Beiträge zur Chemie der Heterophosphole: 1. Cycloadditionen von Nitronen an 1,2,3-Diazaphosphole, 1,2-Thiaphosphole und ihre Metallcarbonyl-Komplexe

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1 Institut für Organische Chemie I Beiträge zur Chemie der Heterophosphole: 1. Cycloadditionen von Nitronen an 1,2,3-Diazaphosphole, 1,2-Thiaphosphole und ihre Metallcarbonyl-Komplexe 2. Diazaphospholo-phosphiran-Rh(I)-Komplexe als Hydrosilylierungskatalysatoren DISSERTATION zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat. der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Ulm vorgelegt von DIPL.-CHEM. CHRISTIAN BURKHART aus Schmalegg Ulm 2012

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3 Die vorliegende Arbeit entstand im Zeitraum von Januar 2008 bis Oktober 2011 am Institut für Organische Chemie I der Universität Ulm Dekan: Prof. Dr. Axel Groß 1. Gutachter: Prof. Dr. Gerhard Maas 2. Gutachter: Prof. Dr. Sven Rau Tag der Promotion: 12. Juli 2012

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5 Phantasie ist wichtiger als Wissen, denn Wissen ist begrenzt - Albert Einstein - Für meine Eltern

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7 INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS 1 EINLEITUNG Heterophosphole Historischer Überblick und allgemeine Eigenschaften der Heterophosphole H-1,2,3-Diazaphosphole Synthese und Reaktivität der 2H-1,2,3-Diazaphosphole H-1,2,3-Diazaphosphole als Dipolarophile [4+2]- und [4+1]-Cycloaddition an 2H-1,2,3-Diazaphosphole ,2-Thiaphosphole Synthese der 1,2-Thiaphosphole ,2-Thiaphosphole als Heterodien ,2-Thiaphosphole als Dienophile und Dipolarophile AUFGABENSTELLUNG EIGENE ERGEBNISSE Cycloaddition von Nitronen an 2H-1,2,3-Diazaphosphole Einleitung [3+2]-Cycloaddition von Diazaphosphol 5a mit N-Methyl-C,Cdimethylnitron (62) Umsetzung von Diazaphosphol 5a mit cyclischen Nitronen [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an 2,5-Diaryl-1,2,3-diazaphosphole Cycloadditionsverhalten der 1,2 5 -Thiaphosphol-2-sulfide Synthese der bicyclischen Trithiophosphonate Charakterisierung eines Nebenprodukts bei der Trithiophosphonat-Synthese Unabhängige Synthese des Bicyclus 69 aus Chalkon 68a und Trithiophosphonat 28a ,2 5 -Thiaphosphol-2-sulfide 72 als Dipolarophile Cycloaddition von Nitronen an 1,2-Thiaphosphole Synthese der 1,2-Thiaphosphole [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an 1,2-Thiaphosphole Mechanistische Betrachtung der 1,2,5 5 -Oxazaphosphol-7-oxid- Bildung Cycloadditionen von Nitronen an komplexierte 1,2-Thiaphosphole Synthese der Wolframpentacarbonyl-Thiaphosphol-Komplexe 85a,b [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an 1,2-Thiaphosphol-Komplexe 85a,b Cycloadditionen von Nitronen an 5-tert-Butyl-3-phenyl-1,2-thiaphosphol (29c) Synthese von 1,2-Thiaphosphol 29c Umsetzung von 1,2-Thiaphosphol 29c mit Nitron 56a Komplexierung des 1,2-Thiaphosphols 29c [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an Thiaphosphol-Komplex 85c I -

8 INHALTSVERZEICHNIS 3.6 Chrompentacarbonyl- und Eisentetracarbonyl-Komplexe Synthese von Thiaphosphol-Cr(CO) 5 - und Thiaphosphol-Fe(CO) 4 - Komplexen [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an 1,2-Thiaphosphol-Komplexe 90 und Cycloaddition von Nitronen an Aryl-substituierte 2H-1,2,3-Diazaphosphol-W(CO) 5 -Komplexe Komplexierung der Diazaphosphole 5b,c [3+2]-Cycloaddition von acyclischen Nitronen an Diazaphosphol- Komplexe 94a,b Umsetzung der Diazaphosphol-W(CO) 5 -Komplexe 94a,b mit Nitron 65b ,2,3-Diazaphospholo[3,4-a]phosphirane als Liganden Einleitung Synthese von Palladium(0)-Phosphiran-Komplexen Zweikernige Rhodium(I)-Phosphiran-Komplexe Katalytische Hydrosilylierung mit Rh(I)-Phosphiran-Komplexen 101a,b und 102a,b Einleitung Hydrosilylierung von Isopren (103) mit Dimethylphenylsilan (104) Hydrosilylierung von 2-Cyclohexen-1-on (108) mit DMPS (104) Hydrosilylierung von 2,3-Dimethylbutadien (110) mit DMPS (104) Hydrosilylierung von Styrol (112) mit DMPS (104) ZUSAMMENFASSUNG SUMMARY EXPERIMENTELLER TEIL Allgemeines Analysemethoden Ausgangsverbindungen Umsetzungen von 2-Acetyl-5-methyl-1,2,3-diazaphosphol (5a) [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an Diazaphosphol 5a Cycloadditionen von Nitronen an 1,2 5 -Thiaphosphol-2-sulfide Synthese der 3a,4-Dihydro-[1,2 5 ]thiaphospholo[2,3-b][1,2 5 ]- thiaphosphinin-8-sulfide Umsetzung der Trithiophosphonate 28 mit Chalkon 68a [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an 1,2 5 -Thiaphosphol-2-sulfide Cycloadditionen von Nitronen an 1,2-Thiaphosphole Synthese der 1,2-Thiaphosphole [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an 1,2-Thiaphosphole Cycloadditionen von Nitronen an komplexierte 1,2-Thiaphosphole Synthese der Wolframpentacarbonyl-1,2-Thiaphosphol-Komplexe [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an 1,2-Thiaphosphol-W(CO) 5 - Komplexe 85a,b Cycloadditionen von Nitronen an 5-tert-Butyl-3-phenyl-1,2- thiaphosphol (29c) Synthese von 5-tert-Butyl-3-phenyl-1,2-thiaphosphol (29c) II -

9 INHALTSVERZEICHNIS tert-Butyl-2-methyl-3,3a-diphenyl-3,3a-dihydro-2H-[1,2 5 ]thiaphospholo[3,2-d][1,2,5 5 ]oxazaphosphol-7-oxid (82f) Synthese von 5-tert-Butyl-3-phenyl-1,2 4 -thiaphosphol-p-pentacarbonylwolfram (85c) [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an Thiaphosphol-W(CO) 5 - Komplex 85c [4+2]-Cycloadditionen an Thiaphosphol-W(CO) 5 -Komplexe {2,6-Di-tert-butyl-3a,4-diphenyl-3a,4-dihydro-[1,2 4 ]thiaphospholo- [2,3-b][1,2 4 ]thiaphosphinin}-p-pentacarbonylwolfram (87) {6-(4-Methoxyphenyl)-2,4,4a-triphenyl-4,4a-dihydro-[1,2 4 ]thiaphospholo[2,3-b][1,2 4 ]oxaphosphinin}-p-pentacarbonylwolfram (88) (4-Methoxyphenyl)-2,4,4a-triphenyl-4,4a-dihydro-[1,2 3 ]thiaphospholo[2,3-b][1,2 3 ]oxaphosphinin (89) Chrompentacarbonyl- und Eisentetracarbonyl-Komplexe Synthese von Chrompentacarbonyl-Thiaphosphol-Komplexen Synthese von Eisentetracarbonyl-Thiaphosphol-Komplexen [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an 1,2-Thiaphosphol-Komplexe 90 und [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an 2H-1,2,3-Diazaphosphol- Komplexe 94a,b Methyl-3,4,6-triphenyl-3,3a-dihydro-2H,6H-[1,2,3 4 ]diazaphospholo[4,3-d][1,2,5 4 ]oxazaphosphol-p-pentacarbonylwolfram (trans-95a und cis-95a) Methyl-3-(4-nitrophenyl)-4,6-diphenyl-3,3a-dihydro-2H,6H- [1,2,3 4 ]diazaphospholo[4,3-d][1,2,5 4 ]oxazaphosphol-p-pentacarbonylwolfram (trans-95b und cis-95b) (4-Methoxyphenyl)-2-methyl-3,6-diphenyl-3,3a-dihydro-2H,6H- [1,2,3 4 ]diazaphospholo[4,3-d][1,2,5 4 ]oxazaphosphol-p-pentacarbonylwolfram (trans-95c und cis-95c) (4-Methoxyphenyl)-2-methyl-3-(4-nitrophenyl)-6-phenyl-3,3adihydro-2H,6H-[1,2,3 4 ]diazaphospholo[4,3-d][1,2,5 4 ]oxazaphosphol-p-pentacarbonylwolfram (trans-95d und cis-95d) ,15-Diphenyl-11-oxa-10,13,14-triaza-12-phosphatetracyclo- [ ,7.0 12,16 ]hexadeca-2,4,6,14-tetraen-p-pentacarbonylwolfram (95e) (4-Methoxyphenyl)-13-phenyl-11-oxa-10,13,14-triaza-12- phosphatetracyclo[ ,7.0 12,16 ]hexadeca-2,4,6,14-tetraen-ppentacarbonylwolfram (95f) Synthese der heteroleptischen Palladium(0)-Phosphiran- Komplexe Bis-(2,4,6,6-tetraphenyl-2,3-diaza-1-phosphabicyclo[3.1.0]hex-3- en-p)-dibenzylidenaceton-palladium(0) (100a) Bis-(4-(4-methoxyphenyl)-2,6,6-triphenyl-2,3-diaza-1-phosphabicyclo-[3.1.0]hex-3-en-P)-dibenzylidenaceton-palladium(0) (100b) Synthese der zweikernigen Rhodium(I)-Phosphiran-Komplexe 101 und Bis-(2,4,6,6-tetraphenyl-2,3-diaza-1-phosphabicyclo[3.1.0]hex-3- en-p)-rhodium(i)-chlorid (101a) III -

10 INHALTSVERZEICHNIS Di-μ-chloro-[( 4-1,5-cyclooctadien)]-bis(2,4,6,6-tetraphenyl-2,3- diaza-1-phosphabicyclo[3.1.0]hex-3-en-p)-dirhodium(i) (102a) Di-μ-chloro-[( 4-1,5-cyclooctadien)]-bis(4-(4-methoxyphenyl)- 2,6,6-triphenyl-2,3-diaza-1-phosphabicyclo[3.1.0]hex-3-en-P)- dirhodium(i) (102b) Katalytische Hydrosilylierung mit Rh(I)-Phosphiran-Komplexen 101 und Hydrosilylierung von Isopren (103) mit Dimethylphenylsilan (104) Hydrosilylierung von 2-Cyclohexen-1-on (108) mit DMPS (104) Hydrosilylierung von 2,3-Dimethylbutadien (110) mit DMPS (104) Hydrosilylierung von Styrol (112) mit Dimethylphenylsilan (104) LITERATURVERZEICHNIS ANHANG IV -

11 EINLEITUNG 1 EINLEITUNG 1.1 Heterophosphole Historischer Überblick und allgemeine Eigenschaften der Heterophosphole Heterocyclen spielen in der Organischen Chemie eine besondere Rolle. Sie stellen über 50% aller bekannten organischen Verbindungen dar. [1] Dementsprechend groß und vielfältig sind ihre Anwendungsbereiche. Das Gebiet der aromatischen Heterocyclen hat sich seit ihrer Entdeckung im frühen 19. Jahrhundert kontinuierlich entwickelt und umfasst neben den Pyridinen hauptsächlich die Fünfringheterocyclen wie Pyrrole, Furane und Thiophene. [2] Die entsprechenden phosphorhaltigen Ringsysteme, die Phosphinine (Phosphabenzole) und Phosphole, waren hingegen lange Zeit unbekannt. Erst im Jahre 1953 wurde von Wittig und Geissler die Synthese des ersten ungesättigten phosphorhaltigen Fünfringheterocyclus 1 beschrieben. [3] Die Synthese des ersten monocyclischen Phosphol-Derivates 2 erfolgte sechs Jahre später durch zwei unabhängige Arbeitsgruppen. [4, 5] Das unsubstituierte 1H-Phosphol 3, der Grundtyp dieser Verbindungsklasse, konnte erstmals 1983 bei niedrigen Temperaturen synthetisiert und charakterisiert werden. [6] Abbildung 1. Beispiele ungesättigter phosphorhaltiger Heterocyclen. Aufgrund der hohen Inversionsbarriere des dreifach koordinierten, pyramidalen Phosphoratoms ( 3, 3 ) sind die Phosphole im Gegensatz zu den Pyrrolen nicht planar (NH 3 : E a = 6 kcal/mol; PH 3 : E a = 35 kcal/mol) [7]. Als Folge daraus zeigen diese Fünfringheterocyclen keinen aromatischen Charakter, da das freie Elektronenpaar am Phosphoratom nicht in der Ebene der p-orbitale liegt und somit keine - 1 -

12 EINLEITUNG Delokalisierung möglich ist. Wird der pyramidale Phosphor jedoch abgeflacht, so zeigen die entsprechenden Systeme durchaus aromatischen Charakter. [8] Der erste aromatische Phosphorheterocyclus wurde im Jahre 1966 durch Märkl synthetisiert. [9] Im Vergleich zu den oben erwähnten 1H-Phospholen liegt im Phosphabenzol-Derivat 4 ein zweifach koordiniertes Phosphoratom ( 2, 3 ) vor, welches, wie die Ringkohlenstoffatome, ein Elektron zum -System beisteuert. Die Fähigkeit zur Konjugation ist vergleichbar zum Kohlenstoff, und das Phosphinin zeigt eine dem Benzol oder Pyridin vergleichbare Aromatizität. [10] Zum Aufbau eines aromatischen Fünfringheterocyclus mit einem 2, 3 -Phosphoratom muss also noch ein zusätzliches Heteroatom in das Ringgerüst eingebaut werden, welches zwei -Elektronen zum delokalisierten -System beisteuert. Als Heteroatome eignen sich demnach vor allem Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel. Die dadurch entstehenden Heterophosphole sind im Gegensatz zu den 1H-Phospholen planar, besitzen ein delokalisiertes 6 -Elektronensystem und weisen alle übrigen Kriterien aromatischer Verbindungen auf. Die Synthese der ersten aromatischen phosphorhaltigen Fünfringheterocyclen gelang Mel nikov im Jahre 1967 mit der Herstellung von 2H-1,2,3-Diazaphospholen 5 (Abbildung 2). [11] Abbildung 2. Erste aromatische phosphorhaltige Sechs- und Fünfringheterocyclen. Aufgrund der Variationsbreite der zusätzlich zum Phosphor im Ring möglichen Heteroatome sind prinzipiell 48 verschiedene Ringsysteme denkbar. Des Weiteren können Heterophosphole noch ein zweites, ebenfalls zweifach koordiniertes Phosphoratom enthalten. All dies bedingt eine große Vielfalt an Synthesemöglichkeiten. Zu den wichtigsten Methoden zählen die Cyclokondensation [12] und die [3+2]-Cycloaddition [13-15] (Abbildung 3)

13 EINLEITUNG Abbildung 3. Schematische Synthesestrategien zur Darstellung von Heterophospholen. Bei der Cyclokondensation kommen meist Trihalogenphosphane, z. B. Phosphortrichlorid, zum Einsatz (siehe die Synthese von 2H-1,2,3-Diazaphospholen). Bei der Heterophosphol-Synthese über [3+2]-Cycloaddition werden Phosphaalkene und Phosphaalkine mit entsprechenden 1,3-Dipolen umgesetzt. So lassen sich beispielsweise durch die Reaktion von Phosphaalkinen mit Nitriloxiden 1,2,4-Oxazaphosphole herstellen (Schema 1). [13] Schema 1. Synthese von 1,2,4-Oxazaphopsholen durch [3+2]-Cycloaddition. Heterophosphole besitzen zwei Funktionalitäten, die sie besonders hinsichtlich ihres Cycloadditionsverhaltens interessant machen. Die im Vergleich zu einer normalen C=C-Bindung schwächere P=C-Bindung [16] macht die Heterophosphole zu exzellenten Dipolarophilen und Dienophilen (1,2-Addition). Zusätzlich sind durch 1,1-Addition an das Phosphoratom cheletrope [1,4]-Cycloadditionen möglich. [17] Des Weiteren kann das Heterophosphol auch als Dienkomponente in [4+2]-Cycloadditionen reagieren. Diese Vielzahl an Reaktionsmöglichkeiten macht die Heterophosphole zu einer äußerst interessanten Substanzklasse. Im Folgenden wird dies an zwei exemplarischen Vertretern, den 2H-1,2,3-Diazaphospholen und den 1,2-Thiaphospholen, näher erläutert

14 EINLEITUNG 1.2 2H-1,2,3-Diazaphosphole Synthese und Reaktivität der 2H-1,2,3-Diazaphosphole Heterophosphole, welche sowohl in - als auch in -Position Stickstoffatome enthalten, werden als 1,2,3-Diazaphosphole bezeichnet. Die Synthese dieser aromatischen Phosphorheterocyclen erfolgt durch Cyclokondensation N-substituierter Hydrazone mit Phosphortrichlorid (Schema 2). [11] Schema 2. Synthese von 2H-1,2,3-Diazaphospholen nach Mel nikov. Vermutlich verläuft die Reaktion durch einen zweifach nukleophilen Angriff des Hydrazons am elektrophilen Phosphoratom, während nacheinander zwei Äquivalente Chlorwasserstoff eliminiert werden. [18] Die Eliminierung des dritten Äquivalents Chlorwasserstoff, welche thermisch oder baseninduziert verlaufen kann, führt anschließend zur Bildung des Heterocyclus 5. Die Zwischenstufe, ein 3-Chlor-2H- 3,4-diyhdro-1,2,3-diazaphosphol, kann in vielen Fällen isoliert werden. Aufgrund ihrer frühen Entdeckung ist ihr Reaktionsverhalten unter den Heterophospholen am besten und intensivsten untersucht. Es sind je nach Substitutionsmuster farblose bis leicht gelbliche Flüssigkeiten bzw. kristalline Feststoffe. Sie sind oxidationsunempfindlich gegenüber Luftsauerstoff und elementarem Schwefel. Beim Kontakt mit Wasser hydrolysieren sie zu den entsprechenden Hydrazonen. [19] Protonierungs- und Methylierungsreaktionen finden nicht am 2, 3 -Phosphoratom, sondern am zweifach koordinierten Stickstoffatom statt. [20] Bei der Addition polarer Reagenzien an die P=C-Bindung reagiert der Phosphor elektrophil

15 EINLEITUNG H-1,2,3-Diazaphosphole als Dipolarophile Die Arbeitsgruppe um Arbuzov beschäftigte sich umfassend mit der [3+2]- Cycloaddition von Diazoverbindungen und organischen Aziden an die P=C-Bindung der 2H-1,2,3-Diazaphosphole 5. [21, 22] Dabei wurde besonders bei der Umsetzung verschiedener Diazodipole 6 eine große Vielfalt an unterschiedlichen Produkten beobachtet (Schema 3). [21] So spielen sowohl die Substituenten am 1,3-Dipol als auch das Lösungsmittel eine entscheidende Rolle für den Reaktionsverlauf. Die Cycloadditionen verlaufen in allen Fällen regioselektiv. Neben den P C und C N verknüpften Primärcycloaddukten 7, die in wenigen Fällen isolierbar sind [23], finden sich auch Beispiele mit P N und C C-Verknüpfungen. Die Primärprodukte 8 sind nicht isolierbar und stabilisieren sich entweder unter Abspaltung von molekularem Stickstoff zu den 4-substituierten Diazaphospholen 9 oder durch zwei aufeinanderfolgende 1,3-H-Shifts zu Verbindung 10. Schema 3. Reaktion von Diazoverbindungen mit 2H-1,2,3-Diazaphospholen

16 EINLEITUNG Diese Arten der Stabilisierung finden sich ebenfalls bei den primären Cycloadditionsprodukten 7 unter Bildung der bicyclischen Produkte 11 bzw. des Diylids 12, welches wiederum je nach Substitutionsmuster der Diazoverbindung verschiedene Folgereaktionen zeigt. Neben der Bildung der bicyclischen Phosphirane 13 wurden sowohl die tricyclische Verbindung 14, die Spiroverbindung 15 als auch das Trimerisierungsprodukt 16 erhalten. Weitere Untersuchungen mit 2-Siloxy-1-diazoalkenen folgten in unserem Arbeitskreis. [24] J. Kerth gelang bei der Umsetzung dieser Diazoverbindungen mit 2H-1,2,3-Diazaphospholen die Herstellung und Isolierung der primären [3+2]-Cycloadditionsprodukte 17 (Schema 4). Beim Erhitzen spaltet sich aus diesen bicyclischen Verbindungen molekularer Stickstoff ab. Aus dem komplexen Produktgemisch konnten die tricyclischen Verbindungen 18 isoliert werden, welche durch [3+2]-Cycloaddition eines durch Cycloreversion entstandenen 2H-1,2,3-Diazaphosphols 5 an ein zu 12 analoges semicyclisches Bis(methylen)phosphoran gebildet werden. Schema 4. [3+2]-Cycloaddition von Diazocumulenen an 2H-1,2,3-Diazaphosphole. Als weitere 1,3-Dipole wurden Nitrilimine [25], Nitrilylide [26], und Nitriloxide [27, 28] eingesetzt. Auch diese zeigten durchweg ein regioselektives Cycloadditionsverhalten (Schema 5)

17 EINLEITUNG Schema 5. Reaktion weiterer 1,3-Dipole mit 2H-1,2,3-Diazaphospholen 5. So verläuft die [3+2]-Cycloaddition von Nitriliminen an die P=C-Bindung unter Bildung der bicyclischen Verbindung 19. Für R 3 = R 4 = Ph wurde eine Folgereaktion beobachtet. Unter Abspaltung von Benzonitril und erneuter Anlagerung eines Nitrilimins kommt es zur Bildung von Verbindung 20. Die Umsetzungen von 5 mit Nitrilyliden und Nitriloxiden verlaufen ebenfalls selektiv in gleicher Additionsrichtung unter Bildung der bicyclischen Produkte 21 und [4+2]- und [4+1]-Cycloaddition an 2H-1,2,3-Diazaphosphole Neben den [3+2]-Cycloadditionen wurden die 2H-1,2,3-Diazaphosphole auch bezüglich ihres Reaktionsverhaltens in [4+2]-Cycloadditionen mit verschiedenen 1,3- Dienen untersucht. Arbuzov et al. beobachteten bei der Umsetzung von 2-Acetyl-5- methyl-1,2,3-diazaphosphol (5a) mit Hexachlorcyclopentadien die Bildung der Verbindung 23 (Schema 6). [29] Schema 6. Erste [4+2]-Cycloaddition eines 1,3-Diens an ein 2, 3 -Heterophosphol

18 EINLEITUNG Weitere Untersuchungen zum [4+2]-Cycloadditionsverhalten folgten, wobei neben symmetrischen cyclischen und acyclischen auch unsymmetrische 1,3-Diene [30, 31] eingesetzt wurden (Schema 7). Schema 7. [4+2]-Cycloaddition weiterer 1,3-Diene an 2H-1,2,3-Diazaphosphole. Bei der Umsetzung mit dem acyclischen 2,3-Dimethylbutadien beobachteten Yeung Lam Ko und Carrié die Bildung der bicyclischen Verbindung 24. Die Reaktion von 5 mit Cyclopentadien verläuft endo-selektiv zum Produkt 25a, welches in Lösung bereits bei Raumtemperatur in das exo-produkt 25b übergeht. [30] Durch den Einsatz des unsymmetrisch substituierten Isoprens konnte erstmals die Regioselektivität der [4+2]-Cycloaddition anhand der selektiven Bildung von 26 gezeigt werden. Eine [4+1]-Cycloadditionen an das 2, 3 -Phosphoratom der 2H-1,2,3- Diazaphosphole 5 ist ebenfalls bekannt. Durch die 1,1-Addition von Diazadienen konnten die Spiroverbindungen 27 synthetisiert werden (Schema 8). [32] Schema 8. 1,1-Addition eines Diazadiens an 2H-1,2,3-Diazaphosphole

19 EINLEITUNG 1.3 1,2-Thiaphosphole Synthese der 1,2-Thiaphosphole Ebenfalls zur Klasse der Heterophosphole gehören die 1,2-Thiaphosphole. Diese aromatischen Fünfringheterocyclen enthalten neben dem 2, 3 -Phosphoratom ein Schwefelatom in -Position. Märkl und Hölzl entdeckten diese Verbindungsklasse im Jahre 1988 als Nebenprodukt (<1%) bei der Synthese von 1,2,4-Thiazaphospholen durch Umsetzung von 5-Phenyl-1,3,4-oxathiazol-2-on mit Chlor[phenyl(trimethylsilyl)methylen]phosphan (Schema 9). [33] Schema 9. Umsetzung von 5-Phenyl-1,3,4-oxathiazol-2-on mit einem Phosphaalken. In einem präparativ nutzbaren Maßstab können 1,2-Thiaphosphole erst seit 1993 synthetisiert werden. Durch reduktive Eliminierung der bicyclischen Trithiophosphonate 28 mit n-tributylphosphan erhielten Saito et al. die 1,2- Thiaphosphole 29 in moderaten bis guten Ausbeuten (Schema 10). [34, 35] Über diesen Syntheseweg sind bislang jedoch nur 1,2-Thiaphosphole mit aromatischen Substituenten in 3,5-Position zugänglich. Schema 10. Synthese von 1,2-Thiaphospholen 29 nach Saito. Eine weitere Synthesemöglichkeit wurde in der Arbeitsgruppe von M. Regitz entdeckt. Durch [4+2]-Cycloaddition von Akzeptor-substituierten Acetylenen mit 1,2,4-Thiadiphospholen werden elektronenarme 1,2-Thiaphosphole erhalten (Schema 11). [36] - 9 -

20 EINLEITUNG Schema 11. Synthese von 1,2-Thiaphospholen nach Regitz ,2-Thiaphosphole als Heterodien Das Reaktionsverhalten der 1,2-Thiaphosphole ist im Vergleich zu den 2H-1,2,3- Diazaphospholen weit weniger gut untersucht. Lediglich drei Arbeitsgruppen beschäftigten sich bislang mit diesen Vertretern der Heterophosphole. Zuerst wurde von der Arbeitsgruppe um Saito die Eigenschaft als cyclisches Heterodien in [4+2]-Cycloadditionen erkannt und untersucht. [34, 35] Bei der thermischen Umsetzung mit verschiedenen Dienophilen zeigten die 1,2-Thiaphosphole 29 ein sehr reaktionsträges Verhalten. Lediglich bei der Reaktion von 29a mit einem deutlichen Überschuss an Norbornadien bzw. Norbornen in siedendem o-dichlorbenzol konnten [34, 35] die Verbindungen 30 und 31 erhalten werden (Schema 12). Schema 12. [4+2]-Cycloaddition von Thiaphosphol 29a mit Norbornadien bzw. Norbornen. Nach Spaltung der C S-Bindung im Primärcycloaddukt kommt es zu einer weiteren [4+2]-Cycloaddition des intermediär gebildeten Sulfids mit einem zweiten Molekül des Dienophils. Bei der Umsetzung von 29a mit Azodicarbonsäurediethylester in siedendem Xylol kommt es ebenfalls zur Bildung eines 1:2-Adduktes, jedoch verläuft die Reaktion unter Bildung des tricyclischen Sulfids 32 (Schema 13). [35]

21 EINLEITUNG Schema 13. [4+2]-Cycloaddition von 1,2-Thiaphosphol 29a mit Azodicarbonsäurediethylester. Die Umsetzung weiterer Dienophile konnte nur durch Lewis-Säure-Katalyse mit AlCl 3 erreicht werden. Bei der Reaktion von Acrylsäureestern wurde erneut die Bildung von 1:2-Addukten beobachtet. Hierbei kommt es jedoch nicht zu einer zweifachen Diels- Alder-Reaktion an das 1,2-Thiaphosphol 29 (Schema 14). [35] Schema 14. Reaktion von Acrylsäureestern mit 1,2-Thiaphospholen. Im ersten Reaktionsschritt findet eine [4+2]-Cycloaddition des Heterodiens 29 an das Dienophil statt. Die dabei gebildete bicyclische Zwischenstufe addiert im Anschluss an ein weiteres Acrylsäureester-Molekül zum Phosphacyclohexadiensulfid 33. Des Weiteren wurde das Thiaphosphol 29a mit Propiolsäureethylester, ebenfalls Lewis-Säure-katalysiert, regioselektiv zum Phosphabenzol 34 umgesetzt (Schema 15). Schema 15. Regioselektive [4+2]-Cycloaddition von Propiolsäureethylester an 29a. Eine weitere Umsetzung, bei der das 1,2-Thiaphosphol als Heterodien in einer Diels- Alder-Reaktion fungiert, wurde in unserem Arbeitskreis beschrieben. J. Kerth und T. Jikyo erhielten bei der Reaktion von Thiaphosphol 29a mit einem großen Überschuss

22 EINLEITUNG an Cyclopentadien bei 120 C das 4:1-Addukt 35 (Schema 16). [37] Die Bildung des oktacyclischen Produkts 35 verläuft in analoger Weise zur Umsetzung von 29a mit Norbornadien (siehe Schema 12). Schema 16. [4+2]-Cycloaddition von 1,2-Thiaphosphol 29a mit Dicyclopentadien. Diesen Reaktionsverlauf beobachteten auch Regitz et al. bei der Umsetzung der Akzeptor-substituierten 1,2-Thiaphosphole mit Cyclooctin 36. Aus dem primären Cycloadditionsprodukt 37 entsteht nach Ringöffnung durch erneute [4+2]- Cycloaddition die tetracyclische Verbindung 39. Als weiteres Produkt wurde die tricyclische Verbindung 41 beobachtet, welche vermutlich durch Oxidation des Thiaphosphols 29 durch 38 und anschließende [4+2]-Cycloaddition von 36 an das 1,2-Thiaphospholsulfid 40 gebildet wird (Schema 17). [38] Das Phosphabenzol-Derivat 42, welches durch die Desulfurierung von 38 entstanden ist, konnte jedoch nicht isoliert werden

23 EINLEITUNG Schema 17. Reaktion von Akzeptor-substituierten 1,2-Thiaphospholen mit Cyclooctin ,2-Thiaphosphole als Dienophile und Dipolarophile Die P=C-Bindung der 1,2-Thiaphosphole kann auch selektiv in einer [2+2]- Cycloaddition reagieren. Regitz et al. beobachteten dies bei der Umsetzung der 1,2-Thiaphosphole mit elektronenreichen Aminoacetylenen bei -78 C (Schema 18). [38] Dabei wird ein zweistufiger Mechanismus über die betainische Zwischenstufe 43 zum bicyclischen Produkt 44 angenommen. Diese Reaktion wurde lediglich bei den Akzeptor-substituierten 1,2-Thiaphospholen beobachtet. Schema 18. Reaktion von Akzeptor-substituierten 1,2-Thiaphospholen mit Aminoacetylenen

24 EINLEITUNG Eine quantenchemische Rechnung zur Vorhersage des Cycloadditionsverhaltens von unterschiedlichen Heterophospholen ergab, dass die P=C-Bindung der 1,2-Thiaphosphole einen exzellenter Akzeptor für Diazodipole darstellt. [39] Dies konnte auch anhand experimenteller Ergebnisse bestätigt werden. Durch Umsetzung der 1,2-Thiaphosphole 29 mit verschiedenen Diazocumulenen konnten in unserem Arbeitskreis die Verbindungen erhalten werden (Schema 19). [37] Schema 19. Reaktion von 1,2-Thiaphospholen 29 mit Diazocumulenen. Die primären [3+2]-Cycloadditionsprodukte konnten nicht isoliert oder nachgewiesen werden. Diese reagieren unter Stickstoffeliminierung zum semicyclischen Bis(methylen)phosphoran 45, welches eine zu den 2H-1,2,3-Diazaphospholen vergleichbare Folgechemie zeigt. So entstehen die tricyclischen Verbindungen 46 und 47 durch eine weitere [3+2]-Cycloaddition mit noch vorhandenem 1,2-Thiaphosphol 29, während die bicyclischen Bis(methylen)phosphirane 48 durch eine 4 -Elektrocyclisierung als Nebenprodukte gebildet werden. Durch die Umsetzung von 1,2-Thiaphospholen mit Diphenyldiazomethan und 9-Diazofluoren gelangen T. Jikyo und S. Maurer in unserem Arbeitskreis die [40, 41] Herstellung der bicyclischen Phosphirane 49 und 50 (Schema 20)

25 EINLEITUNG Schema 20. [3+2]-Cycloaddition von Diphenyldiazomethan und 9-Diazofluoren an 1,2- Thiaphosphole 29. Die 3 -Phosphirane 49 und 50 wurden anschließend auf ihre Fähigkeit zur Komplexierung untersucht. Dazu wurden die entsprechenden Wolframpentacarbonyl- Komplexe synthetisiert. Dabei zeigten sowohl die W(CO) 5 -Komplexe der bicyclischen Phosphirane 49 als auch die der Spiroverbindung 50 eine interessante und [40, 41] unterschiedliche Folgechemie (Schema 21). Schema 21. Thermische Umlagerung der Wolframpentacarbonyl-Phosphiran-Komplexe 51 und 52. Beim Erwärmen des Komplexe 51a (Ar = Ph) kommt es in der Koordinationssphäre des Übergangsmetalls zu einer Ringerweiterung und damit zur Bildung des

26 EINLEITUNG Isophosphindol-Derivates 53. Diese thermische Isomerisierung läuft beim etwas elektronenreicheren Derivat 51b (Ar = p-meo-c 6 H 4 ) bereits bei Raumtemperatur nach 48 Stunden vollständig ab. Die komplexierten Spiroverbindungen 52 zeigen eine völlig andere Folgechemie. Beim Erhitzen einer toluolischen Lösung von 52 kommt es zur Bildung des Thiaphosphirans 54. Die bicyclischen Dithiaphospholane 55 werden dabei als Nebenprodukte erhalten, können jedoch auch selektiv durch Umsetzung der Phosphirane 50 mit Thiobenzophenon erhalten werden. [41] Die durch [3+2]-Cycloaddition von Heterophospholen mit verschiedenen 1,3-Dipolen zugänglichen bicyclischen Produkte weisen zumeist ein 3 -Phosphoratom auf. Wie bereits bei den 1,2-Thiaphospholo-phosphiranen 49 bzw. 50 erwähnt, besitzen Verbindungen mit diesem Strukturmerkmal prinzipiell die Fähigkeit zur Koordination an ein Metallzentrum. Diese Eigenschaft ist von großem Interesse, da 3 - Phosphanliganden im Bereich der homogenen Katalyse eine vielfältige Verwendung finden

27 AUFGABENSTELLUNG 2 AUFGABENSTELLUNG Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an zwei ausgewählte Vertreter der Heterophosphole, der 2H-1,2,3-Diazaphosphole und 1,2-Thiaphosphole. Die bisherigen Untersuchungen zeigten ein vielseitiges, interessantes und selektives Reaktionsverhalten dieser Heterophosphole in Cycloadditionsreaktionen. [17] Speziell die [3+2]-Cycloaddition der 2H-1,2,3-Diazaphosphole mit verschiedenen 1,3-Dipolen, vor allem den Diazoverbindungen, ergab ein vielfältiges Produktspektrum, welches durch diverse Faktoren beeinflussbar ist. Eine ähnliche Vielfalt lässt sich bereits bei den weit weniger intensiv untersuchten 1,2-Thiaphospholen erkennen. Erstaunlicherweise wurde bis dato von keiner erfolgreichen [3+2]-Cycloaddition mit Nitronen (Abbildung 4) berichtet, weder mit den 1,2-Thiaphospholen noch den ausführlich untersuchten 2H-1,2,3-Diazaphospholen. Abbildung 4. Mesomere Grenzstrukturen der Nitrone. Nitrone sind eine seit über 100 Jahren bekannte Verbindungsklasse und zeichnen sich unter den 1,3-Dipolen vor allem durch ihre relative Beständigkeit und ihre leichte Zugänglichkeit aus. Erste Untersuchungen zur [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an 1,2,3-Diazaphosphole in meiner Diplomarbeit zeigten einen regioselektiven Reaktionsverlauf. Durch Umsetzung des Diazaphosphols 5a mit Nitron 56a konnten erstmals 1,2,5-Oxazaphosphole mit einem 3 -Phosphoratom synthetisiert werden. [42] Die Fähigkeit zur Koordination an ein Metallzentrum konnte durch die Herstellung der entsprechenden 1 -Wolframpentacarbonyl-Komplexe 58a,b gezeigt werden (Schema 22)

28 AUFGABENSTELLUNG Schema 22. [3+2]-Cycloaddition von Diazaphosphol 5a mit Nitron 56a zu den bicyclischen 1,2,5- Oxazaphospholen 57a,b und anschließender Komplexierung. [42] Zunächst sollte durch Verwendung unterschiedlich substituierter Nitrone und Diazaphosphole die synthetische Zugänglichkeit zu dieser Verbindungsklasse durch [3+2]-Cycloaddition untersucht werden. Anschließend sollten die 1,2-Thiaphosphole 29 im Hinblick auf ihre Reaktivität als Dipolarophile in [3+2]-Cycloadditionen näher betrachtet werden. Als 1,3-Dipol sollten wiederum Nitrone eingesetzt werden. Bislang sind lediglich [3+2]-Cycloadditionen dieser Heterophosphole mit Diazoverbindungen beschrieben worden. In keiner bislang untersuchten Reaktion konnte allerdings ein primäres [3+2]- Cycloadditionsprodukt nachgewiesen oder isoliert werden. Abschließend sollte die Koordinationsfähigkeit möglicher Cycloadditionsprodukte mit einem 3 -Phosphoratom untersucht werden

29 EIGENE ERGEBNISSE 3 EIGENE ERGEBNISSE 3.1 Cycloaddition von Nitronen an 2H-1,2,3-Diazaphosphole Einleitung Organische Phosphorverbindungen besitzen ein großes biochemisches Potential und finden z. B. Anwendung in Antibiotika, Pestiziden und Insektiziden. [43] Dabei spielen besonders die heterocyclischen Phosphorverbindungen eine bedeutende Rolle. 1,3,2 5 -Oxazaphosphol-2-oxide 59 beispielsweise besitzen eine antimikrobielle Wirkung (Abbildung 5). [44] Die Verbindungsklasse der 1,2,5-Oxazaphosphole wurde erstmals von Huisgen et. al durch Cycloaddition von Nitronen an die P=C-Bindung von Triphenylphosphoranen synthetisiert (Verbindung 60, Abbildung 5). [45] Daneben ist in der Literatur dieser Strukturtyp lediglich in zwei weiteren Publikationen erwähnt (Verbindung 61). [46, 47] Über diesen Syntheseweg lassen sich jedoch nur 1,2,5-Oxazaphosphole mit einem tetra- oder pentakoordinierten 5 -Phosphoratom darstellen (Abbildung 5). Die Synthese eines 1,2,5-Oxazaphosphols mit einem 3 -Phosphoratom, analog den Phosphanen, wäre z. B. hinsichtlich einer möglichen Anwendung als Ligand in übergangsmetallkatalysierten Reaktionen von Interesse. Durch Cycloaddition des Nitrons 56a an das 2H-1,2,3- Diazaphosphol 5a konnten von uns erstmals 1,2,5-Oxazaphosphole 57a,b mit einem 3 -Phosphoratom erhalten werden (Abbildung 5). [42] Abbildung 5. Verschiedene Oxazaphosphol-Derivate. Die Koordinationsfähigkeit von 57a,b wurde durch die erfolgreiche Synthese der entsprechenden 1 -Wolframpentacarbonyl-Komplexe 58a,b bewiesen. Leider zeigten die beiden Diastereomere 57a,b kein Potential als Liganden in einer exemplarisch

30 EIGENE ERGEBNISSE durchgeführten Suzuki-Kreuzkupplung. [42] Eine weitere Untersuchung dieser [3+2]- Cycloaddition und die Synthese weiterer Derivate dieser neuartigen Verbindungsklasse war trotzdem von großem Interesse, zumal durch Spaltung der als labil eingeschätzten N O-Bindung funktionalisierte Phosphorheterocyclen zugänglich sein sollten. Die Synthese von -Aminoalkoholen durch 1,3-dipolare Cycloaddition von Nitronen an Alkene und Alkine mit anschließender N O-Bindungsspaltung der entsprechenden Isoxazolidine bzw. Isoxazoline wäre hierbei das [48, 49] Vorbild [3+2]-Cycloaddition von Diazaphosphol 5a mit N-Methyl-C,Cdimethylnitron (62) Die Herstellung der gewünschten 1,2,5-Oxazaphosphol-Derivate erfolgte anhand der von uns entwickelten Syntheseroute durch [3+2]-Cycloaddition eines Nitrons an die P=C-Bindung eines Diazaphosphols. Das elektronenarme 2-Acetyl-5-methyl-1,2,3- diazaphosphol (5a) wurde nach einer leicht modifizierten Literaturvorschrift durch [19, 42] Umsetzung des entsprechenden Hydrazons mit Phosphortrichlorid hergestellt. Als einfaches und symmetrisch substituiertes acyclisches Nitron wurde eine Reaktion mit N-Methyl-C,C-dimethylnitron (62) durchgeführt. Die Nitron-Synthese erfolgte analog einer Literaturvorschrift durch Umsetzung von Aceton mit N-Methylhydroxylamin-hydrochlorid und wasserfreiem Natriumacetat in Ethanol. [50] Das nach beschriebener Aufarbeitung erhaltene Nitron wurde mit Diazaphosphol 5a bei Raumtemperatur umgesetzt (Schema 23). Um den Reaktionsverlauf mittels NMR-Spektroskopie verfolgen zu können, wurde die Reaktion in deuteriertem Chloroform durchgeführt. Bereits nach wenigen Minuten wurde NMRspektroskopisch ein vollständiger Umsatz des Phosphols 5a beobachtet. Schema 23. [3+2]-Cycloadditionsreaktion von Diazaphosphol 5a mit Nitron 62 zu dem 1,2,5- Oxazaphosphol-Derivat 63 mit anschließender Komplexierung

31 EIGENE ERGEBNISSE Das 31 P-NMR-Signal des Phosphols 5a bei P = 237 ppm war verschwunden, stattdessen war genau ein neues Signal bei P = 101 ppm zu erkennen, was für einen selektiven und quantitativen Reaktionsverlauf sprach. Im 1 H-NMR-Spektrum war neben den fünf Methylgruppen ein zu einem Dublett aufgespaltenes Signal für ein Proton bei H = 3.23 ppm mit einer 2 J H,P -Kopplungskonstante von 37.1 Hz zu erken-nen. Es konnte, wie erwartet, im Gegensatz zur Umsetzung mit Nitron 56a lediglich die Bildung eines Produkts beobachtet werden. Dies ist auf das symmetrische Substitutionsmuster am Nitron-C-Atom zurückzuführen. Eine chromatographische Aufreinigung und Isolierung des 1,2,5-Oxazaphosphols 63 war nicht möglich, weshalb keine Ausbeute angegeben werden konnte. Durch Vergleich der spektroskopischen Daten mit denen der 1,2,5-Oxazaphosphole 57a,b konnte die Konstitution von 63 bestätigt werden (Tabelle 1). Tabelle 1. Chemische Verschiebungen ( in ppm) und Kopplungskonstanten (J in Hz) ausgewählter Atomkerne der 1,2,5-Oxazaphosphole 57a,b und P) 3a-H) [ 2 J H,P ] (C-3) (C-3a) [ 1 J C,P ] (C-4) 57a [39.6] [21.2] b [37.9] [17.6] [37.1] [16.5] Die chemische Verschiebung des Phosphoratoms von 63 liegt im Bereich der diastereomeren Verbindungen 57a,b. Das Proton 3a-H ist etwas hochfeldverschoben, was aufgrund der elektronenschiebenden Alkylsubstituenten an C-3 von 63 im Vergleich zu den Bicyclen 57a,b nicht verwundert. Die 2 J H,P - und 1 J C,P -Kopplungskonstanten liegen ebenfalls im Bereich der beiden Vergleichssubstanzen. Da eine Aufreinigung und Isolierung des bicyclischen 1,2,5-Oxazaphosphols 63 nicht möglich war, wurde eine Umwandlung in eine stabilere Verbindung versucht. Dazu wurde die Koordinationsfähigkeit des 3 -Phosphoratoms ausgenutzt und der entsprechende Wolframpentacarbonyl-Komplex 64 hergestellt. Diese Methode hatte sich bereits bei den schlecht aufzureinigenden 1,2,5-Oxazaphospholen 57a,b bewährt. [42] Die Synthese des W(CO) 5 -Oxazaphosphol-Komplexes erfolgte nach dem indirekten photochemischen Verfahren durch Bestrahlung einer Lösung von Wolframhexacarbonyl in Tetrahydrofuran (THF) mit einer Mitteldruck

32 EIGENE ERGEBNISSE Quecksilberdampflampe. [51] Dabei wird ein Carbonyl-Ligand abgespalten und die freie Koordinationsstelle durch ein THF-Molekül ersetzt. Das schwach koordinierte Lösungsmittelmolekül des leuchtend gelben Wolframpentacarbonyl-tetrahydrofuran- Komplexes (W(CO) 5 (thf)) konnte anschließend leicht durch das 1,2,5-Oxazaphosphol 63 substituiert werden. Der Reaktionsfortschritt wurde mittels 31 P-NMR- Spektroskopie verfolgt. Neben der Tieffeldverschiebung des Signals um etwa 20 ppm im Vergleich zum freien 1,2,5-Oxazaphosphol war besonders das durch die 1 -Komplexierung typische Signalmuster auffallend. Dem Singulettsignal ist ein dazu klein erscheinendes Dublett überlagert. Dieses resultiert aus der anteiligen 1 J P,W -Kopplung mit dem NMR-aktiven Wolframisotop 183 W, welches eine natürliche Häufigkeit von 14.4% (I = ½) besitzt. [52] Der entstandene 1 -Wolframpentacarbonyl- Komplex 64 konnte chromatographisch aufgereinigt und als Reinstoff isoliert und charakterisiert werden. Der Komplex 64 zeigte wie das freie 1,2,5-Oxazaphosphol in Lösung keine besondere Stabilität. Bereits nach kurzer Zeit konnte die Zersetzung der NMR-Probe (CDCl 3 -Lösung) anhand der Verfärbung und dem Ausfallen eines Niederschlags beobachtet werden. In Tabelle 2 sind charakteristische NMRspektroskopische Signale des Oxazaphosphol-Komplexes 64 im Vergleich zur unkomplexierten Verbindung 63 dargestellt. Tabelle 2. Vergleich der chemischen Verschiebungen ausgewählter NMR-Signale der Verbindungen 63 und 64 ( in ppm, J in Hz). ( 31 P) 1 J P,W 3a-H) 2 J 3a-H,P C-3a) 1 J C-3a,P Im 1 H-NMR-Spektrum von 64 sind alle Signale im Vergleich zum freien 1,2,5- Oxazaphosphol 63 leicht tieffeldverschoben und die 2 J 3a-H,P -Kopplungskonstante ist deutlich kleiner. Das 13 C-NMR-Spektrum zeigt die für 1 -Wolframpentacarbonyl- Phosphan-Komplexe typischen Signalaufspaltungen des axialen Carbonyl-C-Atoms, mit einer großen 2 J C,P -Kopplungskonstante von über 35 Hz, und der C-Atome der äquatorialen Carbonyl-Liganden mit kleinerer Kopplungskonstante von unter 10 Hz. Daneben ist die wesentlich größere 1 J C-3a,P -Kopplungskonstante auffallend. Der Übergang von einem dreifach koordinierten zu einem tetra- oder pentakoordinierten Phosphoratom ist üblicherweise mit einem starken Anstieg der 1 J-Werte

33 EIGENE ERGEBNISSE verbunden. [53] Da für cyclische und acyclische 3 -Phosphane bis auf wenige Ausnahmen eher kleine und zumeist negative Kopplungskonstanten bekannt sind [53], ist diese Zunahme sehr charakteristisch. Durch langsames Abdampfen einer n-pentan-lösung von 64 konnten für eine Röntgeneinkristallstrukturanalyse geeignete Einkristalle erhalten werden. Die aus den spektroskopischen Daten geschlussfolgerte Konstitution konnte anhand der Molekülstruktur verifiziert werden (Abbildung 6). Abbildung 6. Molekülstruktur des bicyclischen 1,2,5-Oxazaphosphol-W(CO) 5 -Komplexes 64 im Kristall (OLEX2-Darstellung). Der 1,2,5-Oxazaphospholring liegt in einer Halbsessel-Konformation vor, wohingegen der Diazaphospholring nahezu planar ist. Beim Vergleich der Bindungslängen des Komplexes 64 mit denen des freien 1,2,5 3 -Oxazaphosphols 57a fällt auf, dass es durch die Komplexierung zu einer Verringerung der Elektronendichte am Phosphoratom und damit zur Verkürzung der P C2-Bindung kommt (64: Å, 57a: Å). Parallel sind sowohl die C1 C2-Bindung mit Å (57a: Å) als auch die C2 C3-Bindung mit Å (57a: Å) verlängert und letztere deutlich über dem typischen Wert einer normalen C C- Einfachbindung (1.54 Å). Dadurch kommt es zu einer Aufweitung des O1 P C2 bzw. N1 P C2-Bindungswinkels und damit zu einem Anstieg der Summe der Bindungswinkel am Phosphoratom auf (57a: ). Die N O-Bindung ist im komplexierten Fall etwas kürzer, liegt aber mit Å (57a: Å) noch weit über dem Wert einer normalen Einfachbindung (1.36 Å)

34 EIGENE ERGEBNISSE Umsetzung von Diazaphosphol 5a mit cyclischen Nitronen Nachdem die Synthese von 1,2,5-Oxazaphospholen durch [3+2]-Cycloaddition von Diazaphosphol 5a mit zwei acyclischen Nitronen erfolgreich durchgeführt werden konnte, wurde nun eine Umsetzung mit cyclischen Nitronen versucht. Ein einfacher Vertreter fand sich in 3,4,5,6-Tetrahydropyridin-N-oxid 65a (Abbildung 7). Abbildung 7. Strukturen von 3,4,5,6-Tetrahydropyridin-N-oxid 65a und 3,4-Dihydroisochinolin-Noxid 65b. Die Synthese erfolgte analog einer Literaturvorschrift durch Oxidation von Piperidin mittels Natriumwolframat und H 2 O 2. [54] Das cyclische Nitron 65a zeigte gegenüber dem acyclischen Nitron 62 eine erhöhte Reaktivität und das entstehende Cycloaddukt war wesentlich temperaturempfindlicher als 63. Die Synthese musste deshalb bei -10 C durchgeführt werden. Die Isolierung des primären Cycloadditionsproduktes 66a gelang nicht, jedoch konnte durch direkte Komplexierung der entsprechende Wolframpentacarbonyl-Komplex 67a erhalten und chromatographisch aufgereinigt werden (Schema 24). Schema 24. [3+2]-Cycloaddition der cyclischen Nitron 65a,b an Diazaphosphol 5a

35 EIGENE ERGEBNISSE Im Gegensatz zur Umsetzung mit N-Methyl-C-phenylnitron (56a) konnte nur die Bildung eines Diastereomers beobachtet werden. Der 1,2,5-Oxazaphosphol-W(CO) 5 - Komplex 67a war, wie 64, in CDCl 3 -Lösung bei Raumtemperatur nicht stabil und zeigte bereits nach einem Tag deutliche Zersetzungserscheinungen. Da das 3,4,5,6-Tetrahydropyridin-N-oxid (65a) nur mit moderaten Ausbeuten [54] hergestellt werden konnte, und es nur eine geringe Stabilität in Bezug auf die Dimerisierung [55] aufwies, wurde eine Reaktion mit dem stabileren und lagerfähigen 3,4-Dihydroisochinolin-N-oxid (65b) durchgeführt. Die Synthese von 65b erfolgte analog zu 65a durch Oxidation von 1,2,3,4-Tetrahydroisochinolin mit Natriumwolframat. [54] Nach säulenchromatographischer Aufreinigung über basischem Aluminiumoxid konnte das Nitron elementaranalysenrein als rotbrauner Feststoff mit einem Schmelzpunkt von 15 C erhalten werden (Lit: C [56] ). Die Reaktion mit Diazaphosphol 5a erfolgte analog Schema 24. Bei -70 C konnte bereits die Umsetzung des Phosphols 31 P-NMR-spektroskopisch beobachtet werden. Eine Isolierung des primären Cycloadditionsproduktes 66b war wiederum nicht möglich. Der durch direkte Komplexierung mit W(CO) 5 (thf) zugängliche 1,2,5-Oxazaphosphol- Komplex 67b konnte jedoch hergestellt und isoliert werden. Es konnte ebenfalls ein diastereoselektiver Reaktionsverlauf beobachtet werden. Aufgrund der raschen Zersetzung von 67b in CDCl 3 -Lösung konnte der erhaltene Komplex nur unvollständig NMR-spektroskopisch charakterisiert werden. Der Vergleich der erhaltenen spektroskopischen Daten der Oxazaphosphol-Komplexe 67a,b mit denen der bereits synthetisierten Wolframpentacarbonyl-Komplexe 58a,b [42] ergab, dass es sich um die in Schema 24 dargestellte cis-konfiguration handeln muss (Tabelle 3). Tabelle 3. Ausgewählte NMR-Daten der Komplexe 67a,b, 64 und 58a,b ( in ppm, J in Hz). ( 31 P) 1 J P,W (P-CH) 2 J H,P 3 J H,H (N=CCH 3 ) 58a b a b

36 EIGENE ERGEBNISSE Das charakteristische Proton des ursprünglichen Diazaphospholrings (P CH) ist in den tri- bzw. tetracyclischen Komplexen 67a,b jeweils zu einem doppelten Dublett aufgespalten. Zusätzlich zur 2 J-Kopplung zum Phosphoratom ist eine 3 J H,H -Kopplung zu erkennen. Die chemische Verschiebung der Methylgruppe am Diazaphospholring ist ein weiterer Hinweis auf die vermutete cis-konfiguration der Verbindungen 67a,b. Anhand der Molekülstruktur des unkomplexierten 1,2,5-Oxazaphosphols 57a und eines davon abgeleiteten Molekülmodells der diastereomeren Verbindung 57b konnte gezeigt werden, dass sich diese Methylgruppe im Isomer 57b im Anisotropiekegel des Phenylrestes an C-3 befindet. [42] Dies begründet die starke Hochfeldverschiebung dieses Signals gegenüber 57a. Da das ursprüngliche Nitron- C-Atom in den Komplexen 64 und 67a lediglich Alkylsubstituenten trägt, ist eine derartige Hochfeldverschiebung hier nicht zu beobachten. Im Oxazaphosphol- Komplex 67b ist diese Verschiebung eindeutig zu erkennen. Folglich befinden sich auch hier diese Methylprotonen im Anisotropiekegel des ankondensierten Phenylrings, was anhand eines Molekülmodells nur in der in Schema 24 gezeigten cis-konfiguration möglich ist. Die cyclischen Nitrone 65a,b liegen in der E-Konfiguration vor. Zur Bildung der cis-konfigurierten bicyclischen Oxazaphosphol- Derivate 67a,b muss die [3+2]-Cycloaddition folglich über den in Abbildung 8 gezeigten endo-übergangszustand verlaufen sein. Abbildung 8. Übergangszustand der [3+2]-Cycloaddition von Diazaphosphol 5a mit Nitron 65b. Ein eindeutiger Strukturbeweis konnte durch eine Röntgeneinkristallstrukturanalyse erhalten werden. Geeignete Einkristalle wurden durch langsames Abdampfen einer n-pentan-lösung erhalten. Die Molekülstruktur ist in Abbildung 9 dargestellt, Tabelle 4 zeigt einen Vergleich ausgewählter Bindungslängen der Verbindungen 64 und 67b

37 EIGENE ERGEBNISSE Abbildung 9. Molekülstruktur von 67b im Kristall (OLEX2-Plot). Tabelle 4. Ausgewählte Bindungslängen [Å] der Oxazaphosphol-Komplexe 67b und 64 (Standardabweichungen stehen in Klammern). Bindung 67b 64 Bindung 67b 64 W P (12) (10) N1 N (5) 1.403(4) P O (3) 1.619(3) N2 C (6) 1.274(5) P N (4) 1.733(3) N3 C (5) 1.489(5) P C (4) 1.843(4) C1 C (6) 1.522(5) O1 N (4) 1.488(4) C2 C (6) 1.556(5) Die H-Atome an C2 und C3 sind, wie anhand der NMR-Daten vermutet, cis-ständig. Die Methylgruppe an C1 zeigt in Richtung des -Systems des anellierten Benzolrings, was die beobachtete Hochfeldverschiebung dieser Protonen im 1 H-NMR-Spektrum erklärt. Das H-Atom an C2 ist analog zu dem bicyclischen Oxazaphosphol-Komplex 64 cis-ständig zum Wolframpentacarbonyl-Fragment. Der 1,2,5-Oxazaphospholring von 67b liegt in einer Halbsessel-Konformation vor, wobei das Stickstoffatom zum nahezu planaren Diazaphospholring zeigt. Diese Konformation wurde sowohl beim freien Oxazaphosphol 57a als auch beim komplexierten Bicyclus 64 beobachtet. Beim Vergleich der Bindungslängen mit dem Komplex 64 fällt auf, dass die P O-Bindung etwas länger ist, während die C2 C3 und vor allem die N3 C3-Bindung kürzer sind. Die N O-Bindung ist mit Å gegenüber einer normalen N O-Bindung ebenfalls deutlich verlängert und liegt

38 EIGENE ERGEBNISSE zwischen den Werten des Oxazaphosphol-Komplexes 64 und der unkomplexierten Verbindung 57a. Die cyclischen Nitrone 65a,b waren gegenüber den acyclischen Nitronen 56a und 62 deutlich reaktiver und die erhaltenen Cycloadditionsprodukte wesentlich temperaturempfindlicher und instabiler. Keines der primären [3+2]- Cycloadditionsprodukte konnte nachgewiesen oder isoliert werden, während im Falle der acyclischen Nitrone wenigstens in einigen Fällen eine vollständige Charakterisierung der bicyclischen 1,2,5 3 -Oxazaphosphole möglich war. Durch Komplexierung an ein Wolframpentacarbonyl-Fragment konnten alle primären Cycloadditionsprodukte erfolgreich derivatisiert und in Reinform erhalten und charakterisiert werden [3+2]-Cycloaddition von Nitronen an 2,5-Diaryl-1,2,3-diazaphosphole Da die 1,3-dipolare Cycloaddition einiger Nitrone an 2-Acetyl-5-methyl-1,2,3- diazaphosphol (5a) erfolgreich war, wurde dies auch mit elektronenreicheren Arylsubstituierten Diazaphospholen als Dipolarophile versucht. Dazu wurden die Verbindungen 5b und 5c nach Literaturvorschrift [20] synthetisiert (Abbildung 10). Diese wurden bereits erfolgreich in [3+2]-Cycloadditionsreaktionen mit einigen Diazoverbindungen eingesetzt. [57] Abbildung 10. Strukturen der Aryl-substituierten 1,2,3-Diazaphoshpole 5b und 5c. Bei den Umsetzungen mit Nitronen zeigte sich, dass diese im Vergleich zum Akzeptor-substituierten Diazaphosphol 5a wesentlich langsamer reagierten. Sowohl mit den acyclischen als auch den cyclischen Nitronen konnte selbst nach mehreren Tagen bei Raumtemperatur kein Umsatz festgestellt werden. Bei erhöhten Reaktionstemperaturen zwischen C konnte nach mehreren Stunden

39 EIGENE ERGEBNISSE 31 P-NMR-spektroskopisch zwar eine Abnahme des Diazaphosphol-Signals beobachtet werden, jedoch konnte keine selektive Produktbildung, wie es für die bisherigen Cycloadditionsreaktionen typisch war, beobachtet werden. Vielmehr konnte nur die Zersetzung der einzelnen Komponenten festgestellt werden. Da die bisherigen 1,2,5 3 -Oxazaphosphole ausnahmslos eine geringe Thermostabilität zeigten und nur in wenigen Fällen überhaupt charakterisierbar waren, ist, falls tatsächlich eine [3+2]-Cycloaddition der eingesetzten Verbindungen abläuft, eine direkte Zersetzung der Produkte denkbar. Wie es scheint, ist die Akzeptorsubstitution an N-2 eine Voraussetzung für die [3+2]-Cycloaddition mit Nitronen. Zu diesem Ergebnis kam auch J. Kerth bei der Untersuchung der [3+2]-Cycloaddition verschiedener 2H-1,2,3-Diazaphosphole mit 2-Siloxy-1-diazoalkenen. [24]

40 EIGENE ERGEBNISSE 3.2 Cycloadditionsverhalten der 1,2 5 -Thiaphosphol-2-sulfide Synthese der bicyclischen Trithiophosphonate 28 Ebenfalls zur Substanzklasse der Heterophosphole gehören die 1,2-Thiaphosphole 29, welche erstmals von Märkl und Hölzl als Nebenprodukt (Ausbeute <1%) bei der Synthese von Thiazaphospholen beschrieben wurden. [33] Ein präparativ nutzbarer Zugang zu dieser Verbindungsklasse wurde, wie bereits in Kapitel erwähnt, erstmals von Saito et al. in einer zweistufigen Synthese beschrieben [34, 35] (Schema 25). [34, 35] Schema 25. Zweistufige Synthese von 1,2-Thiaphospholen 29 nach Saito. Die Trithiophosphonate 28 werden durch Umsetzung von, -ungesättigten Ketonen 68 mit Phosphorpentasulfid und Triethylamin in siedendem Schwefelkohlenstoff erhalten. [58, 59] Bei der anschließenden Desulfurierung mit n-tributylphosphan werden daraus die 1,2-Thiaphosphole 29 gebildet. Die über diesen Syntheseweg zugänglichen 1,2-Thiaphosphole sind jedoch auf aromatische Substituenten in 3,5- Position beschränkt. In unserem Arbeitskreis konnte S. Maurer durch einige Veränderungen an der Synthese der Zwischenprodukte 28a,b leicht verbesserte Ausbeuten erzielen. [60] Eine weitere Optimierung der Trithiophosphonat-Synthese wurde von uns erreicht. [61] Durch Verwendung eines KPG-Rührers konnte für eine bessere Durchmischung des nach Basenzugabe entstehenden zähen Reaktionsgemisches gesorgt werden. Die bicyclischen Produkte 28a-c wurden anschließend durch einfaches Versetzen der Rohprodukte mit Methanol im Ultraschallbad als pulvrige Feststoffe elementaranalysenrein erhalten. Die Ausbeuten konnten dadurch teilweise beträchtlich gesteigert werden (28a: 69% [43% [58, 59] bzw. 51% [60] ], 28b: 78% [70% [58, 59] bzw. 71% [60] ], 28c: 38% [20% [58, 59] ])