Mechanistische Studien der thermischen Cyclisierungsreaktion von mehrfach alkinylierten aromatischen Systemen : Präparative, kinetische und computergestützte Untersuchungen

Abstract

Ausgehend von 1,8-Diiodnaphthalin (30) und verschiedenen terminalen Acetylenen wurden die 1,8-Bis(arylethinyl)naphthaline 21, 51a-e und 53a-j über eine Sonogashira-Reaktion synthetisiert. Während der Synthese von 1-(Arylethinyl)-8-(methyl propionat)naphthalin 53g wurde eine neue Methode zur Synthese von Propargylestern über eine Sonogashira-Kopplung entwickelt. Beste Reaktionsbedingungen wurden mit THF als Lösungsmittel, K2CO3 als Base und Pd[P(C6H5)3]2Cl2/CuI als Katalysator erzielt. Die 1,8-Bis(arylethinyl)naphthaline besitzen eine Endiin-Stuktur und können durch eine thermische Cyclisierungsreaktion Benzo[k]fluoranthene aufbauen. Es wurde untersucht, ob diese Endiin-Struktur, analog zu den schon bekannten Cyclisierungsreaktionen von Bergman und Meyer-Saito, über eine diradikalische Zwischenstufe zum Benzo[k]fluoranthen abreagiert. Der Mechanismus dieser Cyclisierungsreaktion wurde kinetisch und mit computergestützten Rechnungen untersucht. Der Mechanismus der Cyclisierungsreaktion teilt sich in zwei Schritte.Schritt 1 Die Reaktion beginnt bei thermischer Anregung von 21 bei 110 °C mit einem Cyclisierungsschritt, welcher über den diradikalischen Übergangszustand 60 zu einem Diradikal 22 führt. Dieser Schritt ist der geschwindigkeitsbestimmende Reaktionsschritt. Die Ergebnisse der kinetischen Messungen und der mit Gaussian03 mit UBLYB/6-31G* berechneten Aktivierungsenthalpie (exp. = 109,9 kJ/mol / ber. = 110,2 kJ/mol), freien Aktivierungsenthalpie (exp. = 126,9 kJ/mol / ber. = 128,1 kJ/mol) und Aktivierungsentropie (exp. = -59,7 J/K mol / ber. = -60,3 J/K mol) stimmen mit dem Übergangszustand 60 sehr gut überein.Schritt 2 Im zweiten Teil der Reaktion wandert ein Wasserstoffatom in seine endgültige Position im Endgerüst des Benzo[k]fluoranthens 23. Intramolekular gibt es dazu vier verschiedene Möglichkeiten. Diese Reaktionswege wurden mit Gaussian03 mit UBLYB/6-31G* bzw. AM1 berechnet. Der Übergangszustand 63 war hierbei die günstigste Variante (mit AM1 berechnet). Die günstigste Variante, die mit UBLYB/6-31G* berechnet wurde, ist der viermaliger [1,2]-H-Shift über die diradikalischen Zwischenprodukte 64a-c. Der Nachweis des diradikalischen Zwischenproduktes 22 gelang durch eine Abfangreaktion in radikalspendenden Lösungsmitteln. Diese Radikale werden in Position 12 von Verbindung 23 eingebaut. Um Cyclisierungsprodukte zu erhalten, haben sich Reste bewährt, die über die Möglichkeit einer Mesomeriestabilisierung verfügen. Dies sind namentlich Aryl-, Ethenyl- und Ethinyl-Reste. Weiter wurde untersucht, wie weit man das Naphthalin-System 21 verändern konnte und trotzdem noch Cyclisierungsreaktionen stattfanden. Dazu wurden das Inden-System 93 und das Benzofuran-System 111 synthetisiert. Das Inden 93 war leider thermolabil, so dass es schon bei Raumtemperatur zur Polymerisation neigte und es zu keiner Cyclisierungsreaktion kam. Daher wurde der Fünfring mit dem Benzofuran-System 111 aromatisiert um mehr thermische Stabilität zu erhalten. Die Verbindung 111 zeigte sich bis 150 °C stabil. Berechnungen zeigen zum einen, dass der Fünfring in Benzofuran 111 die Dreifachbindungen zu einem größeren Abstand als im Naphthalin-System 21 zwingt und zum anderen, dass in den Übergangszuständen 112a,b die zwei benachbarten Fünfringe die Ringspannung erhöht. Da die Cyclisierungsreaktionen von Bergman und Meyer-Saito eine wichtige Anwendung in der thermischen Cyclisierung von Antitumoreagenzien wie z.B. Calicheamicin und Neocarzinostatin bei ca. 37 °C haben, wurde untersucht, wie man die Cyclisierungs-temperatur des oben beschriebenen Mechanismus senken kann. Um eine Senkung der Cyclisierungstemperatur zu erreichen wurde das offene Benzyl-System 119 synthetisiert. Ausgehend von Keton 122 wurde 119 über eine Grignard-Reaktion dargestellt. Wegen der Enolisierbarkeit von 122 wurde eine neue Methode der Grignard-Reaktion in 5 M LiClO4 in Diethylether ausgetestet und mit einer schon etablierten Methode in THF mit CeCl3 als Lewis-Säure verglichen. Beide Methoden zeigten ähnlich gute Ergebnisse mit fast vollständiger Unterdrückung der Enolisierbarkeit. Wie erwartet konnte das Benzyl-System 119, aufgrund der geringeren Ringspannung im Übergangszustand, schon bei niedriger Temperatur (75 °C) zur thermischen Cyclisierungsreaktion angeregt werden. Hier wurden wie beim Naphthalin-System kinetische Messungen und Berechnungen durchgeführt. Ein Vergleich der experimentellen und der berechneten Werte für die Aktivierungsparameter erbrachte hier die zwei Übergangszustände 127a,b, die zum diradikalischen Übergangszustand 60 analog waren. Die kinetischen Messungen und die Berechnung mit Gaussian03 mit UBLYB/6-31G* zeigten gute Übereinstimmung.Eine weitere Möglichkeit zur Senkung der Cyclisierungstemperatur zeigte sich in Verbindung 53d. Ihre größere Konjugation stabilisiert den Übergangszustand analog zu 60 besser und senkte somit die Aktivierungsenergie. Die Cyclisierung begann hier schon bei 80 °C, eine eigentlich für