Wuppertal, Universiẗat, Diss., 2000.

Wuppertal, Universiẗat, Diss., 2000.

Universiẗat, Diss., 2000--Bremen.

University, Diss., 2004--Frankfurt (Main). / Zsfassung in engl. und dt. Sprache.

Die vorliegende Dissertation untersucht reaktive Intermediaten, speziell Radikale und Carbene und deren Verhalten bei Photoionisation mit VUV-Synchrotronstrahlung. Diese instabilen Verbindungen wurden durch Pyrolyse von teils selbstsynthetisierter Vorläufern in einem kontinuierlichen Molekularstrahl erzeugt und mittels der TPEPICO-Spektroskopie untersucht. Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit werden im Anschluss hervorgehoben. Drei Radikale der Zusammensetzung C9H7, Indenyl, 1- und 3-Phenylpropargyl wurden aus ihren bromierten Vorläufern synthetisiert und ihre Ionisierungsenergien bestimmt. Die Frage ob es möglich ist alle drei Radikale hinsichtlich ihrer IE zu unterscheiden und dadurch eine Identifikation in einer Flamme möglich wird, konnte beantwortet werden. Indenyl und 3-Phenylpropargyl besitzen Ionisierungsenergien von 7.53 und 7.20 eV, was eine Erkennung in Flammen prinzipiell möglich macht. Für 1-Phenylpropargyl wurde eine IEad von 7.4 eV gemessen, was eine selektive Identifikation erschwert. Die Messwerte wurden durch quantenchemischen Rechnungen überprüft und sind mit diesen in guter Übereinstimmung. Die Photoionisation von Cyclopropenyliden (IEad = 9.17 ± 0.015 eV) wurde untersucht,wobei eine niederenergetische Bande dem Propargylen (IEad = 9.02 ± 0.02 eV), dem HCCCH Isomer der Zusammensetzung C3H2, zugeordnet werden konnte. Die Schwingungsstruktur des Spektrums konnte erfolgreich simuliert und dadurch die Geometrie des Kations ermittelt werden. Als Nebenprodukt im Molekularstrahl wurde Chlorcyclopropenyliden (IEad = 9.17 ± 0.02 eV) durch seine Schwingungsprogression identifiziert. Die Analyse der dissoziativen Photoionisation gestaltet sich als schwierig, da sowohl c-C3H2 als auch c-C3HCl im relevanten Energiebereich fragmentieren können und die Anwesenheit von HCl die Auswertung ebenfalls erschwert. Ein Lösungsvorschlag für dieses Problem wurde ebenfalls aufgezeigt. Der Einfluss von Substitutionen auf die IE wurde am Beispiel des Propargylradikals und seiner zwei bromierten Analoga erforscht. Dabei wurde eine Rotverschiebung (IEad(C3H3) = 8.71 ± 0.02 eV / IEad(BrCCCH2) = 8.16 ± 0.02 eV / IEad(BrHCCCH) = 8.34 ± 0.02 eV) gemessen. Diese ist auf den elektronenspendenden Charakter des Broms begründet. Beide Brompropargylradikale lassen sich anhand ihrer IE unterscheiden. Die Schwelle zur dissoziativen Photoionisation von C3H2Br zu C3H2 wurde mit 10.1 eV ermittelt, wobei verschiedene Kanäle für diese Reaktion in Frage kommen. Schwingungsaktivität konnte im TPE-Spektrum des Propargylradikals ebenfalls verzeichnet und die v3 +-Mode mit 1950 cm-1 ermittelt werden. Als letztes Projekt stand die Photoionisation des t-Butyl im Fokus, da teils widersprüchliche Messwerte für die IEad in der Literatur publiziert sind. Es konnte ein Wert von 6.75 eV ± 0.03 eV gemessen werden. Die Schwierigkeit bei diesem Experiment ist die Geometrieänderung während der Ionisierung, da das Radikal pyramidal und das Kation eine planare Struktur im C-Gerüst besitzt. Die Grenzen der angewendeten Methoden wurden an diesem Beispiel deutlich gemacht. Zur vollständigen Charakterisierung wurden auch die Vorläufer genau analysiert, da diese durch dissoziative Photoionisation (DPI) Fragmentionen bilden, welche die gleiche Masse besitzen wie die zu untersuchenden Radikale und Carbene. Aus diesen Ergebnissen konnten Bindungsenergien berechnet werden. Von allen untersuchten reaktiven Intermediaten konnten die Ionisierungsenergien mit einer Genauigkeit von ± 20 meV ermittelt werden. Es wurde gezeigt, dass sogar Isomere mit gleicher Molekülmasse unterscheidbar sind. Diese Daten lassen sich verwenden um reaktive Zwischenprodukte in Flammen zu identifizieren. Die Identifizierung ermöglicht es dann geeignete Modelle für Verbrennungsprozesse zu konstruieren oder vorhandene zu verbessern. Diese könnten wiederum helfen die Ruß- und PAK-Bildung besser zu verstehen. Die Ziele dieser Dissertation konnten somit erreicht werden. Massenspektren, welche in Flammen durch VUV-Synchrotronstrahlung aufgenommen wurden, beherbergen eine große Fülle an größeren reaktiven Intermediaten wie beispielsweise das Fluorenyl oder das Biphenylmethylradikal. Deren Ionisation ist bislang nur sehr vage erforscht und wäre deshalb ein interessantes Projekt um diese Arbeit fortzuführen. / This thesis examines reactive intermediates, especially radicals and carbenes and their behavior at photoionization with VUV-synchrotron radiation. Those unstable compounds were produced by pyrolysis of self-synthesizes precursors in a continuous molecular beam and studied by the TPEPICO spectroscopy. The most important results of this work are highlighted below. Three radicals of the composition C9H7, Indenyl, 1- and 3-phenylpropargyl, were synthesized from brominated precursors and their ionization energies were determined. The question, whether these three radicals can be distinguished by their ionization energy and therefore identified in a combustion flame, was answered. Indenyl and 3-phenylpropargyl exhibit ionization energies of 7.53 and 7.20 eV, which make a distinction possible. For 1-phenylpropargyl an IEad of 7.4 eV was measured, which complicates an selective identification. The measurements were also verified by quantum chemical calculations and are in good agreement. The photoionization of cyclopropenylidene (IEad = 9.17 ± 0.015 eV) was reexamined and and a low-energy band was assigned to propargylene (IEad = 9.02 ± 0.02 eV), which is the HCCCH isomer of the composition C3H2. The vibrational structure of the spectrum of c-C3H2 was successfully simulated and the cationic geometry was also determined. As a by-product chlorocyclopropenylidene (IEad = 9.17 ± 0.015 eV) was found and assigned due to its vibrational progression. The analysis of the dissociative photoionization is difficult, because both c-C3H2 and c-C3HCl are able to fragment in the relevant energy range and the presence of HCl complicates the analysis too. A solution of this problem was also mentioned. The influence of substituents on the IE was studied, using the propargyl radical and its two brominated analogs as an example. A redshift (IEad(C3H3) = 8.71 ± 0.02 eV / IEad(BrCCCH2) = 8.16 ± 0.02 eV / IEad(BrHCCCH) = 8.34 ± 0.02 eV) was measured upon Br substitution. It originates from the electron-donating character of the bromine. Both bromopropargyl radicals can be distinguished by their IE. The threshold of dissociative photoionization of C3H2Br was determined to be 10.1 eV, but several channels can produce the C3H2+ fragment. Vibrational activity was found in the TPE spectrum of the propargyl radical and the v3 + mode was identified (1950 cm-1) as well. As a last project the photoionization of the t-butyl was brought into focus, because partly inconsistent measurements of the IEad are published in the literature. A value of 6.75 ± 0.03 eV was measured in this study. The challenge in experiments on this radical is the huge change in geometry, because the neutral is pyramidal while the cation has a planar carbon framework. The limits of the utilized methods were demonstrated using this example. For a complete characterization the precursors were examined too, because the fragment ions, produced by dissociative photoionization (DPI), could falsely be assigned to the radical or carbene. From these results binding energies were calculated additionally. The ionization energies of all examined reactive intermediates could be determined with an accuracy of ± 20 meV. It was shown that even isomers of the same molecular mass are distinguishable. This data can be used to identify reactive molecules in flames. The identification makes it possible to construct reasonable models for combustion processes or to improve available ones. These models could help to improve the understanding of soot and PAH formation. Therefore the aims of this thesis were achieved. Mass spectra recorded in flames by VUV-synchrotron radiation contain a variety of reactive intermediates for example fluorenyl and biphenylmethyl radicals. Their ionization is only vaguely investigated und therefore an interesting project to continue this work.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Spindelokalisation im Propargylradikal im Vergleich zu den Heteropropargylradikalen untersucht, sowie die elektronischen Einflüsse, welche geminal gebundenen Substituenten auf die Spinverteilung in Allylradikalen verursachen bestimmt. Die Spindichte wurde mit Hilfe des D-Parameters von lokalisierten 1,3-Cyclopentandiyitriplettdiradikalen experimentell bestimmt (EPR-Spektroskopie). / In the present Dissertation, the spin delocalization in the propargyl radical versus the heteropropargyl was investigated, as well as the electronic influence of geminal substituents on the spin distribution in the allylic radicals ). The required spin density was experimentally assessed by EPR Spectroscopy from the corresponding localized 1,3-cyclopentanediyl triplet diradicals.

Die quantenchemische Modellierung von Parametern der elektronenparamagnetischen Resonanz (EPR) stellt, in Kombination mit Daten aus modernen Hochfeld-/Hochfrequenz (HF) EPR-Techniken, eine überaus wichtige analytische Methode dar, um Einblicke in die Radikal-Protein-Wechselwirkung zu gewinnen. Diese Wechselwirkung bestimmt zu einem großen Teil die Abläufe radikalischer biochemischer Prozesse. In dieser Arbeit untersuchten wir in einer Reihe von Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Studien die EPR-Parameter diverser biologisch wichtiger Radikale sowie mehrerer durch Radikal-Protein-Wechselwirkungen im Photosystem I inspirierter Modellsysteme. Wir demonstrierten die Genauigkeit sowie die Kapazität unserer Methode, um Einblicke in die in vivo Umgebung und Reaktivität von Bioradikalen zu erhalten. Unser DFT-Ansatz zur Berechnung elektronischer g-Tensoren wurde auf Semichinonradikalanionen in verschiedenen Proteinumgebungen photosynthetischer Reaktionszentren angewandt. Supermolekulare Modelle wurden, basierend auf einer Kombination aus kristallographischen und quantenchemischen Strukturdaten, für die aktiven Zentren QA und QB bakterieller Reaktionszentren, für A1 des Photosystems I sowie für Ubisemichinon in gefrorenem 2-Propanol erstellt. Nach der Skalierung der berechneten ∆gx Komponenten um 0.92 stimmen die auf gradienten-korrigertem DFT-Niveau mit den bestenverfügbaren Spin-Bahn-Operatoren berechneten Komponenten ∆gx sowie ∆gy mit den Hochfeld-EPR-Referenzdaten innerhalb der experimentellen Genauigkeit in allen vier untersuchten Systemen überein. Der Einfluss verschiedener nichtkovalenter Wechselwirkungen zwischen dem Semichinon und dem Protein wurde durch das sukzessive Verkleinern der Modellsysteme studiert. Dabei wurde festgestellt, dass der Effekt der Wasserstoffbrückenbindung zu den beiden Carbonyl-Sauerstoff-Atomen der Semichinone wegen der kompensierenden Spinpolarisationseffekte nicht additiv ist. Der Effekt der Tryptophan-Semichinon -Stapelung hat auf QA und A1 unterschiedliche Auswirkungen. Dies konnte auf die andersartige Ausrichtung der wechselwirkenden Fragmente sowie auf die unterschiedliche Spinpolarisation zurückgeführt werden. Im nächsten Teil dieser Arbeit wurden Semichinone der so genannten „hoch-affinen“ Bindungsstelle der Chinoloxidase (QH) untersucht. Vor kurzem durchgeführte Multifrequenz-EPR-Studien der QH der Chinoloxidase legten asymmetrische Wasserstoffbrückenbindungen zum Semichinonradikalanion nahe. Eine einzelne Wasserstoffbrückenbindung zum O1 des Carbonyls war ein weiteres vorgeschlagenes Strukturmerkmal, das allerdings im Gegensatz zu früheren experimentellen Hinweisen stünde. Wir haben DFT Berechnungen der EPR-Parameter (g-Tensoren, 13C-, 1H- und 17O-Hyperfeinkopplungstensoren) einer großen Anzahl von supermolekularen Modellkomplexen durchgeführt, um detaillierte Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Struktur, Umgebung und EPR-Parametern von Ubisemichinon-Radikalanionen zu gewinnen. Ein Bindungsmodell, das nur eine einzige Wasserstoffbrücke berücksichtigt, ist demnach weder in der Lage, die experimentell beobachteten niedrigen gx-Komponenten der g-Tensoren, noch die beobachtete große Asymmetrie von 13C-Carbonyl HFC-Tensoren zu erklären. Basierend auf einem detaillierten Vergleich zwischen Rechnung und Experiment wurde ein Modell mit zwei Wasserstoffbrückenbindungen zu O1 und einer Wasserstoffbrückenbindung zu O4 für QH vorgeschlagen. Ein Modell mit jeweils einer Wasserstoffbrückenbindung mehr kann jedoch ebenfalls nicht völlig ausgeschlossen werden. Zusätzlich wurden weitere erkannte Zusammenhänge zwischen EPR-Parametern und Wasserstoffbrückenbindungen von Ubisemichinonen in Proteinen diskutiert. Theoretische Untersuchungen bezüglich des Mechanismus des Elektronentransfers im Photosystem I gaben den Anstoß, relativ kleine rotierende molekulare Motoren, bestehend aus intramolekular verbundenen Dyaden, welche eine Chinoneinheit sowie eine Pyrrol- oder Indoleinheit verknüpfen, zu modellieren. Die Berechnungen zeigten, dass für einige Systeme, abhängig von der Länge und den Anknüpfungspunkten der verbundenen Ketten, eine Reduktion des Chinons zum Semichinonradikalanion oder Chinolatdianion mit einer reversiblen intramolekularen Neuorientierung weg von einer -Stapelung und hin zu einer T-Stapelung auftritt. Durch die Umstrukturierung wird eine Wasserstoffbrückenbindung der Pyrrol- oder Indol-N-H-Funktion zum Semichinon- oder Chinolat--Systems nach der Reduktion ausgebildet. In einigen Systemen bilden sich jedoch Wasserstoffbrückenbindungen zum Semichinon- oder Chinolat-Sauerstoffatom aus, die gegenüber der T-Stapelung bevorzugt werden. Die intramolekularen Wechselwirkungen verändern das Redoxpotential des Chinons. Der elektronische g-Tensor, welcher für die Semichinone berechnet wurde, beweist eindeutig das Vorhandensein dieser Wasserstoffbrückenbindung zum Semichinon. g-Tensoren stellen somit eine geeignete Kenngröße in der EPR Spektroskopie dar, um strittige Strukturen aufzuklären. Wir halten auch einen intramolekularer Protonentransfer im dianionischen Zustand für möglich. Im Gegensatz zu Semichinonen welche paramagnetische Zustände von Enzymen-Cofaktoren darstellen sind Glyclradikale echte Proteinradikale. Als Schritt zum tiefer gehenden Verständnis von EPR-Parametern des Glycylradikals in Proteinen wurden die Hyperfeinkopplungstensoren und insbesondere der g-Tensor des N-Acetylglycyls durch systematische hochgenaue quantenchemischen Berechnungen an diversen geeigneten Modellsystemen untersucht. Die quantitative Berechnung von g-Tensoren für solche Glycyl-ähnlichen Radikale ist eine enorme Herausforderung, insbesondere wegen der sehr kleinen g-Anisotropie. Diese ist zudem mit einer nichtsymmetrischen delokalisierten Spindichteverteilung auf verschiedene Atome des Moleküls verbunden, die mit vergleichbaren Spinbahneffekten zum g-Tensor beitragen. Die Wahl eines geeigneten Eichursprungs des magnetischen Vektorpotentials und geeigneter Spin-Bahn-Operatoren, gestaltete sich weitaus anspruchsvoller als in vorausgegangen Arbeiten zu g-Tensoren organischer Radikale. Umgebungseffekte, die durch supermolekulare Wasserstoffbrückenbindungs-Modelle berücksichtigt wurden, stellen sich hingegen als nicht so schwerwiegend heraus, zum Teil durch die gegenseitige Kompensierung des Einflusses von intramolekularen und intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen. Den größten Einfluss auf den g-Tensor übt die Konformation des Radikals aus. Die angewendete DFT Methode überschätzt systematisch sowohl die ∆gx als auch die ∆gy Komponente des g-Tensors. Dieses Ergebnis ist wichtig für Untersuchungen von Protein-Glycyl-Radikalen (siehe weiter unten). Die 1H und 13C Hyperfeinkopplungen hängen nur wenig von den gewählten supermolekularen Modellen ab und scheinen weniger empfindlich gegenüber der genauen Struktur und Umgebung des Moleküls zu sein. Die Anzahl der bekannten Enzyme, die als funktionelle Gruppe ein Glycyl-Radikal besitzen, wird immer größer. Wir führten in dieser Arbeit eine systematische quantenchemische Studie zur Spindichteverteilung, elektronischem g-Tensor und Hyperfeinkopplungskonstanten diverser Modelle von Protein-gebundenen Glycylradikalen durch. Wie schon bei N-Acetylglycyl gesehen (siehe oben) stellt auch hier die geringe g-Anisotropie dieses delokalisierten, asymmetrischen Systems selbst für moderne Rechenmethoden eine beträchtliche Herausforderung dar. Dies betrifft zum einen die Qualität der Strukturoptimierung, zum anderen die Wahl des Spin-Bahn-Operators und des Eichursprungs des magnetischen Vektorpotentials. Umgebungseffekte aufgrund der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen hängen in komplizierter Weise von den verschiedenen intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen verschiedener Konformationen des Radikals ab. Die jeweilige Konformation hat insgesamt gesehen die größte Auswirkung auf den berechneten g-Tensor (jedoch weniger auf den Hyperfeinkopplungstensor). Wir diskutierten dies im Zusammenhang verschiedener g-Tensoren, welche vor kurzem durch Hochfeld-EPR Messungen für drei verschiedene Enzyme erhalten wurden. Basierend auf den Resultaten der Kalibrierungsstudie an N-Acetylgylcyl, schlagen wir vor, dass das Glycylradikal, welches für die E.coli anaerobische Ribonucleotid Reductase (RNR) beobachtet wurde, eine gestreckte Konformation besitzt, die sich von derjenigen der entsprechenden Radikale der Pyruvat Format-Lyase (PFL) oder Benzylsuccinatsynthase (BSS) unterscheidet. / Quantum chemical modeling of electron paramagnetic resonance (EPR) parameters, in combination with data from the modern high-field/high-frequency EPR (HF-EPR) techniques, constitutes an invaluable analytical tool for gaining insight into radical-protein interactions, which determine the specificity and directionality of the radical-mediated biochemical processes. This thesis reports a series of density functional (DFT) studies on EPR parameters of several biologically relevant radicals and a series of molecular devices inspired by radical-protein interaction in photosystem I (PS-I). We demonstrate our methodology’s accuracy and capacity to provide insight into the in vivo environment and reactivity of bioradicals. Our DFT approach for the calculation of electronic g-tensors has been applied to semiquinone radical anions in the different protein environments of photosynthetic reaction centers. Supermolecular models have been constructed, based on combined crystallographic and quantum chemical structure data, for the QA and QB active sites of bacterial reaction centers, for the A1 site of PS-I, as well as for ubisemiquinone in frozen 2-propanol. After scaling of the computed gx components by 0.92, both gx and gy components computed at gradient-corrected DFT level with accurate spin-orbit operators agree with HF-EPR reference data essentially to within experimental accuracy in all four systems studied. The influence of the various semiquinone-protein non-covalent interactions has been studied by successive removal of individual residues from the models. The effects of hydrogen bonding to the two carbonyl oxygen atoms of the semiquinones was found to be nonadditive, due to compensating spin-polarization effects. The effects of tryptophan-semiquinone -stacking are different for QA and A1 sites. This may be traced back to a different alignment of the interacting fragments and to differential spin polarization. In the next part of this work our DFT methodology has been applied to the semiquinone in the environment of the “high-affinity” binding site of quinol oxidase (QH site). Recent multi-frequency EPR studies of the QH binding site of quinol oxidase have suggested a very asymmetric hydrogen-bonding environment for the semiquinone radical anion state. Single-sided hydrogen bonding to the O1 carbonyl position was one of the proposals, which contrasts with some previous experimental indications. The density functional calculations of the EPR parameters (g-tensors, 13C, 1H, and 17O hyperfine tensors) for a wide variety of supermolecular model complexes have been used to provide insight into the detailed relations between structure, environment and EPR parameters of ubisemiquinone radical anions. A single-sided binding model is not able to account for the experimentally observed low gx component of the g-tensor nor for the observed magnitude of the asymmetry of the 13C carbonyl hyperfine coupling (HFC) tensors. Based on the detailed comparison between computation and experiment, a model with two hydrogen bonds to O1 and one hydrogen bond to O4 was suggested for the QH site, but a model with one more hydrogen bond on each side could not be excluded. Additionally, several general conclusions on the interrelations between EPR parameters and hydrogen bond patterns of ubisemiquinones in proteins were provided. The computational studies related to the mechanism of electron transfer in PS-I gave an impetus to the theoretical design, based on quantum-chemical calculations, of relatively small rotational molecular motors made up from intramolecularly connected dyads consisting of a quinone unit and a pyrrole or indole moiety. It was shown computationally for several systems, depending on the length and attachment points of the interconnecting chains, that a reduction of the quinone to the semiquinone radical anion or quinolate dianion states leads to a reversible intramolecular reorientation from a -stacked to a T-stacked arrangement. In the rearranged structures, a hydrogen bond from the pyrrole or indole N-H function to the semiquinone or quinolate -system is created upon reduction. In some systems, hydrogen bonds to the semiquinone or quinolate oxygen atoms are partly feasible and will be preferred over T-stacking. It was shown that the intramolecular interactions modify the quinone redox potentials. The electronic g-tensors computed for the semiquinone states reflected characteristically the presence and nature of hydrogen bonds to the semiquinone and were suggested as suitable EPR spectroscopic probes for the preferred structures. Intramolecular proton transfer was observed to be possible in the dianionic state. In contrast to semiquinones, which represent paramagnetic states of enzyme cofactors, glycyl radicals are genuine protein radicals. As a step towards an in-depth understanding of the EPR parameters of glycyl radicals in proteins, the hyperfine- tensors and, particularly, the g-tensor of N-acetylglcyl in the environment of a single crystal of N-acetylglycine have been studied by systematic state-of-the-art quantum chemical calculations on various suitable model systems. The quantitative computation of the g-tensors for such glycyl-derived radicals is a veritable challenge, mainly due to the very small g-anisotropy combined with a non-symmetrical, delocalized spin-density distribution and several atoms with comparable spin-orbit contributions to the g-tensors. The choice of gauge origin of the magnetic vector potential, and of approximate spin-orbit operators, both turn out to be more critical than found in previous studies of g-tensors for organic radicals. Environmental effects, included by supermolecular hydrogen-bonded models, were found to be moderate, due to a partial compensation between the influences from intramolecular and intermolecular hydrogen bonds. The largest effects on the g-tensor are caused by the conformation of the radical. The DFT methods employed systematically overestimate both the gx and gy components of the g-tensor. This is important for investigations on the protein-glycyl radicals (see next paragraph). The 1H and 13C hyperfine couplings depend only slightly on the supermolecular model chosen and appear less sensitive probes of detailed structure and environment. The number of enzymes that require a glycyl-based radical for their function is growing. Here we provide systematic quantum-chemical studies of spin-density distributions, electronic g-tensors, and hyperfine couplings of various models of protein-bound glycyl radicals. Similarly to what was found for N-acetylglycyl (see previous paragraph), the small g-anisotropy for this delocalized, unsymmetrical system presents appreciable challenges to state-of-the-art computational methodology. This pertains to the quality of structure optimization, as well as to the choice of spin-orbit Hamiltonian and gauge origin of the magnetic vector potential. Environmental effects due to hydrogen bonding are complicated and depend in a subtle fashion on the different intramolecular hydrogen bonding for different conformations of the radical. Indeed, the conformation has the largest overall effect on the computed g-tensors (less so on the hyperfine-tensors). We discuss this in the context of different g-tensors obtained by recent HF-EPR measurements for three different enzymes. Based on results of calibration study for N-acetylglycyl, we support that the glycyl radical observed for E.coli anaerobic ribonucleotide reductase (ARNR) has a fully extended conformation, which differs from those of the corresponding radicals in pyruvate formate-lyase (PFL) or benzylsuccinate synthase (BSS).

Die vorliegende Dissertation widmete sich der Aufklärung der Photodissoziationsdynamik der drei Xylyl-Radikale ortho-, meta- und para-Xylyl sowie des Benzyl-Radikals mit Hilfe des Velocity-Map-Imagings. Diese reaktiven Intermediate sind insbesondere im Bereich der Verbrennungschemie von hoher Relevanz, da sie die primären Zerfallsprodukte der Xylole und des Toluols darstellen, welche als Antiklopfmittel in Ottokraftstoffen Verwendung finden.Dementsprechend ist eine Betrachtung des weiteren Zerfalls dieser resonanz-stabilisierten Radikale, insbesondere unter dem Gesichtspunkt der Rußbildung, von entscheidender Bedeutung. Für alle drei Xylyl-Radikale konnte eine selektive pyrolytische Generierung aus den entsprechenden 2-(Methylphenyl)ethylnitriten realisiert werden. Die isomerspezifische Identifikation erfolgte mit Hilfe von REMPI-Spektroskopie der jeweiligen D0 -> D3-Übergänge. Nachfolgend wurde die Photodissoziation aller drei Xylyl-Isomere nach Anregung des D3-Zustandes bei ca. 310 nm und nach Anregung der D-Bande bei 250 nm untersucht. Das „einfachste” Experiment stellte in diesem Zusammenhang die Photodissoziation des para-Xylyl-Radikals dar. Es konnte die von Hemberger et al. in thermischen Zerfallsexperimenten beobachtete Reaktion p-Xylyl -> p-Xylylen + H verifiziert werden. Die VMI-Experimente lieferten die Kennwerte <fT>(309.6nm) = 33 % und <fT>(250nm) = 19 % unter Erhalt isotroper Images für beide Anregungswellenlängen. Die dazugehörigen Dissoziationsratenkonstanten wurden zu kH(309.6nm) ≈ 10^8 s-1 und kH(250nm) ≈ 5*10^7 s-1 bestimmt. Es ist verblüffend, dass die Photodissoziation scheinbar bei der höheren Anregungswellenlänge von 309.6 nm (und somit bei geringerer Anregungsenergie) schneller verläuft als bei 250 nm. Darüber hinaus ist es nicht möglich, die beobachteten Raten mittels des statistischen Modells der RRKM-Theorie zu beschreiben. Des Weiteren konnten auch die Translationsenergieverteilungen nicht mit dem „Quack-Fit” für statistische Dissoziationen angefittet werden. Bei der Photodissoziation des para-Xylyl-Radikals liegt eine Dissoziation nach Rückkehr in den rovibronisch hochangeregten elektronischen Grundzustand infolge der Photoanregung vor. Hierbei thermalisiert die innere Energie im elektronischen Grundzustand vor der Dissoziation scheinbar nur teilweise, sodass keine vollständige statistische Verteilung dieser innerhalb des para-Xylyls gegeben ist. Da dies eine Grundvoraussetzung der gängigen statistischen Modelle darstellt, ist es nicht verwunderlich, dass keine quantitative Reproduktion der experimentellen Ergebnisse durch Anwendung dieser Modelle ermöglicht wird. Bei entsprechenden Experimenten zum ortho-Isomer konnten diese statistischen Modelle ebenfalls nicht zur quantitativen Beschreibung der Dissoziation verwendet werden. Abermals wurde mit kH(311.1nm) ≈ 10^8 s-1 und kH(250nm) ≈ 5*10^7 s-1 eine schnellere Dissoziation bei geringerer Anregungsenergie festgestellt. Dies erscheint demnach charakteristisch für die Xylyl-Radikale. Innerhalb der VMI-Experimente wurden isotrope Verteilungen erhalten, deren Fragmenttranslationsenergieverteilung nach Anregung des D3-Niveaus bei 311.1 nm jedoch nicht durch die von Hemberger et al. beschriebene Hauptreaktion o-Xylyl -> o-Xylylen + H erklärt werden konnte. Eine Fragmentation nach o-Xylyl -> Benzocyclobuten + H konnte auf diesem Weg als Hauptdissoziationspfad identifiziert werden. Innerhalb der Studien von Hemberger et al. ist eine Reaktion zu Benzocyclobuten bei Anregung mit 311.1 nm energetisch nicht zugänglich. Mittels quantenchemischer Rechnung konnte jedoch ein bislang unbekannter, energetisch zugänglicher Reaktionspfad zur Bildung von Benzocyclobuten unter simultaner Ringschlussreaktion und Wasserstofffragmentation identifiziert und charakterisiert werden. Die Kennwerte der Photodissoziationsreaktion des ortho-Xylyls konnten hierdurch zu <fT>(311.1nm) = 30 % und <fT>(250nm) = 16 % bestimmt werden. Wie bereits im Fall des para-Isomers liegt die Vermutung nahe, dass es sich um eine Dissoziation aus dem rovibronisch hoch-angeregten elektronischen Grundzustand handelt, welcher nicht vollständig vor der Fragmentation thermalisiert. Im Rahmen der Experimente zum letzten der drei Xylyl-Isomere, dem meta-Xylyl-Radikal, konnte mit VMI eine Fragmentation nach m-Xylyl -> m-Xylylen + H als Hauptdissoziationpfad ausgeschlossen werden. Innerhalb der Experimente nach Anregung des D3-Niveaus um 310 nm konnten mit para-Xylylen und Benzocyclobuten zwei Reaktionsprodukte festgestellt werden, welche die erhaltene Translationsenergieverteilung erklären könnten, wobei die entsprechende maximale Überschussenergie einer Fragmentation zu para-Xylylen den Nullabfall der Verteilung geringfügig besser widerspiegelt. Die mittlere Fragmenttranslationsenergie liegt mit <fT>(p-Xylylen) = 29 % respektive <fT>(Bcb) = 25 % leicht unterhalb der entsprechenden Kennwerte der para- beziehungsweise ortho-Xylyl Experimente. Durch die nötige, der Dissoziation vorausgehende Isomerisierung scheint ein höherer Thermalisierungsgrad der Schwingungs- und Rotationsenergie innerhalb des elektronischen Grundzustands erreicht zu werden, aus welchem die geringen <fT>-Werte resultieren könnten. Der Effekt verminderter <fT>-Werte wurde in den Experimenten bei 250 nm nicht gefunden (<fT>(p-Xylylen) = 19 % respektive <fT>(Bcb) = 17 %). Vergleicht man an dieser Stelle die <ET>- anstelle der <fT>-Werte (<ET>(para) = 0.41 eV, <ET>(ortho) = 0.38 eV, <ET>(meta) = 0.41 eV), stellt man fest, dass <ET>(meta) = <ET>(para) gilt und somit ein weiteres Indiz dafür gefunden wurde, dass eine Umlagerung zu para-Xylyl mit anschließender Fragmentation zu para-Xylylen möglicherweise gegenüber jener zum ortho-Isomer mit nachfolgender Bcb-Bildung bevorzugt ist. Dies würde darüber hinaus im Einklang mit den Studien von Hemberger et al. stehen, in welchen beim thermischen Zerfall des meta-Xylyls para-Xylylen als alleiniges Fragmentationsprodukt gefunden wurde. Eine Betrachtung der Umlagerung mittels RRKM wies jedoch keinen bevorzugten Isomerisierungspfad aus. Schlussendlich lässt sich aufgrund der ermittelten Ratenkonstanten (kH(310nm) ≈ 10^8 s-1, kH(250nm) ≈ 4*10^7 s-1) sowie den <fT>-Werten vermuten, dass die Isomerisierung langsamer als die Dissoziation bei 310 nm verläuft, jedoch zumindest auf einer ähnlichen Zeitskala wie die entsprechende Dissoziation nach Anregung bei 250 nm. Eine zweifelsfreie Interpretation der meta-Xylyl Experimente gestaltet sich jedoch als schwierig. Innerhalb der Studien zur Photodissoziation des Benzyl-Radikals konnten literaturbekannte Daten zur Fragmentation nach Anregung um 250 nm in guter Übereinstimmung reproduziert werden. Die experimentellen Daten zur Untersuchung der Photodissoziation nach Anregung des D3-Niveaus konnten jedoch nicht eindeutig interpretiert werden. Die literaturbekannte Lage des D3-Niveaus bei 305.3 nm konnte mittels REMPI-Spektroskopie reproduziert werden und anschließende 1H-Photofragmentspektren zeigten, dass eine Anregung des D3-Niveaus zur Bildung von Wasserstofffragmenten führt. Die beobachteten 1H-Fragmente zeigten jedoch eine deutlich zu hohe Überschussenergie für eine Einphotonenabsorption, sodass diese Mehrphotonenabsorptionen zugeordnet werden müssen. Es lässt sich vermuten, dass die Wasserstofffragmente aus einer Anregung eines „superexcited states” oberhalb des Ionisationspotentials, wahrscheinlich durch Zweiphotonenabsorption, stammen. Dieser „superexcited state” zeigt scheinbar keine (vollständige) Autoionisation und führt nachfolgend zumindest teilweise zur Fragmentation des Benzyl-Radikals. In der Folge liegt die Vermutung nahe, dass die Energien eines einzelnen 305 nm-Photons nicht zur Initiierung einer Photodissoziation des Benzyl-Radikals ausreichend ist oder aber, dass diese Photodissoziation zu langsam ist, um sie in einem VMI-Experiment zu beobachten. Potential für weitere Experimente zur Photodissoziation des Benzyl-Radikals nach Anregung des D3-Niveaus wird an dieser Stelle nicht gesehen. / The photodissociation dynamics of the xylyl radicals ortho-, meta- and para-xylyl and the benzyl radical have been studied within this thesis using velocity-map-imaging spectroscopy. The reactive intermediates are the primary fragmentation products in the combustion of xylenes as well as toluene, which are used as fuel additives due to their anti-knock properties. Therefore, these radicals play a key role in combustion chemistry. Accordingly, studies of further reactions of these resonance-stabilized radicals are crucial, especially for the formation of soot. All xylyl isomers were produced selectively via pyrolysis of the corresponding 2-(methylphenyl)ethyl nitrite precursors and identified using REMPI spectroscopy of the D0 -> D3 transition. Afterwards, the dissociation of all three xylyl isomers has been studied after excitation into the D3 level around 310 nm and the D band at 250 nm, respectively. The photodissociation of the para-xylyl radical was the "easiest" experiment. In agreement with thermal decomposition studies of Hemberger et al. p-xylyl -> p-xylylene + H was verified as the fragmentation reaction. VMI experiments yielding isotropic images showed that after excitation at 309.6 nm roughly 33 % of the excess energy is released into translational energy of the dissociation fragments, while at 250 nm the value decreases to approximately 19 %. Values of kH(309.6nm) ≈ 10^8 s-1 and kH(250nm) ≈ 5*10^7 s-1 were measured for the dissociation. The fact that the rate constant of the photodissociation is higher at 309.6 nm than at 250 nm is puzzling. RRKM theory is not suitable to describe the dissociation rate constants. Furthermore, the translational energy distribution could not be fitted using the "quack fit" for statistical dissociations. The fragmentation of the para-xylyl radical occurs in the electronic ground state. After photoexcitation para-xylyl deactivates non-radiatively into a rotational and vibrational highly excited state of the electronic ground state. Due to incomplete thermalization of the electronic ground state prior to dissociation, there is no complete statistical distribution of the internal energy of the xylyl radical. Therefore, an important basic requirement of common statistical models is absent, so that these models are not able to describe the para-xylyl photodissociation quantitatively. Analogous to the para isomer, statistical models cannot describe the ortho-xylyl data quantitatively either. Once again the dissociation rate constant after excitation into the D3 level at 311.1 nm was determined to be larger compared to the dissociation rate constant at 250 nm (kH(311.1nm) ≈ 10^8 s-1, kH(250nm) ≈ 5*10^7 s-1) indicating that this effect is systematic for xylyl isomers. VMI experiments show isotropic angular distributions. The corresponding translational energy distributions of the hydrogen atom fragment at 311.1 nm cannot be explained by the reaction channel o-xylyl -> o-xylylene + H, which was proposed by Hemberger et al. to be the main step in the decomposition pathway. In contrast, a fragmentation to benzocyclobutene (o-xylyl -> benzocyclobutene + H) matches the ET distribution much better. According to Hemberger et al., this pathway should not be accessible at the energy of a 311.1 nm photon. Theoretical studies resulted in an identification of a new, yet unknown fragmentation pathway yielding benzocyclobutene via a direct pathway from ortho-xylyl by simultaneous ring closure and C-H bond fissure, which was computed to be energetically accessible. With this new pathway <fT>(311.1nm) = 30 % and <fT>(250nm) = 16 % were determined. Analogous to the para isomer, ortho-xylyl also shows a photodissociation after relaxation to the electronic ground state. Furthermore, the assumption of a not fully thermalized electronic ground state holds as well. Meta-xylyl VMI experiments showed that m-xylyl -> m-xylylene + H can be ruled out as the dominant fragmentation path. Experiments around 310 nm led to the identification of two suitable fragmentation products, para-xylylene and benzocyclobutene, which can explain the measured translational energy distribution of the hydrogen atom fragments. In this case, para-xylylene represents the ET distribution slightly better, because the maximum excess energy of a fragmentation yielding para-xylylene is reproduced by the drop-off of the distribution almost exactly. Slightly less energy is released into the translation of the dissociation fragments compared to para-xylyl and ortho-xylyl experiments with <fT>(p-xylylene) = 29 % and <fT>(bcb) = 25 %, respectively. This suggests that in the meta-xylyl experiments internal distribution is more thermalized in the electronic ground state due to previous isomerisation prior to dissociation, which could lead to lower translational energies of the dissociation fragments. In contrast, this effect was not found (<fT>(p-xylylene) = 19 %, <fT>(bcb) = 17 %) within the 250 nm experiments. The comparison of <ET> instead of <fT> values (<ET>(para) = 0.41 eV, <ET>(ortho) = 0.38 eV, <ET>(meta) = 0.41 eV) shows <ET>(meta) = <ET>(para) indicating that isomerisation to para-xylyl and therefore fragmentation to para-xylylene is prefered over isomerisation to ortho-xylyl and subsequent fragmentation to benzocyclobutene. This observation matches thermal decomposition experiments by Hemberger et al. showing para-xylylene as the only decomposition product of meta-xylyl. RRKM studies do not show a preference of isomerisation to either para- or ortho-xylyl. The determined dissociation rate constants (kH(310nm) ≈ 10^8 s-1, kH(250nm) ≈ 4*10^7 s-1) as well as the <ft> values within the VMI experiments suggest that the isomerisation of the meta-xylyl radical is slower than the fragmentation afterwards at 310 nm, but occurs at least on the time scale of the fragmentation at 250 nm. All in all, a reliable interpretation of the meta-xylyl data remains somewhat tentative. Within the benzyl radical studies, literature data of the photodissociation at 250 nm were well reproduced. In contrast, experimental data of the investigation of the photodissociation initiated by excitation into the D3 level at 305.3 nm could not be interpreted unambiguously. Despite the reproduction of the REMPI spectrum of the D3 level known by literature and action spectra showing hydrogen fragments as a result of excitation at 305.3 nm, the translational energy distribution indicates that these hydrogen atoms originate from multi-photon processes instead of a single-photon excitation. Thus, these hydrogen fragments most likely originate from an excitation of a superexcited state above the ionization potential with two photons. It can be presumed that this superexcited state does not show complete autoionization and therefore leads at least partly to a fragmentation of the benzyl radical. Accordingly, the energy of a single photon seems to be too low to initiate a photodissociation or the dissociation could be too slow for an investigation via VMI. At this point, no further potential for additional and profitable photodissociation experiments is seen.

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Regio- und Stereoselektivität der 1,2-Umlagerung von 1,3-Cylopentandiyl-Radikalkationen und den entsprechenden Carbokationen untersucht. Die 1,3-Radikalkationen werden dabei durch Elektronentransfer (ET) mit Tris(p-bromphenyl)-ammoniumhexachlorantimonat (TBA•+SbCl6-) aus den Tricyclo[3.3.0.02,4]octanen (Hausanen) I generiert, die Carbokationen können durch Protonierung mit TFA und HClO4 erhalten werden. Ein mechanistisches Bild wird gezeichnet wie durch das Wechselspiel aus konformationellen, sterischen und elektronischen Faktoren ein stereochemischer Erinnerungseffekt die Produktselektivität der 1,2-Umlagerung bestimmt. Das Produktverhältnis der Umlagerungsprodukte II und III spiegelt nicht die unterschiedlichen Wanderungstendenzen der Substituenten R wider. Es wird gezeigt, wie durch strukturelle Variation der Ringanellierung in den 1,3-Radikalkationen das Umlagerungsverhalten derart manipuliert werden kann, dass entweder sterereochemische Kontrolle (stereochemischer Erinnerungseffekt) oder Curtin / Hammett-Verhalten zutrifft. In der Elektrontransfer-induzierten 1,2-Umlagerung der usane I entstehen regioselektiv die beiden Cyclopentene II (Wanderung der CH3-Gruppe) und III (Wanderung der R-Gruppe) durch eine 1,2-Verschiebung der beiden Methylenbrückensubstituenten zum Methylterminus (Schema A). Für alle Hausanderivate I ist das Verhältnis der beiden Umlagerungsprodukte II und III annähernd gleich und reflektiert nicht die zu erwartende Wanderungstendenz Methyl < Ethyl < Benzyl, Allyl (Tabelle A). Der Grund für diesen stereochemischen Erinnerungseffekt liegt darin, dass die Wanderung der CH3-Gruppe schneller erfolgt als die konformationelle Äquilibrierung der beiden Radikalkationkonformere anti-I•+ syn-I•+. Die säurekatalysierte Umsetzung mit TFA ergibt eine ähnliche Regio- und Stereoselektivität wie in der ET-induzierten Umlagerung, es entstehen ausschließlich die Cyclopentene II und III. Die Umsetzung mit HClO4 führt zu einer kompletten Umkehr der zuvor beobachteten Produktselektivitäten (Tabelle A). Die Unterschiede in den Produktselektivitäten werden mit dem Auftreten der drei unterschiedlichen Intermediate I•+, I(edge-H)+ und I(corner-H)+ in der Umlagerung erklärt. Bei der ET-induzierten Umlagerung und der Säurekatalyse mit TFA werden die gewinkelten Intermediate I•+ und I(edge-H)+ durchlaufen, wohingegen bei der Protonierung mit HClO4 direkt das offene Carbokation I(corner-H)+ gebildet wird. Für alle Umlagerungsmodi findet jedoch bevorzugt Wanderung der CH3-Gruppe statt, so dass die Produktselektivität durch einen stereochemischen Erinnerungseffekt bestimmt wird. Um den Einfluss einer zusätzlichen Ringanellierung auf das Umlagerungsverhalten zu untersuchen, wird ebenfalls die ET-induzierte Umlagerung für das tetracyclischen Hausan IV untersucht (Tabelle B). Die Umsetzung des Phenyl-substituierten Hausans IV&#61537; mit TBA•+SbCl6- resultiert regioselektiv die beiden diquinanverwandten Umlagerungsprodukte V&#61537; (55%) und VI&#61537; (45%) durch Wanderung der CH3-Gruppe und des CH2-Fragments des anellierten Ringes. Die Umlagerung des Methyl-substituierten Derivats IV&#61538; verläuft hingegen weder regio- noch stereoselektiv zu den drei Isomeren V&#61538; (37%), VI&#61538; (25%) und VII&#61538; (43%). Für die Umsetzung mit HClO4 wird im Fall von Hausan IV&#61537;&#61472;eine komplette Umkehr der Regioselektivität beobachtet und es entsteht hauptsächlich das Produkt VII&#61537; (67%), sowohl die beiden Regioisomeren V&#61537; (24%) und VI&#61537; (9%). Das Methyl-substituierte Derivat IV&#61538; ergibt bei der Umsetzung mit HClO4 regio- und stereoselektiv ausschließlich das Cyclopenten V&#61538; (> 95%). Die Produktselektivität der 1,2-Umlagerung des Hausans IV&#61537; lässt sich durch die Viskosität (&#61544;&#61481; des verwendeten Lösungsmittels steuern. Mit zunehmender Viskosität nimmt der Anteil an Methylwanderungsprodukt V&#61537; zu, so dass sich das V&#61537;/VI&#61537; Verhältnis beim Übergang von Dichlormethan (&#61544;&#61472; = 0.36 cP) zu 1,4-Butandiol (&#61544;&#61472; = 89.2 cP) fast verdoppelt. Im Gegensatz dazu zeigt das Produktverhältnis II&#61542; / III&#61542; der Umlagerung von den diastereomeren Hausanen anti-I&#61542; und syn-I&#61542; keine Viskositätsabhängigkeit. Anhand der für die Umlagerung beobachteten Produktverhältnissen wird, ausgehend vom Hausanisomer anti-I&#61542; einerseits und Hausanisomer syn-I&#61542; andererseits, das Ausmaß an Stereoselektivität der 1,2-Umlagerung durch eine detaillierte Kinetikanalyse quantifiziert Die CD3-Wanderung (k2), ausgehend vom vom anti-I&#61542;•+(verdrillt) Konformer, erfolgt ca. sieben Mal schneller als die konformationelle anti-zu-syn (k1) Transformation zum Radikalkationkonformer syn-I&#61542;•+(verdrillt). Wohingegen die CD3-Wanderung (k3), ausgehend vom syn-I&#61542;•+(verdrillt) Konformer, nur ca. drei Mal schneller ist als die syn-zu-anti Transformation (k-1) zum Radikalkation anti-I&#61542;•+(verdrillt). Für die Umlagerung der aus den Hausanen I generierten Radikalkationen und Carbokationen wird ein stereochemischer Erinnerungseffekt beobachtet. Die Wanderungsselektivität wird durch konformationelle und sterische Effekte bestimmt und ist unabhängig von der Wanderungstendenz des Substituenten R. Die konformationellen Effekte der 1,2-Umlagerung von 1,3-Cyclopentandiyl-Radikalkationen können durch eine geeignete Variation der Ringanellierung so gesteuert werden, dass entweder ein stereochemischer Erinnerungseffekt (tricyclische Hausane I) oder ein Curtin/Hammett-Verhalten (tetracyclische Hausane IV) beobachtet wird. Die zusätzliche Cyclohexananellierung im Hausan IV löscht den stereochemischen Erinnerungseffekt und bewirkt eine für radikalkationische Intermediate erstmalig beobachtete Viskositätsabhängigkeit der Produktselektivität in der Umlagerung. / The present study provides valuable mechanistic insight into the intricacies and complexities in the rearrangement of the 1,3 radical cations [generated by electron transfer with tris(p-bromo)phenylaminium hexachloroantimonate (TBA•+SbCl6-)] and the corresponding carbocations [formed by protonation with trifluoroacetic (TFA) and perchloric acid (HClO4)]. This elaborate comparative study provides a mechanistic assessment of the interplay of conformational, electronic and steric effects on the product selectivity in the rearrangement of radical cations and the corresponding carbocation intermediates as required by stereoelectronic control. For all activation modes in the rearrangement of the housanes I stereochemical memory operates, which is imposed by the conformational requirements that are dictated by the stereoelectronics of the 1,2 migration. As a consequence, the ratio of the rearrangement products II/III is insensitive to the migratory aptitude of the R substituent in the housanes I. Additionally, it has been demonstrated that structural changes allow to manipulate the conformational effects in the rearrangement of 1,3-cyclopentandiyl radical cations that either stereochemical memory or Curtin / Hammett behavior is observerd. The electron-transfer-catalyzed rearrangement of the housanes I affords regioselectively exclusively the two cyclopentenes II (CH3 migration) and III (R migration) by 1,2 shift of the two groups at the methano bridge to the methyl terminus For all derivatives, the 1,2 shift of the CH3 group prevails and the rearrangement ratio is relatively insensitive to the migratory aptitude of the R substituent. The TFA-catalyzed rearrangement leads to a similar regio- and stereoselectivity as in the case of electron transfer. Thus, only the cyclopentenes II and III are produced with predominant CH3 migration.The rearrangement catalyzed by HClO4 leads to complete reversal in product distribution compared to the above-desribed rearrangements. The bridged structures I•+, I(edge-H)+ and I(corner-H)+ are suggested as key intermediates. In the electron-transfer and TFA-catalyzed rearrangements, the two puckered intermediates I•+and I(edge-H)+ intervene, whereas the open structure I(corner-H)+, formed by direct cornerwise protonation of the housane I, is suggested. In all cases, the CH3 group migrates in preference, the stereochemical memory effect accounts for the observed product selectivity. To probe the influence of ring annelation on the product selectivity, also the tetracyclic housanes IV were subjected to the electron-transfer oxidation by TBA•+SbCl6- (Table B). The electron-transfer rearrangement of the housanes IV&#61537; on treatment with TBA•+SbCl6- affords regioselectively the two isomeric products V&#61537; (55%) and VI&#61537; (45%) by migration of the two groups at the methano bridge. In contrast, the methyl derivative IV&#61538; is neither regio- nor stereoselective and leads to the three isomeric cyclopentenes V&#61538; (37%), VI&#61538; (25%), and VII&#61538; (43%). Acid-catalyzed rearrangement of the housane IV&#61537; gives in addition to V&#61537; (24%) and VI&#61537; (9%), the regiosiomer VII&#61537;&#61472; (67%) as major product. Acid-catalyzed rearrangement of the methyl-substituted housane IV&#61538; yields regio- and stereoselectively the quinane V&#61538;&#61472;(> 95%). For the housane IV&#61537; a mechanistically pertinent viscosity dependence is disclosed on the product selectivity. Whereas at low viscosity the two cyclopentenes V&#61537; and VI&#61537; are formed in nearly equal amounts, the methyl migration product V&#61537; dominates more than twofold at higher viscosity. In contrast, the electron-transfer-induced rearrangement of the isomeric housanes anti-I&#61542; and syn-I&#61542; does not depend on the solvent viscosity (Scheme B). To evaluate quantitatively the extent of stereochemical memory, the ratios k2/k1 and k3/k-1 serve as a quantitative measure of the stereoselectivity, that is, for the case k2 >> k1 and k3 >> k-1 perfect stereochemical memory applies, whereas for the case k2 << k1 and k3 << k-1 complete Curtin-Hammett behavior operates. Thus, the CD3 migration in the anti-I&#61542;•+(twisted) conformer (k2) proceeds ca. seven times faster than the conformational anti-to-syn change (k1) to the conformer syn-I&#61542;•+(twisted), whereas the CD3 transfer in the syn-I&#61542;•+(twisted) conformer (k3) is only ca. three times faster than the syn-to-anti conformational change (k-1) to the anti-I&#61542;•+(twisted) species. The present study reveals that the product selectivity of the 1,2 migration in the electron-transfer as well as in the acid-catalyzed rearrangement of the housanes I is decisively determined by conformational and steric factors. For all activation modes, the stereochemical memory effect operates. As a consequence, the ratio of rearrangement products is essentially insensitive to the migratory aptitude of the R substituent in the housanes I. This stereochemical memory effect derives from the conformational imposition on the stereoelectronic requirements during the 1,2 migration of the 1,3-radical-cation intermediates. Appropriate ring annelation in the intermediary 1,3-cyclopentandiyl radical cation allows to change the stereochemical course of the rearrangement from stereochemical memory (tricycylic housanes I) to complete loss of sterecontrol through Curtin/Hammett behavior (tetracyclic housanes IV); thus, cyclohexane annelation erases the stereochemical memory effect. Such structural manipulation of the conformational control in radical-cation rearrangements has hitherto not been documented. The observed Curtin/Hammett behavior of the housane IV&#61537; represents the first case for which conformational equilibration precedes competing product formation through 1,2 migration, which could have hardly been anticipated.

Heidelberg, Univ., Diss., 2008. / Online publiziert: 2008.