Techn. Hochsch., Diss., 2004--Aachen.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese chromophorer Xerogele des Typs II auf Grundlage nucleophiler aromatischer Substitutionsreaktionen von Fluorarenen mit aminofunktionalisierten Trialkoxysilanen in Tetraethoxysilan als Lösungsmittel beschrieben. Die Herstellung von anorganisch-organischen Sol-Gel-Hybridmaterialien gelingt dabei in einer Eintopfreaktion. Neben kommerziell erhältlichen Fluoraromaten, wie z.B. 4-Fluornitrobenzen, wurden fluorfunktionalisierte Azomethine, Diazoverbindungen und Diphenylaminderivate eingesetzt. Die Synthese und Charakterisierung literaturunbekannter Fluoraromaten wird beschrieben. Besonderes Augenmerk lag auf der Reproduzierbarkeit der Xerogelsynthesen und der Charakterisierung der Xerogele durch Methoden der Festkörper-NMR- und UV/Vis-Spektroskopie sowie der Elektronenmikroskopie.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese und Charakterisierung von chiralen 1,2- und 1,3-diolfunktionalisierten solvatochromen Chromophoren vorgestellt. Als chromophore Systeme wurden Nitroaniline, SCHIFFsche Basen, Azofarbstoffe und Merocyanine gewählt. Das solvatochrome Verhalten der diolfunktionalisierten Verbindungen wurde mittels LSER (linear solvation energy realtionship) unter Verwendung der Lösungsmittelparameter nach KAMLET-TAFT und CATALÁN quantifiziert. Der Einfluss der Diolfunktion auf die Kristallstruktur der Nitroanilinderivate wurde über Einkristallröntgenstrukturanalyse untersucht und nach der Graph Set Methode von ETTER beschrieben. Es erfolgte eine Kondensation ausgewählter diolfunktionalisierter Bausteine mit verschieden substituierten Arylboronsäuren. Ein besonderes Augenmerk wurde auf den Einfluss des Boratoms und der Ringgröße des resultierenden Boronsäureesters, auf das solvatochrome Verhalten sowie das Reaktionsverhalten gegenüber Fluorid, Cyanid und Acetat gelegt. Weiterhin erfolgte die Verknüpfung von diolfunktionalisierten Chromophoren mit chromophoren Arylboronsäuren zu Bis-Chromophoren, deren Eigenschaften ebenfalls studiert wurden.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese linearer und zyklischer Aminoketone via nucleophiler aromatischer Substitution von fluorsubstituierten aromatischen Ketonen mit sekundären, aliphatischen Diaminen vorgestellt. Durch eine Adaption der Prozessparameter konnte eine elegante Methode zur Synthese fluorendgruppentragender Oligomere sowie von definierten Makrozyklen entwickelt werden. Die Modifizierung der Oligomere erfolgte sowohl durch Endgruppensubstitution als auch durch Reaktionen an der Carbonylgruppe am Oligomerrückgrat. Als Funktionalisierungsreagenzien wurden Mercaptoessigsäure, LAWESSONs Reagenz und N,N-Dimethylanilin eingesetzt. Die Umsetzung der Makrozyklen mit N,N-Dialkylanilinen ermöglicht die Synthese zyklischer Triphenylmethanfarbstoffe. Die Untersuchung der optischen Eigenschaften dieser zyklischen Kristallviolett-Derivate in Abhängigkeit des pH-Wertes und der Natur des Lösungsmittels sowie der Sensitivität gegenüber Cyanid-Ionen erfolgte mit Hilfe der UV/Vis-Spektroskopie.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese chromophorer Xerogele des Typs II auf Grundlage nucleophiler aromatischer Substitutionsreaktionen von Fluorarenen mit aminofunktionalisierten Trialkoxysilanen in Tetraethoxysilan als Lösungsmittel beschrieben. Die Herstellung von anorganisch-organischen Sol-Gel-Hybridmaterialien gelingt dabei in einer Eintopfreaktion. Neben kommerziell erhältlichen Fluoraromaten, wie z.B. 4-Fluornitrobenzen, wurden fluorfunktionalisierte Azomethine, Diazoverbindungen und Diphenylaminderivate eingesetzt. Die Synthese und Charakterisierung literaturunbekannter Fluoraromaten wird beschrieben. Besonderes Augenmerk lag auf der Reproduzierbarkeit der Xerogelsynthesen und der Charakterisierung der Xerogele durch Methoden der Festkörper-NMR- und UV/Vis-Spektroskopie sowie der Elektronenmikroskopie.

In der vorliegenden Arbeit werden drei Hauptthemen behandelt: Ein Teilgebiet stellen die Umsetzungen der 1-Azido-1-halogen-Verbindungen in nucleophilen Substitutions- und Eliminierungsreaktionen dar, die zu neuen, teils hochexplosiven Aziden führen. Durch Derivatisierung mittels 1,3-dipolarer Cycloaddition mit Cyclooctin können diese Verbindungen in ungefährlichere Triazole überführt und anschließend eindeutig mit Hilfe der NMR-Daten, hochaufgelösten Massenspektren und/oder Elementaranalysen charakterisiert werden. Des Weiteren werden im Bereich der Propargylazide zwei Themengebiete erneut aufgegriffen. Ein Teilgebiet stellt die Kupfer(I)-katalysierte 1,3-dipolare Cycloaddition dar, die anhand verschiedener Lösungsansätze zu besser löslichen Heterocyclophanen führen sollte. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der intramolekularen Abfangreaktion von Triazafulvenen, die durch Cyclisierung gebildet werden und unter einem weiteren Ringschluss mit einer nucleophilen Seitenkette zu Triazolen reagieren. Dabei werden Propargylazide durch [3,3]-sigmatrope oder baseninduzierte, prototrope Umlagerung zu den Allenylaziden umgesetzt, die als Vorläufer der Triazafulvene fungieren.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis IX THEORETISCHER TEIL 1 1 Einleitung 1 1.1 Organische Azide − Geschichte, Eigenschaften, Herstellung und Folgereaktionen 1 1.2 Synthese der 1-Azido-1-halogen-Verbindungen 21 und 22 über die Alpha-Azidoalkohole 26 5 1.3 Die Geschichte der Propargylazide 18 und deren Folgereaktionen 7 1.3.1 Synthese von Heterocyclophanen 46 ausgehend von Propargylaziden 18 via 1,3-dipolarer Cycloaddition 8 1.3.2 Umlagerung der Propargylazide 18 zu den Allenylaziden 37 mit anschließender, nucleophiler Abfangreaktion zu den Triazolen 39 11 1.4 Motivation und Zielsetzung 13 2 Ergebnisse und Diskussion 15 2.1 Folgereaktionen der 1-Azido-1-halogen-Verbindungen 21 und 22 15 2.1.1 1,3-dipolare Cycloaddition mit Cyclooctin 16 2.1.2 Nucleophile Substitution 17 2.1.3 Eliminierung von Halogenwasserstoff 21 2.1.4 Herstellung und Umsetzung des 1,1-Diazidoethens (80e) 23 2.2 Herstellung neuer Heterocyclophane 46 aus Propargylaziden 18 durch eine „Ein-Topf“-Synthese 29 2.2.1 Darstellung geeigneter Vorläufersubstanzen 18 29 2.2.2 Umsetzung der Propargylazide 18 via CuAAC 32 2.3 Intramolekulare Abfangreaktionen von Triazafulvenen 38 45 2.3.1 Bildung des Allenylazids 37 über eine [3,3]-sigmatrope Umlagerung und die weitere Reaktion zum Triazol 39 45 2.3.2 Baseninduzierte, prototrope Umlagerung über die Allenylazide zu den Triazolen 61 3 Zusammenfassung 69 3.1 Ausblick 75 EXPERIMENTELLER TEIL 77 4 Verwendete Geräte und allgemeine Anmerkungen 77 5 Synthesevorschriften 79 5.1 Synthese und Folgereaktionen der 1-Azido-1-halogen-Verbindungen 79 5.1.2 Umsetzung der 1-Azido-1-halogen-Verbindungen mit TMGA 83 5.1.3 Umsetzung der 1-Azido-1-halogen-Verbindungen mit NBu4SCN 85 5.1.4 Umsetzung der 1-Azido-1-halogen-Verbindungen mit tBuOK 88 5.2 Synthese der Heterocyclophane 95 5.2.1 Synthese von 1-Butoxybut-3-in-2-ol (90b) 95 5.2.2 Synthese des 1-Butoxybut-3-in-2-yltosylats (91b) 95 5.2.3 Synthese von 3-Azido-4-butoxybut-1-in (18b) 96 5.2.4 Umsetzung von 3-Azido-4-butoxybut-1-in (18b) mit Methanol 98 5.2.5 Synthese von 3-Azido-4-phenoxybut-1-in (18c) 98 5.2.6 Umsetzung von 3-Azido-4-phenoxybut-1-in (18c) mit Methanol 100 5.2.7 Synthese von 1-Butoxy-4-trimethylsilylbut-3-in-2-ol (101) 100 5.2.8 Synthese von 1-Butoxy-4-trimethylsilylbut-3-in-2-yltosylat (102) 101 5.2.9 Synthese von 3-Azido-4-butoxy-1-trimethylsilylbut-1-in (18d) 102 5.2.10 Synthese von 4-(1-Azido-2-butoxyethyl)-1,2,3-triazol (39b) 102 5.2.11 Alkylierung von 4-(1-Azido-2-butoxyethyl)-1,2,3-triazol (39b) mit Propargylbromid 103 5.2.12 Synthese von 4-(1-Azido-2-phenoxyethyl)-1,2,3-triazol (39c) 105 5.2.13 Alkylierung von 4-(1-Azido-2-phenoxyethyl)-1,2,3-triazol (39c) mit Propargylbromid 105 5.3 Intramolekulare Abfangreaktion von Triazafulvenen 107 5.3.1 Synthese der Ethinyl-substituierten Heterocyclen 107 5.3.2 Synthese der Propargylazide als Vorläufersubstanzen 109 5.3.3 Produkte der intramolekularen Abfangreaktion 118 LITERATURVERZEICHNIS 129 6 Anhang 136 DANKSAGUNG 280 BIOGRAPHIE, VERÖFFENTLICHUNGEN, VORTRÄGE UND POSTER 282 SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 284

Three advanced methodologies for the preparation of extremely sterically hindered tertiary alkyl amines have been developed. The syntheses of 28 novel tertiary alkylamines that accommodate unusual steric hindrance are detailed. The electrophilic amination of alkyl Grignard reagents with N-chlorodialkylamines, in the presence of N,N,N′,N′-tetramethylethylenediamine (TMEDA) as a key additive, gives a variety of unprecedentedly sterically hindered tertiary alkylamines in good yields. Alternative strategy to 1-adamantyl-substituted (1-Ad) sterically hindered tertiary amines, which involved instead an SN1 reaction between 1-Ad cation with various secondary amines, is described. A complementary strategy to 1-Ad-based sterically hindered tertiary amines, which involves an iminium salt intermediate, is also reported. Salient features of the three protocols that are detailed here include unusual tolerance of steric hindrance, mild reaction conditions employed, ease of product isolation-purification, and absence of catalysts/transition metals. The molecular structures of two faithful examples of extremely sterically hindered tertiary alkylamines were determined by single crystal X-ray diffraction, and the height “h” of nitrogen pyramid of these compounds were measured. The NMR spectra show a restriction in rotation at room temperature among many hindered tertiary amines, and some of them exhibit two complete sets of peaks for two non-equivalent rotamers at room temperature. 15N NMR has been applied to study the structural changes in highly sterically hindered tertiary amines. Most of these compounds have been shown to undergo Hofmann type elimination reaction upon thermolysis at 100 degree in inert solvents, like toluene. / In der vorliegenden Arbeit wurden drei Methoden zur Synthese von tertitären Aminen mit extremer sterischer Hinderung entwickelt und zur Synthese von 28 neuen tertiären Alkylaminen mit entsprechender sterischer Hinderung angewendet. Die elektrophile Aminierung von Grignard-Reagenzien mit N-Chlordialkylaminen, unter Zusatz von N,N,N′,N′-Tetramethylethylendiamin (TMEDA) als Schlüsselkomponente, ermöglicht einen einfachen Zugang zu einer Vielzahl von tertiären Aminen mit extremer sterischer Hinderung mit guten Ausbeuten. Eine alternative Synthesestrategie unter SN1-Bedingungen führt zu sterisch-gehinderten 1-Adamantyl-substituierten (1-Ad) tertiären Aminen durch die Reaktion eines 1-Ad-Kations mit unterschiedlichen sterisch-gehinderten sekundären Aminen. Angelehnt an die zuvor beschriebene Reaktion können auch sterisch gehinderte Imine über eine Iminium-Salz-Zwischenstufe zu sterisch-gehinderten 1-Ad-substituierten tertiären Aminen umgesetzt werden. Auch in diesen Fall zeichnet sich die Reaktion durch eine bemerkenswerte Toleranz gegenüber sterischer Hinderung, milden Reaktionsbedingungen, leichte Produktisolierbarkeit und die Abwesenheit von Übergangsmetallkatalysatoren aus. Die molekulare Struktur zweier repräsentativer tertiärer Alkylamine mit extremer sterischer Hinderung wurde mittels Röntgeneinkristallstrukturanalyse untersucht und die Höhe “h” ihrer Stickstoff-Pyramide bestimmt. Die NMR-Spektren zeigen bei RT eine Einschränkung der freien Rotation um die N-C-Bindungsachse, teilweise führt dies zu vollständig getrennten Signalsätzen für die einzelnen Rotamere. 15N-NMR-Spektroskopie wurde ebenfalls zur Untersuchung von Strukturveränderungen genutzt. In inerten Lösungsmitteln, wie Toluol, zeigen die Verbindungen bei 100 °C in den meisten Fällen eine Hofmann-Eliminierung.

4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazoles are postulated to be key intermediates in the synthesis of ketones from alkenes on an industrial scale, alkylation of DNA in vivo, decomposition of N-nitrosoureas (potent carcinogens), and are also a subject of great interest for theoretical chemists. In this thesis, formation of the parent compound and decay into secondary products has been studied by NMR monitoring analysis. The elusive properties and the intermediacy of the parent compound, 4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazole, in the decomposition of suitably substituted N-nitrosoureas using Tl(I) alkoxides as bases, have been confirmed by the characterisation of its decay products viz., ethylene oxide, acetaldehyde, and especially diazomethane, at very low temperatures by 1H NMR, 13C NMR, 15N NMR, and relevant 2D NMR methods. Moreover, it has been shown that the methylation of nucleophilic molecules by 3-methyl-4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazolium salts, which are considered to be activated forms of β−hydroxyalkylnitrosamines, does not involve 4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazole as an intermediate, as has been reported in literature; instead, nucleophilic substitution leading to synthesis of open-chain products dominates the reaction. / 4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazole wurden als Schlüsselintermediate in der industriellen Synthese von Ketonen aus Alkenen, der in vivo Alkylierung von DNA und der Zersetzung von N-Nitrosoharnstoffen (potente Karzinogene) postuliert. Sie sind ebenso von großem Interesse in der theoretischen Chemie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Bildung der Stammverbindung und deren Zersetzung in sekundäre Produkte mittels NMR-Verfolgung studiert. Die ausgesprochene Kurzlebigkeit der Stammverbindung 4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazol wurde durch die Charakterisierung der Produkte bei der Zersetzung geeignet substituierter N-Nitrosoharnstoffe mit Tl(I)-Alkoxiden bestätigt. Die Zersetzungsprodukte Ethylenoxid, Acetaldehyd und besonders Diazomethan wurden bei sehr niedrigen Temperaturen mittels 1H-NMR, 13C-NMR, 15N-NMR und relevanten 2D-NMR-Methoden charakterisiert. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Methylierung nucleophiler Spezies mit 3-Methyl-4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazoliumsalzen, welchen als aktivierte Äquivalente der β−Hydroxyalkylnitrosamine verstanden werden, nicht zur Bildung von 4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazol als Intermediat führt, so wie dies in der Literatur berichtet wurde. Stattdessen wird die Bildung offenkettiger Produkte durch nukleophile Substitution bevorzugt.

4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazoles are postulated to be key intermediates in the synthesis of ketones from alkenes on an industrial scale, alkylation of DNA in vivo, decomposition of N-nitrosoureas (potent carcinogens), and are also a subject of great interest for theoretical chemists. In this thesis, formation of the parent compound and decay into secondary products has been studied by NMR monitoring analysis. The elusive properties and the intermediacy of the parent compound, 4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazole, in the decomposition of suitably substituted N-nitrosoureas using Tl(I) alkoxides as bases, have been confirmed by the characterisation of its decay products viz., ethylene oxide, acetaldehyde, and especially diazomethane, at very low temperatures by 1H NMR, 13C NMR, 15N NMR, and relevant 2D NMR methods. Moreover, it has been shown that the methylation of nucleophilic molecules by 3-methyl-4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazolium salts, which are considered to be activated forms of β−hydroxyalkylnitrosamines, does not involve 4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazole as an intermediate, as has been reported in literature; instead, nucleophilic substitution leading to synthesis of open-chain products dominates the reaction. / 4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazole wurden als Schlüsselintermediate in der industriellen Synthese von Ketonen aus Alkenen, der in vivo Alkylierung von DNA und der Zersetzung von N-Nitrosoharnstoffen (potente Karzinogene) postuliert. Sie sind ebenso von großem Interesse in der theoretischen Chemie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Bildung der Stammverbindung und deren Zersetzung in sekundäre Produkte mittels NMR-Verfolgung studiert. Die ausgesprochene Kurzlebigkeit der Stammverbindung 4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazol wurde durch die Charakterisierung der Produkte bei der Zersetzung geeignet substituierter N-Nitrosoharnstoffe mit Tl(I)-Alkoxiden bestätigt. Die Zersetzungsprodukte Ethylenoxid, Acetaldehyd und besonders Diazomethan wurden bei sehr niedrigen Temperaturen mittels 1H-NMR, 13C-NMR, 15N-NMR und relevanten 2D-NMR-Methoden charakterisiert. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Methylierung nucleophiler Spezies mit 3-Methyl-4,5-dihydro-1,2,3-oxadiazoliumsalzen, welchen als aktivierte Äquivalente der β−Hydroxyalkylnitrosamine verstanden werden, nicht zur Bildung von 4,5-Dihydro-1,2,3-oxadiazol als Intermediat führt, so wie dies in der Literatur berichtet wurde. Stattdessen wird die Bildung offenkettiger Produkte durch nukleophile Substitution bevorzugt.