Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Typ-, Regio- und Stereoselektivität photochemischer Reaktionen in organisierten Medien. Es wird anhand ausgewählter Beispiele gezeigt, daß bei der Festkörperbestrahlung von kronenetherverknüpften Substraten sowie von photoaktiven Verbindungen, die mit Polyaminosäuren, Cyclodextrinen oder Zeolithen assoziiert sind, häufig andere Produkte gebildet und höhere Selektivitäten erreicht werden als in Lösung. / The subject of the present work is the investigation of the type-, regio- and stereoselectivity of photochemical reactions in organized media. Upon solid-state irradiation of selected crownether- substituted substrates and photoactive compounds, which are associated with polyamino acids, cyclodextrines or zeolites, it is shown that in many cases other products are formed or higher selectivities are achieved than in solution.

Chirale Phosphane besitzen als Liganden in Übergangsmetallkomplexen für die enantioselektive Synthese und Katalyse gesteigertes Interesse. Der Nobelpreis für Knowles im Jahre 2001 für die enantioselektive Synthese von L-Dopa, katalysiert durch einen optisch reinen DIPAMP-Rhodiumkomplex, zeigt die Bedeutung von chiralen Phosphanen als Katalysatorbausteine die stereochemische Information übertragen. Bei der Synthese von chiralen Phosphanen werden gewöhnlich teuere Verfahren angewandt, wie Einsatz chiraler Hilfsguppen oder die Trennung racemischer Gemische durch Enatiomerentrennung. Ein weiterer Zugang zur Knüpfung von P-C-Bindungen besteht in der Hydrophosphinierungsreaktion; eine Addition der P-H-Funktion an Alkene. In diesem Zusammenhang wurde gezeigt, dass z. B. die Reaktion von PH3 mit Acrylsäuremethylester in Gegenwart von AIBN keine Chemoselektivität aufweist, was zu einem Gemisch der primären, sekundären und tertiären Phosphane P(H)2-n[(CH2)2CO2Et]n+1 (n = 0, 1, 2), sowie zur Bildung des in der Seitenkette alkylierten Phosphans P[(CH2)2CO2Et]2{CH2C(H)(CO2Et)[(CH2)2CO2 Et]} führt. Eine Möglichkeit die Chemoselektivität des Hydrophosphinierungsprozesses zu erhöhen, ist die Aktivierung der P-H-Funktion durch Übergangsmetallfragmente, jedoch existiert zu diesem Thema ein nur begrenzter Kenntnisstand. In dieser Arbeit wurden P-chirale sekundäre Phosphane durch Insertion von organischen Mehrfachbindungssystemen wie substituierten Alkenen und Heterocumulenen in die P-H-Bindung der primär-Phosphan-Komplexe {C5R5(OC)2Fe[P(R’)H2]}BF4 (R = H, Me; R’ = Alkyl, Aryl) dargestellt. Im Falle von Acetylendicarbonsäuredimethylester beobachtet man eine doppelte Hydrophosphinierung, was zum diastereospezifischen Aufbau von der Zweikernkomplexe C5R5(OC)2Fe{P(H)(R’)[C(H)(CO2Me)]}}2(BF4)2 (R = H, Me; R’ = t-Bu, 2-py) mit vier stereogenen Zentren führt. Die Verwendung von p-Benzochinon bietet die Möglichkeit 2,5-Bis(hydroxy)arylphosphanliganden aufzubauen, die für weitere Transformationen geeignet sind. 1-Hydroxyalkylphosphankomplexe werden bei der Hydrophosphinerung von Aldehyden und Ketonen erhalten, ebenso wie 2-Hydroxycyclohexylphosphankomplexe durch Reaktion der primär-Phosphan-Eisenkomplexe mit Cyclohexenoxid. Umwandlung in hochfunktionalisierte tertiär-Phosphankomplexe wird durch einen weiteren Hydrophosphinierungsschritt der Alkene H2C=CHX (X = CN, 2-py), Diazoessigsäureethylester, p-Benzochinon oder Ethylisocyanat erreicht. In speziellen Fällen wird die Bildung von Azaphospholanliganden beobachtet. Freisetzung der Phosphane vom Metall wird durch photoinduzierten Ligandentausch ermöglicht. Weiterhin eigen sich die chiralen, chelatphosphansubstituierten primär-Phosphankomplexe {C5H5(diphos)Fe[P(R)H2]} BF4 (diphos = DIOP, CHIRAPHOS) eine Stereokontrolle auf den Prozess der Hydrophosphinierung einfach substituierter Alkene zu Übertragen. In diesem Zusammenhang wurde auch eine erfolgreiche katalytische Hydrophosphinierung durchgeführt, wobei [C5H5(DIOP)Fe(NCMe)]BF4 als Katalysator fungierte. / Chiral phosphines attract increasing interest as ligands in transition metal complexes used in enantioselective synthesis and catalysis. The Nobel prize award for Knowles in 2001 for the enantioselective synthesis of L-Dopa catalyzed by an optically pure DIPAMP-Rhodium complex indicates the importance of chiral phosphines as catalyst building blocks introducing stereochemical information. The syntheses of chiral phosphines usually involve expensive procedures, including the use of chiral auxiliaries or the separation of racemic mixtures by resolving methods. Another approach to the formation of P-C-bonds is given by the hydrophosphination process, the addition of the P-H-function to alkenes. In this context, it has been shown, for example, the reaction of PH3 with ethylacrylate in the presence of AIBN exhibits no chemoselectivity, resulting in a mixture of the primary, secondary and tertiary phosphines P(H)2-n[(CH2)2CO2Et]n+1 (n = 0, 1, 2), as well as the side chain alkylated phosphine P[(CH2)2CO2Et]2{CH2C(H)(CO2Et)[(CH2)2CO2Et]}. One possibility to increase the chemoselectivity of the hydrophosphination process is the activation of the P-H-bond by transition metal fragments, but only limited information is available concerning this topic. In this work, the synthesis of P-chiral secondary phosphines, characterized by phosphorus and side chain chirality has been realized via insertion of various organic multiple bond systems like substituted alkenes or heterocummulenes into the P-H-bond of the primary phosphine complexes {C5R5(OC)2Fe[P(R’)H2]}BF4 (R = H, Me; R’ = alkyl, aryl). In the case of acetylenedicarboxylic acid dimethylester a double hydrophosphination is observed, leading diastereospecifically to the dinuclear complexes {C5R5(OC)2Fe{P(H)(R’) [C(H)(CO2Me)]}}2(BF4)2 (R = H, Me; R’ = t-Bu, 2-py), bearing four stereogenic centres. The use of p-benzoquinone gives access to secondary 2,5-bis(hydroxy)aryl phosphine ligands, suitable for further derivatizations. a-Hydroxyalkyl phosphine iron complexes can be obtained by hydrophosphination of aldehydes and ketones, as well as b-hydroxycyclohexylphosphine complexes by reaction of the primary phosphine iron complexes with cyclohexenoxide. Transformation into highly functionalized tertiary phosphine complexes is performed by a further hydrophosphination step using the alkenes H2C=CHX (X = CN, 2-py), diazoacetic ethylester, p-benzoquinone or ethylisocyanate, respectively. In special cases formation of functionalized azaphospholane ligands is observed. Release of the phosphines from the metal is achieved by photo induced ligand exchange. In addition, primary phosphine iron complexes {C5H5(diphos)Fe[P(R)H2]}BF4 (diphos = DIOP, CHIRAPHOS) bearing chiral bis(phosphine) ligands have been used to provide the stereocontrol of the hydrophosphination process of simple substituted alkenes. In this context, a succesful catalytic hydrohosphination has been carried out, using the [C5H5(DIOP)Fe(NCMe)]BF4-complex as catalyst.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Synthese alpha-heteroatomstabilisierter Lithiumorganyle (Heteroatom = Schwefel, Silicium, Stickstoff), sowie Struktur/Reaktivtätsstudien auf der Basis von strukturellen Charakterisierungen. Dabei standen verschiedene Methoden zur räumlichen Verknüpfung der alpha-heteroatomstabilisierten Lithiumorganyle mit einer definierten stereochemischen Information im Mittelpunkt der Forschungsarbeit. Die Arbeit gliedert sich in die folgenden drei Bereiche: Studien zu Struktur, Reaktivität und stereochemischen Aspekten von alpha-(Phenylthio)benzyllithium; 2-silylsubstituierte N-Methylpyrrolidine: Stereochemische Studien zur Darstellung und Reaktivität; Festkörperstrukturen wichtiger (–)-Spartein-koordinierter Deprotonierungsreagenzien auf der Basis einfacher Lithiumorganyle. Den ersten Schwerpunkt dieser Arbeit bildeten Studien zu Struktur, Reaktivität und stereochemischen Aspekten von alpha-(Phenylthio)benzyllithium. Am Beispiel von alpha-(Phenylthio)benzyllithium sollte die intermolekulare Einführung einer stereochemischen Information durch ein chirales Auxiliar [(–)-Spartein] genauer studiert werden. Aufbauend auf Studien von T. Toru und Mitarbeitern, die gezeigt hatten, dass gerade (–)-Spartein bei der asymmetrischen Deprotonierung von Benzylphenylsulfid keine befriedigende asymmetrische Induktion bewirkt, wurde eine Erklärung für diese mangelnde Stereoselektivität gesucht. Dabei erhoffte man sich, durch Kenntnisse der Festkörperstruktur Rückschlüsse auf die Reaktivität ziehen zu können und Ansatzpunkte für eine Verbesserung der Stereoselektivität zu finden. Um ein genaueres Verständnis für diese Metallierungsreaktion entwickeln zu können, wurden zunächst Studien zur Deprotonierung von Benzylphenylsulfid sowohl in Anwesenheit verschiedener koordinierender achiraler Zusätze [THF, TMEDA, PMDTA], des chiralen Zusatzes (–)-Spartein als auch ohne koordinierendes Solvens durchgeführt. Dabei erhielt man Hinweise auf Prozesse, welche die Stereoselektivität beeinflussen, wie z. B. eine durch Tageslicht induzierte Ablösung des Metallkomplexfragmentes vom „carbanionischen“ Zentrum oder eine auf Carbenbildung basierende Zersetzungsreaktion des primär gebildeten Lithiumalkyls. Den zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit bildeten stereochemische Studien zur Darstellung und Reaktivität von 2-silylsubstituierten N-Methylpyrrolidinen. Im Mittelpunkt standen Studien zur Übertragung der Stereoinformation von einem bestehenden auf das neu generierte (lithiierte) Stereozentrum innerhalb eines „starren Systems“, das durch intramolekulare Koordination des Lithiumzentrums gebildet wurde. Dabei konnten u. a. ein interessanter Zugang zu enantiomerenreinen N-Methyl-2-silylsubstituierten Pyrrolidinen und zu enantiomerenangereicherten 2-silylsubstituierten Pyrrolidinen, die am Stickstoffzentrum funktionalisiert werden können, gezeigt werden. Weiterhin erhielt man in anschließenden Studien zur Metallierung dieser N-Methyl-2-silylsubstituierten Pyrrolidine einen Einblick in den stereochemischen Verlauf dieser Reaktion und die strukturbestimmenden Faktoren. Den dritten Schwerpunkt dieser Arbeit bildete die strukturelle Charakterisierung wichtiger (–)-Spartein-koordinierter Deprotonierungsreagenzien auf der Basis einfacher Lithiumorganyle im Festkörper. Die Kombinationen aus (–)-Spartein und verschiedenen Alkyllithiumbasen gelten als die entscheidenden Reagenzien zum Aufbau „optisch aktiver Carbanionen“. Die Reaktivität von Lithiumorganylen steht oft in einem engen Zusammenhang mit der Struktur, so dass versucht wurde, durch Interpretation der Festkörperstrukturen eine Erklärung für die unterschiedlichen Reaktivitäten der verschiedenen (–)-Spartein-koordinierten Alkyl- und Aryllithiumbasen zu finden. Dabei zeigte eine vergleichende Untersuchung der Festkörperstrukturen von (–)-Spartein-koordinierten Organolithiumverbindungen einen klaren Zusammenhang zwischen dem sterischen Anspruch der Alkyl- bzw. Aryllithiumbase und dem Aggregationsgrad. Je größer der sterische Anspruch der Alkyllithiumbase ist, desto kleiner ist der Aggregationsgrad, wobei gerade Monomere als die reaktive Spezies in Deprotonierungsreaktion postuliert werden. Eine gezielte Abnahme des Aggregationsgrades kann also durch eine Erhöhung des sterischen Anspruches der Organolithiumbase erreicht werden, so dass durch den Einsatz der sterisch anspruchsvollen Alkyllithiumbase tert-Butyllithium sogar die erste monomere Festkörperstruktur einer Butyllithiumverbindung erhalten werden konnte. Aber auch weitere (–)-Spartein-koordinierte Alkyl- und Aryllithiumbasen besitzen im Festkörper interessante und z. T., für einfache Lithiumalkyle unbekannte, Strukturmotive, so dass Rückschlüsse auf die Reaktivitäten gezogen werden konnten. Diese Studien zu Festkörperstrukturen (–)-Spartein-koordinierter Deprotonierungsreagenzien wurden durch quantenchemische Studien unterstützt. / This work presents new synthetic routes leading to alpha-heteroatom stabilized organolithiums (heteroatom = sulphur, silicon, nitrogen) and examines structure and reactivity on the basis of solid-state structures. The main topic was the combination of alpha-heteroatom stabilized organolithiums with a definite stereochemical information. The thesis consists of three parts: Studies on the structure, reactivity and stereochemistry of alpha-lithiobenzyl phenyl sulfide; 2-silylated N-methylpyrrolidines: stereochemical studies concerning synthesis and reactivity; Crystal structures of important (–)-sparteine-coordinated alkyllithium bases. The first part of this work were studies on structure, reactivity and stereochemical aspects of alpha-lithiobenzyl phenyl sulfide. alpha-Lithiated benzyl phenyl sulfide has been investigated for the possibility of intermolecular introduction of stereochemical information by a chiral auxiliary such as (–)-sparteine. However, studies of T. Toru and coworkers showed that the presence of (–)-sparteine does not lead to substantial asymmetric induction in the lithiation of benzyl phenyl sulfide. Knowledge of the crystal structures can help to find an explanation for this lack of stereoselectivity and suggest ways of improving it. To develop a better understanding of the steps involved in the metalation reaction, the lithiation of benzyl phenyl sulfide was performed in the presence of several achiral coordinating substances [THF, TMEDA, PMDETA], the chiral auxiliary (–)-sparteine and without a coordinating solvent. Thereby we got interesting hints for processes affecting the stereoselectivity, e. g. a photoinduced dissolution process of the metal fragment from the “carbanionic” centre or a decomposition reaction, based on carbene formation, of the initially formed lithiumalkyl. The second part of this work were stereochemical studies concerning synthesis and reactivity of 2-silylated N-methylpyrrolidines. Most attention was directed towards the transfer of stereochemical information from the existing to a newly generated stereogenic centre, under the conditions of intramolecular coordination of the lithium centre. Thereby an interesting way to enantiomerically pure N-methyl-2-silyl substituted pyrrolidines and to enantioenriched 2-silyl substituted pyrrolidines, which can be functionalized at the nitrogen centre, has been shown. Further on it was possible in metalation studies to get important insights in the stereochemical pathway and in structure-determining factors. The third part of this work was the determination of crystal structures of important (–)-sparteine coordinated alkyl- and aryllithium bases. Adducts between (–)-sparteine and “simple” lithiumorganyls are the vital reagents for the synthesis of “chiral carbanions“. The reactivity of organolithium compounds is often related to the structure, such that it can be possible to find an explanation for differing reacitivities by studying the crystal structures. A comparative analysis of the crystal structures of (–)-sparteine-coordinated “simple” organolithium compounds in the solid state displays a clear correlation of the steric influence of the alkyl and aryllithium base with the aggregation level. The bigger the steric influence the smaller the aggregation level becomes, whereas monomers have been postulated as the reactive species in deprotonation reactions. A selective decrease of the aggregation level can be achieved by using bulky organolithium compounds. The first monomeric molecular structure in the solid state was obtained by using the sterically demanding alkyllithium base tert-butyllithium. But also other (–)-sparteine coordinated alkyl- and arlyllithiumbases form very interesting and sometimes unknown structural motifs in the solid state, so it was possible to draw important conclusions to the reacitivity. These studies on (–)-sparteine coordinated deprotonation reagents in the solid state were underlined by quantenchemical calculations.

In der vorliegenden Dissertation konnten erfolgreich neben der Entwicklung und Optimierung neuer Methoden in der Kettenverlängerung von Aldosen und Ketosen auch neue Farbstoffe zur Untersuchung von Protonierungs- und Wasserdynamiken designt und synthetisiert werden. Die Erweiterung des Verständnisses im Zusammenspiel von Aminosäuren und Kohlenhydraten hat einen großen Einfluss in der wissenschaftlichen Gesellschaft der Kohlenhydratchemie. Die Kontrolle im Aufbau von Stereotetraden und -pentaden führt zu einer Ausweitung der bekannten Möglichkeiten in der stereoselektiven Synthese von Naturstoffen und Biomimetika. Außerdem konnten durch eine einfache Methode die C-Glykoside seltener Kohlenhydrate dargestellt werden. Einbau von Aminosäuren in Kohlenhydratstrukturen konnten in hohen Stereoselektivitäten und der Möglichkeit der Stereomanipulation durch Wahl des Isocyanides erreicht werden. Die Synthese des zellgängigen Farbstoffes PAc-SNARF, sowie des Biolinkers IA-SNARF ermöglicht eine bildgebenden ratiometrischen pH-Untersuchungen in Zellen und auf Proteinoberflächen. Die Verallgemeinerung der Synthese der Farbstoff-Precursor für die SNARF-Derivate über eine Friedel-Crafts-Acylierung erlaubt eine kostengünstige Darstellung einer großen Bandbreite von Farbstoffen. Mithilfe der neu synthetisierten sterisch anspruchsvollen N-Methyl-6-oxychinoliniumbetain-Derivate verbunden mit der Fluoreszenzaufkonvertierungs-Spektroskopie konnte eine Verlangsamung von Wasser an hydrophoben Oberflächen bewiesen werden. Die gesammelten Ergebnisse und Erkenntnisse in diesen verschiedenen Themengebieten werden in Zukunft einen großen Einfluss in der Wissenschaftswelt haben. / In the presented dissertation new methods in the chain elongation of carbohydrates could be established and optimized. Besides that, new probes for the investigation of protonation and water dynamics could be designed and synthesized. The extension of comprehension in the interaction between amino acids and carbohydrates through hydrogen bonds has a great impact in the scientific community of carbohydrate research. The stereochemical control in the construction of stereotetrads and –pentads leads to a considerable extension of known methods in the synthesis of natural compounds and biomimetics. Additionally the C-glycosides of rare carbohydrates could be synthesized through simple methods. Installation of amino acids into carbohydrate structures could be achieved with very high stereoselectivity and the potential of manipulating the stereochemical course through the choice of different isocyanides. The synthesis of the cell permeable PAc-SNARF and the cysteine-bioapplicable IA-SNARF allow the ratiometric pH-imaging of cells and protein surfaces. The generalization of the synthesis of dye-precursors for SNARF-derivatives through friedel-crafts-acylation allow an inexpensive approach in synthesizing a broad spectrum of dyes. Through deployment of newly developed sterical demanding N-Methyl-6-oxyquinolinium betaine-derivates together with the fluorescence upconversion spectroscopy a deceleration of water reorientation near hydrophobic surfaces could be proven. The here summarized results and insights in the different topics will have a considerable influence in academic sciences.