Die Umsetzung von Azobenzolderivaten mit Diphenylacetylen
durch Zugabe von CoH3(PPh3)3 wurde von G. Halbritter
immer in der Schmelze der Edukte bei 85 °C durchgeführt, in die der
pulvrige Katalysator eingebracht wurde. Ein erstes Ziel dieser Arbeit war, ein
geeignetes Lösungsmittel für die Umsetzung der Substrate zu finden,
in dem der Katalysator unzersetzt löslich ist und nicht durch Nebenreaktionen
mit dem Lösungsmittel desaktiviert wird.
Aufgrund der Tatsache, daß bei der Synthese
des CoH3(PPh3)3 Ethanol zum Reinigen des Rohproduktes
verwendet wird, wurde eine Reaktionsführung in alkoholischen Lösungsmitteln
versucht. Sowohl bei RT als auch in siedendem Methanol (Sdp. = 61 °C) entstand
nur eine Suspension des Katalysators, eine Reaktion zwischen Azobenzol und Tolan
konnte nicht festgestellt werden. Der negative Reaktionsverlauf könnte
seine Ursache in der zu niedrigen Reaktionstemperatur gehabt haben, denn von
CoH3(PPh3)3 ist bekannt, dass es bei 85 °C
molekularem Wasserstoff abspaltet und dabei katalytisch aktiv wird.28
Warum jedoch auch in siedendem 1-Butanol bei 117 °C, d. h. 32 °C über
dieser Temperatur, CoH3(PPh3)3 nur suspendiert
wurde und keinerlei Reaktion eintrat, konnte nicht geklärt werden. Wurde
dagegen das vgl. mit Alkoholen stärker polare Methylenchlorid als Lösungsmittel
verwendet, verfärbte sich die Lösung sofort nach blaugrün anstatt
wie erwartet nach dunkelrot, was durch die Bildung von blauem CoCl2(PPh3)2
erklärt werden kann, welches durch Disproportionierung des intermediär
gebildeten CoCl(PPh3)3 entsteht.29
Bei der Reaktionsführung in Acetonitril verfärbte sich die Lösung
zwar nach rot (Rf = 0.45), was jedoch wegen der unterschiedlichen
Rf-Werte auf dem Dünnschichtchromatogramm nicht mit der Bildung
des gewünschten 2,3-Dihydrocinnolins 10 (Rf = 0.60) zu
erklären ist. Stattdessen wird vermutet, dass durch Abspaltung von Wasserstoff
aus CoH3(PPh3)3 und anschliessender 
-Koordination eines Moleküls Actetonitril
CoH(NCCH3)(PPh3)3 gebildet wird, wie Untersuchungen
von Pombeiro et al. an dem analogen Katalysator CoH(N2)(PPh3)3
ergaben.30,31
Wurde die Reaktion zwischen Azobenzol und Tolan
in cyclischen bzw. acyclischen Ethern wie Tetrahydrofuran bzw. Diethylether
durchgeführt, verfärbte sich die orange Eduktlösung nach der
Katalysatorzugabe binnen 1 min tief dunkelrot. In beiden Fällen war auf
der DC-Platte die Bildung einer orangen (Rf = 0.70) und einer dunkelroten
Fraktion (Rf = 0.58) neben sehr viel unumgesetztem Azobenzol zu erkennen.
Ein Erhitzen des THF-Ansatzes bis zu dessen Siedepunkt bei 61 °C hatte
nur nachteilige Auswirkungen auf den Reaktionsverlauf. Zum einen bildeten sich
unerwünschte Nebenprodukte in Form von roten Schlieren hinter dem roten
Fleck auf der DC-Platte, zum anderen kam es zur Abscheidung eines grauen Niederschlages
von elementarem Cobalt an der Glaswandung. Diese Nachteile konnten in dem Ansatz
in Et2O vermieden werden, indem man für 24 h bei RT rührte
und auf jegliches Erhitzen verzichtete.
Die ideale Vorgehensweise zur Reaktionsführung
in Lösung bestand folglich darin, das Azobenzolderivat und das Diphenylacetylen
in 3 ml Diethylether bzw. Tetrahydrofuran vorzulegen und anschliessend den pulvrigen
Katalysator bei RT in mehreren kleinen Portionen zuzugeben. Als Standardlösungsmittel
wurde dabei Diethylether bevorzugt, da man in diesem Fall bei den Vorbereitungen
zur Säulenchromatographie ein leicht handhabbares Pulver erhielt, während
bei der Verwendung von Tetrahydrofuran ein zähes Öl verblieb. THF
wurde immer dann verwendet, wenn das verwendete Diazen wie z. B. 4,4’-Dichlorazobenzol
oder 3,3’,5,5’-Tetramethylazobenzol nicht in Et2O löslich
waren. Eine Übersicht über die in der cobaltkatalysierten Umsetzung
von 1,2-Diaryldiazenen und Diphenylacetylen intermediär gebildeten und
durch die Reaktionsführung in Lösung isolierbaren 1:1-Addukte zeigt
Abbildung 2.1.32
Abbildung 2.1: Übersicht über die isolierten Intermediate 11-16
2.1 Umsetzung von 3,5-Dichlorazobenzol mit Diphenylacetylen zu 11 und 9a
Bei einer Umsetzung von 3,5-Dichlorazobenzol und Diphenylacetylen im Molverhältnis von 1:2, die nicht in der Schmelze der Edukte bei 85 °C, sondern in 3 ml THF durchgeführt wurde, verfärbte sich die Lösung nach der Zugabe des CoH3(PPh3)3 augenblicklich von orange nach schwarz und eine leichte Gasentwicklung, die auf die Abspaltung von Wasserstoff aus dem Katalysator-Precursor zurückzuführen ist, war zu beobachten. Auf einem Dünnschichtchromatogramm erkennt man hinter dem gelben Fleck von unumgesetztem 3,5-Dichlorazobenzol zwei orange Flecke von annähernd gleicher Intensität. Nach 24-stündigem Rühren war ein orangefarbener Niederschlag ausgefallen, der abfiltriert und getrocknet wurde. Dieses orange Pulver mit dem niedrigerem Rf-Wert von 0.38 konnte als das bereits bekannte 2:1-Addukt 2,6-Di(trans-stilbenyl)-3,5-dichlorazobenzol (9a) charakterisiert werden.26 Das Filtrat wurde eingeengt und zweimal an neutralem Aluminiumoxid mit einem Petrolether/THF-Gemisch = 20/1 (v/v) chromatographiert. Dabei konnte ein zweites oranges Pulver (Rf = 0.62) isoliert werden, welches dem bis dato unbekanntem 1:1-Addukt aus 3,5-Dichlorazobenzol und Tolan, dem 2-(trans-Stilbenyl)-3,5-dichlorazobenzol (11) entspricht. Durch Umkristallisieren aus CH2Cl2/MeOH = 1/2 (v/v) konnten Einkristalle von 11 erhalten werden. Die HPLC-Analyse zeigt einen intensiven Peak von 11 bei Rt = 12.0 min, daneben sind bei Rt = 6.2 min marginale Spuren eines Isomerisierungsprodukts zu erkennen (Abbildung 2.2).
Abbildung 2.2: HPLC-Analyse von 11
2.2 Umsetzung von 3,5-Difluorazobenzol mit Diphenylacetylen zu 12 und 10b
Bei der Schmelzreaktion von 3,5-Difluorazobenzol und Tolan wurde zunächst das 2,3-Dihydrocinnolin 10b erhalten, welches durch eine Tieftemperaturbelichtung in das isomere Distilbenylazobenzol 9b überführt werden konnte.25
Bei der Durchführung dieser Umsetzung in Lösung trat mit der Katalysatorzugabe ein sofortiger Farbwechsel nach dunkelrot ein, ein Beleg dafür, dass ein 2,3-Dihydrocinnolin gebildet wurde. Ein angefertigtes DC zeigte nach dem gelben Eduktfleck einen orangen (Rf = 0.48) und einen dunkelroten (Rf = 0.27) Fleck. Nachdem in diesem Fall kein Niederschlag ausgefallen war, wurde das gesamte Rohprodukt säulenchromatographisch gereinigt. Dabei konnten die orange und die rote Fraktion getrennt voneinander isoliert werden. Die rote Fraktion konnte als das bereits literaturbekannte 2,3,4-Triphenyl-5,7-difluor-8-(trans-stilbenyl)-2,3-dihydrocinnolin (10b) charakterisiert werden.33 Von der orangen Fraktion verblieb nach dem Entfernen des Lösungsmittelgemisches ein oranges Öl, welches gemäss HPLC-Analyse noch mit den Edukten verunreinigt war. Die Abtrennung dieser Verunreinigungen wurde mittels präparativer HPLC durchgeführt. Man erhält erneut ein oranges Pulver eines 1:1-Addukts, dem 2-(trans-Stilbenyl)-3,5-difluorazobenzol (12), von dem durch Umkristallisieren aus CH2Cl2/MeOH = 1/2 (v/v) Einkristalle erhalten werden konnten. 12 wies in der analytischen HPLC eine Retentionszeit von 7.3 min auf.
2.3 Die Röntgenstrukturanalysen von 11 und 12: zwei 2-trans-Stilbenylazobenzole
Mit den erhaltenen Einkristallen von 11 und 12 konnten jeweils Röntgenstrukturanalysen durchgeführt werden. In Tabelle 2.1 werden ausgewählte Bindungsabstände und -winkel der beiden Verbindungen vergleichend gegenübergestellt. Abb. 2.3 bzw. Abb. 2.4 gibt ein Kugelstabmodell von 11 bzw. 12 wieder.
Bindungsabstände
11 |
12 | |
X(1)-C(13) |
174.0(2) |
136.4(3) |
X(2)-C(15) |
173.6(2) |
136.0(3) |
N(1)-N(2) |
124.4(2) |
124.7(2) |
N(1)-C(11) |
143.2(3) |
143.2(3) |
N(2)-C(21) |
142.8(3) |
142.9(3) |
C(3)-C(4) |
132.1(3) |
133.3(3) |
C(3)-C(31) |
148.1(3) |
148.3(3) |
C(3)-C(16) |
150.0(3) |
150.3(3) |
C(4)-C(41) |
147.9(3) |
147.4(3) |
C(11)-C(12) |
139.7(3) |
139.3(3) |
C(11)-C(16) |
139.7(3) |
140.6(3) |
C(12)-C(13) |
136.7(3) |
135.5(4) |
C(13)-C(14) |
138.0(3) |
136.6(4) |
C(14)-C(15) |
138.2(3) |
137.5(4) |
C(15)-C(16) |
139.6(3) |
137.9(3) |
Bindungswinkel
11 |
12 | |
N(2)-N(1)-C(11) |
115.1(2) |
114.8(2) |
N(1)-N(2)-C(21) |
113.6(2) |
113.3(2) |
C(4)-C(3)-C(31) |
123.6(2) |
123.6(2) |
C(4)-C(3)-C(16) |
119.8(2) |
120.6(2) |
C(31)-C(3)-C(16) |
116.5(2) |
115.6(2) |
C(3)-C(4)-C(41) |
126.7(2) |
126.9(2) |
C(12)-C(11)-C(16) |
121.4(2) |
122.2(2) |
C(12)-C(11)-N(1) |
123.8(2) |
123.8(2) |
C(16)-C(11)-N(1) |
114.6(2) |
114.0(2) |
C(13)-C(12)-C(11) |
118.7(2) |
117.3(3) |
C(12)-C(13)-X(1) |
119.7(2) |
118.5(3) |
C(12)-C(13)-C(14) |
122.0(2) |
124.1(3) |
X(1)-C(13)-C(14) |
118.2(2) |
117.4(3) |
C(13)-C(14)-C(15) |
118.6(2) |
116.8(3) |
X(2)-C(15)-C(14) |
117.9(2) |
117.5(3) |
X(2)-C(15)-C(16) |
120.1(2) |
118.5(2) |
C(14)-C(15)-C(16) |
122.0(2) |
124.0(3) |
C(15)-C(16)-C(11) |
117.2(2) |
115.7(2) |
C(15)-C(16)-C(3) |
121.2(2) |
121.8(2) |
C(11)-C(16)-C(3) |
121.6(2) |
122.5(2) |
C(26)-C(21)-C(22) |
120.4(2) |
120.0(2) |
C(22)-C(21)-N(2) |
124.4(2) |
124.1(2) |
C(26)-C(21)-N(2) |
115.2(2) |
115.9(2) |
C(36)-C(31)-C(32) |
117.3(2) |
117.5(2) |
C(36)-C(31)-C(3) |
121.3(2) |
121.0(2) |
C(32)-C(31)-C(3) |
121.3(2) |
121.5(2) |
C(42)-C(41)-C(46) |
117.8(2) |
117.9(2) |
C(42)-C(41)-C(4) |
121.8(2) |
122.7(2) |
C(46)-C(41)-C(4) |
120.3(2) |
119.5(2) |
Tabelle 2.1: Ausgewählte Bindungsabstände [pm] und -winkel [°] von 11 und 12 im Kristall
Abbildung 2.3: Struktur von 11 im Kristall
Die Molekülstrukturen von 11 und 12 zeigen, dass unter regioselektiver Insertion eines Moleküls Diphenylacetylen in eine ortho-C-H-Bindung des entsprechenden Azobenzolderivats neuartige 2-(trans-Stilbenyl)azobenzole gebildet wurden. 11 und 12 stellen Intermediate des Katalysezyklus zur cobaltkatalysierten Bildung der 2,6-Di(trans-stilbenyl)azobenzole 9a und 9b dar, die in der Schmelzreaktion nicht abgefangen werden können. Die Orthometallierung findet dabei ausschliesslich am halogenierten Phenylring des Diazens statt.
Abbildung 2.4: Struktur von 12 im Kristall
11 und 12 besitzen im Rahmen der Standardabweichung identische N1-N2-Bindungsabstände von 124.4(2) und 124.7(2) pm, die sich nicht signifikant vom N1-N2-Abstand in unsubstituiertem Azobenzol (124.3 pm)34 unterscheiden. Die Phenylringe der Azobenzolfragmente sind nicht exakt koplanar angeordnet, im Falle von 11 ist der Phenylring C21-C26 gegenüber der Ebene C11-C16 um 14° verdrillt, während die Grösse des korrespondierenden Winkels in 12 12° beträgt. Die Bindungsabstände C3-C4 (132.1(3) bzw. 133.3 (3) pm) der trans-Stilbenylfragmente von 11 und 12 stimmen gut mit den Werten von trans-Stilben (131.8 pm)35 oder dem kürzlich charakterisiertem 9b (131.5 und 134.6 pm)36 überein. Die Abstände C16-C3 weisen mit 150.0(3) bzw. 150.3(3) pm in 11 bzw. 12 Einfachbindungscharakter auf und sind zusammen mit den Interplanarwinkeln der Ebenen C16-C3-C4 zur Ebene C11-C16 von 73.1 bzw. 62.6° Beweis dafür, dass die Stilbenyleinheiten nur geringe Wechselwirkungen mit den Azobenzolsystemen eingehen. Die Phenylringe C31-C36 und C41-C46, deren Interplanarwinkel in 11 76.8°, in 12 74.5° beträgt, sind relativ zur Doppelbindungsebene C16-C3-C4 um 27.4 bzw. 49.4° (11) und 31.8 bzw. 42.7° (12) verdrillt.
2.4 Umsetzung von 3,3’,5,5’-Tetramethylazobenzol mit Diphenyl-acetylen zu 13 und 9c
Zur Erweiterung der Anwendungsbreite der cobaltkatalysierten Umsetzung von Diaryldiazenen und internen Alkinen sollte auch die Anwendbarkeit von nicht halogensubstituierten symmetrischen Diazenen wie z. B. 3,3’,5,5’-Tetramethylazobenzol in THF untersucht werden.
Durch säulenchromatographische Reinigung des erhaltenen schwarzen Rohproduktes konnten erneut zwei orange Fraktionen getrennt voneinander isoliert werden. Nach dem Entfernen des Lösungsmittels verblieb bei der Fraktion mit dem niedrigeren Rf-Wert von 0.63 ein oranges Pulver, das als 2,6-Di(trans-stilbenyl)-3,3’,5,5’-tetramethylazobenzol (9c) identifiziert werden konnte. Die Fraktion mit dem höheren Rf-Wert von 0.75 lieferte in diesem Fall auch nach dem Reinigungsschritt durch präparative HPLC nur ein oranges Öl, welches mittels HPLC- und NMR-Techniken als das 2-(trans-Stilbenyl)-3,3’,5,5’-tetramethylazobenzol (13) charakterisiert werden konnte. Zahlreiche Versuche zur Umkristallisation von 13 bei verschiedenen Temperaturen lieferten nicht röntgenfähige Nadelbüschel der Substanz. Die Anwesenheit mehrerer Methylsubstituenten verschlechtert folglich die Kristallisationseigenschaften der 2-(trans-Stilbenyl)azobenzole. Die HPLC-Analyse von 13 zeigte einen intensiven Peak bei 21.9 min.
2.5 Umsetzung von Azobenzol und Diphenylacetylen zu 14 und 10d
Das von G. Halbritter aus der Schmelzreaktion erhaltene 2:1-Addukt aus Azobenzol und Diphenylacetylen konnte bislang nur aufgrund von UV/Vis- und MS-Spektren charakterisiert werden. Mit der nun vorhandenen Möglichkeit einer Reaktionsführung in Lösung sollte der Versuch einer vollständigen Charakterisierung unternommen werden.
Zur Aufarbeitung des aus Diethylether erhaltenen Rohproduktes wurde nach Zugabe von Al2O3 das Lösungsmittel entfernt und das erhaltene dunkelrote Pulver an Al2O3 mit Petrolether/THF = 20/1 (v/v) chromatographiert, wobei sich zeigte, dass eine Trennung der orangen und der roten Fraktion wegen der sehr nahe beieinanderliegenden Rf-Werte von 0.70 bzw. 0.58 sehr schwierig ist. Durch frühzeitiges und exaktes Schneiden konnten die orange und die rote Fraktion getrennt voneinander isoliert werden. Die dunkelrote Farbe deutete auf die Bildung von 2,3,4-Triphenyl-8-(trans-stilbenyl)-2,3-Dihydrocinnolin (10d) hin, welches im Gegensatz zu den Ergebnissen von G. Halbritter nicht als pulvriger Rückstand, sondern als Öl erhalten wurde. Durch Umkristallisieren aus CH2Cl2/MeOH = 1/2 (v/v) konnten von 10d tiefrote Einkristalle erhalten werden. Die orange Fraktion wurde einer weiteren Reinigung mittels präp. HPLC unterzogen, um die aufgrund des frühzeitigen Schneidens der Fraktion noch anhaftenden Eduktreste abzutrennen. Dabei verblieb als Rückstand ein orangerotes Öl, welches im FD-Massenspektrum einen einzigen Peak bei m/z = 360 aufwies und somit als 1:1-Addukt aus Azobenzol und Diphenylacetylen charakterisiert werden konnte. Die HPLC-Analyse zeigte den intensivsten Peak bei einer Retentionszeit von 10.0 min und einer integrierten Fläche von 7.5 x 106, der dem 2,3,4-Triphenyl-2,3-dihydrocinnolin (14) zugeordnet wird und zwei weitere, annähernd symmetrisch um diesen Hauptpeak angeordnete Peaks bei Rt = 8.5 (Area = 4.3 x 105) bzw. 12.3 (Area = 2.5 x 105) min, die vermutlich den Strukturisomeren von 14, dem 2-(trans-Stilbenyl)azobenzol und dessen cis-Stereoisomer nach erfolgter Z-E-Isomerisierung der N=N-Doppelbindung zuzuordnen sind (Abbildung 2.5). Ein weiterer Peak tritt bei Rt = 5.3 min und der Area von 3.9 x 105 auf, der aufgrund einer Vergleichsmessung dem N-Anilino-2,3-diphenylindol (7) zugeordnet werden konnte, dem Endprodukt der rhodiumkatalysierten Indolsynthese.
Abbildung 2.5: HPLC-Analyse von 14
Mehrere Versuche zur Isolierung von 14 in reiner Form, wie z. B. Umsetzung bei -30 °C bzw. Zutropfen des Diphenylacetylens im äquimolaren Verhältnis und Aufarbeitung des Rohproduktes bei 0 °C brachten entweder keine bzw. identische Produktbildung, wie die entsprechenden Umsetzungen bei RT im Molverhältnis von Azobenzol/Diphenylacetylen = 1/2 (v/v) zeigen. Das Vorhandensein dieses untrennbaren, labilen, d. h. nur bei -20 °C stabilen, bei RT zu ca. 10 % pro Tag zu 7 isomerisierenden Produktgemisches verhinderte trotz zahlreicher Versuche eine mögliche Kristallisation von 14.
2.6 Zur Röngtenstrukturanalyse des 2:1-Adduktes 10d: ein 2,3-Dihydrocinnolin
Die nach Säulenchromatographie und Umkristallisation von 10d erhaltenen Einkristalle konnten mittels Röntgenstrukturanalyse untersucht werden.37 In Tab. 1 sind ausgewählte Bindungsabstände und -winkel zusammengefasst. Abb. 2.3 gibt ein Kugelstabmodell der Molekülstruktur von 10d wieder.
Bindungsabstände
N(1)-N(2) |
135.1(7) |
C(15)-C(10) |
143.4(9) | |
N(1)-C(10) |
134.6(8) |
C(14)-C(13) |
134.2(9) | |
N(2)-C(4) |
148.1(8) |
C(13)-C(12) |
142.4(10) | |
N(2)-C(20) |
142.8(8) |
C(12)-C(11) |
135.2(9) | |
C(3)-C(4) |
152.3(9) |
C(11)-C(10) |
145.1(9) | |
C(3)-C(15) |
137.5(9) |
C(11)-C(1) |
152.5(10) | |
C(3)-C(50) |
147.5(9) |
C(1)-C(2) |
126.9(11) | |
C(4)-C(60) |
151.3(8) |
C(1)-C(30) |
152.8(9) | |
C(15)-C(14) |
144.9(9) |
C(2)-C(40) |
146.4(11) |
Bindungswinkel
N(2)-N(1)-C(10) |
115.4(5) |
C(13)-C(12)-C(11) |
120.7(6) | |
N(1)-N(2)-C(4) |
120.2(5) |
C(12)-C(11)-C(10) |
117.8(6) | |
N(1)-N(2)-C(20) |
115.7(5) |
C(12)-C(11)-C(1) |
124.0(6) | |
C(4)-N(2)-C(20) |
123.8(5) |
C(10)-C(11)-C(1) |
117.8(5) | |
C(4)-C(3)-C(15) |
114.8(5) |
N(1)-C(10)-C(15) |
121.8(5) | |
C(4)-C(3)-C(50) |
117.2(5) |
N(1)-C(10)-C(11) |
115.3(5) | |
C(15)-C(3)-C(50) |
127.9(6) |
C(15)-C(10)-C(11) |
122.0(5) | |
N(2)-C(4)-C(3) |
104.5(5) |
N(2)-C(20)-C(25) |
119.5(6) | |
N(2)-C(4)-C(60) |
111.6(5) |
N(2)-C(20)-C(21) |
118.3(6) | |
C(3)-C(4)-C(60) |
113.7(5) |
C(25)-C(20)-C(21) |
122.1(6) | |
C(3)-C(15)-C(14) |
124.9(6) |
C(11)-C(1)-C(2) |
122.5(6) | |
C(3)-C(15)-C(10) |
118.4(5) |
C(11)-C(1)-C(30) |
115.3(6) | |
C(14)-C(15)-C(10) |
116.5(5) |
C(2)-C(1)-C(30) |
122.1(8) | |
C(15)-C(14)-C(13) |
119.7(6) |
C(1)-C(2)-C(40) |
128.8(8) |
Tabelle 2.2: Ausgewählte Bindungsabstände [pm] und -winkel [°] von 10d im Kristall
Abbildung 2.6: Struktur von 10d im Kristall
Unter regioselektiver Einschiebung zweier Moleküle Diphenylacetylen in zwei ortho-C-H-Bindungen eines Azobenzolphenylrings ist das 2,3-Dihydrocinnolin 10d entstanden, welches ein ortho-chinoides System enthält. Die Bindungsabstände und -winkel stimmen hervorragend mit den entsprechenden Daten des kürzlich von G. Halbritter und H. Kisch publizierten 2-(4-Chlorphenyl)-3,4-diphenyl-6-chlor-8-(trans-stilbenyl)-2,3-dihydrocinnolins (10e) überein und werden zum Vergleich in Klammern angeführt.26 Lauterwein et al. lieferten ein weiteres Beispiel für ein Cinnolinderivat, welches ein ortho-chinoides System enthält.38 Das ortho-chinoide System beginnt mit der Doppelbindung zwischen C10-N1 134.6 pm (132.9) und setzt sich über die Atome des benzoiden Rings mit C10-C11 145.1 (143.7), C11-C12 135.2 (135.5), C12-C13 142.4 (142.9), C13-C14 134.2 (135.5) und C14-C15 144.9 pm (141.9) fort, an den alternierenden Bindungsabständen gut erkennbar. Die zweite exocyclische Doppelbindung C15-C3 liegt mit 137.5 (138.3) ebenfalls in dem zu erwartenden Bereich. Das ortho-chinoide System ist nicht vollkommen planar, was durch die Interplanarwinkel von 6 bzw. 12° belegt wird, die die Ebene C10-C15 zu den Ebenen C10-C15-C3 bzw. C15-C10-N1 einnimmt, sodass beide exocyclische Doppelbindungen einen Winkel von 18° einschließen.
Der N-N-Abstand beträgt 135.1 pm und ist,
verglichen mit einer Einfachbindung (147 pm), erheblich verkürzt, woraus
auf eine Ausdehnung des konjugierten Systems über N2 geschlossen werden
kann. Einen weiteren Beleg hierfür stellt die Planarität des N2-Atoms,
die sich in den Bindungswinkeln N1-N2-C4 120.2°, C4-N2-C20 123.8°
und N1-N2-C20 115.7° ausdrückt, dar. Die von N2, N1, C4 und C20 aufgespannte
Ebene nimmt zu der Ebene des ortho-chinoiden Systems bzw. dem Phenylring C20-C25
einen Interplanarwinkel von 38 bzw. 30° ein. Die über N2 ausgedehnte
Konjugation wird ferner durch den vgl. mit einer C-N-Einfachbindung um etwa
4 pm verkürzten Abstand N2-C20 von 142.8 pm belegt. Der merklich verkürzte
Bindungsabstand C3-C50 mit 147.5 pm zeigt an, dass auch der Phenylring C50-C55,
der mit dem ortho-chinoiden System einen Interplanarwinkel von 49° einschließt,
zur Delokalisierung der Elektronendichte des Cinnolingerüsts beiträgt.
Die sp3-Hybridisierung von C4 folgt aus
den Bindungsabständen N2-C4 (142.8 pm), C4-C3 (152.3 pm), C4-C60 (151.3
pm) bzw. den Bindungswinkeln N2-C4-C3 (104.5°), C3-C4-C60 (113.7°)
und C60-C4-N2 116.6°, die alle Einfachbindungscharakter aufweisen bzw.
nur wenig vom Tetraederwinkel mit 109.5° abweichen. C4 liegt zudem ca.
65 pm oberhalb der durch C10-C15 definierten Ebene des Cinnolingerüsts.
Die Bindungslänge C1-C11 von 152.5 pm und der Interplanarwinkel von 112° belegen, dass der trans-Stilbenylsubstituent nur geringe Wechselwirkungen mit dem ortho-chinoiden System eingeht. Die Phenylringe C30-C35 bzw. C40-C45 sind um 29 bzw. 147° gegenüber der Vinyleinheit verdreht.
2.7 Umsetzung von 4,4’-Dichlorazobenzol mit Diphenylacetylen zu 15 und 10e
Aus der Umsetzung von 4,4’-Dichlorazobenzol
und Tolan in der Schmelze war die Bildung des 2,3-Dihydrocinnolins 10e
bekannt. Ein in THF geführter Ansatz sollte Erkenntnisse über den
Strukturtyp des dabei intermediär gebildeten 1:1-Addukts liefern.
Mit der Zugabe des CoH3(PPh3)3
zu einer Lösung der Edukte in THF trat die von der Bildung der 2,3-Dihydrocinnolinen
gewohnte Farbänderung nach tiefrot ein. Nach der Säulenchromatographie
verblieb ein dunkelroter, pulvriger Rückstand des 2:1-Addukts 10e
und ein rotes Öl des korrespondierenden 1:1-Addukts 2-(4-Chlorphenyl)-3,4-diphenyl-6-chlor-2,3-dihydro-cinnolin
(15), welches durch präp. HPLC von anhaftenden Substratresten befreit
wurde. Dieses Öl zeigte im FD-Massenspektrum den für ein 1:1-Addukt
charakteristischen Peak bei m/z = 429 und in der HPLC-Analyse einen identischen
Habitus der Peakfolge wie bei 14, wobei die Retentionszeiten 17.0, 19.3
(15) und 20.4 min betrugen.
2.8 Umsetzung von 4,4’-Dimethylazobenzol mit Diphenylacetylen zu 16 und 10f
Der schnelle Farbumschlag der orangen Lösung von Azotoluol und Tolan nach dunkelrot zeigte die erwartete Bildung eines 2,3-Dihydrocinnolins an. Nach der säulenchromatographischen Aufarbeitung des Rohproduktes verblieb ein dunkelroter, mikrokristalliner Rückstand (Rf = 0.61) des bis dato noch unbekannten 2-Tolyl-3,4-diphenyl-6-methyl-8-(trans-stilbenyl)-2,3-dihydrocinnolin (10f), dessen Kristallisation vermutlich aufgrund der beiden para-ständigen Methylgruppen nicht möglich war (s. Abschnitt 2.4). Die orangerote Fraktion von 2-Tolyl-3,4-diphenyl-6-methyl-2,3-dihydrocinnolin (16) (Rf = 0.77) wurde durch präparative HPLC weiter gereinigt, ihr FD-Massenspektrum zeigte den erwarteten Molekülpeak bei m/z = 389. Die HPLC-Analyse einer hochkonzentrierten Lösung von 16 (Rt = 13.0 min) zeigte die gleiche Peakabfolge wie 14.
2.9 Die 1H-NMR-Spektren der 1:1-Addukte 11-16
Von den durch Säulenchromatographie und präparative HPLC gereinigten 1:1-Addukten 11-16 wurden 1H-NMR-Spekten in CDCl3 aufgenommen. Ein Schema mit der verwendeten Atomnumerierung zeigt Abb. 2.7, die Bezeichnung 4-H steht dabei zum Beispiel für das an C-4 gebundene Wasserstoffatom. Ferner ist anzumerken, dass die Numerierung der NMR-Signale nicht mit der Atomnumerierung der Röntgenstrukturanalysen übereinstimmt.
Abbildung 2.7: Atomnumerierung der 2-(trans-Stilbenyl)azobenzole
Das 1:1-Addukt aus 3,5-Dichlorazobenzol und Diphenylacetylen 11 enthält 17 aromatische Wasserstoffatome sowie das Stilbenyl-H-Atom (chemische Verschiebung in trans-Stilben = 7.03 ppm (CDCl3)),39 die alle in einem breiten Multiplett von 7.53 - 6.74 ppm erscheinen, wobei eine detaillierte Zuordnung einzelner Signale aufgrund der geringen Unterschiede in den chemischen Verschiebungen der einzelnen 1H-Atome nicht möglich war. Das entsprechende Multiplett des difluorsubstituierten 1:1-Adduktes 12 erschien im Bereich von 7.59 - 6.90 ppm.
Abbildung 2.8: 1H-NMR-Spektrum von 13 in CDCl3 (270 MHz)
Das 1H-NMR-Spektrum des tetramethylsubstituierten
1:1-Addukts 13 hat aufgrund seiner NMR-aktiven Substituenten mehr Aussagecharakter
(Abb. 2.8). Die 15 aromatischen Protonen sowie das Stilbenyl-H-Atom 14-H erscheinen
als Multiplett von 7.35 - 6.87 ppm, wobei detaillierte Zuordnungen erneut nicht
möglich sind. Die Methylgruppe an C-5 (21’-H) erzeugt ein Singulett
bei 2.35 ppm, während die Methylgruppe an C-3 (21-H) ein Singulett bei
2.06 ppm hervorruft. Die isochronen Methylsubstituenten an C-9 bzw. C-11 (22-H/22’-H)
absorbieren bei 2.22 ppm und erzeugen ein Signal von doppelter Intensität.
Das Verhältnis der Integrationen der drei Methylsinguletts beträgt
1:2:1 und stimmt gut mit dem theoretischen Verhältnis von 3:6:3 überein.
Das aus unsubstituiertem Azobenzol gebildete 2,3-Dihydrocinnolin
14 besitzt 15 aromatische Phenyl-H-Atome, vier Protonen, die Bestandteil
des ortho-chinoiden Systems sind (3-H, 4-H, 5-H, 6-H), sowie das in diesem Fall
sp3-hybridisierte 14-H. Dennoch erscheint im 1H-NMR-Spektrum
ein einziges, breites Multiplett im Bereich von 7.75 - 6.97 ppm, das sich einer
weiteren Zuordnung entzieht. Das 4,4’-dichlorsubstituerte 1:1-Addukt 15
trägt dagegen nur 18 H-Atome, die alle im Bereich von 7.70 - 6.95 ppm absorbieren
und dabei ein breites Multiplett bilden. Im Gegensatz dazu erscheinen im 4,4’-dimethylsubstituierten
2,3-Dihydrocinnolin 16 neben dem Multiplett der aromatischen Wasserstoffatome
im Bereich von 7.68 - 6.98 noch die beiden Methylsignale an C-4 bzw. C-10 als
Singuletts, die sich jedoch in ihren chemischen Verschiebungen mit 2.32 bzw.
2.31 ppm nur marginal unterscheiden.
2.10 Die 13C-NMR-Spektren der 1:1-Addukte 11-16
Von den erstmals isolierten 1:1-Addukten 11-16 wurden wegen den in einigen Fällen wenig aussagekräftigen 1H-NMR-Spektren zusätzlich 13C-NMR-Spektren in CDCl3 aufgenommen. Anhand von Abbildung 2.9 wird exemplarisch das 13C-NMR-Spektrum des 2-(trans-Stilbenyl)-3,5-dichlorazobenzols (11) diskutiert. Charakteristische Abweichungen der anderen 1:1-Addukte werden anschliessend im Einzelnen erörtert. Um Aussagen über die relativen Verschiebungen treffen zu können, werden die 13C-NMR-Verschiebungen der Fragmente trans-Azobenzol sowie trans-Stilben als Standard herangezogen.39 Ein erster Vergleich zeigt bereits, dass keinerlei signifikante Änderungen in den Signallagen der Stilbenylphenylringe an C-13 bzw. C-14 erkennbar sind, sie werden deshalb nicht in die Diskussion mit einbezogen. Die in Klammern angegebenen Werte beziehen sich auf die Referenzwerte von trans-Azobenzol. In Tabelle 2.3 sind die charakteristischen 13C-NMR-Daten der 1:1-Addukte 11-16 aufgelistet.
C-1 |
C-2 |
C-6 |
C-7 |
C-13 |
C-14 |
C-15 |
C-15’ | |
11 |
152.4 |
135.9 |
115.1 |
152.3 |
141.7 |
131.7 |
136.9 |
137.3 |
12 |
152.5 |
124.3 |
99.4 |
152.4 |
142.6 |
132.6 |
137.2 |
132.1 |
13 |
150.9 |
138.4 |
113.7 |
153.2 |
143.4 |
129.7 |
137.5 |
137.7 |
14 |
150.8 |
140.1 |
116.3 |
152.8 |
143.9 |
131.9 |
140.2 |
137.3 |
15 |
149.0 |
142.0 |
117.6 |
151.1 |
143.3 |
131.7 |
138.4 |
136.8 |
16 |
148.8 |
141.4 |
116.0 |
151.1 |
144.0 |
132.0 |
140.8 |
137.4 |
Tabelle 2.3: Charakteristische 13C-NMR-Daten der 1:1-Addukte 11-16 (100 bzw. 67.7 MHz, Chloroform-d1, Atomnumerierung siehe Abb. 2.7) [ppm]
Abbildung 2.9: 13C-NMR-Spektrum des 2-(trans-Stilbenyl)azobenzols 11
Die ipso-phenylazosubstituierten Atome C-1
und C-7 absorbieren bei tiefstem Feld und weisen chemische Verschiebungen von
152.4 bzw. 152.3 ppm (152.5 ppm) auf, wobei der Hochfeld-Shift für das
C-1-Signal durch die ortho-ständige Stilbenylgruppe (-1.8 ppm) durch den
Tieffeld-Shift der beiden meta-ständigen Chlorsubstituenten (2 x +1.0 ppm)
ausgeglichen wird. Das 
-Stilbenyl-C-Atom
C-13 erscheint bei 141.7 ppm und ist, verglichen mit dem Wert in trans-Stilben
(123.3 ppm), wegen des Azobenzolsubstituenten um 18.4 ppm stark zu tieferem
Feld verschoben. Nach Anwendung der Inkrementregeln ergab sich für C-13
eine Signallage von 137.3 ppm, deren Abweichung vom gemessenen Wert im Rahmen
der üblichen Fehlergrenzen liegt. Eine ähnlich starke Tieffeldverschiebung
(13.2 ppm) erfährt das stilbenylsubstituierte C-2 mit einer chemischen
Verschiebung von 135.9 ppm (122.7), mit Hilfe des Inkrementsystems resultierte
ein Wert von 128.5 ppm. Anschliessend absorbieren C-3 und C-5 bei 135.3 bzw.
134.8 (128.8) ppm, deren Chlorsubstituenten (+6.4 ppm) den Tieffeld-Shift von
6.4 bzw. 6.0 ppm bewirken. Dagegen wird C-4 mit einer chemischen Verschiebung
von 132.0 ppm (130.7 ppm) nur wenig von den zahlreichen Substituenten beeinflusst.
Als nächstes erscheint C-14 bei 131.7 ppm, das durch den Azobenzolsubstituenten
weniger stark als C-13 tieffeldverschoben wird. Die 13C-Atome des
unsubstituierten Azobenzolphenylrings C-10 und die beiden isochronen Atompaare
C-9/C-11 bzw. C-8/C-12, die an ihren Signalen doppelter Intensität gut
zu erkennen sind, absorbieren bei 131.1 (130.7), 128.9 (128.8) bzw. 123.3 (122.7)
ppm und weisen nur marginale Veränderungen verglichen mit den Referenzwerten
von trans-Azobenzol auf. Das Signal bei höchstem Feld wird von C-6 mit
seiner chemischen Verschiebung von 115.1 (122.7) ppm hervorgerufen.
Im 13C-NMR-Spektrum von 12 werden
durch die beiden NMR-aktiven Fluorsubstituenten (+35.1 ppm) an C-3 bzw. C-5
und die dadurch bedingten starken C-F-Kopplungen komplexe Signalaufspaltungen
erzeugt, die resultierenden Signale lassen sich anhand ihrer Multiplizitäten
eindeutig zuordnen. So erscheinen C-3 bzw C-5 stark tieffeldverschoben als breit
aufgespaltene Dubletts vom Dublett bei 162.6 bzw. 160.6 ppm. C-1 absorbiert
bei 152.5 ppm als Triplett, während das quartäre C-2 als schwach aufgespaltenes
Dublett vom Dublett bei 124.3 ppm gefunden wird.
C-4 weist eine chemische Verschiebung von 105.9 ppm auf und erscheint als Triplett,
während C-6 erneut bei höchstem Feld bei 99.4 ppm als Dublett vom
Dublett angetroffen wird.
Bei 13 treten aufgrund der vier Methylsubstituenten
ebenfalls charakteristische Verschiebungen einzelner Signale auf, die eine eindeutige
Zuordnung der Signale ermöglichen. Die phenylazosubstituierten C-7 und
C-1 weisen in diesem Fall mit 153.2 bzw. 150.9 ppm im Gegensatz zu 11
bzw. 12 keine annähernd identischen chemischen Verschiebungen auf,
weil der Stilbenylsubstituent (-1.8 ppm) in 2-Position einen Hochfeld-Shift
für C-1 im ansonst symmetrischen 3,3’,5,5’-Tetramethylazobenzol
bewirkt. Die Methylgruppen an
C-9/C-11 bewirken laut Inkrementsystem eine Tieffeldverschiebung des entsprechenden
Signals um +9.3 ppm, welches folglich bei 138.3 ppm mit doppelter Intensität
erscheint. Analog absorbieren die methylsubstituierten C-5 bzw. C-3 stark tieffeldverschoben
bei 138.0 bzw. 136.9 ppm. Durch den positiven induktiven Effekt der Methylgruppen
an C-3 bzw. C-5 kann auch die Hochfeldverschiebung von C-14 um über 2 ppm
auf 129.7 ppm erklärt werden. Durch die ortho- bzw. para-ständigen
Methylgruppen werden zudem die Signallagen der Atome C-8/C-12 sowie C-6 um ca.
2 ppm zu höherem Feld auf 120.7 bzw. 113.7 ppm verschoben.
Das 2,3-Dihydrocinnolin 14 unterscheidet sich
von dem isomeren Strukturtyp der 2-(trans-Stilbenyl)azobenzole 11-13
hauptsächlich in den chemischen Verschiebungen der Atome C-2, C-15 und
C-6, die entweder Bestandteil des ortho-chinoiden Systems von 14 (C-2,
C-6) sind oder durch Wechselwirkung mit diesem (C-15, siehe Abschnitt 2.6)37
zustandekommen. Dabei werden C-2 bzw. C-15 um ca. 2 ppm auf 140.2 bzw. 140.4
ppm tieffeldverschoben. Auch C-6 erfährt einen ähnlichen Tieffeld-Shift
um ca. 2 ppm auf 116.3 ppm.
Das para-chlorsubstituierte 2,3-Dihydrocinnolin 15
weist als Besonderheit nur die auf die Chlorsubstituenten zurückzuführenden
Verschiebungen auf. So werden C-7 und C-1 um 2 ppm auf 151.1 und 149.0 ppm hochfeldverschoben,
während C-4 und C-10 durch das an sie gebundene Chloratom (+6.4 ppm) auf
130.0 und 137.2 ppm bei tieferem Feld erscheinen.
Analoge Beobachtungen werden bei 16 aufgrund
der beiden Methyl-substituenten gemacht, weshalb auf eine detaillierte Diskussion
verzichtet wird.
2.11 Die UV/Vis-Spektren der 1:1-Addukte 11-16
Weitere Aufschlüsse über den Strukturtyp
der 1:1-Addukte 11-16 können aus den UV/Vis-Spektren gewonnen werden.
Abbildung 2.10 zeigt die UV/Vis-Spektren der 2-(trans-Stilbenyl)azobenzole 11-13
in CH2Cl2, zum Vergleich ist das Spektrum des 2:1-Addukts
9c mit abgebildet. Die UV-/Vis-Spektren von 11-13 zeigen zwei
Banden, wobei die längerwelligere Bande ihr Maximum bei 455 nm (11,
= 400
M-1cm-1) bzw. vom UV/Vis-Spektrometer bei 12 und
13 aufgrund der geringen Intensität kein Maximum bei ca. 450 nm
mehr ausgewiesen wird. Diese Bande entspricht dem spinverbotenen und folglich
intensitätsschwachen n-*-Übergang
der Diazengruppe.40 Die kürzerwellige
Bande wird vermutlich durch die -*-Übergänge der Stilbenyl- bzw.
Azobenzolfragmente hervorgerufen und erscheint bei 302 nm (11, = 39000 M-1cm-1),
302 nm (12, =
23000 M-1cm-1) bzw. 306 nm (13,
= 11000
M-1cm-1). Der Habitus der Spektren von 11-13 sowie
des 2,6-Distilbenylazobenzols 9c26 stimmen gut überein.
Abbildung 2.10: UV/Vis-Spektren der Mono- (11-13) und Distilbenylazobenzole (9c) in CH2Cl2
Abbildung 2.11 zeigt dagegen die UV/Vis-Spektren
der 2,3-Dihydrocinnoline 14-16 sowie des korrespondierenden 2:1-Addukts
von 14, 10d. Die bei grösseren Wellenlängen liegende,
energetisch niedrigste Bande wird vermutlich durch die
-*-Übergänge
des ortho-chinoiden Systems hervorgerufen und erscheint bei 499 nm (14,
= 800 M-1cm-1),
505 nm (15, =
2200 M-1cm-1) bzw. 460 nm (16,
= 200 M-1cm-1). Dabei zeigt sich, dass ein
elektronenziehender Chlorsubstituent einen bathochromen Shift der Bande bewirkt,
während ein Methylsubstituent mit seinem +I-Effekt einen hypsochromen Shift
des Absorptionsmaximums verursacht.
Abbildung 2.11: UV/Vis-Spektren der 2,3-Dihydrocinnoline 14-16 und 10d in CH2Cl2
Das kürzerwellige Maximum wird vermutlich
durch die -*-Übergänge des Stilbenylsubstituenten verursacht und
im UV-Bereich bei 300 nm (14, = 23000 M-1cm-1), 309 nm (15, = 22000 M-1cm-1)
bzw. 305 nm (16,
= 11000 M-1cm-1) gefunden. Ein Vergleich der UV/Vis-Spektren
der 1:1-Addukte 14-16 mit dem des 2:1-Adduktes 10d zeigt, dass
die Bandenlagen gut übereinstimmen, wobei die durch das ortho-chinoide
System von 10d hervorgerufene langwellige Bande bei 511 nm mit = 13000 M-1cm-1
einen um, verglichen mit den 1:1-Addukten 14-16, ein Vielfaches höheren
Extinktionskoeffizienten aufweist.
2.12 Zur Photochromie der 1:1-Addukte 14-16
Die Photochromie chemischer Verbindungen beruht auf einer Farbänderung bei der Bestrahlung mit Licht. Die auftretende Farbänderung wird meist durch intramolekulare Reaktionen ausgelöst, wie z. B. photolytisch induzierte Z-E-Isomerisierungen oder elektrocyclische Reaktionen sowie Tautomerisierungs- und Dissoziationsprozesse, wobei die elektrocyclischen Reaktionen den bedeutenderen Anteil einnehmen.41Von den 2,3-Dihydrocinnolinen 10b, 10d
und 10e war bekannt, dass sie photochromes Verhalten zeigen.26
Anhand der nun isolierten Intermediate 14-16 der cobaltkatalysierten
Umsetzung von Azobenzolderivaten mit Diphenylacetylen sollte dieses Verhalten
erneut untersucht werden. Belichtet man stark verdünnte Lösungen (c
< 10-3 mol/l) des 2,3-Dihydrocinnolins 14 eine Minute mit
einer 12V/20W-Laborhandlampe (
> 375 nm), schlägt die anfangs rote Farbe nach gelb um. Während
der Belichtung wird die C-N-Bindung zwischen der 2- und 3-Position des Cinnolingerüsts
gespalten und es resultiert 17 (Abb. 2.12).
Abbildung 2.12: Zur Photochromie von 14
Läßt man nach beendeter Belichtung die Lösung ungefähr 80 min bei RT stehen, isomerisiert sie in einer thermischen Reaktion zurück zu 14, wobei ein Farbumschlag von gelb nach rot erfolgt. Abbildung 2.13 zeigt das an 14 in Methylenchlorid durchgeführte Photochromieexperiment. Direkt nach dem Belichten liegt hauptsächlich 2-(trans-stilbenyl)azobenzol 17 vor. Folglich hat die Extinktion bei 499 nm aufgrund des nicht mehr gegebenen und vermutlich für diese Bande verantwortlichen ortho-chinoiden Systems stark abgenommen (Spektrum 1). Nach 5 min (Spektrum 2) hat die Absorbanz bereits wieder deutlich zugenommen, noch stärker nach 10, 15, 20, 25, 35 und 45 min (Spektren 3-8). Spektrum 9 (nach 80 min) ist identisch mit der Ausgangssituation vor dem Belichten (Spektrum 0). Das Auftreten eines in dieser Vergrösserung nicht mit abgebildeten isosbestischen Punktes 42 bei 358 nm zeigt das Vorliegen einer einheitlich verlaufenden Reaktion an, d. h. die Extinktion bei einer bestimmten Wellenlänge und die Summe der Konzentrationen der beiden Strukturisomere 14 und 17 ist über den gesamten Reaktionszeitraum konstant, wodurch Neben- und Folgereaktionen ausgeschlossen werden, sofern sie zu Produkten führen, die bei dieser Wellenlänge nicht absorbieren.
Abbildung 2.13: Untersuchung der Photochromie von
14 in CH2Cl2: Die unterste Kurve (Spektrum 1) ergibt
sich unmittelbar nach beendetem Belichten (12V/20W Halogenlampe, 90 sec, > 375 nm). Die darüberliegenden
Spektren (2-9) wurden jeweils nach 5, 10, 15, 20, 25, 35, 45 und 80 min aufgenommen
und zeigen eine deutliche Zunahme der Extinktion bei = 499 nm. Spektrum 9 ist
mit der Ausgangssituation vor dem Belichten (Spektrum 0) identisch.
-*-Übergange
des ortho-chinoiden Systems stark von den elektronischen Eigenschaften der Substituenten
der 2,3-Dihydrocinnoline abhängt.
2.13 Die Isomerisierung der 1:1-Addukte 11-16
zu den
N-Anilino-2,3-diphenylindolen 7, 18-22
-Alkenyl--aryl-Rhodiumkomplexes ist, welches
anschliessend ohne Beteiligung des Metalls säurekatalysiert in der Hitze
zum eigentlichen Endprodukt, einem N-Anilinoindol, isomerisiert.27
Durch die in Diethylether bzw. THF mögliche
cobaltkatalysierte Umsetzung der Substrate in Lösung, die anschliessende
Aufarbeitung durch Säulenchromatographie und präparative HPLC konnten
diese intermediär gebildeten 2-(trans-Stilbenyl)azobenzole 11-13
bzw. die 2,3-Dihydrocinnoline 14-16 abgefangen und in reiner Form isoliert
werden. Damit wurde die Möglichkeit eröffnet, die Frage zu klären,
ob das Übergangsmetall Einfluss auf die Isomerisierung des 1:1-Addukts
zum N-Anilinoindol wie z. B. 7 hat sowie Rückschlüsse über
den Reaktionsmechanismus dieser Isomerisierung zu erhalten.
Deshalb wurde das aus Azobenzol und Tolan gebildete
2,3-Dihydrocinnolin 14 unter den experimentellen Bedingungen der rhodiumkatalysierten
Indolsynthese, d. h. in 1-Butanol mit katalytischen Mengen an Essigsäure
bei 100 - 117 °C, eingesetzt. Dabei zeigte sich bis ca. 80 °C visuell
keinerlei Reaktion, bei 100 °C trat binnen 5 min eine Aufhellung der orangen
Reaktionslösung nach hellgelb ein, die unter der UV-Lampe (exc = 366 nm) eine intensive,
blaue Fluoreszenz zeigte, welche charakteristisch für die Bildung des Indols
7 ist (Abbildung 2.14).
Abbildung 2.14: Isomerisierung des intermediär gebildeten 2-(trans-Stilbenyl)-azobenzols (17) zum N-Anilino-2,3-diphenylindol (7)
Dies war der Beweis dafür, dass die Isomerisierung des 1:1-Addukts zum N-Anilinoindol ohne Beteiligung eines Übergangsmetalls abläuft. Das Fortschreiten dieser Isomerisierung wurde mittels analytischer HPLC verfolgt. Dabei zeigte sich, dass die HPLC-Signale von 14 bei 8.6, 10.2 und 12.4 min sehr stark zurückgehen (Area = 1.8 x 104), während N-Anilino-2,3-diphenylindol (7) zum Hauptprodukt der Reaktion bei 5.5 min (Area = 4.7 x 106) wurde. Von der rhodiumkatalysierten Indolsynthese war bekannt, dass bei der Umsetzung von 3,5-Dichlorazobenzol mit Tolan ein Indol gebildet wird, bei dem der nicht halogenierte Phenylring des Diazens orthometalliert wurde, d. h. die Chlorsubstituenten befinden sich am Anilinorest.27 Bei der cobaltkatalysierten Umsetzung dieser Substrate entsteht jedoch ausschliesslich das 2-(trans-Stilbenyl)azobenzol 11, bei dem der halogenierte Azobenzolphenylring orthometalliert wurde. Folglich wurde 11 in 1-BuOH/HOAc auf 110 °C erhitzt, um zu untersuchen, ob durch den Einsatz des Katalysators CoH3(PPh3)3 neue Indole synthetisiert werden können, die in der Rhodiumkatalyse nicht zugänglich sind. Dabei zeigte sich, dass der für 11 charakteristische HPLC-Peak bei 13.9 min sehr stark zurückging, während der anfangs nur in Spuren vorhandene Peak des Isomerisierungsprodukts 18 stark zunahm. Das FD-Massenspektrum von N-Anilino-2,3-diphenyl-4,6-dichlorindol (18) zeigte den mit 11 identischen Molekülpeak bei m/z = 428. Der Unterschied zu der Isomerisierung von 14 war die bedeutend längere Reaktionszeit von 2.5 h. Generell lässt sich feststellen, dass die Isomerisierung eines 2-(trans-Stilbenyl)azobenzols mindestens zwei Stunden dauert, während die analoge Reaktion eines 2,3-Dihydrocinnolins bereits nach 30 min abgebrochen werden kann. Mit der Isomerisierung von 11 zu 18 wurde ein neues Indol synthetisiert, das die beiden Chlorsubstituenten in 4- bzw. 6-Position des Indolgerüsts trägt und nicht wie in der Rhodiumkatalyse am Anilinorest.
Abbildung 2.15: Übersicht über die durch Isomerisierung der 1:1-Addukte 11-16 erhaltenen N-Anilino-2,3-diphenylindole 7, 18-22
In der Reaktion von 3,5-Difluorazobenzol und Tolan mit RhCl(PPh3)3 wurde als Reaktionsprodukt ein Gemisch zweier Indole im Verhältnis von 16/3 erhalten, das zum einen nicht weiter aufgetrennt werden konnte und zum anderen das Hauptprodukt die beiden Fluorsubstituenten wiederum im Anilinorest trug.43 Durch die cobaltkatalysierte, regioselektive Reaktion dieser Substrate zu 12 wurde die Möglichkeit eröffnet, ein fluorsubstituiertes Indolderivat zu erhalten, wobei die beiden Fluoratome sich direkt am Indolgerüst befinden. Dazu wurde eine Lösung von 12 in 1-BuOH/HOAc auf 120 °C erhitzt und die Reaktion HPLC-analytisch verfolgt. Dabei wurde erneut ein Rückgang des HPLC-Peaks von 12 auf Kosten des stark anwachsenden Peaks des N-Anilino-2,3-diphenyl-4,6-difluorindols (19) beobachtet, wobei die annähernd vollständige Isomerisierung 2.5 h und eine um 20 °C höhere Reaktionstemperatur, verglichen mit 14, benötigte. Das EI-Massenspektrum von 19 zeigte bei m/z = 396 den erwarteten Molpeak, die Signale bei m/z = 358 sowie m/z = 319 entsprachen charakteristischen Fragmenten nach Abspaltung zweier Fluoratome bzw. nach Abspaltung eines Phenylrings. Der Beweis für die Bildung des neuen Indols 19 war der Peak bei m/z = 304, der aus der Abspaltung des unsubstituierten Anilinorestes resultiert.Setzt man das in der Rhodiumkatalyse nicht reaktive 3,3’,5,5’-Tetramethylazobenzol mit Tolan und CoH3(PPh3)3 um, entsteht das 2-(trans-Stilbenyl)azobenzol 13. Die Isomerisierung von 13 in 1-BuOH/HOAc bei 110 °C benötigt 2 h und ergibt das bis dato unbekannte 1-(3,5-Dimethylanilino)-2,3-diphenyl-4,6-dimethylindol (20), wie durch den mit 13 identischen Molekülpeak im FD-Massenspektrum bei m/z = 416 und die Verschiebung des HPLC-Signals von Rt = 22.2 auf Rt = 8.4 min angezeigt wird (Abbildung 2.16).
Abbildung 2.16: HPLC-Reaktionsverfolgung der Isomerisierung von 13 nach 20 in 1-BuOH/HOAc (a) t = 0 min (20 °C), b) t = 1 h (110 °C), c) t = 2 h (110 °C))
Die symmetrischen Diazene 4,4-Dichlorazobenzol bzw. 4,4-Dimethylazobenzol ergeben, eingesetzt in der rhodiumkatalysierten Indolsynthese, in Ausbeuten von 26 bzw. 24 % die entsprechenden N-Anilinoindole.27 Die analogen Umsetzungen mit CoH3(PPh3)3 resultieren in den 2,3-Dihydrocinnolinen 15 bzw. 16. Isomerisiert man 16 in 1-BuOH/HOAc bei nur 100 °C zum 1-(Toluidino)-2,3-diphenyl-5-methylindol (22), sind bereits nach 30 min noch ca. 10 % und nach 1 h nur noch 3 % der Anfangskonzentration von 16 vorhanden. Dies zeigt eine erhöhte Labilität des 2,3-Dihydrocinnolins 16, verglichen mit den 2-(trans-Stilbenyl)azobenzolen 11-13 an. Ein analoges Verhalten trat bei der Isomerisierung von 15 zum 1-(4-Chloranilino)-2,3-diphenyl-5-chlorindol (21) auf. Der Nachweis für die Bildung der Indole 21 bzw. 22 wurde mittels Vergleichsmessungen an der analytischen HPLC durchgeführt. Zuerst wurde eine Probe des Reaktionsproduktes der Isomerisierung von 15 bzw. 16. eingespritzt, direkt im Anschluss daran wurde eine elementaranalysenreine Vergleichsprobe der aus der Rhodiumkatalyse erhaltenen Indole 21 bzw 22 injiziert. Dabei wurden für 21 identische Retentionszeiten von 8.45 bzw. 8.48 min, für 22 entsprechend 7.15 bzw. 7.17 min detektiert.2.14 Diskussion der Reaktivität einzelner 1,2-Diaryldiazenderivate
Der Grund für die unterschiedliche Reaktivität der einzelnen Diazene in der cobalt- bzw. rhodiumkatalysierten Umsetzung mit Diphenylacetylen könnte in den Van-der-Waals-Radien der einzelnen Diazensubstituenten liegen. Diese betragen für eine Methylgruppe 200 pm, für einen Chlorsubstituenten 180 pm, während ein Fluoratom bzw. ein Wasserstoffatom einen Van-der-Waals-Radius von 135 bzw. 120 pm aufweist.44 In 3,5-Dichlorazobenzol bzw. 3,3’,5,5’-Tetramethylazobenzol, in denen das Diazen sterisch anspruchsvolle Substituenten in meta-Position trägt, findet mit RhCl(PPh3)3 als Katalysator die Orthometallierung entweder am unsubstituierten Phenylring des 1,2-Diaryldiazens bzw. überhaupt nicht statt. Dagegen werden in der Cobaltkatalyse in beiden Fällen in der Schmelze bei 85 °C die 2:1-Addukte 9a, 9c wie auch in Lösung ein Gemisch der 2:1-Addukte 9a, 9c und der 1:1-Addukte 11, 13 in hohen Ausbeuten isoliert, wobei im Falle des 3,5-Dichlorazobenzols ausschliesslich der halogensubstituierte Phenylring orthometalliert wurde.
Abbildung 2.17: Vergleich der Orthometallierungsspezies in der Rhodium- und in der Cobalt-Katalyse
Die höhere sterische Selektivität der rhodiumkatalysierten Reaktion hat ihre Ursache im Orthometallierungsschritt des Katalysezyklus, der am sterisch anspruchvolleren Komplex [RhCl(PPh3)(PhC2Ph)(PhN2Ph)] stattfindet. Dagegen ist die analoge Spezies im Cobalt-Katalysezyklus, [Co(PhC=CHPh)(PPh3)2(PhN2Ph)], die einen -gebundenen Stilbenylsubstituenten anstatt einem -gebundenen Alkinliganden trägt und zudem das kleinere Zentralmetall aufweist, sterisch etwas weniger überfrachtet (Abbildung 2.17). Die Grenze für den Van-der-Waals-Radius, bei dem auch in der rhodiumkatalysierten Reaktion die Orthometallierung des substituierten Azobenzolphenylrings möglich wird, liegt demnach bei ca. 135 pm, dem Van-der-Waals-Radius eines Fluorsubstituenten, bei dem erstmals in geringer Ausbeute das Indol 19 nachgewiesen, aber nicht in reiner Form isoliert werden konnte.43 Dagegen findet in der cobaltkatalysierten Reaktion in allen vier in Abbildung 2.17 aufgezeigten Fällen eine Orthometallierung statt, bei halogensubstituierten Diazenen sogar regioselektiv. Dies lässt sich mit einem nukleophilen Angriff des Cobalt-Zentralmetalls während des Orthometallierungsschrittes erklären, wobei es offenbar keine Ausnahmen gibt. Ein nukleophiler Angriff in der Orthometallierung von 3-Fluorazobenzol wurde auch für Mangan-Komplexe angenommen, während Palladium-Komplexe elektrophil reagieren.45 Beim analogen Angriff des Zentralmetalls in der Rhodiumkatalyse wird ebenfalls von einem nukleophilen Reaktionsmechanismus ausgegangen, wobei wie im Falle von 3,5-Dichlor- bzw. 3,5-Difluorazobenzol nicht die elektronischen Eigenschaften des Diazens, sondern die sterischen Eigenschaften ausschlaggebend für den Ort der Orthometallierung sind. Nach erfolgter Orthometallierung und Bildung eines 2-(trans-Stilbenyl)azobenzols ist eine Isomerisierung zum korrespondierenden N-Anilinoindol nach diesen Ergebnissen offensichtlich ohne Einschränkung möglich.2.15 Die NMR-Spektren der N-Anilino-2,3-diphenylindole 18-20
Von den durch Isomerisierung der zugrundeliegenden 1:1-Addukte 11-13 erhaltenen, mit hochfunktionalisierten Indolgrundkörpern ausgestatteten Verbindungen 18-20 wurden in CDCl3 1H-, 13C-, 1H-1H-COSY- und 1H-13C-COSY-NMR-Spektren aufgenommen und mit den von U. Aulwurm und U. Melchinger charakterisierten Indolen verglichen oder anhand von Inkrementsystemen berechnet.27,39 Abbildung 2.18 zeigt die Atomnumerierung der 1-Arylaminoindole. Dabei werden die Wasserstoffatome der Phenylringe an C-2 und C-3 aufgrund ihrer marginalen Änderungen ihrer chemischen Verschiebungen bei der Diskussion ausser Acht gelassen. Zum Vergleich werden die chemischen Verschiebungen der 1H- und 13C-Atome des aus 4-Chlorazobenzol und Tolan erhaltenen Indols in Klammern angeführt, wobei sich der Chlorsubstituent in 5-Position des Indolgerüsts befindet.
Abbildung 2.18: Atomnumerierung der N-Anilinoindole 18-20
Abbildung 2.19 zeigt den aromtischen Bereich des 1H-NMR-Spektrums von 18. Man erkennt ein breites Multiplett im Bereich von 7.34 - 7.10 (7.50 - 7.18) ppm, in dem die Wasserstoffatome 5-H, 11-H, 13-H sowie die zehn Phenyl-H-Atome absorbieren. Bei 6.90 (6.78) ppm erscheint 12-H als Triplett, gefolgt von 7-H, das wegen des direkt benachbarten Chlorsubstituenten ein Singlett bei 6.84 ppm bildet. Das Anilinowasserstoffatom 8-H wird aufgrund des Lösungsmittels CDCl3 bei 6.58 ppm als verbreitertes Signal angetroffen, während es bei den von Aulwurm und Melchinger in Aceton-d6 aufgenommenen Indol-NMR-Spektren im Bereich von 9.0 - 8.3 ppm angetroffen wird.27 Der Grund hierfür dürfte in den unterschiedlich starken Wasserstoffbrückenbindungen zwischen 8-H und dem betreffenden Lösungsmittel liegen, die in Aceton-d6 bedeutend stärker sind als in CDCl3 und deshalb zu dieser Tieffeldverschiebung von 8-H führen.46 Bei höchstem Feld absorbieren 10-H/14-H als Dublett von doppelter Intensität bei 6.48 (6.49) ppm.
Abbildung 2.19: Aromatenbereich des 1H-NMR-Spektrums von 18 in CDCl3 (270 MHz)
Das 1H-NMR-Spektrum von 19 kann wegen der 1H-19F-Kopplungen zweifelsfrei zugeodnet werden. Nach dem Multiplett von 11-H, 13-H sowie der Phenylprotonen an C-2 und C-3 wird 12-H als Triplett bei 6.89 ppm angetroffen. Anschliessend erscheint 7-H als Dublett vom Dublett bei 6.85 ppm, gefolgt von 5-H als Dublett vom Triplett bei 6.66 ppm. Das Anilino-H-Atom 8-H absorbiert als breites Singlett bei 6.53 ppm und weist zudem im 1H-13C-COSY-NMR-Spektrum keinerlei Kopplungen auf. Bei höchstem Feld werden die isochronen 10-H/14-H mit einer chemischen Verschiebung von 6.48 ppm als Dublett angetroffen. Der aromatische Bereich im 1H-NMR-Spektrum von 20 weist keine neuen Besonderheiten auf. Im aliphatischen Bereich erscheinen zusätzlich die Signale der Methylgruppen 22’-H, 23-H/23’-H und 22-H bei 2.37, 2.20 und 2.14 ppm im erwarteten Verhältnis von 1:2:1. Das 13C-NMR-Spektrum von 18 ist in Abbildung 2.20 dargestellt. Bei tiefstem Feld erscheint das ipso-C-Atom des Anilinorestes C-9 mit einer chemischen Verschiebung von 147.3 (148.7) ppm, gefolgt von dem quartären C-2 bei 140.4 (140.1) ppm und dem annellierten C-7a bei 138.5 (135.8) ppm. Bei 130.2 (130.0) ppm absorbieren die isochronen C-11/C-13 mit doppelter Intensität, anschliessend die chlorsubstituierten C-Atome C-6 und C-4 bei 129.5 (123.7) bzw. 129.2 (119.4) ppm, die wegen der entschirmenden Cl-Atome um über 6 ppm zu tieferem Feld verschoben sind. Bei 127.9 (127.4) ppm erscheint das wenig intensive Signal des quartären C-3a. C-5 absorbiert bei 123.3 (127.1, Cl-substituiert) ppm und ist wegen der beiden ortho-Chloratome, verglichen dem Wert von C-5 in 7 (121.8 ppm), um ca. 2 ppm tieffeldverschoben. Die noch fehlenden C-Atome des Anilinorestes, C-12 bzw. die isochronen C-10/C-14, werden bei 122.1 (121.0) bzw. 113.3 (113.0) ppm angetroffen, dazwischen befindet sich bei 115.9 (113.1) ppm noch das Signal des quartären C-3. Das Signal mit der geringsten chemischen Verschiebung von 109.4 (112.5) ppm ist C-7 zuzuordnen, das wegen des para-ständigen Cl-Atoms um weitere 3 ppm hochfeldverschoben wurde.
Abbildung 2.20: 13C-NMR-Spektrum von 18 in CDCl3 (67.7 MHz)
Die Zuordnung der Signale im 13C-NMR-Spektrum von 19 wird erneut durch die starken C-F-Kopplungen erleichert, wobei die darauf zurückzuführenden Hoch- und Tieffeld-Shifts dem gleichen Trend wie bei der Diskussion von 12 folgen, weshalb auf eine ausführliche Diskussion an dieser Stelle verzichtet werden soll. Gleiches gilt im Prinzip für 20, wobei hier die vier methylsubstituierten C-Atome, die isochronen C-11/C-13, C-4 bzw. C-6 wegen der CH3-Substituenten auf 137.3, 128.4 bzw. 128.0 ppm stark tieffeldverschoben wurden.2.16 Kinetische Untersuchungen an 14
Die Isolierung der 1:1-Addukte aus der cobaltkatalysierten Umsetzung von 1,2-Diaryldiazenen und Diphenylacetylen, die 2-(trans-Stilbenyl)azobenzole 11-13 und die 2,3-Dihydrocinnoline 14-16, die auch in der rhodiumkatalysierten Indolsynthese als Intermediate postuliert werden und bereits zu den N-Anilino-indolen 7, 18-22 isomerisiert werden konnten (s. Abschnitt 2.13), eröffnete die Möglichkeit, die Kinetik dieser Umlagerung zu untersuchen und daraus Rückschlüsse über den relevanten Isomerisierungsmechanismus zu ziehen. Zur Bestimmung der Reaktionskinetik sollten die Reaktionsordnungen, die Geschwindigkeitskonstanten, deren Temperaturabhängigkeit und daraus die Aktivierungsparameter ermittelt werden. Dies wurde exemplarisch an 14 in einer thermostatisierten, essigsauren 1-butanolischen Lösung durchgeführt. Um die Reaktionsordnungen bezüglich 14 und Essigsäure zu bestimmen, wurde die Methode der Anfangsgeschwindigkeiten angewandt.47,48 Dazu wurde die Produktbildungsgeschwindigkeit von 7 als Funktion ansteigender Konzentrationen von 14 und HOAc gemessen, wobei die Probennahme 15, 30, 45 und 60 min nach Reaktionsbeginn durchgeführt wurde.Der gewählte Standardansatz waren 6.94 
mol 14, die in 0.5 ml 1-BuOH gelöst
und anschliessend zu einem auf 80.0 
0.1 °C thermostatisierten Gemisch von 6.94
mol HOAc und 9.5 ml 1-BuOH gegeben wurde, d. h. äquimolare
Mengen an 14 und HOAc. Ausgehend hiervon wurde die Konzentration von
14 oder von HOAc unter Konstanz aller anderen Reaktionsparameter variiert.
Die Reaktionstemperatur wurde auf 80 °C festgelegt, um eine möglichst
genaue Reaktionsverfolgung zu ermöglichen; bei der in der Indolsynthese
sonst üblichen Standardtemperatur von 110 °C wäre der Reaktionsfortschritt
für eine korrekte Bestimmung der Anfangsreaktionsgeschwindigekeit zu schnell.
Eine Auftragung des Logarithmus der Anfangsreaktionsgeschwindigkeit der Bildung
von 7 gegen den Logarithmus der Konzentration der variierten Komponente
sollte eine Gerade ergeben, deren Steigung unmittelbar der gesuchten Reaktionsordnung
dieser Komponente entspricht.
2.16.1 Bestimmung der Reaktionsordnungen
Zur Bestimmung der Reaktionsordnung bezüglich 14 wurde dessen Konzentration von 0.374 - 1.39 mmol/l variiert (Tabelle 2.4).
Molverhältnis 14/HOAc |
0.50 |
0.70 |
1.00 |
1.50 |
2.00 |
[14] [10-4 mol/l] |
3.47 |
4.86 |
6.94 |
1.04 |
1.39 |
log [14] |
-3.46 |
-3.31 |
-3.16 |
-2.98 |
-2.86 |
d[P]/dt [10-8 mol l-1 s-1] |
3.54 |
4.52 |
6.12 |
9.52 |
12.8 |
log (d[P]/dt) |
-7.45 |
-7.34 |
-7.21 |
-7.02 |
-6.89 |
Tabelle 2.4: Abhängigkeit der Anfangsreaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration von 14
Abbildung 2.21 zeigt die resultierende doppelt logarithmische Auftragung der Anfangsreaktionsgeschwindigkeit von 7 gegen die Konzentration von 14. Aus der Steigung der resultierenden Geraden ergibt sich unmittelbar die Reaktionsordnung bezüglich 14. Durch eine lineare Regressionsrechnung erhält man für die Steigung einen Wert von 0.94 mit einer Standardabweichung von 0.02. 14 reagiert demnach nach erster Ordnung.
Abbildung 2.21: Graphische Ermittlung der Reaktionsordnung bezüglich 14 (Korrelationskoeffizient = 0.997)
Zur Bestimmung der Reaktionsordnung bezüglich Essigsäure wurde deren Konzentration von 0.173 - 50.0 mmol/l variiert (Tabelle 2.5). Die HOAc-Konzentration wurde bis zum 72-fachen der Konzentration an 14 erhöht, um in den von U. Melchinger bei der kinetischen Analyse des Systems Azobenzol/ Diphenylacetylen/RhCl(PPh3)3/HOAc bezüglich Essigsäure untersuchten Konzentrationsbereich von 2 - 100 mmol/l zu gelangen.27,49 Dabei konnte keinerlei Abhängigkeit der Produktbildungsgeschwindigkeit von der HOAc-Konzentration festgestellt werden, d. h. die rhodiumkatalysierte Indolbildung verläuft nach nullter Ordnung bezüglich Essigsäure.
Molverhältnis HOAc/14 |
0.25 |
0.50 |
1.00 |
1.50 |
2.00 |
7.20 |
14.4 |
72.1 |
[HOAc] [10-3 mol/l] |
0.173 |
0.347 |
0.694 |
1.04 |
1.39 |
5.00 |
10.0 |
50.0 |
log [HOAc] |
-3.76 |
-3.46 |
-3.16 |
-2.98 |
-2.86 |
-2.30 |
-2.00 |
-1.30 |
d[P]/dt [10-8 mol l-1 s-1] |
1.90 |
2.88 |
4.25 |
5.83 |
6.47 |
15.0 |
23.8 |
64.5 |
log (d[P]/dt) |
-7.72 |
-7.54 |
-7.37 |
-7.23 |
-7.19 |
-6.82 |
-6.62 |
-6.19 |
Tabelle 2.5: Abhängigkeit der Anfangsreaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration von HOAc
Die daraus resultierende doppelt logarithmische Auftragung der Anfangsreaktionsgeschwindigkeit gegen die Konzentration von HOAc ergibt wieder eine Gerade, aus deren Steigung die Reaktionsordnung von Essigsäure ermittelt werden kann (Abbildung 2.22). Nach einer linearen Regressionsrechnung erhält man einen Wert von 0.63 0.016. Die gebrochene Reaktionsordnung von 0.6 bezüglich
Essigsäure kann mit dem Auftreten von Folgereaktionen der bei der Protonierung
auftretenden Spezies erklärt werden.
Abbildung 2.22: Graphische Ermittlung der Reaktionsordnung bezüglich Essigsäure (Korrelationskoeffizient = 0.999)
Aus den ermittelten Reaktionsordnungen bezüglich 14 und Essigsäure ergibt sich für die Isomerisierung des 2,3-Dihydrocinnolins 14 zum N-Anilino-2,3-diphenylindol 7 folgendes Geschwindigkeitsgesetz (Gleichung 1):d[P]/dt = kcat [14][HOAc]0.6 (Gl. 1)
Aus Gleichung 1 resultiert aus der gebrochenen Reaktionsordnung von n = 1.6 für die Dimension der Geschwindigkeitskonstanten k:50[(l mol-1)n-1 s-1] = [(l mol-1)0.6 s-1]
2.16.2 Bestimmung der Aktivierungsparameter
Das im vorherigen Abschnitt experimentell ermittelte Geschwindigkeitsgesetz (Gl. 1) ermöglicht bei gegebenen Konzentrationen der Reaktanden die Bestimmung der Geschwindigkeitskonstanten k. Aus der Temperaturabhängigkeit von k lässt sich zum einen über die Arrhenius-Gleichung die Aktivierungsenergie Ea der Isomerisierung von 14 zu 7 (Gleichung 2) berechnen, zum anderen lässt sich die Standardaktivierungsentropie S aus der Eyring-Gleichung (Gleichung 3) und der Gibbs-Helmholtz-Beziehung (Gleichung 4) ermitteln, wobei G die Freie Aktivierungsenthalpie und H die Aktivierungsenthalpie der Reaktion ist.51,52k = A e-Ea/RT
(Gl. 2)
k = (kBT/h) e-
G
/RT (Gl. 3)
G
= H - T S
(Gl. 4)
H = Ea - RT
S = R (ln A - ln kB
+ ln h - ln T - 1)
S ermittelt werden.
T [K] |
343 |
348 |
353 |
358 |
363 |
T-1 [10-3 K-1] |
2.92 |
2.87 |
2.83 |
2.79 |
2.75 |
d[P]/dt [10-8 mol l-1 s-1] |
3.33 |
4.56 |
6.02 |
7.92 |
9.78 |
kcat [10-3 (l/mol)0.6 s-1] |
3.77 |
5.16 |
7.05 |
8.97 |
11.1 |
ln kcat |
-5.58 |
-5.27 |
-4.96 |
-4.71 |
-4.50 |
Tabelle 2.6: Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten kcat der säurekatalysierten Isomerisierung von 14 zu 7
Um den Einfluss der Essigsäure bei der Umlagerung von 14 zum Indol 7 zu untersuchen, wurde versucht, das 2,3-Dihydrocinnolin 14 in reinem 1-Butanol ohne Zugabe von HOAc im gleichen Temperaturbereich von 70 - 90 °C zu 7 zu isomerisieren. Dabei ging die Anfangsreaktionsgeschwindigkeit bei der entsprechenden Temperatur erwartungsgemäss auf ca. 25 % des Wertes der säurekatalysierten Isomerisierung zurück. Zudem ergaben sich für die Geschwindigkeitskonstante k der unkatalysierten Umlagerung aufgrund des vereinfachten Geschwindigkeitsgesetzes (Gl. 1), bei dem der Faktor [HOAc]0.6 entfällt, um zwei Grössenordnungen niedrigere Werte. Die gemessenen Werte zeigt Tabelle 2.7, deren graphische Darstellung Abbildung 2.23 (B).
T [K] |
343 |
348 |
353 |
358 |
363 |
T-1 [10-3 K-1] |
2.92 |
2.87 |
2.83 |
2.79 |
2.75 |
d[P]/dt [10-8 mol l-1 s-1] |
0.793 |
1.17 |
1.36 |
1.97 |
2.22 |
k [10-5 s-1] |
1.14 |
1.69 |
1.95 |
2.84 |
3.20 |
ln k |
-11.38 |
-10.99 |
-10.84 |
-10.47 |
-10.35 |
Tabelle 2.7: ‘Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten k der nicht säurekatalysierten Isomerisierung von 14 zu 7
Die Auftragung von ln kcat bzw. ln k gegen 1/T ergibt in beiden Fällen eine Gerade mit negativer Steigung. Nach Einsetzen der Werte in die Arrhenius-Gleichung bzw. die Gleichung für die AktivierungsentropieS ergibt sich für die
säurekatalysierte Isomerisierung:
Ea
= 56 9 kJ mol-1
Für 25 °C:
S
= - 136
7 J mol-1 K-1
Für die Umlagerung von 14 zu 7 in Abwesenheit von Essigsäure ergeben sich folgende Aktivierungsparameter:
Ea = 54 3 kJ mol-1
Für 25 °C:
S
= - 191
14 J mol-1 K-1
Abbildung 2.23: Arrhenius-Auftragung für die (A) säurekatalysierte Isomerisierung ([HOAc] = 6.94 x 10-4 mol l-1, Korrelations-koeffizient = 0.997) und (B) unkatalysierte Isomerisierung (Korrelationskoeffizient = 0.988) von 14 (6.94 x 10-4 mol l-1) zu 7 in 1-BuOH (70 - 90 °C)
Man erkennt bereits aufgrund der annähernd identischen Steigungen in Abbildung 2.23, dass die Aktivierungsenergien für die säurekatalysierte wie für die nicht säurekatalysierten Umlagerung im Rahmen der experimentellen Fehler identisch sind. Dagegen ist die Aktivierungsentropie für die HOAc-katalysierte Isomerisierung von 14 zu 7 positiver als der korrespondierende Wert für die nicht säurekatalysierte Isomerisierung.2.17 Der Reaktionsmechanismus der säurekatalysierten Isomerisierung des 1:1-Addukts 14 zum Indol 7
Abbildung 2.24 zeigt den Reaktionsmechanismus der säurekatalysierten Umlagerung von 17 zum N-Anilino-2,3-diphenylindol (7), wobei die Phenylsubstituenten aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurden.
Abbildung 2.24: Isomerisierungsmechanismus von 17 zu 7
Die rhodiumkatalysierte Indolsynthese führt nur dann zu N-Anilinoindolen, wenn der Ringschluss der aus dem Katalysezyklus resultierenden 2-(trans-Stilbenyl)azobenzole zu den 2,3-Dihydrocinnolinen nicht durch sterisch anspruchsvolle meta-Chlor- bzw. meta-Methylsubstituenten der Diazenkomponente verhindert wird.27 Deshalb kann davon ausgegangen werden, dass dieser Ringschluss von 17 nach 14 die Umlagerung einleitet. Bemerkenswert dabei ist die Bildung der N-Anilinoindole 18 und 20 (Abbildung 2.15) aus den 1:1-Addukten 11 und 13 bei einer Temperatur von 110 °C, obwohl aus der cobaltkatalysierten Umsetzung von beiden bekannt ist, dass sie bei 85 °C wegen der sterisch anspruchsvollen Chlor- bzw. Methylsubstituenten nicht zum korrespondierenden 2,3-Dihydrocinnolin isomerisieren. Deshalb wird angenommen, dass aufgrund der deutlich höheren Reaktionstemperatur geringe Mengen des entsprechenden 2,3-Dihydrocinnolins entstehen und die folgende, schnelle säurekatalysierte Umlagerung das N-Anilinoindol liefert. Die Protonierung von 14 sollte dabei unter Bildung des Ammonium-Intermediats A am basischeren N2-Atom des 2,3-Dihydrocinnolins erfolgen. Ein ähnliches Verhalten wird bei der Umsetzung von 4-Hydroxycinnolin mit Natriumethanolat und Benzylchlorid beobachtet, bei dem ausschliesslich das 2-Benzylderivat gebildet wird.54 Dass die Umlagerung eines 2-(trans-Stilbenyl)azobenzols zum N-Anilinoindol über ein 2,3-Dihydrocinnolin als Zwischenstufe verläuft, wird zudem durch die Isomerisierung des aus 2,2’,4,4’,6-Pentamethylazobenzol und Diphenylacetylen gebildeten 2,3-Dihydrocinnolins 2326 zu den Indolen 24 und 25 belegt, wobei nach der präparativen HPLC das Verhältnis 24/25 = 1:4 beträgt, d. h. auch hier bildet das mesitylsubstittuierte Stickstoffatom unter Protonierung die Anilinofunktion (Abbildung 2.25). Bei 2,2’,4,4’,6-Pentamethylazobenzol sind drei der vier ortho-Positionen durch Methylgruppen blockiert, die von CoH3(PPh3)3 nicht aktiviert werden können. Folglich entsteht bei der Umsetzung von 2,2’,4,4’,6-Pentamethylazobenzol mit Tolan auch in der Schmelze bei 85 °C ausschliesslich das 1:1-Addukt 23, das von Halbritter charakterisiert werden konnte.26 Aufgrund der höheren Reaktionstemperatur und des sterisch sehr anspruchsvollen Mesitylrestes wird bei der Isomerisierung von 23 hauptsächlich das über 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie charakterisierte 25 gebildet, welches durch reduktive N-N-Spaltung aus 24 entsteht.
Abbildung 2.25: Säurekatalysierte Isomerisierung des 2,3-Dihydrocinnolins 23 zu den Indolen 24 und 25
Anschliessend führt die Spaltung der C-N-Bindung zu dem intermediär gebildeten, delokalisierten Allylkation B. Der nukleophile Angriff des N1-Atoms am terminalen Allylkohlenstoffatom und die nachfolgende Deprotonierung liefern das N-Anilinoindol 7. Dieser Reaktionsschritt wird durch die Beobachtung, dass bei der Reduktion von 4-Phenyl-[2-15N]-cinnolin mit amalgiertem Zink und Essigsäure ein Indol gebildet wird, welches 94 % 14N-Stickstoff enthält, bestätigt.55 Erneut wird während der Umlagerung das N2-Atom eliminiert. Der nukleophile Angriff des N1-Atoms am Kohlenstoffatom der ursprünglichen Iminfunktion (B 7) ähnelt dem Mechanismus der Fischerschen Indolsynthese, in der durch säurekatalysierte Umlagerung aus einem Hydrazon ein Indol und Ammoniak gebildet wird.56 Durch den aciden Charakter des -ständigen H-Atoms, von dem im Fall der 1,4-Dihydrocinnoline bekannt ist, dass dieses Proton einem schnellen H/D-Austausch im System CH3CO2D-D2O unterliegt,55a sollte die Deprotonierung von B schnell erfolgen. Damit einhergehend hat die Zugabe von 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin bzw. Natriumacetat keinen bzw. einen verlangsamenden Einfluss auf die Produktbildungsgeschwindigkeit von 7.Die im Rahmen der experimentellen Fehler identischen
Aktivierungsenergien für die säure- bzw. nicht säurekatalysierte
Umlagerung von 14 zu 7 deuten darauf hin, dass die Protonierung
von 14 nicht dem geschwindigkeitsbestimmenden Schritt dieser Umlagerung
entspricht. Vermutlich bildet der nukleophile Angriff des N1-Atoms am terminalen
C-Atom des Allylkations den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Isomerisierung,
weil der Ringschluss zum starren Indolgerüst nur über einen stark
geordneten Übergangszustand möglich ist, was durch die hohen negativen
Aktivierungsentropien belegt wird. Der Grund für den noch negativeren Wert
für die Aktivierungsentropie der nicht säurekatalysierten Isomerisierung,
verglichen mit dem der säurekatalysierten Umlagerung, liegt zum einen in
den unterschiedlichen Geschwindigkeitsgesetzen, die der Berechnung der Aktivierungsentropien
zugrundeliegen, zum anderen in den unterschiedlich starken Solvatationseffekten
bei der Ausbildung der entsprechenden Übergangszustände. Bei der Isomersierung
von 14 in reinem, relativ unpolaren 1-BuOH als Protonenspender sollte
die Solvatation des positiv geladenen Übergangszustands eine stärkere
Änderung des Grades der Unordnung und damit ein negativeres S bewirken als in einem 1-BuOH/HOAc-Gemisch, das aufgrund des höheren
Dipolmoments der Essigsäure bereits einen höheren Ordnungsgrad vor
der Solvatation des Übergangszustandes aufweist.57