Organische Reaktionen. Eine allgemeine Einführung

Inhaltsverzeichnis

1. Abkürzungen

2. Synthese von Mesitylhydrazinhydrochlorid
2.1. Retrosynthetische Analyse
2.2. Literaturrecherche
2.3. Mechanismus
2.4. Experimentalteil
2.4.1. Herstellung von Di- tert -butyl-hydrazin-1,2-dicarboxylat
2.4.2. Herstellung von Di- tert -butylazodicarboxylat
2.4.3. Herstellung von Mesitylmagnesiumbromid
2.4.4. Herstellung von Mesityl-di- tert -butylazodicarboxylat
2.4.5. Herstellung von Hydrazinmesitylhydrochlorid
2.5. Diskussion

3. Synthese von 5-Hydroxy-1,4-naphthochinon
3.1. Retrosynthetische Analyse
3.2. Literaturrecherche
3.3. Reaktionsmechanismus
3.4. Experimentalteil
3.5. Diskussion

4. Synthese von 1-Brom-2,6-diisopropylbenzol
4.1. Retrosynthetische Analyse
4.2. Literaturrecherche
4.3. Mechanismus
4.4. Experimentalteil
4.5. Diskussion

5. Synthese von Z -2,3-Diphenylbut-2-en
5.1. Retrosynthetische Analyse
5.2. Literaturrecherche
5.3. Mechanismus
5.4. Experimentalteil
5.5. Diskussion

6. Synthese von 1,1‘-Bi-2-naphthol
6.1. Retrosynthetische Analyse
6.2. Literaturrecherche
6.3. Mechanismus
6.4. Experimentalteil
6.5. Diskussion

7. Literaturverzeichnis

8. Anhang

1. Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2. Synthese von Mesitylhydrazinhydrochlorid

2.1. Retrosynthetische Analyse

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1: Retrosynthetische Analyse des Mesitylhydrazins.

Das Mesitylhydrazin könnte retrosynthetisch an der C-N Bindung gebrochen werden, wodurch der Stickstoff z. B. eine negative Ladung erhält. Das synthetische Äquivalent dazu wäre ein Hydrazin Molekül. Mesitylbromid könnte als zweiter Baustein dienen und wäre das synthetische Äquivalent des positiv geladenen Mesitylkations. Die Idee war das Molekül mithilfe einer Buchwald-Hartwig-Kreuzkupplung zu synthetisieren. Hierfür wird als Katalysator eine Palladium (0) Verbindung und eine Base wie NaO Z Bu benötigt.

Mechanistisch findet eine oxidative Addition zwischen der Palladium Verbindung und dem Mesitylbromid statt. Hierbei wird Palladium (0) zu Palladium (+II) oxidiert. Mithilfe der Base NaO Z Bu wird das Bromid durch eine Alkoholat Gruppe ausgetauscht und NaBr bildet sich. Dann folgt der Ligandenaustausch mit Hydrazin, ZerZ-Butanol wird als Nebenprodukt gebildet. Anschließend folgt eine reduktive Eliminierung, wobei das Produkt und der Katalysator wieder zurückgebildet werden.

2.2. Literaturrecherche

Bei der Datenbank Reaxys wurden 6 Dokumente für die Synthese des Mesitylhydrazins gefunden. Darunter befand sich das Dokument von Zhiyong Wang der Zeitschrift Synthesis ^1 Es wurde ausgehend von Mesitylbromid und Diisopropylazodicarboxylat eine FeCl3 katalysierte Aminierung beschrieben. Es war geplant, statt der Isopropylgruppe eine ZerZ -Butylgruppe einzufügen, die sich leicht mit den Carboxylaten abspalten lässt. Bei der Suchmaschine Google wurden diesbezüglich keine nützlichen Informationen gefunden. Es wurde dabei nach „hydrazine coupling“ und „synthesis of hydrazinmesityl“ gesucht. Im Antestat wurde auf die Durchführung im Chem. Comm. [2 verwiesen. Bei der Durchführung wurde zuerst der erste Baustein, das Di-tert-butylazodicarboxylat aus Hydrazin, welches mit Boc-Schutzgruppen versehen wurde, synthetisiert. Anschließend wurde der zweite Baustein, Mesitylmagnesiumbromid, mit dem Di-tert-butylazodicarboxylat zusammengefügt. Das Zielmolekül Mesitylhydrazinhydrochlorid wurde in einer Ausbeute von 71 % isoliert.

2.3. Mechanismus

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hydrazin wird zunächst mit Di-tert-butyldicarboxylat zweifach Boc-geschützt. Zuerst greift das Stickstoffatom des Hydrazin-Moleküls nucleophil den positiv polarisierten Carbonyl- Kohlenstoff an. Hierbei wird nach Elektronenverschiebung CO2 freigesetzt und ein Alkoholat- Ion gebildet, das den positiv geladenen Stickstoff deprotoniert. Nun greift das andere Stickstoffatom ebenfalls den Carbonyl-Kohlenstoff einer weiteren Boc2O Gruppe an, wodurch

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3: Mechanismus zur Synthese von Di- tert -butylazodicarboxylat.

Die folgende Oxidation hin zum korrespondierenden Azodicarboxylat erfolgt mit elementaren Brom. Mechanistisch wird zuerst die Hydrazin-Verbindung durch die Base Pyridin deprotoniert. Anschließend wird das Brom-Molekül nucleophil vom negativ geladenen Stickstoff angegriffen. Das Bromid-Ion koordiniert nun mit dem protoniertem Pyridin und bildet ein Salz. Pyridin leitet anschließend eine ß-Eliminierung ein, bei der es zur Bildung der Azo-Verbindung und eines weiteren Pyridiniumsalzes kommt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der zweite Baustein der Synthese wird hergestellt, indem Mesitylbromid mit elemenatem Magnesium versetzt wird. Das Magnesium überträgt durch einen single electron transfer (SET) ein Elektron auf das Brom und wird selbst oxidiert. Die Kohlenstoff-Bromid-Bindung bricht homolytisch auf und ein Bromid-Ion bildet sich. Das Magnesium-Radikalkation bindet sich nun an das entstandene Phenylradikal. Im Anschluss greift das Bromid-Ion nucleophil das Magnesium an. Die Grignard Verbindung Mesitylmagnesiumbromid wird somit gebildet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.5: Mechanismus der Addition der Organomagnesiumverbindung an Di- Ze rt-butylazodicarboxylat.

Die Kupplung der beiden Bausteine läuft über eine Grignard Reaktion. Bei Grignard Verbindungen kommt es zur Umkehrung der Bindungspolarität aufgrund der stark polarisierten Kohlenstoff-Magnesium-Bindung. Das Phenyl-Anion greift nucleophil die Azoverbindung an. Der negativ geladene Stickstoff wird anschließend durch Essigsäure protoniert und das 2-Mesityl-di- ZerZ- butyl-azodicarboxylat wird gebildet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.6: Mechanismus zur Abspaltung der Boc Schutzgruppen hin zur Zielverbindung.

Es folgt das Entschützen der Boc-Schutzgruppen, die säurelabil sind. Durch Säurekatalyse wird der Sauerstoff der Schutzgruppe protoniert und trägt eine positive Ladung. Es folgt eine Abspaltung von einem tert -Butyl-Kation und von einem CO2-Molekül. Aus dem tert -Butyl- Kation bildet sich nach Deprotonierung ein Isobuten. Diese beiden Nebenprodukte sind flüchtig und können so die Aminverbindung nicht verunreinigen. Nachdem beide Boc-Schutzgruppen abgespalten wurden, ist das gewünschte Produkt der Synthese, Mesitylhydrazinhydrochlorid, entstanden.

2.4. Experimentalteil

2.4.1. Herstellung von Ditert -butyl-hydrazin-1,2-dicarboxylat

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zunächst wurden 48 g (0.22 mol, 2.0 Äq.) Di- tert -butyldicarbonat in 50 mL Methanol gelöst und auf eine Temperatur von -10 °C gebracht. Zur Suspension wurde tropfenweise eine Lösung von 4.86 mL (0.100 mol, 1.00 Äq.) Hydrazin monohydrat, das mit 50 mL Methanol vermengt war, gegeben. Die Reaktionslösung wurde über Nacht bei RT gerührt. Das Lösungsmittel wurde unter vermindertem Druck am Rotationsverdampfer entfernt und das Produkt anschließend im Vakuum getrocknet. Das Produkt wurde als weißer Feststoff mit einer Ausbeute von 103 % (23.9 g, 103 mmol) isoliert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Apparatur wurde ausgeheizt und mit Argon befüllt. Im Argongegenstrom wurden 2.33 g (95.8 mmol, 1.25 Äq.) Magnesiumpulver vorgelegt und mit 20 mL trockenem THF versetzt. Zuerst wurden 10 mL einer Lösung aus 14.6 mL (95.8 mmol, 1.25 Äq.) Brommesityl in 100 mL THF zu dem Magnesium/THF Gemisch gegeben. Als schließlich die Reaktion begann und die Lösung sich trüb-braun verfärbte und wärmer wurde, wurde der Rest langsam zugetropft. Unter Reflux wurde die Reaktionssuspension 1.5 h erhitzt.

2.4.4. Herstellung von Mesityl-di-te/ 7-butylazodicarboxylat

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es wurden 18.3 g (80.0 mmol, 1.00 Äq.) Di- tert -butylazodicarboxylat in 200 mL trockenem THF gelöst und langsam unter Argon in die auf -78 °C gekühlte Lösung vom Mesitylmagnesiumbromid getropft. Die Reaktionslösung wurde über Nacht gerührt und dabei auf RT aufwärmen lassen. Die Reaktionslösung wurde anschließend mit 6 mL Essigsäure gequencht und anschließend mit 100 mL Ammoniumchlorid-Lösung versetzt. Die wässrige Phase wurde dreimal mit jeweils 100 mL Ethylacetat extrahiert, wohingegen die gesammelten organischen Phasen mit 100 mL gesättigter NaCl-Lösung gewaschen wurden. Die organische Phase wurde über MgSO4 getrocknet, filtriert und unter verminderten Druck vom Lösungsmittel befreit. Das Produkt wurde als orangene viskose Flüssigkeit isoliert und ohne weitere Aufreinigung direkt weiterverwendet.

2.4.5. Herstellung von Hydrazinmesitylhydrochlorid

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Rohprodukt wurde in 140 ml i -PrOH gelöst und mit 100 mL (400 mmol, 5.00 Äq.) 4 M HCl-Lösung in Dioxan versetzt. Die Reaktionslösung wurde eine halbe Stunde unter Rückfluss erhitzt und bei RT über Nacht gerührt. Anschließend wurde diese auf 0 °C runtergekühlt und mit 200 mL Et2O versetzt. Der Niederschlag wurde mit einer Glasfritte filtriert, dreimal mit je 50 mL Et2O gewaschen und im Vakuum getrocknet. Das Mesitylhydrazin hydrochlorid wurde über zwei Stufen als weißer Feststoff mit einer Ausbeute von 66 % (9.89 g, 52.3 mmol) isoliert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.5. Diskussion

Die Ausbeute des ersten Zwischenprodukts Di- tert -butyl-hydrazin- 1,2-dicarboxylat beträgt 103 %, weil das Produkt zum Schluss nicht mit kaltem c -Hexan gewaschen wurde. Auf diesen Schritt wurde verzichtet, weil im zweiten Schritt, bei der Reduzierung der Hydrazin Gruppe, nochmal mit kaltem c -Hexan gewaschen werden sollte und das Produkt optisch rein wirkte. Im 1H-NMR ist bei 1.27 ppm vermutlich tert-Butanol zu sehen, das als Nebenprodutk bei der Synthese entsteht. Das Signal bei 1.68 ppm konnte nicht zugeordnet werden. Der Schmelzpunkt stimmt mit dem in der Literatur überein. Insgesamt wurde ein recht sauberes Produkt mit einer sehr hohen Ausbeute erhalten.

Die folgende Ausbeute des Di-tert-butylazodicarboxylats war mit 78 % gut. Jedoch ist im 1H- NMR neben den Signalen des Moleküls auch ein Signal bei 1.47 ppm, das auf c -Hexan zurückzuführen ist, und eins bei 6,23 ppm, welches vermutlich nicht umgesetztes Startmaterial zeigt. Vom 2-Mesityl-di- tert -butylazodicarboxylat wurde eine GC-EI-MS aufgenommen. Die Messung zeigte das zwei Moleküle in der Probe enthalten waren. Bei 6.58 s ist wahrscheinlich Mesitylen zu erkennen, welches sich aus nicht umgesetztem Startmaterial bildet, oder das Mesitylbromid. Bei 14,31 s ist schließlich das gewünschte Produkt zu erkennen, dessen ionisierte Molekülmasse 350.3 beträgt.

Nach der Kupplung der beiden Bausteine wurde die Reaktionslösung von 2-Mesityl-di- tert -butylazodicarboxylat eine halbe Stunde unter Rückfluss erhitzt. Es wurde eine DC zur Überprüfung der vollständigen Umsetzung angefertigt. Eine kleine Spur vom Substrat war noch zu sehen, weshalb die Reaktionslösung über Nacht bei RT gerührt wurde. Dieser Schritt stellte sich letztendlich als Fehler heraus, da der Niederschlag so fein war, dass es zu Problemen bei der Filtration kam. Bei Kommilitonen, die die Reaktionslösung nicht über Nacht gerührt hatten, ergab sich ein größerer Niederschlag. Es wurde mit unterschiedlichen Glasfritten, die alle eine andere Porengröße besaßen, versucht den Niederschlag einzufangen. Die Mutterlauge war auch nach mehreren Durchläufen nicht vollständig klar. Hierbei kam es beim Wechsel der Glasfritten zu Ausbeuteverlusten.

Im 1H-NMR-Spektrum sind, neben den Signalen des Produktes, keine weiteren Signale vorzufinden. Die Protonen am Stickstoff sind im Spektrum nicht zu sehen. Im IR-Spektrum sind Banden über 3000 cm-1 zu erkennen, die auf CH-Streckschwinungen des Aromaten zurückzuführen sind. Ebenso sind Banden unter 3000 cm-1 zu sehen, die von den Methylgruppen verursacht werden. Die typischen Benzolfinger sind bei 2100-1600 cm-1 leicht zu erkennen.

Die Synthese des Endproduktes Mesitylhydrazinhydrochlorid über zwei Stufen war letztendlich mit einer Ausbeute von 66 % (9.89 g, 52.3 mmol) und mit einer hohen Reinheit, was das 1H-NMR belegt, erfolgreich.

3. Synthese von 5-Hydroxy-1,4-naphthochinon

3.1. Retrosynthetische Analyse

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das 5-Hydroxy-1,4-Naphthochinon könnte in die oben gezeigten Synthone gebrochen werden, sodass einer der ^-hybridisierten Kohlenstoffe eine positive Ladung besitzt und der andere eine negative. Das synthetische Äquivalent eines positiven Kohlenstoffs ist ein Substituent mit hoher Elektronegativität wie eine Hydroxy-Gruppe. Die negative Ladung des Kohlenstoffs wird durch das konjugierte n-Elektronen-System des 1,5-Dihydroxy-naphthalins erreicht. Die positiven und negativen geladenen Sauerstoffatome entsprechen dem synthetischem Äquivalent eines Sauerstoff-Moleküls.

Für eine [4+2] Cycloaddition mit Sauerstoff wird der kurzlebige und energiereiche Singulett Sauerstoff benötigt. Der Singulett-Zustand des Sauerstoffs wird aus quantenmechanischen Gründen nicht durch direkte Bestrahlung mit Licht erreicht. Ein Sensibilisator wird hierfür benötigt und muss photochemisch angeregt werden.

3.2. Literaturrecherche

Die Literaturrecherche wurde zuerst mit Reaxys durchgeführt. Bei der Datenbank wurde spezifisch nach Sauerstoff als Reagenz gesucht. Es wurden 9 verschiedene Dokumente gefunden. Darunter war ein Artikel von Micheal Oelgemöller im Chemical Reviews^ , bei welchem der Sensibilisator Bengalrosa verwendet wurde. Nach 4 Stunden wurde eine Ausbeute von 79 % mit Aceton als Lösungsmittel erzielt. Ein weiteres Dokument wurde vom Tetrahedron^ rausgesucht. Zur Synthese von Juglon wurden dort zwei verschiedene Sensibilisatoren, Bengalrosa und Methylenblau, sowie die Beeinflussung des Lösungsmittels auf die Ausbeute hin untersucht. Aber Bengalrosa ergab in Kombination mit dem Lösungsmittel Aceton mit 71 % die beste Ausbeute. In Google wurde ein Paper von Arch. Pharm. Chem. Life Sci.[5] gefunden, das mit Bengalrosa und Acetonitril eine Ausbeute von 70-75 % erzielte. Im Antestat wurde für die Durchführung auf die Seite www.oc-praktikum.de[6] verwiesen. Durch die Nutzung von Bengalrosa als Sensibilisator und tert -Amylalkohol als Lösungsmittel, wurde eine Ausbeute von 62 % erzielt.

3.3. Reaktionsmechanismus

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.13: Photochemische Anregung des Sensibilisators und Reaktion mit dem Triplett-Sauerstoff.

Der Sensibilisator, in dem Fall Bengalrosa, wird photochemisch angeregt, sodass er vom Singulett-Grundzustand in den ersten angeregten Singulett-Zustand angeregt wird. Es kommt zu einem intersystem crossing (isc.) wodurch das Molekül in den ersten angeregten Triplett­Zustand übergeht. Von da aus kann das Molekül, welches sich im Triplett-Zustand befindet, mit dem Triplett Sauerstoff wechselwirken. Es kommt zu einem Energietransfer. Die Wechselwirkung verläuft über den sogenannten Dexter Mechanismus, einem Stoßprozess. Nach dem Energietransfer befindet sich der Sensibilisator wieder im Singulett-Grundzustand und der Sauerstoff im ersten angeregten Singulett-Zustand.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.14: Cycloaddition zwischen dem Singulett-Sauerstoff und 1,5-Dihydroxy-naphthalin.

Es findet eine perizyklische [4+2]-Cycloadditionsreaktion zwischen dem 1,5-Dihydroxy- naphthalin als Dienophil und dem Sauerstoff als Dien statt. Durch Umprotonierung wird die Peroxid-Gruppe protoniert und der neu gebildete Bizyklus zu einem Hydroperoxid aufgebrochen. Daraufhin wird unter Wasserabspaltung die zweite Carbonyl-Gruppe eingeführt. Das Produkt 5-Hydroxy-1,4-naphthochinon bildet sich dadurch.

3.4. Experimentalteil

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es wurden 80 mg (0.50 mmol, 1.0 Äq.) 1,5-Dihydroxynaphthalin in 50 mL te rt -Amylalkohol gelöst und in eine Schlenk Apparatur gegeben. 0.025 mg (0.025 mmol, 0.05 Äq.) Bengalrosa wurden in 0.1 mL Wasser gelöst und in die Substrat-Lösung gegeben. Mithilfe einer Spritze wurde in die Reaktionslösung dauerhaft Luft eingeleitet, wurde außerdem mit LEDs bestrahlt und es wurde über das Wochenende mit LEDs bestrahlt. Das Lösungsmittel wurde unter vermindertem Druck am Rotationsverdampfer entfernt. Das 5-Hydroxy-1,4-Naphthalindion wurde in einer Ausbeute von 66 % (0.058 g, 0.33 mmol) isoliert.

[...]