Hinweis: Zur optimalen Darstellung des Dokumentes bitte die Schriftart „ArnoPro“ installieren. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und den Reaktionen von heteroatomgebundenen Aziden. Im Speziellem werden vier verschiedene Gruppen untersucht, diese umfassen: Die Synthese von N-Azido-Aminen u. a. mittels nucleophiler Substitution und Diazotransfer-Reaktion, die Synthese von N-Azido-Iminen mittels nucleophiler Substitution und Addition-Reaktion von Azid an Iminium-aktivierte Azide, die Synthese von N4O/N4O2 durch Addition von Azid-Ion an Nitrosyl/Nitronium-Salze und die Synthese von Iod(III)aziden als Iod(III)mono-, -di- und triazid(e) mittels nucleophiler Substitution. Ein besonderes Augenmerk liegt in der Untersuchung der neu etablierten Reaktion zur Synthese von N-Amidino-Pentazolen und N-Azido-Amidinen ausgehend von Chlor-Iminium-Salzen. Es konnte hierbei gezeigt werden, dass nach einer ersten Substitutionsreaktion die neu eingeführte Azid-Gruppe durch die Nachbarschaft zur Iminium-Struktur aktiviert wird und so ein weiteres Azid-Ion an der Azid-Gruppe angreifen kann. Die sich im Folgenden bildenden N-Amidino-Pentazole und N-Azido-Amidine lassen sich mit Hilfe von 15N-Isotopenmarkierungen eindeutig, ohne unterstützende quantenchemische Rechnungen, bei tiefer Temperatur NMR-spektroskopisch nachweisen und belegen. Der Zerfall dieser Verbindungen bei Raumtemperatur liefert neben drei Äquivalenten Distickstoff ein nucleophiles Carben, welches diversen Folgereaktionen unterliegt und u. a. zu Azidomethylenaminen und Triazenium-Derivaten führt.:I. Inhaltsverzeichnis vi II. Abkürzungsverzeichnis ix 1. Einleitung 1 1.1. Azide - explosiv und vielfältig 1 1.1.1. Allgemeines 1 1.1.2. Heteroatomgebundene Azide in der Literatur 4 1.1.2.1. Überblick und bekannte Reagenzien 4 1.1.2.2. N-Azido-Amine 41 7 1.1.2.3. N-Azido-Imine 67 12 1.2. Stickstoff-haltige Heterocyclen 13 1.3. Zielsetzung 17 2. Ergebnisse und Diskussion 19 2.1. Synthese von N-Azido-Aminen 41 19 2.1.1. Synthese mittels nucleophiler Substitution 20 2.1.1.1. Reaktion von 43a mit NaN3: Die Reaktionsprodukte A und B 20 2.1.1.2. Reaktion von 43a mit NaN3: Aufklärung des Reaktionsmechanismus 22 2.1.1.3. Reaktion von 43a mit NaN3: Variation der Reaktionsbedingungen 26 2.1.1.4. Reaktion von 43a mit NaN3: Variation des Azid-Reagenzes 27 2.1.1.5. Variationen der Abgangsgruppe 29 2.1.2. Synthese mittels Diazotransfer 36 2.1.3. Synthese mittels Azid-Gruppen-Übertragung 43 2.1.4. Synthese über Tetrazenium-Salze 45 2.1.5. Synthese über N-Diazonium-Salze 47 2.2. Synthese von N-Azido-Iminen 67 52 2.2.1. Synthese mittels nucleophiler Substitution 53 2.2.2. Synthese mittels Additionsreaktion 55 2.2.2.1. Vorversuche 56 2.2.2.2. Reaktionssystem nach BALLI et al. 59 2.2.2.3. Weitere Formamid-Derivate 79 2.2.2.4. Weitere Systeme 90 2.3. Synthese von N4O (213) und N4O2 (216) 100 2.4. Synthese von Iod(III)aziden 108 2.4.1. Synthese von Iod(III)monoaziden 108 2.4.2. Synthese von Iod(III)diaziden 110 2.4.3. Synthese von Iod(III)triazid (242) 115 3. Zusammenfassung und Ausblick 120 4. Experimenteller Teil 124 4.1. Arbeitsweisen 124 4.1.1. Sicherheitshinweise zum Umgang mit Aziden 124 4.1.2. Arbeiten unter Inertgas 124 4.1.3. Arbeiten bei tiefer Temperatur 125 4.1.4. Verwendung/Trocknung von Lösungsmitteln 125 4.1.5. NMR-Spektroskopie 125 4.1.6. FT-IR-Spektroskopie 126 4.1.7. in-situ-IR-Spektroskopie 126 4.1.8. HRMS 127 4.1.9. Elementaranalyse 127 4.1.10. Schmelzpunkt 127 4.1.11. Synthese von Methylmethylenimin (117) 127 4.1.12. Synthese von N4O (213) und N4O2 (216) 129 4.2. Synthese der Edukte/Reagenzien 130 4.3. Genutzte, kommerziell verfügbare Chemikalien 131 4.4. Synthesevorschriften 135 4.4.1. Synthese von 1,3,5-Trimethyl-2,3,4,5-tetrahydro-1,3,5-triazinium- chlorid (116a) 135 4.4.2. Synthese von Methylmethylenimin (117) 136 4.4.3. Synthese von N-Brom-N,N-dimethylamin (121a) 137 4.4.4. Synthese von N,N-Dichlormethylamin (125a) 138 4.4.5. Synthese von Benzoesäuremethylester (131) 139 4.4.6. Synthese von N-Chlor-N-methyl-N-prenylamin (43q) 140 4.4.7. Synthese von 1,1-Dibenzyl-2-tosylhydrazin (137) 141 4.4.8. Synthese von N-Methyl-N-(3-methylbut-2-en-1-yl)hydrazin (54q) 142 4.4.9. Synthese von (E)-1-Methyl-2-(1,1-dimethylprop-2-en-1-yl)diazen (132r) 143 4.4.10. Synthese von 1-((2,4,6-Triisopropylphenyl)sulfonyl)-4,5,6,7,8,9-hexahydro-1H-cycloocta[d]-1,2,3-triazol (141) und 2-((2,4,6-Triisopropylphenyl)sulfonyl)-4,5,6,7,8,9-hexahydro-2H-cycloocta[d]-1,2,3-triazol (142) 144 4.4.11. Synthese von 1,1,1,4,4-Pentamethyltetrazenium-triflat (145a) 146 4.4.12. Synthese von 1-Methyl-4,5,6,7,8,9-hexahydro-1H-cycloocta[d]-1,2,3- triazol (152) 147 4.4.13. Synthese von N-Thiocyanato-cyclohexylimin (181u) 148 4.4.14. Synthese von 5-Chloro-1-methyl-3,4-dihydro-2H-pyrrol-1-ium chlorid (185n) 149 4.4.15. Synthese von N-Cyano-N,N-dimethylamin (122) 150 4.4.16. Synthese von N-Azidomethyl-N,N-dimethylamin (48) 151 4.4.17. Synthese von N-Azido-3-ethylbenzothiazol-2-imin (71a) 152 4.4.18. Synthese von 3-Ethyl-N-(4,5,6,7,8,9-hexahydro-1H-cycloocta[d]-1,2,3-triazol-1-yl) benzothiazol-2-imin (196a) 154 4.4.19. Synthese von N'-Azido-N,N-dimethylformamidin (15N4-67a) und N,N-Dimethyl-N'-pentazolyl)formamidin (15N6-199a) 157 4.4.20. Synthese von N-(Azidomethylen)-N-methylmethanaminium- salzen (15N3-186a) 160 4.4.21. Allgemeine Synthesevorschrift zu den N-Azido-formamidinen (15N3-67), Azido-Iminium-Salzen (15N2-186), Diaziden (15N2-187) und N-Amidino-Pentazolen (15N4-199) 161 4.4.22. Synthese von 1-Ethyl-2-(4,5,6,7,8,9-hexahydro-2H-cycloocta[d]-1,2,3-triazol-2-yl)pyridin-1-iumsalzen (210q) 168 4.4.23. Synthese von 2-((1,3-Dimethylimidazolidin-2-yliden)triaz-1-en-1-yl)-1,3-dimethyl-4,5-dihydro-1H-imidazol-3-ium-hexafluorophosphat (208s) 170 4.4.24. Synthese von Ethyl-2-(azido(phenyl)iodanyl)-2-diazoacetat (227a) 171 4.4.25. Synthese von 2-Ethoxy-2-oxo-acetonitril (232a) 172 4.4.26. Synthese von Phenyl((trimethylsilyl)oxy)iodanyl-triflat (239a) 173 5. Literaturverzeichnis 174 6. Danksagung 186 7. Anhang 188 7.1. Teil I 189 7.2. Teil II 199 8. Selbstständigkeitserklärung 294 9. Lebenslauf 295

Cyanoform (tricyanomethane) is one of the strongest carbon-based organic acids reported in text books of organic chemistry, which has evaded synthesis and isolation in its free state, since 120 years. In this dissertation, the acid-free synthesis of cyanoform by an absolutely new approach has been discussed. Generation of the elusive molecule, cyanoform from the photolysis and thermolysis of 2-(azidomethylidene)malononitrile, has been confirmed at very low temperatures by 1H NMR, 13C NMR, 15N NMR, and the relevant 2D NMR spectroscopic techniques. Moreover, it has been proved that cyanoform is relatively stable, but can be detected only below –85 oC, and not at high temperatures (at –45 oC, as has been reported in literature), because of a rapid equilibration with an another species. Furthermore, the chemistry of cyanoform in the ring enlargement reactions with various highly strained epoxides, azirines, and aziridines, via the highly reactive dicyanoketenimine intermediate, as well as its Michael addition reactions with different α,β-unsaturated carbonyl compounds has been well explored. In addition, the synthesis of N1-substituted 1,2,3-triazoles and study of their rearrangement to the corresponding N2-substituted 1,2,3-triazoles, under thermal and nucleophile-catalyzed reaction conditions, has been well investigated. / Cyanoform (Tricyanomethan) ist eine der stärksten in der Literatur beschriebenen organischen Kohlenstoffsäuren, welche sich seit 120 Jahren einer erfolgreichen Synthese und Isolierung entzogen hat. In dieser Arbeit wird die säurefreie Synthese des Cyanoforms mittels eines neuartigen Ansatzes diskutiert. Die Bildung des schwer fassbaren Moleküls durch Photolyse und Thermolyse von 2 (Azidomethyliden)malonitril ist bei tiefen Temperaturen durch 1H-NMR, 13C-NMR, 15N-NMR und relevante 2D-NMR-Methoden bestätigt worden. Es konnte bewiesen werden, dass Cyanoform relative stabil ist, aber erst unterhalb von –85 °C detektierbar ist und nicht bereits bei hӧherer Temperature (bei –45 °C, wie es in der Literatur beschrieben wurde) bedingt durch die rasche Äquilibrierung mit einer weiteren Species. Des Weiteren wurde die Reaktivität von Cyanoform in Ringerweiterungsreaktionen mit verschiedenen, stark gespannten Epoxiden, Azirinen und Aziridinen untersucht, wobei das hoch reaktive Dicyanoketenimin-Intermediat durchlaufen wird. Auch die Michael-Addition an α,β ungesättigte Carbonylverbindungen wurde ausführlich untersucht. Zusätzlich wurde die Synthese N1 substituierter 1,2,3-Triazole und deren Umlagerung in N2 substituierte 1,2,3-Triazole unter thermischen und nucleophil-katalysierten Bedingungen erforscht.

Cyanoform (tricyanomethane) is one of the strongest carbon-based organic acids reported in text books of organic chemistry, which has evaded synthesis and isolation in its free state, since 120 years. In this dissertation, the acid-free synthesis of cyanoform by an absolutely new approach has been discussed. Generation of the elusive molecule, cyanoform from the photolysis and thermolysis of 2-(azidomethylidene)malononitrile, has been confirmed at very low temperatures by 1H NMR, 13C NMR, 15N NMR, and the relevant 2D NMR spectroscopic techniques. Moreover, it has been proved that cyanoform is relatively stable, but can be detected only below –85 oC, and not at high temperatures (at –45 oC, as has been reported in literature), because of a rapid equilibration with an another species. Furthermore, the chemistry of cyanoform in the ring enlargement reactions with various highly strained epoxides, azirines, and aziridines, via the highly reactive dicyanoketenimine intermediate, as well as its Michael addition reactions with different α,β-unsaturated carbonyl compounds has been well explored. In addition, the synthesis of N1-substituted 1,2,3-triazoles and study of their rearrangement to the corresponding N2-substituted 1,2,3-triazoles, under thermal and nucleophile-catalyzed reaction conditions, has been well investigated. / Cyanoform (Tricyanomethan) ist eine der stärksten in der Literatur beschriebenen organischen Kohlenstoffsäuren, welche sich seit 120 Jahren einer erfolgreichen Synthese und Isolierung entzogen hat. In dieser Arbeit wird die säurefreie Synthese des Cyanoforms mittels eines neuartigen Ansatzes diskutiert. Die Bildung des schwer fassbaren Moleküls durch Photolyse und Thermolyse von 2 (Azidomethyliden)malonitril ist bei tiefen Temperaturen durch 1H-NMR, 13C-NMR, 15N-NMR und relevante 2D-NMR-Methoden bestätigt worden. Es konnte bewiesen werden, dass Cyanoform relative stabil ist, aber erst unterhalb von –85 °C detektierbar ist und nicht bereits bei hӧherer Temperature (bei –45 °C, wie es in der Literatur beschrieben wurde) bedingt durch die rasche Äquilibrierung mit einer weiteren Species. Des Weiteren wurde die Reaktivität von Cyanoform in Ringerweiterungsreaktionen mit verschiedenen, stark gespannten Epoxiden, Azirinen und Aziridinen untersucht, wobei das hoch reaktive Dicyanoketenimin-Intermediat durchlaufen wird. Auch die Michael-Addition an α,β ungesättigte Carbonylverbindungen wurde ausführlich untersucht. Zusätzlich wurde die Synthese N1 substituierter 1,2,3-Triazole und deren Umlagerung in N2 substituierte 1,2,3-Triazole unter thermischen und nucleophil-katalysierten Bedingungen erforscht.

Gegenstand dieser Arbeit sind Versuche zur Synthese neuer binärer Kohlenstoffnitride im Allgemeinen und von C3N4-Vorläuferverbindungen im Speziellen. Hierbei werden v. a. die Herstellung und die Eigenschaften organischer Polyazide beschrieben, die aufgrund ihrer Gefährlichkeit durch zahlreiche Folgereaktionen in weniger brisante Moleküle überführt werden mussten. Als Derivatisierungsreaktionen kamen hierbei beispielsweise die 1,3-dipolare Cycloaddition mit Norbornen und Cyclooctin, die STAUDINGER-Reaktion mit verschiedenen Phosphinen sowie die Aza-WITTIG-Reaktion zum Einsatz. Es konnten dabei u. a. zehn Röntgeneinkristallstrukturen erhalten und als Strukturbeweis aufgeführt werden. Zahlreiche hochaufgelöste Massenspektren sowie Elementaranalysen und NMR-Daten bestätigten außerdem alle neu erhaltenen Strukturen. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit stellen Versuche zur Synthese von monomerem C3N4 dar, dessen Herstellung zwar nicht gelang, für dessen Bildung allerdings neue Möglichkeiten ausgehend von verschiedenen Edukten beschrieben werden. Darüber hinaus wurden bereits bekannte Moleküle auf ihre Eignung als C3N4-Vorläufer untersucht, wobei z. B. durch Azid-Addition an Nitrilgruppen unerwartete neue Produkte erhalten werden konnten.

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.

Gegenstand dieser Arbeit sind Versuche zur Synthese neuer binärer Kohlenstoffnitride im Allgemeinen und von C3N4-Vorläuferverbindungen im Speziellen. Hierbei werden v. a. die Herstellung und die Eigenschaften organischer Polyazide beschrieben, die aufgrund ihrer Gefährlichkeit durch zahlreiche Folgereaktionen in weniger brisante Moleküle überführt werden mussten. Als Derivatisierungsreaktionen kamen hierbei beispielsweise die 1,3-dipolare Cycloaddition mit Norbornen und Cyclooctin, die STAUDINGER-Reaktion mit verschiedenen Phosphinen sowie die Aza-WITTIG-Reaktion zum Einsatz. Es konnten dabei u. a. zehn Röntgeneinkristallstrukturen erhalten und als Strukturbeweis aufgeführt werden. Zahlreiche hochaufgelöste Massenspektren sowie Elementaranalysen und NMR-Daten bestätigten außerdem alle neu erhaltenen Strukturen. Einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit stellen Versuche zur Synthese von monomerem C3N4 dar, dessen Herstellung zwar nicht gelang, für dessen Bildung allerdings neue Möglichkeiten ausgehend von verschiedenen Edukten beschrieben werden. Darüber hinaus wurden bereits bekannte Moleküle auf ihre Eignung als C3N4-Vorläufer untersucht, wobei z. B. durch Azid-Addition an Nitrilgruppen unerwartete neue Produkte erhalten werden konnten.

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.