analoge
Molybdännitridverbindung eine fast um das Zehnfache niedrigere Aktivität aufweist.
Erstaunlich ist hierbei auch, daß statt des WCl6/ Et2AlCl- Systems, das in der Literatur eher
als übliches Metathese-Katalysatorsystem angegeben wird, das WNCl3/ Et2AlCl-System bei
gleichen Bedingungen eine höhere Aktivität aufweist.
160
2.3.3.2 Zusammenfassung der Aktivitätsbetrachtungen mit MAO und Et2AlCl
Tabelle 17 : Vergleich aller Katalysatorsysteme (außer Cp2MoCl2)
MAO = 1
Et2AlCl = 2
Systeme WNCl3 WNCl3 WCl6
/2
/1
/2
Aktiv. 218
109
187
Umsatz 36
17
32
Aktivität: [h-1] Umsatz: [%]
WCl6
/1
132
22
MoNCl3 MoNCl3 MoCl5
/2
/2
/1
23
144
141
4
24
24
MoCl5
/1
222
38
Abb. 51 Vergleich aller Katalysatorsysteme (mit Ausnahme von Cp2MoCl2) mit den CoKatalysatoren MAO (1)
und Et2AlCl (2) bei einer Stunde Polymerisationszeit.
161
2.3.4 Aktivität und Umsatz in Abhängigkeit vom Al/Katalysatorverhältnis
Hier sollen die Veränderungen der Aktivitäten und Umsätze in Abhängigkeit von der
Änderung des Al/Katalysator -Verhältnisses und gleichzueitigem Monomer/KatalysatorVerhältnisses untersucht und bewertet werden. An dieser Stelle wird lediglich dem
Al/Katalysator-Verhältniss Beachtung geschenkt. Es soll die Frage geklärt werden, ob eine
Erhöhung der Katalysator-Verhältnisses eine positive Auswirkung auf den Umsatz der
Polymerisation hat und ob es daher als sinnvoll erachtet werden kann. Da ein Schwerpunkt
dieser Arbeit auf den Untersuchungen von Nitridoverbindungen bezüglich ihrer
Metathesetauglichkeit lag, konzentrierten sich die Aktivitätsvergleiche auf die beiden
Systeme MoNCl3/MAO und WNCl3/Et2AlCl. Als CoKatalysatoren wurden diejenigen
ausgesucht, mit denen die jeweiligen Nitridoverbindungen die höchsten Aktivitäten
aufweisen.
(Abkürzung: M = Metall, Katalysator)
2.3.4.1
System MoNCl3/MAO
Tabelle 18 :
Auswertung der Polymerisationen bezüglich der Aktivitäten und Umsätze in
Abhängigkeit vom Al/Katalysator-Verhältniss des Systems MoNCl3/ MAO
durch Erhöhung der MoNCl3-Menge
Reaktionszeit: 1h
Nr.
Kat.
[mmol]
132 (10)
0.2150
133 (10)
0.2150
134 (10)
0.2150
135 (5)
0.1075
136 (5)
0.1075
137 (5)
0.1075
MW
1 0.2150
(10)
MW
2 0.1075
(5)
Reaktionsvolumen: 50 mL
CoKat.
Al/Mo
Norb./
[mmol]
Mo
1.84
8.6
60.5
1.84
8.6
60.5
1.84
8.6
60.5
1.84
17.0
121.0
1.84
17.0
121.0
1.84
17.0
121.0
1.84
8.6
60
1.84
17.0
120
Monomer: 13 mmol
Ausbeute Aktivität Umsatz
[mmol]
[h-1]
[%]
6.16
28.6
47.4
5.63
26.1
43.3
5.42
25.2
41.7
2.87
26.7
22.1
3.50
34.6
28.6
3.29
30.6
25.3
5.73
26.6
44.1
3.22
30.6
25.3
Mit (1) wird die Katalysatorkonzentration aus der Standardpolymerisation festgesetzt. Das
bedeutet hier eine Katalysatorkonzentration von 0.0215 mmol MoNCl3. Mit (5) ist die
fünffache Katalysatorkonzentration der Standardpolymerisationsbedingungen und mit (10)
die entsprechend zehnfache Konzentration gemeint. Die Abschnitts- und Tabellenangaben
weisen darauf hin, wo die genauen Polymerisationsbedingungen (im Experimental-Teil) und
die entsprechende Auswertung zu finden sind.
Die in der Tabelle 18 verwendeten Abkürzungen bedeuten folgendes:
1Al/Mo-Verhältniss entspricht den Standardbedingungen, d.h. ca. 1.83 mmol MAO
auf 0.00215 mmol MoNCl3
1/5- fünffache Menge von MoNCl3, bezogen auf Standardbedingungen, d.h. 1.83 mmol
MAO auf 0.1075 mmol MoNCl3
1/10- zehnfache Menge MoNCl3, bezogen auf Standardbedingungen, d.h. 1.83 mmol MAO
auf 0.2150 mmol MoNCl3
162
Tabelle 19 :
Aktivitäts- und Umsatzvergleich in Abhängigkeit von der MoNCl3-Menge
mit MAO als CoKatalysator
Abkürzungen
(Al/Mo)
1
(Standardbedingungen)
1/5
1/10
Al/Mo-Verhältniss
Aktivität
[h-1]
Umsatz
85
144
24
17
8.6
30.6
26.6
25.3
44.1
[%]
Abb. 52 Aktivitäts- und Umsatzvergleich in Abhängigkeit von der Katalysatormenge des Systems MoNCl3/
MAO
Erwartungsgemäß sinkt die Aktivität mit steigender Katalysatorkonzentration, wenn die
Konzentration des Monomers konstant gehalten wird. Die Aktivität ist per Definition [mmol
Polymer]/ [ mmol Katalysator] pro Zeiteinheit.
Interessanter ist es, die Umsätze in Abhängigkeit von der Katalysatorkonzentration zu
betrachten, wie in der gleichen Abbildung gezeigt wird.
Es ist zu erkennen, daß eine Erhöhung der Katalysatormenge um das Zehnfache ( hier: 0.2150
mmol anstatt 0.0215 mmol nach StandardpolymerisationsBedingungen) nur eine Verdopplung des Umsatzes bewirkt. Die fünfache Menge an
Katalysator hat nur eine sehr geringfügige Steigerung des Umsatzes zur Folge.
Das bedeutet, daß bei dem System MoNCl3 mit MAO genau abgeschätzt werden muß, ob
eine Erhöhung des Umsatzes über die Katalysatorkonzentration tatsächlich sinnvoll ist.
163
2.3.4.2 System WNCl3/Et2AlCl
Tabelle 20 :
Auswertung der Polymerisationen bezüglich der Aktivitäten und Umsätze
bei dem System WNCl3/ Et2AlCl nach Erhöhung der WNCl3-Menge
Reaktionszeit: 1h
Reaktionsvolumen: 50 mL Monomer: 13 mmol
Nr.
Kat.
CoKat.
Al/ W
Norb./ W Ausbeute Aktivität
[mmol]
[mmol]
[mmol]
[h-1]
138 (10)
0.2170
1.84
8.5
60
14.66
60
139 (10)
0.2170
1.84
8.5
60
13.59
60
140 (10)
0.2170
1.84
8.5
60
15.29
60
141 (5)
0.1085
1.84
17.0
120
18.80
120
142 (5)
0.1085
1.84
17.0
120
15.72
120
143 (5)
0.1085
1.84
17.0
120
15.61
120
MW 1
0.2170
1.84
17.0
120
14.5
60
(10)
MW 2 (5) 0.1085
1.84
8.5
60
16.71
120
(Die Zahlen in den Klammern bedeuten auch hier : 10 steht für zehnfache Menge an
Katalysator/ 5 für fünffache Menge, verglichen mt der Menge, die unter Standardbedingungen
eingesetzt wird. Die Katalysatormenge unter Standardbedingungen wird als 1 festgesetzt.)
Wie in Tabelle 19 zu erkennen ist, reagiert unter diesen Polymerisationsbedingungen das
gesamte Mnomer zum Polymer, so dass hier der Umsatz von 100 % errreicht wird.
Die in der Tabelle 20 verwendeten Abkürzungen bedeuten folgendes:
1Al/Mo-Verhältniss entspricht den Standardbedingungen, d.h. ca. 1.83 mmol Et2AlCl
auf 0.00215 mmol WNCl3
1/5- fünffache Menge von WNCl3, bezogen auf Standardbedingungen, d.h. 1.83 mmol
Et2AlCl auf 0.1075 mmol WNCl3
1/10- zehnfache Menge WNCl3, bezogen auf Standardbedingungen, d.h. 1.83 mmol
Et2AlCl auf 0.2150 mmol WNCl3
Tabelle 21:
Vergleich der Aktivitäten in Abhängigkeit
von der Katalysatormenge beim System WNCl3/ Et2AlCl
Abkürzungen
(Al/W)
Al/W-Verhältniss
Aktivität [h-1]
1
(Standardbedingungen)
1/5
1/10
85
218
17
8.6
120
60
164
Abb. 53 Umsattz- und Aktivitätsvergleich in Abhängigkeit von der Katalysatorkonzentration beim System
WNCl3/ Et2AlCl
Es ist eine deutliche Abnahme der Aktivität mit der Erhöhung der Katalysatorkonzentration
zu beobachten, allerdings nicht so stark wie bei dem vorherigen System MoNCl3/ MAO.
Es ist auch deutlich zu erkennen, daß schon bei einer Verfünffachung der
Katalysatorkonzentration ein rasanter Anstieg des Umsatzes erfogt, was auf eine sehr starke
Erhöhung der Polymerisationsaktivität (nicht verwechseln mit Größe „Aktivität [1/h])
hindeutet.
Schon nach einer Stunde Polymerisationszeit ist das gesamte Monomer aufgebraucht und zum
Polymer reagiert. Es kommt wahrscheinlich zu Lösungsmitteleinschlüssen im Polymer, so
daß der Eindruck erweckt wird, es handele sich um Umsätze, die über 100% liegen.
Das bedeutet, daß schon eine Verfünffachung der Katalysatorkonzentration beim System
WNCl3/ Et2AlCl dazu führt, daß das gesamte Monomer aufgebraucht wird und es zu
vollständigen Umsetzung kommt ( Umsatz 100 %).
Es wäre interessant zu sehen, wie sich der Effekt auswirkt, wenn gleichzeitig eine größere
Menge an Monomer verwendet wird. Allerdings wäre es selbstverständlich nötig, die
Standardbedingungen zu ändern und das entsprechend andere System ( MoNCl3/ MAO)
ebenfalls damit zu vergleichen. Dies wird aber in dieser Arbeit nicht weiter verfolgt, da der
qualitative Vergleich der Aktivitäten und Umsätze im Vordergrund steht.
2.3.4.3 Zusammenfassung der Aktivitäts - und Umsatzvergleiche nach Änderung des
Al/Katalysator-Verhältnisses durch Erhöhung der Katalysatormenge
Bei dem System MoNCl3/ MAO bewirkt ein Veränderung der Al/Mo-Verhältnisse durch
Erhöhung der Katalysatormenge wie erwartet eine Erniedrigung der Aktivitäten, ohne eine
gleichzeitige deutliche Erhöhung der Umsätze zu erreichen. Erst eine Verzehnfachung der
MoNCl3-Menge bewirkt eine knappe Verdoppelung des Umsatzes.
Ganz anders beim System WNCl3/ Et2AlCl. Hier bewirkt schon eine Verfünffachung der
WNCl3-Menge einen Umsatzanstieg auf 100 %. Die Aktivität wird auch hier herabgesetzt,
aber nicht in so einem starken Maße wie beim ersten System.
165
Das bedeutet, zur Erreichung höherer Umsätze mit dem System MoNCl3/ MAO ist die
Erhöhung der MoNCl3-Menge keine sinnvolle Variante, da sie eher zur
Resourcenverschwendung führt, denn zum Ziel.
Für das System WNCl3/ Et2AlCl stellt die Erhöhung der WNCl3-Menge und dadurch
Veränderung des Al/W-Verhältnisses durchaus ein erfolgreiches Mittel dar, um die Umsätze
zu erhöhen.
2.3.5 Aktivität und Umsatz in Abhängigkeit von der Erhöhung der
CoKatalysator-Menge (Änderung des Al/M-Verhältnisses)
2.3.5.1
System MoNCl3/MAO
Tabelle 22:
Auswertung der Polymerisationen bezüglich Aktivität und Umsatz in
Abhängigkeit der MAO-Konzentration beim System MoNCl3/MAO
Nr.
Kat.
CoKat.
[mmol] [mmol]
144 (2.5) 0.0215
4.6
145 (2.5) 0.0215
4.6
146 (2.5) 0.0215
4.6
147 (5) 0.0215
9.2
148 (5) 0.0215
9.2
149 (5) 0.0215
9.2
MW1(2.5) 0.0215
4.6
MW2 (5) 0.0215
9.2
Al/
Mo
214
214
214
428
428
428
214
428
Norbor./ Ausbeute Aktivität Umsatz
Mo
[mmol] [h-1]
[%]
605
9.66
450
74.3
605
8.71
405
67.0
605
9.13
425
70.2
605
9.45
440
72.7
605
9.77
454
75.1
605
8.39
390
64.5
605
9.17
427
70.5
605
9.20
428
70.8
Die mit (2.5) und (5) gekennzeichneten Polymerisationen beziehen sich auf die StandardPolymerisationsbedingungen und bedeuten, daß bei den Versuchen 144, 145 und 146 jeweils
die zweieinhalbfache Menge an CoKatalysator eingesetzt wurde. Bei den Nummern 147, 148
und 149 bedeutet es, daß die fünfache Menge, bezogen auf die Standardbedingungen, an
CoKatalysator eingesetzt wurde. Die in den Standardpolymerisationen übliche
CoKatalysatormenge beträgt 1.84 mmol.
Tabelle 23:
Aktivitäts- und Umsatzvergleich in Abhängigkeit von der MAO-Konzentration
beim System MoNCl3/MAO
(Mo wird als 1 fesstgesetzt. Es iszt die bei Standartbedingungen übliche Katalysatormenge
und wird hier nicht variiert.)
Abkürzungen
Al/ Mo-Verhältniss
Aktivität [h-1]
Umsatz [%]
(Al/Mo)
1
85
144
24
(Standardbedingungen)
2.5
214
427
70.5
5
428
428
71
166
Abb. 54 Umsatz- und Aktivitätsvergleich in Abhängigkeit von der MAO-Konzentration beim System
MoNCl3/MAO
Die in der Abbildung 54 dargestellte Graphik zeigt deutlich, daß eine zweieinhalbfache
Menge an MAO eine Verdreifachung der Aktivität bewirkt. Gleichzeitig wird daraus
ersichtlich, daß eine Verfünffachung für die Aktivität kein/kaum weiteres Anwachsen
bedeutet. Dies ist erstaunlich, weil es bei den Olefinpolymerisationen mit Metallocenen und
MAO fast keine Obergrenze für die Erhöhung der MAO-Konzentration gibt und gleichzeitig
immer noch ein Anstieg der Aktivität zu beobachten ist.
Die Auftragung des Umsatzes in Abhängigkeit von der MAO-Konzentration zeigt ein
ähnliches Bild. Die Erhöhung der Konzentration um das zweieinhalbfache der StandardCoKatalysator-Konzentration bewirkt eine Verdreifachung des Umsatzes. Eine weitere
Erhöhung hat aber hier keinerlei Effekt, obwohl noch Monomer in Lösung ist und somit
verfügbar wäre. Es scheint hier eine maximale MAO-Konzentration zu geben, deren
Überschreitung dann nur noch Resourcenverschwendung ohne Effekte auf Umsatz und
Aktivität zu sein scheint.
167
2.3.5.2 System WNCl3/Et2AlCl
Tabelle 24:
Auswertung der Polymerisationen bezüglich Umsatz und Aktivität in
Abhängigkeit von der Et2AlCl-Konzentration beim System WNCl3/Et2AlCl
Reaktionszeit: 1h
Nr.
Kat.
[mmol]
150 (2.5) 0.0215
151 (2.5) 0.0215
152 (2.5) 0.0215
153 (5)
0.0215
154 (5)
0.0215
155 (5)
0.0215
MW 1
0.0215
(2.5)
MW 2
0.0215
(5)
Reaktionsvolumen: 50 mL Monomer: 13 mmol
CoKat.
Al/W
Norb./W Ausbeute
[mmol]
[mmol]
4.6
214
605
27.60
4.6
214
605
25.27
4.6
214
605
31.01
9.2
428
605
36.21
9.2
428
605
34.21
9.2
428
605
34.83
4.6
214
605
27.96
9.2
428
605
35.22
Mit (2.5) ist die zweieinhalbfache Et2AlCl-Menge, verglichen mit der
Standardpolymerisationsmenge, gemeint. Die (5) bedeutet dementsprechend die fünffache
Menge
der
CoKatalysator-Konzentration,
die
hier
üblicherweise
unter
Standardpolymerisationsbedingungen verwendet wird.
Aus dieser Tabelle wird sehr deutlich, daß der Anstieg der CoKatalysator-Konzentration beim
System WNCl3/Et2AlCl sehr starke Konsequenzen sowohl auf die Aktivität des Systems als
auch auf dem Umsatz der Polymerisation hat. Die Aktivitäten und Umsätze erreichen ihre
maximalen Werte. In der nächsten Tabelle und Abbildung wird dies noch deutlicher
dargestellt.
Tabelle 25:
Vergleich der Aktivitäten und Umsätze in Abhängigkeit von der Et2AlClKonzentration beim System WNCl3/Et2AlCl
Abkürzungen
(Al/W)
W =1 nach Standard
1
2.5
5
Al/W-Verhältnisse
85
214
428
Aktivität
218
604
604
[h-1]
Umsatz
[%]
34
100
100
Aus dieser Tabelle ist ganz klar ersichtlich, daß eine Erhöhung der CoKatalysatorKonzentration auch eine sehr starke Erhöhung der Aktivität bedeutet. Die Polymerisation ist
sogar so vollständig, daß alles Monomer aufgebraucht wird und durch die rasche
Polymerisation ( innerhalb einer Stunde vollständige Monomerumsatz) wahrscheinlich in die
Polymerlücken Lösungsmittel eingelagert wird, das durch die in der Standardpolymerisation
üblichen Trocknungsarten- und Zeiten nicht entfernt werden konnte.
Zwar kann man hier nicht die Zahlenwerte der Umsätze miteinander vergleichen, jedoch kann
eine qualitative Aussage gemacht werden. Sie lautet, daß schon eine zweieinhalbfache
Erhöhung der Et2AlCl-Konzentration eine vollständige Umsetzung des Monomers zum
Polymer bewirkt. Wie schon im Abschnitt 4 B diskutiert wurde, wird auch hier der Eindruck
erweckt, es handle sich um Umsätze über 100 %. Das bedeutet, daß beim System
168
WNCl3/Et2AlCl die maximale CoKatalysatorkonzentration noch nicht erreicht und somit
ausgeschöpft ist. Um dies zu erreichen, müßten entsprechend die Monomerkonzentrationen
erhöht werden, was aber dann auch eine Änderungen der Standardbedingungen in mindestens
zwei Faktoren bedeuten würde. Wie aber schon erwähnt, reichen diese Ergebnisse für einen
qualitativen Vergleich aus, was hier auch beabsichtigt war.
Abb. 55 Aktivität in Abhängigkeit von der Et2AlCl-Konzentration beim System WNCl3/Et2AlCl
169
2.3.5.3 Zusammenfassung
der
CoKatalysatorabhängiggen
AktivitätsUmsatzvergleiche durch Änderung der Al/Katalysator-Verhältnisse
und
Bei dem System MoNCl3/MAO bewirkt schon eine leichte Erhöhung der CoKatalysatorKonzentration und damit eine Änderung der Al/Katalysatormenge einen starken Anstieg
sowohl der Aktivitäten als auch der Umsätze. Allerdings ist hier relativ schnell eine gewisse
„Absättigunggrenze“ an CoKatalysator-Konzentration erreicht, deren Überschreitung keinen
positiven Effekt auf Aktivität und Umsatz hat.
Die Erhöhung der CoKatalysator-Konzentration beim System WNCl3/Et2AlCl bewirkt
ebenfalls, dass die maximalen Werte für Aktivität und Umsatz erreicht werden.
2.3.6 Zeitabhängige Polymerisation des Systems MoNCl3/ MAO
Tabelle 26 : System MoNCl3 /MAO
Reaktionszeit: 3h
Nr.
Kat.
[mmol]
0.0217
0.0217
0.0212
0.0215
129
130
131
MW
Reaktionsvolumen: 50 mL
CoKat.
[mmol]
1.84
1.84
1.84
1.84
Al/ Mo
Norb./
Mo
600
600
613
604
85
85
87
86
Ausbeute
[mmol]
6.69
7.11
6.48
6,76
Aktivität
[h-1]
103
109
102
106
Umsatz
[%]
51
55
50
52
2.3.6.1 Zeitabhängige Aktivitätsbetrachtung der Polymerisation des Systems MoNCl3/
MAO
Tabelle 27: Aktivitäts- und Umsatzvergleich in Abhängigkeit von der Zeit
Reaktionszeit [h]
1
3
20
24
Aktivität
[h-1]
144
106
24
19
Umsatz [%]
24
52
76
80
170
Abb. 56 Auftragung der Aktivität und des Umsatzes gegen die Zeit (Polymerisation des Systems MoNCl3/MAO)
Bei der Zeitabhängigen Polymerisation des Systems MoNCl3 mit MAO ist nicht nur die
Aktivitätsbetrachtung interessant, sondern auch die Umsatzänderungen. Hierbei stellt sich
heraus, daß der Umsatz mit steigender Polymerisationszeit ebenfalls ansteigt und schon nach
drei Stunden Reaktionszeit die fünfzig Prozent überschreitet ( Definition des Umsatzes:
[mmol Produkt]/ [mmol Monomer] in %). Das ist umso erstaunlicher, da es üblicherweise
nach einiger Zeit zum sogenannten “Katalysatortod” kommt, dh ab einem bestimmten
Zeitpunkt kein aktives Katalysatorsystem mehr vorhanden ist und der Polymerisationsumsatz
nicht mehr gesteigert werden kann. Das tritt auch bei der vinylischen NorbornenPolymerisation mit Ni-Katalysatoren und MAO auf (Paul Lassahn).
Bei diesem System läßt sich der Umsatz auch nach 20h noch keicht steigern und hat dann
80% erreicht. Dies bedeutet, daß zu dem Zeitpunkt immernoch ein aktives Katalysator/
CoKatalysator-System wirksam ist.
171
2.3.7 Strukturbetrachtungen via 13C-NMR
Es wurden von den beiden Systemen MoNCl3/MAO und WNCl3/MAO in Toluol und
Tetrachlorethan 13C-NMR-Spektren bei 400 K aufgenommen. Dazu muß bemerkt werden,
daß auch bei diesen hohen Temperaturen die Löslichkeit der Polymere nicht optimal war.
Die Polymere waren in den üblichen organischen Lösungsmitteln nicht löslich.
Es hat sich herausgestellt, daß die Polymere, die mit MAO als CoKatalysator hergestellt
wurden, besser löslich sind, als die mit Et2AlCl als CoKatalysator. Von den Polymeren, die
mit den Systemen MoNCl3/MAO, WNCl3/MAO, WCl6/MAO, MoCl5/MAO und
MoNCl3/Et2AlCl hergestellt wurden, exestieren aussagekräftige 1H-NMR- oder 13C-NMRSpektren. Abbildung 57 stellt schematisch die Struktur von Polynorbornen mit den cis/transDoppelbindunganteilen.
tc
6
ct
5
cc cc
34
cc
cct tcc
1 2
7
ct
tt
ctt ttc
tt
c = cis
t = trans
tt
- bezogen auf die Stereochemie der
benachbarten Doppelbindungen
Abb. 57 Schema eines 13C-NMR von Polynorbornen mit WNCl3/MAO
Abb. 58 NMR-Spektrum von Polynorbornen mit WNCl3/MAO(in C2D2Cl4, 400K)
172
Abb. 59 NMR-Spektrum von Polynorbornen mit MoNCl3/MAO(in C2D2Cl4, 400K)
Abb. 60 Vergleich der beiden Spektren
Das obere Spektrum stellt Polynorbornen via MoNCl3 und MAO dar, das untere entspricht
dem von Polynorbornen via WNCl3 mit MAO. Die Auswertung beider Spektren ergab für
Polynorbornen via WNCl3/MAO zu 75% eine cis-Anordnung und für Polynorbornen via
MoNCl3/MAO zu 75% eine trans-Anordnung der Doppelbindungen. Die Verhältnisse wurden
anhand der Peakintensitäten ermittelt, unter der Annahme, dass die Intensitäten proportional
zu den entsprechenden Mengen an cis/trans-Anteilen sind
Polynorbornen, das unter dem Namen Norsorex vertrieben wird und mit RuCl3/HCl in
Butanol hergestellt wird, besteht zu 90% aus dem trans Polymer. Für Polynorbornen, welches
mit dem Katalysator-System Cp*2Os2Br4 und MAO hergestellt wurde, ergibt sich nach 13CNMR- und IR-Auswertungen eine Verteilung von 61% cis-Produkt (Brumaghim, Girolami;
1999). Es besteht also eine Korrelation zwischen Katalysator-CoKatalysatorsystem und der
Struktur des daraus resultierenden Polymers.
Im folgenden werden die 1H-NMR- oder13C-NMR-Spektren von Polynorbornen, hergestellt
mit MoCl5/MAO, WCl6/MAO und MoNCl3/Et2AlCl, dargestellt.
173
Abb. 61 13C-NMR von Polynorbornen via WCl6/MAO
Abb. 62 13C-NMR von Polynorbornen via WCl6/MAO
174
Abb. 63 13C-NMR von Polynorbornen via WCl6/MAO
Aus dem qualitativen Vergleich der Spektren 61-63 (Abbildungen 62 un 63 stellen das
gespreizte und vergößerte Spektrum von 61 dar) mit den Spektren 59 (MoNCl3/MAO) ergibt
sich sowohl für Polynorbornen via MoCl5/MAO (Spektrum 64) als auch für WCl6/MAO
(Spektrum 61) eine überwiegende trans-Anordnung der Doppelbindungen im Polymer.
Polynorbornen mit MoNCl3 und Et2AlCl als Katalysator-CoKatalysator-System weist im 1HNMR-Spektrum (Spektrum 68) einen größeren cis-Anteil der Dopplebindungen im Polymer
auf. Es ergibt sich in etwa eine Zusammensetzung von 58% trans- und 42% cisDoppelbindungsanteil. In der unteren Abbildung 67 ist ein 1H-NMR-Vergleichsspektrum von
Polynorbornen in CCl4/CDCl3 mit TMS als Standart aufgeführt, an Hand dessen der
Vergleich mit dem Spektrum 68 erfolgte.
Abb. 64 13C-NMR von Polynorbornen via MoCl5/MAO
175
Abb. 65 13C-NMR von Polynorbornen via MoCl5/MAO
Abb. 66 13C-NMR von Polynorbornen via MoCl5/MAO
176
Abb. 67 1H-NMR von Polynorbornen, Vergleichsspektrum ( 75% trans, 25% cis ) (Sakurai, 1993)
Abb. 68 1H-NMR von Polynorbornen mit MoNCl3/Et2AlCl
2.3.7.1 Zusammenfassung der NMR-spektroskopischen Ergebnisse
Polynorbornen, das mit Hilfe der Systeme MoNCl3/MAO, MoCl5/MAO und WCl6/MAO,
weist zu über 70% trans-Anordnung der Doppelbindungen auf.
Das cis/trans-Verhältniss ändert sich, wenn als Katalysator-CoKatalysator-System MoNCl3
und Et2AlCl eingesetzt werden. Da ergeben sich trans-Anordnungen von ca. 58% und die cisAnordnung der Doppelbindung steigt auf ca 42 % an.
Wenn Norbornen mit dem System WNCl3/MAO polymerisiert wird, entsteht ein Polymer mit
75% cis-Dopplebindungen und nur noch 25% trans-Doppelbindungen.
177
Es scheint die Kombination aus Katalysator und CoKatalysator zu sein, der den Einfluß auf
die Stereochemie der Doppelbindungen im Polymer ausübt und nicht eines der Komponenten.
In den Arbeiten von Brumaghim und Girolami (1999) wird berichtet, dass der cis-Anteil je
nach verwedetem Lösungsmittel und CoKatalysator varrieren kann. Toluol und MAO als
CoKatalysator ergeben mit dem Katalysator Cp*2Os2Br4 einen cis-Anteil von 59 %.
Tabelle 28:
Überblick über die Stereochemie der Doppelbindungen bei PN in Abhängigkeit
vom Katalysatorsystem Cp*2Os2Br4 einen cis-Anteil von 59 %.
Polynorbornen (PN)
Katalysatorsystem
cis
trans
PN
PN
10 %
25 %
90 %
75 %
PN
RuCl3/HCl
MoNCl3,
MoCl5,
WCl6 mit MAO
MoNCl3/ Et2AlCl
42 %
58 %
PN
PN
Cp*2Os2Br4/ MAO
WNCl3/MAO
60 %
75 %
40 %
25 %
Polynorbornen, das mit Et2AlCl als CoKatalysator hergestellt wurde, besitzt äußerst schlechte
Lösungseigenschaften, so daß es außer beim System MoNCl3/Et2AlCl nicht möglich war, das
Polymer soweit in Lösung zu bringen, um spektroskopische Untersuchungen durchführen zu
können. Die Vermutung liegt nahe, daß bei diesen Polymeren nicht mehr nur kettenförmige
Strukturen unter Erhalt der Doppelbindungen vorliegen, sondern daß durch die hohe
„Polymerisationsaktivität“ (nicht zu verwechseln mit der Vergleichsgröße „Aktivität“) auch
die Doppelbindungen angegriffen wurden, so daß Quervernetzungen und dadurch
dreidimensionale Polymer-Strukturen entstanden sind, die die ohnehin schlechte Löslichkeit
des Polymers drastisch absenken. Es ist denkbar, dass es zuLösungsmitteleinschlüssen in die
Hohlräume des Polymers kommt, die durch Ausbildung von dreidimensíonalen, vernetzen
Strukturen zustande kommen könnten. Der Versuch, eventuelle dreidimensionele
Netzstrukturen per Transmissions-Elektronenmikroskopie zu erfassen, gelang leider nicht.
Die Polymere, bei denen der Verdacht auf die Quervernetzungen besteht, ließen sich leider
nicht für die Messung entsprechend präparieren
Im Anschluß an diesen Abschnitt werden fotografischen Aufnahmen von ausgewählten
Polymeren, die durch unterschiedliche Klatalysatorsysteme hergestellt wurden, gezeigt. Es
wurden Aufnahmen der Polymere gemacht unter dem Mikroskop gemacht.
178
2.3.8 Fotografische Aufnahmen
Abb. 69 Elektronenmikroskopische Aufnahme von Polynorbornen aus WNCl3/MAO
(Mikroskop-Aufnahme siehe Abbildung 73)
Abb. 70 Mikroskopaufnahme von Polynorbornen mit WNCl3/Et2AlCl
179
Abb. 71 Mikroskopaufnahme von Polynorbornen mit WNCl3/MAO (hohe MAO-Konzentrationen)
Abb. 72 Mikroskopaufnahme von Polynorbornen mit MoNCl3/MAO
180
Abb. 73 Mikroskopaufnahme von Polynorbornen mit WNCl3/MAO
(Elektronenmikroskop-Aufnahme siehe Abb. 69)
181
2.4 Zusammenfassung der Ergebnisse
Schwerpunkte und Ziele dieser Arbeit waren zum einen, das Überprüfen von MetathesePolymerisationstauglichkeiten bei der ROMP von Norbornen mit Nitridoverbindungen des
Molybdäns und Wolframs im Vergleich zu gängigen Metathese-Katalysatoren (den
Halogenidverbindungen MoCl5 und WCl6). Zum Anderen sollte überprüft werden, welche
Möglichkeiten MAO als CoKatalysator für diese Verbindungen in der Metathese bieten
könnte. Die Aufmerksamkeit konzentrierte sich dabei auf die beiden Größen „Aktivität“
([mmol Produkt]/ [mmol Katalysator] pro Zeiteinheit) und „Umsatz“ ( [mmol Ausbeute
*100/ [mmol Monomer]). Um diese beiden Größen zu erhalten und die jeweiligen System
miteinander vergleichen zu können, wurden Standardpolymerisationsbedingungen für die
ROMP von Norbornen entwickelt. Aufgrund der zum Teil sehr schlechten Löslichkeit der
Polymere gestaltete sich die Polymeranalyse äußerst schwierig. Gängige Methoden der
Polymeranalyse wie die GPC konnten bisher nicht angewendet werden. 1H- und 13C-NMR
konnte in einigen Fällen zur Analyse herangezogen werden.
Getestet wurden die Verbindungen MoNCl3, WNCl3, MoCl5, WCl6 und Cp2MoCl2 sowohl mit
MAO als auch mit Et2AlCl als CoKatalysatoren.
Beim Vergleich der Aktivitäten der Verbindungen mit MAO als CoKatalysator, erreichten die
Molybdänverbindungen MoCl5 und MoNCl3 die höchsten Werte. Die Wolframverbindungen
WNCl3 und WCl6 wiesen mit Et2AlCl die höchsten Aktivitäten auf. Die beiden aktivsten
Systeme MoCl5/MAO und WNCl3/Et2AlCl haben vergleichbare Aktivitätswerte.
Es wurden Aktivitäten und Umsätze in Abhängigkeit der Katalysator-Menge und damit
Änderung des Al/Katalysator-Verhältnisses an den Systemen MoNCl3/MAO und
WNCl3/Et2AlCl untersucht. Die Erhöhung der Katalysator-Menge bewirkt beim System
MoNCl3/MAO ein starkes Absenken der Aktivität und gleichzeitig eine vergleichsweise
geringere Steigerung des Umsatzes. Beim System WNCl3/Et2AlCl sinkt die Aktivität durch
die Erhöhung der Katalysator-Menge ebenfalls, jedoch in geringerem Umfang als beim
vorherigen System. Gleichzeitig ist ein sehr starkes Anwachsen des Umsatzes beobachtbar.
Als nächste Variable wurde die CoKatalysator-Konzentration und entsprechend auch das
Al/Katalysator-Verhättniss verändert und die Aktivitäten und Umsätze der Systeme
MoNCl3/MAO und WNCl3/Et2AlCl untersucht.
Das System MoNCl3/MAO weist eine „Sättigungsgrenze“ an CoKatalysator-Konzentration
auf, ab der weitere Erhöhungen keine Veränderungen oder Steigerungen der Aktivitäten und
Umsätze bringen.
Im Gegensatz dazu steigen mit der Erhöhung der CoKatalysator-Konzentration die
Aktivitäten und Umsätze des Systems WNCl3/Et2AlCl und erreichen die unter diesen
Bedingungen maximalen Werte.
Das System MoNCl3/MAO wurde auf zeitabhängigen Aktivitäten- und Umsatzveränderungen
untersucht. Dabei wurde festgestellt, daß die Aktivität mit steigender Polymerisationszeit
definitionsgemäß sinkt, daß aber ein stetiges Anwachsen des Umsatzes beobachtet werden
kann. Dies deutet darauf hin, daß es bei diesem System nicht zum Phänomen des
„Katalysatortodes“ kommt, welches z.B. bei der vinylischen NorbornenMetathesepolymerisation beobachtet werden kann.
Die 13C- und 1H-NMR-Untersuchungen des Polymers weisen darauf hin, daß in Abhängigkeit
vom Katalysatorsystem unterschiedliche cis/trans-Anordnungen der Doppelbindungen im
Polymer auftreten. Die Systeme MoNCl3/MAO, MoCl5/MAO, WCl6/MAO ergeben eine
Anordnung der Doppelbindungen von 75% trans und 25% cis. Bei dem System
MoNCl3/Et2AlCl erhöht sich der cis-Anteil der Doppelbindungen auf 35% zu 65% trans.
Polynorbornen, daß durch das Sytem WNCl3/MAO polymerisiert wird, weist eine
Doppelbindungsverteilung von 75% cis und 25% trans auf. Bei den
182
Polynorbornverbindungen, die mit dem CoKatalysator Et2AlCl (außer MoNCl3) polymerisiert
werden, sinkt die Löslichkeit verglichen mit den „MAO-Produkten“ drastisch ab, so daß keine
NMR-spektroskopischen
Untersuchungen
durchgeführt
werden
konnten.
Das
Polymerisationsverhalten und Umsatzuntersuchungen in Abhängigkeit von der Erhöhung des
Katalysators/CoKatalysator-Konzentration wiesen darauf hin, daß bei diesen Systemen nicht
nur eine polymere Kette des Polynorbornens ausgebildet wird, sondern daß hier
wahrscheinlich auch die Doppelbindungen angegriffen werden und sich dreidimensionale
Vernetzungen ausbilden, die die Absenkung der Löslichkeit und den Einschluß von
Lösungsmittel in den Polymerhohlräumen erklären. Versuche, dies mit TransmissionsEletronenmikroskopie nachzuweisen gelangen leider nicht, da es nicht möglich war, die
Polymere in entsprechend dünne Schichten zu schneiden.
Im folgenden werden die Ergebnisse stichpunktartig zusammengefaßt:
1)
MoCl5 und MoNCl3 mit MAO
WNCl3 und WCl6 mit Et2AlCl
→
→
höchsten Aktivitäten
höchsten Aktivitäten
2)
WNCl3 und MoNCl3
→
vergleichbare hohe Aktivitäten wie
gängige Metathese-Katalysatoren
MoCl5 und WCl6
3)
MAO
→
als CoKatalysator für MoCl5
vergleichbar hohe Aktivität wie gängiges
Katalysatorsystem WCl6/Et2AlCl
4)
MoNCl3/MAO
→
„Sättigungsgrenze“ bezüglich
der CoKatalysator-Konzentration und der
daraus resultierenden Aktivitäten und
Umsätze
kein Auftreten des Phänomen des
„Katalysatortodes“ bei Verlängerung
der Polymerisationszeiten: stetiges
Anwachsen des Umsatzes
75% trans-Doppelbindungsanordnung
→
→
5)
WNCl3/ Et2AlCl
→
stetige Erhöhung der Aktivitäten und
Umsätze durch Erhöhung
der Konzentrationen : keine „Sättigung“
6)
mit Et2AlCl als CoKatalysator
→
Polymere bilden
möglicherweise Quervernetzungen über
Doppelbindungen
7)
Unterschiedliche
cis/trans-Verhältnisse
Abhängigkeit von den Katalysatorsystemen
der
Doppelbindungsanordnungen
in
183
2.5 Experimenteller Teil: Olefin-Metathese
2.5.1 Allgemeine Arbeitstechnik
Die Synthesen der zum großen Teil hochempfindlichen Molybdän- und
Wolframverbindungen wurden unter Schutzgasatmosphäre duchgeführt. Als Schutzgas wurde
Argon R (Schweißargon, 5.0) verwendet. Als Reaktionsgefäße dienten zuvor im Hochvakuum
mehrmals ausgeheizte und entsprechend mit Argon gespühlte Glaskolben und Glasfritten mit
Hahnansätzen nach Schlenk, die jeweils mindestens eine Nacht im Trockenschrank bei 130°C
gelagert wurden. Arbeiten an offenen Apparaturen erfolgten im Schutzgasgegenstrom.
Flüssigkeiten wurden mittels Spritzen über Septen eingebracht, wobei vor dem Einbringen die
leere Spritze mehrmals mit Argon gespült wurde. Das Auswiegen der hochempfindlichen
Molybdän- und Wolframhalogenide erfolgte in einer Glove-Box der Firma Braun unter
kontrollierter Argonatmosphäre. Die verwendeten Lösungsmittel wurden durch
Rückflußkochen mit Trocknungsmitteln unter Argon absolutiert, destilliert und bis zur
Verwendung unter Argon aufbewahrt.
Als Trocknungsmittel dienten:
Natrium oder Kalium für Toluol
Phosphorpentoxid
oder
Molekularsieb
Tetrachlorkohlenstoff
Kalium für Pentan und Tetrahydrofuran
für
Chloroform,
Chemikalien wurden wie folgt bezogen oder vorbehandelt:
MoCl6
Fluka/ Merck
WCl6
Fluka/ Merck
W(CO)6
Fluka/ Merck
Mo(CO)5
Fluka/ Merck
Chlor
Aldrich, Deisenhofen
Cyclopentadien
Aldrich, Deisenhofen
Cyclopentadienylnatrium
durch Reaktion mitCyclopentadien mit
Natrium in THF [ ]
N(SiMe3)3
Aldrich, Deisenhofen
Reinigung durch Destillation
(NH4)2CO3
Aldrich, Deisenhofen
(NH4)2SO4
Aldrich, Deisenhofen
CaCl2
Aldrich, Deisenhofen
Dichlormethan
und
184
2.5.2 Analysenmethoden
Elementaranalyse
Die verbrennungsanalytische Bestimmung von Kohlenstoff-, Wasserstoff- und
Stickstoffgehalten erfolgte mit Hilfe eines Parkin-Elmer 2400 Series II CHNS/O-Analyzers
und eines Variol EL der Firma Elementaranalysensystem GmBH.
Infrarot-Schwingungsspektroskopie
Die Aufnahme der IR-Schwingungsspektren erfolgte mit einem Bruker IFS 25 Spektrometer.
Die Proben wurden als KBr-Preßlinge (2-4 mg Substanz pro 300 mg KBr) bei
Raumtemperatur vermessen. Die Auswertung erfolgte an einem PC mit Hilfe des Programmes
OPUS.
Kernresonanzspektroskopie
Die 1H- und 13C-NMR-Spektren wurden an einem mit einer Multikernsonde ausgerüstetem
ARX 300 (MHz)-Spektrometer der Firma Bruker aufgenommen.
Die Proben wurden in 5 mm-Röhrchen abgefüllt und größtenteils bei Raumtemperatur
vermessen. Die Ausnahme bilden einige Polynorbornenproben, die bei 70°C vermessen
wurden. Die Referenzierungen erfolgten gegen das jeweilige Lösungsmittel (C2D2Cl4, Toluold8).
185
2.5.3 Ausgangsverbindungen
2.5.3.1 Nitride
2.5.3.1.1 Darstellung von WNCl3 via N(SiMe3)3
WCl6
+
N(SiMe3)3
→
WNCl3
+
Me3SiCl
Alle Reaktionsschritte werden unter Argonschutzgasatmosphäre durchgeführt. 8.5 g WCl6
(21.4 mmol) werden in 50 mL Me3SiCl suspendiert und unter Rühren bei RT tropfenweise
mit einer Lösung von 5 g N(SiMe3)3 (21.4 mmol) in 25 mL Me3SiCl versetzt. Nach 24 h
Rühren wird der ockerfarbene Niederschlag filtriert, zur Reinigung mit Dichlormethan
extrahiert und im Vakuum getrocknet. Es ist ein ockegelbes, pulveriges, in höchstem Maße
luftempfindliches Produkt entstanden.
Ausbeute:
2.6 g ( = 8.55 mmol)
= 40 %
Elementaranalyse:
Nber.: 4.6 %
Ngef.: 4.4 %
IR (in KBr):ν in [cm-1] =
1203 m ( νWN); 218 m (δClWN)
[K.-P.Frank, J.Strähle, J.Weidlein, Z. Naturforsch. B35, 300 (1980)]
2.5.3.1.2 Darstellung von WNCl3 via NCl3 in CCl4
Darstellung von NCl3
In einer Lösung von 9.6 g Ammoniumcarbonat (100 mmol) in 30 mL Wasser und 25 mL
CCl4 wird unter kräftigem Rühren mittels einer Gaseinleitungsapparatur solange unter
Eiskühlung Chlorgas eingeleitet, bis keine CO2-Entwicklung mehr feststellbar ist und die
Lösung sich kräftig gelb gefärbt hat. Nach anschließendem viertelstündigen Rühren der
gelben Lösung wird die organische Phase abgetrennt, zwei- bis dreimal mit einer
angesäuerten 5 %igen Ammoniumsulphatlösung und anschließend mit Wasser ausgeschüttelt
und zuletzt über CaCl2 getrocknet. Dieser Ansatz ergibt eine etwa 16 %ige NCl3-Lösung in
CCl4.
[L.Bayersdorfer, U.Engelhardt, J.Fischer, K.Höhne, J.Jander, Z.Anorg.Allg.Chem. 366, 1969:
169]
Darstellung von WNCl3 über WCl4(NCl)
W(CO)6
WCl4(NCl)
+ NCl3
→
→
WCl4(NCl)
WNCl3
+ CO + Cl2 + N2
+ Cl2
Zu einer auf 0°C gekühlten blaugrauen Suspension von 5 g W(CO)6 (14.2 mmol) in ca 30 mL
CCl4 wird langsam unter Rühren ca 60 mL einer 16 %igen NCl3-Lösung in CCl4 zugetropft.
Dabei wird die Gasentwicklung beobachtet. Nach Beendigung des Zutropfens und der
Gasentwicklung (Cl2, N2, CO) erwärmt man die Reaktionsmischung langsam zum Sieden und
hält drei Stunden bei dieser Remperatur. Der rotbraune Niederschlag wird unter Schutzgas
186
abfiltriert, mehrmals mit CCl4 gewaschen und anschließend im Vakuum getrocknet. Das
rotbraune WCl4(NCl) wird im dynamischen Vakuum mindestens 8 h bei 200°C (Metallbad)
erhitzt, wobei das abgespaltenen Chlor in den mit flüssigem Stickstoff gekühlten Vorlagen
aufgefangen wird. Es entsteht ein ockergelbes, pulveriges und äußerst luftempfindliches
Produkt.
Ausbeute:
3.04 g (=10 mmol)
60 %
Elementaranalyse:
Nber.: 4.6 %
Ngef.: 4.8 %
IR (in KBr): ν in [cm-1] =
1203 m (νWN); 218 m (δClWN).
[K.Dehnicke, U.Weiher, J.Strähle, Z.Naturforsch., 32b, 1977: 1484]
2.5.3.1.3 Darstellung von WNCl3 via NaN3 und CH3CN
3.35 g WCl6 (8.45 mmol) werden in 40 mL CH3CN suspendiert und 20 h bei RT gerührt. Die
zunächst grau-blaue dunkle Suspension wird mit 0.55 g NaN3 (8.45 mmol) versetzt und ca.
12 h bei RT gerührt. Die nun rotbraune Suspension wird über eine Schlenkfritte filtriert und
das Lösungsmittel wird entfernt. Der bourdeux-braune dunkle Feststoff wird im dynamischen
Vakuum getrocknet.
Ausbeute:
2.95 g (= 8.54 mmol)
(bezogen auf M= WNCl3*CH3CN)
100 %
[Allen, Bisdon, Fowles/ Young, Janos, Bruck, Wexler: aust. J. Chem. ,43,1990: 1347-1355.]
2.5.3.1.4 Darstellung von MoNCl3 via N(SiMe3)3
MoCl5
+
N(SiMe3)3
→
MoNCl3
+
(Me3Si)Cl
Alle Reaktionsschritte werden unter Argonschutzgasatmosphäre durchgeführt. 5.84 g MoCl5
(21.4 mmol) werden in 50 ml Me3SiCl suspendiert und unter Rühren bei RT tropfenweise mit
einer Lösung aus 5 g N(SiMe3)3 (21.4 mmol) in 25 mL Me3SiCl versetzt. Nach 24 h Rühren
wird der kupferfarbene Niederschlag mittels Schlenkfritte filtriert, mit Dichlormethan
extrahiert und im dynamischen Vakuum mehrere Stunden getrocknet. Es ist ein
kupferfarbenes, pulveriges und äußerst luftempfindliches Produkt entstanden.
Ausbeute:
2.28 g (= 10.54 mmol)
50%
Elementaranalyse:
Nber.: 6.5 %
Ngef.: 6.1 %
IR (in KBr): ν in [cm-1] =
1145 m (νMoN), 368 ms (νMoCl)
[ Darstellung in Analogie zu : K.-P.Frank, J.Strähle, J.Weidlein, Z.Naturforsch. B35, 1980:
300]
187
2.5.3.1.5 Darstellung von MoNCl3 via NCl3
2.64 g Mo(CO)6 (10 mmol) werden in 20 mL CCl4 suspendiert und unter Rühren und
Eisbadkühlung bei 10°C tropfenweise mit einer ca 16 %igen NCl3-Lösung in CCl4 versetzt.
Bei stärkerer Kühlung springt die Reaktion nicht an, bei höheren T verläuft sie zu heftig. Man
filtriert den braunen, hygroskopischen Niederschlag mittels einer Schlenkfritte ab und
überführt in nach Trocknung im Vakuum in einen Schlenkkolben mit 20 ml CCl4, worin 5 h
am Rückfluß erwärmt wird. Es ist Cl2-Entwicklung beobachtbar. Man filtriert erneut, wäscht
mit CCl4 und sublimiert MoNCl3 bei ca 130°C im dynamischen Vakuum. Es entsteht eine
kupferfarbene, pulverige und hochempfindliche Substanz.
Ausbeute:
1,24 g (= 5.73 mmol)
58 %
Elementaranalyse:
Nber.: 6.48 %
Ngef.: 6.29 %
IR (in KBr): ν in [cm-1] =
1145 m (νMoN); 368 ms (νMoCl).
[K.Dehnicke, A.Frankenau, Z.Naturforsch. 44b, 1989: 493-494]
2.5.3.1.6 Darstellung von MoNCl3 via NaN3 in CH3CN
3.36 g MoCl5 (12.29 mmol) werden in 60 mL CH3CN suspendiert und bei RT 20 h gerührt.
Zu der nun rotbraunen Suspension wird 0.799 g NaN3 (12.29 mmol) gegeben und weitere 12
h bei RT gerührt und über eine Schlenkfritte filtriert. Die nun dunkle, weinrote Lösung wird
vom Lösungsmittel befreit und im dynamischen Vakuum getrocknet. Es ist ein schwarzroter,
glänzender Feststoff entstanden.
Ausbeute:
3.08 g (= 11.98 mmol)
97 %
(bezogen auf M= MoNCl3* CH3CN 257.33 g/mol)
[Young, Janos, Bruck, Wexler; Aust. J.Chem., 43, 1990:1347-1355]
2.5.3.1.7 Darstellung von Cp2MoCl2
3 NaCp + MoCl5 + NaBH4
→
Cp2MoH2
Cp2MoH2
→
Cp2MoCl2
+
CHCl3
+
Nebenprodukte
Alle Reaktionsschritte werden unter strikten Inertgasbedingungen durchgeführt. 11.5 g MoCl5
(41.6 mmol) werden in 60 mL THF unter Trockenseis/Aceton-Kühlung suspendiert. Die
Reaktion verläuft sehr heftig und es ist braune Gasentwicklung zu beobachten. Nach
Beendigung der Reaktion wird die nun smaragdgrüne Suspension zu einer mittels
Trockeneis/Aceton-Mischung gekühlten Lösung aus 22 g NaCp (220 mmol) und 4.2 g NaBH4
(111 mmol) in 200 mL THF langsam und unter kräftigem Rühren zugetropft. Anschließend
wird das Reaktionsgemisch eine halbe Stunde bei tiefer Temperatur gerührt, langsam auf
Raumtemperatur gebracht und nach ca 1 h zum Rückfluß erwärmt. Es wird ca. 12 h am
Rückfluß erhitzt, das Lösungsmittel wird entfernt und der Rückstand wird im dynamischen
188
Vakuum getrocknet. Nach mehrmaligem Waschen mit Pentan oder Hexan wird der schwarze,
zum Teil teerig-klebrige Festtoff im dynamischen Vakuum bei ca 70°C sublimiert. Das gelbe,
kristalline Cp2MoH2 wird in Chloroform aufgenommen und mehre Stunden zum Rückfluß
erhitzt. Die olivgrüne Reaktionslösung wird vom Lösungsmittel befreit und der Rückstand
wird einige Stunden im dynamischen Vakuum getrocknet. Es ist ein olivgrüner, pulveriger
Fesstoff entstanden, der an Luft relativ stabil ist, aber trotzdem unter Argon aufbewahrt wird.
Ausbeute:
3.4 g (= mmol)
2.5.3.2 Metathese-Reaktionen: allgemeine Durchführung einer Metathese-Polymerisation
Die Katalysatoren werden aufgrund Ihrer Luft- und Feuchtigkeitsempfindlichkeit und den
geringen benötigten Mengen unter Schutzgasatmosphäre in der Glove-Box abgewogen.
Um möglichst exakte Reaktionsbedingungen zu gewährleisten, werden von jedem
Polymerisationsversuch drei Ansätze durchgeführt. Das bedeutet, es werden drei 100 mLWeithals-Schlenkkolben, die über Nacht bei 130°C gelagert wurden, an einer kombinierten
Argon-Vakuum-Anlage je dreimal unter Vakuum ausgeflammt und je dreimal begast. Nach
dem letzten begasen werden die Schlenkolben unter Vakuum gesetzt, in die Glove-Box
eingeschleust und dort wird der Katalysator eingewogen. Nach dem Ausschleusen aus der
Box wird in jeden Kolben 50 mL frisch absolutiertes Toluol eingefüllt und es wird der CoKatalysator zugegeben. Nun wird 30 Minuten bei Raumtemperatur gerührt, um die
Ausbildung des Katalysator/Co-Katalysator-Systems zu ermöglichen. Anschließend wird
durch die Zugabe der toluolischen Norbornen-Lösung die Polymerisation gestartet. Der
Abbruch der Polymerisation erfolgt durch Zugabe eines Methanol-Salzsäure-Gemisches
(10:1). Nach Entfernen der Lösung, die sich aus Toluol, nicht umgesetztem Monomer, in
Lösung befindlichem Katalysatorsystem und der Polymrisationsabbruch-Reagenz
zusammensetzt, wird das Produkt entweder im Trockenschrank bei 45°-50°C ca. 24 h oder im
dynamischen Vakuum 12-18 h bei Raumtemperatur von Lösungsmittelresten befreit.
Definition Aktivität : [mmol Produkt]/ [mmol Katalysator] pro Zeiteinheit = [h-1]
Definition Umsatz
: [mmol Ausbeute] * 100/ [mmolMonomer]
Konzentrationsangaben in den Tabellen beziehen sich auf den Katalysator.
= [%]
189
2.5.3.3 Vergleichende Katalyse mit den Co-Katalysatoren MAO, EAO und IBAO
Tabelle 1: MAO/ WNCl3
Nr.
M1
M2
M3
Kat.
Kat.
MAO
Norb.
[g]
[mmol] [mmol] [mmol]
0.0050 0.0164 0.550
47.20
0.0050 0.0164 0.550
47.20
0.0051 0.0167 0.550
47.20
LM
[mL]
50
50
50
c* 10-3
[g/mL]
0.328
0.328
0.334
Rkt.
[h]
2
2
2
Ausb.
[g]
1.3
1.26
1.54
Aktiv.
[h-1]
421
408
490
LM
[mL]
c* 10-3
[mmol/
mL]
0.328
0.322
0.328
Rkt.
[h]
Ausb.
[g]
Aktiv.
[h-1]
2
2
2
0.24
0.19
0.28
78
63
91
c*10-3
[mmol/
mL]
0.334
0.334
0.328
Rkt.
[h]
Ausb.
[g]
Aktiv.
[h-1]
2
2
2
0.07
0.09
0.06
22
29
20
Tabelle 2: EAO/WNCl3
Nr.
Kat.
[g]
E1
E2
E3
0.0050
0.0049
0.0050
Kat.
EAO
Norb.
[mmol] [mmol] [mmol]
0.0164
0.0161
0.0164
0.550
0.550
0.550
47.20
47.20
47.20
50
50
50
Tabelle 3: IBAO/WNCl3
Nr.
Kat.
[g]
I1
I2
I3
0.0051
0.0051
0.0050
Kat.
IBAO Norb.
[mmol] [mmol] [mmol]
0.0167
0.0167
0.0164
0.550
0.550
0.550
47.20
47.20
47.20
LM
[mL]
50
50
50
Um bei den anschließenden Polymerisationsreaktionen eine bessere Handhabbarkeit der
Produkte zu gewährleisten und um Resourcen zu schonen, wurden die Mengen der
Katalysator/Co-Katalysator-Systeme und des Monomers reduziert (darauf wird im Kapitel 2
näher eingegangen).
190
2.5.3.4 Katalyse mit MAO als Co-Katalysator
Tabelle 4: WNCl3
Nr.
Kat.
[g]
16
17
18
19
20
21
22
23
51
54
57
63
64
0.0038
0.0066
0.0065
0.0065
0.0064
0.0064
0.0068
0.0067
0.0065
0.0066
0.0066
0.0067
0.0067
Kat.
MAO Norb.
[mmol] [mmol] [mmol]
0.0124
0.0216
0.0213
0.0213
0.0210
0.0210
0.0223
0.0220
0.0213
0.0216
0.0216
0.0220
0.0220
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
LM
[mL]
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
c*10-3
[mmol/
mL]
0.248
0.432
0.426
0.426
0.420
0.420
0.446
0.440
0.426
0.432
0.432
0.440
0.440
Rkt.
[h]
Ausb.
[g]
Aktiv.
[h-1]
1
1
24
24
1
1
1
1
1
1
1
20
20
0.19
0.21
0.61
0.67
0.13
0.23
0.18
0.23
0.21
0.21
0.28
0.95
0.79
163
103
13
14
66
116
86
111
105
103
138
23
19
c*10-3
[mmol/
mL]
0.430
0.422
0.430
0.432
0.432
0.430
0.432
Rkt.
[h]
Ausb.
[g]
Aktiv.
[h-1]
1
1
24
24
1
1
1
0.26
0.24
0.70
0.68
0.32
0.21
0.30
128
121
14
14
157
104
148
c*10-3
[mmol/
mL]
0.434
0.434
0.416
0.416
0.424
0.424
0.442
0.452
0.462
Rkt.
[h]
Ausb.
[g]
Aktiv.
[h-1]
1
1
1
20
1
1
1
24
24
0.32
0.32
0.24
0.93
0.26
0.28
0.33
0.98
0.98
157
157
123
24
130
140
159
19
19
Tabelle 5: WCl6
Nr.
Kat.
[g]
25
26
27
30
105
106
107
0.0085
0.0084
0.0085
0.0086
0.0086
0.0085
0.0086
Kat.
MAO Norb.
[mmol] [mmol] [mmol]
0.0215
0.0211
0.0215
0.0216
0.0216
0.0215
0.0216
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
13
13
13
13
13
13
13
LM
[mL]
50
50
50
50
50
50
50
Tabelle 6: MoNCl3
Nr.
Kat.
[g]
52
55
56
62
95
96
97
103
104
0.0047
0.0047
0.0045
0.0045
0.0046
0.0046
0.0048
0.0049
0.0050
Kat.
MAO Norb.
[mmol] [mmol] [mmol]
0.0217
0.0217
0.0208
0.0208
0.0212
0.0212
0.0221
0.0226
0.0231
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
13
13
13
13
13
13
13
13
13
LM
[mL]
50
50
50
50
50
50
50
50
50
191
Tabelle 7: MoCl5
Nr.
Kat.
[g]
34
36
37
98
99
108
0.0059
0.0059
0.0059
0.0062
0.0061
0.0059
Kat.
MAO Norb.
[mmol] [mmol] [mmol]
0.0215
0.0215
0.0215
0.0226
0.0223
0.0215
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
13
13
13
13
13
13
LM
[mL]
50
50
50
50
50
50
c*10-3
[mmol/
mL]
0.430
0.430
0.430
0.452
0.446
0.430
Rkt.
[h]
Ausb.
[g]
Aktiv.
[h-1]
24
1
24
1
1
24
0.67
0.40
0.64
0.52
0.47
1.06
13
198
13
244
224
22
c*10-3
[mmol/
mL]
0.444
0.444
0.450
0.430
0.444
0.424
Rkt.
[h]
Ausb.
[g]
Aktiv.
[h-1]
1
1
1
24
24
24
0.23
0.27
0.24
0.33
0.81
0.26
110
130
113
7
16
6
c*10-3
[mmol/
mL]
0.420
0.420
0.420
0.472
0.386
0.426
0.446
0.466
0.460
0.426
0.426
0.414
0.432
Rkt.
[h]
Ausb.
[g]
Aktiv.
[h-1]
24
24
1
1
1
3
24
24
24
3
3
24
24
0.68
0.68
0.33
0.48
0.50
1.01
0.49
0.49
0.91
0.65
0.41
0.47
14
14
162
216
275
168
10
9
151
108
9
10
Tabelle 8: Cp2MoCl2
Nr.
Kat.
[g]
50
53
61
65
66
67
0.0066
0.0066
0.0067
0.0064
0.0066
0.0063
Kat.
MAO Norb.
[mmol] [mmol] [mmol]
0.0222
0.0222
0.0225
0.0215
0.0222
0.0212
1..84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
13
13
13
13
13
13
LM
[mL]
50
50
50
50
50
50
2.5.3.5 Katalyse mit Et2AlCl als Co-Katalysator
Tabelle 9: WNCl3
Nr.
Kat.
[g]
24
32
33
74
75
76
77
78
79
89
90
110
111
0.0064
0.0064
0.0064
0.0072
0.0059
0.0065
0.0068
0.0071
0.0070
0.0065
0.0065
0.0063
0.0066
Kat. Et2AlCl Norb.
[mmol] [mmol] [mmol]
0.0210
0.0210
0.0210
0.0236
0.0193
0.0213
0.0223
0.0233
0.0230
0.0213
0.0213
0.0207
0.0216
1..83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
LM
[mL]
50
50
50
50
50
50
50
50
50
25
25
50
50
192
Tabelle 10: WCl6
Nr.
Kat.
[g]
28
29
31
112
109
113
0.0086
0.0086
0.0087
0.0089
0.0087
0.0087
Kat. Et2AlCl Norb.
[mmol] [mmol] [mmol]
0.0216
0.0216
0.0219
0.0224
0.0219
0.0219
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
13
13
13
13
13
13
LM
[mL]
50
50
50
50
50
50
c*10-3
[mmol/
mL]
0.432
0.432
0.438
0.448
0.438
0.438
Rkt.
[h]
Ausb.
[g]
Aktiv.
[h-1]
1
24
1
1
24
24
0.37
0.89
0.34
0.46
0.85
0.66
182
18
166
218
17
13
c*10-3
[mmol/
mL]
0.416
0.462
0.470
0.406
0.406
0.452
0.868
0.848
0.848
0.848
0.832
0.868
Rkt.
[h]
Ausb.
[g]
Aktiv.
[h-1]
1
1
1
24
24
24
3
3
3
3
3
24
Nix
nix
0.05
0.20
0.42
0.07
0.46
0.37
0.30
0.31
0.43
0.61
23
4
9
2
75
60
50
52
73
13
c*10-3
[mmol/
mL]
0.446
0.446
0.438
0.438
0.430
0.430
Rkt.
[h]
Ausb.
[g]
Aktiv.
[h-1]
24
1
24
1
1
24
0.42
0.31
0.45
0.21
0.35
0.42
8
147
9
102
173
9
Tabelle 11: MoNCl3
Nr.
Kat.
[g]
68
69
70
71
72
73
86
87
88
91
92
93
0.0045
0.0050
0.0051
0.0044
0.0044
0.0049
0.0047
0.0048
0.0046
0.0046
0.0045
0.0047
Kat. Et2AlCl Norb.
[mmol] [mmol] [mmol]
0.0208
0.0231
0.0235
0.0203
0.0203
0.0226
0.0217
0.0221
0.0212
0.0212
0.0208
0.0217
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
LM
[mL]
50
50
50
50
50
50
25
25
25
25
25
25
Tabelle 12: MoCl5
Nr.
Kat.
[g]
34
36
37
100
101
102
0.0061
0.0061
0.0060
0.0060
0.0059
0.0059
Kat. Et2AlCl Norb.
[mmol] [mmol] [mmol]
0.0223
0.0223
0.0219
0.0219
0.0215
0.0215
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
1.83
13
13
13
13
13
13
LM
[mL]
50
50
50
50
50
50
193
Tabelle 13: Cp2MoCl2
Nr.
80
81
82
Kat.
[g]
Kat. Et2AlCl Norb.
[mmol] [mmol] [mmol]
0.0067 0.0225
0.0063 0.0212
0.0028 0.0094
1.83
1.83
1.83
13
13
13
LM
[mL]
50
50
25
c*10-3
[mol/m
L]
0.450
0.424
0.376
Rkt.
[h]
Ausb.
[g]
Aktiv.
[h-1]
3
3
3
0.36
-
61
-
2.5.3.6 Katalyse mit Variation der Katalysatorkonzentration
2.5.3.6.1 System MoNCl3/ MAO
Tabelle 14:
Variation der Katalysatorkonuentration beim System
MoNCl3/ MAO
Reaktionszeit: 1h
Nr.
Kat.
[g]
132
133
134
135*
136*
137*
MW1*
MW2
0.0470
0.0470
0.0470
0.0235
0.0235
0.0235
0.0235
0.0470
Reaktionsvolumen: 50 mL
Kat.
MAO Norb. C (Kat.) Ausbeute Aktiv. Umsatz
[mmol] [mmol] [mmol] *10-3
[g]
[h-1]
[%]
[mol/ml]
0.2170
1.84
13
4.34
0.58
28.4
47.4
0.2170
1.84
13
4.34
0.53
25.9
43.3
0.2170
1.84
13
4.34
0.51
24.9
41.7
0.1085
1.84
13
2.17
0.27
26.4
22.1
0.1085
1.84
13
2.17
0.35
34.3
28.6
0.1085
1.84
13
2.17
0.31
30.3
25.3
0.1085
1.84
13
2.17
0.31
30.3
25.3
0.2170
1.84
13
4.34
0.54
26.4
44.1
2.5.3.6.2 System WNCl3/ Et2AlCl
Tabelle 15: Variation der Katalysatorkonzentration beim
System WNCl3/ Et2AlCl
Reaktionszeit : 1h
Nr.
Kat.
[g]
138
139
140
141*
142*
143*
MW1*
MW2
0.0650
0.0650
0.0650
0.0325
0.0325
0.0325
0.0325
0.0650
Reaktionsvolumen: 50 mL
Kat. CoKat. Norb.
[mmol] [mmol] [mmol]
0.2150
0.2150
0.2150
0.1085
0.1085
0.1085
0.2150
0.1085
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
1.84
13
13
13
13
13
13
13
13
C(Kat) Ausbeute Aktiv. Umsatz
*10-3
[g]
[h-1]
[%]
[mol/mL]
4.26
1.38
68.2
112.7
4.26
1.28
63.2
104.6
4.26
1.44
71.1
117.6
2.13
1.77
174.8 144.6
2.13
1.48
146.2 120.8
2.13
1.47
145.2 120.1
2.13
1.57
155.4 128.5
4.26
1.37
67.5
111.6
194
2.5.3.7 Katalyse mit Variation der CoKatalysator-Konzentration
2.5.3.7.1 System MoNCl3/ MAO
Tabelle 16:
Variation der CoKatalysatorkonzentration beim System
MoNCl3/ MAO
Reaktionszeit: 1h
Nr.
Kat.
[g]
144*
145*
146*
147
148
149
MW1*
MW2
0.0047
0.0047
0.0047
0.0047
0.0047
0.0047
0.0047
0.0047
Reaktionsvolumen: 50 mL
Kat. CoKat. Norbor. c (Kat) Ausbeute Aktivität Umsatz
[mmol] [mmol] [mmol] *10-3
[g]
[h-1]
[%]
[mmol/
mL]
0.0217
4.6
13
4.34
0.91
450
74.3
0.0217
4.6
13
4.34
0.82
405
67.0
0.0217
4.6
13
4.34
0.86
425
70.2
0.0217
9.2
13
4.34
0.89
440
72.7
0.0217
9.2
13
4.34
0.92
454
75.1
0.0217
9.2
13
4.34
0.79
390
64.5
0.0217
4.6
13
4.34
0.86
427
70.5
0.0217
9.2
13
4.34
0.87
428
70.8
2.5.3.7.2 System WNCl3/ Et2AlCl
Tabelle 17:
Variation der CoKatalysatorkonzentration beim System
WNCl3/ Et2AlCl
Reaktionszeit : 1h
Nr.
Kat.
[g]
150*
151*
152*
153
154
155
MW1*
MW2
0.0065
0.0065
0.0065
0.0066
0.0065
0.0065
0.0065
0.0065
Reaktionsvolumen: 50 mL
Kat. CoKat. Norbor. C(Kat) Ausbeute Aktivität Umsatz
[mmol] [mmol] [mmol] *10-3
[g]
[h-1]
[%]
[mmol/
mL]
0.0215
4.6
13
4.30
2.60
1284
212
0.0215
4.6
13
4.30
2.38
1175
194
0.0215
4.6
13
4.30
2.92
1442
238
0.0215
9.2
13
4.30
3.41
1684
278
0.0215
9.2
13
4.30
3.26
1610
266
0.0215
9.2
13
4.30
3.28
1620
268
0.0215
4.6
13
4.30
2.63
1300
215
0.0215
9.2
13
4.30
3.32
1640
270
195
2.5.3.8 Zeitabhängiger Aktivitätsvergleich des Systems MoNCl3/ MAO
Tabelle 18:
Polymerisation mit MoNCl3/ MAO mit t = 3h
Reaktionszeit: 3h
Nr.
Kat.
[g]
129
130
131
MW
0.0047
0.0047
0.0046
0.0047
Reaktionsvolumen: 50 mL
Kat.
MAO Norb. C(Kat.) Ausbeute Aktivität Umsatz
[mmol] [mmol] [mmol] *10-3
[g]
[h-1]
[%]
[mmol/
mL]
0.0217 1.84
13
4.34
0.63
103
51
0.0217 1.84
13
4.34
0.67
109
55
0.0212 1.84
13
4.24
0.61
102
50
0.0215 1.84
13
4.30
0.64
106
52
196
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199
3 Lebenslauf
Goranka Vujevic
Geboren am 15.11.1964 in Djakovo (Kroatien)
1971-1977
Besuch der Wilhelm-Hauff-Grundschule in Berlin
1977-1983
Besuch des Diesterweg-Gymnasiums in Berlin
Dezember 1983
Abitur
April 1984-1989
Chemiestudium an der TU-Berlin
1989- 1995
Unterbrechung des Studiums
1995
Wiederaufnahme des Chemiestudiums
Januar 1996
Diplomarbeit bei Herrn Prof. Köpf und Frau Dr. TornieporthOetting
Mai 1996
Tätigkeit in einem DFG-Projekt bei Herrn Priv.Doz. Dr. Janiak
(DFG-Projekt über Nitrido-Brücken)
März 1997
Wechsel von der TU-Berlin an die Albert-Ludwig-Universität
Freiburg
März 1997
Assistentenstelle am Anorganischen und Analytischem Institut
der Universität Freiburg