A K T I V I E R U N G G E H E M M T E R D E P R O T O N I E R U N G S R E A K T I O N E N M I T G E B R Ä U C H L I C H E N L I T H I U M A L K Y L E N Erzeugung polylithiierter Synthesebausteine durch mikrowellenbasierte und konventionelle Energiezufuhr D I S S E R T A T I O N zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) von der Fakultät für Chemie und Chemische Biologie der Technischen Universität Dortmund vorgelegt von M. Sc. Lena Knauer geb. am 12. März 1993 in Kamen Dortmund 2019 I Eingereicht bei der Fakultät für Chemie und Chemische Biologie am 17. Juli 2019 Gutachter der schriftlichen Arbeit: 1. Gutachter: Prof. Dr. Carsten Strohmann 2. Gutachter: Prof. Dr. Viktoria H. Däschlein-Gessner 3. Gutachter: Prof. Dr. Matthias Westerhausen Prüfer des öffentlichen Promotionskolloquiums: 1. Prüfer: Prof. Dr. Carsten Strohmann 2. Prüfer: Prof. Dr. Viktoria H. Däschlein-Gessner Vorsitzender der Prüfungskommission: Prof. Dr. Dr. h.c. Herbert Waldmann Tag des öffentlichen Promotionskolloquiums: 27. September 2019 II III K U R Z Z U S A M M E N F A S S U N G Die vorliegende Arbeit konnte in Erweiterung bisheriger Erkenntnisse zeigen, dass der Einsatz stabilisierender und deaggregierender Additive einen empfindlichen Einfluss auf Organolithiumverbindungen ausübt. Durch die Ausbildung hoch reaktiver dimerer Aggrega- te mithilfe des Liganden Chinuclidin konnten äußerst potente Basensysteme erhalten wer- den, welche zur Durchführung kinetisch gehinderter Lithiierungsreaktionen eingesetzt wer- den konnten. Durch eine bemerkenswerte Sta- bilität des Liganden waren die Systeme sogar für den Einsatz bei stark erhöhten Temperatu- ren geeignet. Durch die Entwicklung der ent- sprechenden Schutzgasarbeitstechniken war außerdem erstmalig die Verwendung von Orga- nolithiumverbindungen für Deprotonierungsre- aktionen in der Mikrowelle möglich. Auf diese Weise kann dem reagierenden System eine deutlich höhere Energie zugeführt werden, als es unter Verwendung der üblichen Additive wie THF oder TMEDA möglich wäre, da diese bereits bei niedrigen Temperaturen Zerset- zungsreaktionen unterliegen. Hierdurch gelang es nicht nur, geringfügig C−H-acide Verbindun- gen wie Benzol, Toluol, Tetramethylsilan oder Hexamethyldisilan zu deprotonieren, son- dern auch verschiedene mehrfachfunktionalisierte Abfangprodukte zu erhalten, welche die hohe Reaktivität der eingesetzten Basensysteme erneut unterstreichen. Ergänzt wurden die experimentellen Untersuchungen durch quantenchemische Berechnungen, welche ei- nen detaillierteren Einblick in die zugrunde liegenden Deprotonierungsprozesse liefern. Auf diese Weise kann die Erzeugung mehrfachlithiierter Spezies mittels direkter Deprotonie- rung stark verallgemeinert werden, da eine Aktivierung durch intramolekulare Vorkoordina- tion nicht benötigt wird und somit zunächst keine Einschränkungen in der Wahl des Sub- strats bestehen. Durch die Kristallisation hoch geordneter molekularer Aggregate und der dadurch möglich- en hochaufgelösten Röntgenstrukturanalyse war erstmals eine experimentelle Bestimmung der Elektronendichte im dimeren tert-Butyllithium sowie im tetrameren iso-Propyllithium, je- weils stabilisiert durch Chinuclidin, möglich. Auf diese Weise konnte ein wertvoller Beitrag C Li N IV zur kontroversen Diskussion des Charakters der Kohlenstoff-Lithium-Bindung geleistet wer- den, welcher experimentell als stark polarisiert ermittelt wurde. Weiterhin konnten durch den Einsatz des monodentaten Liganden Chinuclidin zwei ver- schiedene dimere Aggregate des heteroatomstabilisierten (Trimethylsilyl)methyllithiums er- halten werden, welche ebenfalls zu einem differenzierteren Blick auf die Struktur-Reaktivi- täts-Beziehung der Lithiumorganyle beitragen. Während ein ebenfalls erhaltener monome- rer Komplex von (Trimethylsilyl)methyllithium und dem Chelatliganden (R,R)-TMCDA eine erstaunlich geringe Reaktivität aufweist, bietet eine variierende Anzahl koordinierender Li- gandmoleküle bei den hier vorgestellten Dimeren die Möglichkeit, eine Koordinationsstelle am Lithium freizugeben und somit Reaktionen zu ermöglichen. Gezeigt werden konnte dies durch die erfolgreiche Deprotonierung von N,N-Dimethylbenzylamin, welche in Anwesen- heit von (R,R)-TMCDA bzw. in Abwesenheit des Chinuclidins nicht gelang. Die hohe Reaktivität der Chinuclidin-stabi- lisierten Alkyllithiumaggregate konnte zur er- folgreichen Zweifachlithiierung verschiede- ner Substrate eingesetzt werden. Im Falle der verwendeten Siliciumverbindungen Te- tramethylsilan und Hexamethyldisilan kön- nen die dabei erhaltenen dilithiierten Inter- mediate, welche aufgrund ihrer bisher man- gelnden Zugänglichkeit neuartige Synthese- bausteine darstellen, zum Aufbau gespann- ter Ringsysteme dienen, indem sie mit diver- sen Dichlorelektrophilen mit variierendem Zentralatom (Si, Ge, Sn) und Resten zuneh- mender Größe (Me, Et, Bu, Ph) umgesetzt werden. Die Erzeugung der resultierenden vier- gliedrigen Ringsysteme ausgehend von Tetramethylsilan verlief weniger erfolgreich, was unter anderem auf die hohe Flüchtigkeit des Startmaterials zurückgeführt wurde. Ein Aus- weichen auf das schwerere Startmaterial Dimethyldiphenylsilan konnte ebenfalls keine Bildung der Vierringe ermöglichen. Ausgehend von dilithiiertem Hexamethyldisilan konnten jedoch zahlreiche fünfgliedrige Ringsysteme erhalten werden. Während die Synthesen unter Verwendung von Dichlorsilanen wenig erfolgreich verliefen, konnten einige Germani- um- und Zinn-basierte Systeme dargestellt und definierte Nebenprodukte identifiziert wer- den. Mechanistische Überlegungen zu deren Entstehung konnten anschließend in gezielte Strategien zur Optimierung der Ringschlussreaktionen eingesetzt werden. Erneut wurden quantenchemische Berechnungen eingesetzt, um die während der Ringschlussreaktionen beobachteten Möglichkeiten und Limitierungen genau zu verstehen. V S H O R T A B S T R A C T The present work was able to underline in extension of previous findings how the use of stabilizing and deaggregating additives has a sensitive impact on organolithium com- pounds. By the formation of highly reactive dimeric aggregates utilizing the ligand quinucli- dine, utmost potent base systems were obtained which could be used successfully in kinetically hindered deprotonation reactions. Due to a remarkable stability of the ligand, these systems are even suitable for the application at strongly elevated tempe- ratures. By the development of the ap- propriate inert gas working techniques, the use of organolithium compounds for deprotonation reactions in a microwave apparatus was possible for the first time. By this, the reacting system can be added noticeably more energy as it would be possible when utilizing usual additives as thf or tmeda, since these compounds tend to decompose even at low temperatures. Thus, it was not only possible to deprotonate marginally C−H acidic compounds as benzene, toluene, tetramethylsilane or hexamethyldisi- lane, but also to obtain several multiply functionalized trapping products, which again underline the strong reactivity of the base systems employed. The experimental observations were supplemented by quantum chemical calculations to obtain further insight to the underlying deprotonation processes. As a result, the generation of multilithiated species by direct deprotonation can be strongly generalized, since activation by means of intramolecular precoordination is not required and therefore there are no restrictions in the choice of substrate. By the crystallization of highly ordered molecular aggregates and the resulting high-reso- lution X-ray structure analysis, an experimental determination of the electron density in di- meric tert-butyllithium as well as in tetrameric iso-propyllithium, each stabilized by quinucli- dine, was possible for the first time. In this way, a valuable contribution could be made to the long-standing controversial discussion of the character of the carbon-lithium bond, which was experimentally determined to be strongly polarized. C Li N VI Furthermore, by using the monodentate ligand quinuclidine two different dimeric aggregates of the heteroatom-stabilized (trimethylsilyl)methyllithium could be obtained, which also con- tribute to a more differentiated view of the structure-reactivity relationship of lithiumorganic compounds. While a monomeric complex of (trimethylsilyl)methyllithium and the chelating ligand (R,R)-TMCDA, which has also been obtained, exhibits a surprisingly low reactivity, a varying number of coordinating ligand molecules in the dimeric aggregates presented here offers the possibility of releasing a coordination site at the lithium and thus enabling reactions. This could be demonstrated by the successful deprotonation of N,N-dimethylben- zylamine, which was not possible in the presence of (R,R)-TMCDA or in the absence of quinuclidine. The high reactivity of the quinuclidine-stabi- lized alkyllithium aggregates could, as ex- plained above, be used for the successful dilithiation of different substrates. In the case of the silicon compounds tetramethyl- silane and hexamethyldisilane used, the di- lithiated intermediates, which represent no- vel building blocks due to a former lack of accessibility, can be used to build up small and strained ring systems by reacting them with various dichloroelectrophiles with vary- ing central atoms (Si, Ge, Sn) and moieties of increasing size (Me, Et, Bu, Ph). The ge- neration of the resulting four-membered ring systems from tetramethylsilane was less successful, partly due to the high volatility of the starting material. A switch to the heavier starting material dimethyldiphenylsilane could also not enable the formation of the four-membered rings. Starting from dilithiated hexamethyldisilane, numerous five-membe- red ring systems could be obtained in this way. While the syntheses using dichlorosilanes were not too successful, some germanium- and tin-based systems could be observed, and defined by-products were identified. Mechanistic considerations on the formation of the observed by-products could then be used in targeted strategies to optimize the ring closure reactions. Quantum-chemical calculations were again used to precisely understand the pos- sibilities and limitations observed during the ring closure reactions. VII D A N K S A G U N G Die vorliegende Arbeit wurde im Zeitraum von Mai 2016 bis Juli 2019 an der Fakultät für Chemie und Chemische Biologie der Technischen Universität Dortmund unter Anleitung von Herrn PROF. DR. CARSTEN STROHMANN angefertigt. Eine Reihe von Personen war maßgeblich an der Erstellung dieser Dissertation beteiligt, denen dafür gebührender Dank gilt: Herrn PROF. DR. CARSTEN STROHMANN danke ich von ganzem Herzen für die Möglichkeit, meine Arbeit in seiner Arbeitsgruppe anfertigen zu können und mich dabei wissenschaftlich frei entfalten zu dürfen. Vielen Dank für die stete Bereitschaft zur Diskussion der Ergebnisse und der Hilfe bei den quantenchemischen Berechnungen sowie für das Vertrauen in meine Arbeit und die Ermöglichung zahlreicher unvergesslicher Konferenzreisen. Frau Prof. Dr. Viktoria H. Däschlein-Gessner gilt mein Dank für die grundlegenden Vorar- beiten im Bereich der Strukturaufklärung lithiumorganischer Verbindungen während ihrer eigenen Promotion und nun für die unkomplizierte Übernahme des Korreferats. Weiterhin danke ich den gemeinsamen Einrichtungen der Fakultät CCB für die stets orga- nisierte Aufrechterhaltung des (Forschungs-)betriebs, darunter der NMR-Abteilung unter der Leitung von Herrn DR. WOLF HILLER für die Messung wenn auch nicht allzu vieler Proben sowie der Glasbläserei unter Leitung von Herrn THOMAS BLÖß für die Realisierung der aus- gefallensten Glasgeräte, welche die Handhabung der luftempfindlichen Substanzen in der Mikrowelle erst möglich gemacht haben. Einen nicht zu bemessenden Beitrag hat der gesamte Arbeitskreis durch die inspirierende Atmosphäre bei und neben der Arbeit geleistet. Wenngleich dies jedes einzelne aktuelle und vorherige Mitglied betrifft, sind ein paar von ihnen jedoch gesondert zu erwähnen: Frau DR. ULRIKE KROESEN gilt zu allererst mein Dank dafür, dass sie mich in die Arbeits- gruppe holte und mir durch die exzellente Betreuung meiner Bachelorarbeit einen erfolgrei- chen Start ermöglichte. Durch deine bis zu deinem Abschied umsichtige „Führung“ des Ar- beitskreises hast du einen unübertrefflichen Beitrag zu der heute herrschenden Atmo- sphäre geleistet, die es nun aufrechtzuerhalten gilt. Ein großes Dankeschön gebührt auch meinem kristallographischen Mentor, Herrn DR. CHRISTOPHER GOLZ, der mich auf seine ganz eigene Weise an die Röntgenkristallogra- phie heranführte und mich an seinem immensen Wissen und Können auf diesem Gebiet teilhaben ließ. Danke auch dafür, dass du bis heute stets ein offenes Ohr für die größeren und kleineren kristallographischen Problemchen hast. INES KAISER möchte ich für die erfolgreiche gemeinsame Zeit danken, die ich während und nach ihrer Ausbildung mit ihr haben durfte. Durch deine fleißige und selbstständige Arbeits- weise hast du mich während deiner Zeit bei uns entlastet, sodass ich mich um zahllose weitere Baustellen kümmern konnte, während du meine Forschung vorantriebst. Auch JONATHAN WATTENBERG sei für die tatkräftige Unterstützung auf praktischer Seite ge- dankt. Danke, dass du dich auch nach deinem Masterpraktikum an meiner Forschung be- teiligt hast und sie mit deinen Ideen weiter vorangebracht hast. Ein besonderer Dank gilt dir auch für die Entwicklung des „Mikrowellennupsis“, ohne den wesentliche Teile dieser Arbeit nicht möglich gewesen wären. VIII FRIEDERIKE FRITSCHKA danke ich für die mutige Entscheidung, als Lehramtsstudentin eine Bachelorarbeit in einer chemischen Arbeitsgruppe anzufertigen. Mit deiner beeindrucken- den Selbstorganisation hast du innerhalb kürzester Zeit einen maßgeblichen Beitrag zu meiner Forschung geleistet, den ich selbst in derselben Zeit niemals erreicht hätte. Mein Dank gilt außerdem SOPHIA FRANK, die sich in ihrem Masterpraktikum an diese Arbeiten anschloss und sich mit den übrig gebliebenen Problemen herumplagen musste. Ein ganz spezieller Dank geht an meine Mit-Kristallographen FELIX OTTE und LUKAS BRIEGER, in deren Hände ich mit ruhigem Gewissen nun die kristallographische Verantwor- tung legen werde (oder schon längst gelegt habe). Ich danke euch für viele, viele gemein- same Stunden in unterkühlten, lauten Diffraktometerräumen, stundenlange Diskussionen und eure Bereitschaft, euch die ein oder andere kristallographische Fertigkeit von mir bei- bringen zu lassen. Danke für das über die Jahre stark gewachsene Vertrauen in und neben der Wissenschaft und für die grandiose Teamarbeit. Eine funktionierende (wissenschaftliche) Arbeit wäre in dieser Forschungsgruppe nicht möglich, wenn JESSICA WEGGE die Geschicke nicht so sorgfältig und ausdauernd führen würde, wie sie es Tag für Tag tut. Danke dafür, dass du deine Augen, Ohren und deine Gedanken stets überall im Arbeitskreis hast, jederzeit alle wichtigen Dinge im Kopf hast und dafür sorgst, dass das Schiff nicht untergeht. Meinen weiteren Bürokollegen EVA BARTH und MORITZ ACHTERNBOSCH, sowie vormals auch Frau DR. HELENE WALL, gilt mein Dank dafür, dass nicht immer nur die Arbeit an erster Stelle steht, sondern die vielfältigsten Ablenkungen dafür sorgen, dass man den Kopf wie- der frei hat für die wichtigen Dinge. Für die Übernahme vielzähliger organisatorischer Aufgaben sowie die engagierte Betreu- ung jeglicher Computerprobleme danke ich ANDREAS VOß. Vielen Dank dafür, dass man sich stets auf dich verlassen kann. Jedem weiteren Mitglied der Arbeitsgruppe, welches bisher keine Erwähnung gefunden hat, sei für die gemeinsame Zeit gedankt, ganz gleich wie lang oder kurz diese war, für lustige Unternehmungen und gemeinsame Abende, für mehr oder minder sinnvolle Diskussionen beim Mittagessen, für feucht-fröhliche Weinfestabende in Würzburg und in ihrer Gesamtheit für eine zwischenmenschliche Atmosphäre, die ihresgleichen sucht. Auch außerhalb der Arbeitsgruppe gibt es selbstverständlich einige sehr wichtige Men- schen, die einen nicht minder wichtigen Anteil an dieser Arbeit hatten. Allen voran sei meine Familie genannt, insbesondere meine Eltern ANDREA und WALTER KNAUER, die mich stets in meinen Entscheidungen unterstützten. Auch danke ich meinen engsten Freunden, die es mir niemals übelnahmen, wenn ich manchmal wochenlang einfach so von der Bildfläche verschwand. Ich danke euch allen, dass ich seit so vielen Jahren auf euch zählen kann. Ein Dank ganz besonderer Art gilt SVEN KOCKELKE, der sich auf so unterschiedliche Weise an dieser Arbeit beteiligte, durch seine direkte wie auch indirekte Unterstützung bei ihrer Erstellung, durch detailliertes Korrekturlesen und stetige Ermutigungen, meine Ziele zu er- reichen, durch die nötige Ablenkung abseits des Wissenschaftlichen und als „Fels in der Brandung“ bei allen Widrigkeiten. IX P U B L I K A T I O N S L I S T E Zeitschriftenartikel The smaller, the better? How aggregate size affects the reactivity of (trimethylsilyl)methyl- lithium: L. Knauer, J. Wattenberg, U. Kroesen, C. Strohmann, Dalton Trans. 2019, doi:10.1039/c9dt02182e 1,3-Dithianes as assembling ligands for the construction of Cu(I) coordination polymers. Investigation of the impact of the RC(H)S2C3H6 substituent and reaction conditions on the architecture of the 0D-3D networks: A. Raghuvanshi, M. Knorr, L. Knauer, C. Strohmann, S. Boullanger, V. Moutarlier, L. Viau, Inorg. Chem. 2019, 58, 5753−5775. Unravelling the Synthesis and Chemistry of Stable, Acyclic, and Double‐Deficient 1,3‐ Butadienes: An endo‐Selective Diels–Alder Route to Hedgehog Pathway Inhibitors: X. Xin, S.Zimmermann, J. Flegel, F. Otte, L. Knauer, C. Strohmann, S. Ziegler, K. Kumar, Chem. Eur. J. 2019, 25, 2717−2722. Cardenolides and dihydro-β-agarofuran sesquiterpenes from the seeds of Salacia staudtiana: D.W. Kamtcha, M. Tene, K.G. Bedane, L. Knauer, L. Brieger, C. Strohmann, P. Tane, S. Kusari, M. Spiteller, Fitoterapia 2018, 131, 174−181. Control of Structures and Emission Properties of (CuI)n 2-Methyldithiane Coordination Polymers: A. Schlachter, L. Viau, D. Fortin, L. Knauer, C. Strohmann, M. Knorr, P. D. Harveya, Inorg. Chem. 2018, 57, 13564−13576. Cardenolides from the stem bark of Salacia staudtiana: D. W. Kamtcha, M. Tene, K. G. Bedane, L. Knauer, C. Strohmann, P. Tane, S. Kusari, M. Spiteller, Fitoterapia 2018, 127, 402−409. (2R,4S,5S)-5-Hydroxy-4-methyl-3-oxohept-6-en-2-yl benzoate: V. von Kiedrowski, C. God, L. Knauer, C. Strohmann, H. Preut, M. Hiersemann, IUCrData 2017, 2, x171539. X Biology-Oriented Synthesis of Decahydro-4,8-epoxyazulene Scaffolds: J. Zhi-Jun, C. Merten, L. Knauer, S. Murarka, C. Strohmann, H. Waldmann, Synlett 2017, 28, 2918−2922. 1,3-Dithiolane and 1,3-Ferrocenyl-dithiolane as Assembling Ligands for the Construction of Cu(I) Clusters and Coordination Polymers: A. Raghuvanshi, N.J. Hamad, M. Knorr, L. Viau, C. Strohmann, L. Knauer, J. Inorg. Organomet. Polymers and Materials 2017, 27, 1501−1513. The Reactivity of Benzyl Lithium Species is Regulated by Intermediate Structures: U. Kroesen, L. Knauer, C. Strohmann, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 6232−6235. Crystal structure of 4-(trimethylgermyl)benzoic acid: L. Knauer, E.R. Barth, C. Golz, C. Strohmann, Acta Cryst. E 2015, 71, 687−689. Crystal structure of 1-[(2,4,6-triisopropylphenyl)sulfonyl]aziridine: L. Knauer, C. Golz, C. Strohmann, Acta Cryst. E 2015, 71, o438−o439. Crystal structure of dibenzyldimethylsilane: L. Knauer, C. Golz, U. Kroesen, S.G. Koller, C. Strohmann, Acta Cryst. E 2015, 71, o391−o392. XI Vorträge L. Knauer, C. Strohmann, 7thEuCheMS Conference on Nitrogen Ligands, Lissabon 2018, Vortrag O30. L. Knauer, U. Kroesen, C. Strohmann, 7thEuCheMS Conference on Nitrogen Ligands, Lissabon 2018, Vortrag O14. L. Knauer, C. Strohmann, 15th International Symposium on Inorganic Ring Systems, Kyoto 2018, Vortrag B19. L. Knauer, C. Strohmann, 11. Tag der Chemie, Dortmund 2018, Vortrag 15V. L. Knauer, C. Strohmann, 12th International Conference on Heteroatom Chemistry (ICHAC- 12), Vancouver 2017, Vortrag O44. L. Knauer, C. Strohmann, 7th junges Chemie Symposium Ruhr, Dortmund 2016, Vortrag. Posterbeiträge R. Scheel, L. Knauer, C. Strohmann, 23rd European Conference on Organometallic Chemistry, Helsinki 2019, Poster PO73. L. Knauer, C. Strohmann, 19. Vortragstagung für Anorganische Chemie (Wöhler- Vereinigung), Regensburg 2018, Poster P-3. L. Knauer, C. Strohmann, GDCh Wissenschaftsforum “Chemie bewegt“ (Wöhler Vereinigung), Berlin 2017, Poster AN031. U. Kroesen, L. Knauer, C. Strohmann, GDCh Wissenschaftsforum “Chemie bewegt“ (Wöhler Vereinigung), Berlin 2017, Poster AN026. L. Knauer, C. Strohmann, 10. Tag der Chemie, Dortmund 2017, Poster 3P. L. Knauer, C. Strohmann, 18. Vortragstagung für Anorganische Chemie (Wöhler- Vereinigung), Berlin 2016, Poster P072. L. Knauer, C. Strohmann, 11th International Symposium on Carbanion Chemistry, Rouen 2016, Poster P24. L. Knauer, C. Strohmann, GDCh-Wissenschaftsforum Chemie, Dresden 2015, Poster AN029. U. Kroesen, L. Knauer, C. Strohmann, 14th International Symposium on Inorganic Ring Systems, Regensburg 2015, Poster P160. L. Knauer, U. Kroesen, C. Strohmann, 17. Vortragstagung für Anorganische Chemie (Wöhler-Vereinigung), Saarbrücken 2014, Poster. XII XIII A B K Ü R Z U N G S V E R Z E I C H N I S ° Grad Å Angstrøm Am Amyl Äq. Äquivalente B3LYP Becke-sytle three parameter Density Functional Theorie (unter Verwendung des Lee-Yang-Parr-Korrelationsfunktionals) BCP bond critical point, bindungskritischer Punkt Boc2O Di-tert-butyldicarbonat br breites Signal Bu Butyl nBu n-Butyl tBu tert-Butyl bzw. beziehungsweise °C Grad Celsius CCDC Cambridge Crystallographic Data Centre CIP Nomenklatur nach Cahn, Ingold und Prelog cm Zentimeter CP Coordination Polymer, Koordinationspolymer d Abstand δ chemische Verschiebung DCE 1,2-Dichlorethan DEPT Distortionless Enhancement by Polarization Transfer DFT Dichtefunktionaltheorie DMAE N,N-Dimethylaminoethanol DMSO Dimethylsulfoxid E Element e Elementarladung E+ Elektrophil EDA Energy Decomposition Analysis Eelstat elektrostatische Wechselwirkungsenergie EI Elektronenstoßionisation Eint unmittelbare Wechselwirkungsenergie zwischen zwei Bindungspart- nern Eorb Orbitalwechselwirkungsenergie EPauli Pauli-Repulsions-Wechselwirkungsenergie ESI Elektrosprayionisation XIV Et Ethyl Et2O Diethylether eV Elektronenvolt g Gramm ΔG Gibbs-Energie GC Gaschromatographie gd3 Dispersionskorrektur der dritten Generation nach Grimme gemi geminal ggf. gegebenenfalls h Stunden ΔH Enthalpie HMBC Heteronuclear Multiple Bond Correlation HPLC High Performance Liquid Chromatography, Hochleistungsflüssig- chromatographie HRMS High-Resolution Mass Spectrometry, hochaufgelöste Massenspek- trometrie HSQC Heteronuclear Single Quantum Coherence I Intensität IAM Independent Atom Model, Modell der unabhängigen Atome INEPT Insensitive Nuclei Enhancement by Polarization Transfer INFU Institut für Umweltforschung IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry, Internationale Vereinigung für reine und angewandte Chemie kJ Kilojoule L Liter LiDBB Lithium-4,4′-Di-tert-butylbiphenylid M mol/L m meta m Multiplett m/z Masse-zu-Ladungs-Verhältnis M052X Minnesota-Funktional, veröffentlicht 2005 M062X Minnesota-Funktional, Nachfolger der 05-Familie mbar Millibar Me Methyl min Minute(n) mL Milliliter mm Millimeter mol Mol MS Massenspektrometrie XV MW Mikrowelle ∇ Nabla-Operator NMM N-Methylmaleimid NMR Nuclear Magnetic Resonance, magnetische Kernresonanz Np Neopentyl o- ortho OAc Acetat Ox. Oxidation p- para Ph Phenyl pKs negativer dekadischer Logarithmus der Säurekonstanten KS PMDTA N,N,N‘,N‘‘,N‘‘-Pentamethyldiethylentriamin ppm parts per million, Promille iPr iso-Propyl PSE Periodensystem der Elemente q Quintett QTAIM Quantum Theory of Atoms In Molecules, Quantentheorie der Atome in Molekülen R organischer Rest Red. Reduktion ρ Dichte RT Raumtemperatur s Singulett SI Système international d'unités, internationales Einheitensystem σ Signalrauschen T Temperatur THF Tetrahydrofuran (R,R)-TMCDA (R,R)-N,N,N‘,N‘-Tetramethylcyclohexan-1,2-diamin TMEDA N,N,N‘,N‘-Tetramethylethylendiamin TMP 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin TMS Tetramethylsilan tR Retentionszeit TS Transition State, Übergangszustand VCD Vibrational Circular Dichroism, Vibrations-Zirkulardichroismus vici vicinal VSCC Valence Shell Charge Concentration, Valenzschalen-Ladungskon- zentration VSEPR Valence Shell Electron Pair Repulsion, Valenzschalen-Elektronen- paar-Abstoßung XVI W Watt ZPE Zero-Point Energy, Nullpunktsenergie Alle Einheiten mit Ausnahme von Ångstrøm (Å) und °C folgen der SI-Konvention. Für die Benennung der in dieser Arbeit verwendeten Verbindungen wurden die Richtlinien der IUPAC-Nomenklatur herangezogen. Im Falle einer nicht eindeutig nach diesen Regeln an- wendbaren Klassifizierung kam eine Fragmentsummenformelschreibweise zum Einsatz. Strukturformeln mit definierten Resten wurden mit fortlaufenden, fettgedruckten Nummern versehen. Strukturformeln mit variablen Resten wurden mit fortlaufenden fettgedruckten Großbuchstaben versehen. Die Bezeichnung von energieoptimierten Strukturen aus den DFT-Rechnungen erfolgte nach Plausibilitätsüberlegungen. An einigen Stellen wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Nummerierung verzichtet. Deskriptoren zur Bezeich- nung stereochemischer Aspekte wurden den Verbindungen in Klammern vorangestellt. Ab- solute Konfigurationen, sofern bekannt, sind nach CIP-Priorisierung mit R und S klassifi- ziert. XVII I N H A L T S V E R Z E I C H N I S 1 Einleitung ................................................................................................................... 1 2 Kenntnisstand ............................................................................................................ 5 2.1 Struktur und Reaktivität von Organolithiumverbindungen.................................... 5 2.1.1 Prinzipien der Strukturbildung bei Organolithiumverbindungen .................... 5 2.1.2 Wechselspiel von Struktur und Reaktivität ................................................... 7 2.1.3 Zersetzung von Lösemitteln und Additiven .................................................. 9 2.1.4 (Trimethylsilyl)methyllithium ........................................................................10 2.1.5 Die „ideale“ Lithiumalkylbase? ....................................................................11 2.2 Synthetische Anwendungen von Organolithiumverbindungen ...........................12 2.2.1 Anionische Polymerisation ..........................................................................12 2.2.2 Organische und asymmetrische Synthese ..................................................13 2.3 Mehrfachlithiierungen ........................................................................................14 2.3.1 Deprotonierung ...........................................................................................14 2.3.2 Halogen-Lithium-Austausch ........................................................................17 2.3.3 Metall-Lithium-Austausch............................................................................20 2.3.4 Reduktive Spaltung von Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen ..........................23 2.3.5 Superbasische und Mischmetall-Reagenzien .............................................25 2.3.6 Fazit ...........................................................................................................27 3 Zielsetzung ...............................................................................................................29 4 Ergebnisse und Diskussion .......................................................................................31 4.1 Beeinflussung der Reaktivität lithiumorganischer Verbindungen mithilfe von Lithiumhalogeniden ......................................................................................................31 4.2 Chinuclidin-stabilisierte Aggregate von Alkyllithiumverbindungen ......................35 4.2.1 Struktur und Koordinationsfähigkeit des Chinuclidins ..................................36 4.2.2 Zusammenhang von sterischem Anspruch des Alkylrests und der Größe Chinuclidin-stabilisierter Alkyllithiumaggregate .........................................................37 4.2.3 Studien zur Reaktivität der beobachteten Chinuclidin-stabilisierten Aggregate 43 4.2.4 Einsatz der dimeren Basensysteme in der Mikrowelle ................................65 4.3 Experimentelle Elektronendichtebestimmung an zwei Chinuclidin-stabilisierten Alkyllithiumaggregaten .................................................................................................83 XVIII 4.4 Einfluss der Größe des Aggregats auf die Reaktivität von (Trimethylsilyl)methyllithium ......................................................................................... 93 4.4.1 Monomeres (Trimethylsilyl)methyllithium .................................................... 93 4.4.2 Chinuclidin-stabilisierte Dimere des (Trimethylsilyl)methyllithiums .............. 95 4.5 Aufbau siliciumbasierter Ringsysteme durch Mehrfachlithiierung von Silanen . 103 4.5.1 Aufbau fünfgliedriger Ringsysteme durch zweifache Deprotonierung des Hexamethyldisilans (150) ....................................................................................... 105 4.5.2 Aufbau viergliedriger Ringsysteme durch zweifache Deprotonierung des Tetramethylsilans (149) .......................................................................................... 122 4.5.3 Fazit und Ausblick der Ringschlussreaktionen ......................................... 145 4.6 Kooperationsprojekte ...................................................................................... 149 4.6.1 1,3-Dithiane als strukturbildende Liganden für den Aufbau von Kupfer(I)- Koordinationspolymeren[] ....................................................................................... 151 4.6.2 Cardenolide aus der Stammrinde von Salacia staudtiana ........................ 155 4.6.3 Biologie-orientierte Synthese von Decahydro-4,8-epoxyazulen-Gerüsten 159 4.6.4 Synthese und Folgechemie stabiler, acyclischer und doppelt defizienter 1,3- Butadiene ............................................................................................................... 161 5 Zusammenfassung ................................................................................................. 165 6 Experimentelles ...................................................................................................... 175 6.1 Arbeits- und Messtechniken ............................................................................ 175 6.1.1 Allgemeine Arbeitstechniken .................................................................... 175 6.1.2 Analytische Methoden und Messtechniken ............................................... 175 6.2 Synthesen ....................................................................................................... 177 6.2.1 Beeinflussung der Reaktivität lithiumorganischer Verbindungen mithilfe von Lithiumhalogeniden ................................................................................................ 177 6.2.2 Chinuclidin-stabilisierte Aggregate von Alkyllithiumverbindungen ............. 178 6.2.3 Einfluss der Größe des Aggregats auf die Reaktivität von (Trimethylsilyl)methyllithium ................................................................................... 193 6.2.4 Aufbau siliciumbasierter Ringsysteme durch Mehrfachlithiierung von Silanen 195 6.3 Quantenchemische Berechnungen ................................................................. 211 6.3.1 Quantenchemische Berechnung der Lithiierung des Toluols .................... 212 6.3.2 Quantenchemische Berechnung der Zersetzung des Chinuclidins ........... 213 6.3.3 Quantenchemische Berechnung der Lithiierung des N,N- Dimethylbenzylamins (169) .................................................................................... 213 6.3.4 Quantenchemische Berechnung der Lithiierung des Hexamethyldisilans . 214 XIX 6.3.5 Quantenchemische Berechnung der Lithiierung des Tetramethylsilans .... 214 6.3.6 Quantenchemische Berechnung der Lithiierung des Dimethyldiphenylsilans 215 7 Literaturverzeichnis ................................................................................................. 217 8 Anhang ................................................................................................................... 221 Einleitung 1 1 Einleitung Die Chemie – die Lehre der Umwandlung der Stoffe – ist seit je her eine stark experimentell geprägte Wissenschaft. Während die Physik auf einer Vielzahl eingehend begründeter Ge- setzmäßigkeiten beruht, bedient sich der Chemiker häufig heuristisch geprägter Regeln, welche zum Verständnis der beobachteten Prozesse und Reaktivitäten beitragen. Der Drang, die zunächst willkürlich erscheinenden Eigenschaften der chemischen Elemente zu ordnen, führte bereits früh zur Entwicklung des bis heute zur Vorhersage chemischer Ei- genschaften benutzten Periodensystems der Elemente (PSE). Im Jahre 1869 stellten die Chemiker LOTHAR MEYER und DMITRI MENDELEJEW unabhängig voneinander eine periodi- sche Wiederholung chemischer Eigenschaften der Elemente fest, indem die bis dahin be- kannten Elemente nach steigender Atommasse angeordnet wurden.[1] Auf diese Weise war nicht bloß eine Sortierung bekannter Elemente möglich, sondern auch eine sehr exakte Vorhersage der Eigenschaften bisher unentdeckter Elemente. Die Grundlage der periodi- schen Anordnung der Elemente war ausschließlich experimentell erhaltenes Wissen. Erst viele Jahre später wurde mit der Klärung des Atomaufbaus deutlich, dass diese Sortierung der Elemente physikalisch begründet war. Es ließen sich somit mit steigender Kenntnis über den Aufbau der Atome weitere Trends innerhalb der Gruppen und Perioden des PSE ab- leiten, welche bis heute zur Vorhersage chemischer Eigenschaften und Reaktivitäten der Elemente und ihrer Verbindungen eingesetzt werden. Haupt- gruppen Nebengruppen Hauptgruppen H Li C N Si Abbildung 1.1: Schematische Darstellung des Aufbaus des Periodensystems der Elemente (PSE). Die Posi- tionen der im Rahmen dieser Arbeit hauptsächlich eingesetzten Elemente Wasserstoff (H), Lithium (Li), Koh- lenstoff (C), Stickstoff (N) und Silicium (Si) sind eingezeichnet. Während sich die Eigenschaften der Atome also innerhalb einer Periode stetig ändern, wie z. B. eine Erhöhung der Atommasse, weisen die Elemente einer Gruppe sehr vergleichbare Eigenschaften auf, sodass die betreffenden Elemente unter einem Gruppennamen zusam- mengefasst werden. Ein Beispiel hierfür sind die Edelgase, welche die äußerste rechte Spalte des PSE besetzen. Während ihre vergleichbaren Eigenschaften, die sich vor allem durch eine hohe chemische Stabilität auszeichnen, bereits MEYER und MENDELEJEW bekannt waren, konnte erst die eindeutige Klärung des Atomaufbaus eine belastbare Erklä- rung für diese experimentelle Erkenntnis liefern: Die am Ende einer Periode angesiedelten Elemente weisen eine vollständig gefüllte Elektronenhülle vor, welche einen sehr stabilen Zustand und somit die beobachtete Reaktionsträgheit bedingt. P E R I O D E G R U P P E 2 Einleitung Es werden jedoch auch Gruppierungen der chemischen Elemente vorgenommen, welche die Grenzen der Gruppen und Perioden überschreiten. Neben der in Abbildung 1.1 gezeig- ten Unterteilung in Haupt- und Nebengruppen werde die Elemente in die drei übergeordne- ten Gruppen der Metalle, der Halbmetalle und der Nichtmetalle unterteilt. Diese Einteilung beruht ebenfalls auf experimentellen Beobachtungen, da hier die elektrische Leitfähigkeit des Elements ausschlaggebend ist. Während Metalle in der Lage sind, elektrischen Strom zu leiten, fehlt diese Eigenschaft bei den Nichtmetallen. Auch hier wurde zu späterem Zeit- punkt eine physikalische Begründung und Rechtfertigung der Einteilung deutlich, als die Natur der Bindungen innerhalb der Metalle und der Nichtmetalle geklärt werden konnte, woraus sich ihre Leitfähigkeitseigenschaften ergeben. Auch in anderen Aspekten der Chemie spielt die Kenntnis über die Art und Weise, wie die Atome einer chemischen Verbindung untereinander verknüpft sind, eine wichtige Rolle. Dies trifft insbesondere auf jegliche synthetischen Vorgänge zu, welche durch den Bruch und die Knüpfung chemischer Bindungen eine Umwandlung von Stoffen erzielen. In der organischen Chemie, welche sich mit den molekularen Verbindungen des Elements Koh- lenstoff (C) befasst, stellt dies einen wesentlichen Aspekt dar. Zur Vorhersage der Reakti- vität dabei eingesetzter und erhaltener Verbindungen ist eine Kenntnis der Bindungssitua- tion der beteiligten Substanzen unabdingbar. Da sich die organische Chemie im Wesent- lichen mit den Elementen der Nichtmetalle befasst, wird eine Bindung durch ein Elektro- nenpaar beschrieben, welches sich beide an der Bindung beteiligten Atome teilen. Eine übersichtliche Schreibweise dieser Vorstellung entwickelte LEWIS im Jahre 1916, welcher gemäß Schema 1.1 einzelne Elektronen als Punkte, Elektronenpaare hingegen als Striche darstellte.[2] Schema 1.1: Darstellung chemischer Bindungen nach LEWIS unter Berücksichtigung der äußeren Elektronen der beteiligten Elemente. Auf diese Weise wird auf einen Blick ersichtlich, welche Elektronen die jeweiligen Atome für Bindungen oder chemische Reaktionen zur Verfügung stellen können. Dies ermöglicht die Ableitung von Reaktionsmechanismen sowie die Vorhersage geplanter Umsetzungen. Wie auch schon die ersten Aufstellungen des Periodensystems beruht auch LEWIS‘ Modell der Bindungen auf Überlegungen, welche jedoch zu einer hinreichenden Beschreibung der elektronischen Eigenschaften vielzähliger Moleküle genügen. Bei der Beschreibung der Bindungssituation in Molekülen außerhalb der klassischen organischen Chemie der Nicht- metalle stößt das Modell jedoch schnell an seine Grenzen. Während mit der Entwicklung der Orbitaltheorie ein differenzierteres Modell entwickelt wurde, fehlten insbesondere ex- perimentelle Methoden zur eindeutigen Bestimmung der elektronischen Struktur chemi- scher Verbindungen. Gelingen kann dies über hochaufgelöste Röntgenbeugungsexperi- mente, deren Auswertung nicht bloß unabhängige Atomlagen berücksichtigt, sondern eine Beschreibung der gegenseitigen Beeinflussung der Atome mithilfe sogenannter Multipole erfolgt. Während DEBYE bereits 1915, und somit nur drei Jahre nach Entdeckung der Rönt- genstreuung, postulierte, dass die Röntgenstreuung insbesondere an leichten Atomen von Einleitung 3 besonderem Interesse für die Beschreibung der elektronischen Struktur sei,[3] etablierten sich entsprechende experimentelle Methoden erst deutlich später. Erst gegen Ende des 20. Jahrhunderts waren die entsprechenden technischen Fortschritte seitens der Röntgendif- fraktometrie und der zur Auswertung benötigten Rechenleistung der Computer ausrei- chend, um eine experimentelle Auswertung der Elektronendichteverteilung in Molekülen in akzeptablen Zeiträumen zu ermöglichen.[4] Aufbauend auf den daraus erhaltenen Erkennt- nissen können mithilfe BADERs Quantentheorie von Atomen in Molekülen (Quantum Theory of Atoms In Molecules, QTAIM)[5] anschließend phy- sikalische Eigenschaften des Moleküls abgeleitet werden, welche zur Vorhersage oder Erklärung dessen Reaktivität herangezogen werden kön- nen. Als experimentell geprägte Wissenschaft beruht die Chemie also auf einer engen Verzahnung von experimentellen Beobachtungen, daraus abgelei- teten, oft heuristischen Modellen, welche die Vor- hersage der Reaktivität zukünftiger Systeme er- möglichen, und der experimentellen Erklärung der angewendeten Modelle. Wenngleich bis heu- te eine Vielzahl von experimentellen Beobachtun- gen schon getätigt und in entsprechende Modelle umgesetzt wurden, steht in vielen Fällen eine experimentell erhaltene Erklärungsgrundlage der etablierten Modelle noch aus. Hierin liegt ein Ansatzpunkt für zukünftige Forschung begründet, um die bereits eingehend ge- nutzten Konzepte und Verfahren besser zu verstehen und somit eine effizientere Nutzung zu ermöglichen. experimentelle Beobachtung (heuris- tisches) Modell experi- menteller Beleg Abbildung 1.2: Der chemische Erkenntnisge- winn beruht auf einer engen Verzahnung von Ex- periment und Theorie. 4 Einleitung Kenntnisstand 5 2 Kenntnisstand 2.1 Struktur und Reaktivität von Organolithiumverbindungen Seit Entwicklung der Schutzgasarbeitstechniken von Schlenk[6] gehören lithiumorganische Reagenzien in den Laboralltag zahlreicher anorganischer und organischer Chemiker. Ihre vielfältigen Reaktionsmöglichkeiten als starke Base und gutes Nucleophil eröffnen zahlrei- che synthetische Anwendungen. Die kommerzielle Erhältlichkeit einer nicht geringen Aus- wahl einfacher Lithiumalkyle in Form von Lösungen definierter Konzentration stellt einen weiteren Vorteil dieser Reagenzien dar. 2.1.1 Prinzipien der Strukturbildung bei Organolithiumverbindungen Die hohe Reaktivität dieser Verbindungsklasse beruht auf einer stark polarisierten Kohlen- stoff-Lithium-Bindung, deren Charakter bis heute experimentell nicht eindeutig geklärt ist. Arbeiten aus der eigenen Gruppe deuten jedoch auf einen stark ionischen Anteil der Bin- dung hin.[7] Den einfachsten Vertreter der lithiumorganischen Verbindungen stellt das Me- thyllithium dar, welches die empirische Formel CH3Li aufweist. Es lässt sich aufgrund der hohen Bindungspolarität gemäß Schema 2.1 als Ionenpaar darstellen. Schema 2.1: Empirische Formel (links) und Lewis-Formel des Carbanionenpaars (rechts) des Methyllithiums. Diese Schreibweise spiegelt die reale Struktur des Methyllithiums jedoch nur bedingt wider. Aufgrund des formalen Vorliegens zweier entgegengesetzt geladener Ionen verhält es sich vergleichbar zu Salzen, sodass es im Festkörper zur Ausbildung von Aggregaten kommt. Dabei werden Strukturmotive beobachtet, welche sich entsprechend Schema 2.2 von der Gitterstruktur des rein anorganischen Lithiumfluorids ableiten lassen. Schema 2.2: Ableitung der tetraedrischen Struktur des Methyllithiums vom Lithiumfluorid-Gitter. 6 Kenntnisstand Im Lithiumfluorid-Gitter ist eine abwechselnde Anordnung der Ionen Li+ und F− zu beobach- ten (Schema 2.2 a). Als Wiederholungseinheit lässt sich eine würfelförmige Figur von je- weils vier Kationen und Anionen aus diesem Gitter heraustrennen (Schema 2.2 b). Alterna- tiv zu der Darstellung als Würfel lässt sich diese Einheit auch als tetraedrische Anordnung vierer Lithiumkationen verstehen, deren Dreiecksflächen durch die Fluoridanionen über- kappt werden (Schema 2.2 c). Diese überkappende Position kann anstelle eines reinen Anions ebenfalls durch den carbanionischen Rest eines Lithiumalkyls eingenommen wer- den. Durch die im Vergleich zum Fluorid jedoch stark gesteigerte Größe des Methanidan- ions und dessen elektrostatische Abschirmung durch die umliegenden Protonen wird eine Anlagerung dieser Methyllithium-Tetraeder zu einer Gitterstruktur jedoch verhindert. Dies stellt das zentrale Motiv der Strukturbildung von Organolithiumverbindungen im Festkörper dar (Schema 2.2 d). Auf diese Weise kann die unvollständige Koordinationssphäre der Li- thiumzentren ausgeglichen werden, da stabilisierende Wechselwirkungen zu drei nahelie- genden Carbanionen bestehen. Wie in Abbildung 2.1 gezeigt ist dabei nicht nur eine Aus- bildung tetraedrischer Geometrien durch vier Moleküle der Organolithiumverbindung mög- lich, sondern auch die Anlagerung von sechs Einheiten zu oktaedrischen Spezies. Abbildung 2.1: Aggregation von Organolithiumverbindungen zu Polyedern basierend auf Li3-Dreiecksflächen. Die Größe des auf diese Weise ausgebildeten parentalen Aggregats wird dabei in erster Linie vom sterischen Anspruch des carbanionischen Rests bestimmt, wobei der größere Anspruch zum kleineren Aggregat führt. Die primäre, weit verbreitete Organolithiumverbin- dung n-Butyllithium, die einen vergleichsweise geringen Platzbedarf aufweist, liegt dement- sprechend in unpolarer Lösung als Hexamer (entsprechend Abbildung 2.1 rechts) vor, wäh- rend das sterisch anspruchsvolle tert-Butyllithium ein Tetramer (entsprechend Abbildung 2.1 Mitte) ausbildet.[8] Auch das primäre, heteroatomstabilisierte Organolithiumreagenz (Tri- methylsilyl)methyllithium[9] sowie das hochreaktive sekundäre iso-Propyllithium[10] bilden im Festkörper in Abwesenheit donierender Additive hexamere Aggregate aus. Etwas abwei- chend von dieser Tendenz bildet die einfachste Alkyllithiumverbindung, das Methyllithium, eine tetramere Struktur aus.[11] Dadurch wird jedoch eine zusätzliche Wechselwirkung der Methanid-Reste mit einem Lithium-Kation eines benachbarten Tetramers ermöglicht, was zur Ausbildung eines Koordinationspolymers und somit einer erhöhten Stabilität führt. Wei- terhin lässt sich an dieser Struktur der bedeutende Einfluss des Aggregationsverhaltens auf die Löslichkeit der entsprechenden Verbindung erkennen. Während die Polymerbildung beim Methyllithium zu einer Unlöslichkeit in unpolaren Lösemitteln führt, sodass die Ver- wendung etherischer Lösemittel notwendig ist, schirmen die carbanionischen Reste der Bu- tyllithiumverbindungen die innenliegenden, stark polarisierten Kohlenstoff-Lithium-Kontakte ausreichend ab, um eine Löslichkeit in unpolaren Lösemitteln zu erreichen. Kenntnisstand 7 2.1.2 Wechselspiel von Struktur und Reaktivität Als weitere Limitierung führt die Aggregation der Lithiumalkyle neben einer Einschränkung der Löslichkeit zusätzlich zu einer Absenkung der Reaktivität. Neben der elektronischen Stabilisierung setzt auch die sterische Abschirmung der Carbanionen die Reaktivität des Aggregates herab, da diese nicht durch ein Substrat zu erreichen sind. Dies wird durch die Zugabe Lewis-basischer Additive umgangen, welche durch Donation ihrer freien Elektro- nenpaare zum Lithiumkation zu einer stärkeren Stabilisierung als innerhalb des Aggregats führen, sodass diese aufgebrochen werden. Die resultierenden kleinen Aggregate, idealer- weise Dimere oder Monomere, weisen eine bessere Erreichbarkeit des reaktiven Carban- ions auf, sodass dieses für Reaktionen zur Verfügung steht. Schema 2.3: Aufbrechen der Alkyllithiumaggregate (Mitte) zu dimeren (rechts) oder monomeren Spezies (links) mithilfe mono- oder bidentater, donierender Additive. Während die reaktivitätssteigernde Wirkung dieser Additive bereits früh erkannt und syn- thetisch genutzt wurde,[12] konnten die zugrunde liegenden Mechanismen und Strukturen erst spät aufgeklärt werden.[13] Grund dafür ist die erstrebte hohe Reaktivität, welche eine Strukturaufklärung im Festkörper stark erschwert. Erst durch die Entwicklung geeigneter Apparaturen für die Handhabung hochreaktiver Kristalle bei tiefer Temperatur und unter Schutzgas[14] konnten zahlreiche Aggregate mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse aufge- klärt werden. Zu den gängigsten Additiven zählen dabei koordinierende Lösemittel wie Di- ethylether (1) oder THF (2) oder aminbasierte Liganden wie N,N,N‘,N‘-Tetramethylethylen- diamin (TMEDA, 3). Mittels dieser Strategie konnten unter anderem die in Schema 2.4 ge- zeigten kleinen Aggregate erzeugt und strukturell aufgeklärt werden. Wichtige Erkenntnisse wurden dabei zunächst über die durch Ether stabilisierten Aggregate erlangt. Diese häufig in Kombination mit lithiumorganischen Verbindungen verwendeten Lösemittel sind bereits in der Lage, die Aggregate der gängigsten Lithiumalkyle aufzubrech- en und ihre Reaktivität somit positiv zu beeinflussen. Während dies beim Methyllithium allein auf dem Lösen des Koordinationspolymers beruht,[15] werden die Hexamere des n-Butyllithiums aufgebrochen und tetramere Spezies beobachtet.[16] Bei tert-Butyllithium war bisher nur ein durch Diethylether (1) stabilisiertes Dimer strukturell aufgeklärt worden;[8] in der eigenen Arbeitsgruppe gelang es jedoch jüngst, ein hochreaktives Dimer des tert-Butyllithiums mit THF (2) zu kristallisieren und röntgenkristallographisch aufzuklären.[17] Vor allem bei der Verwendung mehrzähniger Liganden wird analog zu den parentalen Ag- gregaten eine Beeinflussung der Aggregatgröße durch den sterischen Anspruch des carb- anionischen Restes beobachtet. Während der bidentate Ligand (R,R)-N,N,N‘,N‘-Tetra- methylcyclohexan-1,2-diamin [(R,R)-TMCDA, 4] beispielsweise in der Lage ist, monomeres tert-Butyllithium zu stabilisieren,[18] werden bei Methyllithium und iso-Propyllithium dimere Aggregate beobachtet.[19] Ähnliches gilt für den sterisch noch anspruchsvolleren bidentaten 8 Kenntnisstand Liganden (−)-Spartein (5), welcher monomeres tert-Butyllithium stabilisiert,[20] beim primä- ren n-Butyllithium jedoch zur Bildung eines Dimers führt. Als Übergang beider Strukturen kann das Aggregat von iso-Propyllithium mit (−)-Spartein (5) betrachtet werden. Auch hier wird die Bildung eines Dimers beobachtet, jedoch verhindert der sterische Anspruch des carbanionischen Rests die Anlagerung eines zweiten Moleküls des Liganden, sodass das zweite Lithiumkation durch ein Molekül Diethylether (1) stabilisiert wird und ein asymmetri- sches Dimer ausgebildet wird.[21] Schema 2.4: Deaggregation von Organolithiumverbindungen mittels Lewis-basischer Additive. Es zeigt sich demnach, dass die strukturelle Vielfalt der lithiumorganischen Verbindungen in Gegenwart Lewis-basischer Additive durch das Verhältnis der sterischen Ansprüche beider Komponenten geprägt wird und dieses somit Ansatzpunkt für maßgeschneiderte Reagenzkombinationen sein kann. Kenntnisstand 9 2.1.3 Zersetzung von Lösemitteln und Additiven Die durch Additive oder polare Lösemittel gesteigerte Reaktivität der Organolithiumverbin- dungen geht jedoch mit dem Nachteil einher, dass Zersetzungsreaktionen des Liganden auftreten können, welche den Erfolg der gewünschten Umsetzung des Lithiumalkyls ein- grenzen. Besonders unter dem Einfluss erhöhter Temperaturen wird eine Lithiierung der Additive beobachtet, sodass häufig enge Temperaturprofile einzuhalten sind, um einen op- timalen Verlauf einer Metallierungsreaktion zu gewährleisten. Handelt es sich dabei um eine Reaktion mit besonders hoher Aktivierungsenergie, welche auch durch die Ausbildung günstiger Aggregate nicht ausreichend abgesenkt wird, kann die Zersetzung des Liganden eine Umsetzung möglicherweise vollständig ausschließen. Dies wird beispielsweise für die häufig eingesetzten Additive THF (2) und TMEDA (3) beobachtet, welche den in Schema 2.5 gezeigten Zersetzungsreaktionen bei erhöhten Temperaturen unterliegen. Schema 2.5: Thermische Zersetzung von THF (2) und TMEDA (3) durch Alkyllithiumverbindungen. Andererseits bieten entsprechende Zersetzungsreaktionen jedoch auch synthetische Mög- lichkeiten zur Erzeugung funktionalisierter Systeme, indem die entsprechenden Additive gezielt metalliert und mit entsprechenden Elektrophilen abgefangen werden.[22] Ist eine der- artige Reaktivität jedoch unerwünscht, schließt dies die Verwendung deaggregierter lithi- umorganischer Verbindungen für die Deprotonierung schwach acider Verbindungen aus, da die zur Überschreitung der entsprechend hohen Energiebarrieren benötigte Temperatur mit diesen Systemen nicht erreicht werden kann. Stattdessen wird auf superbasische Sys- teme, die meist auf einem Gemisch eines Lithiumalkyls und eines (Alkali-)Metallalkoholats basieren, zurückgegriffen. Diese zunächst durch LOCHMANN[23] und SCHLOSSER[24] präsen- tierten Reagenzien weisen eine im Vergleich zu reinen Lithiumalkylen stark erhöhte Reak- tivität auf und sind deshalb bereits bei tiefen Temperaturen in der Lage, schwach acide Protonen zu deprotonieren. Dennoch sind auch diese Basensysteme keine allgemeine Lö- sung für alle synthetisch schwierigen Deprotonierungsreaktionen, da auch hier Einschrän- kungen auftreten. Zum einen sind vor allem die häufig verwendeten Kaliumalkoholate schwer löslich und bedürfen der Verwendung von THF als Lösemittel, wodurch die soeben beschriebenen Zersetzungen als Nebenreaktion beobachtet werden. Zum anderen verblei- ben die Alkoholate nach erfolgter Reaktion im Reaktionsgemisch und können mögliche Fol- gereaktionen negativ beeinflussen. 10 Kenntnisstand 2.1.4 (Trimethylsilyl)methyllithium Unter den kommerziell erhältlichen Alkyllithiumverbindungen nimmt das (Trimethylsilyl)me- thyllithium eine gewisse Sonderstellung ein. Als eines der beiden einzigen Heteroatom-hal- tigen, käuflich erwerblichen Reagenzien weist es eine erhöhte Stabilität auf. In Abwesenheit koordinierender Additive liegt es wie das ebenfalls primäre n-Butyllithium als Hexamer vor,[9] welches durch die Zugabe verschiedenster Donoren leicht heruntergebrochen werden kann. Durch die Zugabe zweizähniger Donoren wie TMEDA (3) und (−)-Spartein (5) werden im Gegensatz zu anderen primären Organolithiumverbindungen bereits dimere Spezies stabilisiert. Wie in Schema 2.6 außerdem zu erkennen ist, lässt sich mithilfe des tridentaten Liganden N,N,N‘,N‘‘,N‘‘-Pentamethylethylentriamin (PMDTA, 21) sogar ein monomeres Aggregat erzeugen.[25] Schema 2.6: Deaggregation des hexameren (Trimethylsilyl)methyllithiums (22) mittels verschiedener Stickstoff- liganden. Aufgrund der Stabilisierung des Carbanions durch den α-Effekt des benachbarten Silicium- zentrums sind kleinere Aggregate des (Trimethylsilyl)methyllithiums somit stabiler als ver- gleichbare Aggregate reiner Alkyllithiumverbindungen. Auch wenn daraus eine vermeintlich geringere Reaktivität resultiert, kann das Reagenz in bestimmten Synthesen zu zufrieden- stellenderen Ergebnissen führen als die verwandten Lithiumorganyle. Beobachtet wurde dies beispielsweise durch die Gruppe von STALKE, welche eine selektive Lithiierung in Ben- zylposition beim Toluol mithilfe des (Trimethylsilyl)methyllithiums erreichten. Die Verwen- dung reaktiverer Alkyllithiumspezies führte hier zu unerwünschten Nebenreaktionen wie ortho- und meta-Dilithiierungen.[26] Die Verhinderung von Nebenreaktionen sowie einer Zersetzung des Reagenzes macht sich auch die Gruppe um GROS zunutze, welche ein reaktives Basensystem aus (Trimethylsilyl)methyllithium und Dimethylaminoethanol (DMAE) präsentierten, mit welchem die Funktionalisierung von Brom- und Chlorpyridinen unter milden Bedingungen gelang.[27] Sie beobachten dabei einen weiteren Vorteil des (Tri- methylsilyl)lithiums, welcher in der geminderten Nucleophilie im Vergleich zu den weiteren Kenntnisstand 11 kommerziell erhältlichen Alkyllithiumverbindungen besteht. Auf diese Weise können Ne- benreaktionen, die auf dem nucleophilen Angriff der Organolithiumverbindung am Substrat beruhen, vermieden werden. Dies beobachtete auch LICHTENBERG bei der Synthese von Alkalimetall-Aminotroponiminaten, wo die geminderte Nucleophilie im Vergleich zum ge- bräuchlichen n-Butyllithium zu einer deutlich selektiveren Deprotonierung der Ligandvorstu- fe führte. Während bei der Verwendung von n-Butyllithium das in Schema 2.7 gezeigte un- erwünschte Nebenprodukt 28 des nucleophilen Angriffs an die Iminogruppe zu 23% gebil- det wurde, wurden selbst bei einem Einsatz eines Überschusses von (Trimethylsilyl)me- thyllithium und anschließendem Erhitzen keinerlei Nebenreaktionen beobachtet.[28] Schema 2.7: Synthese des Alkalimetall-Aminotroponiminats 27 und Bildung des Nebenprodukts 28 bei Verwendung von n-Butyllithium. Trotz seiner geringeren Reaktivität sollten die synthetischen Anwendungsmöglichkeiten des (Trimethylsilyl)methyllithiums demnach nicht unterschätzt werden. Eine eingehende Untersuchung seiner Reaktivität im jeweiligen System sowie die Möglichkeit, diese durch entsprechende Additive zielführend zu beeinflussen, sollte vor allem in Betracht gezogen werden, wenn die gewünschten Reaktionen mit den üblichen Organolithiumverbindungen der Bildung unerwünschter Nebenprodukte unterliegen. 2.1.5 Die „ideale“ Lithiumalkylbase? Ausgehend von den beschriebenen Reaktionsprinzipien und Problematiken lassen sich nun Eigenschaften ableiten, welche ein System basierend auf Lithiumalkylen erfüllen müsste, um die meisten der vorgestellten Einschränkungen zu überwinden. Entsprechend der en- gen Verknüpfung zwischen Aggregatgröße und Reaktivität wäre ein möglichst kleines Ag- gregat wünschenswert, welches durch den stabilisierenden Liganden jedoch nicht vollstän- dig abgeschirmt wird. Die sterische Überfrachtung des carbanionischen Zentrums dürfte demnach nur schwach ausgeprägt sein. Die Stärke der Koordination des Liganden muss ebenfalls moderat sein, da eine zu starke Bindung des Liganden die Eröffnung einer Koor- dinationsstelle für ein Substrat verhindern würde. Der Ligand selbst müsste zudem eine ausreichende Stabilität gegenüber der eingesetzten Alkyllithiumverbindung aufweisen, ide- alerweise auch bei erhöhter Temperatur, um thermodynamisch gehinderte Reaktionen zu ermöglichen. 12 Kenntnisstand 2.2 Synthetische Anwendungen von Organolithiumverbindungen Aufgrund ihrer hohen Reaktivität und ihrer kommerziellen Verfügbarkeit sind lithiumorga- nische Reagenzien in vielen Gebieten der synthetischen Chemie gegenwärtig.[29] Vor allem durch ihre Löslichkeit in organischen Lösemitteln und (zumindest zeitweise) Lagerstabilität in diesem Zustand eignen sie sich im Gegensatz zu anderen (Alkali-)Metallalkylen ebenfalls für die Handhabung in größerem Maßstab und somit auch für den Einsatz in großtechnisch- en Prozessen.[30] In den folgenden Abschnitten sollen die wichtigsten Anwendungsgebiete der Organolithiumverbindungen kurz umrissen werden. 2.2.1 Anionische Polymerisation Zu den bedeutsamsten industriellen Anwendungen der Organolithiumverbindungen zählt die in Schema 2.8 dargestellte anionische Polymerisation, für welche die Lithiumalkyle als Initiatoren dienen. Durch die auch als „lebend“ bezeichnete Polymerisation werden Poly- mere mit enger Molmassenverteilung und aktiven Kettenenden erzeugt, welche sich an- schließend zur weiteren Funktionalisierung eignen. Als Monomere dienen dabei Styrole, Butadiene, Acrylate, Ethylenoxid, Cyclosiloxane sowie Lactone.[31] Schema 2.8: Anionische Polymerisation ungesättigter Substrate B mittels Lithiumalkylen A. Auf diese Weise können Produkte mit nahezu maßgeschneiderten Eigenschaften erzeugt werden, da diese neben der Natur des Monomers auch über eine definierte Kettenlänge eingestellt werden können. Da die lebende Polymerisation selbst keinen Abbruch- oder Ket- tenübertragungsreaktionen unterliegt, weist das Produkt zunächst pro Kette ein aktives Ket- tenende auf. Neben der bereits erwähnten Funktionalisierung kann dies zur weiteren Poly- merisation mit einem andersartigen Monomer und somit zur Ausbildung eines definierten Block-Copolymeres eingesetzt werden. Neben dieser einfachen Form sind durch geschick- te Wahl des ersten Monomers und der anschließenden Funktionalisierung und Copolyme- risation vielfältige Geometrien denkbar; so können aktive Kettenenden bei Polystyrolen bei- spielsweise mit Polychlorsilanen zu sternförmigen Polymeren umgesetzt werden.[32] Neben der Erzeugung vielfältiger Geometrien im Anschluss an die Kettenfortpflanzungsre- aktion wäre ebenfalls eine Erzeugung definierter Polymerstrukturen mithilfe des Initiators denkbar. Wird statt eines Lithiumalkyls Natriumnaphthalid zum Start der Polymerisation ge- wählt, findet die Anlagerung der Monomere anstelle in einer Richtung zu zwei Seiten statt, sodass nach vollständigem Umsatz des Monomers zwei aktive Enden pro Polymerkette vorliegen. Wird nun ein andersartiges Monomer zugegeben, erfolgt die weitere Polymeri- sation in zwei Richtungen, sodass ein ABA-Blockcopolymer resultiert.[33] Es lässt sich da- raus schließen, dass weitere Polymergeometrien über mehrfachmetallierte Spezies denk- bar wären, sodass nicht nur kommerzielle Lithiumalkyle, sondern auch maßgeschneiderte (Poly-)Lithiumorganyle im Bereich der Polymerisation Anwendung finden könnten. Kenntnisstand 13 2.2.2 Organische und asymmetrische Synthese Wie bereits mehrfach erwähnt, finden Organolithiumverbindungen in vielen Fällen Anwen- dung als Reagenz zur Deprotonierung wenig acider Substrate oder zur Metallierung und anschließenden Funktionalisierung. Besonders die kommerziell verfügbaren Lösungen der lithiumorganischen Verbindungen in unpolaren Lösemitteln eignen sich aufgrund ihrer vergleichsweise sicheren Handhabbarkeit auch für großtechnische Prozesse. Neben der eben beschriebenen Polymerisation, wo die Lithiumalkyle eine zentrale Rolle als Initiatoren spielen, werden sie auch in der Synthese verschiedenster organischer Verbindungen ein- gesetzt. Nicht selten wird dabei auch von den in Abschnitt 2.1 präsentierten Prinzipien der Deaggregation Gebrauch gemacht, indem die Reaktivität des Lithiumalkyls durch die Zu- gabe eines Aminliganden deutlich gesteigert wird. Ein Beispiel dafür ist die in Schema 2.9 gezeigte Synthese des Pflanzenschutzmittels Fludioxonil, welche sich im ersten Reaktions- schritt die Deprotonierung des Benzodioxols 29 mittels n-Butyllithium und TMEDA zunutze macht.[34] Schema 2.9: Patentierte Synthese des Fungizids Fludioxonil (33) mittels Lithiierung des Startmaterials 29 durch n-Butyllithium. Ein hohes Wertschöpfungspotential liegt außerdem in der Möglichkeit, die Reaktivität der Lithiumorganyle stereochemisch beeinflussen zu können. Dies geschieht zumeist durch die Zugabe chiraler Additive, welche eine Stereoinduktion auf die Deprotonierungsreaktion ausüben. Grundlegende Arbeiten hierzu wurden in den späten 1990er Jahren von HOPPE und HENSE[35] sowie BEAK et al.[36] vorgestellt. Neben einer durch das Substrat selbst hervor- gerufenen Stereoselektivität greifen sie auf den Einsatz des chiralen Alkaloids (−)-Spartein (5) zurück, um beispielsweise wie in Schema 2.10 gezeigt Boc-geschütztes Pyrrolidin enan- tioselektiv zu deprotonieren. Schema 2.10: Asymmetrische Deprotonierung von Boc-geschütztem Pyrrolidin (34) durch sec-Butyllithium und (−)-Spartein und anschließende Abfangreaktion mit verschiedenen Elektrophilen.[36] Auf diese Weise wurde die asymmetrische Synthese auch für größere Maßstäbe zugäng- lich, da die verwendeten Reagenzien in den benötigten Mengen verfügbar sind. Wird das lithiierte Pyrrolidin 35 mit Ethylenoxid umgesetzt, wird der Alkohol 37 erhalten, welcher eine wichtige Vorstufe verschiedenster Natur- oder biologisch aktiver Stoffe darstellt, darunter 14 Kenntnisstand das Antihistaminikum Clemastin (38), welches als Arzneimittel in entsprechenden Großmengen industriell hergestellt wird. Die in Schema 2.11 dargestellte asymmetrische Synthese mittels sec-Butyllithium und (−)-Spartein vermeidet dabei die Verwendung teurer chiraler Startmaterialien wie D-Prolinol (39).[37,38] Schema 2.11: Synthese des Antihistaminikums Clemastin (38) mittels asymmetrischer Synthese (oben) und ausgehend vom chiralen Ausgangsstoff D-Prolinol (39, unten).[38] Dieses ausgewählte Beispiel verdeutlicht bereits, dass die genaue Kenntnis der Struktur und Reaktivität von Organolithiumverbindungen nicht nur im Labormaßstab für eine effek- tive Reaktionsführung vonnöten ist, sondern auch im industriellen Maßstab von ähnlicher Wichtigkeit ist. 2.3 Mehrfachlithiierungen Wie die in den vorigen Abschnitten gezeigten Beispiele verdeutlichen, haben Metallierungs- reaktionen – dabei aufgrund ihrer einfachen kommerziellen Zugänglichkeit insbesondere Lithiierungsreaktionen – eine breite synthetische Bedeutsamkeit. Vor allem durch die viel- fältigen Möglichkeiten der anschließenden Funktionalisierung stehen dabei nicht nur mono- lithiierte Spezies im Fokus des Interesses, sondern auch ihre höheren Analoga, beginnend bei dilithiierten Spezies. In den letzten Dekaden wurden verschiedene synthetische Heran- gehensweisen zur Erzeugung dieser wertvollen Vorstufen etabliert, die im Folgenden er- läutert und insbesondere in Hinblick auf mögliche Vor- und Nachteile diskutiert werden. Allen Methoden ist dabei gemein, dass die geringe Löslichkeit der mehrfachmetallierten Spezies in unpolaren Lösemitteln umgangen wird. Dies stellt ein nicht unwesentliches Pro- blem dar, da die Verwendung polarer Lösemittel – in der Regel Ether – unerwünschte Ne- benreaktionen hervorruft, da das Lösemittel selbst vom Lithiierungsreagenz oder der (mehr- fach)lithiierten Spezies zersetzt werden kann. 2.3.1 Deprotonierung Auch zur Erzeugung mehrfachlithiierter Spezies stellt die Deprotonierung, also der Aus- tausch eines Protons durch das Metallkation, eine beliebte Methode dar. Eines der größten Probleme, welches hierbei zu überwinden ist, stellt dabei eine mögliche kinetische Hinde- rung insbesondere des zweiten Deprotonierungsschritts dar, sodass für die erste Metal- lierung häufig auf eine alternative Methode zurückgegriffen wird.[39] Ein allgemeiner Vorteil Kenntnisstand 15 der Mehrfachlithiierung durch Deprotonierung liegt darin, dass hier – insofern die Deproto- nierungsreaktion vollständig und entsprechend der gewünschten Regioselektivität erfolgt – keine Nebenprodukte gebildet werden. Insbesondere bei der Verwendung kommerzieller Alkyllithiumverbindungen entstehen ausschließlich kleine aliphatische Kohlenwasserstoffe, welche entweder unreaktiv gegenüber den eingesetzten Reagenzien sind oder, in Abhäng- igkeit der Temperatur, dem Reaktionsgemisch in Form von Gasen entweichen. Zur Überwindung der bereits erwähnten kinetischen Hinderung können mehrfachlithiierte Spezies insbesondere ausgehend von besonders C−H-aciden oder durch Heteroatome oder Seitenketten C−H-aktivierten Substraten durch Deprotonierung erhalten werden. Dies wird beispielsweise bei der in Schema 2.12 gezeigten Zweifachlithiierung des Bipyridins 42 deutlich, wo eine intramolekulare Koordination des Stickstoffatoms die Lithiierung der Methylgruppe begünstigt.[40] Schema 2.12: Dilithiierung von 3,3‘-Dimethyl-2,2‘-bipyridin (42) durch n-Butyllithium und erneute Dilithiierung des mit Trimethylchlorsilan abgefangenen Substrats 44.[40] Bei dieser Dilithiierung können zwei gängige Strategien zur Stabilisierung und Begünsti- gung einer Mehrfachmetallierung beobachtet werden. Während eine Vorkoordination des Organolithiumreagenzes vor der ersten Dilithiierung zu einer Überwindung der genannten kinetischen Hinderung führt, sorgt eine intramolekulare Koordination desselben Stickstoff- atoms in der dilithiierten Spezies 43 für eine zusätzliche thermodynamische Stabilisierung. Wurde das Substrat mit Trimethylchlorsilan abgefangen, tritt bei der anschließenden zwei- ten Dilithiierung eine zusätzliche Stabilisierung durch den α-Effekt des Siliciums auf, der eine negative Ladung in α-Position stabilisiert. Die somit doppelt stabilisierte dilithiierte Spe- zies 45 konnte entsprechend durch LEUNG et al. kristallisiert und einkristallröntgenkristal- lographisch untersucht werden. In der eigenen Gruppe wurden diese beiden stabilisieren- den Effekte ebenfalls genutzt, um in einer zweitstufigen Strategie ein 1,3-dilithiiertes Ben- zylsilan 48 zu erhalten, wie Schema 2.13 zeigt.[41] 16 Kenntnisstand Schema 2.13: Zweistufige Dilithiierung des Benzylsilans 46.[41] Die Regioselektivität des ersten Deprotonierungsschritts wird dabei durch das Lösemittel bestimmt: Während die Verwendung unpolarer Lösemittel zur Deprotonierung einer der Me- thylgruppen führt, wird in polarem Lösemittel eine quantitative Metallierung der Benzylposi- tion beobachtet. Um diese Reaktivität auch ohne die Koordination des Lithiumzentrums durch Lösemittelmoleküle zu erreichen, wurde das Edukt 46 in unpolarem Lösemittel in zweifachem Überschuss eingesetzt. Auf diese Weise kann es einen ähnlichen deaggregie- renden Effekt wie das polare Lösemittel ausüben, koordiniert anschließend jedoch die lithi- ierte Spezies 47 nicht. Auf diese Weise kann die gewünschte 1,3-Dilithiierung durch erneu- te Zugabe von tert-Butyllithium erreicht werden. Die resultierende mehrfachmetallierte Spe- zies 48 konnte schließlich kristallisiert und einkristallröntgenkristallographisch aufgeklärt werden, wobei sich eine hexamere Aggregation im Festkörper zeigte. Die unmittelbare Nachbarschaft stabilisierender Heteroatome kann weiterhin für die Erzeu- gung geminaler Dianionen eingesetzt werden, also für eine zweifache Deprotonierung an einem einzigen Kohlenstoffzentrum. Neben Silicium findet hierbei vor allem Phosphor An- wendung, welcher ebenfalls negative Ladungen in α-Position zu stabilisieren vermag. So gelang es den Gruppen um CAVELL[42] sowie ONG und STEPHAN[43] unabhängig voneinander, das Bis(phosphan) 49 wie in Schema 2.14 gezeigt am verbrückenden Kohlenstoffzentrum geminal zweifach zu lithiieren und die metallierte Spezies anschließend zu kristallisieren und mittels Röntgenstrukturanalyse zu untersuchen. Schema 2.14: Geminale Dilithiierung des Bis(phosphans) 49. Im Festkörper lagert sich die Dilithiumverbindung 50 zu einem Dimer an, bei der anstelle der üblicherweise beobachteten tetraedrischen Anordnung der vier Lithiumzentren ein Li4- Quadrat beobachtet wird, welches auf beiden Seiten durch jeweils ein Carbanion über- brückt wird. Die Ausbildung höherer Aggregate ist eine verbreitete Beobachtung bei mehr- fachlithiierten Spezies, wie weitere, hier nicht näher erläuterte Festkörperstrukturen hetero- atomstabilisierter Dilithiierungsprodukte zeigen.[44] Methandiide wie Verbindung 50 stellen wertvolle Vorstufen für die Erzeugung von Carben- komplexen dar, weswegen sie Gegenstand aktueller Forschung sind. Neben der Stabilisie- rung mithilfe benachbarter Phosphorzentren eignen sich auch entsprechende Sulfonverbin- dungen zur Erzeugung der angestrebten dilithiierten Verbindungen. Weiterhin helfen koor- dinierende Seitenarme, mittels intramolekularer Koordination die Lithiumzentren des Me- thandiids zusätzlich zu stabilisieren. Die Vereinigung all dieser stabilisierender Effekte ist in Kenntnisstand 17 der von GESSNER et al. durchgeführten Synthese des Methandiids 52 zu beobachten, wel- che in Schema 2.15 dargestellt ist.[45] Schema 2.15: Erzeugung des Methandiids 52 ausgehend von Iminophosphoryl-substituierten Sulfon 51.[45] Die Stabilisierung mithilfe eines benachbarten Phosphorzentrums kann in Gegenwart chi- raler Additive auch zur Erzeugung chiraler Bausteine eingesetzt werden. Gezeigt wurde dies zum Beispiel durch die erfolgreiche Dilithiierung des prochiralen Phosphinborans 53 in Gegenwart von (R,R)-TMCDA (4), welche in Schema 2.16 dargestellt ist.[46] Schema 2.16: Direkte Dilithiierung des Phosphinborans 53 durch zwei Äquivalente tert-Butyllithium.[46] Erstaunlicher Weise erfolgt die zweifache Metallierung bereits bei niedrigen Temperaturen. Unterstützende quantenchemische Rechnungen konnten diese Beobachtung durch die Er- mittlung der Reaktionsbarrieren für beide Deprotonierungsschritte untermauern. Es zeigte sich dabei, dass die erste Metallierung eine Energiezufuhr von 61 kJ·mol−1 benötigt, wäh- rend für die zweite Deprotonierung eine Aktivierungsenergie von 92 kJ·mol−1 ermittelt wur- de. Der Unterschied beider Energien deutet darauf hin, dass eine kinetische Kontrolle der sukzessiven Deprotonierung beider Methylgruppen des Phosphinborans 53 möglich sein könnte. Wenngleich das Vorhandensein der stabilisierende Effekt benachbarter Heteroatome die Isolierbarkeit der mehrfachlithiierten Verbindungen deutlich erhöht, wird dabei jedoch einer der größten Nachteile dieser Dilithiierungsmethode deutlich: Die Abhängigkeit von der Funktion sowie der Position der Heteroatome im Substrat resultiert in einer starken Ein- schränkung der möglichen Anwendungen. Um eine (direkte) Mehrfachlithiierung mittels De- protonierung zu erreichen, müssen explizite Voraussetzungen im Startmolekül gegeben sein. Diese wieder müssen – falls nicht vorhanden – regioselektiv in das Substrat eingeführt werden und führen im Anschluss an die Deprotonierung gegebenenfalls zu einer weiteren Einschränkung bei der Funktionalisierung. Eine Heteroatom-unabhängige Mehrfachlithiie- rung wäre demnach erstrebenswert, um diese Einschränkungen zu überwinden. 2.3.2 Halogen-Lithium-Austausch Eine weitere, bereits seit vielen Jahrzehnten fest etablierte Strategie zur Darstellung von Organolithiumverbindungen stellt der Halogen-Lithium-Austausch dar. In einer Gleichge- wichtsreaktion wird dabei ein Halogenatom eines Substrats durch das Lithiumatom eines meist kommerziell erhältlichen Organolithiumreagenzes ersetzt. Bestimmt wird die Gleich- gewichtslage dabei durch die relative Stabilität beider Lithiumspezies. 18 Kenntnisstand Schema 2.17: Allgemeine Darstellung der Erzeugung lithiumorganischer Spezies mittels Halogen-Lithium- Austausch. Erste Erwähnung findet diese Reaktion im Jahre 1938 durch WITTIG, der bei der Umsetzung von Arylbromiden mit Phenyllithium statt der erwarteten Deprotonierung einen Austausch von Halogenatomen durch Lithium beobachtete.[47] Kurz darauf etablierte sich die Methode bereits in synthetischen Anwendungen, indem GILMAN den Halogen-Lithium-Austausch zur regiospezifischen Darstellung von Aryllithiumverbindungen nutzte.[48] Der synthetische Umfang konnte anschließend im Laufe der Jahre von den aromatischen Lithiumorganylen auch auf aliphatische Systeme ausgeweitet werden.[49] Ein nennenswerter Nachteil der Synthese von Organolithiumverbindungen durch einen Austausch von Halogenatomen durch Lithium stellen die möglichen Nebenreaktionen dar. Durch das gleichzeitige Vorliegen der entsprechenden Lithium- und Halogenverbindungen sind vielfältige WURTZ-ähnliche Kupplungsreaktionen möglich, die in Schema 2.18 verdeut- licht werden. Triebkraft ist hier insbesondere die Bildung schwerlöslicher Lithiumsalze. Schema 2.18: Möglichkeiten der Bildung verschiedener Nebenprodukte beim Halogen-Lithium-Austausch mittels Wurtz-ähnlicher Kupplungsreaktionen. Eine sofortige Zersetzung des nach der Austauschreaktion gebildeten Halogenorganyls durch ein weiteres Äquivalent der eingesetzten Alkyllithiumverbindung, wie sie in Schema 2.19 gezeigt ist, kann das Auftreten dieser unerwünschten Nebenprodukte weitgehend ein- schränken.[50] Dies hat sich insbesondere bei der Verwendung des hochreaktiven tert-Butyl- lithiums etabliert. Schema 2.19: Abbau von tert-Butylhalogenid H nach erfolgtem Halogen-Lithium-Austausch mit tert-Butyl- lithium.[50] Die mechanistischen Grundlagen des Halogen-Lithium-Austauschs sind bis heute unklar, wenngleich verschiedene Erklärungsansätze in der Literatur zu finden sind.[51] Neben kon- zertierten SN2-Substitutionen und einem Vierzentrenmechanismus werden auch die Bil- dung intermediärer At-Komplexe sowie Elektronentransferreaktionen diskutiert; für jede dieser Hypothesen werden entsprechende experimentelle Hinweise gefunden, die jedoch Kenntnisstand 19 eng von der zugrunde liegenden, speziellen Reaktion abzuhängen scheinen. So konnten beispielsweise durch verschiedene analytische Methoden sowie eigens dargestellte cy- clische Testsysteme experimentelle Hinweise auf das Auftreten radikalischer Spezies ge- funden werden, die jedoch nicht zwangsläufig eine Beteiligung selbiger am Mechanismus des Halogen-Lithium-Austausches beweisen.[52] Auch die Isolierung und röntgenkristallo- graphische Untersuchung eines At-Komplexes durch FARNHAM und CALABRESE im Jahre 1986 unterstützt die entsprechende Mechanismushypothese,[53] jedoch liegt auch hier die Vermutung nahe, dass die Beschaffenheit der eingesetzten Substrate einen starken Ein- fluss auf die Beobachtungen hat. Durch den Einsatz perfluorierter Startmaterialen wurden deren elektronische Eigenschaften erheblich beeinflusst, sodass die hierbei getroffenen mechanistischen Überlegungen nicht ohne weiteres auf das breite Spektrum der Halogen- Lithium-Austauschreaktionen ausgeweitet werden können. Bei der Erzeugung mehrfachmetallierter Spezies mittels Halogen-Lithium-Austausch wird die Wahl des Substrats häufig durch als Nebenreaktion auftretende Eliminierungsreaktio- nen eingeschränkt, welche in aliphatischen Verbindungen bei einer Entfernung der Lithium- zentren von ein bis drei Kohlenstoffatomen auftreten. Während bei dieser Verbindungs- klasse also ein Abstand von mindestens vier Kohlenstoffatomen zwischen den Lithiumzen- tren einzuhalten ist, wird die Verwendung dieser Lithiierungsmethode bei aromatischen Substraten geringfügiger eingeschränkt. Die meta- und para-Dilithiierung von Benzol konn- te durch BRANDSMA et al. durch die Umsetzung der entsprechenden Diiodbenzole m-/p-56 mit zwei Äquivalenten n-Butyllithium erreicht werden, was wie in Schema 2.20 gezeigt durch Abfangreaktionen mit Dimethyldisulfid nachgewiesen wurde.[54] Interessanterweise führten die analogen Experimente mit Dibrombenzolen lediglich zu den monolithiierten Produkten. Schema 2.20: Dilithiierung der Iodbenzole m-/p-56 mittels Iod-Lithium-Austausch und anschließende Abfang- reaktion mit Dimethyldisulfid.[54] Wird statt einer kommerziellen Organolithiumverbindung das in situ erzeugte Reagenz p,p‘-Di-tert-butylbiphenylid (LiDBB, 59) eingesetzt, können auch Brombenzole erfolgreich zu den korrespondierenden Lithiumalkylen umgesetzt werden, wie die in Schema 2.21 dar- gestellte, von ROT und BICKELHAUPT gezeigte Umsetzung von 1,3,5-Tribrombenzol (60) zeigt.[55] Während die Verwendung von tert-Butyllithium zu einem Produktgemisch aus ver- schiedenen Mono- und Dilithiierungsprodukten führt, wird mit LiDBB hauptsächlich das gewünschte dreifach lithiierte Produkt 61 erhalten, welches durch Abfangreaktionen mit diversen Elektrophilen nachgewiesen wurde. Als Nebenprodukte treten hierbei die di- sowie die monolithiierten, jedoch bromfreien Spezies m-57 und 62 auf. 20 Kenntnisstand Schema 2.21: Tri-, Di- und Monolithiierung von 1,3,5-Tribrombenzol (60) mit LiDBB (59). In gewissem Maße kann der Austausch von Halogenen durch Lithium auch zur Erzeugung geminaler Dilithiumverbindungen verwendet werden. So gelang es VLAAR und KLUMPP, ver- schiedene Dihalocyclopropanderivate 63 mit LiDBB umzusetzen. Dabei lag die höchste erreichte Ausbeute der dilithiierten Spezies 64 bei 55%, was auf die Bildung der in Schema 2.22 gezeigten Nebenprodukte zurückzuführen ist. Schema 2.22: Geminale Dilithiierung der Cyclopropanderivate 63. All diese Beispiele verdeutlichen, dass die Erzeugung mehrfachmetallierter Spezies mittels Halogen-Lithium-Austausch anfällig für vielzählige Nebenprodukte ist. Vor allem das Zu- rückbleiben der ausgetauschten Halogenverbindung in der Reaktionslösung ist ein bedeu- tender Nachteil gegenüber einer Deprotonierung, bei welcher nahezu inerte Kohlenwas- serstoffe als Nebenprodukte gebildet werden. Eine weitere Einschränkung dieser Methode besteht in der Zugänglichkeit der halogenierten Ausgangsverbindungen. Um die gewünsch- ten Dilithiumspezies zu erhalten, müssen zunächst die korrespondierenden Halogenverbin- dungen regioselektiv erhalten werden, wodurch zusätzliche synthetische Schwierigkeiten erwachsen können. 2.3.3 Metall-Lithium-Austausch Eine weitere Methode, die neben der Erzeugung einfacher Lithiumalkyle auch zur Erzeu- gung von Polylithiumspezies geeignet ist, stellt der Metall-Lithium-Austausch dar. Hierbei werden durch Metathesereaktionen ausgehend von Tellur-, Quecksilber-, Zinn- und Cobalt- verbindungen die entsprechenden Lithiumorganyle erhalten, wie Schema 2.23 zeigt. Wie bei der Deprotonierung unterliegt auch hier die Produktbildung einem thermodynamischen Gleichgewicht, welches nicht zwangsläufig auf Seiten der gewünschten Lithiumspezies liegt. Kenntnisstand 21 Schema 2.23: Synthese polylithiierter Spezies mittels Metall-Lithium-Austausch. In der eigenen Gruppe konnte auf diese Weise das in Schema 2.24 gezeigte zweifach lithi- ierte Dimethylsulfan 70 erhalten werden, wobei sich als Ausgangsverbindung sowohl die entsprechende Tributylzinn- wie auch die Butyltellurverbindung eignen.[56] Schema 2.24: Synthese des dilithiierten Dimethylsulfans 70 durch Metall-Lithium-Austausch.[56] Bei der Umsetzung der verwandten Siliciumverbindung 71 werden abweichende Ergeb- nisse beobachtet. Wie in Schema 2.25 zu erkennen ist, kann die Erzeugung der korrespon- dierenden Dilithiumverbindung 73 ausschließlich ausgehend von der Tellurverbindung 72 bewerkstelligt werden; ausgehend von der Zinnverbindung 71 wird allein die monolithiierte Spezies beobachtet.[57] Schema 2.25: Synthese des dilithiierten Dimethyldiphenylsilans 73 ausgehend von der korrespondierenden Zinn- (71) bzw. Tellurverbindung 72.[57] Aufgrund der vergleichsweise schnellen Metathesereaktion kann ein Metall-Lithium-Aus- tausch auch an ungesättigten Substraten durchgeführt werden, welche anderenfalls Car- bolithiierungen als Konkurrenzreaktion ermöglichen würden. Darin besteht ein entscheiden- der Vorteil gegenüber Deprotonierungsreaktionen, die bei ungesättigten Substraten stets in Konkurrenz zur Addition an die Mehrfachbindung stehen. Mittels Metall-Lithium-Austausch konnten dementsprechend die in Schema 2.26 gezeigten Dilithiierungen durchgeführt wer- den. Im Falle des Alkins 74 unterliegt die dilithiierte Spezies 75 jedoch einer temperaturab- hängigen Umlagerungsreaktion zum Dien 76, welches ausgehend von 77 direkt erhalten werden kann.[58] 22 Kenntnisstand Schema 2.26: Darstellung der ungesättigten Dilithiumverbindungen 75 und 76 ausgehend von den entsprech- enden Organozinnverbindungen.[58] Bei einer günstigen Lage des in Schema 2.23 gezeigten Gleichgewichts bietet der Metall- Lithium-Austausch zudem die Möglichkeit, hochlithiierte Verbindungen zu erzeugen. Ein Beispiel hierfür ist die fünf- bzw. zehnfache Lithiierung des Ruthenium-Sandwichkomplexes 79, die über eine zweistufige Umsetzung der Quecksilberfunktionalitäten der Ausgangsver- bindung 78 erhalten wurde.[59] Wie Schema 2.27 zeigt, werden in einem ersten Schritt zu- nächst die Acetoxyquecksilbergruppen durch jeweils ein Methyllithium zu Methylquecksil- berfunktionalitäten umgesetzt, die im Anschluss durch ein weiteres Methyllithium zur Lithi- umverbindung ausgetauscht werden. Schema 2.27: Zweistufige Perlithiierung des Rutheniumkomplexes 78 mittels Quecksilber-Lithium-Aus- tausch.[59] Wenngleich der Metall-Lithium-Austausch also ein breites Spektrum an Möglichkeiten für Lithiierungsreaktionen bietet und kompatibel mit verschiedensten chemischen Beschaffen- heiten der Ausgangsverbindungen ist, treten auch bei dieser Methode bedeutende Nach- teile auf. Analog zum Halogen-Lithium-Austausch begrenzt auch hier die Verfügbarkeit der Startmaterialien die Anwendbarkeit, da die auszutauschenden Organometallfunktionalitä- ten zunächst regioselektiv in die Ausgangsverbindung einzuführen sind. Weiterhin kann das zugrunde liegende Austauschgleichgewicht eine Umsetzung zur gewünschten Lithiumspe- zies verhindern oder einschränken. Auch der Verbleib der austretenden metallorganischen Verbindung bietet Möglichkeiten für unerwünschte Nebenreaktionen oder kann zu Unver- träglichkeiten bei Folgereaktionen führen, sodass auch diese Metathesereaktionen keine allgemeingültige Methode zur Mehrfachlithiierung darstellen. Kenntnisstand 23 2.3.4 Reduktive Spaltung von Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen Zur Umgehung der bereits angeführten Problematiken der zuvor vorgestellten Dilithiie- rungsmethoden, vor allem die kinetische Hinderung des zweiten Deprotonierungsschrittes und die Abhängigkeit von thermodynamischen Gleichgewichten, hat sich die reduktive Spaltung von Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen zur Synthese polylithiierter Verbindungen etabliert. Durch die in Schema 2.28 gezeigte Insertion elementaren Lithiums in die Kohlen- stoff-Schwefel-Bindung eines Thioethers wird die entsprechende Lithiumverbindung unter Abgang eines Lithiumthiolats erzeugt. Schema 2.28: Erzeugung mehrfachlithiierter Spezies mittels reduktiver Spaltung von Thioethern. Aufgrund mangelnder Löslichkeit des Lithiums in THF laufen die entsprechenden hetero- genen Reaktionen sehr langsam ab, weshalb sich die homogenen Lithiumreagenzien LiDBB (59) und Lithiumnaphthalenid (81) bewährt haben. Vor allem letzteres Reagenz kann bei Verwendung eines großen Überschusses an Lithium ein besonders hohes Reduktions- potential aufweisen, indem das in Abbildung 2.2 gezeigte Dianion 82 gebildet wird.[60] Abbildung 2.2: Darstellung der radikalanionischen Lithiierungsreagenzien, die bei der reduktiven Spaltung von Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen homogen eingesetzt werden können. Die Spaltung der Thioether-Funktionalität erfolgt in diesen Reaktionen selektiv und kann in Gegenwart von Ethern durchgeführt werden, wie die in Schema 2.29 gezeigten Umsetz- ungen von SCRETTAS und MICHA-SCRETTAS[61] sowie der Gruppe um RÜCKER[62] verdeut- lichen. Schema 2.29: Reduktive Spaltung von Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen in Gegenwart von Ether-Funktionali- täten.[61,62] In der eigenen Gruppe wurde die reduktive Thioetherspaltung bereits eingehend für die Synthese diverser mehrfachlithiierter Spezies eingesetzt. Die Metallierung in α-Position zu einem Siliciumzentrum wurde dabei zusätzlich durch den bereits beschriebenen stabilisie- renden Effekt des Siliciums begünstigt. Es zeigte sich jedoch besonders bei der Umsetzung 24 Kenntnisstand von Diphenylbis(phenylthiomethyl)silan (87), dass eine exakte Reaktionsführung hinsicht- lich der Temperatur ausschlaggebend für den Erfolg der gewünschten Dilithiierung ist. Wie in Schema 2.30 dargestellt, liefert die Verwendung von vier Äquivalenten Lithiumnaphthalid (81) bei einer Temperatur von −40 °C das Dilithiierungsprodukt 88. Eine Reduktion der Temperatur auf −60 °C führt hingegen bei der Verwendung von nur zwei Äquivalenten des Lithiierungsreagenzes zum monolithiierten Produkt 89, welches sich bei Temperaturen ab −30 °C zum Nebenprodukt 90 umlagert.[63] Schema 2.30: Dilithiierung und Bildung des Nebenprodukts 90 bei der Umsetzung des Bis(phenylthiome- thyl)silans 87 mit Lithiumnaphthalid (81).[63] Auch Systeme mit mehr als zwei Lithiumzentren sind durch die Thioetherspaltung zugäng- lich. Zur Stabilisierung der gebildeten mehrfachlithiierten Verbindungen wird erneut auf den α-stabilisierenden Effekt des Siliciums zurückgegriffen, aber auch analoge Germanium- und Zinnverbindungen konnten erhalten werden.[57,64] In Schema 2.31 wird eine Auswahl dieser Verbindungen zusammenfassend dargestellt. Schema 2.31: Zusammenfassende Darstellung der mittels reduktiver Thioetherspaltung erhaltenen Polylithium- verbindungen.[57,64] In der eigenen Gruppe wurde die reduktive Kohlenstoff-Schwefel-Spaltung weiterhin für die Erzeugung des dilithiierten Disilans 103 genutzt, welches wie in Schema 2.32 dargestellt Ausgangspunkt für die Synthese verschiedener Fünfringe mit reaktiver Silicium-Silicium- Bindung sein kann.[65] Kenntnisstand 25 Schema 2.32: Synthese siliciumhaltiger Fünfringe ausgehend von zweifach lithiiertem Disilan 103.[65] Trotz der Umgehung der bei den vorigen Synthesestrategien dargestellten Einschränkun- gen stellt sich auch die reduktive Spaltung von Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen nicht als unproblematisch dar. Ähnlich zum Halogen-Lithium-Austausch können auch hier Schwie- rigkeiten durch das Verbleiben der austretenden Lithiumthiolate in der Reaktionslösung er- wachsen, da sie Möglichkeiten für unerwünschte Nebenreaktionen stellen. Weiterhin müs- sen auch hier zunächst die für die Spaltung eingesetzten Thioether dargestellt werden, was einen synthetischen Mehraufwand darstellt und im Falle einer unklaren Regioselektivität die Erzeugung der gewünschten (poly-)lithiierten Spezies gar verhindern könnte. 2.3.5 Superbasische und Mischmetall-Reagenzien Wie in Abschnitt 2.1 bereits erläutert wurde, kann die Reaktivität der Organolithiumverbin- dungen durch die Zugabe eines Alkalimetallalkoholats und der damit verbundenen Bildung einer sogenannten „Superbase“ deutlich erhöht werden. Hierdurch kann auch die Mehr- fachmetallierung nicht aktivierter Substrate bewerkstelligt werden. Insofern klassische, ge- mischt metallhaltige Systeme wie Kombinationen aus Lithiumalkyl und Kaliumalkoholat ein- gesetzt werden, enthält die resultierende (mehrfach-)metallierte Spezies im Vergleich zu den zuvor erläuterten Methoden jedoch keine Kohlenstoff-Lithium-Kontakte, sondern liegt als die entsprechende Kaliumverbindung vor. Da die mögliche Folgechemie, besonders im Hinblick auf weitere Funktionalisierungen, ähnlich zu den lithiierten Verbindungen ist, wird hier ein repräsentatives Beispiel der Mehrfachmetallierung mit Superbasen präsentiert. Eine der größten Einschränkungen bei der Verwendung klassischer Superbasen nach LOCHMANN[23] und SCHLOSSER[24] besteht in der Abhängigkeit von polaren Lösemitteln wie THF, um die verwendeten Kaliumalkoholate in Lösung zu bringen. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, entwickelte die Arbeitsgruppe um KLETT superbasische Systeme, die auf- grund ihrer sterisch stark anspruchsvollen Alkylreste auch in unpolaren Lösemitteln löslich sind. Die Verwendung verzweigter Gruppen wie Neopentyl (Np) oder Amyl (Am) sowohl seitens des Alkoholats als auch der Organometallverbindung führt zur Ausbildung von Ag- gregaten, die nach außen hin durch die organischen Reste ausreichend abgeschirmt sind, um eine Löslichkeit in unpolaren Lösemitteln zu erreichen. Mithilfe dieser Reagenzien ge- lang es ihnen schließlich, das vor allem elektrochemisch interessante Ferrocen (109) bis zu vier Mal zu metallieren. Eine anschließende Funktionalisierung mittels Kohlenstoffdioxid lie- ferte wie in Schema 2.33 gezeigt die entsprechende Tetracarbonsäure 110.[66] 26 Kenntnisstand Schema 2.33: Vierfache Funktionalisierung von Ferrocen (109) nach Deprotonierung mit dem superbasischen System 108 und anschließender Umsetzung der metallierten Spezies mit CO2.[66] Ein weiteres aufstrebendes Forschungsinteresse in der Organometallchemie besteht in synergistischen Effekten, die bei der Erzeugung weiterer gemischt metallhaltiger Spezies beobachtet werden.[67] Auch diese können zur Erzeugung mehrfachmetallierter Spezies verwendet werden. Eine der dabei für die selektive Difunktionalisierung eingesetzten Stra- tegien macht sich den Templateffekt einer definierten Geometrie des Basensystems zunut- ze. Die Gruppe um MULVEY konnte zeigen, dass durch die Erzeugung sogenannter inverser Kronenether und die anschließende Einlagerung eines Substrats eine regioselektive Di- metallierung bewerkstelligt werden kann. Dabei wird wie in Schema 2.34 gezeigt bei der Umsetzung von Toluol sowohl die 2,5-[68] als auch die 3,5-Dimetallierung[69] des aromatisch- en Rings selektiv beobachtet. Bemerkenswerterweise bleibt jeweils die wesentlich acidere Methylgruppe intakt, deren Deprotonierung zum thermodynamisch favorisierten Benzylan- ion führt. Der beobachtete Templateffekt führt also zu einer kinetischen Kontrolle der De- protonierungsreaktion. Schema 2.34: Templat-unterstützte Dimetallierung von Toluol in der 2,5- (112, links) und 3,5-Position (113 und 114, rechts).[68,69] Kenntnisstand 27 Durch die definierte Geometrie des makrozyklischen Systems handelt es sich hierbei je- doch eine um eine sehr spezielle Strategie zur Dimetallierung, sodass diese Methode nur schwierig auf weitere Substrate zu übertragen ist. Weiterhin können die ringbildenden Kom- ponenten wie beispielsweise TMP (2,2,6,6-Tetramethylpiperidin, 111) negative Einflüsse auf Folgereaktionen ausüben, sodass auch diese Erzeugung mehrfachmetallierter Spezies nicht ohne Probleme anzuwenden ist. 2.3.6 Fazit Es zeigt sich bei der Betrachtung der fünf dargestellten Synthesestrategien zur Erzeugung polylithiierter Spezies, dass stets Einschränkungen aufgrund der Beschaffenheit der Sub- strate oder der eingesetzten Reagenzien auftreten. Vor allem im Hinblick auf die Wahl des Lösemittels und der Temperatur gilt es, enge Einschränkungen einzuhalten. Zusätzlich müssen, abgesehen von der Deprotonierung, bei allen vorgestellten Synthesestrategien die entstehenden Koppelprodukte nach erfolgter Metallierung vom Produkt abgetrennt werden, um die negative Beeinflussung des Produkts oder möglicher Folgereaktionen auszuschlie- ßen. Dies bedeutet einen größeren synthetischen Aufwand und kann die möglichen An- wendungen dieser Synthesen zusätzlich einschränken. Eine Methode zur Erzeugung mehr- fachlithiierter Spezies, welche ohne die Bildung von Neben- und Koppelprodukten abläuft und von einfachen Startmaterialien ausgeht wäre also eine wünschenswerte Ergänzung zu den bereits etablierten Strategien. 28 Kenntnisstand Zielsetzung 29 3 Zielsetzung Im Laufe der vergangenen Jahrzehnte konnte der enge Zusammenhang zwischen Struktur und Reaktivität der Alkyllithiumverbindungen deutlich aufgezeigt werden. Durch die erfolg- reiche Aufklärung zahlreicher Festkörperstrukturen von Organolithiumverbindungen, wel- che durch donierende Additive stabilisiert werden, konnte das Spektrum der synthetischen Anwendungen dieser Verbindungsklasse drastisch erweitert werden. Während durch das Aufbrechen der zur Stabilisierung ausgebildeten Aggregate vor allem kinetische Hinderun- gen der zugrunde liegenden Reaktionen überwunden werden können, bieten die hierzu eingesetzten Additive zusätzliche Angriffsfläche für die hochreaktiven Alkyllithiumverbin- dung und können somit unerwünschte Nebenreaktionen ermöglichen. Dies wird insbeson- dere bei erhöhten Temperaturen relevant, welche jedoch zur Überwindung erhöhter Reak- tionsbarrieren und somit zur Durchführung synthetisch anspruchsvoller Reaktionen vonnö- ten sind. Die Schließung dieser Lücke in der synthetisch gewinnbringenden Anwendung der Orga- nolithiumverbindungen hat sich die vorliegende Arbeit zum Ziel gesetzt. Erreicht werden soll dies durch die Verwendung eines nahezu idealen Additivs, welches zur Ausbildung von Alkyllithiumaggregaten optimaler Größe und Reaktivität führt. Dabei sind neben der thermi- schen und chemischen Stabilität des Liganden die Größe des ausgebildeten Aggregats so- wie der Grad der sterischen Überfrachtung ausschlaggebende Faktoren. Eine hohe thermische sowie chemische Stabilität des Li- ganden führt zu einer Anwendbarkeit der resultierenden Basensysteme in kinetisch gehinderten Reaktionen, wel- che eine Umsetzung bei erhöhten Temperaturen erfor- dern. Während Organolithiumverbindungen in den meis- ten Fällen bei stark geminderten Temperaturen, häu- fig −30 °C und kälter, angewendet werden, wäre bei einer ausreichenden Stabilität des Liganden eine Anwendung bei Raumtemperatur und darüber hinaus denkbar. Dabei muss jedoch gewährleistet werden, dass ein möglicher Angriff des Alkyllithiumreagenzes am Liganden eine deut- lich höhere Energiebarriere als die durchzuführende Um- setzung aufweist. Ein weiterer wichtiger Faktor für die synthetisch gewinnbringende Anwendung eines poten- tiellen Basensystems basierend auf einer Organolithiumverbindung besteht in der Größe des resultierenden Aggregats. Aufbauend auf bisherigen Erkenntnissen zum Zusammen- spiel von Struktur und Reaktivität der Lithiumalkyle ist zu erwarten, dass ein möglichst klei- nes Aggregat eine höchstmögliche Reaktivität aufweist. Die Stabilisierung einer dimeren oder sogar monomeren Spezies soll deshalb erzielt werden. Dabei ist jedoch auch ein Au- genmerk auf den dritten Faktor, die sterische Überfrachtung, zu legen. Hier gilt es, eine ausreichende Stabilisierung des Aggregats durch die Abschirmung der reaktiven Kohlen- stoff-Lithium-Kontakte zu erzielen, ohne dabei eine Annäherung potentieller Substrate zur Reaktion vollständig zu verhindern. Es muss demnach die Waage zwischen sterischem Anspruch des Liganden und chemischer Erreichbarkeit der reaktiven Zentren gefunden werden. Dazu zählt auch die Fähigkeit des ausgebildeten Aggregats, durch die Ablösung Aggregat- größe Stabilität Sterische Überfrachtung Abbildung 3.1: Zusammenspiel von Stabilität, Größe und sterischer Über- frachtung bei Alkyllithiumaggregaten. 30 Zielsetzung eines Liganden eine Koordinationsstelle für ein potentielles Substrat freizugeben. Dies bedeu- tet, dass die Stabilität des Liganden selbst zwar hoch sein soll, das Aggregat jedoch nur eine mäßige Stabilität aufweisen darf, um eine che- mische Inertheit zu vermeiden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit soll nun ein System bestehend aus einer Organolithiumver- bindung und einem geeigneten Additiv ermittelt werden, welches die genannten Kriterien zu er- füllen vermag. Durch die Aufklärung der Struk- turen der dabei ausgebildeten Aggregate im Festkörper soll geklärt werden, welchen zusätzlichen Einfluss der carbanionische Rest des Alkyllithiumreagenzes auf die Strukturen der resultierenden Basensysteme hat. Darüber hinaus wird den anzunehmenden „idealen“ Aggregaten eine erhöhte Reaktivität zuge- sprochen, welche durch den Einsatz der erzeugten lithiumorganischen Basensysteme in Deprotonierungsreaktionen an geringfügig C−H-aciden Substraten ermittelt werden soll. Wie Abbildung 3.2 verdeutlicht, soll eine enge Verzahnung von experimentellen und theo- retischen Untersuchungen dabei helfen, ein differenziertes Bild der durch die Stabilisierung mittels eines geeigneten Additivs erzeugten Alkyllithiumbasen zu erhalten. Auf diese Weise kann ein tiefes Verständnis der zugrunde liegenden Prozesse erlangt werden, welches eine möglichst gewinnbringende synthetische Anwendung der eingesetzten Basensysteme ermöglicht. Dabei soll nicht die präparative Synthese der Zielverbindungen im Vordergrund stehen, sondern das Potential der eingesetzten Basensysteme ausgelotet und durch eine detaillierte Hinterfragung auftretender Nebenprodukte Ansätze zu dessen Verbesserungen entwickelt werden. Während experimentelle Untersuchungen den Umfang der durchführ- baren Deprotonierungsreaktionen aufzeigen sollen, kann eine quantenchemische Berech- nung der zugrunde liegenden Aktivierungsenergien helfen, mögliche Selektivitäten oder Hinderungen dieser Reaktionen zu erklären und somit Lösungsansätze zu entwickeln. Aufgrund der angestrebten hohen Reaktivität der gebildeten Basensysteme soll dabei auf zusätzliche substratinduzierte Begünstigungen der Deprotonierungsreaktionen, z. B. durch intramolekulare Koordinationen mittels heteroatomhaltiger Seitenarme, verzichtet werden. Aus diesem Grund werden die Deprotonierungen an einfachen Substraten wie Benzol, To- luol, Tetramethylsilan und Hexamethyldisilan durchgeführt, um zusätzlich die entsprechen- den quantenchemischen Beschreibungen der Modellsysteme zu erleichtern. Schema 3.1: Experimentelle und quantenchemische Untersuchung der Mono- und Dilithiierung einfacher Substrate mittels Basensysteme von Additiv-stabilisierten Organolithiumverbindungen. Abbildung 3.2: Untersuchung der Aggregate, Reaktivität und Stabilität von Kombinationen verschiedener Additive mit Organolithiumver- bindungen durch Verzahnung von experimen- tellen und theoretischen Untersuchungen. Experiment Theorie Reaktivität? Aggregate? Stabilität? Additiv + R−Li Ergebnisse und Diskussion 31 4 Ergebnisse und Diskussion Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Basensysteme basierend auf kommerziell erhältlichen Alkyllithiumverbindungen untersucht und in synthetisch schwie- rigen Deprotonierungsreaktionen eingesetzt. Die dabei erhaltenen Ergebnisse werden im Folgenden diskutiert. 4.1 Beeinflussung der Reaktivität lithiumorganischer Verbindungen mithilfe von Lithiumhalogeniden Das Bestreben, kleine und zugleich reaktive Aggregate zu stabilisieren, gehört zu den zen- tralen Forschungszielen der Organolithiumchemie. Das Aufbrechen der Aggregate mittels Lewis-basischer Additive und donierender Lösemittel konnte dabei bereits erfolgreich durchgeführt und synthetisch vielfältig angewendet werden. Mitunter aufgrund der gestei- gerten Reaktivität unterliegen die Additive jedoch Zersetzungsreaktionen, welche ihren Ein- satz in Umsetzungen bei erhöhten Temperaturen ausschließen. Auf diese Weise sind ther- modynamisch gehinderte Deprotonierungen geringfügig acider Substrate sowie Mehrfach- metallierungen nicht aktivierter Ausgangsverbindungen mittels einfacher Organolithiumba- sen nicht zugänglich. Aus dieser Problematik lassen sich Ansätze für die Wahl geeigneter alternativer Additive ableiten. Die bei der Verwendung gängiger Additive beobachtete und unerwünschte Zer- setzung beruht auf einer chemischen Instabilität der verwendeten Reagenzien. Der stabili- sierende und somit deaggregierende Effekt beruht in diesen Fällen auf einer Koordination der Lithiumzentren der Organolithiumverbindung durch Lewis-basische Heteroatome in kleinen organischen Additiven. Wenngleich hierdurch attraktive Wechselwirkungen ausge- bildet werden, führt die unvermeidliche Nähe des reaktiven Carbanions des Lithiumalkyls zum organischen Rückgrat des Additivs zu einer unerwünschten Begünstigung der Zerset- zungsreaktionen. Umgangen werden könnte diese Schwierigkeit über den Einsatz anorga- nischer Salze als reaktivitätssteigernde Additive, da diese keine Angriffsfläche für unerwün- schte Nebenreaktionen durch das Lithiumalkyl anbieten. Seit einigen Jahren ist dieses Kon- zept bereits zur Erzeugung sogenannter Turbo-Grignard-Reagenzien bekannt, welche durch die Gruppe um KNOCHEL vorgestellt und in den folgenden Jahren durch verschiedene Gruppen weiterentwickelt wurden.[70] Hierbei führt die Zugabe von Lithiumchlorid zum ein- fachen Grignard-Reagenz iso-Propylmagnesiumchlorid zu einer drastischen Steigerung der Reaktivität. In der eigenen Masterarbeit wurde bereits eine Beeinflussung der Struktur lithi- umorganischer Verbindungen durch Lithiumhalogenidsalze beobachtet. In zwei Festkörper- strukturen des Methyllithiums konnte ein statistischer Einbau von Chloridionen an für die Strukturbildung ausschlaggebenden Positionen ermittelt werden.[71] Abbildung 4.1: Schematische Darstellung zweier Koordinationspolymere des Methyllithiums mit dem dreizäh- nigen Stickstoffliganden PMDTA und der dabei beobachteten Einlagerung von Chlorid-Einheiten.[71] 32 Ergebnisse und Diskussion Die in diesen Strukturen auftretenden Chloridionen stammen aus einer unvermeidlichen Verunreinigung kommerziell erhältlicher Methyllithiumlösungen. Motiviert durch diese Vor- arbeiten sollte daher geprüft werden, ob die gezielte Zugabe von Lithiumhalogeniden zu einer positiven Beeinflussung der Reaktivität lithiumorganischer Verbindungen führen kann, indem es entsprechend Schema 4.1 zur Ausbildung gemischter Aggregate kommt. Auf- grund der sehr geringen Löslichkeit des Lithiumfluorids wurde dabei auf die Halogenidsalze Lithiumchlorid, −bromid und −iodid zurückgegriffen. Schema 4.1: Hypothetische Ausbildung gemischter Aggregate von Organolithiumverbindungen und Lithiumhalogeniden. Wie zuvor bereits erläutert, stellt die Zersetzung polarer Lösemittel wie Diethylether oder THF eine zusätzliche Problematik in der synthetischen Anwendung der Lithiumalkyle dar, weswegen im Rahmen dieser Arbeit unpolare Lösemittel wie n-Pentan Verwendung finden sollen. Hieraus erwachsen jedoch wesentliche Schwierigkeiten beim Einsatz der Lithium- halogenidsalze, da diese in ihrer kommerziell erhältlichen Form selbst in polaren Lösemit- teln schwierig zu lösen sind. Auch wenn die lithiumorganische Spezies im unpolaren Löse- mittel vorgelegt wurde, war keine Löslichkeit der eingesetzten Salze zu beobachten. Eine Begünstigung der strukturellen Inkorporation der Halogenidionen in die Aggregate der ein- gesetzten Organolithiumverbindung kann jedoch gegebenenfalls durch eine Erzeugung in situ hervorgerufen werden. Das auf diese Weise erhaltene feindisperse Halogenidsalz weist anzunehmender Weise bessere Löslichkeitseigenschaften auf. Aus diesem Grund wurden entsprechend Schema 4.2 zwei Äquivalente des Lithiumalkyls zunächst mit einem Äquiva- lent des jeweiligen Trimethylhalogensilans Q umgesetzt, um äquimolare Mengen des Lithi- umhalogenidsalzes J und der lithiumorganischen Spezies F zu erhalten. Als Koppelprodukt wird das entsprechende Tetraorganosilan R gebildet, welches aufgrund seiner äußerst ge- ringen C−H-Acidität zunächst als nahezu inert angesehen werden kann. Schema 4.2: Erzeugung des Lithiumhalogenids J in situ durch Umsetzung eines Trimethylhalogensilans Q mit zwei Äquivalenten der Organolithiumverbindung. Ergebnisse und Diskussion 33 Der erhoffte Einbau des Lithiumhalogenidsalzes in die Aggregate der lithiumorganischen Verbindung konnte dabei jedoch nicht beobachtet werden. Das gebildete Salz fiel im Verlaufe der Reaktion als Feststoff aus und konnte nicht in Lösung gebracht werden. Die anschließende Zugabe einfacher Substrate wie Benzol oder Toluol zur Überprüfung der Reaktivität des Gemisches zeigte keine Deprotonierung an. Schema 4.3: Untersuchte Deprotonierungsreaktionen ausgehend von Gemischen der in situ erzeugten Lithiumhalogenide J und Organolithiumverbindungen F. Es wird demnach deutlich, dass der für Methyllithium beobachtete Einbau von Chloridionen kein allgemeines Prinzip anzuzeigen scheint, sondern ein spezieller Effekt dieser Reagenz- kombination sein könnte. Möglicherweise ist dafür die gleichzeitige Bildung des Lithium- chlorids und des Methyllithiums während der industriellen Herstellung verantwortlich. Es wäre denkbar, dass bereits an dieser Stelle das Einfügen der Chloridionen in die tetramere Struktur des Methyllithiums erfolgt. Eine den Turbo-Grignard-Reagenzien verwandte Reak- tivitätssteigerung durch einfache Zugabe der entsprechenden Salze scheint demnach für die Lithiumalkyle nicht möglich zu sein, sodass hierin kein gewinnbringender Ansatz zur Erzeugung eines „idealen“ Basensystems beruht. Es ist weiterhin zu beachten, dass die im Rahmen der eigenen Masterarbeit erhaltenen gemischten Aggregate von Lithiumalkyl und Lithiumhalogenid zusätzlich auf die Verwendung eines organischen, offenkettigen Amin- liganden zurückgreift, welcher bedeutend an der Ausbildung des beobachteten Strukturmo- tivs beteiligt ist. Dieser bietet jedoch, wie zuvor bereits erläutert, eine Angriffsfläche für Ne- benreaktionen mit dem eingesetzten Lithiumalkyl, sodass ein derartiges System nicht für die Anwendung bei erhöhter Temperatur geeignet ist. Für eine gewinnbringende Steigerung der Reaktivität kommerziell erhältlicher Alkyllithium- verbindungen, insbesondere unter der im Rahmen dieser Untersuchungen angestrebten Verwendung unpolarer Lösemittel, ist die Zugabe eines Additivs, welches die Erzeugung kleiner Aggregate ermöglicht, unabdinglich. Wie die eben vorgestellten anfänglichen Expe- rimente zeigten, scheint dies nicht durch die Zugabe von Lithiumhalogenidsalzen erreicht werden zu können. In erster Linie kann dies auf die geringe Löslichkeit der Salze in unpo- laren Lösemitteln zurückgeführt werden, welche auch durch eine Erzeugung in situ nicht überwunden werden konnten. Eine vergleichbare Problematik ist auch für andere Salze zu erwarten, sodass das angestrebte „ideale“ Basensystem offenbar durch die Verwendung eines organischen und somit löslichen, aber dennoch hochgradig stabilen Additivs erzeugt werden muss. 34 Ergebnisse und Diskussion Ergebnisse und Diskussion 35 4.2 Chinuclidin-stabilisierte Aggregate von Alkyllithiumverbindungen Nachdem sich die Zugabe anorganischer und somit stabiler Salze als Additiv nicht zur Stei- gerung der Reaktivität von Organolithiumverbindungen eignete, soll ein möglichst ideales Basensystem nun unter Verwendung eines organischen Zusatzes erzeugt werden. Klassi- scher Weise handelt es sich dabei um sauerstoff- oder stickstoffbasierte, koordinierende Verbindungen. Dabei weisen sauerstoffbasierte Donoren, bei welchen es sich zumeist um Alkoholate handelt, jedoch selbst eine hohe Nukleophilie auf, wodurch unerwünschte Ne- benreaktionen ermöglicht werden. Aus diesem Grund wurde angenommen, dass die Verwendung eines geeigneten Amins zu reaktiveren und stabileren Spezies führt. Es gilt außerdem zu verhindern, dass der Ligand selbst vom Lithiumreagenz angegriffen wird. Diese Art der Nebenreaktion wird durch die räumliche Nähe des Carbanions zu dem Stick- stoffzentrum benachbarten Protonen während der Koordination des Lithiumalkyls begüns- tigt, wie Schema 4.4 verdeutlicht. Schema 4.4: Unerwünschte Nebenreaktion durch die Deprotonierung des Aminliganden, bedingt durch die räumliche Nähe des Carbanions zum benachbarten Proton. Zur Vermeidung einer derartigen Zersetzungsreaktion des Liganden muss diese räumliche Nähe verhindert werden. Aus diesem Grund wird die Verwendung offenkettiger Aminligan- den wie beispielsweise TMEDA (3) ausgeschlossen. Eine räumliche Entfernung der be- nachbarten Protonen kann durch cyclische Systeme erreicht werden, in welchen die Ring- spannung zu einem größeren Abstand der benachbarten CH2-Gruppen des Amins zur ko- ordinierten Alkyllithiumverbindung führt. Da ungesättigte sowie sekundäre Stickstoffligan- den erneut Angriffsmöglichkeiten für Deprotonierungsreaktionen bieten, können auch der- artige Verbindungen keine Verwendung finden. Übrig bleiben somit cyclische, tertiäre Amin- verbindungen als mögliche Liganden für die Erzeugung hoch reaktiver Alkyllithiumaggre- gate. Zwei gängige Vertreter dieser Verbindungsklasse sind die bicyclischen Verbindungen 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan (DABCO, 115) sowie Azabicyclo[2.2.2]octan (116), welches unter dem Trivialnamen Chinuclidin bekannt ist. Abbildung 4.2: Molekülformeln der tertiären, bicyclischen Aminliganden DABCO (115, links) und Chinuclidin (116, rechts). Aufgrund seiner Zweizähnigkeit ist DABCO (115) jedoch in der Lage, unlösliche Koordina- tionspolymere in Kombination mit lithiumorganischen Verbindungen auszubilden, welche entsprechend nicht für Reaktionen zur Verfügung stehen. Es bleibt demnach das Chinucli- 36 Ergebnisse und Diskussion din (116) als möglicher Ligand für Lithiumalkyle übrig. Im Folgenden werden dessen struk- turelle Eigenschaften und deren Konsequenzen für eine Eignung als deaggregierendes Ad- ditiv für Organolithiumverbindungen näher diskutiert. 4.2.1 Struktur und Koordinationsfähigkeit des Chinuclidins Die in Abbildung 4.3 dargestellte bicyclische Verbindung Chinuclidin, welche nach IUPAC- Regeln als 1-Azabicyclo[2.2.2]octan bezeichnet wird, weist aufgrund seiner Struktur einige Eigenschaften auf, welche seine besondere Eignung als Additiv für Organolithiumverbin- dungen prägen. Diese sollen im Folgenden erläutert werden. Abbildung 4.3: Strukturelle Eigenschaften des Liganden Chinuclidin (116). Durch die bicyclische Geometrie weist der Ligand eine nicht unwesentliche Ringspannung auf, welche sich auch auf das freie Elektronenpaar des Stickstoffzentrums auswirkt. Im Vergleich zu offenkettigen oder monocyclischen Aminen liegt es beim Chinuclidin beson- ders gerichtet vor. Auf diese Weise kann eine starke Koordination zu einer Elektronen- mangelverbindung – wie einer Organolithiumbase – ausgebildet werden. Aus der Ring- spannung erwächst auch ein weiterer entscheidender Vorteil gegenüber anderen Additiven: Die dem Stickstoffatom benachbarten Protonen des Ringsystems liegen ungewöhnlich weit vom koordinierten Lithium und somit vom reaktiven Carbanion entfernt, sodass sie von letzterem nicht abstrahiert werden können. Die vor allem bei offenkettigen Aminligan- den beobachteten Zersetzungsreaktionen werden damit nahezu ausgeschlossen. Zwei weitere Vorteile des Chinuclidins liegen in seiner äußeren Geometrie begründet. Zunächst ermöglicht die gemäßigte Größe des Liganden eine gewisse sterische Überfrachtung bei Koordination eines Lithiumalkyls, sodass die Ausbildung kleiner Aggregate möglich er- scheint. Eine Umhüllung des reaktiven Zentrums, wie sie bei zweizähnigen Liganden beob- achtet wird, ist jedoch nicht zu erwarten, sodass von einer erhöhten Reaktivität der Chinu- clidin-stabilisierten Aggregate ausgegangen werden kann. Der letzte Punkt, welcher den Liganden Chinuclidin für den Einsatz zur Deaggregation der Organolithiumverbindungen qualifiziert, ist weniger chemisch begründet, sondern über die Analytik der resultierenden Aggregate: Aufgrund seiner starren bicyclischen Geometrie und starken Koordination ist im Festkörper eine hohe Ordnung zu erwarten, was die Strukturaufklärung mittels Einkris- tallröntgenstrukturanalyse wesentlich erleichtert. Gerade die gängigsten Additive wie THF und TMEDA weisen eine nicht unwesentliche Flexibilität auf, welche häufig zu Fehlordnun- gen im Kristall führen. Auf diese Weise wird vor allem eine Strukturaufklärung bei hohen Auflösungen verhindert. Die angestrebten Chinuclidin-stabilisierten Aggregate lägen anzu- nehmender Weise hoch geordnet vor, sodass eine hochaufgelöste Strukturaufklärung im Festkörper denkbar wäre. Gerichtetes freies Elektronenpaar Entfernte benach- barte Protonen Mäßiger sterischer Anspruch Starre Geometrie Ergebnisse und Diskussion 37 4.2.2 Zusammenhang von sterischem Anspruch des Alkylrests und der Größe Chinuclidin-stabilisierter Alkyllithiumaggregate Zur Überprüfung der oben genannten Annahmen zum Aggregationsvermögen des bicycli- schen Liganden Chinuclidin (116) wurden Lösungen desselben mit den gängigsten kom- merziell erhältlichen Lithiumalkylbasen versetzt, um die resultierenden Aggregate zu kris- tallisieren. Dabei wurde die in Schema 4.5 gezeigte Reihe von Strukturen erhalten, welche den in Kapitel 2.1.1 bereits erläuterten Zusammenhang von Aggregatgröße und sterischem Anspruch des Alkylrests der Organolithiumverbindung verdeutlicht. Schema 4.5: Im Rahmen dieser Arbeit erhaltene Aggregate von Organolithiumverbindungen, welche durch Chinuclidin stabilisiert werden. Als sterisch anspruchslosester Vertreter der Alkyllithiumverbindungen bildet das primäre, unverzweigte Ethyllithium die tetramere Spezies 117 aus, deren Molekülstruktur im Kristall in Abbildung 4.4 gezeigt ist. 38 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.4: Nummerierungsschema und Molekülstruktur im Kristall von Aggregat 117. Symmetrieoperatio- nen: a = 1.5−y, x, 1.5−z; b = 1.5−x, 1.5−y, z; c = y, 1.5−x, 1.5−z; Ausgewählte Bindungslängen [Å] und −winkel [°]: N1−Li1 2.160(3), C1−Li1 2.279(3), C1−C2 1.546(2), Li1−Li1b 2.531(5), Li1−Li1a 2.575(5), N1−Li1−C1 110.31(13), Li1b−Li1−Li1c 60.56(6), Li1a−Li1−Li1c 58.87(12). Das tetramere Aggregat 117 kristallisierte im tetragonalen Kristallsystem in der Raumgrup- pe P42/n in Form farbloser Nadeln aus n-Pentan. Die asymmetrische Einheit enthält ein Viertel des gezeigten Aggregats, also eine EtLi−Chinuclidin-Einheit. Entsprechend der üb- lichen Strukturbildungsprinzipien wird eine tetraedrische Anordnung der Lithiumzentren be- obachtet. Während die Ethylcarbanionen die Dreiecksflächen überkappen, wird eine Koor- dination von vier Molekülen Chinuclidin (116) an jeweils ein Lithium beobachtet. Ein struk- turell vergleichbares Aggregat wurde zuvor im eigenen Arbeitskreis bereits für Chinuclidin- stabilisiertes n-Butyllithium beobachtet, welches dieselbe tetraedrische Anordnung im Kris- tall aufweist. Zurückzuführen ist dies auf die strukturelle Ähnlichkeit beider Lithiumalkyle. Sowohl beim hier verwendeten Ethyllithium als auch beim n-Butyllithium handelt es sich um primäre, unverzweigte Organolithiumverbindungen mit entsprechend geringem Platzbe- darf. Kommerziell erhältlich sind Lösungen des Ethyllithiums in Benzol. Bei Zugabe des Liganden Chinuclidin (116) wird dieses jedoch angegriffen, was in Kapitel 4.2.3 näher er- läutert wird. Aus diesem Grund wurde die Lösung des Ethyllithiums zunächst bis zur Trock- ne eingeengt und der Rückstand in n-Pentan aufgenommen, um eine Kristallisation aus diesem Lösemittel heraus zu ermöglichen. Des Weiteren wurde durch die erhöhte Reak- tivität eine Strukturaufklärung in Lösung mittels NMR-Spektroskopie verhindert, da alle gän- gigen Lösemittel angegriffen werden und somit Zersetzungsprodukte beobachtet wurden. Ergebnisse und Diskussion 39 Ein etwas erhöhter sterischer Anspruch wird bei der sekundären Alkyllithiumverbindung iso-Propyllithium beobachtet, welche im Vergleich zum Ethyllithium eine zusätzliche Methyl- gruppe trägt und eine Verzweigung aufweist. Auch bei dieser Verbindung konnten Kristalle Chinuclidin-stabilisierter Aggregate erhalten werden, die mittels Einkristallröntgenstruktur- analyse untersucht wurden. Dabei konnten zwei unterschiedliche Aggregate erhalten wer- den, von denen das erste in Abbildung 4.5 dargestellt ist. Abbildung 4.5: Tetrameres Aggregat 118 des Chinuclidin-stabilisierten iso-Propyllithiums. Symmetrieoperation a = 1−x, y, 0.5−z. Ausgewählte Bindungslängen [Å] und −winkel [°]: N1−Li1 2.1901(8), C1−C2 1.5407(6), C1−C3 1.5360(5), C4−C5 1.5429(5), C4−C6 1.5418(5), Li2a−Li1−Li1a 57.34(3), Li2a−Li2−Li1a 61.73(3), C2−C1−C3 107.63(4), C5−C4−C6 107.84(3). Das Aggregat 118 kristallisierte im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe C2/c aus n-Pentan in Form farbloser Blöcke aus. Die asymmetrische Einheit enthält die Hälfte des in Abbildung 4.5 gezeigten tetrameren Aggregats. Während wie für tetramere Spezies üblich alle vier Seiten des zentralen Li4-Tetraeders von iso-Propylcarbanionen überkappt werden, werden nur zwei der Lithiumzentren von jeweils einem Molekül Chinuclidin stabilisiert. Es werden demnach zwei verschiedene Koordinationssphären der Lithiumzentren beobachtet. Während die Chinuclidin-stabilisierten Lithiumzentren eine Koordinationszahl von vier auf- weisen, liegt bei den anderen beiden nur die Koordination der drei umliegenden Carbanio- nen vor, woraus eine Koordinationszahl von drei resultiert. Zurückzuführen ist dies auf den im Vergleich zu den beiden primären Lithiumalkylen n-Butyllithium und Ethyllithium gestei- gerten sterischen Anspruch des iso-Propylrests, welcher eine Annäherung weiterer Ligand- moleküle verhindert. Die Bildung des in Abbildung 4.6 gezeigten zweiten beobachteten Ag- gregats stellt eine Steigerung dieses Effekts dar. 40 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.6: Nummerierungsschema und Molekülstruktur im Kristall des dimeren Aggregats 119. Ausgewählte Bindungslängen [Å] und −winkel [°]: N1−Li1 2.1014(13), N2−Li2 2.1179(13), N3−Li2 2.2240(13), C22−Li1 2.1630(13), C22−Li2 2.2804(13), C25−Li1 2.1850(13), C25−Li2 2.3519(13), C22−C23 1.5320(10), C22−C24 1.5352(10), C25−C26 1.5420(9), C25−C27 1.5356(8), N2−Li2−N3 108.77(5), Li1−C22−Li2 64.99(4), Li1−C25-Li2 63.43(4). Das Aggregat 119 kristallisierte im triklinen Kristallsystem in der Raumgruppe P1 in Form farbloser Plättchen aus n-Pentan aus. Die asymmetrische Einheit enthält das in Abbildung 4.6 gezeigte asymmetrische Dimer. Die beiden Lithiumzentren weisen hier eine unter- schiedliche Koordinationssphäre auf. Während Li1 nur einen Stickstoffkontakt zum Chinu- clidin aufweist, wird Li2 von zwei Molekülen des Liganden stabilisiert. Dies scheint mit der Ausrichtung der carbanionischen iso-Propylreste zusammenzuhängen, da die Methylreste beider Carbanionen in Richtung Li1 gerichtet sind und somit dort zu einer sterischen Ab- schirmung des Lithiumzentrums beitragen. Die unterschiedliche Qualität der Stickstoff-Li- thium-Koordinationen manifestiert sich zusätzlich in den beobachteten Atomabständen. Die stärkste Koordination und der entsprechend kürzeste Abstand tritt für N1−Li1 mit 2.1014(13) Å auf. Die Kontakte des zweiten Lithiumzentrums [N2−Li2 2.1179(13) Å, N3−Li2 2.2240(13) Å] sind im Gegensatz dazu deutlich verlängert. Das Auftreten der beiden unterschiedlich großen Aggregate des iso-Propyllithiums regte die nähere Untersuchung der Struktur in Lösung mittels NMR-Spektroskopie an. Während die Verwendung gängiger Lösemittel aufgrund der bereits beim Ethyllithium diskutierten und später näher erläuterten hohen Reaktivität nicht möglich ist, wurde auf das aliphatische Methylcyclohexan als Lösemittel zurückgegriffen. Es konnten jedoch auch hier keine eindeutigen Signale ermittelt werden. Die Untersuchung der Aggregatgröße mittels zweidimensionaler DOSY-Experi- mente verblieb ebenfalls ergebnislos. Die Reihe der Alkyllithiumverbindungen mit steigendem sterischem Anspruch des Alkyl- rests wird schließlich durch das tert-Butyllithium vervollständigt, welches eine weitere Me- thylgruppe und somit eine weitere Verzweigung des Carbanions im Vergleich zum iso-Pro- pyllithium aufweist. Die Molekülstruktur des von Chinuclidin stabilisierten Aggregats dieser Organolithiumverbindung ist in Abbildung 4.7 gezeigt. Ergebnisse und Diskussion 41 Abbildung 4.7: Nummerierungsschema und Molekülstruktur im Kristall von Aggregat 120. Ausgewählte Bindungslängen [Å] und −winkel [°]: N1−Li1 2.0891(6), N2−Li2 2.0813(6), C1−Li1 2.2308(6), C1−Li2 2.2036(6), C5−Li1 2.2316(6), C5−Li2 2.2158(6), C1−C2 1.5349(3), C1−C3 1.5278(3), C1−C4 1.5337(3), C5−C6 1.5338(3), C5−C7 1.5273(3), C5−C8 1.5335(3), Li1−C1−Li2 62.45(2), Li1−C5−Li2 62.25(2). Das dimere Aggregat 120 kristallisierte im triklinen Kristallsystem in der Raumgruppe P1 in Form farbloser Plättchen aus n-Pentan aus. Die asymmetrische Einheit enthält das in Abbildung 4.7 gezeigte symmetrische Dimer. Im Gegensatz zum iso-Propyllithiumdimer 119 weisen beide Lithiumzentren hier eine identische Koordinationssphäre auf. Beide weisen jeweils einen Kontakt zu einem Chinuclidin-Liganden sowie zu beiden carbanioni- schen Zentren auf, woraus jeweils eine Koordinationszahl von drei resultiert. Während die beiden tert-Butylcarbanionen unterhalb der Li−Li-Verbindungsachse liegen, positionieren sich die stabilisierenden Chinuclidin-Moleküle dazu um 90° verdreht und oberhalb der Li−Li- Verbindungsachse, sodass die Lithiumzentren zu allen Seiten recht stark abgeschirmt wer- den. Die N−Li-Kontakte sind mit 2.0891(6) Å für N1−Li1 sowie 2.0813(6) Å für N2−Li2 ver- gleichsweise kurz und deuten auf eine starke Koordination des Liganden hin. Entsprechend seines großen sterischen Anspruchs bildet das tert-Butyllithium in der hier dargestellten Reihe das kleinste Aggregat aus. Den bereits beschriebenen Prinzipien folgend wäre hier auch die größte Reaktivität zu erwarten. Vor allem durch die Stabilisierung durch nur ein Molekül Chinuclidin pro tert-Butyllithiumeinheit und der daraus resultierenden geringen Ko- ordinationszahl des Lithiums kann davon ausgegangen werden, dass keine koordinative Übersättigung der reaktiven Zentren vorliegt. Eine ähnlich hohe Reaktivität kann auch dem asymmetrischen Dimer 119 des iso-Propyllithiums zugesprochen werden, da dort eine ver- gleichsweise schwache Koordination des dritten Ligandmoleküls zu verzeichnen ist. Da- durch bedingt waren auch die für das tert-Butyllithium durchgeführten Untersuchungen in Lösung mittels NMR-Spektroskopie bisher ergebnislos. 42 Ergebnisse und Diskussion Tabelle 4.1: Kristallographische Daten und Strukturverfeinerung der Verbindungen 117, 118, 119 und 120. Verbindung 117 118 119 120 Empirische Formel C9H18LiN C26H54Li4N2 C27H53Li2N3 C22H44Li2N2 Formelgewicht 147.18 442.47 433.60 350.47 Temperatur [K] 100.0 100.0 100.0 100.0 Kristallsystem tetragonal monoklin triklin triklin Raumgruppe P42/n C2/c P1̅ P1̅ a [Å] 14.0895(16) 22.2645(10) 9.712(2) 8.3877(4) b [Å] 14.0895(16) 9.0926(4) 10.4425(19) 11.6218(5) c [Å] 9.1251(10) 17.5147(13) 14.8942(19) 13.2155(6) α [°] 90 90 104.405(7) 114.5032(14) β [°] 90 126.5154(12) 106.654(7) 95.9611(15) γ [°] 90 90 94.467(9) 91.2155(17) Volumen [Å3] 1811.5(5) 2849.7(3) 1383.5(4) 1162.94(9) Z 8 4 2 2 ρcalc [g·cm−3] 1.079 0.985 1.041 1.001 μ [mm−1] 0.060 0.053 0.059 0.056 F(000) 656.0 944.0 484.0 392.0 Kristallgröße [mm3] 0.559 × 0.140 × 0.116 0.70 × 0.70 × 0.27 0.212 × 0.414 × 0.615 0.40 × 0.30 × 0.13 Strahlung MoKα (λ = 0.71073 Å) MoKα (λ = 0.71073 Å) MoKα (λ = 0.71073 Å) MoKα (λ = 0.71073 Å) 2Θ-Bereich für Datensammlung [°] 5.782 bis 53.958 4.552 bis 107.712 5.524 bis 74.996 3.414 bis107.732 Indexbereiche −17 ≤ h ≤ 15 −17 ≤ k ≤ 16 −11 ≤ l ≤ 11 −50 ≤ h ≤ 50 −20 ≤ k ≤ 20 −39 ≤ l ≤ 39 −16 ≤ h ≤ 16 −17 ≤ k ≤ 17 −25 ≤ l ≤ 25 −19 ≤ h ≤ 19 −26 ≤ k ≤ 26 −30 ≤ l ≤ 30 Gesammelte Reflexe 12312 135820 85729 294676 Unabhängige Reflexe 1973 [Rint = 0.0522, Rsigma = 0.0406] 17480 [Rint = 0.0268, Rsigma = 0.0145] 14529 [Rint = 0.0280, Rsigma = 0.0198] 28503 [Rint = 0.0379, Rsigma = 0.0137] Daten/Restraints/ Parameter 1973/0/110 17480/0/194 14529/0/501 28503/0/289 Goodness-of-fit an F2 1.048 1.047 1.056 1.023 Endgültige R-Werte [I≥2σ (I)] R1 = 0.0534 wR2 = 0.1264 R1 = 0.0505 wR2 = 0.1389 R1 = 0.0476 wR2 = 0.1226 R1 = 0.0355 wR2 = 0.1114 Endgültige R-Werte (alle Daten) R1 = 0.0743 wR2 = 0.1367 R1 = 0.0639 wR2 = 0.1546 R1 = 0.0567 wR2 = 0.1292 R1 = 0.450 wR2 = 0.1194 Restelektronendichte [e·Å−3] 0.46/−0.22 1.73/−0.96 0.79/−0.64 0.53/−0.40 Ergebnisse und Diskussion 43 4.2.3 Studien zur Reaktivität der beobachteten Chinuclidin-stabilisierten Aggregate Zur Überprüfung der aus der eben dargestellten Reihe der Chinuclidin-stabilisierten Alkylli- thiumaggregate abgeleiteten Reaktivitätserwartungen wurden die beiden dimeren Verbin- dungen des iso-Propyllithiums 119 und des tert-Butyllithiums 120 in modellhaften Deproto- nierungsreaktionen eingesetzt. Ziel war es dabei, die gängigen, nur mäßig aciden Substrate Benzol (121) und Toluol (122) zu deprotonieren. Ein anschließendes Abfangen der metal- lierten Spezies kann dabei, neben der röntgenkristallographischen Aufklärung lithiierter Verbindungen, Aufschluss über den Erfolg der angestrebten Reaktion geben. 4.2.3.1 Untersuchung der metallierten Intermediate im Festkörper Es wurde zunächst versucht, lithiierte Intermediate der Deprotonierung von Benzol bzw. Toluol durch die dimeren Basensysteme 119 und 120 zu kristallisieren und mittels Einkris- tallröntgenstrukturanalyse strukturell aufzuklären. Es konnten dabei für beide der einge- setzten Substrate Benzol (121) und Toluol (122) entsprechende Festkörperstrukturen er- halten werden. Nach der Versetzung eines 1:1-Gemischs von tert-Butyllithium und Chinuclidin mit einem Äquivalent Toluol und Rühren bei Raumtemperatur für zwei Stunden konnten nach einigen Tagen Lagerung bei −80 °C Kristalle des in Abbildung 4.8 gezeigten Aggregats erhalten werden, welche sich zur einkristallröntgenkristallographischen Untersuchung eigneten. Abbildung 4.8: Nummerierungsschema und Molekülstruktur im Kristall des Chinuclidin-stabilisierten Benzylli- thiums 123. Der Übersichtlichkeit halber wird die Fehlordnung eines Ligandmoleküls nicht dargestellt. Ausge- wählte Bindungslängen [Å] und −winkel [°]: C1−Li1 2.288(4), N1−Li1 2.192(3), N2−Li1 2.284(3), N3−Li1 2.203(3), C1−C2 1.415(3), C2−C3 1.414(3), C3−C4 1.394(4), C4−C5 1.398(6), C6−C7 1.344(4), C2−C7 1.408(3), N1−Li1−N2 115.92(14), N1−Li1−N3 111.11(14), N2−Li1−N3 106.70(13). 44 Ergebnisse und Diskussion Das Benzyllithiumaggregat 123 kristallisierte im monoklinen Kristallsystem in der Raum- gruppe P21/n in Form gelber Blöcke aus n-Pentan aus. Die asymmetrische Einheit enthält das in Abbildung 4.8 gezeigte Benzyllithium, welches durch drei Moleküle des Liganden Chinuclidin stabilisiert wird. Einer dieser Liganden weist eine Rotationsfehlordnung auf, welche der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt wird. Das Lithiumzentrum weist durch die Koordination der drei Liganden sowie des Carbanions eine Koordinationszahl von vier auf und liegt somit gesättigt vor. Die drei N−Li-Kontakte können jedoch nicht als gleichwertig angesehen werden. Während N1−Li1 mit 2.192(3) Å und N3−Li1 mit 2.203(3) Å innerhalb der Fehlergrenzen als gleich anzusehen sind, weist N2−Li1 mit 2.284(3) Å eine deutlich längere und somit schwächere Koordination auf. Die Bildung des Metallierungsprodukts von Toluol bereits nach zwei Stunden bei Raumtemperatur zeugt von einer hohen Reakti- vität des tert-Butyllithium-Chinuclidin-Basensystems, welche der Erwartung aufgrund der dimeren Molekülstruktur im Festkörper entspricht. Ein vergleichendes Experiment wurde mit iso-Propyllithium durchgeführt, welches unter Zu- gabe eines Äquivalents Chinuclidin unter denselben Bedingungen, die zur Bildung des me- tallierten Toluols 123 führten, zur Deprotonierung von Benzol (121) eingesetzt wurde. Auch hierbei konnten Kristalle erhalten werden, welche sich zur Untersuchung mittels Einkristall- röntgenstrukturanalyse eigneten. Die dabei erhaltene Molekülstruktur im Kristall wird in Abbildung 4.9 dargestellt. Abbildung 4.9: Nummerierungsschema und Molekülstruktur im Kristall des gemischten Aggregats 124. Der Übersichtlichkeit halber sind Fehlordnungen eines Chinuclidin-Moleküls und der Carbanionen nicht dargestellt. Ausgewählte Bindungslängen [Å] und −winkel [°]: N1−Li1 2.162(4), N2−Li1 2.155(4), N3−Li2 2.089(4), C1−Li1 2.314(4), C1−C2 1.522(3), C1−C3 1.547(3), C1−Li2 2.131(4), C4A−Li1 2.173(17), C4A−Li2 1.985(15). Ergebnisse und Diskussion 45 Das gemischte Aggregat 124 kristallisierte im monoklinen Kristallsystem in der Raumgrup- pe P21/n in Form gelber Blöcke aus n-Pentan aus. Die asymmetrische Einheit enthält das vollständige in Abbildung 4.9 gezeigte dimere Aggregat. Aufgrund der strukturellen Ähnlich- keit des Carbanions des iso-Propyllithiums und des Phenyllithiums liegt eine Positionsfehl- ordnung beider Reste vor. Auf der Lage des Phenyllithiums konnte zu 50% eine weitere iso-Propyllithiumeinheit modelliert werden. Die verbleibenden Restelektronendichten beim iso-Propylrest bei C1 deuten ebenfalls eine Überlagerung durch Phenyllithium an, jedoch ist ihr Anteil für eine stabile Modellierung zu gering. Die abweichende Koordination beider Lithiumzentren des Aggregats 124 ähnelt dem beim reinen iso-Propyllithium-Dimer 119 be- obachteten Muster. Auch hier wird die stärkste N-Li-Wechselwirkung bei N3−Li2 mit 2.089(4) Å gefunden, während N1−Li1 mit 2.162(4) Å und N2−Li1 mit 2.155(4) Å im Ver- gleich deutlich verlängert sind. Die Methylgruppen des iso-Propylrests deuten in Richtung Li2 und schirmen es so weit ab, dass die Koordination nur eines Moleküls Chinuclidin zur Stabilisierung möglich ist. Die erfolgreiche Deprotonierung beider eingesetzter Modellsub- strate deutet an, dass die erwartete Reaktivität der dimeren Basensysteme vorzuliegen scheint. Im Anschluss an die Kristallisation der metallierten Intermediate 123 und 124 kön- nen Abfangexperimente nun Aufschluss über den Umfang und die Anwendbarkeit der beob- achteten Metallierungsreaktionen geben. 46 Ergebnisse und Diskussion Tabelle 4.2: Kristallographische Daten und Strukturverfeinerung der Verbindungen 123 und 124. Verbindung 123 124 Empirische Formel C28H46LiN3 C57H104Li4N6 Formelgewicht 431.62 901.22 Temperatur [K] 99.99 100.0 Kristallsystem monoklin monoklin Raumgruppe P21/n P21/n a [Å] 10.5033(17) 14.4286(15) b [Å] 20.506(3) 12.3727(13) c [Å] 12.0490(13) 15.8076(16) α [°] 90 90 β [°] 103.019(8) 94.138(3) γ [°] 90 90 Volumen [Å3] 2528.4(6) 2814.6(5) Z 4 2 ρcalc [g·cm−3] 1.134 1.063 μ [mm−1] 0.486 0.444 F(000) 952.0 1000.0 Kristallgröße [mm3] 0.181 × 0.138 × 0.083 0.779 × 0.741 × 0.502 Strahlung CuKα (λ = 1.54178) CuKα (λ = 1.54178) 2Θ-Bereich für Datensammlung [°] 8.624 bis 153.95 8.014 bis 157.91 Indexbereiche −12 ≤ h ≤ 12 −25 ≤ k ≤ 16 −11 ≤ l ≤ 15 −18 ≤ h ≤ 18 −15 ≤ k ≤ 15 −19 ≤ l ≤ 20 Gesammelte Reflexe 14536 111392 Unabhängige Reflexe 5163 [Rint = 0.0467, Rsigma = 0.0501] 6068 [Rint = 0.0482, Rsigma = 0.0187] Daten/Restraints/Parameter 5163/0/339 6068/1/355 Goodness-of-fit an F2 1.029 1.073 Endgültige R-Werte [I≥2σ (I)] R1 = 0.0559, wR2 = 0.1220 R1 = 0.0802, wR2 = 0.2027 Endgültige R-Werte [alle Daten] R1 = 0.0824, wR2 = 0.1357 R1 = 0.0814, wR2 = 0.2035 Restelektronendichte [e·Å−3] 0.24/−0.35 0.69/−0.35 Ergebnisse und Diskussion 47 4.2.3.2 Abfangreaktionen der metallierten Intermediate Die erfolgreiche Kristallisation der Metallierungsprodukte des Toluols und des Benzols deu- ten auf eine hohe Reaktivität der Chinuclidin-stabilisierten Basensysteme des tert-Butyl- sowie des iso-Propyllithiums hin. Die Durchführung der jeweiligen Deprotonierungsreaktio- nen über zwei Stunden bei Raumtemperatur bestätigen weiterhin die angestrebte ther- mische Stabilität des Liganden, welcher keinen Metallierungsreaktionen zu unterliegen scheint. Motiviert durch diese Erkenntnisse wurden die Deprotonierungsreaktionen an Benzol (121) und Toluol (122) nun bei verlängerter Reaktionszeit wiederholt, indem die Me- tallierung über Nacht durchgeführt wurde. Die metallierten Spezies wurden anschließend mit Trimethylzinnchlorid abgefangen, sodass die resultierenden Rohproduktgemische mit- tels massenspektrometriegekoppelter Gaschromatographie untersucht werden konnten. Die Umsetzung des Benzols bestätigte die Ergebnisse der Kristallisation des Aggregats 124, da das in Schema 4.6 gezeigte Abfangprodukt 125 des gebildeten Phenyllithiums mit Trimethylzinnchlorid als einziges Reaktionsprodukt beobachtet wurde. Schema 4.6: Deprotonierung von Benzol mittels 1 Äq. der untersuchten Basensysteme über Nacht. Für die Umsetzung von Toluol (122) mit tert-Butyllithium in Gegenwart von Chinuclidin (je- weils ein Äquivalent) wurde das in Abbildung 4.10 gezeigte Gaschromatogramm erhalten, dessen Signale mithilfe der jeweiligen Massenspektren den verschiedenen Verbindungen zugeordnet werden konnten. Abbildung 4.10: Gaschromatogramm der Umsetzung von Toluol mit 1 Äq. tert-Butyllithium/Chinuclidin über Nacht bei Raumtemperatur. Neben der überwiegenden Bildung des gewünschten Abfangprodukts 126 des in Benzyl- position metallierten Toluols lassen sich weitere Erkenntnisse aus dem gezeigten Gaschro- matogramm gewinnen. Zunächst zeugt die bei einer Retentionszeit von etwa fünf Minuten auftretende Beobachtung des Additivs Chinuclidin erneut von einer ausreichenden Stabilität des Liganden gegenüber Zersetzungen durch das lithiumorganische Reagenz. Da unter den beobachteten Reaktionsprodukten auch keines vorliegt, welches aus einem Angriff an das Additiv resultiert, kann davon ausgegangen werden, dass es unter den gewählten Be- 48 Ergebnisse und Diskussion dingungen vollständig stabil ist und keinen Nebenreaktionen unterliegt. Eine weitere inter- essante Beobachtung stellt das Auftreten der offenbar aus einer Mehrfachmetallierung des Toluols stammenden difunktionalisierten Spezies 127 dar. Während die Metallierung der Benzylposition aufgrund der Mesomeriestabilisierung des resultierenden Carbanions keine allzu große synthetische Herausforderung darstellt, deutet die zusätzliche Abstraktion eines Ringprotons auf eine besonders hohe Reaktivität des eingesetzten Basensystems hin. Dass bei einer Retentionszeit von etwa drei Minuten nicht umgesetztes Toluol (122) beob- achtet wird, lässt eine Art der Bevorzugung der zweiten Deprotonierungsreaktion gegen- über der ersten vermuten. Zur Gegenüberstellung ist in Abbildung 4.11 das Chromatogramm der analogen Umsetzung des Toluols mit dem zweiten dimeren Basensystem aus iso-Propyllithium und Chinuclidin gezeigt. Abbildung 4.11: Gaschromatogramm der Umsetzung von Toluol (122) mit 1 Äq. iso-Propyllithium/Chinuclidin über Nacht bei Raumtemperatur. Obwohl die gleichen Reaktionsprodukte wie beim tert-Butyllithium beobachtet werden, zei- gen sich dennoch deutliche Unterschiede zwischen beiden Lithiumorganylen in Bezug auf ihre Reaktivität. Dies wird besonders in der Bildung der mehrfachfunktionalisierten Spezies 127 deutlich, welche beim iso-Propyllithium deutlich geringer auftritt. Die zuvor genannte Bevorzugung scheint hier zwar auch aufzutreten, was durch die erneute Beobachtung des als Edukt eingesetzten Toluols (122) deutlich wird, jedoch in geringerem Maße, da die mehrfachfunktionalisierten Produkte 127 hier nur in Spuren zu beobachten sind. Dass noch unreagiertes Toluol (122) in beiden Produktgemischen zu beobachten ist, deutet darauf hin, dass beide Deprotonierungsschritte einer thermodynamischen Hinderung unter- liegen. Diese könnte durch eine Erhöhung der Reaktionstemperatur umgangen werden. Nachdem in den vorigen Experimenten deutlich wurde, dass das Additiv Chinuclidin (116) eine hohe Stabilität gegenüber den eingesetzten Lithiumorganylen über mehrere Stunden bei Raumtemperatur aufweist, sollten Wiederholungsexperimente der Deprotonierungsre- aktionen nun bei deutlich erhöhter Temperatur durchgeführt werden. Um das System wei- terhin in einer unpolaren Umgebung zu belassen und unerwünschte Zersetzungsreaktionen des Lösemittels zu verhindern, wurde statt in n-Pentan nun in n-Heptan gearbeitet, welches einen Siedepunkt von 98 °C aufweist. Das Gaschromatogramm der Umsetzung von Toluol mit einem Äquivalent tert-Butyllithium/Chinuclidin über zwei Stunden in refluxierendem n-Heptan mit anschließendem Abfangen mit Trimethylchlorstannan ist in Abbildung 4.12 gezeigt. Ergebnisse und Diskussion 49 Abbildung 4.12: Gaschromatogramm der Umsetzung von Toluol mit 1 Äq. tert-Butyllithium/Chinuclidin über zwei Stunden in refluxierendem n-Heptan. Durch eine wässrige Aufarbeitung mittels 1 M Salzsäure wurde das verbleibende Chinucli- din aus dem Produktgemisch entfernt. Im Vergleich zur oben gezeigten Umsetzung bei Raumtemperatur ist eine deutliche Verschiebung der Produktverhältnisse zu beobachten. Eine erste interessante Erkenntnis ist der scheinbar vollständige Umsatz des Edukts, da nun kein verbleibendes Toluol mehr zu beobachten ist. Obgleich nur ein Äquivalent des Basensystems tert-Butyllithium/Chinuclidin eingesetzt wurde, ist der Anteil des monofunk- tionalisierten Produkts auffallend gering. Als Hauptprodukt wurde ein Gemisch der isome- ren zweifachfunktionalisierten Produkte 127 bei einer Retentionszeit von etwa zehn Minuten identifiziert. Erstaunlicherweise wird zusätzlich ein weiteres Reaktionsprodukt 128 mit einer noch höheren molaren Masse beobachtet. Auf Grundlage des zugehörigen Massenspek- trums wurde angenommen, dass es sich hierbei um das dreifach funktionalisierte Produkt handelt. Die gewünschte Steigerung der Reaktivität durch Erhöhung der Reaktionstem- peratur ist demnach eingetreten. Zum Vergleich der Reaktionsstärke beider dimeren Ba- sensysteme wurde dieselbe Reaktion auch mit einem Äquivalent iso-Propyllithium/Chinu- clidin durchgeführt. Das Gaschromatogramm des Rohproduktgemischs dieser Umsetzung ist in Abbildung 4.13 gezeigt. Abbildung 4.13: Gaschromatogramm der Umsetzung von Toluol mit 1 Äq. iso-Propyllithium/Chinuclidin über zwei Stunden in refluxierendem n-Heptan. Während bei Raumtemperatur eine deutlich geringere Reaktivität des iso-Propyllithiums beobachtet wurde, gleichen sich die Resultate beider Basensysteme bei erhöhter Tempe- ratur an. Auch beim iso-Propyllithium werden nach zwei Stunden Reflux in n-Heptan kein 50 Ergebnisse und Diskussion verbleibendes Toluol (122) und nur Spuren des monofunktionalisierten Produkts 126 beob- achtet. Gemessen an den relativen Signalintensitäten wurde hier im Vergleich zum tert-Bu- tyllithium ein größerer Anteil des dreifach substituierten Toluols 128 gebildet. Es wird ins- gesamt deutlich, dass beide Lithiumalkyle – iso-Propyllithium und tert-Butyllithium – in Kom- bination mit dem Additiv Chinuclidin (116) sehr potente Basensysteme bilden, welche im Gegensatz zu den gängigsten Reagenzkombinationen mit beispielsweise THF (2) oder TMEDA (3) auch bei hohen Temperaturen eingesetzt werden können, sodass Umsetzun- gen mit hohen Aktivierungsenergien nun zugänglich sind. Aufgrund der Stabilität des Ligan- den Chinuclidin (116) geschieht dies weitgehend ohne unerwünschte Nebenreaktionen durch eine Zersetzung des Additivs, welches sich aufgrund seiner hohen Basizität bereits im schwach sauren Milieu als korrespondierendes Ammoniumsalz in die wässrige Phase überführen und somit aus dem Produktgemisch entfernen lässt. Auf Grundlage der erfolgreichen Deprotonierung des Toluols bei erhöhter Reaktionstempe- ratur wurden vergleichbare Experimente auch mit dem zweiten Modellsubstrat Benzol (121) durchgeführt. Aufgrund dessen deutlich geringerer Acidität wegen einer schlechten Meso- meriestabilisierung des Carbanions wurde dabei erwartet, dass die Umsetzung langsamer abläuft als beim Toluol, weswegen die Reaktionszeit in refluxierendem n-Heptan auf sechs Stunden erhöht wurde. Weiterhin wurden die Anteile beider Komponenten der Basensyste- me auf zwei Äquivalente erhöht. Das Gaschromatogramm der Umsetzung mit jeweils zwei Äquivalenten tert-Butyllithium und Chinuclidin ist in Abbildung 4.14 gezeigt. Abbildung 4.14: Gaschromatogramm der Umsetzung von Benzol (121) mit 2 Äq. tert-Butyllithium/Chinuclidin über sechs Stunden in refluxierendem n-Heptan. Es zeigt sich, dass auch die Deprotonierung des Benzols erfolgreich durchgeführt werden konnte. Das Reaktionsprodukt mit der größten Signalintensität im Gaschromatogramm wur- de dem monofunktionalisierten Produkt 125 zugesprochen. Wie schon beim Toluol werden auch hier isomere Reaktionsprodukte 131 einer zweifachen Metallierung des Substrats be- obachtet. Besonders auffällig sind die Produkte 130, welche anstatt durch eine Trimethyl- zinn- durch eine tert-Butylgruppe funktionalisiert wurden, auf deren Bildung jedoch zu einem späteren Zeitpunkt genauer eingegangen wird. Entsprechend der deutlich geringeren Aci- dität des Benzols fällt der Anteil der mehrfachsubstituierten Reaktionsprodukte hier deutlich geringer als beim Toluol aus. Erneut wurde ein analoges Experiment mit iso-Propyllithium durchgeführt, dessen Gaschromatogramm in Abbildung 4.15 dargestellt ist. Ergebnisse und Diskussion 51 Abbildung 4.15: Gaschromatogramm der Umsetzung von Benzol (121) mit 2 Äq. iso-Propyllithium/Chinuclidin über sechs Stunden in refluxierendem n-Heptan. Erneut wird eine leicht verringerte Reaktivität des iso-Propyllithiums verglichen mit tert-Bu- tyllithium deutlich. Auch hier stellt das monofunktionalisierte Produkt 125 das Hauptprodukt der Umsetzung dar, begleitet von der Bildung geringer Anteile der isomeren zweifach sub- stituierten Verbindungen 131. Die beim tert-Butyllithium bereits erwähnte Bildung der Kop- pelprodukte zwischen Substrat und Alkylrest des Lithiumorganyls wird mit den Nebenpro- dukten 132 und 133 auch für iso-Propyllithium beobachtet und ebenfalls später näher er- läutert. 4.2.3.3 Quantenchemische Untersuchung der Zweifachlithiierung des Toluols Im Zuge der Deprotonierungsexperimente an Toluol (122) mithilfe der vorgestellten Basen- systeme konnte eine zweifache Funktionalisierung des Substrats festgestellt werden, ob- wohl nur ein Äquivalent der Base eingesetzt wurde. Zusätzlich konnte unverbrauchtes Start- material beobachtet werden, was auf eine thermodynamische oder kinetische Bevorzugung des zweiten Deprotonierungsschrittes zurückgeführt wurde. Zur näheren Untersuchung die- ser unerwarteten Beobachtungen wurden quantenchemische Berechnungen durchgeführt, welche den Verlauf der zugrunde liegenden Reaktionen aufklären sollten. Da die zweifache Lithiierung und anschließende Funktionalisierung mittels des als Elektro- phil eingesetzten Trimethylchlorstannans vor allem bei der Umsetzung von Toluol mit tert-Butyllithium in Gegenwart von Chinuclidin (116) festgestellt werden konnte, wurde die- ses System den im Folgenden vorgestellten Berechnungen zugrunde gelegt. Verwendet wurde dabei das Funktional B3LYP unter Einsatz des Basissatzes 6-31+G(d) und der gd3- Dispersionskorrektur nach GRIMME. Zum vollständigen Verständnis der Dilithiierung des Toluols und somit des gesamten Re- aktionsverlaufs muss zunächst die erste Lithiierung des Substrats modelliert und berechnet werden. Während für das Basensystem durch die in Kapitel 4.2.2 erläuterte Festkörper- struktur ein dimeres Aggregat angenommen werden kann, sind für die erste Deprotonierung des Toluols (122) zwei verschiedene Mechanismen denkbar. Der erste von ihnen verläuft über eine Annäherung des Substrats an die dimere Spezies 120 des tert-Butyllithiums. Aus- 52 Ergebnisse und Diskussion gehend von dem daraus resultierenden gemischten Aggregat 134 erfolgt dann die Depro- tonierung des Toluols (122). Die bei dieser Berechnung erhaltenen Geometrien sowie rela- tiven Energien sind in Abbildung 4.16 dargestellt.[I] Abbildung 4.16: Geometrien und relative Energien des berechneten gemischten Aggregats 134 und des Über- gangszustands 134-TS der daraus erfolgenden Deprotonierung des Toluols [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Es wurde dabei eine Aktivierungsenergie von 89 kJ·mol−1 erhalten, welche einen Ablauf der Reaktion bei den eingesetzten Reaktionsbedingungen wahrscheinlich macht. Aufgrund ei- ner ungünstigen Änderung der Entropie im Übergangszustand 134-TS wegen einer einge- schränkten Beweglichkeit des Moleküls im Vergleich zum Grundzustand 134 liegt die Gibbs-Energie ΔG mit 98 kJ·mol−1 etwas erhöht, wodurch die Wahrscheinlichkeit der zu- grunde liegenden Reaktion jedoch nicht eingeschränkt wird. Neben der hier beschriebenen Annäherung des Substrats an das dimere Basensystem ist als alternativer Reaktionsme- chanismus ein Aufbrechen desselben denkbar. An die resultierende monomere Spezies kann sich das Substrat Toluol (122) annähern und, wie in Schema 4.7 gezeigt, den ge- mischten Komplex 135 ausbilden. [I] Gibbs-Energien ΔG sind stets für eine Temperatur von 298 K angegeben. Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 134 134-TS 0 kJ·mol −1 ΔH = 89 kJ·mol −1 ΔG = 98 kJ·mol −1 C Li N Ergebnisse und Diskussion 53 Schema 4.7: Hypothetische Ausbildung des gemischten Komplexes 135 als erster Schritt einer Deprotonierung des Toluols. Trotz der Ausbildung einer vermeintlich instabilen monomeren Alkyllithiumspezies 135 wur- de der Energiebedarf ΔH zu dessen Erzeugung zu 31 kJ·mol−1 berechnet. Aufgrund der ungünstigen Entropieänderung liegt die Gibbs-Energie ΔG für diesen Prozess mit 50 kJ·mol−1 etwas höher. Somit wäre eine Entstehung dieser Verbindung unter den gewähl- ten Reaktionsbedingungen denkbar und der angenommene Mechanismus scheint realis- tisch. Auch zu dieser hypothetischen Spezies wurde der Übergangszustand der Deproto- nierung des Toluols berechnet. Die dabei erhaltenen Geometrien und relativen Energien sind in Abbildung 4.17 dargestellt. Abbildung 4.17: Berechnete Geometrien und relative Energien des angenommenen monomeren Komplexes 135 sowie des daraus resultierenden Übergangszustands 135-TS der Deprotonierung von Toluol. Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 135 135-TS 0 kJ·mol −1 ΔH = 57 kJ·mol −1 ΔG = 69 kJ·mol −1 C Li N 54 Ergebnisse und Diskussion Die Aktivierungsenergie ausgehend vom monomeren Komplex 135 liegt mit 57 kJ·mol−1 vergleichsweise niedrig und bestätigt damit die experimentell erhaltenen Ergebnisse. Zu- sammen mit dem Energiebedarf zur Bildung des monomeren Komplexes 135 von 31 kJ·mol−1 ergibt sich eine gesamte Aktivierungsenergie von 88 kJ·mol−1 für die einfache Lithiierung des Toluols mittels Chinuclidin-stabilisiertem tert-Butyllithium. Die zugrunde liegende Reaktion kann somit bei leicht erhöhten Temperaturen ablaufen. In Schema 4.8 ist der gesamte Deprotonierungsprozess zusammengefasst dargestellt. Schema 4.8: Gesamtprozess der berechneten Monolithiierung des Toluols (122) über die monomere Spezies 135. Insbesondere bei Betrachtung der Enthalpie ΔH wird eine hohe Vergleichbarkeit beider Me- chanismen deutlich, sodass keine Bevorzugung eines Mechanismus zu erkennen ist. Her- vorzuheben ist jedoch, dass nach beiden Reaktionsverläufen eine Monolithiierung des To- luols (122) mithilfe des Chinuclidin-stabilisierten tert-Butyllithiums gut möglich sein sollte. Dieses Ergebnis entspricht zunächst der erwarteten Reaktivität des Basensystems, da die Monolithiierung des Toluols aufgrund einer Resonanzstabilisierung des resultierenden Ben- zylanions keine sonderlich große synthetische Schwierigkeit darstellt. Von umso größerem Interesse ist daher die nachfolgende zweite Deprotonierung des Benzyllithiums, welche in den zuvor vorgestellten experimentellen Untersuchungen mehrfach beobachtet wurde. Zum Verständnis des zugrunde liegenden Vorgangs wurden auch zu dieser Reaktion me- chanistische Überlegungen angestellt und diese quantenchemisch untersucht. Als Ausgangsverbindung für eine zweite Deprotonierung an lithiiertem Toluol wird ein ge- mischtes Aggregat des Benzyllithiums mit tert-Butyllithium, stabilisiert durch Chinuclidin (116), angenommen. Auf diese Weise werden beide Reagenzien in räumliche Nähe zuein- ander gebracht und gleichsam durch das Additiv 116 stabilisiert. Wie die experimentellen Beobachtungen bereits andeuten, können bei der zweiten Metallierung des Toluols ver- schiedene regioisomere Produkte erhalten werden. Neben einer zweiten, geminalen Lithi- ierung der Methylgruppe sind die drei regioisomeren Metallierungen in ortho-, meta- und para-Position des aromatischen Ringes denkbar. Aufgrund der räumlichen Nähe im zugrun- de gelegten gemischten Aggregat 136 wurden zunächst die geminale und die ortho-Lithiie- rung berechnet, deren Geometrien und relative Energien in Abbildung 4.18 dargestellt wer- den. Ergebnisse und Diskussion 55 Abbildung 4.18: Geometrien und relative Energien des angenommenen gemischten Aggregats 136 und der Übergangszustände einer geminalen (136-TSgemi) und einer ortho-Dilithiierung (136-TSortho) des Toluols [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Es zeigt sich, dass beide Übergangszustände 136-TSgemi und 136-TSortho energetisch sehr nah beieinander liegen. Mit Aktivierungsenergien von etwa 150 kJ·mol−1 stellen sich beide zugrunde liegenden Reaktionen als durchführbar und ähnlich wahrscheinlich dar. Auffällig ist der höhere Unterschied der Gibbs-Energien ΔG, bei welcher eine Umkehr der Bevorzugung auftritt. Die ortho-Dilithiierung liegt hier um 15 kJ·mol-1 höher, was auf eine starrere Geometrie des zugehörigen Übergangszustands 136-TSortho zurückzuführen sein könnte. Auf diese Weise wäre insbesondere bei erhöhten Temperaturen eine geminale Dilithiierung bevorzugt. Beide Übergangszustände bestätigen jedoch erneut den Bedarf erhöhter Reaktionstemperaturen zur erfolgreichen Dilithiierung des Toluols, welche in den zuvor durchgeführten Experimenten beobachtet wurde. Aufgrund des geringen Unter- Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 136 136-TSgemi 0 kJ·mol −1 ΔH = 156 kJ·mol −1 ΔG = 147 kJ·mol −1 C Li N ΔH = 150 kJ·mol −1 ΔG = 162 kJ·mol −1 136-TSortho 56 Ergebnisse und Diskussion schieds der Reaktionsenthalpien ΔH beider Übergangszustände und der umgekehrten re- lativen Lage beider Gibbs-Energien ΔG wäre eine Bildung beider korrespondierender Pro- dukte in vergleichbaren Mengen zu erwarten. In den in Kapitel 4.2.3.2 gezeigten Gaschro- matogrammen wird jedoch eine deutliche Bevorzugung eines Regioisomers deutlich, was vermuten lässt, dass eine der verbleibenden regioisomeren Dilithiierungen eine signifikant geringere Aktivierungsenergie aufweist. Es wurden entsprechend die Übergangszustände einer zweiten Lithiierung sowohl in meta- als auch in para-Position modelliert und berech- net. Im Falle des meta-lithiierten Isomers wurde dabei eine Aktivierungsenergie von 237 kJ·mol−1 erhalten. Die entsprechende Reaktion könnte demnach unter den gewählten Bedingungen anzunehmender Weise nicht durchgeführt werden. An dem in Abbildung 4.19 gezeigten Übergangszustand wird deutlich, dass die Lithiierung der meta-Position ausge- hend von dem gemischten Aggregat 136 eine starke Verzerrung des Aggregats voraus- setzt, welche den hohen Energiebedarf verursachen könnte. Abbildung 4.19: Geometrie und relative Energien des angenommenen gemischten Aggregats 136 sowie des berechneten Übergangszustand 136-TSmeta der zweiten Lithiierung des Toluols in meta-Position [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 136 136-TSmeta 0 kJ·mol −1 ΔH = 237 kJ·mol −1 ΔG = 237 kJ·mol −1 C Li N Ergebnisse und Diskussion 57 Des Weiteren kann im errechneten Übergangszustand 136-TSmeta keine Stabilisierung des entstehenden Carbanions durch eine Wechselwirkung mit einem der Lithiumzentren erfol- gen, wodurch die Struktur eine zusätzliche energetische Anhebung erfahren könnte. Es lässt sich demnach mutmaßen, dass einer meta-Dilithiierung ein komplexeres Aggregat zu- grunde liegt, welches mithilfe der hier durchgeführten Berechnungen nicht wiedergegeben werden konnte. Als weiteres Regioisomer einer zweiten Lithiierung des Benzyllithiums wäre zusätzlich eine Metallierung in para-Position denkbar. Hier tritt jedoch eine deutlich größere Entfernung der beiden carbanionischen Zentren auf, was eine Stabilisierung durch die beiden Lithiumzen- tren im Übergangszustand erschwert. Aus diesem Grund konnte eine analoge Struktur zu den bisher vorgestellten Übergangszuständen der ortho- und meta-Dilithiierung nicht erhal- ten werden. Es ist davon auszugehen, dass einer zweiten Lithiierung in para-Position ein deutlich komplexeres Aggregat zugrunde liegt, welches im Rahmen der hier durchgeführten Berechnungen nicht postuliert und untersucht wurde. 4.2.3.4 Quantenchemische Untersuchung der Stabilität von Chinuclidin (116) Im Zuge der bisher dargestellten Untersuchungen wurde eine erhöhte Stabilität des Additivs Chinuclidin (116) gegenüber einer Zersetzung durch die Alkyllithiumbase deutlich. Trotz der Reaktionsführung bei stark erhöhten Temperaturen wurden keine nennenswerten Neben- produkte, welche auf einer Zersetzung bzw. Deprotonierung des Liganden beruhen, beob- achtet. Zum Verständnis dieser Beobachtung wurden auch hier quantenchemische Berech- nungen eingesetzt. Es wurde dabei davon ausgegangen, dass mögliche Nebenreaktionen bzw. eine Zersetzung des Liganden auf einer Abstraktion der dem Stickstoffatom benach- barten Protonen beruhen. Zur Einordnung dieses Reaktionspfads im Vergleich zur er- wünschten (mehrfachen) Deprotonierung der Modellsubstrate wurde die Aktivierungsener- gie dieses Prozesses berechnet. Für das Basensystem von tert-Butyllithium und Chinuclidin wurde die in Kapitel 4.2.2 dar- gestellte dimere Struktur im Festkörper erhalten. Sie ist der Ausgangspunkt für die Berech- nung der Aktivierungsenergie für eine Deprotonierung der benachbarten Protonen des Li- ganden Chinuclidin (116) durch tert-Butyllithium. In Abbildung 4.20 werden die relativen Energien sowie die Molekülgeometrien gezeigt, die bei der entsprechenden Berechnung erhalten wurden. 58 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.20: Molekülgeometrien und relative Energien des Chinuclidin-stabilisierten Dimers von tert-Butyl- lithium (120) und des daraus resultierenden Übergangszustands 120-TS einer Deprotonierung des Chinuclidins [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Für den zugrunde liegenden Prozess wurde eine Aktivierungsenergie ΔH von 109 kJ·mol−1 erhalten. Die Gibbs-Energie ΔG weist einen leicht höheren Wert auf, welcher mit steigender Temperatur geringfügig zunimmt. Dieser ist auf die höhere Entropie des Grundzustands 120 zurückzuführen. Der Übergangszustand 120-TS ist aufgrund des übergehenden Pro- tons starrer als der Grundzustand, sodass üblicherweise eine Entropieabnahme und somit Erhöhung der Gibbs-Energie beobachtet wird. Ein weiterer Anstieg der Temperatur von Raumtemperatur (298 K) zu 98 °C (371 K), was dem Siedepunkt des in den Experimenten als Lösemittel verwendeten n-Heptans entspricht, würde die Wahrscheinlichkeit des zu- grunde liegenden Prozesses somit weiter absenken. Beide Energiebeträge schließen eine spontane Reaktion bei leicht erhöhten Temperaturen, wie etwa Raumtemperatur, zwar aus, eine Deprotonierung des Liganden bei den eingesetzten erhöhten Temperaturen erscheint jedoch möglich. Dieser Widerspruch zu den experimentellen Beobachtungen lässt sich al- lerdings mithilfe der zuvor präsentierten Ergebnisse der theoretischen Untersuchung zur Deprotonierung des Toluols (Kapitel 4.2.3.3) erklären. Dabei wurde für die Monolithiierung Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 120 0 kJ·mol −1 C Li N 120-TS ΔH = 109 kJ·mol −1 ΔG298K = 121 kJ·mol −1 ΔG371K = 126 kJ·mol −1 Ergebnisse und Diskussion 59 eine Energiebarriere von 88 kJ·mol−1 beobachtet, welche signifikant niedriger liegt als die hier erhaltene Aktivierungsenergie der Liganddeprotonierung. Dies lässt vermuten, dass die erwünschte Deprotonierung des Substrats entscheidend wahrscheinlicher abläuft als eine Metallierung des Liganden. Sobald diese stattgefunden hat, ist anzunehmen, dass die zur Berechnung eingesetzte dimere Struktur 120 des Basensystems nicht mehr vorliegt, was eine weitere Nebenreaktion zu verhindern vermag. Die Deprotonierungsreaktion am Substrat scheint demnach in einer empfindlichen Konkurrenz zur Metallierung des Liganden zu stehen, wodurch sich entsprechende Limitierungen in der Anwendung des Basensys- tems ergeben. Ein erfolgreicher Einsatz in Deprotonierungsreaktionen ist demnach nur dann möglich, wenn die entsprechende Energiebarriere bedeutend niedriger als die für die Deprotonierung des Liganden beobachtete Aktivierungsenergie von 109 kJ·mol−1 liegt. In Analogie zu den zuvor durchgeführten Berechnungen zur Monometallierung des Toluols wäre auch bei der Metallierung des Chinuclidins (116) ein Mechanismus denkbar, bei wel- chem das Substrat an das dimere Basensystem 120 koordiniert. Die entsprechenden Mo- lekülgeometrien sowie die bei der Berechnung erhaltenen relativen Energien sind in Abbildung 4.21 dargestellt. Abbildung 4.21: Molekülgeometrien und relative Energien des hypothetischen Aggregats 137 einer Anlagerung von Chinuclidin (116) an das dimere Basensystem und des daraus resultierenden Übergangszustands 137-TS einer Deprotonierung des Chinuclidins (116) [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 137 0 kJ·mol −1 C Li N 137-TS ΔH = 80 kJ·mol −1 ΔG298K = 90 kJ·mol −1 ΔG371K = 95 kJ·mol −1 60 Ergebnisse und Diskussion Es zeigt sich, dass auf diese Weise eine deutlich verminderte Aktivierungsenergie von 80 kJ·mol−1 erhalten wird. Erneut wird eine durch die verringerte Entropie des Übergangs- zustand 137-TS bedingte Anhebung der Gibbs-Energie ΔG bei steigender Temperatur be- obachtet. Dies hätte zur Folge, dass die entsprechende Reaktion in deutlicher Konkurrenz zur Monolithiierung des Substrats stünde. Die Bildung des hypothetischen Aggregats 137 bedarf jedoch eines Überschusses an Ligand 116, welcher in den experimentell durchge- führten Untersuchungen jedoch nicht vorliegt. Des Weiteren liegt die Aktivierungsenergie der Metallierung des Chinuclidins hier mit 80 kJ·mol−1 nur unwesentlich niedriger als die Energiebarriere der gewünschten Metallierung des Toluols von 88 kJ·mol−1, sodass ein pa- ralleler Ablauf beider Prozesse zu erwarten wäre. Sobald lithiiertes Toluol vorliegt, wird zu dessen Stabilisierung allerdings ebenfalls Chinuclidin benötigt, wie die in Kapitel 4.2.3.1 präsentierte Festkörperstruktur des Benzyllithiums, welches durch drei Moleküle des Ligan- den koordiniert wird, zeigt. Auf diese Weise würde weiteres Chinuclidin verbraucht, sodass der benötige Überschuss des Liganden erneut verhindert würde. Die geringe Aktivierungsenergie von 88 kJ·mol−1 zur Deprotonierung des Toluols wurde aus einer hypothetischen monomeren Spezies heraus erhalten, welche durch eine Aufspaltung des dimeren Basensystems und einer Anlagerung des Substrats gebildet wird. Zum Ver- gleich wurde ein analoger Prozess für die Deprotonierung des Chinuclidins (116) modelliert. Als erster Schritt wurde die Bildung des hypothetischen monomeren Komplexes 138 gemäß Schema 4.9 berechnet, um die Energieänderung bei diesem Vorgang zu ermitteln. Schema 4.9: Bildung des hypothetischen monomeren Komplexes 138 durch Spaltung des dimeren Basensystems 120 und anschließender Anlagerung von Chinuclidin (116). Die Bildung des monomeren Komplexes 138 weist einen geringfügigen Energiebedarf von 0.6 kJ·mol−1 auf und erweist sich somit als chemisch sinnvoll. Wie zu erwarten ergibt sich für die Gibbs-Energie ΔG ein deutlich höherer Wert, da der Prozess eine Abnahme der Entropie zur Folge hat. Mit 24 bzw. 28 kJ·mol-1 bedingt dies jedoch keine Hinderung der Bildung des monomeren Komplexes 138. Er wurde aus diesem Grund einer weiteren Be- rechnung einer Deprotonierung des Chinuclidins (116) zugrunde gelegt. Die dabei erhalte- nen Molekülgeometrien und relativen Energien sind in Abbildung 4.22 dargestellt. Ergebnisse und Diskussion 61 Abbildung 4.22: Molekülgeometrien und relative Energien des hypothetischen monomeren Komplexes 138 und des daraus resultierenden Übergangszustands 138-TS der Deprotonierung eines Moleküls des Chinucli- dins (116) [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Zu der hier erhaltenen Aktivierungsenergie ist der Energiebedarf zur Bildung des monome- ren Komplexes 138 von 0.6 kJ·mol−1 hinzuzuaddieren, sodass sich eine gesamte Energie- barriere von 89 kJ·mol−1 ergibt. Diese liegt etwas höher als die für die dimere Ausgangs- spezies 137 erhaltene Barriere von 80 kJ·mol−1, repräsentiert jedoch einen vergleichbar wahrscheinlichen Prozess, welcher in Schema 4.10 zusammenfassend dargestellt ist. Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 138 0 kJ·mol −1 C Li N 138-TS ΔH = 88 kJ·mol −1 ΔG298K = 91 kJ·mol −1 ΔG371K = 92 kJ·mol −1 62 Ergebnisse und Diskussion Schema 4.10: Darstellung des Gesamtprozesses der Lithiierung des Chinuclidins (116) ausgehend von der monomeren Spezies 138. Erneut bedarf die Bildung des monomeren Ausgangskomplexes 138 allerdings eines Über- schusses an Chinuclidin (116), welcher in den durchgeführten Experimenten nicht vorlag. Es wird somit erneut deutlich, dass der Erfolg eines Einsatzes des dimeren Basensystem des Chinuclidin-stabilisierten tert-Butyllithium in Deprotonierungsreaktionen entscheidend von der Zusammensetzung des Reaktionssystems abhängt. Während die Energiebarriere der Metallierung des Substrats deutlich unter 109 kJ·mol−1 liegen muss, um eine Zerset- zung des Liganden Chinuclidin (116) aus der dimeren Spezies 120 heraus zu verhindern, muss zusätzlich ein Überschuss des Liganden vermieden werden, um dessen Metallierung als Nebenreaktion zu vermeiden. Werden diese Kriterien beachtet, eignet sich das Chinu- clidin-stabilisierte tert-Butyllithium 120 für vielzählige Deprotonierungsreaktionen, welche eine erhöhte Aktivierungsenergie aufweisen, da dieses System im Gegensatz zu häufig eingesetzten Additiven wie THF (2) oder TMEDA (3) nahezu verlustfrei bei erhöhter Reak- tionstemperatur einsetzbar ist. In Schema 4.11 werden die konkurrierenden Reaktionen, welche bei der Umsetzung von Toluol (122) mit tert-Butyllithium in Gegenwart von Chinuclidin (116) auftreten können, zu- sammenfassend dargestellt. Es zeigt sich, dass die zugrunde liegenden Aktivierungsener- gien ΔG298K in vielen Fällen nur geringfügige Unterschiede aufweisen, sodass keine se- lektive Reaktivität beobachtet werden kann. Dabei ist jedoch zu beachten, dass den ver- schiedenen dargestellten Prozessen unterschiedliche Mechanismen beruhen. Aus diesem Grund liegen den Reaktionen verschiedene stöchiometrische Verhältnisse zugrunde, wel- che in der unten dargestellten Übersicht jedoch nicht näher erläutert werden. Ergebnisse und Diskussion 63 Schema 4.11: Übersicht der konkurrierenden Reaktionen eines Gemisches von Chinuclidin, tert-Butyllithium und Toluol. Aufgrund der verschiedenen Reaktionsmechanismen unterliegen die einzelnen Reaktionen unterschiedlichen stöchiometrischen Verhältnissen, welche nicht näher angegeben werden. Die Angaben für ΔG298K stellen berechnete Werte dar [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. 4.2.3.5 Nebenreaktionen durch Zersetzung des Lithiumalkyls Während die eben beschriebene Deprotonierung des Additivs Chinuclidin (116) aufgrund der hohen Energiebarriere nicht beobachtet wurde, traten in einigen Umsetzungen Neben- produkte auf, welche ihrer mittels GC/EI-MS ermittelten Molekülstruktur nach auf einer Kopplung zwischen Substrat und Lithiumalkyl zu basieren scheinen. Vor allem bei Umset- zungen des Modellsubstrats Benzol (121) mit tert-Butyllithium wurde das Nebenprodukt 129 beobachtet. Diese Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungsknüpfung kann jedoch nicht von den eingesetzten Startmaterialien herrühren, da der zugrunde liegende Prozess, welcher in Schema 4.12 gezeigt ist, redoxchemisch nicht sinnvoll wäre. 64 Ergebnisse und Diskussion Schema 4.12: Hypothetischer redoxchemischer Prozess der C−C-Bindungsknüpfung zwischen Benzol (121) als Substrat und tert-Butyllithium (142) als Alkyllithiumreagenz. Neben der Tatsache, dass beide zu verknüpfenden Kohlenstoffatome des Substrats und des Reagenzes in dem in Schema 4.12 gezeigten Prozess oxidiert werden müssten, er- scheint vor allem die Bildung elementaren Lithiums (143) unwahrscheinlich. Zur Erklärung der experimentellen Beobachtung dieser Bindungsknüpfung wurde dementsprechend eine alternative Mechanismushypothese entwickelt. Während das als Additiv eingesetzte Chinu- clidin (116) zwar auch unter erhöhten Temperaturen stabil zu sein scheint, unterliegt das Organolithiumreagenz selbst einer thermischen Zersetzung. Wie in Schema 4.13 gezeigt wird unter Abspaltung von Lithiumhydrid (145) der ungesättigte Kohlenwasserstoff Isobuten (55) gebildet. Schema 4.13: Thermische Zersetzung des tert-Butyllithiums (142) unter Abspaltung von Lithiumhydrid (145). In Gegenwart ungesättigter Substrate können Alkyllithiumreagenzien nicht nur als starke Base dienen, um Deprotonierungen durchzuführen, sondern können auch Additionsreak- tionen an Mehrfachbindungen eingehen, was als Carbolithiierung bezeichnet wird. Dies kann nicht nur durch das als Reagenz eingesetzte tert-Butyllithium geschehen, sondern auch durch bereits deprotoniertes Benzol, also Phenyllithium (62), was in Schema 4.14 dargestellt ist. Schema 4.14: Angriff des Phenyllithiums (62) an Isobuten (55) und wässrige Aufarbeitung der lithiierten Spezies 146 zum beobachteten Nebenprodukt 129. Zur Überprüfung dieser Hypothese sollte die in Schema 4.14 dargestellte Carbolithiierung auch ausgehend von den kommerziell erhältlichen Startmaterialien Phenyllithium (62) und Isobuten (55) gezielt durchgeführt werden. Zu diesem Zweck wurde das gasförmige Edukt 55 zunächst bei einer Temperatur von −40 °C auskondensiert und mit 20 mL trockenem n-Heptan, welches durch langsames Herunterlaufen an der Gefäßwand ebenfalls stark ab- gekühlt wurde, sowie dem Additiv Chinuclidin (116) versetzt. Nach der Zugabe einer 2.0 M Lösung von Phenyllithium in Di-n-butylether wurde das Gemisch dann langsam auf Raum- Ergebnisse und Diskussion 65 temperatur erwärmt und anschließend für drei Stunden zum Rückfluss erhitzt. Nach an- schließender wässriger Aufarbeitung konnte das Kopplungsprodukt 129 jedoch nicht beob- achtet werden. Einziges zu beobachtendes Produkt waren geringe Mengen Biphenyl, wel- ches durch eine Reaktion des Phenyllithiums mit sich selbst hervorgeht. Der Misserfolg dieser Testreaktion stellt jedoch keinesfalls eine Widerlegung des postulierten Reaktions- mechanismus dar. Es ist vielmehr anzunehmen, dass eine Verwendung beider kommerziell erhältlicher Ausgangsverbindungen, welche somit zu Beginn der Reaktion jeweils in großen Mengen vorlagen, nicht den während der oben diskutierten Deprotonierungsreaktionen vor- liegenden Bedingungen entspricht. Bei Erhitzen des hier verwendeten Reaktionsgemisches kommt es anzunehmender Weise zu einem Entweichen des stark flüchtigen Isobutens (55) aus der Lösung, da es mit 7 °C einen äußerst geringen Siedepunkt aufweist. Wird der un- gesättigte Kohlenwasserstoff hingegen in situ während einer Deprotonierungsreaktion ge- bildet, herrschen völlig andere Stoffmengenverhältnisse. Es ist denkbar, dass die Bildung des Isobutens (55) aus einem reaktiven Aggregat heraus entsteht, in welchem alle Kompo- nenten des Reaktionsgemisches – Benzol, Chinuclidin, tert-Butyllithium – sowie bereits ge- bildetes Phenyllithium und Isobuten vorliegen. Auf diese Weise wird möglicherweise eine sofortige Weiterreaktion des flüchtigen Isobutens ermöglicht, welche durch die hier durch- geführte gezielte Reaktion nicht erreicht werden kann. Die hier beobachtete Reaktion unter Verwendung lithiumorganischer Reagenzien unterliegt demnach hoch komplexen Prozessen, welche durch eine simple Vermischung einzelner Komponenten nicht hinreichend nachgebildet werden können. Es zeigt sich erneut, dass die vielseitige Reaktivität dieser Verbindungsklasse längst nicht vollständig verstanden wur- de und die Kenntnis gebildeter Nebenprodukte und der zugrunde liegenden Mechanismen für eine effiziente Verwendung der Organolithiumbasen unabdinglich ist. Weitere Untersu- chungen sollten nun folgen, um die beobachtete Bildung des Koppelprodukts 129 zwischen Benzol bzw. Phenyllithium und tert-Butyllithium näher zu verstehen und bestenfalls Strate- gien zur Umgehung dieser unerwünschten Nebenreaktion zu erschließen. 4.2.4 Einsatz der dimeren Basensysteme in der Mikrowelle Abgesehen von den eben beschriebenen Zersetzungsreaktionen des Lithiumalkyls, welche zur Bildung geringer Anteile unerwünschter Nebenprodukte führen, stellten sich die dimeren Basensysteme von tert-Butyllithium bzw. iso-Propyllithium, jeweils stabilisiert durch Chinu- clidin, als außergewöhnlich thermisch stabil heraus. Auf diese Weise werden thermodyna- misch gehinderte Deprotonierungsreaktionen zugänglich, welche eine hohe Energiebarrie- re aufweisen und somit den Einsatz hoher Temperaturen erfordern. Eine weitere Möglich- keit, einer Reaktion bzw. einem chemischen System größere Mengen an Energie zuzufüh- ren, liegt in der Aktivierung mittels Mikrowellenstrahlung. Diese Methode hat sich in den letzten Jahren in der synthetischen Chemie etabliert und wurde auch im eigenen Arbeits- kreis bereits erfolgreich eingesetzt.[72] Die deutlich direktere Energieübertragung als beim klassischen Erhitzen des Lösemittels ermöglicht nicht nur die Überschreitung höherer Akti- vierungsenergien, sondern kann auch Reaktionszeiten drastisch verringern. Während die Verwendung der Mikrowellentechnologie in der organischen Synthese unter Einsatz luft- und feuchtigkeitsstabiler Substanzen gut etabliert ist, ist die Handhabung hochreaktiver Systeme in der Mikrowelle bisher nicht untersucht worden. Wenngleich der Umgang mit luft- und feuchtigkeitsempfindlichen Verbindungen mithilfe der Schlenk-Arbeitstechniken 66 Ergebnisse und Diskussion problemlos möglich ist, lassen sich derartige Techniken nur bedingt auf die Mikrowellen- technologie übertragen. Grund hierfür ist unter anderem die Bau- und Funktionsweise der Labormikrowelle, welche in Abbildung 4.23 dargestellt ist. Abbildung 4.23: Links: Glasgefäß a (15 mL) zur Durchführung von Reaktionen in der Mikrowelle, rechts: Labormikrowelle „Discover“ der Firma CEM; Öffnung b zur Einführung des Reaktionsgefäßes, beweglicher Kopf c zum Verschließen des Geräts. Für die Durchführung von Reaktionen in der Labormikrowelle stehen die in Abbildung 4.23 links dargestellten, mit einem Silikondeckel verschließbaren, Glasgefäße a zur Verfügung, welche in die Öffnung b der Mikrowelle eingeführt werden. Während der Versuchsdurch- führung verschließt der bewegliche Kopf c der Mikrowelle dieses Gefäß, indem er darüber- fährt und mithilfe eines absenkbaren Stempels von oben Druck auf den Deckel ausübt. Auf diese Weise können Reaktionen bei sehr hohen Drücken durchgeführt werden. Die Befül- lung und Handhabung der Glasgefäße a unter Schutzgasatmosphäre ist dabei jedoch nicht vorgesehen. Da sich die Chinuclidin-basierten Basensysteme bisher problemlos bei hohen Temperaturen anwenden ließen, sollten die entsprechenden Techniken zur Handhabung der Systeme mithilfe der Mikrowellentechnik erarbeitet werden. Die erste Schwierigkeit liegt dabei in der Vorbereitung der Reaktionslösung. Aufgrund der hohen Luft- und Feuchtigkeitsempfindlichkeit der Organolithiumverbindungen muss die Handhabung zwingend unter Schutzgasatmosphäre erfolgen. Da die Glasgefäße a jedoch wie in Abbildung 4.23 gezeigt lediglich mittels einer Silikonkappe verschlossen werden, ist eine Probenabfüllung mithilfe einer Glovebox nicht möglich, da hierbei ein externes Vakuum während des Ausschleusens der Probe anzuwenden ist. In Zusammenarbeit mit der im eigenen Haus befindlichen wissenschaftlichen Werkstätten für Glasapparatebau wurde deshalb die in Abbildung 4.24 dargestellte Apparatur erster Generation entwickelt, mit welcher die Handhabung der Glasgefäße a unter Schutzgasatmosphäre möglich ist. a b c Ergebnisse und Diskussion 67 Abbildung 4.24: In Zusammenarbeit mit den Werkstätten für Glasapparatebau entwickelte Apparatur erster Generation zur Handhabung luft- und feuchtigkeitsempfindlicher Substanzen in der Mikrowelle. Dabei ermöglicht die weite Öffnung d des Gefäßes, Mikrowellengefäße unterschiedlicher Durchmesser einzuführen. Mithilfe des Hahns e ist das Anlegen von Vakuum und Schutz- gas entsprechend der üblichen Schlenk-Arbeitsweise möglich. Durch die leicht erniedrigte Lage des Mikrowellengefäßes a in der Apparatur ist eine vollständige Umspülung durch das Schutzgas gewährleistet, sodass eine sichere Befüllung im Schutzgasgegenstrom ermög- licht wird. Auch ein Verschließen des Gefäßes a mittels der Silikonkappe ist aufgrund der weiten Öffnung im Gegenstrom möglich. Auf diese Weise kann das gewünschte Reaktions- gemisch unter Schutzgasatmosphäre vorbereitet und schließlich in die Mikrowelle überführt werden. Nach beendeter Reaktion kann das Reaktionsgemisch erneut in die Apparatur ein- geführt werden, um dort unter Schutzgasatmosphäre abzukühlen und nach dem Öffnen mithilfe von Einwegspritzen zur weiteren Verwendung in Standard-Schlenk-Apparaturen überführt werden. Das Erhitzen mithilfe der Mikrowellentechnologie setzt jedoch eine Anregbarkeit des Sys- tems durch Schwingung voraus. In der Regel werden dafür polare Lösemittel wie Ether eingesetzt, welche sich aufgrund ihres Dipolmoments mithilfe der Mikrowellenstrahlung an- regen lassen und somit erhitzen. Die auf diese Weise erzeugte Energie wird dann an die darin gelösten Substanzen weitergeben. Im Rahmen dieser Arbeit sollen jedoch unpolare Lösemittel verwendet werden, um Nebenreaktionen durch Angriffe des Lithiumalkyls am Solvens zu vermeiden. Aus diesem Grund ist eine direkte Anregung des Systems durch die Mikrowellenstrahlung vonnöten, welche durch ein entsprechendes Dipolmoment des Ag- gregats hervorgerufen werden kann. In Abbildung 4.25 ist das quantenchemisch ermittelte Dipolmoment des Chinuclidin-stabilisierten tert-Butyllithiums dargestellt. d e a 68 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.25: Darstellung des quantenchemisch ermittelten Dipolmoments von 5.66 Debye des Chinuclidin- stabilisierten Dimers des tert-Butyllithiums 120 [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Aufgrund der sattelförmigen Anordnung der beiden Ligandmoleküle und der tert-Butylreste weist das Aggregat eine geringere Symmetrie als das parentale Tetramer des tert-Butylli- thiums auf, wodurch ein ausgeprägtes Dipolmoment hervorgerufen wird. Auf diese Weise wird verdeutlicht, dass eine Anwendung des reinen tert-Butyllithiums in Abwesenheit des deaggregierenden Chinuclidins keine Reaktivität bzw. Anregbarkeit in der Mikrowelle er- warten lässt. Die hohe Energieeinstrahlung mittels der Mikrowellentechnologie allein ist so- mit nicht ausreichend, um die gewünschte Reaktivität hervorzurufen. Erst durch die Wahl eines geeigneten Additivs, welches ein unsymmetrisches Aggregat auszubilden vermag und zeitgleich selbst Angriffen des Lithiumalkyls gegenüber beständig ist, wird eine synthe- tische Anwendbarkeit einer Organolithiumbase für mikrowellengestützte Synthesen eröff- net. Um dies für die hier vorgestellten Basensysteme experimentell zu untersuchen, wurden die Deprotonierungsreaktionen an den Modellsubstraten Benzol (121) und Toluol (122) in der Mikrowelle wiederholt. Als erster Testversuch wurde zunächst das Substrat Toluol (122) mit je einem Äquivalent Chinuclidin (116) und Lithiumalkyl in n-Heptan versetzt und anschlie- ßend für zehn Minuten in der Mikrowelle erhitzt. Dabei wurde der bisher nicht eindeutig geklärte Effekt genutzt, dass Lösemittel in der Mikrowelle einen höheren Siedepunkt als beim konventionellen Erhitzen aufweisen.[73] Auf diese Weise konnten die Reaktionen bei einer Temperatur von 120 °C (statt 98 °C Siedepunkt des n-Heptans bei konventionellem Erhitzen) durchgeführt werden. Zur Überprüfung, ob die prinzipielle Idee der Deproton- ierung mittels Alkyllithiumbasen in der Mikrowelle anwendbar ist, wurde zunächst ein Ge- misch von Toluol mit jeweils einem Äquivalent tert-Butyllithium und Chinuclidin in n-Heptan versetzt und in einem verschlossenen Gefäß in der Mikrowelle erhitzt. Nach einer Aufheiz- phase, in welcher bis zum Erreichen der gewünschten Temperatur (hier 120 °C) eine Leis- tung von 300 W eingesetzt wird, wurde die Lösung für weitere fünf Minuten mit variabler Leistung bei dieser Temperatur gehalten. Anschließend wurde die Reaktionslösung auf −30 °C abgekühlt und mit einem Äquivalent Trimethylzinnchlorid abgefangen. Das da- raufhin erhaltene Gaschromatogramm der Rohproduktlösung ist in Abbildung 4.26 darge- stellt. Ergebnisse und Diskussion 69 Abbildung 4.26: Gaschromatogramm der Umsetzung von Toluol (122) mit je einem Äquivalent tert-Butyllithium und Chinuclidin in der Mikrowelle und anschließender Abfangreaktion mit Me3SnCl. Trotz der sehr kurzen Reaktionszeit von nur fünf Minuten wird kein verbleibendes Toluol beobachtet, sodass von einem vollständigen Umsatz des Edukts ausgegangen werden kann. Wie auch schon bei den oben vorgestellten Reaktionen unter konventionellem Erhit- zen wird auch hier die Bildung des zweifach substituierten Produkts 127 beobachtet. Das unter dem Einsatz nur eines Äquivalents des Basensystem erwartete einfach substituierte Produkt 126 tritt in deutlich geringerer Menge auf. Auffällig ist zudem das Auftreten nicht unerheblicher Mengen des dreifach substituierten Produkts 128, welches bei der Reaktion unter konventionellem Erhitzen ebenfalls beobachtet wurde. Im Vergleich mit den in reflux- ierendem n-Heptan durchgeführten Experimenten besteht der bedeutendste Unterschied jedoch in der hier beobachteten Selektivität der Umsetzung. Während zuvor die Bildung einiger (unerwünschter) Nebenprodukte auftrat, wird deren Auftreten hier nahezu vollstän- dig unterbunden. Dies betrifft insbesondere die in Abschnitt 4.2.3.5 beschriebenen Neben- produkte der Kopplung zwischen Alkylrest und Substrat. Wie zuvor bereits erwähnt, bietet die Mikrowelle eine deutlich direktere Energiezufuhr auf das Substrat an, woraus höhere Reaktivitäten erwachsen können. Es wäre von daher mög- lich, dass bereits katalytische Mengen des Additivs zur (Mehrfach-)Metallierung des Sub- strats eingesetzt werden können. Zur Überprüfung dieser Annahme wurde ein entsprech- endes Wiederholungsexperiment durchgeführt, in welchem neben einem Äquivalent der Base tert-Butyllithium nur 0.1 Äquivalente Chinuclidin (116) eingesetzt wurde. Das erhalte- ne Rohproduktchromatogramm ist in Abbildung 4.27 dargestellt. Abbildung 4.27: Gaschromatogramm der mikrowellenunterstützen Umsetzung von Toluol (122) mit einem Äquivalent tert-Butyllithium und 0.1 Äquivalente Chinuclidin (116). 70 Ergebnisse und Diskussion Bezogen auf die hauptsächlich gebildeten Produkte 126, 127 und 128 lassen sich keine deutlichen Unterschiede zur Umsetzung mit äquimolaren Mengen beider Basenkomponen- ten (vgl. Abbildung 4.26) erkennen. Erneut wurde kein verbleibendes Toluol (122) beobach- tet, sodass auch bei einem Einsatz katalytischer Mengen des Additivs von einer hohen Re- aktivität des Basensystems ausgegangen werden kann. Auffallend ist jedoch die gesteiger- te Bildung diverser Nebenprodukte im Vergleich zur Verwendung äquimolarer Mengen Chi- nuclidin (116). Die dort angesprochene hohe Selektivität zugunsten der mono-, di- und tri- substituierten Produkte scheint hier verlorenzugehen, was durch das Auftreten zahlreicher, jedoch nicht besonders intensiver Nebenproduktsignale deutlich wird. Insofern eine Abtren- nung dieser Nebenprodukte gelingen kann, böte der Einsatz nur katalytischer Mengen Chi- nuclidin (116) eine denkbare Möglichkeit zum ressourcenschonenden Einsatz des Basen- systems. In Anbetracht der hohen Energieeinstrahlung durch die Mikrowelle sowie durch die nahezu unveränderte Produktverteilung bei starker Reduzierung des Additivs kann zusätzlich ver- mutet werden, dass die Anwesenheit des Chinuclidins (116) nicht für die erfolgreiche (Mehr- fach-)Metallierung des Toluols (122) vonnöten ist. Geklärt werden sollte diese Vermutung durch ein entsprechendes Experiment in Abwesenheit des Additivs. Durch eine erhöhte Reaktionszeit von 30 Minuten sollte eine gegebenenfalls niedrigere Reaktivität der Alkylli- thiumbase ausgeglichen werden. Das Gaschromatogramm dieser Umsetzung ist in Abbildung 4.28 dargestellt. Abbildung 4.28: Gaschromatogramm der Umsetzung von Toluol (122) in Abwesenheit von Chinuclidin (116) über 30 Minuten in der Mikrowelle. Es wurde dabei offensichtlich, dass die Anwesenheit selbst geringer Mengen des Additivs Chinuclidin (116) einen entscheidenden Einfluss auf die Reaktivität des tert-Butyllithiums nimmt. Ohne dessen Zugabe wird, wie Abbildung 4.28 verdeutlicht, die Bildung uner- wünschter Nebenprodukte begünstigt. Allein das bei einer Retentionszeit von etwa sieben Minuten auftretende monofunktionalisierte Produkt 126 lässt darauf schließen, dass eine Deprotonierung des Toluols (122) auch durch tert-Butyllithium allein möglich ist. Das Ne- benprodukt mit der höchsten Signalintensität wird bei einer Retentionszeit von etwas unter sechs Minuten beobachtet. Das danebenstehende, deutlich schwächere Signal bei einer Retentionszeit von etwas über sechs Minuten weist laut Massenspektrum dieselbe Mole- külmasse auf. Es handelt sich bei den zugrunde liegenden Substanzen offenbar um Isome- re des Kopplungsprodukts 147 zwischen Toluol (122) und dem tert-Butylrest der eingesetz- ten Organolithiumbase. Auch das zweite, deutlich auftretende Nebenprodukt 148 bei einer Ergebnisse und Diskussion 71 Retentionszeit von etwa neun Minuten scheint auf eine derartige Kopplungsreaktion zu- rückzuführen zu sein, jedoch erfolgte hier auch eine Funktionalisierung durch Metallierung und anschließendes Abfangen mit dem als Elektrophil eingesetzten Trimethylchlorstannan. Es wird deutlich, dass die Zugabe von Chinuclidin (116) für eine erfolgreiche und selektive Umsetzung des Substrats unabdingbar ist. Die soeben vorgestellten Versuche zeigen deutlich, dass die Anwendung des dimeren Ba- sensystems tert-Butyllithium/Chinuclidin 120 in Deprotonierungsreaktionen in der Mikrowel- le möglich und zielführend ist. Vor allem die im Vergleich zu den Experimenten mit konven- tionellem Erhitzen hohe Selektivität und kurze Reaktionszeit bei gleichzeitig hohen Anteilen doppelt und auch dreifach substituierter Produkte motivierte zur Durchführung der in Schema 4.15 skizzierten Versuchsreihe zur gezielten Mehrfachfunktionalisierung einfacher Substrate. Neben dem zuvor eingesetzten tert-Butyllithium sollte dabei auch das sekundäre iso-Propyllithium Verwendung finden, welches ebenfalls in Gegenwart von Chinuclidin (116) als dimeres Aggregat vorliegt. Da ausgehend von den bisherigen Ergebnissen nun eine gezielte Mehrfachfunktionalisierung der Substrate angestrebt wurde, sollte eine Erhöh- ung der Menge der zugegebenen Base auf zwei Äquivalente die Bildung der entsprechen- den Produkte begünstigen. Die Durchführung bei verschiedenen Reaktionszeiten sollte zu- sätzlich den Einfluss dieses Parameters auf die Produktverteilung verdeutlichen. Neben dem bisher eingesetzten Substrat Toluol (122) sollte die Versuchsreihe auch das zweite Modellsubstrat Benzol (121) berücksichtigen. Zur weiteren Evaluation der Basenstärke beider Systeme wurden mit Tetramethylsilan (149) und Hexamethyldisilan (150) zwei sehr geringfügig C−H-acide Verbindung in die Reihe der Modellsubstrate aufgenommen. Schema 4.15: Untersuchung des Einflusses von Substrat, Reagenz und Zeit auf die Metallierung der Substanzen 121, 122, 149 und 150 in der Mikrowelle. Zur systematischen Untersuchung dieser Parameter wurde die in Schema 4.16 dargestellte und in Tabelle 4.3 zusammengefasste Versuchsreihe sowohl mit tert-Butyl- als auch iso-Propyllithium in der Mikrowelle durchgeführt. Die Reaktionszeiten lagen dabei bei zehn, 30 und 60 Minuten. Nach einer anschließenden Abfangreaktion mit Trimethylchlorstannan (151) wurden die Rohproduktgemische mittels massenspektrometriegekoppelter Gaschro- matographie untersucht. Ziel war dabei nicht der Erhalt der jeweiligen Reaktionsprodukte in Form reiner Substanzen, weswegen keine Auftrennung des Produktgemisches erfolgte. Stattdessen zielten die Versuche darauf ab, die synthetischen Möglichkeiten und Ein- schränkungen der Basensysteme zu ermitteln. 72 Ergebnisse und Diskussion Schema 4.16: Mikrowellengestützte Deprotonierung der Substrate 121, 122, 149 und 150 unter Verwendung der Lithiumalkyle tert-Butyllithium (R2 = tBu) und iso-Propyllithium (R2 = iPr) mit verschiedenen Reaktionszeiten t. Tabelle 4.3: Eingesetzte Substrate, Reagenzien und Reaktionszeiten t in der Versuchsreihe zur mikrowellen- gestützten Deprotonierung mittels Alkyllithiumbasen in Gegenwart äquimolarer Mengen Chinuclidin (116). Eintrag Substrat R−Li t [min] 1a Benzol (121) tBuLi 10 1b Benzol (121) tBuLi 30 1c Benzol (121) tBuLi 60 1d Benzol (121) iPrLi 10 1e Benzol (121) iPrLi 30 1f Benzol (121) iPrLi 60 2a Toluol (122) tBuLi 10 2b Toluol (122) tBuLi 30 2c Toluol (122) tBuLi 60 2d Toluol (122) iPrLi 10 2e Toluol (122) iPrLi 30 2f Toluol (122) iPrLi 60 3a Tetramethylsilan (149) tBuLi 10 3b Tetramethylsilan (149) tBuLi 30 3c Tetramethylsilan (149) tBuLi 60 3d Tetramethylsilan (149) iPrLi 10 3e Tetramethylsilan (149) iPrLi 30 3f Tetramethylsilan (149) iPrLi 60 4a Hexamethyldisilan (150) tBuLi 10 4b Hexamethyldisilan (150) tBuLi 30 4c Hexamethyldisilan (150) tBuLi 60 4d Hexamethyldisilan (150) iPrLi 10 4e Hexamethyldisilan (150) iPrLi 30 4f Hexamethyldisilan (150) iPrLi 60 Als übergreifende Erkenntnis stellte sich dabei heraus, dass die verwendete Reaktionszeit t nahezu keinen Einfluss auf die Produktverteilung zu haben scheint. Bei allen durchgeführ- ten Experimenten gleichen sich die erhaltenen Gaschromatogramme der Rohproduktgemi- sche weitestgehend. Dies unterstreicht einen der größten Vorteile der Mikrowellentechnik, da bereits nach kürzesten Reaktionszeiten hohe bzw. vollständige Umsätze beobachtet werden. Zur Einschätzung der Einflüsse der verbleibenden Parameter, Substrat und Rea- genz, genügt also der Vergleich beider Deprotonierungsexperimente über zehn Minuten (pro Substrat Einträge a und d in Tabelle 4.3). Ergebnisse und Diskussion 73 4.2.4.1 Mikrowellengestützte Deprotonierung von Benzol (121) Bei der Deprotonierung des Benzols (121) in refluxierendem n-Heptan zeigte sich, dass auch nach einer Reaktionszeit von sechs Stunden nur geringe Anteile der mehrfachfunk- tionalisierten Produkte gebildet wurden. Auffällig waren dort die auf Kohlenstoff-Kohlen- stoff-Bindungsknüpfungen basierenden Nebenprodukte, deren Entstehung in Abschnitt 4.2.3.5 näher erläutert wurde. Bei der mikrowellengestützten Wiederholung des Experi- ments mit tert-Butyllithium wurde eine vergleichbare Produktverteilung beobachtet, wie das in Abbildung 4.29 gezeigte Gaschromatogramm zeigt. Abbildung 4.29: Gaschromatogramm der mikrowellengestützten Deprotonierung von Benzol (121) mittels zwei Äquivalenten tert-Butyllithium und Chinuclidin (116). Als Hauptprodukt konnte hier das monofunktionalisierte Phenylstannan 125 identifiziert werden. Bei einer Retentionszeit von etwa fünf Minuten tritt jedoch auch eine nennenswerte Menge des Kopplungsprodukts 129 auf. Bei Retentionszeiten von etwa acht bzw. etwas über neun Minuten wurden isomere Produkte einer Mehrfachfunktionalisierung beobachtet, wie sie auch schon im konventionell erhitzten Experiment auftraten. Eine neue Beobach- tung besteht in der zusätzlich auftretenden Verbindung 152, welche anhand der Molekül- masse und dem Fragmentierungsmuster im Massenspektrum als Deprotonierungsprodukt des Isobutens postuliert wurde. Insgesamt scheint durch den Einfluss der Mikrowellenstrah- lung demnach die beschriebene Zersetzung des Lithiumalkyls verstärkt aufzutreten, wo- durch die Bildung der daraus resultierenden Nebenprodukte begünstigt werden. Im analo- gen Experiment unter Verwendung des iso-Propyllithiums wird diese Beobachtung bestä- tigt, was durch das in Abbildung 4.30 gezeigte Gaschromatogramm des Rohproduktge- mischs verdeutlicht wird. 74 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.30: Gaschromatogramm der mikrowellengestützten Deprotonierung von Benzol (121) mittels zwei Äquivalenten iso-Propyllithium und Chinuclidin (116). Das monofunktionalisierte Produkt 125 wird zwar auch hier als Hauptprodukt beobachtet, jedoch treten im Vergleich zum tert-Butyllithium deutlich größere Mengen unerwünschter Nebenprodukte auf. Neben dem Kopplungsprodukt 132 wird auch hier ein Produkt 154 be- obachtet, welches sich auf die Deprotonierung des bei Zersetzung des iso-Propyllithium entstehenden Propens zurückführen lässt. Das verstärkte Auftreten dieser Nebenprodukte steht in guter Übereinstimmung mit der Beobachtung erheblicher Mengen des unreagierten Elektrophils Trimethylchlorstannan (151) sowie dessen Verunreinigung durch die korres- pondierende Bromverbindung 153. Tritt eine vermehrte Zersetzung des Lithiumalkyls auf, entweicht eine entsprechende Menge des Lithiums in Form unlöslichen Lithiumhydrids aus dem Reaktionsgemisch und steht nicht für Abfangreaktionen mit dem Elektrophil 151 zur Verfügung. Das im Vergleich zum tert-Butyllithium gesteigerte Auftreten dieser Zersetzung lässt vermuten, dass die Abbaureaktion des iso-Propyllithiums in der Mikrowelle stärker bevorzugt wird. Durch entsprechend geringere Mengen zur Verfügung stehenden Lithium- alkyls ist auch die Bildung mehrfachsubstituierter Produkte des Benzols eingeschränkt, so- dass sie hier nicht beobachtet wird. Die vergleichbare Reaktivität beider eingesetzter Alkyl- lithiumverbindungen im konventionell erhitzten Experiment lässt sich somit in der Mikro- welle nicht reproduzieren. Die zweifache Deprotonierung des Benzols konnte in keinem der durchgeführten Experimente in zufriedenstellenden Mengen bewerkstelligt werden und bleibt demnach eine synthetische Herausforderung. 4.2.4.2 Mikrowellengestützte Deprotonierung von Toluol (122) Wenngleich erfolgreiche (Mehrfach-)Lithiierungen bzw. -Funktionalisierungen an Toluol (122) bereits unter Verwendung nur eines Äquivalents der Basensysteme durchgeführt wer- den konnten, soll die Untersuchung dieses Substrats im Rahmen der Versuchsreihe auch in Gegenwart der doppelten Basenmenge erfolgen. Dadurch soll geklärt werden, ob eine simple Verdopplung der Äquivalente beider Basenkomponenten den Anteil der gewünsch- ten mehrfachfunktionalisierten Produkte zielführend erhöhen kann. In Abbildung 4.31 ist das Gaschromatogramm der Umsetzung des Toluols in Gegenwart von je zwei Äquivalen- ten tert-Butyllithium und Chinuclidin (116) gezeigt. Ergebnisse und Diskussion 75 Abbildung 4.31: Gaschromatogramm der mikrowellengestützten Deprotonierung von Toluol (122) mittels zwei Äquivalenten tert-Butyllithium/Chinuclidin. Es zeigt sich, dass die isomeren zweifachfunktionalisierten Abfangprodukte des Toluols 127 als eines der Hauptprodukte gebildet wurden. Auch die dreifachsubstituierten Spezies 128 wurden in nennenswerten Mengen bei einer Retentionszeit von etwas über elf Minuten be- obachtet. Das monosubstituierte Produkt 126 liegt nur in geringer Menge vor. Im Vergleich zur Reaktion mit nur einem Äquivalent der Base (vgl. Abbildung 4.26) zeigt sich eine deut- lich geringere Selektivität, welche mit der Bildung zahlreicher Nebenprodukte einhergeht, welche in Abbildung 4.32 dargestellt sind. Abbildung 4.32: Bei der Umsetzung von Toluol (122) mit zwei Äquivalenten tert-Butyllithium und Chinuclidin gebildete Nebenprodukte durch Zersetzung des tert-Butyllithiums zu Isobuten (55). Neben den isomeren Kopplungsprodukten 147 bei einer Retentionszeit von etwa sechs Mi- nuten wird die zusätzliche Funktionalisierung durch eine tert-Butylgruppe auch beim drei- fachsubstituierten Produkt beobachtet, was zur Bildung der isomeren Produkte 155 führt. Wie schon bei der Umsetzung des Benzols (121) werden auch hier Produkte der Deproto- nierung des durch thermische Zersetzung des tert-Butyllithiums entstehenden Isobutens (55) beobachtet. Neben einer zweifachen Metallierung, deren Abfangprodukt 152 bei etwas unter acht Minuten zu beobachten ist, wird hier auch das dreifachsubstituierte Analogon 156 bei einer Retentionszeit von knapp 13 Minuten gefunden. Die erhöhte Menge des Ba- sensystems scheint hier also die Verteilung der gewünschten Produkte nicht bedeutend zu beeinflussen. Das Auftreten zahlreicher Nebenprodukte stellt einen zusätzlichen Nachteil gegenüber der Umsetzung mit nur einem Äquivalent der Base dar. Im analogen Experiment unter Einsatz von zwei Äquivalenten des Basensystems von iso-Propyllithium und Chinuclidin (116) wurde erneut eine etwas geringere Reaktivität des Systems deutlich. Das erhaltene Gaschromatogramm der mikrowellengestützten Umset- zung ist in Abbildung 4.33 gezeigt. 76 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.33: Gaschromatogramm der mikrowellengestützten Umsetzung von Toluol (122) mit zwei Äquivalenten iso-Propyllithium/Chinuclidin. Ausgehend von den beobachteten Signalen verhält sich die sekundäre Alkyllithiumverbin- dung iso-Propyllithium jedoch nur geringfügig anders als das zuvor verwendete tert-Butyl- lithium. Neben der erhöhten Menge des monofunktionalisierten Produkts bei einer Reten- tionszeit von etwa sieben Minuten werden erneut deutliche Signale des zweifach- (127) und dreifachsubstituierten Produkts 128 beobachtet. Wie bereits bei der Umsetzung des Ben- zols tritt auch hier unverbrauchtes Elektrophil auf, was auf eine Zersetzung des Lithiumal- kyls hindeutet. Bestärkt wird diese Vermutung durch das wiederholte Auftreten diverser Kopplungsprodukte des Substrats mit dem iso-Propylrest des Alkyllithiumreagenzes. Zu diesen zählen neben dem bei knapp über fünf Minuten auftretenden Isobutylbenzol (157) die iso-Propyl-funktionalisierten Verbindungen 158 bei etwa achteinhalb Minuten. Analog zur Umsetzung des Toluols (122) mit zwei Äquivalenten tert-Butyllithium wird auch hier eine geringere Selektivität der Deprotonierungsreaktion beobachtet. Die Verwendung der dop- pelten Basenmenge erweist sich bei der Umsetzung des Toluols (122) demnach als wenig zielführend. Das Verhältnis des zweifach (127) oder dreifach (128) deprotonierten und mit Trimethylchlorstannan abgefangenen Produkts zum monofunktionalisierten 126 wurde durch die Erhöhung der Äquivalente nicht maßgeblich beeinflusst. Die Verwendung nur ei- nes Äquivalents des Lithiumreagenzes und des Additivs Chinuclidin (116) führt zur Bildung eines deutlich weniger komplexen Produktgemisches und bietet somit die bessere synthe- tische Anwendbarkeit, wenngleich dies möglicherweise auf Kosten der Ausbeute geschieht. 4.2.4.3 Mikrowellengestützte Deprotonierung von Tetramethylsilan (149) Aufgrund der in den bisherigen Experimenten ermittelten hohen Reaktivität der untersuch- ten Basensysteme wurde die Reihe der untersuchten Modellsubstrate um das gering C−H- acide und als chemisch verhältnismäßig inert geltende Tetramethylsilan (149) erweitert. Eine erfolgreiche Deprotonierung dieses Substrats würde die hohe Basenstärke weiter un- terstreichen. Aufgrund der Möglichkeiten zur Funktionalisierung wäre auch eine mehrfache Lithiierung synthetisch wertvoll und deshalb wünschenswert. In Abbildung 4.34 ist das Gas- chromatogramm der Rohproduktlösung einer mikrowellengestützten Umsetzung des Tetra- methylsilans (149) mit zwei Äquivalenten tert-Butyllithium/Chinuclidin dargestellt. Ergebnisse und Diskussion 77 Abbildung 4.34: Gaschromatogramm der mikrowellengestützten Deprotonierung von Tetramethylsilan (149) mittels zwei Äquivalenten tert-Butyllithium/Chinuclidin. Erfreulicherweise wird das Abfangprodukt 160 der Monometallierung als Hauptprodukt bei dieser Umsetzung beobachtet. Auch eine zweifache Deprotonierung konnte erfolgreich durchgeführt werden, was durch das difunktionalisierte Produkt 161 bei einer Retentionszeit von etwa acht Minuten deutlich wird. Es treten zusätzlich zwei Produkte auf, die aufgrund ihrer hohen Retentionszeit und ihres Aufspaltungsmusters im jeweiligen Massenspektrum dem dreifach (162) sowie dem vierfach substituierten Produkt 163 zugeschrieben wurden. Die hohe Reaktivität des eingesetzten Basensystems spiegelt sich also auch in diesem Deprotonierungsexperiment wider. Neben der Beobachtung des unverbrauchten Elektro- phils 151 treten hier erneut Nebenprodukte auf, welche auf die Zersetzung des tert-Butylli- thiums zurückzuführen sind. Es handelt sich dabei hauptsächlich um das mono- (159) und das difunktionalisierte Isobuten (152). Im Vergleich zu den zuvor gezeigten Umsetzungen des Toluols (122) und des Benzols (121) fallen die Anteile der unerwünschten Nebenpro- dukte hier geringer aus. Die mikrowellengestützte Deprotonierung scheint demnach eine geeignete Methode zur (Mehrfach-)Funktionalisierung des ansonsten als chemisch ver- gleichsweise inert geltenden Tetramethylsilans (149) darzustellen. Wie schon zuvor wurde auch hier ein vergleichendes Wiederholungsexperiment unter Ver- wendung zweier Äquivalente iso-Propyllithium/Chinuclidin durchgeführt. Das dabei erhalte- ne Gaschromatogramm der Rohproduktlösung ist in Abbildung 4.35 gezeigt. Abbildung 4.35: Gaschromatogramm der mikrowellengestützten Deprotonierung von Tetramethylsilan (149) mittels zwei Äquivalenten iso-Propyllithium/Chinuclidin. 78 Ergebnisse und Diskussion Im Gegensatz zu den bisherigen mikrowellengestützten Deprotonierungsreaktionen wird hier ein erheblicher Unterschied des iso-Propyllithiums im Vergleich zu seinem tertiären Analogon festgestellt. Das Auftreten großer Mengen unverbrauchten Elektrophils 151 weist auf eine starke Zersetzung des Reagenzes während der Reaktion hin. Mit dieser Vermu- tung übereinstimmend werden hauptsächlich Nebenprodukte bedingt durch die Zersetzung des iso-Propyllithiums zu Propen beobachtet. Bei einer Retentionszeit von etwa sieben- einhalb Minuten tritt das Produkt 154 der zweifachen Deprotonierung und Funktionalisie- rung des Propens auf. Trotz der vorherrschenden Nebenreaktionen wird jedoch auch die Bildung des monosubstituierten Tetramethylsilans 160 beobachtet. Das zuvor in großen Mengen beobachtete Produkt 161 der Zweifachfunktionalisierung bei einer Retentionszeit von etwa acht Minuten wird hier nur in Spuren beobachtet. Es zeigt sich, dass die Deprotonierung des Tetramethylsilans (149) in der Mikrowelle nur mithilfe des tert-Butyllithiums zielführend durchgeführt werden kann. Das übermäßige Auf- treten zersetzungsbedingter Nebenprodukte bei der Verwendung von iso-Propyllithium deutet darauf hin, dass die Zersetzung in diesem Fall der gewünschten Deprotonierung gegenüber bevorzugt eintritt. 4.2.4.4 Mikrowellengestützte Deprotonierung von Hexamethyldisilan (150) Nachdem gezeigt werden konnte, dass zumindest das dimere Basensystem des tert-Butyl- lithiums mit Chinuclidin (116) zur Deprotonierung des gering C−H-aciden Tetramethylsilans (149) eingesetzt werden konnte, sollte die entsprechende Reaktion nun für Hexamethyldi- silan (150) untersucht werden. Während lithiiertes Tetramethylsilan in Form einer (Trime- thylsilyl)methyllithium kommerziell erhältlich ist und somit für synthetische Anwendungen bereits zur Verfügung steht, kann eine Funktionalisierung des Hexamethyldisilans aufgrund der Unzugänglichkeit des lithiierten Disilans bisher nicht erfolgen. Zur Prüfung, ob die hier eingesetzten Basensysteme diese synthetische Lücke zu schließen vermögen, wurde das entsprechende mikrowellengestützte Deprotonierungsexperiment zunächst unter Verwen- dung von zwei Äquivalenten des tert-Butyllithiums durchgeführt. Das dabei erhaltene Gas- chromatogramm der Rohproduktlösung ist in Abbildung 4.36 dargestellt. Abbildung 4.36: Gaschromatogramm der mikrowellengestützten Deprotonierung von Hexamethyldisilan (150) mittels zwei Äquivalenten tert-Butyllithium und Chinuclidin. Ergebnisse und Diskussion 79 Als Hauptprodukt wurde bei dieser Umsetzung das Abfangprodukt 164 des monolithiierten Hexamethyldisilans bei einer Retentionszeit von etwa sechseinhalb Minuten erhalten. Zu- sätzlich treten bei knapp unter zehn Minuten auch die beiden isomeren difunktionalisierten Produkte 165 und 166 auf, neben geringen Mengen der dreifachsubstituierten Produkte 167. In der hier durchgeführten Deprotonierung gelang die synthetisch anspruchsvolle Funktionalisierung des Hexamethyldisilans (150) demnach in zufriedenstellender Weise. Im Vergleich zu den vorangegangenen Experimenten an Tetramethylsilan (149) fällt der Anteil unerwünschter Nebenprodukte hier auffallend gering aus. Es wird lediglich das monofunk- tionalisierte Isobuten 159 bei einer Retentionszeit von etwa vier Minuten beobachtet. Dies deutet auf eine Bevorzugung der Deprotonierungsreaktion gegenüber der thermischen Zer- setzung des tert-Butyllithiums hin. Ein analoges Experiment unter Verwendung von iso-Pro- pyllithium sollte erneut den Vergleich beider Reagenzien ermöglichen. Das dabei erhaltene Gaschromatogramm wird in Abbildung 4.37 gezeigt. Abbildung 4.37: Gaschromatogramm der mikrowellengestützten Deprotonierung von Hexamethyldisilan (150) mittels zwei Äquivalenten iso-Propyllithium und Chinuclidin. Im Einklang zu vorigen Beobachtungen wird eine verminderte Reaktivität des iso-Propylli- thiums gegenüber tert-Butyllithium deutlich. Zwar stellt das monofunktionalisierte Disilan 164 erneut das Hauptprodukt dar, die isomeren zweifachsubstituierten Produkte 165 und 166 treten jedoch nur noch geringfügig auf. Es werden stattdessen Nebenprodukte beob- achtet, welche nicht eindeutig identifiziert werden konnten. Aufgrund der in den jeweiligen Massenspektren erhaltenen Molekülmassen und Aufspaltungsmuster lässt sich jedoch ver- muten, dass sie auf Nebenreaktionen des bei der Zersetzung des iso-Propyllithiums ent- stehenden Propens beruhen. Dessen Bildung scheint einer energetischen Bevorzugung gegenüber beider untersuchten Methylsilyl-Verbindungen 149 und 150 zu unterliegen, so- dass eine Deprotonierung jener Substrate nur mithilfe des tert-Butyllithiums in zufrieden- stellender Weise bewerkstelligt werden kann. 80 Ergebnisse und Diskussion 4.2.4.5 Fazit der Versuchsreihe Durch eine systematische Untersuchung der Deprotonierungsreaktionen an den vier Mo- dellsubstraten Benzol (121), Toluol (122), Tetramethylsilan (149) und Hexamethyldisilan (150) konnte ein umfassender Einblick in die Anwendbarkeit der verwendeten Basensyste- me des tert-Butyl- und des iso-Propyllithiums in Gegenwart des stabilisierenden Additivs Chinuclidin (116) erhalten werden. Durch eine ausreichende Stabilität des Liganden ist die Verwendung der Systeme selbst bei stark erhöhten Temperaturen und unter intensiver Energieeinstrahlung, wie sie in der Mikrowelle vorliegt, möglich. Auf diese Weise sind De- protonierungen zugänglich, welche anderenfalls aufgrund ihrer hohen Energiebarrieren und der damit einhergehenden Zersetzung gängiger Additive nicht durchführbar sind. Limitiert wird diese synthetisch wertvolle Anwendung käuflicher Alkyllithiumverbindung durch die thermische Zersetzung des Reagenzes, was zur Bildung entsprechender Nebenprodukte führt. Während dies bei ausreichend C−H-aciden Substraten wie Benzol (121) und Toluol (122) für beide Lithiumorganyle in vergleichbarem Maße auftritt, ist für die Deprotonierung von Substraten mit höheren pKS-Werten nur die Verwendung des tert-Butyllithiums zielfüh- rend, wie die Experimente an Tetramethylsilan (149) und Hexamethyldisilan (150) zeigten. Für alle Substrate konnte jedoch im Verlauf der Versuchsreihe eine zwei- und mehrfache Deprotonierung bewerkstelligt werden, was einen hohen synthetischen Nutzen darstellt. Im Gegensatz zu den in Kapitel 2.3 dargestellten Methoden zur Erzeugung mehrfachmetallier- ter Spezies werden bei der direkten mehrfachen Deprotonierung mittels der hier vorgestell- ten Basensysteme keine reaktiven Nebenprodukte gebildet oder Additive benötigt, sodass nach erfolgter Deprotonierung seitens des Reaktionsgemisches keine Einschränkung für Folgereaktionen erwachsen. Die hier vorgestellten Reaktionen stellen nur einen kleinen Ausschnitt der Anwendungsmöglichkeiten der Basensysteme dar und deuten den synthe- tisch vielfältigen Nutzen der Zugänglichkeit gehinderter Deprotonierungsreaktionen nur an. Systematische Untersuchungen zur Umsetzung verschiedenster Substrate müssen nun er- folgen, um den vollen Umfang der synthetischen Möglichkeiten zu entdecken und zielführ- end zu nutzen. Neben den bisher eingesetzten unfunktionalisierten Ausgangsverbindungen wäre insbesondere auch eine Untersuchung der Verträglichkeit des Systems mit verschie- densten Funktionalitäten des Substrats von Interesse. Wei- terhin muss zukünftig eine gewinnbringende Auftrennung der auftretenden Reaktionsgemische erfolgen. In den hier vorgestellten Arbeiten steht die Auslotung der synthetischen Möglichkeiten der eingesetzten Basensysteme im Vorder- grund. Die genaue Untersuchung der auftretenden Neben- produkte liefert wertvolle Hinweise auf mögliche Nebenreak- tionen und bietet Ansatzpunkte für mögliche, zukünftige Op- timierungen der Reaktionen. Diese sind jedoch nicht Gegen- stand der hier vorgestellten Untersuchungen und eröffnen somit zukünftige, anknüpfende Arbeiten. Für den erfolgreichen Einsatz der Chinuclidin-stabilisierten Basensysteme in der Labormikrowelle wurde das rechts in Abbildung 4.38 gezeigte Glasgerät entwickelt, welches die Handhabung empfindlicher Substanzen unter Schutzgasat- mosphäre ermöglicht. Die im Rahmen der hier vorgestellten Abbildung 4.38: Apparatur erster Generation zur Vorbereitung em- pfindlicher Proben für den Einsatz in der Mikrowelle. Ergebnisse und Diskussion 81 Arbeiten verwendete Apparatur erster Generation ermöglichte zwar die Durchführung em- pfindlicher (Mehrfach-)Metallierungsreaktionen, jedoch wurden auch einige Optimierungs- möglichkeiten deutlich. Als erstes sei dabei die Größe der Apparatur genannt. Zur Verein- fachung des Ein- und Ausführens der Mikrowellengefäße a in die Apparatur wurde ein sehr großer Normschliff für deren Öffnung gewählt. Dadurch ergibt sich jedoch ein nicht unwe- sentlicher Bewegungsspielraum des Mikrowellengefäßes, wodurch dessen Befüllung er- schwert wird. Weiterhin liegt das Gefäß zu tief in der Apparatur, sodass ein Verschließen mit der Silikonkappe nahezu unmöglich ist, während das Gefäß in der Apparatur steht. Stattdessen muss es im Schutzgasgegenstrom aus der Apparatur entnommen und zügig verschlossen werden, wodurch ein Eindringen von Luft nicht vollständig ausgeschlossen werden kann. Weiterhin bietet auch das große Innenvolumen des Stopfens eine nicht un- wesentliche Angriffsfläche für das unerwünschte Einbringen von Luft, insbesondere nach Öffnen der Apparatur. Auf Grundlage dieser Erfahrungen soll zukünftig eine Apparatur zwei- ter Generation entwickelt werden, welche wie in Abbildung 4.39 gezeigt diese Problemati- ken aufgreifen und lösen soll. Abbildung 4.39: Skizzierter Aufbau einer Abfüllapparatur zweiter Generation, welche die Vorbereitung empfind- licher Proben für die Anwendung in der Labormikrowelle erleichtern soll. Der geringere Innendurchmesser der Apparatur zweiter Generation schränkt die Beweg- lichkeit des Mikrowellengefäßes ein, sodass dessen Befüllung vereinfacht wird. Weiterhin soll eine drastische Verringerung des Innenvolumens des Stopfens verhindern, dass wäh- rend des Befüllens bzw. im Anschluss dessen Luft in die Apparatur eingeführt wird. Zusätz- lich soll die höhere Lage des Mikrowellengefäßes innerhalb der Apparatur ein Verschließen mittels der Silikonkappe ohne Entnahme aus der Schutzgasatmosphäre ermöglichen. Mit- hilfe dieser Optimierungen kann das Anwendungsspektrum der Mikrowellentechnologie zu- künftig möglicherweise auf weitere metallorganische Synthesen erweitert werden. 82 Ergebnisse und Diskussion Ergebnisse und Diskussion 83 4.3 Experimentelle Elektronendichtebestimmung an zwei Chinuclidin-stabi- lisierten Alkyllithiumaggregaten Abbildung 4.40: Molekülstrukturen im Festkörper des dimeren Aggregats 120 (links) und des Tetramers 118 (rechts). Im Rahmen der Strukturbestimmung der Chinuclidin-stabilisierten Organolithiumaggregate mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse zeigte sich, dass die erhaltenen Kristalle der Ag- gregate 120 und 118 von außergewöhnlich guter Qualität waren, sodass sie sich für eine hochaufgelöste Vermessung eigneten. Diese wurden bei der Firma Bruker AXS GmbH in Karlsruhe durch Herrn Dr. Holger Ott durchgeführt. Die ausgewählten kristallographischen Daten und Strukturverfeinerungsparameter in Tabelle 4.4 zeugen von der hohen Qualität der dabei erhaltenen Daten. Tabelle 4.4: Ausgewählte kristallographische Daten und Strukturverfeinerung der Verbindungen 120 und 118. Verbindung 120 118 Empirische Formel C22H44Li2N2 C26H54Li4N2 Kristallsystem triklin monoklin Raumgruppe P1̅ C2/c maximale Auflösung [Å] 0.45 0.46 gemessene Reflexe 306003 130779 unabhängige Reflexe 26636 4350 Rint 0.0290 0.0215 Daten/Parameter 26659/241 4350/157 endgültige R-Werte (alle Daten) R1 = 0.0361, wR2 = 0.1251 R1 = 0.0419, wR2 = 0.1153 Auf Grundlage dieser Daten konnte in Zusammenarbeit mit Frau Annika Münch aus der Arbeitsgruppe von Herrn Prof. Dr. Dietmar Stalke an der Georg-August-Universität Göttin- gen eine experimentelle Bestimmung der Elektronendichte durchgeführt werden. Auf diese 84 Ergebnisse und Diskussion Weise können essenzielle Informationen über die Beschaffenheit der chemischen Bindun- gen innerhalb der Aggregate erhalten werden. Diese liefern aufschlussreiche Erkenntnisse über die bislang kontrovers diskutierte Natur insbesondere der Kohlenstoff-Lithium-Bindun- gen. Im Folgenden werden die Schlaglichter der dabei erhaltenen Ergebnisse vorgestellt, welche zusätzlich im Rahmen einer gemeinsamen Veröffentlichung festgehalten wurden.[74] Neben den in Abbildung 4.40 dargestellten Aggregaten 118 und 120 wurde eine experi- mentelle Elektronendichtebestimmung auch an dem bereits vor einigen Jahren kristallisier- ten und hochaufgelöst vermessenen Monomer 12 durchgeführt. In Abbildung 4.41 ist die Molekülstruktur im Kristall des durch den chiralen Liganden (−)-Spartein stabilisierten tert-Butyllithiums dargestellt. Abbildung 4.41: Molekülstruktur im Kristall des durch (−)-Spartein stabilisierten monomeren tert-Butyllithiums (12). Bei der klassischen Strukturanalyse erfolgt die Strukturverfeinerung anhand der Atomposi- tionen und der (anisotropen) Auslenkungsparameter. Die Atome werden dabei als unab- hängig voneinander erachtet, weshalb das zugrunde liegende Modell als independent atom model (IAM) bezeichnet wird. Eine Beschreibung der Bindungsregion zwischen den Atomen erfolgt dabei nicht. Diese kann nur durch eine Modellierung der Elektronendichte mithilfe von Multipolen erreicht werden. Auf diese Weise können eine detaillierte Beschreibung der Bindungen sowie eine topologische Analyse erfolgen. Auf der Grundlage dieser Erkennt- nisse können Aussagen über die Natur der chemischen Bindungen abgeleitet werden. Während die Modellierung der elektronischen Strukturen des monomeren Komplexes 12 und des dimeren Aggregats 120 mithilfe von Multipolen zufriedenstellend gelang, traten bei der analogen Verfeinerung des tetrameren Aggregats 118 Schwierigkeiten auf. Auch beim besten Multipol-Modell trat in der Nähe des carbanionischen Kohlenstoffatoms C1 eine hohe Restelektronendichte auf, welche über die angewendeten Multipole nicht beschrieben werden konnte. Zurückgeführt wurde diese Schwierigkeit auf eine im Gegensatz zum Ag- gregat 120 verminderte Qualität der Rohdaten. Während das Dimer 120 unter Verwendung einer Mikrofokus-Röntgenquelle vermessen wurde, kam beim Tetramer 118 eine Sealed- Tube-Quelle zum Einsatz, welche im Vergleich schlechtere Daten lieferte. Die topologische Analyse auf deren Grundlage führte zu chemisch nicht sinnvollen Ergebnissen, welche sich beispielsweise in einer neutralen bis positiven Gruppenladung des carbanionischen Restes äußerten. Um dennoch einen Vergleich mit den topologischen Eigenschaften des Dimers Ergebnisse und Diskussion 85 120 zu ermöglichen, wurde die angewendete Multipol-Verfeinerung auf Grundlage theore- tischer Daten wiederholt. Ein analoges Vorgehen bei der dimeren Struktur 120 führte zu einer hohen Übereinstimmung zwischen experimentellen und theoretischen Daten, wo- durch ein Ausweichen auf theoretische Strukturparameter für die Analyse des Tetramers 118 gerechtfertigt wurde. Zur Abgrenzung zu den experimentell erhaltenen Daten wird die theoretisch erhaltene Struktur des tetrameren Aggregats im Folgenden als 118‘ bezeichnet. Mithilfe der Multipol-Verfeinerung wurde somit eine dreidimensionale Beschreibung der Elektronendichteverteilung der untersuchten Aggregate erreicht. Basierend auf der Quan- tentheorie von Atomen in Molekülen (Quantum Theory of Atoms in Molecules, QTAIM) ist nun eine detaillierte Untersuchung der chemischen Wechselwirkungen möglich.[5] Diese können unter anderem durch die Bestimmung der sogenannten bindungskritischen Punkte (bond-critical point, BCP) quantifiziert werden. Sowohl die an diesem Punkt vorliegende Elektronendichte ρ(rBCP) als auch die zweite Ableitung dieser Funktion ∇2ρ(rBCP), der soge- nannte Laplace-Operator des Punktes, geben Aufschluss über die Natur der zugrunde lie- genden Bindung. Die Position des bindungskritischen Punktes, welcher definiert ist als lo- kales Minimum der Elektronendichte entlang des Bindungspfades, also eines Bereichs ma- ximaler Elektronendichte zwischen zwei interagierenden Atomen, zeigt die Polarität der je- weiligen Bindung an. Eine Verschiebung des BCP zum elektropositiveren Atom hin spiegelt eine Polarisation der Bindung wider. Die Elektronendichte an diesem Punkt ρ(rBCP) und die zweite Ableitung dieser Funktion ∇2ρ(rBCP) erlauben dann Rückschlüsse über die Natur der Bindung. Eine geringe Elektronendichte am BCP in Kombination mit positiven Werten von ∇2ρ(rBCP) zeugen von einer Wechselwirkung zwischen Atomen mit geschlossenen Schalen, also ionischen Bindungen, koordinativen Wechselwirkungen oder Metall-Metall-Bindungen. Der umgekehrte Fall – hohe Elektronendichte am BCP und negative Werte des Laplace- Operators – weisen demnach auf eine kovalente Bindung hin. Die Ergebnisse der topologi- schen Analyse der Verbindung 12 ist in Abbildung 4.42 visualisiert. Abbildung 4.42: Molekularer Graph des monomeren Komplexes 12 mit Visualisierung der Bindungspfade (bronze) und der bindungskritischen Punkte (rot). Die Wasserstoffatome werden der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. In der topologischen Analyse des monomeren Komplexes deuten die Lagen der bindungs- kritischen Punkte auf eine starke Polarisierung sowohl der Kohlenstoff-Lithium- als auch der Stickstoff-Lithium-Bindungen hin. Auf allen betreffenden Bindungspfaden liegen die N2 N1 Li1 C1 86 Ergebnisse und Diskussion BCPs deutlich in Richtung des Lithiumzentrums verschoben. Die Lage der bindungskriti- schen Punkte in den kovalenten Kohlenstoff-Kohlenstoffbindungen, wie sie beispielsweise im Rückgrat des (−)-Spartein-Liganden auftreten, liegen im Vergleich dazu exakt in der Mitte des Bindungspfades. Diese Beobachtungen spiegeln somit die erwarteten Tendenzen wider, da der hohe Elektronegativitätsunterschied zwischen Kohlenstoff und Lithium eine starke Polarisation erwarten lässt, welche sich zusätzlich mit der experimentell beobachte- ten und synthetisch vielfältig genutzten hohen Reaktivität der Alkyllithiumverbindungen deckt. Im Vergleich zu dieser monomeren Spezies werden die Ergebnisse der topologi- schen Analyse des dimeren Aggregats 120 in Abbildung 4.43 visualisiert. Abbildung 4.43: Molekularer Graph des dimeren Aggregats 120 mit Visualisierung der Bindungspfade (bronze), der bindungskritischen Punkte (rot), der ringkritischen Punkte (gelb) sowie der käfigkritischen Punkte (grün). Die Wasserstoffatome werden der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. In Analogie zu den Erkenntnissen, die zuvor für das monomere tert-Butyllithium/(−)-Sparte- in-Addukt (12) erhalten wurden, wird auch hier eine deutliche Verschiebung der bindungs- kritischen Punkte in Richtung des elektropositiven Lithiums beobachtet. Besonders ausge- prägt ist diese Verschiebung in den Stickstoff-Lithium-Bindungen. Eine Visualisierung der Ergebnisse der topologischen Analyse der theoretischen Struktur 118‘ ist vergleichend dazu in Abbildung 4.44 dargestellt. Abbildung 4.44: Molekularer Graph der theoretisch betrachteten Struktur des tetrameren Komplexes 118‘ mit Visualisierung der Bindungspfade (bronze), der bindungskritischen Punkte (rot), der ringkritischen Punkte (gelb) sowie der käfigkritischen Punkte (grün). Die Wasserstoffatome werden mit Ausnahme der iso-Propylwasser- stoffe der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die symmetrieerzeugte zweite Hälfte des Tetramers ist in grau dargestellt. N2 Li2 Li1 N1 C5 C1 N1 Li2 C1 C4 Li1 Ergebnisse und Diskussion 87 Da die tetramere Struktur des Aggregats 118‘ auf einer Spiegelsymmetrie beruht, beschrän- ken sich die hier angeführten Untersuchungen auf die asymmetrische Einheit der Molekül- struktur, also auf die Hälfte des tetrameren Aggregats. Die symmetrieerzeugte zweite Hälfte ist in Abbildung 4.44 in grau dargestellt. Auch bei diesem Aggregat wird die für die beiden zuvor vorgestellten Strukturen erläuterte Verschiebung der bindungskritischen Punkte hin zu den Lithiumzentren beobachtet. Wie oben bereits erläutert, liefert nicht nur die Position der bindungskritischen Punkte, sondern auch die an diesem Punkt beobachteten Werte der Elektronendichte ρ(rBCP) sowie deren zweiten Ableitung ∇2ρ(rBCP) wichtige Informationen über die Natur der zugrunde liegenden Wechselwirkung. In Tabelle 4.5 sind für die drei untersuchten Molekülstrukturen 12, 120 und 118‘ die jeweiligen Werte zusammengefasst. Tabelle 4.5: Topologische Parameter der Kohlenstoff-Lithium-Bindungen der Strukturen 12 und 120 (experimentelle Daten) sowie Verbindung 118‘ (theoretische Daten). Verbindung Bindung ρ(rBCP) [eÅ−3] ∇2ρ(rBCP) [eÅ−5] 12 C1−Li1 0.217(5) 4.05(3) 120 C1−Li1 0.1300(6) 2.857(5) C1−Li2 0.1400(7) 3.032(5) C5−Li1 0.1280(6) 2.839(5) C5−Li2 0.1380(6) 2.938(5) 118‘ C1−Li1 0.1010(4) 2.258(6) C1−Li2 0.1470(6) 3.040(6) C4−Li1 0.0820(6) 1.967(8) C4−Li2 0.1300(6) 2.885(8) Sowohl die Elektronendichten ρ(rBCP) als auch ihre zweite Ableitung ∇2ρ(rBCP) bestätigen die aus den Positionen der bindungskritischen Punkte abgeleiteten Annahmen über den gerin- gen kovalenten Anteil der Kohlenstoff-Lithium-Bindungen. Wie für Wechselwirkungen ge- schlossener Schalen, wie sie beispielsweise bei ionischen Bindungen auftreten, üblich, wer- den geringe Elektronendichten und positive Werte des jeweiligen Laplace-Operators für alle Lithium-Kohlenstoff-Kontakte beobachtet. Dabei ist vom monomeren Komplex 12 über das Dimer 120 hin zum tetrameren Aggregat 118‘ eine Abnahme beider Werte zu verzeichnen, welche demnach mit steigendem Aggregationsgrad einherzugehen scheint. Die geringste Elektronendichte ist in den bindungskritischen Punkten der Bindungen des Lithiumzentrums Li1 des tetrameren Aggregats 118‘ zu finden. Dies lässt sich auf die Koordinationsumge- bung des Lithiums zurückführen. Im Gegensatz zu Li2 des Aggregats 118‘ weist Li1 insge- samt vier Kontakte zu umliegenden Zentren auf. Neben der Koordination durch die drei carbanionischen Zentren C1, C4 und C1a wird dieses Lithiumzentrum durch das Stickstoff- zentrum N1 eines Chinuclidin-Moleküls stabilisiert. Die höchste Elektronendichte wird im BCP der Bindung C1−Li1 des monomeren Komplexes 12 beobachtet. Hier weist das Lithiumzentrum Li1 eine Koordinationszahl von drei auf, wobei zwei dieser Kontakte durch 88 Ergebnisse und Diskussion die beiden Stickstoffzentren des bidentaten Liganden (−)-Spartein erfolgen. Auf diese Wei- se wird im Vergleich der drei hier vorgestellten Koordinationsverbindungen die größte Elek- tronendichte am Lithium und somit in dessen bindungskritischen Punkten hervorgerufen. Proportional zur Elektronendichte ρ(rBCP) an den bindungskritischen Punkten steigt auch die Stärke der untersuchten Wechselwirkung. Es wird demnach deutlich, dass im monomeren Komplex 12 die stärkste der hier auftretenden Bindungen vorliegt. Während die Natur der Kohlenstoff-Lithium-Kontakte in lithiumorganischen Reagenzien, wie bereits erwähnt, nach wie vor kontrovers diskutiert wird, werden die Stickstoff-Lithium- Kontakte, welche bei der Deaggregation der Lithiumalkyle durch Aminliganden ausgebildet werden, als koordinative Wechselwirkungen angesehen. Die im Rahmen der hier vorge- stellten Untersuchungen durchgeführte topologische Analyse der N−Li-Kontakte der Ver- bindungen 12, 120 und 118‘ bestätigt diese Annahme. Wie in Abbildung 4.42, Abbildung 4.43 sowie in Abbildung 4.44 deutlich wird, liegen auch die bindungskritischen Punkte der Stickstoff-Lithium-Kontakte deutlich in Richtung des elektropositiveren Lithiumzentrums verschoben. In Tabelle 4.6 werden die an diesen Punkten beobachteten Elektronendichten ρ(rBCP) sowie deren zweiten Ableitungen ∇2ρ(rBCP) zusammengefasst. Tabelle 4.6: Topologische Parameter der Stickstoff-Lithium-Bindungen der Strukturen 12 und 120 (experimen- telle Daten) sowie Verbindung 118‘ (theoretische Daten). Verbindung Bindung ρ(rBCP) [eÅ−3] ∇2ρ(rBCP) [eÅ−5] 12 N1-Li1 0.163(1) 4.3(3) 12 N2-Li1 0.161(2) 4.3(3) 120 N1-Li1 0.1450(6) 3.946(7) 120 N2-Li2 0.1490(6) 4.040(7) 118‘ N1-Li1 0.0960(3) 2.872(8) Auch hier lassen sich dieselben Trends wie bei den zuvor diskutierten Kohlenstoff-Lithium- Kontakten beobachten. Daraus wird deutlich, dass beide Wechselwirkungen von ähnlicher Natur sind, was bedeutet, dass den Kohlenstoff-Lithium-Kontakten ein hoher ionischer Charakter zuzuschreiben ist. Neben der Bestimmung der bindungskritischen Punkte kann die auf Grundlage der hoch- auflösenden Röntgenbeugungsdaten durchgeführte Multipolverfeinerung genutzt werden, um mithilfe der zweiten Ableitung ∇2ρ(r) eine Visualisierung von Ladungsakkumulationen (∇2ρ(r) > 0) oder Ladungsmangel (∇2ρ(r) < 0) zu erzielen. Es ist zudem möglich, sogenannte Valenzschalen-Ladungskonzentrationen (valence shell charge concentrations, VSCCs) zu verbildlichen. Dies kann auch für nicht-bindende Regionen erfolgen, sodass die Lage und Ausprägung freier Elektronenpaare angezeigt werden. In Abbildung 4.45 sind die zweidi- mensionalen Projektionen der Laplace-Operatoren ∇2ρ(r) für die C1−Li1−N1-Ebene des Komplexes 12 sowie für die Li1−C−Li2-Ebenen der Aggregate 120 und 118‘ dargestellt. Ergebnisse und Diskussion 89 Abbildung 4.45: ∇2ρ(r)-Verteilung der Ebene C1−Li1−N1 von Komplex 12 (a), der Ebenen Li1−C1−Li2 (b) und Li1−C5−Li2 (c) von Aggregat 120 sowie der Ebenen Li1−C1−Li2 (d) und Li1−C4−Li2 (e) des Aggregats 118‘. Die Konturen sind gezeichnet bei ±(1, 3, 5, 7, 10, 15, 30, 50, 70, 100, 115, 135); blaue Konturen zeigen negative Werte, rote Konturen zeigen positive Werte. Vor allem die Konturverläufe der Valenzschalen-Ladungskonzentration (VSCC) der Carb- anionen in Komplex 12 und dem Aggregat 120 weisen eine hohe Ähnlichkeit in Bezug auf ihre Form auf. Während die Ausbuchtung der Elektronendichte beim monomeren Komplex 12 (Abbildung 4.45 a) deutlich in Richtung des Lithiumzentrums zeigt, wird beim Aggregat 120 (Abbildung 4.45 b und c) eine Ausrichtung in Richtung der Mitte zwischen beide Lithiumzentren beobachtet. Etwas unterschiedlich ist die Darstellung der VSCCs für Aggre- gat 118‘ (Abbildung 4.45 d und e). Im Vergleich zu den beiden vorherigen Verbindungen weist die Ladungskonzentration hier eine etwas flachere Form auf. Zudem zeigen sich ge- ringfügige Unterschiede zwischen den beiden carbanionischen Zentren C1 und C4. Wäh- rend die VSCC an C1 leicht in Richtung des Lithiumzentrums Li2 deutet, erfolgt diese Aus- richtung bei C4 in Richtung Li1. Eine bessere Beurteilung der in Abbildung 4.45 zweidimensional visualisierten Valenzscha- len-Ladungskonzentration erfolgt durch die dreidimensionale Darstellung in Form von Iso- flächen. Auf diese Weise lassen sich auch die Form, die Größe und die Ausrichtung mög- licher freier Elektronenpaare beurteilen. In Abbildung 4.46 ist diese dreidimensionale Ver- bildlichung dargestellt. C1 Li1 N1 C1 Li1 Li2 C5 Li2 Li1 Li1 Li1 Li2 Li2 C1 C4 a b c d e 90 Ergebnisse und Diskussion Für alle drei Verbindungen wird eine trigonal-pyramidale Geometrie der carbanionischen Zentren, wie sie anhand des VSEPR-Modells zu erwarten ist, beobachtet. Während die Ladungskonzentration des Carbanions C1 in Komplex 12 (Abbildung 4.46 a) direkt in Richtung des Lithiumzentrums deutet, zeigt sie in den Aggregaten 120 und 118‘ (Abbildung 4.46 b und c) jeweils auf den Mittelpunkt zwischen den benachbarten Lithiumzentren. Wäh- rend dies im Dimer 120 die Mitte der Li−Li-Kernverbindungsachse ist, wird im Tetramer 118‘ eine Ausrichtung der jeweiligen VSCC hin zur Mitte der Li3-Dreiecksflächen beobachtet. Da die Valenzschalen-Ladungskonzentrationen als freie Elektronenpaare interpretiert werden können, lassen sich nun für alle drei Verbindungen die Bindungsmodi feststellen. Da beim monomeren Komplex 12 nur ein Li−C-Kontakt mithilfe des carbanionischen freien Elektro- nenpaars ausgebildet wird, kann die zugrunde liegende Bindung als Zweizentren-Zweielek- tronenbindung bezeichnet werden. In der dimeren Verbindung 120 werden beide Lithium- zentren durch das freie Elektronenpaar koordiniert, sodass eine Dreizentren-Zweielektro- nenbindung vorliegt. In der tetrameren Struktur 118‘ sind es sogar drei Lithiumzentren, wel- che durch das freie Elektronenpaar eines Carbanions koordiniert werden, sodass es zu einer polaren Vierzentren-Zweielektronenbindung kommt. Anhand der hier vorgestellten Ermittlung der Elektronendichteverteilung innerhalb verschie- dener Organolithiumaggregate auf Grundlage hochauflösender Röntgenbeugungsdaten konnte also festgestellt und verdeutlicht werden, dass es sich bei den darin enthaltenen Kohlenstoff-Lithium-Kontakten um stark polarisierte Bindungen handelt. Auf diese Weise kann ein gewinnbringender experimenteller Beitrag zur noch immer bestehenden kontro- versen Diskussion des Bindungscharakters geliefert werden. Es handelt sich hierbei jedoch um eine eher qualitative Beschreibung, welche keine direkten chemischen Schlussfolge- rungen zulässt. Ermöglicht werden könnte dies durch eine Quantifizierung des ionischen Abbildung 4.46: ∇2ρ(r) bei einem Isolevel von −16 eÅ−5 von Komplex 12 (a), Aggregat 120 (b) und theoretischem Aggregat 118‘ (c). Li1 Li1 Li1 Li1a C1 C5 C1 Li2 Li2 Li2a C4 C1 a b c Ergebnisse und Diskussion 91 Charakters der Kohlenstoff-Lithium-Bindungen, welche eine greifbare Antwort auf die Frage nach der Bindungsnatur liefern würde. Dies kann durch die experimentellen Untersuchun- gen zwar nicht erzielt werden, jedoch liefert eine theoretische Untersuchung mithilfe der sogenannten Energy Decomposition Analysis (EDA) eine konkrete Aussage über die Be- teiligung kovalenter und ionischer Anteile an der untersuchten Bindung.[75] Sie basiert auf einer Zerlegung der unmittelbaren Wechselwirkungsenergie ΔEint zwischen zwei Bindungs- partnern A und B in drei chemisch direkt interpretierbare Terme. Der erste beschreibt die quasiklassische elektrostatische Wechselwirkung ΔEelstat zwischen den Ladungsdichten beider Fragmente, die Austauschrepulsion ΔEPauli zwischen den Fragmenten aufgrund des Pauli-Prinzips, und den Energiegewinn ΔEorb durch die Orbitalvermischung beider Frag- mente. Die Terme werden mithilfe intermediärer Zustände des Gesamtsystems während der Bindungsknüpfung zugeordnet und schlagen somit eine Brücke zwischen einer quan- tenmechanisch korrekten Beschreibung der Bindungssituation und den intuitiven und prak- tisch anwendbaren Modellen der Chemie, welche weniger auf physikalischen Fakten als auf verständlichen Prinzipien zur Vorhersage chemischer Eigenschaften eines Systems ba- sieren.[76] Eine entsprechende Analyse soll für die im Rahmen der hier vorgestellten Analy- sen untersuchten Systeme 12, 129 und 118‘ durchgeführt werden, um die qualitativen Aus- sagen der mithilfe der Multipolverfeinerung erhaltenen Erkenntnisse über die Kohlenstoff- Lithium-Bindungen in greifbare und leicht verständliche Aussagen übertragen zu können. Die Ergebnisse lagen jedoch bis zum Zeitpunkt des Drucks dieser Arbeit leider nicht vor. 92 Ergebnisse und Diskussion Ergebnisse und Diskussion 93 4.4 Einfluss der Größe des Aggregats auf die Reaktivität von (Trimethylsilyl)methyllithium Das durch ein Heteroatom in α-Position stabilisierte (Trimethylsilyl)methyllithium nimmt innerhalb der kommerziell erhältlichen Alkyllithiumbasen eine gewisse Sonderstellung ein. Es zeichnet sich durch eine erhöhte Stabilität und eine im Vergleich zu den gängigen Lithi- umalkylen reduzierte Nucleophilie aus und stellt somit ein interessantes Synthesereagenz dar. Es unterliegt wie alle Organolithiumverbindungen einem engen Wechselspiel aus Struktur und Reaktivität. In Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde dabei eine Abweichung von den üblichen Prinzipien, welche in Kapitel 2.1.2 erläutert wurden, beobachtet. Die dabei durchgeführten experimentellen sowie theoretischen Untersuchungen werden im Folgen- den dargestellt. 4.4.1 Monomeres (Trimethylsilyl)methyllithium Entsprechend den üblichen Prinzipien der Struktur-Reaktivitätsbeziehung der Organolithi- umverbindungen wird dem kleinstmöglichen Aggregat die größte Reaktivität aufgrund der geringsten Stabilisierung zugesprochen, weswegen häufig die Bildung monomerer Spezies angestrebt wird. Während dies beim intensiv genutzten, primären n-Butyllithium bisher nicht gelang, wurde beim ebenfalls primären, jedoch zusätzlich Heteroatom-stabilisierten (Tri- methylsilyl)methyllithium bereits eine monomere Spezies beobachtet, welche durch die Zu- gabe des dreizähnigen Liganden PMDTA (21) erzeugt wurde.[25] Im eigenen Arbeitskreis konnte ebenfalls ein monomerer Komplex erhalten werden, welcher sich die chelatisierende Koordination des zweizähnigen Liganden (R,R)-TMCDA (4) zunutze macht. In Abbildung 4.47 ist die Molekülstruktur des erhaltenen Monomers 168 im Kristall dargestellt. Abbildung 4.47: Nummerierungsschema und Molekülstruktur im Kristall von Komplex 168. Ausgewählte Bindungslängen [Å] und −winkel [°]: C1−Li1 2.069(3), N1−Li1 2.050(2), N2−Li1 2.049(4), Si1−C1 1.8075(17), Si1−C2 1.887(2), Si1−C3 1.8958(18), Si1−C4 1.887(2); Si1−C1−Li1 114.64(12), C1−Si1−C2 110.44(10), C1−Si1−C3 117.89(9), C1−Si1−C4 110.37(10), C2−Si1−C3 105.09(12), C2−Si1−C4 107.60(10), C3−Si1−C4 104.84(11). Der monomere Komplex 168 kristallisierte im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe P21 in Form von farblosen Nadeln aus n-Pentan aus. Es liegt eine Verzwilligung vor, welche bei der Strukturverfeinerung mithilfe von HKLF5-Daten berücksichtigt wurde. Das Lithium- kation weist eine bemerkenswert niedrige Koordinationszahl von drei auf, womit es sich um das erste Beispiel einer primären Alkyllithiumverbindung mit einer derart niedrigen Koordi- nationszahl in einem monomeren Komplex handelt. Die Bindungslängen des Lithiumions zu den beiden Stickstoffzentren von 2.050(2) bzw. 2.049(4) Å sind dabei nahezu identisch. Dass im Gegensatz zum primären n-Butyllithium hier eine monomere Spezies mit niedriger 94 Ergebnisse und Diskussion Koordinationszahl auftritt, ist in erster Linie auf die zusätzliche Stabilisierung des Carban- ions durch das α-ständige Siliciumzentrum zurückzuführen. Diese als α-Effekt des Siliciums bekannte Beobachtung wird häufig durch eine Stabilisierung mittels negativer Hyperkonju- gation erklärt.[77] Dabei wird Elektronendichte des Carbanions in antibindende Orbitale des Siliciums zu seinen weiteren Substituenten verschoben, was zu einer Schwächung und somit zu einer Verlängerung der betreffenden Bindung führen sollte. Dies wird in Aggregat 168 jedoch nicht beobachtet. Die Bindungen des Siliciums zu den drei Methylgruppen wei- sen mit 1.887(2) Å für Si1−C2, 1.8958(18) Å für Si1−C3 und Si1−C4 1.887(2) Å für Si1−C4 keine signifikanten Unterschiede auf. Eine Stabilisierung des Carbanions durch Polarisa- tionseffekte des im Vergleich zu Kohlenstoff großen und weichen Siliciumzentrums er- scheint somit wahrscheinlicher und wird durch einen kurzen Abstand zwischen Si1 und C1 von 1.8075(17) Å untermauert. Auf der Basis der niedrigen Koordinationszahl von drei sowie der niedrigen Aggregations- stufe in Verbindung 168 wurde eine erhöhte Reaktivität des Systems erwartet. Diese stünde im Einklang mit der in Abbildung 4.47 dargestellten Lewis-Strichformel, welche eine gute Erreichbarkeit des reaktiven Kohlenstoff-Lithium-Kontakts vermuten lässt. Zur Evaluation dieser Erwartung wurde das Reagenz in Deprotonierungsreaktionen an drei Modellsub- straten eingesetzt. Zu diesen zählten die gängigen, gering aciden aromatischen Verbindun- gen Benzol und Toluol sowie das synthetisch interessante N,N-Dimethylbenzylamin (169). Es zeigte sich jedoch, dass Verbindung 168 keinerlei Reaktivität gegenüber diesen Sub- straten aufweist. Da diese Beobachtung den üblichen Prinzipien der Struktur-Reaktivitäts- Beziehung von Organolithiumverbindungen zu widersprechen scheint, wurden zusätzlich quantenchemische Berechnungen herangezogen, um diese experimentellen Befunde zu erklären. Damit der Komplex mit einem Substrat zu reagieren vermag, muss dieses zunächst in der Lage sein, sich dem reaktiven Zentrum der Organolithiumverbindung zu nähern. Zur Visu- alisierung, ob dies bei Verbindung 168 möglich ist, reicht eine Deduktion ausgehend von der zweidimensionalen Lewis-Formel offenbar nicht aus. Aus diesem Grund wurde die Mo- lekülstruktur zunächst einer Geometrieoptimierung und Frequenzrechnung mithilfe des Funktionals B3LYP und des Basissatzes 6-31+G(d) sowie zusätzlicher gd3-Dispersions- korrektur nach GRIMME unterzogen, um eine Betrachtung im dreidimensionalen Raum zu ermöglichen. Anschließend wurde die sogenannte Connolly-Oberfläche berechnet. Diese beschreibt den Abstand, bis zu welchem sich ein Probenkörper mit definiertem Radius nähern kann, ehe er durch sterische Kräfte abgestoßen wird, wodurch die räumliche Zu- gänglichkeit des Komplexes verdeutlicht wird. Dies wird in Abbildung 4.48 gezeigt. Eine detaillierte Begründung für die Wahl des Niveaus der quantenchemischen Berechnungen erfolgt zu einem späteren Zeitpunkt. Ergebnisse und Diskussion 95 Abbildung 4.48: Connolly-Oberfläche des Komplexes 168, berechnet mit einem Probenkörperradius von 1.4 Å. Es lässt sich erkennen, dass das Lithiumzentrum der Verbindung zu allen Seiten durch umliegende Gruppen abgeschirmt wird. In der in Abbildung 4.48 gezeigten Orientierung geschieht dies nach oben hin durch die Methylgruppen des Aminliganden sowie die Proto- nen des Carbanions, nach unten hin zusätzlich durch eine der Methylgruppen des Trime- thylsilyl-Rests. Auf diese Weise ist eine Annäherung eines Substrats nicht möglich, wodurch die beobachtete geringe Reaktivität des Komplexes 168 zu erklären ist. Auf diese Weise wird verdeutlicht, dass eine sterische Überfrachtung, welche häufig zur Stabilisierung nie- driger Koordinationszahlen und Aggregationsgrade Anwendung findet, bei zu großer Aus- prägung den gewünschten Effekt verfehlen und gar umkehren kann. Vergleichbare Effekte werden beispielsweise beim durch (−)-Spartein stabilisierten Monomer 12 des tert-Butylli- thiums beobachtet, welches sich ebenfalls als auffallend unreaktiv herausstellte. Das übli- che Bestreben, ein möglichst kleines Aggregat zu erzeugen, ist somit nicht immer zielfüh- rend. Stattdessen ist eine genaue Kenntnis vor allem der dreidimensionalen Struktur von- nöten, um verlässliche Informationen über die Reaktivität eines Reagenzes zu erlangen. 4.4.2 Chinuclidin-stabilisierte Dimere des (Trimethylsilyl)methyllithiums Im Rahmen der Untersuchungen zur Stabilisierung von Organolithiumverbindungen mittels des gespannten cyclischen Liganden Chinuclidin (116) wurden auch zwei dimere Aggrega- te des (Trimethylsilyl)methyllithiums erhalten, welche in Abbildung 4.49 dargestellt werden. Das symmetrische dimere Aggregat 170 kristallisierte im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe C2/c in Form rautenförmiger farbloser Plättchen aus n-Pentan aus. Die asym- metrische Einheit enthält die Hälfte des in Abbildung 4.49 gezeigten Aggregats, welches ein Inversionszentrum in der Mitte des zentralen Li−C−Li−C-Vierrings enthält. Analog zum monomeren Komplex 169 wird auch hier keine Verlängerung einer der Si−C-Bindungen beobachtet, welche mit 1.8878(11) Å für Si1−C2, 1.8855(11) Å für Si1−C3 und 1.8971(11) Å für Si1−C4 nahezu identisch sind, sodass kein Hinweis auf eine Stabilisierung mittels ne- gativer Hyperkonjugation zu beobachten ist. Der Abstand des Stickstoffzentrums des Chi- nuclidins zum Lithium von 2.0822(19) Å zeugt von einer gewünscht starken Koordination des Liganden an die Organolithiumverbindung. 96 Ergebnisse und Diskussion Tabelle 4.7: Kristalldaten und Strukturverfeinerung der Verbindungen 168, 170 und 171. Verbindung 168 170 171 Empirische Formel C14H33LiN2Si C22H48Li2N2Si2 C65H135Li4N7Si4 Formelgewicht [g·mol-1] 264.45 410.68 1154.91 Temperatur/K 100.0 100.0 100.0 Kristallsystem monoklin monoklin monoklin Raumgruppe P21 C2/c C2/c a/Å 7.4127(3) 16.995(2) 21.750(3) b/Å 12.3217(5) 16.128(2) 12.1145(15) c/Å 10.0582(4) 12.3697(14) 31.140(5) α/° 90 90 90 β/° 105.694(2) 128.118(4) 105.610(4) γ/° 90 90 90 Volumen/Å3 884.44(6) 2667.6(6) 7902.4(19) Z 2 4 4 ρcalc [g·cm−3] 0.993 1.023 0.971 μ/mm-1 0.121 0.142 0.113 F(000) 296.0 912.0 2568.0 Kristallmaße/mm3 0.773 × 0.15 × 0.141 0.271 × 0.195 × 0.167 0.771 × 0.459 × 0.174 Strahlung MoKα (λ = 0.71073) MoKα (λ = 0.71073) MoKα (λ = 0.71073) 2Θ-Bereich für Datensammlung/° 4.206 bis 59.984 5.052 bis 66.488 5.030 bis 61.152 Indexbereiche −10 ≤ h ≤ 10 −17 ≤ k ≤ 17 −14 ≤ l ≤ 14 −25 ≤ h ≤ 25 −24 ≤ k ≤ 24 −18 ≤ l ≤ 18 −31 ≤ h ≤ 30 −17 ≤ k ≤ 16 −44 ≤ l ≤ 43 Gesammelte Reflexe 5139 52393 50164 Unabhängige Reflexe 5139 [Rint = 0.0369, Rsigma = 0.0242] 4883 [Rint = 0.0689, Rsigma = 0.0368] 11922 [Rint = 0.0602, Rsigma = 0.0580] Daten/Restraints/Param eter 5139/1/171 4883/0/223 11922/0/386 Goodness-of-fit an F2 1.047 1.054 1.036 Finale R-Werte [I≥2σ (I)] R1 = 0.0334, wR2 = 0.0885 R1 = 0.0460, wR2 = 0.1183 R1 = 0.0667, wR2 = 0.1861 Finale R-Werte [alle Daten] R1 = 0.0345, wR2 = 0.0898 R1 = 0.0602, wR2 = 0.1263 R1 = 0.0880, wR2 = 0.1988 Restelektronendichte / e·Å−3 0.35/−0.18 0.59/−0.51 0.97/−0.49 Flack-Parameter 0.03(6) − − Ergebnisse und Diskussion 97 Abbildung 4.49: Nummerierungsschemata und Molekülstrukturen im Kristall der dimeren Aggregate von (Tri- methylsilyl)methyllithium stabilisiert durch zwei (Aggregat 170, links, a = 1−x, y, 1.5−z) bzw. drei (Aggregat 171, rechts) Moleküle Chinuclidin. Ausgewählte Bindungslängen [Å] und −winkel [°]: Aggregat 170: Si1−C1 1.8306(10), Si1−C2 1.8878(11), Si1−C3 1.8855(11), Si1−C4 1.8971(11), N1−Li1 2.0822(19), C1−Li1 2.185(2), Si1−C1−Li1 94.79(6), N1−Li1−C1 123.67(9), C2−Si1−C4 107.80(5), C2−Si1−C3 104.87(5), C1−Si1−C3 117.29(5); Aggregat 171: Si1−C8 1.887(2), Si1−C9 1.885(2), Si1−C10 1.885(2), Si1−C11 1.837(2), Si2−C12 1.8331(19), Si2−C13 1.885(2), Si2−C14 1.883(2), Si2−C15 1.896(2), N1−Li1 2.123(4), N2−Li2 2.141(4), N3−Li2 2.164(4), C11−Li1 2.169(4), C11−Li2 2.280(4), C12−Li1 2.181(4), C12−Li2 2.284(4), Li1−C11−Li2 65.84(14), Li1−C12−Li2 65.60(14), C11−Li1−C12 117.95(17), C11−Li2−C12 109.55(15), N2−Li2−N3 109.14(16), N1−Li1−C11 121.00(18), N1−Li1−C12 115.71(17), N2−Li2−C11 108.15(16), N2−Li2−C12 106.86(16). Aus derselben Mutterlauge wie Aggregat 170 wurden auch farblose hexagonale Plättchen des Aggregats 171 erhalten, welche im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe C2/c auskristallisierten. Hier enthält die asymmetrische Einheit ein vollständiges Dimer, welches von drei Molekülen Chinuclidin stabilisiert wird. Zusätzlich kristallisierte ein weiteres Molekül des Liganden auf einer speziellen Lage aus, sodass die asymmetrische Einheit ein halbes Molekül Chinuclidin, welches nicht an einer Koordination an die Organolithiumverbindung beteiligt ist, enthält. Dieses ist zusätzlich fehlgeordnet, sodass das in der asymmetrischen Einheit befindliche Brückenkopfatom des Bicyclus zu 50% von Stickstoff und zu 50% von Kohlenstoff besetzt ist. Der Übersichtlichkeit halber wurde auf die Darstellung dieses co- kristallisierten Liganden in Abbildung 4.49 verzichtet. Die Koordination der verbleibenden drei Moleküle Chinuclidin erfolgt in asymmetrischer Art und Weise, sodass die beiden Lithi- umzentren des Dimers eine unterschiedliche Koordinationssphäre aufweisen. Während Li1 von einem Chinuclidinmolekül im Abstand von 2.123(4) Å sowie den beiden Carbanionen der (Trimethylsilyl)methylreste mit Abständen von 2.169(4) Å für C11−Li1 sowie 2.181(4) Å für C12−Li1 koordiniert wird, weist Li2 eine Koordinationszahl von vier auf. Die beiden 98 Ergebnisse und Diskussion Carbanionen mit Abständen von 2.280(4) Å für C11−Li2 und 2.284(4) Å für C12−Li2 sind im Vergleich zu Li1 etwas weiter entfernt, sodass sie leicht in Richtung Li1 verschoben zu sein scheinen. Zusätzlich sind die Trimethylsilylreste in Richtung Li1 verdreht, was sich auch am Winkel an C11 zeigt [Si1−C11−Li1 110.59(13)°, Si1−C11−Li2 139.65(13)°]. Auf diese Weise steht an Li2 mehr Raum für zusätzliche Koordinationen zur Verfügung, sodass hier zwei Moleküle Chinuclidin angelagert werden. Eines davon befindet sich auf der den Trimethylsilylresten abgewandten Seite des zentralen Li−C−Li−C-Vierrings und weist einen Lithium-Stickstoff-Abstand Li2−N2 von 2.141(4) Å auf, wodurch ein etwas längerer und ent- sprechend schwächerer Kontakt als Li1−N1 beobachtet wird. Noch größer ist der Li2−N3-Abstand von 2.164(4) Å beim dritten Molekül Chinuclidin, welches durch die ste- risch anspruchsvollen Trimethylsilylreste abgestoßen wird und somit die schwächste Koor- dination zum Lithiumzentrum auszubilden vermag. Eine Entfernung des somit labilen dritten Ligandmoleküls in Aggregat 171 würde zu einer Struktur führen, die dem symmetrischen Dimer 170 sehr ähnlich ist, sodass die beiden Dimerstrukturen als Beispiel einer Änderung der Koordinationszahl am Lithium, wie sie bei einer Reaktion des Basensystems mit einem Substrat aufträte, angesehen werden können. Aus diesem Grund liegt die Vermutung nahe, dass es sich bei den Dimeren 170 und 171 um reaktive Systeme handelt, weswegen sie analog zum Monomer 168 in modellhaften Testreaktionen eingesetzt wurden. Es zeigte sich, dass eine 1:1-Mischung von Chinuclidin und (Trimethylsilyl)methyllithium in der Lage ist, alle drei der eingesetzten Testsubstrate Benzol, Toluol und N,N-Dimethylbenzylamin zu deprotonieren. Eine Erhöhung der eingesetzten Menge der Organolithiumbase und des Li- ganden auf jeweils 1.5 Äquivalente konnte die Ausbeute des mit Trimethylchlorsilan abge- fangenen Produkts wie in Schema 4.17 dargestellt auf 82% anheben. Schema 4.17: Deprotonierung von Benzylamin 169 in Abwesenheit (links) und Anwesenheit (rechts) von Chinuclidin. Es stellte sich außerdem heraus, dass eine Deprotonierung bei tiefen Temperaturen unter 0 °C oder bei Raumtemperatur, wie sie bei der Verwendung von Organolithiumbasen häufig zur Vermeidung von Zersetzungsreaktionen durchgeführt wird, bei dieser Umsetzung nicht möglich war. Durch die in 4.2.3.4 bereits erläuterte hohe thermische Stabilität des Liganden Chinuclidin war eine drastische Erhöhung der Temperatur auf 98 °C (refluxierendes n-Hep- tan) möglich und führte zur gewünschten Deprotonierung in zufriedenstellender Ausbeute. Zur anschließenden Überprüfung, ob der ortho-dirigierende Effekt der Dimethylaminogrup- pe des Edukts 169 bereits allein in der Lage ist, die beobachtete Reaktivität hervorzurufen, wurde die Umsetzung zusätzlich in Abwesenheit von Chinuclidin durchgeführt. Es konnte dabei keine Produktbildung beobachtet werden. In Anbetracht der experimentell erhaltenen Ergebnisse war nun eine theoretische Beschrei- bung und Ergründung der Befunde von Interesse, um ein umfassendes Verständnis des zugrunde liegenden Prozesses und seiner Bedeutung für das Verständnis der Reaktivität von Organolithiumverbindungen zu erlangen. Dabei war es zunächst von Bedeutung, ein theoretisches Niveau bestehend aus der Kombination eines DFT-Funktionals sowie eines Ergebnisse und Diskussion 99 passenden Basissatzes zu ermitteln, welches sich am besten zur Beschreibung der unter- suchten Systeme eignet. In der eigenen Arbeitsgruppe zuvor durchgeführte Evaluationen diverser DFT-Funktionale zeigten, dass sich das Minnesota-Funktional M052X sowie des- sen Nachfolger M062X besonders gut zur quantenchemischen Beschreibung von lithium- organischen Verbindungen eignen. Ein weiteres, gängiges Funktional, welches für Berech- nungen organischer Systeme Verwendung findet, ist B3LYP. Im Gegensatz zu den Minne- sota-Funktionalen werden hier jedoch keine dispersiven Wechselwirkungen berücksichtigt. Durch die Anwesenheit von Silicium als großem und weichem Atom ist die Beteiligung von Dispersion jedoch wahrscheinlich, sodass eine zusätzliche gd3-Dispersionskorrektur nach GRIMME angewendet werden kann. Seitens des Basissatzes, welcher die Zahl der bei den Berechnungen berücksichtigten Wellenfunktionen festlegt, kann der Aufwand und die Ge- nauigkeit der Rechnung zusätzlich eingestellt werden. Als zufriedenstellender Kompromiss zwischen Zeit und Genauigkeit hat sich der Basissatz 6-31+G(d) etabliert, welcher auch den hier vorgestellten Rechnungen zugrunde gelegt wird. Die auffälligste strukturelle Besonderheit der zu untersuchenden Systeme liegt in den stark variierenden Stickstoff-Lithium-Abständen, vor allem im unsymmetrischen Dimer 171. Aus diesem Grund wird die theoretische Reproduktion anhand der Wiedergabe der drei N−Li-Abstände bewertet. Zu diesem Zweck wurde die im Festkörper erhaltene Molekül- struktur 171 einer Geometrieoptimierung und anschließenden Frequenzrechnung unter Verwendung der drei Funktionale M062X, B3LYP sowie B3LYP mit zusätzlicher gd3-Dis- persionskorrektur unterzogen. Der in Tabelle 4.8 gezeigte Vergleich der drei relevanten Kontakte mit den experimentell erhaltenen Werten kann dann Aufschluss darüber geben, welches quantenchemische Niveau sich am besten zur theoretischen Untersuchung der Deprotonierungsreaktion eignet. Tabelle 4.8: Gegenüberstellung der experimentell erhaltenen (Exp.) und theoretisch berechneten N−Li- Abstände im Aggregat 171 in Å. Bindung Exp. M062X Abweichung [%] B3LYP Abweichung [%] B3LYP/gd3 Abweichung [%] N1−Li1 2.127(5) 2.08299 −2.07 2.18599 2.77 2.11668 −0.49 N2−Li2 2.139(5) 2.05839 −3.77 2.24321 4.87 2.12325 −0.74 N3−Li2 2.161(5) 2.08207 −3.65 2.20008 1.81 2.11099 −2.31 Es zeigt sich, dass sowohl das Minnesota-Funktional M062X, welches zu kurze Stickstoff- Lithium-Kontakte liefert, als auch das gängige B3LYP-Funktional, welches hingegen ver- längerte Abstände ausgibt, nicht für eine zufriedenstellende Wiedergabe der experimentel- len Daten herangezogen werden können. Die Anwendung der Grimme-Dispersionskorrek- tur gd3 auf das Funktional B3LYP erfüllt jedoch den angestrebten Zweck und liefert Bin- dungslängen, die nah an den experimentell erhaltenen Daten liegen. Aus diesem Grund wurde die Kombination B3LYP/6-31+G(d)/gd3 den Berechnungen der Deprotonierungsreaktion zugrunde gelegt. Das Auftreten der zwei dimeren Strukturen 170 und 171 deutet an, dass die Koordination des dritten Chinuclidin-Moleküls vergleichsweise schwach ist und dieses durch ein zu reagierendes Substrat ausgetauscht werden kann. 100 Ergebnisse und Diskussion Diese Änderung in der Koordinationssphäre des Lithiumzentrums stellt den ersten Schritt einer Deprotonierungsreaktion dar und kann mithilfe der in Schema 4.18 dargestellten iso- desmischen Reaktion berechnet werden. Schema 4.18: Isodesmische Reaktion des Austauschs eines Moleküls Chinuclidin (116) im Aggregat 171 durch N,N-Dimethylbenzylamin (169). Der niedrige Energieaufwand von ΔH = 6 kJ·mol−1 deutet an, dass beide Spezies im Gleich- gewicht miteinander vorliegen. Das gemischte Aggregat 173 war anschließend Ausgangs- punkt der Berechnung des Übergangszustands der Deprotonierung des Benzylamins 169. Es wurde dabei angenommen, dass eines der (Trimethylsilyl)methyl-Carbanionen dem ortho-ständigen Proton des Substrats 169 nahekommt und dieses abstrahiert. Der resultie- rende energetische Verlauf der Reaktion ist in Schema 4.19 dargestellt. Es zeigt sich, dass der Übergangszustand 173-TS um 96 kJ·mol−1 gegenüber dem gemischten Aggregat 173 erhöht liegt, was der Aktivierungsenergie der Deprotonierungsreaktion entspricht. Dieser Wert verdeutlicht die Notwendigkeit erhöhter Temperaturen bei der experimentellen Um- setzung dieser Reaktion, welche in refluxierendem n-Heptan durchgeführt wurde. Hier wird erneut der entscheidende Vorteil des stabilisierenden Liganden Chinuclidin deutlich. Durch seine hohe Ringspannung weist er eine ausreichende thermische Stabilität in Gegenwart von Organolithiumverbindungen auf, sodass er im Gegensatz zu den gängigsten Additiven wie THF (2) oder TMEDA (3) auch bei hohen Temperaturen eingesetzt werden kann. Auf diesem Wege sind vor allem thermodynamisch gehinderte Deprotonierungsreaktionen mit vergleichbar hohen Aktivierungsenergien, wie die Deprotonierung des Benzylamins 169, zugänglich, was eine deutliche Erweiterung des Umfangs der synthetischen Möglichkeiten der Alkyllithiumbasen bedeutet. Ergebnisse und Diskussion 101 Schema 4.19: Berechnete relative Energien [B3LYP/6-31+G(d)/gd3] des Grund- (173) und des Übergangszu- stands (173-TS) der Deprotonierung von N,N-Dimethylbenzylamin (169) mittels dimeren (Trimethylsilyl)methyl- lithiums stabilisiert durch Chinuclidin. Neben dem Austausch einer der Chinuclidin-Liganden in Aggregat 171 durch das Substrat 169 wäre auch eine Koordination des Benzylamins 169 an das symmetrische Dimer 170 als möglicher Weg für die Bildung des gemischten Aggregats 173 denkbar. Die gemäß Schema 4.20 quantenchemisch berechnete Anlagerung lieferte dabei einen Energieunter- schied von ΔH = −60 kJ·mol−1. Schema 4.20: Bildung des hypothetischen gemischten Aggregats 173 durch Anlagerung des Benzylamins 169 an das symmetrische Dimer 170. Bei der hier zugrunde gelegten Berechnung auf Grundlage der Reaktionsenthalpien ΔH wäre dieser Pfad zur Bildung des gemischten Aggregats 173 deutlich bevorzugt. Vor allem, da die betreffende Reaktion bei stark erhöhter Temperatur durchgeführt wurde, kommt der Entropieänderung während der Reaktion eine zu berücksichtigende Bedeutung zu. Eine realitätsnähere Beschreibung des Prozesses gelingt demnach über die Berechnung des Reaktionsprozesses mithilfe der Gibbs-Energie bei 298 K, ΔG298 K. In Schema 4.21 werden Reaktionskoordinate E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 173 173-TS 0 kJ·mol −1 ΔH = 96 kJ·mol −1 ΔG = 100 kJ·mol −1 Abstraktion des ortho-ständigen Protons 102 Ergebnisse und Diskussion die für beide möglichen Reaktionspfade zur Erzeugung des gemischten Aggregats 173 erhaltenen Reaktionsenthalpien und Gibbs-Energien gegenübergestellt. Schema 4.21: Gegenüberstellung der Reaktionsenthalpien ΔH und Gibbs-Energien bei 298 K ΔG298 K für die beiden möglichen Reaktionspfade. Während bei Pfad 1 keine signifikante Änderung festzustellen ist, wird die starke Bevorzu- gung des Pfades 2 bei der Berechnung mittels ΔG298 K nahezu aufgehoben. Aufgrund der deutlich geringeren Entropie des gemischten Aggregats 173 wird nur eine minimale Be- günstigung der Aggregatbildung beobachtet, sodass davon ausgegangen werden kann, dass beide möglichen Pfade eine ähnliche Wahrscheinlichkeit besitzen und somit vergleich- bar relevant sind. Auch die Energie des Übergangszustands der Deprotonierung des Ben- zylamins 169 wurde mithilfe der Gibbs-Energie bei 298 K berechnet und lieferte dabei eine Aktivierungsenergie von 100 kJ·mol−1. Diese liegt nur geringfügig höher als die basierend auf den Reaktionsenthalpien erhaltene Aktivierungsenergie von 96 kJ·mol−1, da innerhalb des Übergangszustandes keine bedeutsame Änderung der Entropie auftritt. Es bleibt je- doch festzuhalten, dass bei der Berechnung chemischer Prozesse mittels quantenchemi- scher Methoden stets beachtet werden sollte, welche Faktoren die betrachtete Reaktion beeinflussen und wie diese mithilfe der Rechnungen zu berücksichtigen sind. Die erfolgreiche Deprotonierung von N,N-Dimethylbenzylamin (169) mithilfe der dimeren Spezies des (Trimethylsilyl)methyllithiums 170 bzw. 171, welche bei der monomeren, durch (R,R)-TMCDA stabilisierten Spezies 168 nicht möglich war, stellt ein lehrreiches Beispiel für den diffizilen Zusammenhang von Struktur und Reaktivität der Organolithiumverbindun- gen dar. Wenngleich die antiproportionale Verknüpfung von Aggregatgröße und Reaktions- vermögen in vielen Fällen eine grobe Einschätzung der Reaktivität eines bisher unerforsch- ten Aggregats erlaubt, lassen sich auf Grundlage der bekannten Prinzipien keine vollständig verlässlichen Vorhersagen ableiten. Eine detaillierte Strukturaufklärung und ein umfassen- des Verständnis der ablaufenden Prozesse sind dementsprechend für eine effektive Nut- zung der Lithiumalkylbasen unabdingbar. Ergebnisse und Diskussion 103 4.5 Aufbau siliciumbasierter Ringsysteme durch Mehrfachlithiierung von Silanen Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeiten konnte bereits eingehend herausgestellt werden, dass die untersuchten Basensysteme der Chinuclidin-stabilisierten Alkyllithiumverbindun- gen tert-Butyllithium und iso-Propylltihium eine stark erhöhte Reaktivität gegenüber den je- weils parentalen Reagenzien aufweisen. Durch die zusätzlich hohe thermische und chemi- sche Stabilität des Additivs Chinuclidin (116) sind hohe Reaktionstemperaturen anwendbar und somit gehinderte Deprotonierungsreaktionen zugänglich. Es konnte bereits gezeigt werden, dass beide Systeme zur Metallierung der nur geringfügig C−H-aciden Verbindun- gen Tetramethylsilan (149) und Hexamethyldisilan (150) eingesetzt werden können. Bei den bisherigen, mikrowellengestützten Untersuchungen traten jedoch für beide Substrate und für beide Alkyllithiumverbindungen tert-Butyllithium und iso-Propyllithium Nebenpro- dukte auf, welche auf eine Zersetzung des Reagenzes zurückgeführt wurden. Dieser Pro- zess, welcher die Zufuhr nicht unwesentlicher Mengen Energie erfordert, wurde dabei mög- licherweise durch die Erhitzung mittels Mikrowellenstrahlung begünstigt. Es sollte dement- sprechend zunächst untersucht werden, ob eine selektivere Mehrfachmetallierung beider Substrate mithilfe konventionellen Erhitzens bewerkstelligt werden kann. Da für die geplanten Folgesynthesen besonders die dilithiierten Spezies von Interesse sind, wurde eine vergleichende Versuchsreihe zur Dilithiierung des Hexamethyldisilans (150) und des Tetramethylsilans (149) unter Verwendung zweier Äquivalente des jeweiligen Ba- sensystems durchgeführt. In Umsetzungen über anderthalb Stunden in refluxierendem n-Heptan soll eine Gegenüberstellung beider Alkyllithiumreagenzien erfolgen, um ein ge- eignetes System zur gezielten Erzeugung mehrfachmetallierter Spezies der Substrate 149 und 150 zu ermitteln. Wie auch schon bei den mikrowellengestützten Synthesen zeigte sich auch in dieser Ver- suchsreihe ein deutlich höheres Deprotonierungsvermögen des tert-Butyllithiums. Bei der Umsetzung von Tetramethylsilan (149) wurde das in Abbildung 4.50 gezeigte Gaschroma- togramm des Rohprodukts erhalten. Abbildung 4.50: Gaschromatogramm des Rohprodukts der Umsetzung von Tetramethylsilan (149) mit 2 Äq. tert-Butyllithium/Chinuclidin in refluxierendem n-Heptan über anderthalb Stunden und anschließendem Abfan- gen durch Trimethylchlorstannan. Vergleichbar zu den mikrowellengestützten Synthesen wurde auch hier eine erfolgreiche (mehrfache) Deprotonierung und Funktionalisierung des Substrats 149 beobachtet. Als in- 104 Ergebnisse und Diskussion tensivstes Signal tritt das difunktionalisierte Produkt 161 auf, welches jedoch trotz der Ver- wendung von nur zwei Äquivalenten des Basensystems tert-Butyllithium/Chinuclidin mit der Bildung der korrespondierenden drei- und vierfachfunktionalisierten Produkte 162 und 163 einhergeht. Die Erzeugung der erwünschten Spezies 161 gelingt demnach, jedoch nicht selektiv. Ähnliche Ergebnisse wurden bei der Umsetzung des Hexamethyldisilans (150) er- halten, deren Gaschromatogramm in Abbildung 4.51 dargestellt ist. Abbildung 4.51: Gaschromatogramm des Rohprodukts der Umsetzung von Hexamethyldisilan (150) mit 2 Äq. tert-Butyllithium/Chinuclidin in refluxierendem n-Heptan über anderthalb Stunden und anschließendem Abfan- gen durch Trimethylchlorstannan. Auch an dieser Stelle wird eine erfolgreiche Bildung der zweifachfunktionalisierten Spezies 166 als Hauptprodukt ermittelt. Während zugleich das Abfangprodukt 164 der Monometal- lierung beobachtet wird, treten einige schwere Nebenprodukte auf, unter denen auch die Abfangprodukte der drei- und vierfachmetallierten Spezies vermutet werden. Aufgrund ho- her Molekülmassen ist ihre eindeutige Identifikation aus dem vorliegenden Gemisch anhand der massenspektrometriegekoppelten Gaschromatographie jedoch nicht möglich. Die ausgehend von den Substraten 149 und 150 erhaltenen dilithiierten Intermediate 91 und 103 stellen synthetisch wertvolle Bausteine dar, welche mithilfe zweiwertiger Elektro- phile, wie in Schema 4.22 gezeigt, zum Aufbau siliciumhaltiger Ringsysteme eingesetzt werden können. Schema 4.22: Aufbau siliciumhaltiger Vier- (oben) und Fünfringe (unten) durch zweifache Lithiierung von Tetra- methylsilan (149) bzw. Hexamethyldisilan (150). Ergebnisse und Diskussion 105 Durch eine systematische Variation des organischen Restes R und des Zentralatoms El sollen die Möglichkeiten und Einschränkungen dieser synthetischen Anwendung der vor- gestellten Basensysteme ergründet werden. 4.5.1 Aufbau fünfgliedriger Ringsysteme durch zweifache Deprotonierung des Hexamethyldisilans (150) Ausgehend von dilithiiertem Hexamethyldisilan (103) lassen sich durch Zugabe eines zwei- wertigen Elektrophils fünfgliedrige Ringsysteme aufbauen, welche aufgrund der beinhal- teten gespannten Si−Si-Bindung ein interessantes System für mögliche Folgereaktionen darstellen können. Im eigenen Arbeitskreis konnten derartige Systeme zuvor durch die Er- zeugung der benötigten dilithiierten Spezies mittels einer reduktiven Spaltung von Kohlen- stoff-Schwefel-Bindungen erzeugt werden, wie in Schema 4.23 dargestellt wird.[65] Schema 4.23: Erzeugung der siliciumhaltigen Fünfringe 104 und 105 unter Zuhilfenahme der reduktiven Spaltung von Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen zur Erzeugung des dilithiierten Hexamethyldisilans 103.[65] Die Eigenschaften der fünfgliedrigen Ringsysteme lassen sich über die Wahl der organi- schen Reste R des Elektrophils sowie dessen Zentralatoms E beeinflussen. Um den Ein- fluss beider Faktoren zu ergründen, wurde die in Schema 4.24 zusammengefasste Ver- suchsreihe durchgeführt, in welcher die Methyl-, Ethyl-, Butyl- und Phenyl-substituierten Dichlorverbindungen des Siliciums, Germaniums und des Zinns als Elektrophil eingesetzt wurden. Schema 4.24: Synthese siliciumhaltiger Fünfringe durch Dilithiierung des Hexamethyldisilans (150) und anschließendem Abfangen durch Dichlorelektrophile. 106 Ergebnisse und Diskussion Zur Verhinderung der Bildung unerwünschter Nebenprodukte, wie sie bei der oben darge- stellten Umsetzung in refluxierendem n-Heptan beobachtet wurden, wurde n-Hexan als Lö- semittel verwendet, dessen Siedepunkt mit 68 °C entscheidend niedriger als beim n-Heptan liegt. Zusätzlich wird auf konventionelle Weise erhitzt, um die hohe Energieeinstrahlung der Mikrowelle zu umgehen. Im Folgenden werden die Resultate der Versuchsreihe in Abhän- gigkeit des Zentralatoms El vorgestellt. 4.5.1.1 Ringschluss mit Dichlorsilanen Von den gewählten zweiwertigen Elektrophilen stellen die Silane (El = Si) die leichtesten Vertreter dar. Entsprechend der in Schema 4.25 dargestellten Reaktion wurden die vier siliciumhaltigen Ringsysteme 175 bis 177 sowie 104 erhalten. Schema 4.25: Ringschluss des zweifach lithiierten Hexamethyldisilans 103 mittels Dichlorsilanen als Elektro- phile. Wenngleich alle vier Ringsysteme 175 bis 177 sowie 104 in den Gaschromatogrammen der jeweiligen Rohproduktlösungen gefunden werden konnten, verlief die Ringschlussreaktion in keinem der Fälle völlig zufriedenstellend. Mit Ausnahme des Butyl-substituierten Systems 177 wurden stets zahlreiche Nebenprodukte beobachtet, deren Auftreten zu Lasten der Ausbeute des gewünschten Systems fällt. Diese Nebenprodukte waren unter anderem einer unvollständigen Dilithiierung des Startmaterials zuzuschreiben. Dies trat insbesonde- re beim Methyl-substituierten System auf. Das entsprechende Dichlorsilan reagierte ent- sprechend Schema 4.26 mit der monolithiierten Spezies 185 zu dem Nebenprodukt 186. Schema 4.26: Bildung des Nebenprodukts 186 aufgrund einer unvollständigen Dilithiierung des Hexamethyl- disilans (150). Beim analogen Phenyl-haltigen System wurde diese Nebenreaktion nicht beobachtet. Möglicherweise verhindert dort die sterische Überfrachtung des Siliciumzentrums des Elek- trophils die Anlagerung zweier monolithiierter Hexamethyldisilan-Reste (185). Wie in Schema 4.27 gezeigt, wird stattdessen ein Hydrolyseprodukt 188 beobachtet. Ergebnisse und Diskussion 107 Schema 4.27: Bildung des Hydrolyseprodukts 188 bei Umsetzung des monolithiierten Hexamethyldisilans 185 mit Diphenyldichlorsilan. Im Falle der rein Silicium-basierten Ringsysteme wird die Abtrennung der auftretenden Ne- benprodukte durch die Flüchtigkeit der Substanzen stark erschwert. Aufgrund vergleichs- weise geringer molarer Massen werden niedrige Siedepunkte erwartet, welche eine destil- lative Trennung der Produkte vom Lösemittel und insbesondere von den beobachteten Ne- benprodukten ausschließt. Statt einer Auftrennung der erhaltenen Rohproduktgemische wäre eine selektivere Bildung der gewünschten Ringsysteme erstrebenswert. 4.5.1.2 Ringschluss mit Dichlorgermanen Als nächstschwerere Analoga der bereits beschriebenen Siliciumelektrophile wurden die entsprechenden Germaniumverbindungen in den in Schema 4.28 dargestellten Ring- schlussreaktionen eingesetzt. Schema 4.28: Ringschluss des zweifach lithiierten Hexamethyldisilans 103 mittels Dichlorgermanen als Elektro- phile. Die dabei erhaltenen Rohproduktgemische wiesen im Vergleich zu den analogen Silicium- basierten Systemen deutlich größere Anteile der gewünschten Fünfringe auf. Dies trifft je- doch nicht für das Methyl-substituierte Produkt zu, da dieses nicht beobachtet werden konn- te. Begründet sein könnte dies jedoch in der hohen Flüchtigkeit des Reaktionsprodukts 178, welches möglicherweise während der Abtrennung des Lösemittels im Zuge der Aufarbei- tung verloren ging oder aufgrund einer hohen Flüchtigkeit im Gaschromatogramm nicht be- obachtet werden konnte. Die Synthese der Ethyl- und Butyl-substituierten Fünfringe verlief unter Bildung zahlreicher Nebenprodukte, welche nicht vollständig identifiziert werden konnten. Es traten jedoch die in Schema 4.29 gezeigten Hydrolyseprodukte 189 und 190 auf. Schema 4.29: Bildung der Hydrolyseprodukte 189 und 190 durch Reaktion zweier Äquivalente des Elektrophils mit dem zweifach lithiierten Hexamethyldisilan 103. 108 Ergebnisse und Diskussion Die Bildung der Nebenprodukte 189 und 190 deutet darauf hin, dass die gewünschte Dili- thiierung des Hexamethyldisilans (150) erfolgreich durchgeführt werden konnte. Anstelle einer Reaktion der dimetallierten Spezies 103 mit den zwei Chlorfunktionalitäten eines Mo- leküls des Elektrophils wurden hier jedoch beide Metallzentren durch zwei unabhängige Elektrophilmoleküle abgefangen, sodass der gewünschte Ringschluss nicht eintreten kann. Eine stärkere Verdünnung der Reaktionslösung könnte diese Nebenproduktbildung mög- licherweise verhindern, indem das statistische Aufeinandertreffen einer dimetallierten Spe- zies und eines Elektrophils unwahrscheinlicher und somit die Ringschlussreaktion bevor- zugt wird. Besonders hervorzuheben ist in diesem Abschnitt der Versuchsreihe die Umsetzung des lithiierten Hexamethyldisilans mit dem Phenyl-substituierten Dichlorgerman. Anders als bei den zuvor erläuterten Reaktionen wurde hier eine nahezu selektive Produktbildung beob- achtet, wie das in Abbildung 4.52 gezeigte Gaschromatogramm des Rohprodukts zeigt. Abbildung 4.52: Gaschromatogramm der Ringschlussreaktion von Hexamethyldisilan (150) zu 105 unter Ver- wendung von Diphenyldichlorgerman als Elektrophil. Sowohl die Dilithiierung des Hexamethyldisilans (150) als auch die anschließende Ring- schlussreaktion scheinen weitestgehend hier ohne Bildung von Nebenprodukten gelungen zu sein. 4.5.1.3 Ringschluss mit Dichlorstannanen Als Abschluss der vorgestellten Versuchsreihe wurden die Ringschlussreaktionen mit den analogen Dichlorstannan-Elektrophilen gemäß Schema 4.30 durchgeführt. Schema 4.30: Ringschluss des zweifach lithiierten Hexamethyldisilans 103 mittels Dichlorstannanen als Elektrophile. Ergebnisse und Diskussion 109 Im Vergleich mit den zuvor vorgestellten Ringschlussreaktionen mit Silicium- und Germani- umelektrophilen wurden bei der Verwendung der Dichlorstannane deutlich weniger Neben- produkte beobachtet. Bei allen vier Umsetzungen konnte die Bildung des jeweils gewünsch- ten Ringsystems beobachtet werden. Während die Verwendung des Methyl-substituierten Elektrophils die geringste Selektivität aufwies, konnten in den drei verbleibenden Umset- zungen verhältnismäßig selektive Bildungen der Ringsysteme beobachtet werden. Bei den Synthesen des Phenyl- und des Ethyl-substituierten Fünfrings wurde die bereits für die Sili- ciumelektrophile beschriebene Nebenproduktbildung aufgrund unzureichender Dilithiierung des Startmaterials beobachtet, welche in Schema 4.31 dargestellt wird. Schema 4.31: Bildung der Nebenprodukte 191 und 192 aufgrund einer unvollständigen Dilithiierung des Hexa- methyldisilans (150). Bei der untersuchten Ringschlussreaktion mit Dibutyldichlorstannan konnte der gewünsch- te Fünfring 183 beobachtet werden, jedoch ging dessen Bildung auch mit einer Nebenre- aktion einher. Zwar wurde hier das Hexamethyldisilan (150) wie erwartet zweifach lithiiert, jedoch reagierte es dann mit zwei Molekülen des Elektrophils zum Nebenprodukt 193, des- sen Bildung in Schema 4.32 erläutert wird. Schema 4.32: Bildung des Hydrolyseprodukts 193 durch Reaktion zweier Äquivalente des Elektrophils mit dem zweifach lithiierten Hexamethyldisilan 103 und anschließender Hydrolyse der verbleibenden Chlorid-Funktiona- litäten. 4.5.1.4 Zusammenfassung und Fazit der Versuchsreihe Im Rahmen der hier vorgestellten Versuchsreihe zu Ringschlussreaktionen an zweifach lithiiertem Hexamethyldisilan wurden insgesamt zwölf verschiedene Dichlorelektrophile ein- gesetzt. In den meisten Fällen konnte dabei die Bildung der gewünschten Ringsysteme beobachtet werden, welche jedoch mit der Bildung diverser Nebenprodukte einherging. Be- sonders bei Verwendung der Silicium-basierten Elektrophile traten komplexe Produktgemi- sche auf, welche weder vollständig charakterisiert noch aufgetrennt werden konnten. In an- knüpfenden Arbeiten könnten hier Optimierungen der Reaktionsbedingungen auf Grundla- ge einer differenzierten Aufschlüsselung der Nebenprodukte erfolgen, um die Bildung der korrespondierenden Ringsysteme zu begünstigen. Bei den weiterhin eingesetzten Dichlor- germanen und -stannanen war insgesamt eine selektivere Produktbildung zu beobachten, wenngleich auch hier definierte Nebenreaktionen auftraten. Diese beruhten hauptsächlich auf zwei unerwünschten Prozessen: Zum einen lag in einigen Fällen überwiegend monoli- thiiertes Hexamethyldisilan 185, welches mit dem eingesetzten Elektrophil zu offenkettigen 110 Ergebnisse und Diskussion Systemen reagierte. Zum anderen wurden Nebenreaktionen beobachtet, bei denen das er- folgreich dilithiierte Startmaterial mit zwei Molekülen des Elektrophils reagierte, anstatt die erwartete Ringschlussreaktion einzugehen. Beide Typen beobachteter Nebenreaktionen bieten Ansatzstellen zur Optimierung der gewählten Reaktionsbedingungen, welche im Folgenden näher erläutert werden. 4.5.1.5 Optimierung der Ringschlussreaktionen zu fünfgliedrigen Ringsystemen Wie oben bereits beschrieben, wurden im Laufe der durchgeführten Versuchsreihe zu Ring- schlussreaktionen an dilithiiertem Hexamethyldisilan insbesondere zwei verschiedene Ne- benreaktionen beobachtet, welche Ansatzpunkte für Optimierungen darstellen. Die erste dieser Nebenreaktionen besteht in einer unvollständigen Dilithiierung des Startmaterials Hexamethyldisilan (150). Die monolithiierte Spezies 185 reagiert in Gegenwart der Dichlor- elektrophile zu offenkettigen Spezies, was in Schema 4.33 gezeigt wird. Schema 4.33: Bildung der offenkettigen Nebenprodukte 186, 191 und 192 aufgrund unzureichender Dilithiie- rung des Hexamethyldisilans (150). Da in allen Fällen auch die erfolgreiche Bildung des gewünschten Ringsystems beobachtet wurde, kann davon ausgegangen werden, dass sowohl die Dilithiierung des Hexamethyldi- silans (150) sowie die anschließende ringschließende Reaktion mit dem jeweiligen Dichlor- elektrophil prinzipiell abläuft. Eine Verlängerung der Reaktionszeit kann an dieser Stelle zu einer erhöhten Bildung des dilithiierten Hexamethyldisilans 103 und somit zu einer erhöhten Bildung der gewünschten fünfgliedrigen Ringsysteme führen. Der zweite hauptsächlich beobachtete Typ von Nebenreaktionen beruht auf einer Umset- zung des wie gewünscht zweifach lithiierten Hexamethyldisilans 103 mit zwei Molekülen des Elektrophils, sodass beide Enden des Startmaterials mit zwei unterschiedlichen Elek- trophilresten funktionalisiert werden. Wie in Schema 4.34 gezeigt, führt die anschließende wässrige Aufarbeitung zur Hydrolyse der unreagierten Chloridfunktionalitäten und somit zur Bildung der Nebenprodukte 189, 190 und 193. Schema 4.34: Bildung der zweifach substituierten Nebenprodukte 189, 190 und 193 aufgrund der Reaktion des zweifach lithiierten Hexamethyldisilans 103 mit zwei Äquivalenten des jeweiligen Elektrophils und anschließen- der Hydrolyse der verbleibenden Chloridfunktionalitäten. Ergebnisse und Diskussion 111 Umgangen werden kann diese Nebenreaktion möglicherweise durch eine erhöhte Verdün- nung der Reaktionslösung. Auf diese Weise wird die Begegnung der dilithiierten Spezies 103 mit dem eingesetzten Elektrophil statistisch unwahrscheinlicher und die Ringschluss- reaktion tritt gegenüber der Reaktion mit einem weiteren Molekül des Elektrophils bevorzugt auf. Auch eine starke Erniedrigung der Temperatur kann diesen Effekt aufgrund einer ein- geschränkten Mobilität der Teilchen in Lösung bewirken. Die auf Grundlage der beobachteten Nebenreaktionen abgeleiteten Ansätze für Optimie- rungen wurden im Anschluss auf ausgewählte Umsetzungen angewendet, welche im Rah- men der Versuchsreihe bereits vielversprechende Ergebnisse zeigten. Zu Beginn wurde die Erniedrigung der Temperatur bei Elektrophilzugabe auf die Bildung des Ringsystems unter Verwendung von Diphenyldichlorstannan angewendet. Während sowohl die Silicium- als auch die Germanium-basierten Elektrophile bei ihrer Reaktion mit dem metallierten Startmaterial verhältnismäßig hohe Energiebarrieren aufweisen und deshalb höhere Tem- peraturen zur Reaktion benötigen, reagieren Chlorstannane bereits bei sehr tiefen Tempe- raturen schnell mit den metallierten Spezies, sodass der Optimierungsansatz nur für die Zinn-basierten Elektrophile denkbar ist. Im Rahmen der Versuchsreihe wurde bei Verwen- dung des Diphenyldichlorstannans neben dem erwarteten Ringsystem 184 überwiegend ein Nebenprodukt beobachtet, welches auf einer Monolithiierung des Hexamethyldisilans (150) zu beruhen scheint. Es wäre jedoch ebenfalls denkbar, dass entsprechend Schema 4.35 zwei Moleküle des dilithiierten Startmaterials mit einem Molekül des Elektrophils rea- gierten. Nach wässriger Aufarbeitung und daraus folgender Hydrolyse verbleibender me- tallierter Zentren lässt sich dieses Nebenprodukt nicht mehr von dem auf einer ausschließ- lichen Monolithiierung beruhenden Nebenprodukt unterscheiden. Schema 4.35: Bildung des Nebenprodukts 192 durch Reaktion des dilithiierten Hexamethyldisilans 103 mit dem Elektrophil und anschließender Protonierung des metallierten Zwischenprodukts 194. Die Erniedrigung der Temperatur bei Elektrophilzugabe kann hier die Reaktion eines dime- tallierten Startmaterials mit nur einem Molekül des Elektrophils aufgrund einer einge- schränkten Mobilität beider Spezies bevorzugen. Kam es zum Aufeinandertreffen des Inter- mediats 103 mit dem Elektrophil und zur Reaktion eines Lithiumzentrums mit einer der Chlorfunktionalitäten, kann die geringe Mobilität zu einer Bevorzugung der ringschließen- den Reaktion gegenüber einem Aufeinandertreffen mit einer weiteren metallierten Spezies oder einem weiteren Molekül des Elektrohpils führen. In Abbildung 4.53 werden Ausschnitte der Gaschromatogramme gegenübergestellt, welche im Rahmen der Versuchsreihe und bei erniedrigter Temperatur bei Elektrophilzugabe erhalten wurden. 112 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.53: Links: Gaschromatogramm der Ringschlussreaktion mit Diphenyldichlorstannan im Rahmen der Versuchsreihe; rechts: Gaschromatogramm der Ringschlussreaktion mit Diphenyldichlorstannan unter Zugabe des Elektrophils bei erniedrigter Temperatur. Es zeigt sich, dass die Bildung des Nebenprodukts 192 im Vergleich zum vorherigen Expe- riment eingeschränkt werden konnte. Es lässt sich demnach schlussfolgern, dass die Bil- dung von 192 nicht allein auf einer unvollständigen Dilithiierung des Hexamethyldisilans (150) beruht, sondern zumindest zum Teil auch auf einer unkontrollierten Reaktion zwi- schen dimetallierter Spezies und Elektrophil. Da nach wie vor das Nebenprodukt 192 be- obachtet wird, kann eine erniedrigte Temperatur allein jedoch nicht zu einer selektiven Ring- schlussreaktion führen. Daraus folgt, dass eine Optimierung der Abfangreaktion nicht aus- reicht, um die Bildung unerwünschter Nebenprodukte auszuschließen. Eine Erhöhung des Anteils an dilithiiertem Hexamethyldisilan bleibt demnach ein wichtiges Ziel der Bemühungen zur Optimierung der Ringschlussreaktionen. Dies kann möglicher- weise durch eine verlängerte Reaktionszeit während der Metallierung erreicht werden. Un- tersucht wurde dieser Einfluss zunächst anhand der Ringsysteme 182 (El = Sn, R = Et), 183 (El = Sn, R = Bu) und 105 (El = Ge, R = Ph), welche im Rahmen der vorgestellten Versuchsreihe bereits vielversprechende Ergebnisse lieferten, da dort neben den er- wünschten Ringsystemen ausschließlich die auf monolithiiertem Hexamethyldisilan beruh- enden Nebenprodukte beobachtet wurden. Es zeigte sich, dass eine Verdopplung der Re- aktionszeit von drei auf sechs Stunden keinen Einfluss auf die Produktverteilung nimmt. In allen drei Reaktionen wurden vergleichbare Ergebnisse wie in der Versuchsreihe erhalten. Eine Ausnahme stellt das Diphenylgerman-substituierte Ringsystem 105 dar. Während die- ses System im Zuge der Versuchsreihe selektiv gebildet wurde, trat bei verlängerter Reak- tionszeit ein Nebenprodukt auf. Aufgrund dieser Beobachtung wurde dieses System bei weiteren Optimierungen nicht mehr berücksichtigt. Da bei den verbleibenden Zinn-basierten Ringsystemen 182 (R = Et) und 183 (R = Bu) keine Veränderungen bei Verdopplung der Reaktionszeit beobachtet werden konnten, wur- de die Reaktionszeit im nächsten Optimierungsversuch erneut erhöht, sodass die Zeit unter Reflux nun 24 Stunden betrug. Zusätzlich wurde die Menge des Lösemittels verdoppelt, um eine selektive Reaktion einer dimetallierten Spezies 105 mit nur einem Molekül des einge- setzten Elektrophils zu begünstigen. Weiterhin wurde die zuvor beschriebene erniedrigte Temperatur bei Elektrophilzugabe zur zusätzlichen Bevorzugung der Ringschlussreaktion eingesetzt. Die Verknüpfung dieser drei Einflüsse – Reaktionszeit, Verdünnung und Ergebnisse und Diskussion 113 Temperatur – führte bei den beiden Systemen 182 und 183 zu der erwünschten Optimie- rung der Ringschlussreaktion. Wie die Gegenüberstellungen in Abbildung 4.54 zeigen, konnten beide Systeme nun nahezu selektiv erhalten werden. Abbildung 4.54: Gegenüberstellung der Produktverhältnisse der Ringschlussreaktionen in der Versuchsreihe (links) und unter optimierten Bedingungen (rechts). Im Rahmen der hier vorgestellten Untersuchungen konnten also die drei Systeme 105 (El = Ge, R = Ph), 182 (El = Sn, R = Et) und 183 (E = Sn, R = Bu) nahezu selektiv erhalten werden. Damit konnte die Reihe der bisher über reduktive Spaltung einer Kohlenstoff- Schwefel-Bindung zugänglichen Fünfringe, welche ein Silicium- oder Germaniumzentrum als verbrückendes Atom nutzen,[65] um das schwerere Analogon Zinn erweitert werden. Auf- grund der zuvor verwendeten Thioetherspaltung zur Erzeugung der dilithiierten Spezies waren diese Verbindungen nicht zugänglich. Über die direkte Deprotonierung des Hexame- thyldisilans (150) mithilfe des potenten Basensystems von tert-Butyllithium und Chinuclidin wurde diese Einschränkung bei der Wahl des ringschließenden Dichlorelektrophils aufge- hoben. Die bisher nur in Testreaktionen und somit geringen Mengen erhaltenen Substan- zen lagen bisher jedoch nicht vollständig rein vor und konnten somit nicht vollständig cha- rakterisiert werden. Anschließende Arbeiten sollten sich nun damit befassen, diese Sub- stanzen zu isolieren, um sie Folgereaktionen unter Ausnutzung der gespannten Si−Si-Bin- dung zu unterziehen. Die für die oben genannten Systeme angewandten Optimierungsstra- tegien sollten zusätzlich auch für die verbleibenden Systeme untersucht werden, um die Vielfalt der Ringsysteme zu erhöhen. Dies kann außerdem über die Verwendung anderer, 114 Ergebnisse und Diskussion gegebenenfalls größerer Dichlorverbindungen zur Ringschlussreaktion geschehen. Nach- dem gezeigt werden konnte, dass die zweifache Deprotonierung des Hexamethyldisilans (150) erfolgreich für den Aufbau siliciumhaltiger Ringsysteme eingesetzt werden kann, wur- de die dimetallierte Spezies 103 entsprechend Schema 4.36 mit 1,2-Dichlortetramethyldi- silan (174) umgesetzt, um das sechsgliedrige Ringsystem 194 zu erhalten. Erneut wurde dabei die Bildung eines Nebenprodukts beobachtet, welche auf eine unzureichende Dilithi- ierung des Startmaterials zurückzuführen sein könnte. Schema 4.36: Ringschluss des dilithiierten Hexamethyldisilans 103 mit 1,2-Dichlortetramethyldisilan (174) zum sechsgliedrigen Ringsystem 194 und Bildung des Nebenprodukts 196. Erneut wird deutlich, dass die angestrebten Optimierungen der Metallierungs- und der Ring- schlussreaktionen von zentraler Bedeutung für die erfolgreiche Umsetzung der mehrfach- metallierten Spezies zu den synthetisch interessanten Ringsystemen sind. Während eine verlängerte Reaktionszeit während der Metallierung auch hier zu einer vermehrten Bildung der dilithiierten Spezies 103 führen könnte, kann eine hohe Verdünnung zu einer Bevorzu- gung der Ringschlussreaktion führen. Anknüpfende Studien müssen nun folgen, um das volle synthetische Potential der Dilithiierung von Hexamethyldisilan (150) gewinnbringend auszuschöpfen. Im Fokus der hier vorgestellten Arbeiten stand jedoch nur die Auslotung der prinzipiellen Durchführbarkeit der angestrebten Ringschlussreaktionen. Ein gänzlich präparativer Ansatz wurde dabei nicht verfolgt, weswegen die vollständige Aufreinigung und Charakterisierung der erzeugten Ringsysteme noch aussteht. Ergebnisse und Diskussion 115 4.5.1.6 Quantenchemische Berechnung der Dilithiierung von Hexamethyldisilan (150) Zur Vertiefung des Verständnisses der Deprotonierungsprozesse an Hexamethyldisilan (150) und der dabei auftretenden synthetischen Schwierigkeiten wurden die zugrunde lie- genden Reaktionen zusätzlich quantenchemisch untersucht. Die theoretische Ermittlung der jeweiligen Aktivierungsenergien kann Aufschlüsse über beobachtete Selektivitäten ge- ben oder aufzeigen, warum derartige Effekte nicht festgestellt wurden. Zu Beginn wurde dazu die Monolithiierung des Substrats berechnet. Analog zu den in Ka- pitel 4.2.3.3 durchgeführten Berechnungen sind auch hier zwei mögliche Ausgangskomple- xe denkbar, welche vergleichend berechnet wurden. Der erste von ihnen geht von der ge- mäß Schema 4.37 ablaufenden Bildung einer monomeren Spezies aus, welche den Aus- gangspunkt der ersten Lithiierungsreaktion darstellt.[II] Schema 4.37: Erzeugung der hypothetischen monomeren Spezies 197 als initialer Schritt einer Deprotonierung des Hexamethyldisilans (150). Für die Bildung der hypothetischen monomeren Spezies 197 wurde dabei ein Energiebe- darf von 44 kJ·mol−1 erhalten, welcher andeutet, dass es sich bei dem zugrunde liegenden Prozess um eine chemisch sinnvolle Umformung handelt. Aufgrund der ungünstigen Entro- pieänderung liegt die Gibbs-Energie ΔG jedoch bei 71 kJ·mol−1. Basierend auf dieser Er- kenntnis wurde anschließend der Übergangszustand und somit die Aktivierungsenergie der Deprotonierung des Hexamethyldisilans berechnet. Die dabei erhaltenen Molekülgeome- trien und relativen Energien werden in der auf der nächsten Seite gezeigten Abbildung 4.55 dargestellt. [II] Gibbs-Energien ΔG sind stets für eine Temperatur von 298 K angegeben. 116 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.55: Berechnete Geometrien und relative Energien des hypothetischen monomeren Komplexes 197 und des daraus resultierenden Übergangszustands 197-TS der Deprotonierung des Hexamethyldisilans (150) [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Zu der erhaltenen Aktivierungsenergie von 59 kJ·mol−1 addiert sich der zur Bildung des Monomers 197 benötigte Energiebedarf von 44 kJ·mol−1, sodass sich eine Energiebarriere von 103 kJ·mol−1 für den gesamten Deprotonierungsprozess ergibt. Diese kann bei Zufuhr erhöhter Temperatur, wie bei der Reaktionsdurchführung in refluxierendem n-Heptan, über- wunden werden, sodass der berechnete und in Schema 4.38 zusammenfassend darge- stellte Prozess chemisch sinnvoll ist. Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 197 197-TS 0 kJ·mol −1 ΔH = 59 kJ·mol −1 ΔG = 60 kJ·mol −1 C Li N Si Ergebnisse und Diskussion 117 Schema 4.38: Darstellung des Gesamtprozesses der Monolithiierung des Hexamethyldisilans (150) ausgehend von der monomeren Spezies 197. Es ist jedoch alternativ denkbar, dass die Deprotonierungsreaktion von einer dimeren Aus- gangsstruktur des Basensystems ausgeht, an welches sich das Substrat Hexamethyldisilan (150) annähert. Zum Vergleich mit dem eben dargestellten Reaktionsverlauf über die monomere Ausgangsverbindung 197 wurde auch dieser Fall berechnet. Die erhaltenen Molekülgeometrien und relativen Energien sind in Abbildung 4.56 dargestellt. Abbildung 4.56: Berechnete Geometrien und relative Energien der dimeren Ausgangsverbindung 198 und des daraus resultierenden Übergangszustands 198-TS der Deprotonierung von Hexamethyldisilan (150) [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 198 198-TS 0 kJ·mol −1 ΔH = 55 kJ·mol −1 ΔG = 65 kJ·mol −1 C Li N Si 118 Ergebnisse und Diskussion Im Vergleich zum vorigen Reaktionsverlauf ausgehend von der monomeren Spezies 197 weist die Reaktion auf Grundlage des Dimers 198 eine erheblich geringere Aktivierungs- energie von 55 kJ·mol−1 auf. Sie stellt damit den wahrscheinlicheren Reaktionspfad dar und bestätigt den experimentellen Befund, dass das eingesetzte Basensystem tert-Butyllithi- um/Chinuclidin in der Lage ist, das Substrat in zufriedenstellender Weise zu deprotonieren. Die entstehende carbanionische Spezies wird im Übergangszustand 198-TS mithilfe des siliciumspezifischen α-Effekts stabilisiert, was eine Ursache für die Absenkung der Energie- barriere darstellen könnte. Weiterhin werden in den dimeren Aggregaten 198 und 198-TS mehr stabilisierende Kontakte zwischen den Lithiumzentren und den Carbanionen sowie den Stickstoffliganden ausgebildet, wodurch jeweils höhere Koordinationszahlen und somit stärker stabilisierte Systeme generiert werden. Zusätzlich liegt im Übergangszustand 198-TS eine antiperiplanare Anordnung der Trimethylsilyl-Gruppe zur entstehenden La- dung vor, welche ebenfalls eine energetische Absenkung des Übergangszustandes be- wirken kann. Ausgehend von diesen theoretischen Befunden kann davon ausgegangen werden, dass auch die experimentell beobachtete Dilithiierung aus einer dimeren Spezies heraus ge- schieht. Im Anschluss an die Deprotonierung über 198-TS kann das nun gebildete tert-Bu- tan aus dem Aggregat entweichen, sodass die gemischte dimere Spezies 199, welche sowohl unreagiertes tert-Butyllithium als auch monolithiiertes Hexamethyldisilan enthält, erhalten wird. In dieser Spezies wird die räumliche Nähe des Substrats zum Alkyllithium- reagenz beibehalten, sodass eine zweite Deprotonierung denkbar ist. Für diese gibt es ver- schiedene Reaktionsmöglichkeiten, welche zu regioisomeren Produkten führen. Neben der Abstraktion eines Protons einer direkt benachbarten CH3-Gruppe desselben Siliciumzen- trums (hier geminal genannt) ist auch eine Deprotonierung eines CH3-Protons des zweiten Siliciumzentrums des Hexamethyldisilans (hier vicinal genannt) denkbar. Beide möglichen Pfade wurden im Zuge der hier vorgestellten Berechnungen modelliert. Die erhaltenen Mo- lekülgeometrien sowie die relativen Energien sind in Abbildung 4.57 dargestellt. Ergebnisse und Diskussion 119 Abbildung 4.57: Berechnete Molekülgeometrien und relative Energien des gemischten Dimers 199 und der daraus resultierenden Übergangszustände einer geminalen (199-TSgemi) und einer vicinalen (199-TSvici) Dilithiierung [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Es wurden dabei zwei Übergangszustände 199-TSgemi und 199-TSvici erhalten, welche einen Energieunterschied von nur 8 kJ·mol−1 aufweisen und somit als gleich angesehen werden können. Bei Betrachtung der Gibbs-Energie ΔG, welche hier bei einer Temperatur von 25 °C angegeben wird, gleichen sich die Energiebeträge weiter an, wobei die vicinale Dilithiierung stärker beeinflusst wird. Dies ist erneut auf eine starrere Geometrie des Über- gangszustands 199-TSvici im Vergleich zur geminalen Dilithiierung zurückzuführen. Bei hö- heren Temperaturen, wie sie in den Versuchen verwendet wurden, würde das Auftreten der vicinalen Dilithiierung entsprechend unwahrscheinlicher. Experimentell hätte dies zur Fol- ge, dass die zum Ringschluss erforderliche vicinale Spezies nur in geringem Maße gebildet wird. Diese Erkenntnis steht jedoch im Widerspruch zu den experimentellen Befunden. Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 199 199-TS vici 0 kJ·mol −1 C Li N Si 199-TS gemi ΔH = 130 kJ·mol −1 ΔG = 136 kJ·mol −1 ΔH = 122 kJ·mol −1 ΔG = 135 kJ·mol −1 120 Ergebnisse und Diskussion Während der vorangegangenen Testreaktionen zur Mehrfachmetallierung des Hexamethyl- disilans (150) wurden zwar zwei isomere Spezies des difunktionalisierten Produkts beob- achtet, jedoch trat eine Bevorzugung der vicinalen Spezies auf, wie das in Abbildung 4.58 gezeigte Gaschromatogramm der Rohproduktlösung verdeutlicht. Abbildung 4.58: Gaschromatogramm des Rohprodukts der Umsetzung von Hexamethyldisilan (150) mit 2 Äq. tert-Butyllithium/Chinuclidin und anschließender Abfangreaktion mit Me3SnCl; Vergrößerung der Signale der isomeren zweifachfunktionalisierten Produkte 165 und 166. Anhand der im jeweiligen Massenspektrum beobachteten Fragmente wurde das kleinere der beiden Signale dem geminalen difunktionalisierten Produkt 165 zugewiesen. Das grö- ßere Signal repräsentiert demnach die für die Ringschlussreaktionen relevante vicinale Spezies 166. Da aufgrund der Elektronenstoßionisation der Substanzen zur Analyse mittels Massenspektrometrie eine Fragmentierung der Moleküle erfolgt, können die hier beobach- teten Signale zur Ermittlung der Mengenverhältnisse nicht integriert werden, da die Signal- intensität neben der Substanzmenge auch stark von der Neigung der Substanz zur Frag- mentierung abhängt. Für eine quantitative Untersuchung des Gemisches müsste auf eine andere Methode wie die Flammenionisation zurückgegriffen werden. Wegen der hohen chemischen Ähnlichkeit der Spezies 165 und 166 und einer demnach erwarteten ähnlichen Neigung zur Fragmentierung kann jedoch zumindest vermutet werden, dass ein signifikan- ter Überschuss der Spezies 166 vorlag. Dieser Widerspruch zu den theoretischen Ergeb- nissen ließe sich über variierende Erfolge der Abfangreaktion beider Spezies erklären. Durch die räumliche Nähe beider Carbanionen der geminalen Spezies 165 wird die Reak- tion der lithiierten Zentren mit dem Elektrophil möglicherweise sterisch gehindert. Auf Seiten der theoretischen Betrachtungen wäre zudem eine Problematik hinsichtlich der Lösemittel- sphäre denkbar. Während die Berechnungen anhand einzelner Moleküle in der Gasphase durchgeführt werden, finden die experimentellen Untersuchungen in Lösung statt. Auch wenn dazu mit n-Heptan ein unpolares Lösemittel Anwendung findet, können die in den untersuchten Molekülen vorliegenden, polaren Si−C-Bindungen empfindlich von Änderun- gen der Entropie der nächsten Koordinationssphäre abhängig sein, weshalb die erhaltenen Ergebnisse und Diskussion 121 Werte von ΔG die experimentellen Befunde nur eingeschränkt wiedergeben. Da wie oben gezeigt jedoch eine erfolgreiche Bildung der gewünschten fünfgliedrigen Ringsysteme be- obachtet werden konnte, wurde diese Divergenz zwischen Theorie und Experiment im Rah- men der vorliegenden Arbeit nicht näher verfolgt. Zukünftige Arbeiten sollten jedoch darauf abzielen, die zugrunde liegenden Prozesse detaillierter zu beleuchten und somit Optimie- rungsstrategien für die Ringschlussreaktionen ableiten zu können. In Schema 4.39 sind abschließend alle konkurrierenden Deprotonierungsprozesse zusammengefasst, welche aus einem Reaktionsgemisch von Chinuclidin (116), tert-Butyllithium und Hexamethyldisi- lan (150) heraus auftreten können. Es ist dabei jedoch zu beachten, dass die verschiedenen Prozesse auf unterschiedlichen stöchiometrischen Verhältnissen beruhen, die hier nicht näher angegeben sind. Schema 4.39: Zusammenfassung der konkurrierenden Prozesse eines Reaktionsgemisches von Chinuclidin (116), tert-Butyllithium und Hexamethyldisilan (150). Die angegebenen Gibbs-Energien ΔG298K stellen berechnete Werte dar [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. 122 Ergebnisse und Diskussion 4.5.2 Aufbau viergliedriger Ringsysteme durch zweifache Deprotonierung des Tetramethylsilans (149) Durch die erfolgreiche Synthese der oben vorgestellten fünfgliedrigen Ringsysteme und des Sechsrings 194 wurde deutlich, dass die mithilfe des Basensystems tert-Butyllithium/Chi- nuclidin bewerkstelligte zweifache Deprotonierung des Hexamethyldisilans (150) synthe- tisch zielführend eingesetzt werden kann. Da bereits gezeigt werden konnte, dass auch die als chemisch vergleichsweise inert geltende Verbindung Tetramethylsilan (149) durch das- selbe Basensystem mehrfach deprotoniert werden kann, wäre die Synthese der analogen viergliedrigen Ringsysteme AA gemäß Schema 4.40 denkbar. Schema 4.40: Synthese siliciumhaltiger Vierringe durch Dilithiierung des Tetramethylsilans (149) und anschließendes Abfangen durch Dichlorelektrophile. Durch die geringere Ringgröße und damit die einhergehende höhere Spannung treten hier jedoch verschiedene zusätzliche Schwierigkeiten auf. Neben einer vergleichsweise gerin- gen molaren Masse, welche eine entsprechende Flüchtigkeit gerade der rein siliciumba- sierten Systeme mit kleinen Resten R vermuten lässt, neigen die viergliedrigen Systeme aufgrund der hohen Ringspannung zur Ringöffnung und anschließenden Polymerisation. Dies erschwert sowohl ihre Synthese als auch eine darauffolgende Aufarbeitung der Roh- produkte. Des Weiteren weisen die lithiierten Zentren der dimetallierten Spezies 91 eine deutlich größere räumliche Nähe zueinander auf, als es beim dilithiierten Hexamethyldisilan 103 der Fall ist. Dies könnte zu einer sterischen Hinderung der Umsetzung mit den verwen- deten Dichlorelektrophilen führen. 4.5.2.1 Testreaktionen zur Dilithiierung des Tetramethylsilans (149) Auf Grundlage der eben erläuterten möglichen Problematiken sollte zunächst eine Testre- aktion durchgeführt werden, welche die Durchführbarkeit der Bildung viergliedriger Ring- systeme bestätigen oder widerlegen sollte. Das Elektrophil sollte dabei möglichst viele der oben genannten Problematiken umgehen, was durch das Dibutyldichlorstannan erzielt wer- den kann. In Schema 4.41 ist die zugrunde liegende Reaktion dargestellt. Schema 4.41: Bildung des Vierrings 201 durch Umsetzung des dilithiierten Tetramethylsilans 91 mit Dibutyldi- chlorstannan. Der möglicherweise entstehende Zinn-haltige Vierring 201 weist eine ausreichend hohe molare Masse auf, sodass eine hohe Flüchtigkeit des Produkts nicht zu erwarten ist. Des Weiteren weisen die Butylreste einen vergleichsweise geringen Platzbedarf auf, sodass ei- ne Verhinderung der Ringschlussreaktion aufgrund sterischer Überfrachtung des Silicium- oder des Zinnzentrums ausgeschlossen werden kann. Dennoch konnte das Produkt 201 nicht beobachtet werden. Als einziges Reaktionsprodukt wurde das entsprechend Schema Ergebnisse und Diskussion 123 4.42 entstehende Nebenprodukt 203 gebildet, welches auf der Reaktion zweier Moleküle des monolithiierten Tetramethylsilans 202 mit dem Elektrophil beruht. Schema 4.42: Bildung des Nebenprodukts 203 durch Reaktion des monolithiierten Tetramethylsilans 202 mit dem Elektrophil. Analog zu den Beobachtungen bei den Untersuchungen zu den fünfgliedrigen Ringsyste- men lässt sich allerdings auch hier nicht ausschließen, dass das Startmaterial zwar zwei- fach lithiiert wurde, bei der anschließenden Reaktion mit dem Elektrophil jedoch nicht der gewünschte Ringschluss stattfand, sondern zwei verschiedene Moleküle der lithiierten Spe- zies mit jeweils einer der Chlorfunktionalitäten reagierten. Wie Schema 4.43 zeigt, führt die Hydrolyse des Zwischenprodukts 204 ebenfalls zur Bildung des Nebenprodukts 203. Schema 4.43: Bildung des Nebenprodukts 203 über das dilithiierte Tetramethylsilan 91 und durch Hydrolyse des Zwischenprodukts 204. Auch in weiteren Experimenten konnte keine erfolgreiche Synthese der viergliedrigen Ring- systeme bewerkstelligt werden. Unter Verwendung des Diphenyldichlorsilans als ebenfalls schweres, aber Silicium-basiertes Elektrophil wurde ein unlöslicher Feststoff als Produkt erhalten, welcher auf die bereits als Schwierigkeit genannte Ringöffnungspolymerisation des Produkts hindeutet. 4.5.2.2 Deprotonierungsreaktionen an Dimethyldiphenylsilan (205) Als alternativer Ausgangspunkt für die Erzeugung von Vierringen wurde daraufhin das in Schema 4.44 gezeigte Dimethyldiphenylsilan (205) auf seine Fähigkeit hin untersucht, durch eine Dilithiierung und Umsetzung mit Dichlorelektrophilen Ringschlussreaktionen ein- zugehen. 124 Ergebnisse und Diskussion Schema 4.44: Versuchte Ringschlussreaktion des dilithiierten Dimethyldiphenylsilans 206 mit Diphenyldichlor- silan zum viergliedrigen Ringsystem 207. Die zur Überprüfung des Konzepts untersuchte Umsetzung mit Diphenyldichlorsilan führte nicht zur Bildung des Ringsystems 207. Neben einem komplexen und nicht näher unter- suchten Gemisch verschiedener Nebenprodukte wurden auch erhebliche Mengen des Startmaterials 205 im Gaschromatogramm detektiert. Diese Beobachtung lässt zwei ver- schiedene Vermutungen zu. Zum einen wurde das Startmaterial möglicherweise nur in ge- ringem Maße lithiiert und lag demnach im Rohproduktgemisch unverändert vor. Zum ande- ren wäre jedoch auch eine erfolgreiche Lithiierung, jedoch misslungene Reaktion mit dem Elektrophil denkbar. In diesem Falle wurde die lithiierte Spezies 206 bzw. ihr monolithiiertes Analogon während der wässrigen Aufarbeitung protoniert und somit wieder in das Startma- terial 205 überführt. Zur Überprüfung oder Widerlegung der zweiten Hypothese wurde im Anschluss die in Schema 4.45 dargestellte Deprotonierungsreaktion durchgeführt, deren lithiierte Intermedi- ate jedoch mit dem einfachen Elektrophil Trimethylzinnchlorid abgefangen wurden. Auf die- se Weise sollte sich erkennen lassen, in welchem Maße die Ausgangsverbindung 205 unter den gewählten Reaktionsbedingungen metalliert werden konnte. Schema 4.45: Überprüfendes Experiment zur Mono- und Dilithiierung des Dimethyldiphenylsilans (205). In Anlehnung an die vorherigen Ringschlussexperimente wurde auch hier zunächst die Me- tallierung in refluxierendem n-Heptan angestrebt. Auch nach Verlängerung der Reaktions- zeit von drei auf sieben Stunden wurde im Produktgemisch eine erhebliche Menge des Startmaterials beobachtet. Zudem traten, wie in Abbildung 4.59 erkennbar, als Hauptpro- dukt die beiden isomeren Nebenprodukte 211 und 212 auf, welche auf die zuvor bereits erläuterte Nebenreaktion durch Kopplung des tert-Butylrests an das Startmaterial zurück- zuführen sind. Ergebnisse und Diskussion 125 Abbildung 4.59: Gaschromatogramm des Rohprodukts der Umsetzung des Dimethyldiphenylsilans (205) mit zwei Äquivalenten tert-Butyllithium/Chinuclidin in refluxierendem n-Heptan über sieben Stunden und anschlie- ßendem Abfangen mit Trimethylzinnchlorid. In geringeren Mengen treten die Abfangprodukte 213 und 214 auf, welche auf eine erfolg- reiche Metallierung des Silans 205 schließen lassen. Auf Grundlage der Aufspaltungsmus- ter in den jeweiligen Massenspektren scheint die Metallierung jedoch nicht wie gewünscht an den Methylgruppen des Startmaterials stattzufinden, sondern an den Phenylgruppen. Dies könnte, zusammen mit dem insgesamt geringen Umsatz des Startmaterials, Grund für das ausbleibende Auftreten der angestrebten Ringschlussreaktion sein. Ein Wiederho- lungsexperiment unter Verwendung der Mikrowellentechnologie führte zu einem sehr ver- gleichbaren Produktgemisch, dessen Gaschromatogramm in Abbildung 4.60 dargestellt ist. Abbildung 4.60: Gaschromatogramm des Rohprodukts der Umsetzung des Dimethyldiphenylsilans (205) mit zwei Äquivalenten tert-Butyllithium/Chinuclidin in der Mikrowelle über 30 Minuten und anschließendem Abfangen mit Trimethylzinnchlorid. Auch hier wird hauptsächlich das Startmaterial 205 beobachtet, sowie die bereits im zuvor im Kolben durchgeführten Experiment beobachteten Nebenprodukte. Das in diesen Unter- suchungen eingesetzte Dimethyldiphenylsilan (205) scheint demnach eine erhöhte Em- pfindlichkeit gegenüber unerwünschten Nebenreaktionen aufzuweisen. Neben der man- gelnden Regioselektivität der Metallierung (Phenyl- statt Methylgruppe) treten insbesonde- re Produkte einer Kopplung des Startmaterials mit dem tert-Butylrest der Lithiumalkylbase auf, welche gemäß der in Kapitel 4.2.3.5 präsentierten Hypothese auf einer (thermischen) Zersetzung des Lithiumorganyls basieren. Zur Eindämmung derartiger Nebenprodukte wur- de die Umsetzung bei Raumtemperatur und somit niedrigerer Temperatur wiederholt. Da 126 Ergebnisse und Diskussion bei beiden Experimenten trotz Erhitzens noch große Mengen des Startmaterials vorlagen, wurde die Reaktionszeit erheblich verlängert. In Schema 4.46 ist die entsprechende Umsetzung dargestellt. Schema 4.46: Deprotonierung des Diphenylsilans 205 durch tert-Butyllithium/Chinuclidin bei Raumtemperatur über Nacht. Trotz der geringeren Temperatur und der damit einhergehenden geringeren Energiezufuhr konnte in diesem Experiment die Bildung verschiedener Abfangprodukte lithiierter Interme- diate beobachtet werden. In Abbildung 4.61 wird das Gaschromatogramm des Rohprodukts dieser Umsetzung gezeigt. Abbildung 4.61: Gaschromatogramm des Rohprodukts der Umsetzung des Dimethyldiphenylsilans (205) mit zwei Äquivalenten tert-Butyllithium/Chinuclidin in n-Pentan bei Raumtemperatur über Nacht und anschließen- dem Abfangen mit Trimethylzinnchlorid. Neben der Beobachtung des Startmaterials bei einer Retentionszeit von etwa fünf Minuten treten drei verschiedene Isomere des monofunktionalisierten Produkts bei etwa sechs Mi- nuten auf, welche auf eine erfolgreiche Deprotonierung des Silans 205 hindeuten. Die Bil- dung dreier isomerer Spezies lässt vermuten, dass die Deprotonierung erneut nicht nur an den Methylgruppen auftritt, sondern auch die Phenylreste betrifft. Bei einer Retentionszeit von etwas über sieben Minuten wird eine weitere Spezies beobachtet, deren über die Massenspektrometrie ermittelte Molekülmasse auf eine zweifache Funktionalisierung des Startmaterials hindeutet. Auf Grundlage der isomeren monofunktionalisierten Produkte 210 und 213 kann vermutet werden, dass bei einer zweifachen Lithiierung sowohl eine Methyl- als auch eine Phenylgruppe des Substrats funktionalisiert werden. Allein durch die beob- achteten Aufspaltungsmuster in den jeweiligen Massenspektren ist eine eindeutige Identi- fizierung der regioisomeren Produkte jedoch nicht möglich. Hier müssten weitere analyti- sche Techniken wie die NMR-Spektroskopie zur Klärung eingesetzt werden. Wegen der geringen Menge des difunktionalisierten Produkts 215 wurde jedoch keine Isolation und Ergebnisse und Diskussion 127 Charakterisierung durchgeführt. Zudem war auch an dieser Stelle keine präparative Syn- these der Zielverbindungen angestrebt, sondern es war lediglich zu ermitteln, ob das ein- gesetzte Basensystem prinzipiell für die erwünschten Deprotonierungsreaktionen geeignet ist. Zwar wurden durch die hier gezeigte Umsetzung des Silans 205 bei Raumtemperatur über 18 Stunden sowohl Mono- als auch Spuren eines Dilithiierungsproduktes beobachtet, jedoch stellt die Reaktion aufgrund der langen Reaktionszeit und des dennoch auftretenden unvollständigen Umsatzes keinen synthetisch wertvollen Prozess dar. Dadurch bedingt wä- re auch die Synthese der erstrebten viergliedrigen Ringsysteme anhand dieser Methode bzw. basierend auf dem Startmaterial 205 nicht sinnvoll, weswegen dieser Ansatz im Fol- genden nicht weiterverfolgt wurde. Die zweifache Lithiierung einfacher Silane stellte sich somit als synthetische Herausforde- rung dar, welche unter Verwendung der im Rahmen dieser Arbeit vorgestellten Mittel nicht hinreichend bewältigt werden konnte. Die Beobachtung isomerer Abfangprodukte im An- schluss an Deprotonierungsreaktionen zeugt von einer mangelnden Selektivität der Metal- lierung, welche jedoch zum Aufbau definierter Systeme vonnöten wäre. Insofern das Sub- strat die nötige Selektivität nicht aufgrund thermodynamischer oder kinetischer Effekte her- vorruft und diese auch nicht durch das eingesetzte Basensystem erreicht werden kann, verbleibt die Erzeugung der Ringsysteme eine Aufgabe für zukünftige Untersuchungen. 4.5.2.3 Quantenchemische Berechnung der Deprotonierung des Tetramethylsilans (149) Die experimentelle Untersuchung der Mono- und Dilithiierung des Tetramethylsilans (149) und deren synthetischer Anwendung zur Bildung viergliedriger Ringsysteme zeigte einige Schwierigkeiten auf. Quantenchemische Untersuchungen des eingesetzten Systems soll- ten an dieser Stelle helfen, die zugrunde liegenden Prozesse näher zu verstehen und somit zur Erklärung der experimentellen Befunde beitragen. In einem ersten Schritt wurde dafür zunächst die Monolithiierung des Tetramethylsilans (149) modelliert und berechnet. Analog zu den bereits vorgestellten theoretischen Untersu- chungen zur Deprotonierung des Benzols in Kapitel 4.2.3.3 waren dabei sowohl eine mono- mere als auch eine dimere Ausgangsstruktur denkbar. Die Bildung der monomeren Spezies 216 wurde wie in Schema 4.47 dargestellt angenommen und benötigt eine Energiezufuhr in Höhe von 48 kJ·mol−1.[III] Schema 4.47: Hypothetische Bildung der monomeren Spezies 216 als Vorstufe zur Monolithiierung des Tetra- methylsilans (149). [III] Gibbs-Energien ΔG sind stets bei einer Temperatur von 298 K angegeben. 128 Ergebnisse und Diskussion Ausgehend vom hypothetischen monomeren Komplex wurde anschließend die Lithiierung des Tetramethylsilans (149) berechnet. Die dabei erhaltenen Molekülgeometrien sowie die relativen Energien sind in Abbildung 4.62 dargestellt. Abbildung 4.62: Geometrien und relative Energien des hypothetischen monomeren Komplexes 216 und des daraus resultierenden Übergangszustands 216-TS der Monolithiierung des Tetramethylsilans (149) [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Der Übergangszustand 216-TS basierend auf dem angenommenen monomeren Komplex 216 weist eine Aktivierungsenergie der Deprotonierung von 62 kJ·mol−1 auf und stellt sich somit als unerwartet niedrig heraus. In Addition mit dem Energiebedarf zur Erzeugung der monomeren Spezies von 48 kJ·mol−1 ergibt sich jedoch eine gesamte Aktivierungsenergie der Monolithiierung von 110 kJ·mol−1. In Schema 4.48 wird der gesamte Reaktionsverlauf zusammengefasst. Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 216 216-TS 0 kJ·mol −1 ΔH = 62 kJ·mol −1 ΔG = 68 kJ·mol −1 C Li N Si Ergebnisse und Diskussion 129 Schema 4.48: Darstellung des gesamten Prozesses der Monolithiierung des Tetramethylsilans (149) ausgehend von der monomeren Spezies 216. Unter den gewählten Reaktionsbedingungen, welche eine Reaktionstemperatur von 98 °C beinhalten, wäre diese Umsetzung dementsprechend denkbar. Vergleichend wurde den- noch die analoge Deprotonierungsreaktion ausgehend von der aus dem Festkörper be- kannten dimeren Struktur des Basensystems berechnet. In Abbildung 4.63 sind die dabei erhaltenen Geometrien und relativen Energien gezeigt. Im Vergleich zum eben beschriebenen zweistufigen Mechanismus der Deprotonierung aus- gehend vom monomeren Komplex 216 zeigt sich bei der dimeren Spezies 217 eine signifi- kant geringere Aktivierungsenergie von 88 kJ·mol−1, sodass dieser Verlauf den wahrschein- licheren Reaktionspfad darstellt. Ursache der im Vergleich zu den in Kapitel 4.2.3.3 berech- neten Deprotonierungsreaktionen deutlich geringeren Aktivierungsenergie könnte eine er- höhte Stabilität des entstehenden (Trimethylsilyl)methyl-Carbanions sein. Während das Carbanion des Toluols über Mesomerie stabilisiert werden kann und somit einen deutlichen Vorteil gegenüber deprotoniertem Benzol aufweist, erfährt die negative Ladung des depro- tonierten Tetramethylsilans eine elektronische Stabilisierung durch den α-Effekt des Silici- ums, welcher die Elektronendichte des carbanionischen Zentrums mithilfe seiner Polarisier- barkeit zu stabilisieren vermag. Wie die experimentellen Ergebnisse aufzeigen, stellt die Monolithiierung des Tetramethylsilans (149) jedoch keine synthetische Schwierigkeit dar, was in Einklang mit der vergleichsweise niedrigen Energiebarriere der Deprotonierungsre- aktion steht. Im Gegensatz dazu warf die für die angestrebten Ringschlussreaktionen not- wendige Dilithiierung des Substrats Probleme auf. Ursache dafür könnte eine thermodyna- mische Hinderung des zweiten Deprotonierungsschritts sein, welche durch weitere quan- tenchemische Untersuchungen aufgedeckt werden sollte. 130 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.63: Geometrien und relative Energien der dimeren Ausgangsspezies 217 und des daraus resul- tierenden Übergangszustands 217-TS der Monolithiierung des Tetramethylsilans (149) [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Als Ausgangspunkt für die Dilithiierung wurde das dimere gemischte Aggregat 218 von monolithiiertem Tetramethylsilan und tert-Butyllithium angenommen, welches eine räum- liche Nähe zwischen beiden carbanionischen Spezies hervorruft. In Abbildung 4.64 sind die entsprechenden Molekülgeometrien und relativen Energien gezeigt. Die bei diesen Berech- nungen erhaltene Aktivierungsenergie von 133 kJ·mol−1 verdeutlicht die in den Vorexperi- menten aufgetretene Beobachtung, dass eine zweifache Lithiierung des Tetramethylsilans (149) unter Verwendung des Basensystems tert-Butyllithium/Chinuclidin möglich ist und auch unter den gewählten Reaktionsbedingungen unter Verwendung refluxierenden n-Hep- tans zugänglich ist. Die erfolglose Darstellung der darauf basierenden viergliedrigen Ring- systeme scheint also auf eine gehinderte Abfangreaktion der (mehrfach-)lithiierten Spezies mit den difunktionalisierten Elektrophilen zurückzuführen zu sein. Optimierungsansätze zur Bildung der gewünschten Ringsysteme sollten demnach an diesem Punkt ansetzen. Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 217 217-TS 0 kJ·mol −1 ΔH = 88 kJ·mol −1 ΔG = 107 kJ·mol −1 C Li N Si Ergebnisse und Diskussion 131 Abbildung 4.64: Geometrien und relative Energien des angenommenen gemischten Aggregats 218 und des daraus resultierenden Übergangszustands 218-TS der Dilithiierung von Tetramethylsilan (149) [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. 4.5.2.4 Quantenchemische Berechnung der Deprotonierung des Dimethyldiphenylsilans (205) Auf experimenteller Seite wurde aufgrund der erfolglosen Ringschlussreaktionen des dili- thiierten Tetramethylsilans auf die schwerere und sterisch anspruchsvollere Ausgangsver- bindung Dimethyldiphenylsilan (205) zurückgegriffen. Auf diese Weise sollte eine Beein- trächtigung der Ringschlussreaktion durch die hohe Flüchtigkeit der Startverbindung oder der intermediär gebildeten Spezies verhindert werden. Eine Bildung der korrespondieren- den Ringsysteme konnte jedoch auch hier nicht beobachtet werden. In den oben beschrie- benen Testreaktionen zur Mono- und Dilithiierung des Substrats wurde neben einer Depro- tonierung an den Methylgruppen, welche zur gewünschten Ringschlussreaktion notwendig ist, eine zusätzliche Deprotonierung der Phenylgruppen durch die im Anschluss an die Gas- chromatographie erhaltenen Massenspektren angedeutet. Diese aufgrund der relativen Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 218 218-TS 0 kJ·mol −1 ΔH = 133 kJ·mol −1 ΔG = 136 kJ·mol −1 C Li N Si 132 Ergebnisse und Diskussion Stabilitäten des Methyl- und Phenylcarbanions unerwartete Reaktivität sollte erneut mithilfe quantenchemischer Berechnungen näher beleuchtet werden. Die Berechnung der Monolithiierung des Substrats stellte hierbei einen ersten Schritt dar. Aufgrund der im Vergleich zu den bisher betrachteten Verbindungen Hexamethyldisilan (150) und Tetramethylsilan (149) geringeren Symmetrie des Dimethyldiphenylsilans (205) müssen dabei verschiedene Mechanismen und Konformere der Ausgangsverbindungen in Betracht gezogen werden. Prinzipiell sind in Analogie zu den bisher durchgeführten Be- rechnungen erneut zwei Wege zur Monolithiierung des Substrats denkbar. Diese verlaufen über eine Annäherung des Substrats an das dimere Basensystem oder über die Bildungen einer (hypothetischen) monomeren Spezies. Basierend auf sterischen Überlegungen ist im Falle des Dimers lediglich eine Deprotonie- rung der Methylgruppen des Substrats 205 denkbar, da aufgrund des geringen Platzange- bots eine Annäherung mittels der Phenylgruppen unwahrscheinlich ist. In Abbildung 4.65 sind die erhaltenen Molekülgeometrien und relativen Energien einer Deprotonierung an einer Methylgruppe dargestellt. Abbildung 4.65: Molekülgeometrien und relative Energien der dimeren Ausgangsspezies 219 und des daraus resultierenden Übergangszustands 219-TS der Monolithiierung des Diphenylsilans 205 in Methylposition [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 219 0 kJ·mol −1 C Li N Si 219-TS ΔH = 114 kJ·mol −1 ΔG = 126 kJ·mol −1 Ergebnisse und Diskussion 133 Die in Abbildung 4.65 gezeigten relativen Energien zeigen, dass eine Lithiierung einer der Methylgruppen des Substrats 205 unter den gewählten Reaktionsbedingungen möglich erscheint. Aufgrund geringerer Entropie liegt die Gibbs-Energie ΔG wie in zuvor erläuterten Berechnungen etwas höher als die Enthalpie ΔH, schließt die zugrunde liegende Reaktion jedoch nicht aus. Für die Betrachtung des ebenfalls denkbaren Reaktionsverlaufs über monomere Spezies, wie sie auch schon in vorherigen Berechnungen verwendet wurden, ergeben sich aufgrund der geringeren Symmetrie des Diphenylsilans 205 die in Abbildung 4.66 dargestellten drei möglichen Konformere für die monomeren Ausgangsverbindungen. Abbildung 4.66: Mögliche Konformere der hypothetischen monomeren Ausgangsspezies 220 zur Monolithiie- rung des Dimethyldiphenylsilans (205). Es muss demnach zunächst geklärt werden, welches dieser drei Konformere die energe- tisch günstigste Struktur darstellt, weswegen ihre Energien wie in Abbildung 4.67 dargestellt verglichen wurden. Abbildung 4.67: Relative Energien und Molekülgeometrien der möglichen Konformere der hypothetischen monomeren Spezies 220 [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Es zeigt sich, dass das Konformer 220b, in welchem beide Phenylgruppen in Richtung des Lithiumzentrums ausgerichtet sind, die niedrigste energetische Lage einnimmt. Grund hier- für könnte eine attraktive Wechselwirkung der π-Elektronensysteme der aromatischen R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 220a 220b 0 kJ·mol −1 −41 kJ·mol −1 C Li N Si 220c −20 kJ·mol −1 134 Ergebnisse und Diskussion Gruppen mit dem Lithiumzentrum sein. Anschließend wurde gemäß Schema 4.49 die Ener- gieänderung zur Bildung dieser Spezies berechnet. Schema 4.49: Bildung der hypothetischen monomeren Spezies 220b durch Aufspaltung des dimeren Basensystems 120 und Anlagerung des Substrats 205. Bei Betrachtung der Enthalpie wird erneut die bereits angesprochene attraktive Wechsel- wirkung der aromatischen Gruppen mit dem Lithiumzentrum deutlich, da es sich enthalpisch um einen begünstigten Prozess handelt, wie der negative Wert für ΔH zeigt. Aufgrund einer starken Absenkung der Entropie bei Bildung der Spezies 220b nimmt die Gibbs-Energie ΔG jedoch einen deutlich höheren und somit positiven Wert an. Die Bildung der monomeren Spezies erscheint dennoch denkbar. Aus dieser Struktur heraus wurden anschließend die beiden möglichen Übergangszustände zur Deprotonierung einer Methyl- sowie einer Phe- nylgruppe modelliert und berechnet, um Aussagen über die beiden konkurrierenden Reak- tionsverläufe treffen zu können. Die dabei erhaltenen Molekülgeometrien und relativen Energien sind in Abbildung 4.68 dargestellt. Die energetische Nähe beider Übergangszustände 220b-TSPh und 220b-TSMe deutet da- rauf hin, dass beide Prozesse mit ähnlicher Wahrscheinlichkeit auftreten. Dies trifft sowohl auf die Enthalpie ΔH als auch auf die Gibbs-Energie ΔG zu. Diese Befunde stehen jedoch in guter Übereinstimmung mit den experimentell erhaltenen Ergebnissen, da in den betref- fenden (Test-)Reaktionen Hinweise auf eine Funktionalisierung des Substrats 205 sowohl an einer Methyl- als auch an einer Phenylgruppe beobachtet wurden. Die hier durchgeführ- ten Berechnungen zeigen demnach, dass eine direkte Konkurrenz beider Reaktionen vor- liegt, welche aufgrund des geringen energetischen Unterschieds beider Übergangszustän- de vermutlich nicht mithilfe experimenteller Parameter wie Reaktionstemperatur oder −zeit beeinflusst werden können. Ergebnisse und Diskussion 135 Abbildung 4.68: Relative Energien und Molekülgeometrien der Monolithiierung des Dimethyldiphenylsilans (205) ausgehend von der hypothetischen monomeren Spezies 220b und die daraus resultierenden Übergangszustände 220b-TSPh und 220b-TSMe [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Analog zu bisherigen Berechnungen müssen den hier erhaltenen Ergebnissen die jeweili- gen Energiebeiträge zur Bildung der hypothetischen monomeren Spezies 220b hinzuad- diert werden. Der anschließend resultierende Gesamtprozess ist in Schema 4.50 darge- stellt. Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 220b 0 kJ·mol −1 C Li N 220b-TS Me Si ΔH = 79 kJ·mol −1 ΔG = 84 kJ·mol −1 220b-TSPh ΔH = 72 kJ·mol −1 ΔG = 75 kJ·mol −1 136 Ergebnisse und Diskussion Schema 4.50: Darstellung des Gesamtprozesses der konkurrierenden Monolithiierungen des Silans 205 ausgehend von der hypothetischen monomeren Spezies 220b. Unabhängig von der Betrachtung von ΔH oder ΔG erweisen sich beide Prozesse ausge- hend von Spezies 220b wahrscheinlicher als die zu Beginn erläuterte Deprotonierung aus der dimeren Spezies 219 heraus, bei welcher Werte von ΔH = 114 kJ·mol−1 bzw. ΔG = 126 kJ·mol−1 erhalten wurden. Bei den eingesetzten hohen Reaktionstemperaturen wären insbesondere bei Betrachtung der Gibbs-Energien ΔG jedoch beide Prozesse denk- bar. Die experimentellen Befunde weisen dabei darauf hin, dass der eben dargestellte Me- chanismus über die monomere Spezies 220b mindestens beteiligt ist, da die dabei mögli- che Deprotonierung einer der Phenylgruppen über den Übergangszustand 220b-TSPh be- obachtet wird. Aus der somit zu erwartenden und auch beobachteten geringen Selektivität der Monolithi- ierung des Dimethyldiphenylsilans (205) ergeben sich weitere Schwierigkeiten bei einer an- schließenden Dilithiierung des Substrats. Wie Schema 4.51 verdeutlicht, kann jedes der beiden möglichen Monolithiierungsprodukte 208 und 221 jeweils in einem zweiten Depro- tonierungsschritt an einer Methyl- oder einer Phenylgruppe deprotoniert werden. Auf diese Weise ergeben sich drei verschiedene Dilithiierungsprodukte 206, 222 und 223, welche über vier verschiedene Übergangszustände erreicht werden. Schema 4.51: Mögliche Reaktionspfade und −produkte der Dilithiierung des Dimethyldiphenylsilans (205). Ergebnisse und Diskussion 137 Aufgrund der soeben präsentierten geringen Unterschiede zwischen den Aktivierungsener- gien beider Monolithiierungsreaktionen kann davon ausgegangen werden, dass beide Pro- zesse eine ähnliche Auftretenswahrscheinlichkeit aufweisen. Als Ausgangspunkt für die möglichen Dilithiierungsreaktionen wurde in Analogie zu den zuvor diskutierten Berechnun- gen von der Bildung eines gemischten Aggregats des monolithiierten Substrats 208 oder 221 mit tert-Butyllithium unter Stabilisierung des Additivs Chinuclidin (116) ausgegangen. Ausgehend von den resultierenden hypothetischen Aggregaten 224 und 225 wurden an- schließend die Übergangszustände der jeweiligen Dilithiierungsprozesse ermittelt. In Abbildung 4.69 sind die dabei erhaltenen Molekülgeometrien und relativen Energien einer Dilithiierung der Ausgangsverbindung 224 dargestellt. Abbildung 4.69: Molekülgeometrien und relative Energien des hypothetischen gemischten Aggregats 224 und der daraus resultierenden Übergangszustände der Dilithiierung an einer Phenylgruppe (224-TSPh) bzw. an der anderen Methylgruppe (224-TSMe) [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 224 0 kJ·mol −1 C Li N 224-TS Ph ΔH = 124 kJ·mol −1 ΔG = 132 kJ·mol −1 Si ΔH = 120 kJ·mol −1 ΔG = 129 kJ·mol −1 224-TS Me 138 Ergebnisse und Diskussion Zwischen den beiden Übergangszuständen 224-TSPh und 224-TSMe zeigt sich ein gering- fügiger Energieunterschied von vier kJ·mol−1. Dies deutet auf eine vergleichbare Wahr- scheinlichkeit beider Deprotonierungsreaktionen hin, was jedoch in Widerspruch zu den experimentellen Beobachtungen steht. Dort wurde die Bildung des an beiden Methylgrup- pen lithiierten Substrats 206 nicht beobachtet, jedoch verschiedene isomere Produkte des an je einer Methyl- und Phenylgruppe deprotonierten Silans. In den zuvor erläuterten Be- rechnungen wurde jedoch deutlich, dass bereits erhebliche Anteile der Monolithiierung an einer der Phenylgruppen auftreten sollte. Aus diesem Grund wurde die Dimetallierung zusätzlich beginnend vom hypothetischen gemischten Aggregat 225 des phenyllithiierten Substrats berechnet. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in Abbildung 4.70 dargestellt. Abbildung 4.70: Molekülgeometrien und relative Energien des hypothetischen gemischten Aggregats 225 und der daraus resultierenden Übergangszustände der Dilithiierung an der anderen Phenylgruppe (225-TSPh) bzw. an einer der Methylgruppen (225-TSMe) [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. Reaktionskoordinate R e la ti v e E n e rg ie [ k J ·m o l− 1 ] 225 0 kJ·mol −1 C Li N 225-TS Me Si ΔH = 120 kJ·mol −1 ΔG = 126 kJ·mol −1 225-TSPh ΔH = 95 kJ·mol −1 ΔG = 98 kJ·mol −1 Ergebnisse und Diskussion 139 An dieser Stelle wird ein etwas größerer Energieunterschied beider möglicher Übergangs- zustände deutlich. Die Differenz von 26 kJ·mol−1 lässt eine erkennbare Bevorzugung der Dilithiierung an der Methylgruppe vermuten, welche zur Bildung des gemischten (methyl- und phenylmetallierten) Dilithiierungsprodukt 222 führt. In Kombination mit der ebenfalls geringfügigen Bevorzugung der „gemischten“ Dilithiierung ausgehend von Aggregat 224 (siehe Abbildung 4.69) wird hierdurch eine Erklärung für die experimentelle Beobachtung zahlreicher an den Phenylgruppen funktionalisierter Produkte geliefert. Von den vier unter- suchten Dilithiierungsprozessen ist die Metallierung beider Methylgruppen für die ange- strebte Ringschlussreaktion relevant. Im Rahmen der durchgeführten Berechnungen wurde für den zugrunde liegenden Prozess jedoch die höchste Aktivierungsenergie beobachtet, wie die in Schema 4.52 gezeigte Zusammenfassung aller konkurrierenden Prozesse ver- deutlicht. Es zeigt sich somit, dass aufgrund der geringeren Symmetrie des Substrats im Vergleich zum Tetramethylsilan (149) zusätzliche Probleme auftreten, welche auch hier eine erfolgreiche Bildung der viergliedrigen Ringsysteme erschwert oder verhindert. Schema 4.52: Zusammenfassung der konkurrierenden Prozesse eines Reaktionsgemisches von Chinuclidin (116), tert-Butyllithium und Dimethyldiphenylsilan (205). Die berechneten Gibbs-Energien ΔG298K stellen berechnete Werte dar [B3LYP/6-31+G(d)/gd3]. 140 Ergebnisse und Diskussion 4.5.2.5 Deprotonierungen an (Aminomethyl)silanen Eine Möglichkeit, mithilfe kinetischer Kontrolle eine Selektivität bei Deprotonierungsreaktio- nen hervorzurufen, besteht in der Vorkoordination der Alkyllithiumverbindung mittels eines heteroatomhaltigen Seitenarms. Dieser bringt Lithiumalkyl und zu metallierende Gruppe in räumliche Nähe zueinander und ermöglicht somit eine selektive Metallierungsreaktion. Im eigenen Arbeitskreis wurde diese Strategie bereits für die regio- und sogar enantioselektive Deprotonierung an Methylsilanen eingesetzt.[78] Während in diesen Arbeiten stets eine Mo- nolithiierung des Substrats im Fokus stand, sollte nun geprüft werden, ob die dort ange- wandten Prinzipien auch auf eine erfolgreiche Dimetallierung übertragen werden können. Aus diesem Grund wurde das (Piperidinomethyl)silan 228 dargestellt, indem wie in Schema 4.53 gezeigt das entsprechende (Chlormethyl)silan 226 mit Piperidin (227) umgesetzt wurde. Schema 4.53: Synthese des (Piperidinomethyl)silans 228 ausgehend vom korrespondierenden (Chlormethyl)- silan 226. In Fortführung früherer Arbeiten in der eigenen Gruppe[72] wurde die Synthese mit Hilfe der Mikrowellentechnologie durchgeführt. Auf diese Weise kann ein vollständiger Umsatz inner- halb von 30 Minuten erreicht werden, während bei einer Umsetzung unter konventionellem Erhitzen eine Reaktionszeit von mehreren Stunden benötigt hätte. Durch eine Vorkoordination des Lithiumalkyls kann nun die Metallierung einer der Methyl- gruppen erreicht werden. Auf diese Weise wird der erste Deprotonierungsschritt kinetisch begünstigt und kann bereits ohne die Zugabe des stabilisierenden Liganden Chinuclidin (116) erreicht werden. In Schema 4.54 ist die zugrunde liegende Reaktion dargestellt. Schema 4.54: Monolithiierung des (Piperidinomethyl)silans 228 durch tert-Butyllithium. Nach der Zugabe eines Äquivalents tert-Butyllithium zu einer Lösung des (Piperidinome- thyl)silans 228 bei −30 °C und anschließender Lagerung bei −80 °C konnten nach einer Woche Kristalle des lithiierten Intermediats 229 erhalten werden, welche sich zur Untersu- chung mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse eigneten. In Abbildung 4.71 ist die dabei erhaltene Molekülstruktur im Kristall gezeigt. Ergebnisse und Diskussion 141 Abbildung 4.71: Nummerierungsschema und Molekülstruktur des lithiierten (Piperidinomethyl)silans 229 im Kristall. Ausgewählte Bindungslängen [Å] und −winkel [°]: N1−Li1 2.220(4), N2−Li2 2.198(4), N3−Li3 2.213(4), N4−Li4 2.222(4), Si1−C1 1.842(2), Si2−C15 1.839(2), Si3−C29 1.841(2), Si4−C43 1.843(2), Li1−Li2−Li3 61.85(13), Li1−Li2−Li4 59.31(13), Li3−Li2−Li4 60.59(14). Das Aggregat 229 kristallisierte im triklinen Kristallsystem in der Raumgruppe P1̅ in Form farbloser Plättchen aus n-Pentan aus. Die asymmetrische Einheit enthält die vollständige, in Abbildung 4.71 gezeigte tetramere Anordnung vierer Einheiten des lithiierten Silans. Sie zeigt somit die für Organolithiumverbindungen typische Anordnung der Lithiumzentren zu Li3-Dreiecken und deren Anordnung zu Polyedern, deren Dreiecksflächen durch jeweils ein Carbanion überkappt werden (vergleiche Kapitel 2.1.1). Als zusätzliche Stabilisierung wird in Verbindung 229 eine Koordination der Lithiumzentren durch jeweils ein Stickstoffzentrum der Piperidinomethyl-Henkel beobachtet. Diese intra- molekulare Stabilisierung der lithiierten Spezies ist ein zusätzlicher Grund für die erfolgrei- che Deprotonierung des Substrats bereits bei tiefer Temperatur. Es wurde deshalb vermu- tet, dass auch die Deprotonierung der zweiten Methylgruppe unter Verwendung des Ba- sensystems tert-Butyllithium/Chinuclidin erreicht werden kann. Das Substrat 228 wurde deshalb entsprechend Schema 4.55 mit zwei Äquivalenten des Lithiumorganyls und variie- renden Mengen des Additivs versetzt und unter Erhitzen zur Reaktion gebracht. Neben dem konventionellen Erhitzen wurde dabei erneut auf die Mikrowellentechnologie zurückgegrif- fen, um beide Methoden vergleichend beurteilen zu können. 142 Ergebnisse und Diskussion Schema 4.55: Deprotonierung des (Piperidinomethyl)silans 228 unter Reflux und in der Mikrowelle mit anschlie- ßendem Abfangen durch Me3SnCl. Zwar konnte in beiden Umsetzungen die Bildung des zweifach substituierten Produkts 230 beobachtet werden, jedoch lagen jeweils auch erhebliche Anteile des monofunktionalisier- ten Produkts 231 vor. Während bei der Umsetzung mithilfe der Mikrowellentechnologie aus- gehend von den relativen Signalintensitäten eine größere Menge des difunktionalisierten Produkts 230 auftritt, liegt hier auch noch ein Teil unverbrauchten Startmaterials 228 vor. Dieses wird in der in Abbildung 4.72 links gezeigten Reaktion in refluxierendem n-Heptan nicht beobachtet; hier liegt die Verteilung von mono- und difunktionalisiertem Produkt stark auf Seiten des einfach substituierten Produkts 231. Abbildung 4.72: Gaschromatogramme der Deprotonierungsreaktionen an (Piperidinomethyl)silan 228 in refluxierendem n-Heptan (links) und in der Mikrowelle (rechts). Es lässt sich anhand dieser Testreaktion dementsprechend nicht klären, welche der ver- wendeten Methoden zur Erhitzung der Reaktion zielführender ist. Das Auftreten sowohl mono- also auch difunktionalisierter Produkte in beiden Umsetzungen lässt vermuten, dass eine selektive Zweifachlithiierung des Substrats 228 unter den gewählten Bedingungen nicht erreicht werden kann. Eine systematische Variation der Äquivalente der eingesetzten Reagenzien sowie der Reaktionszeiten und ggf. auch −temperaturen könnte hier zur Er- mittlung idealer Reaktionsbedingungen eingesetzt werden. Sollte die Dilithiierung des (Pi- peridinomethyl)silans 228 erfolgreich verlaufen, wäre auch an dieser lithiierten Spezies eine ringschließende Abfangreaktion mit Dichlorelektrophilen gemäß Schema 4.56 denkbar. Ergebnisse und Diskussion 143 Schema 4.56: Potentielle Ringschlussreaktion an zweifach lithiiertem (Piperidinomethyl)silan 232 durch ein Dichlorelektrophil. Die daraus potentiell resultierenden Ringsysteme AC weisen zwar ein gespanntes und so- mit vermutlich reaktives Si−C−El−C-Vierringmotiv auf, tragen jedoch den heteroatomhalti- gen und gegebenenfalls reaktiven Piperidinomethyl-Seitenarm auf, welcher mögliche Fol- gereaktionen beeinflussen könnte. Wie zuvor bereits herausgestellt, bestand das Ziel der vorliegenden Arbeit jedoch darin, mehrfache Metallierungen ohne die Zuhilfenahme reakti- ver Heteroatome zu bewerkstelligen. Aus diesem Grund wurde die Ringschlussreaktion des dilithiierten (Piperidinomethyl)silans 232 nicht näher verfolgt. 144 Ergebnisse und Diskussion Tabelle 4.9: Kristallographische Daten und Strukturverfeinerung der Verbindung 229. Verbindung 229 Empirische Formel C56H88Li4N4Si4 Formelgewicht 957.42 Temperatur [K] 100.0 Kristallsystem triklin Raumgruppe P1̅ a [Å] 11.327(7) b [Å] 16.399(9) c [Å] 16.901(12) α [°] 100.68(3) β [°] 109.24(2) γ [°] 92.476(19) Volumen [Å3] 2894(3) Z 2 ρcalc [g·cm−3] 1.099 μ [mm−1] 0.140 F(000) 1040.0 Kristallgröße [mm3] 0.201 × 0.154 × 0.102 Strahlung MoKα (λ = 0.71073 Å) 2Θ-Bereich für Datensammlung [°] 4.356 bis 57.998 Indexbereiche −15 ≤ h ≤ 15, −22 ≤ k ≤ 22, −23 ≤ l ≤ 23 Gesammelte Reflexe 122589 Unabhängige Reflexe 15384 [Rint = 0.0544, Rsigma = 0.0303] Daten/Restraints/Parameter 15384/0/649 Goodness-of-fit an F2 1.066 Endgültige R-Werte [I≥2σ (I)] R1 = 0.0665, wR2 = 0.1708 Endgültige R-Werte (alle Daten) R1 = 0.0861, wR2 = 0.1853 Restelektronendichte / e·Å−3 1.01/−0.53 Ergebnisse und Diskussion 145 4.5.3 Fazit und Ausblick der Ringschlussreaktionen Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die hochreaktiven Basen- systeme des tert-Butyl- sowie des iso-Propyllithiums, jeweils stabilisiert durch Chinuclidin, für die Deprotonierung gering C−H-acider Substrate wie Hexamethyldisilan (150) und Tetra- methylsilan (149) eingesetzt werden können. Während der hier vorgestellten Untersuchun- gen wurde beobachtet, dass eine mono-, di- und auch höhere Lithiierung der Substrate vorlag. Die dilithiierten Spezies können, wie in Schema 4.57 gezeigt, zur Ausbildung von Ringsystemen eingesetzt werden, indem sie mit Dichlorelektrophilen umgesetzt werden. Alternativ wurde jedoch die Reaktion der dilithiierten Spezies mit zwei Molekülen des Elek- trophils beobachtet, sodass es bei der anschließenden wässrigen Aufarbeitung zur Hydro- lyse der verbleibenden Chloridfunktionalitäten kam. Schema 4.57: Lithiierung des Hexamethyldisilans (150) mittels des Basensystems tert-Butyllithium/Chinuclidin und mögliche Folgereaktionen. An dieser Stelle kann möglicherweise die Zugabe polarer Lösemittel zu einer erhöhten Lös- lichkeit der eingesetzten Elektrophile führen und somit die zum Ringschluss benötigte Re- aktion zwischen jeweils einem Teilchen des Elektrophils und der dilithiierten Spezies be- günstigen. In der hier vorgestellten Arbeit lag der Fokus jedoch nicht auf der präparativen Darstellung der entsprechenden Ringsysteme, sondern auf der Ermittlung der prinzipiellen synthetischen Anwendungsmöglichkeiten des Basensystems. Aus diesem Grund wurden derartige Optimierungsansätze bisher nicht verfolgt und bleiben Gegenstand zukünftiger Untersuchungen. Bei der Umsetzung des Hexamethyldisilans (150) kann die zweifache Lithiierung sowohl am selben Siliciumzentrum (hier geminal genannt) als auch an zwei verschiedenen Silici- umzentren (hier vicinal genannt) eines Disilans erfolgen. Während die quantenchemischen Untersuchungen eine vergleichbare Wahrscheinlichkeit beider Prozesse andeuten, wurde im Experiment eine deutliche Bevorzugung der für die erwünschten Ringschlussreaktionen erforderlichen vicinalen Dilithiierung beobachtet. Auf diese Weise konnten die in Abbildung 4.73 dargestellten drei fünfgliedrigen Ringsysteme bereits erfolgreich erzeugt werden. Abbildung 4.73: Im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich synthetisierte Ringsysteme. 146 Ergebnisse und Diskussion Neben der Ringschlussreaktion des dilithiierten Hexamethyldisilans mit Diphenyldichlorger- man gelang dabei erstmals auch die Synthese der analogen Dibutyl- und Diethylzinn-Ring- systeme, welche nur über die hier entwickelte Route mittels Deprotonierung des Startma- terials zugänglich sind. Eine Erzeugung der dilithiierten Spezies mittels reduktiver Spaltung einer Kohlenstoff-Schwefel-Bindung (siehe Kapitel 2.3.4) ist bei angestrebter Verwendung eines Zinn-basierten Elektrophils aufgrund des im Reaktionsgemisch verbleibenden Thio- ethers nicht möglich. Ausschließlich geringfügige Erfolge wurden bisher bei Ringschlussre- aktionen mit Dichlorsilanen als Elektrophilen erzielt, sodass diese Systeme in zukünftigen Untersuchungen näher beleuchtet werden sollten. Insgesamt konnten mithilfe einer detail- lierten Auswertung der auftretenden Produktgemische bereits einige Strategien zur Opti- mierung der Ringschlussreaktionen abgeleitet und erfolgreich angewendet werden, wie die in Abbildung 4.74 gegenübergestellten Gaschromatogramm verdeutlichen. Abbildung 4.74: Ausschnitte der Gaschromatogramme des Rohproduktgemisches der Synthese des Ringsystems 182 ohne (links) und mit (rechts) Anwendung der optimierten Reaktionsbedingungen. So führt beispielsweise eine verlängerte Reaktionszeit zu einer Erhöhung der Menge des dilithiierten Intermediats. Außerdem können eine erhöhte Verdünnung sowie eine erniedrig- te Temperatur bei Zugabe des Elektrophils insbesondere bei den Zinn-basierten Systemen zu einer Erhöhung der Selektivität zugunsten der angestrebten Ringschlussreaktion einge- setzt werden. Anschließende Untersuchungen müssen nun erfolgen, um die im Rahmen dieser Arbeit bisher nicht angestrebte präparative Synthese der Ringsysteme zu erreichen. Da bisher gezeigt werden konnte, dass das hochreaktive Basensystem des Chinuclidin- stabilisierten tert-Butyllithiums erfolgreich zur mehrfachen Deprotonierung geringfügig C−H-acider Verbindungen eingesetzt werden kann, eröffnet sich ein hohes synthetisches Potential, welches es nun auszuschöpfen gilt. Schema 4.58: Misslungene Synthese viergliedriger Ringsysteme ausgehend von dilithiiertem Tetramethylsilan 91. In Bezug auf die analogen viergliedrigen Ringsysteme, welche gemäß Schema 4.58 aus- gehend von zweifach lithiiertem Tetramethylsilan 91 erzeugt werden können, wurden bisher keine Erfolge verzeichnet. Während Abfangreaktionen mit Trimethylchlorstannan zeigen konnten, dass eine zweifache Deprotonierung des Startmaterials erreicht wurde, konnte Ergebnisse und Diskussion 147 eine Umsetzung mit Dichlorelektrophilen zum jeweiligen Ringsystem bisher nicht bewerk- stelligt werden. Die zugrunde liegende Abfangreaktion bedarf dementsprechend gründlich- er Optimierungen, um ohne den Einsatz stabilisierender oder koordinierender Seitenarme eine Synthese der siliciumhaltigen Vierringe zu ermöglichen. Ein Ausweichen auf das schwerere und somit weniger flüchtige Dimethyldiphenylsilan (205) führte ebenfalls nicht zur Bildung der viergliedrigen Ringsysteme. Hier führt eine mangelnde Selektivität der Dili- thiierung zur Metallierung sowohl der Methyl- als auch der Phenylgruppen, sodass Produkt- gemische erzeugt werden, welche eine Umsetzung der dimetallierten Spezies zu den je- weiligen Ringsystemen ausschließen. Aufgrund ihrer durch das kleine Ringsystem gespannten Si−Si-Bindung weisen die ausge- hend von Hexamethyldisilan (150) erzeugten fünfgliedrigen Systeme eine besondere Reak- tivität auf, welche Möglichkeiten zu Folgereaktionen bietet. Dazu zählt die in Schema 4.59 gezeigte Palladium-katalysierte Insertion von Alkinen in die Si−Si-Bindung unter Vergröße- rung des Ringsystems.[79] Schema 4.59: Ringerweiternde Metathesereaktion an den fünfgliedrigen Ringsystemen AB mithilfe eines Palladium-Katalysators. Das in der Zielverbindung AE an der Doppelbindung liegende Proton weist eine für Alkene charakteristische chemische Verschiebung im 1H-NMR-Spektrum auf, sodass der Erfolg der zugrunde liegenden Reaktion einfach mittels NMR-Spektroskopie ermittelt werden kann. Im eigenen Arbeitskreis konnte diese Metathesereaktion bereits auf fünfgliedrige Ringsysteme angewendet werden, welche mittels Thioetherspaltung erhalten wurden.[65] In zukünftigen Untersuchungen sollte dies auf die im Rahmen dieser Arbeit erfolgreich darge- stellten Systeme ausgeweitet werden. 148 Ergebnisse und Diskussion Ergebnisse und Diskussion 149 4.6 Kooperationsprojekte Im Rahmen des eigenen Promotionsstudiums wurden detaillierte röntgenkristallographi- sche Kenntnisse erlangt und vertieft, welche zur Durchführung diverser Kooperationspro- jekte führten. Die Strukturaufklärungen mittels Einkristallröntgenkristallographie konnten dabei einige Erkenntnisse liefern, welche auf anderen Wegen nicht oder nur bedingt zu- gänglich gewesen wären. Im Folgenden wird eine Auswahl dieser Kooperationsprojekte vorgestellt und der Beitrag der röntgenkristallographischen Beteiligung herausgestellt. Es bestanden Kooperationen mit den folgenden Forschungsgruppen: Prof. Dr. Michael Knorr Institut UTINAM, Université de Franche-Comté, Besançon, Frankreich. Prof. Dr. Dr. h. c. Michael Spiteller Institut für Umweltforschung, Technische Universität Dortmund. Prof. Dr. Dr. h. c. Herbert Waldmann Abteilung Chemische Biologie, Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie, Dortmund. Dr. Kamal Kumar Abteilung Chemische Biologie, Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie, Dortmund. Prof. Dr. Martin Hiersemann Institut für Organische Chemie, Technische Universität Dortmund. 150 Ergebnisse und Diskussion Ergebnisse und Diskussion 151 4.6.1 1,3-Dithiane als strukturbildende Liganden für den Aufbau von Kupfer(I)- Koordinationspolymeren[IV] Dieses Kooperationsprojekt wurde veröffentlicht als: 1,3-Dithianes as Assembling Ligands for the Construction of Copper(I) Coordination Polymers. Investigation of the Impact of the RC(H)S2C3H6 Substituent and Reaction Conditions on the Architecture of the 0D−3D Networks, A. Raghuvanshi, M. Knorr, L. Knauer, C. Strohmann, S. Boullanger, V. Moutarlier, L. Viau, Inorg. Chem. 2019, 58, 5753−5775. Im Rahmen der eigenen kristallographischen Tätigkeit wurde eine Kooperation mit der Ar- beitsgruppe von Prof. Dr. MICHAEL KNORR in Besançon, Frankreich, gepflegt. Eines der Forschungsinteressen dieser Arbeitsgruppe liegt im Aufbau und der intensiven Untersu- chung von Kupfer(I)-Koordinationspolymeren, welche verschiedene Lumineszenz- oder thermochromische Effekte zeigen. Eines der konkreten Projekte beschäftigt sich dabei mit der Verwendung des Heterocyclus 1,3-Dithian als Ligand für die Kupfer(I)-Halogenide. Neben dem strukturbildenden Einfluss des Halogens wurde auch die strukturelle Diversität in Abhängigkeit einer weiteren Funktionalisierung des Liganden in 2-Position untersucht. Auf diese Weise konnten 19 Koordinationspolymere erhalten werden, deren Strukturaufklä- rung im Festkörper einen entscheidenden Beitrag zur Klärung der strukturbildenden Ein- flüsse lieferte. Eine Übersicht der erhaltenen Strukturen wird in Tabelle 4.10 gegeben. Schema 4.60: Geometrien der Koordinationspolymere CP1 und CP3. Der Übersichtlichkeit halber wurde auf eine perspektivisch korrekte Darstellung verzichtet. Die Bildung der Koordinationspolymere wird dabei durch die starre Anordnung der beiden Schwefelzentren im Dithian-Grundgerüst begünstigt. Durch die mangelnde Flexibilität ist eine chelatisierende Koordination an Kupferzentren ausgeschlossen, sodass die Schwefel- zentren jeweils eine verbrückende Koordination ausbilden. Dabei werden jedoch zwischen den ein- und den zweidimensionalen Koordinationspolymeren unterschiedliche Koordina- tionsmodi der Schwefelzentren beobachtet. Veranschaulicht werden kann das entsprech- end Schema 4.60 an den Polymeren CP1 und CP3. Während die Schwefelzentren im ein- dimensionalen Polymer CP1 als Zweielektronendonoren fungieren und jeweils einen Kontakt zu nur einem Kupferzentrum aufbauen, bilden sie im zweidimensionalen CP3 eine verbrückende Koordination unter Verwendung aller vier freien Elektronen aus. [IV] Reproduziert in Teilen mit Erlaubnis aus Inorg. Chem. 2019, 58, 5753−5775. © 2019 American Chemical Society. 152 Ergebnisse und Diskussion Tabelle 4.10: Übersicht der untersuchten Liganden und der resultierenden Koordinationspolymere (CP). Ligand CuX, X = Koordinationspolymer (CP) Sekundäre Baueinheit Dimensionalität I CP1 Cu2(µ2-I)2 1D Br CP2 Cu2(µ2-Br)2 1D Cl CP3 Cu2(µ2-Cl)2 2D I CP4 Cu2(µ2-I)2 2D I CP5 Cu2(µ2-I)2 1D I CP6 Cu8(µ3-I)8 3D Br CP7 Cu2(µ2-Br)2 1D Cl CP8 Cu2(µ2-Cl)2 1D CN CP9 Cu(µ2-CN) 2D I CP10 Cu3(µ3-I)(µ2-I)2 2D Br CP11 Cu2(µ2-Br)2 2D Cl CP12 Cu2(µ2-Cl)2 2D I CP13 Cu2(µ4-I)(µ2-I) 1D Br CP14 Cu2(µ4-Br)(µ2-Br) 1D Cl CP15 Cu2(µ4-Cl)(µ2-Cl) 1D I CP16 Cu2(µ2-I)2 1D I CP17 Cu3(µ3-I)(µ2-I)2 2D Br CP18 Cu3(µ3-Br)(µ2-Br)2 2D I D1 Cu2(µ2-I)2 0D I CP19 Cu2(µ3-I)2 1D Es lässt sich erkennen, dass eine hohe strukturelle Vielfalt der Koordinationspolymere beobachtet wurde. Dabei hat nicht nur der Ligand, sondern auch das eingesetzte Kupfer- salz einen Einfluss auf die resultierende Struktur. Eine besondere Beobachtung trat bei der Untersuchung von CP16 auf. Aufgrund der hohen Qualität der Einkristalle wurde die rönt- genkristallographische Untersuchung statt nur bei 100 K bei fünf Temperaturen zwischen 100 und 300 K durchgeführt, um den Einfluss der Temperatur auf die Kupfer-Kupfer-Ab- stände und somit auf das Lumineszenzverhalten des Koordinationspolymers zu untersu- chen. Dabei wurde neben einer typischen Verlängerung der Achsen a, b und c der Elemen- tarzelle auch eine Verlängerung der Cu−Cu-Distanzen sowie eine Änderung der Raum- gruppe beobachtet. All diese Beobachtungen werden in Tabelle 4.11 zusammengefasst. Ergebnisse und Diskussion 153 Tabelle 4.11: Strukturelle Parameter des Koordinationspolymers CP16 im untersuchten Temperaturbereich. T [K] a [Å] b [Å] c [Å] Raum- gruppe dCu−Cu [Å] R-Wert CCDC- Nummer 100 7.4301(6) 9.5709(8) 15.0323(12) P1̅ 2.6588(3) 2.7086(3) 2.02% 1886855 150 7.4555(3) 9.5687(4) 15.0484(6) P1̅ 2.6642(4) 2.7105(4) 2.35% 1886857 200 7.5117(3) 9.5634(4) 15.0694(6) P1̅ 2.6731(7) 2.7114(7) 3.15% 1886853 250 7.5952(5) 15.0933(10) 9.5401(7) P21/m 2.6965(5) 2.87% 1886854 300 7.6021(10) 15.1124(19) 9.5457(12) P21/m 2.7003(6) 3.22% 1886856 Während die Achsen a und c während der ersten drei Temperaturen wie erwartet verlängert werden, ist bei b eine Verkürzung festzustellen. Die bereits angesprochene Änderung der Raumgruppe zwischen 200 und 250 K zeugt von einer Phasenumwandlung zwischen die- sen Temperaturen. Es wird ein Übergang vom triklinen ins monokline Kristallsystem beob- achtet, wodurch eine höhere Symmetrie im Kristall deutlich wird. Zusätzlich bestärkt wird diese Beobachtung durch die verschwindende Verzwilligung, welche bei 100, 150 und 200 K ermittelt und mithilfe von HKLF5-Daten modelliert wurde. Bei den höheren Tempe- raturen 250 und 300 K wird diese Verzwilligung nicht mehr beobachtet. Durch die Änderung der Symmetrie und somit des Kristallsystems greift ab einer Temperatur von 250 K eine geänderte Aufstellung der Achsen der Elementarzelle, da klassischerweise im monoklinen Kristallsystem der Winkel β den monoklinen (und somit von 90° abweichenden) Winkel dar- stellt und die Achse b die längste Achse wird. Im Vergleich zu den triklinen Zellen bei 100, 150 und 200 K tauschen in Tabelle 4.11 demnach die Achsen b und c die Positionen. Wäh- rend die längste Achse nach wie vor an Länge zunimmt, wird nun auch bei c (vormals b) eine Verlängerung bei steigender Temperatur festgestellt. Die Phasenumwandlung nimmt ebenfalls Einfluss auf die beobachteten Kupfer-Kupfer-Abstände. Bei den triklinen Struktu- ren bei 100, 150 und 250 K treten zwei kristallographisch unabhängige Kupferzentren in der asymmetrischen Einheit auf, welche jeweils über eine Inversion Kontakt zu einer be- nachbarten Einheit aufweisen, sodass zwei unterschiedliche Abstände beobachtet werden. Innerhalb dieser ersten drei Temperaturen nehmen beide Abstände zu, wobei die stärkere Veränderung beim jeweils erstgenannten, kürzeren Abstand zu beobachten ist. Es kommt somit zu einer Annäherung beider Distanzen. Beim bereits erläuterten Phasenübergang in das monokline Kristallsystem wird eine erhöhte Symmetrie beobachtet, sodass in der Elementarzelle nun nur noch ein Kupferzentrum beobachtet wird. Somit werden alle be- obachteten Kupfer-Kupfer-Abstände gleich und unterliegen bei weiterer Erhöhung der Tem- peratur auf 300 K ebenfalls einer Verlängerung. Die Reversibilität dieser Phasenumwand- lung wurde durch ein anschließendes Abkühlen des Kristalls auf 100 K und erneute Strukturbestimmung bei dieser Temperatur bestätigt. Es wurde dabei erneut die geringer symmetrische Raumgruppe P1̅ beobachtet und auch die zuvor beobachtete Verzwilligung wurde wiederhergestellt. 154 Ergebnisse und Diskussion Einhergehend mit der kristallographisch ermittelten Phasenumwandlung wurde auch eine Veränderung des Lumineszenzverhaltens beobachtet. Während bei 298 K zwei Emissions- banden bei 435 und 554 nm festgestellt werden konnten, wurde bei 77 K nur noch eine Bande mit Maxima bei 435 nm beobachtet, deren Intensität deutlich höher als bei Raum- temperatur war. Es konnte jedoch bisher nicht eindeutig geklärt werden, ob dieser thermo- chromische Effekt direkt auf die beschriebene Phasenumwandlung zurückzuführen ist. Abbildung 4.75: Lumineszenzspektren (Emission und Excitation) des Koordinationspolymers CP16 bei 298 K (links) und 77 K (rechts). Insgesamt konnten im Rahmen dieses Kooperationsprojektes einige vollständige Reihen der Koordinationspolymere von Kupfer(I)-halogeniden mit verschieden funktionalisierten 1,3-Dithianliganden strukturell aufgeklärt werden, welche ein tieferes Verständnis der struk- turbildenden Einflüsse von Ligand und Halogenid auf die ausgebildeten Koordinationspo- lymere zulässt. Anhand der temperaturabhängigen Einkristallröntgenstrukturanalyse des Polymers CP16 konnte zudem eine Phasenumwandlung festgestellt werden, welche mög- licherweise die beobachteten thermochromischen Effekte bedingt. Zur Klärung dieser Be- obachtung müssen nun weitere Untersuchungen im Experiment und mithilfe theoretischer Berechnungen erfolgen. Ergebnisse und Diskussion 155 4.6.2 Cardenolide aus der Stammrinde von Salacia staudtianaV Dieses Kooperationsprojekt wurde veröffentlicht als: Cardenolides from the stem bark of Salacia staudtiana, D. W. Kamtcha, M. Tene, K. G. Bedane, L. Knauer, C. Strohmann, P. Tane, S. Kusari, M. Spiteller, Fitoterapia 2018, 127, 402−409.[80] Eine weitere Kooperation besteht mit dem Institut für Umwelt- forschung (INFU) der eigenen Fakultät unter der Leitung von Prof. Dr. Dr. h.c. MICHAEL SPITELLER. Eines der Forschungsge- biete des Instituts besteht in der Isolierung und Charakterisie- rung biologisch aktiver Substanzen aus Pflanzen, welche in Ka- merun heimisch sind. Zu diesem Zwecke werden Proben dieser Pflanzen vor Ort gesammelt und die beinhalteten Substanzen mittels diverser Verfahren wie beispielsweise HPLC zunächst isoliert und anschließend eingehend charakterisiert. Zu den im Interesse des Instituts stehenden Pflanzen zählt Salacia staudtiana, welche seit langer Zeit von traditionellen Heilern zur Behandlung mikrobieller Infektionen und Übergewicht einge- setzt wird. Es gelang, zahlreiche unbekannte Verbindung aus der in Abbildung 4.76 dargestellte Stammrinde dieser Pflanze zu isolieren und zu charakterisieren. Während die chemische Zusammensetzung mithilfe hochaufgelöster Massenspektro- metrie (ESI-HRMS) ermittelt und die Konnektivität durch Kombination diverser ein- und zweidimensionaler NMR-Messungen wie DEPT-, HSQC- und HMBC-Experimente be- stimmt werden konnte, war die Bestimmung der in Abbildung 4.77 dargestellten absoluten Konfiguration nur mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse möglich. Abbildung 4.77: Nummerierungsschema und Molekülstruktur im Kristall der Verbindung 241. [V] Reproduziert in Teilen aus Fitoterapia 2018, 127, 402−409. © 2019, mit Erlaubnis von Elsevier. Abbildung 4.76: Stammrinde von Salacia staudtiana.[64] 156 Ergebnisse und Diskussion Die Verbindung 241 kristallisierte im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe P212121 in Form farbloser Nadeln aus. Ausgehend von der Raumgruppe, welche weder Inversions- noch Spiegelsymmetrie zulässt, und des Flack-Parameters von 0.04(4) kann davon ausge- gangen werden, dass es sich um die in Abbildung 4.77 dargestellte absolute Konfiguration handelt. Zu deren Bestimmung wird in der Einkristallröntgenstrukturanalyse der Effekt der anomalen Dispersion genutzt. Durch eine Beeinflussung der Phase der Strukturfaktoren durch ausreichend schwere Atome kommt es in Strukturen, welche in einer der 65 soge- nannten SOHNCKE-Raumgruppen[81] (umgangssprachlich auch als „chirale Raumgruppen“ bezeichnet) kristallisieren, zu Intensitätsunterschieden zwischen den Reflexen, welche über das FRIEDEL’sche Gesetz in zentrosymmetrischen Strukturen symmetrieäquivalent und so- mit von gleicher Intensität wären. Diese Intensitätsunterschiede werden als BIJVOET-Diffe- renzen bezeichnet und können zur Verifizierung der absoluten Struktur verwendet wer- den.[82] Dies wird beispielsweise über den Flack-Parameter x erreicht.[83] Bei dieser Methode werden die berechneten Reflexintensitäten aus einem Anteil 1 – x, welcher dem aktuell dargestellten Bild zugeschrieben wird, und dem Anteil x, welcher das entsprechende Spie- gelbild berücksichtigt, zusammengesetzt. Entspricht das aktuelle Modell dem richtigen Bild, wird der Anteil x des Spiegelbilds gleich null; ist eine Inversion des Modells nötig, nimmt x einen Wert von eins an. Werte, die im Rahmen der Standardabweichung signifikant zwi- schen null und eins liegen, deuten auf eine Verzwilligung beider Enantiomere hin. Da die für diese Methode der Bestimmung der absoluten Struktur notwendigen Unterschiede der Reflexintensitäten abhängig sind von der Zahl der Elektronen der streuenden Atome sowie von der Wellenlänge der eingesetzten Strahlung, ist bei Leichtatomstrukturen wie Verbin- dung 241 die Verwendung der langwelligen Kupfer-Kα-Strahlung mit einer Wellenlänge von λ = 1.54178 Å notwendig. Neben dem Cardenolid 241 konnte auch eine weitere Verbindung röntgenkristallographisch aufgeklärt werden. Dabei handelt es sich um das in Abbildung 4.78 dargestellte Desacetyl- elaeodendrogenin (242), welches zuvor bereits als Hydrolyseprodukt des Elaeodendrosid B[84] und Elaeodendrogenin[85] literaturbekannt war. Abbildung 4.78: Nummerierungsschema und Molekülstruktur im Kristall der Verbindung 242. Die Verbindung 242 kristallisierte im tetragonalen Kristallsystem in der SOHNCKE-Raum- gruppe P41 in Form farbloser Nadeln aus. Auch hier konnte die absolute Struktur mittels des Flack-Parameters eindeutig bestimmt werden. Ergebnisse und Diskussion 157 Zur Überprüfung der biologischen Aktivität der aus Salacia staudtiana isolierten Verbindun- gen wurde die antibakterielle Effektivität gegenüber verschiedenen Bakterienstämmen untersucht. Dabei wurde unter anderem für Verbindung 241 eine erhöhte antibakterielle Aktivität gegenüber dem humanpathogenen Stamm Pseudomonas aeruginosa festgestellt. Verbindung 242 wies hingegen kein nennenswertes antibakterielles Verhalten auf, im Gegensatz zu einer verwandten, an C1 zum Keton oxidierten Verbindung, welche ebenfalls antibakteriell gegen P. aeruginosa wirkt. Die strukturelle Aufklärung der Verbindung 241 konnte an dieser Stelle Hinweise auf eine Struktur-Aktivitäts-Beziehung der isolierten Verbindungen liefern. Tabelle 4.12: Ausgewählte kristallographische Daten der Verbindungen 241 und 242. Verbindung 241 242 Kristallsystem orthorhombisch tetragonal Raumgruppe P212121 P41 a [Å] 7.0155(5) 7.5775(4) b [Å] 18.7329(14) 7.5775(4) c [Å] 21.4349(16) 35.519(2) α [°] 90 90 β [°] 90 90 γ [°] 90 90 R-Wert (I≥2σ) 3.70% 3.50% CCDC 1823248 1823248 Die hier vorgestellten Strukturbestimmungen trugen in diesem Kooperationsprojekt zu einer eindeutigen Bestimmung der absoluten Konfiguration der Verbindungen 241 und 242 bei, deren Strukturen zuvor mittels diverser NMR-Techniken nur abgeschätzt werden konnten. Neben der Bestimmung der absoluten Konfiguration konnte die exakte Bestimmung der Molekülstruktur von 241 Hinweise auf die Ursachen einer möglichen antibakteriellen Reaktivität der isolierten Naturstoffe liefern. 158 Ergebnisse und Diskussion Ergebnisse und Diskussion 159 4.6.3 Biologie-orientierte Synthese von Decahydro-4,8-epoxyazulen-Gerüsten Dieses Kooperationsprojekt wurde veröffentlicht als: Biology-Oriented Synthesis of Deca- hydro-4,8-epoxyazulene Scaffolds, Z.-J. Jia, C. Merten, L. Knauer, S. Murarka, C. Stroh- mann, H. Waldmann, Synlett 2017, 28, 2918−2922.[86] Am Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie, Dortmund, besteht eine Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dr. h. c. HERBERT WALDMANN, welche sich mit dem Aufbau von Substanzbibliotheken beschäftigt, welche von Naturstoffen inspiriert sind und ebenfalls biologische Aktivität aufweisen. Eines der dabei gemeinsam verfolgten Projekte nutzt dabei das Decahydro-4,8-epoxyazulen-Grundgerüst, welches in einer Vielzahl von Naturstoffen vorzufinden ist und diverse Bioaktivitäten aufweist. Zu ihnen gehört das in Abbildung 4.79 gezeigte Englerin A (243), welches selektiv gegen Nierenkrebs bereits in nanomolaren Mengen wirkt.[87] Abbildung 4.79: Molekülstruktur des Englerin A (243, links) und das daraus abgeleitete Decahydro-4,8-epoxy- azulen-Grundgerüst (rechts). Im Rahmen der Untersuchungen wurde eine Strategie zur Synthese des Strukturmotivs ausgehend von einfachen Startmaterialien entwickelt. Nach der Optimierung der Reaktions- bedingungen und der Ermittlung des am besten geeigneten Rhodium(II)-Katalysators wur- de die Anwendbarkeit der Methode auf eine breite Auswahl möglicher Startmaterialien über- prüft. In Schema 4.61 ist die Synthese des Produkts 247 gezeigt, welche in Form von Kris- tallen erhalten wurde, welche sich zur Analyse mittels Röntgenkristallographie eigneten. Schema 4.61: Synthese des diphenylsubstituierten Produkts 247. Die Reaktion verläuft mit einem Diastereomerenverhältnis von 95:5, liefert im Sinne einer enantioselektiven Synthese mit einem Enantiomerenüberschuss ee von 46% jedoch nur moderaten Erfolg. Mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse konnte die relative Konfiguration des Produkts eindeutig festgestellt werden. 160 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.80: Nummerierungsschema und Molekülstruktur im Kristall der Verbindung 247. Die Verbindung 247 kristallisierte im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe C2/c in Form gelblicher Blöcke. Die centrosymmetrische Raumgruppe zeigt an, dass die Verbin- dung racemisch auskristallisierte, auch wenn der Enantiomerenüberschuss mittels chiraler HPLC zu 46% ermittelt wurde. Die Molekülstruktur im Kristall kann demnach nicht zur Be- stimmung der Konfiguration des Hauptenantiomers herangezogen werden. Hierfür wurde auf die Technik des Vibrations-Zirkulardichroismus zurückgegriffen. Dabei wird analog zum zirkularen Dichroismus die Drehung der Polarisationsebene der einfallenden Strahlung, welche durch die optische Aktivität chiraler Moleküle hervorgerufen wird, gemessen. Mithilfe quantenchemischer Berechnungen können die Spektren für alle möglichen Konformere be- rechnet werden. Ein Vergleich der experimentellen und theoretischen Spektren lässt dann auf die Konfiguration der untersuchten Substanz schließen. Im Rahmen dieses Koopera- tionsprojektes konnte die ermittelte Molekülstruktur im Kristall und die somit erhaltene relative Konfiguration als Ausgangspunkt für die Bestimmung der absoluten Konfiguration mittels VCD-Spektroskopie dienen. Tabelle 4.13: Ausgewählte kristallographische Daten der Verbindung 247. Verbindung 247 Kristallsystem monoklin Raumgruppe C2/c a [Å] 25.537(8) b [Å] 8.296(2) c [Å] 24.579(6) α [°] 90 β [°] 114.510(9) γ [°] 90 R-Wert (I≥2σ) 4.00% CCDC 1552869 Ergebnisse und Diskussion 161 4.6.4 Synthese und Folgechemie stabiler, acyclischer und doppelt defizienter 1,3- Butadiene Dieses Kooperationsprojekt wurde veröffentlicht als: Unravelling the Synthesis and Che- mistry of Stable, Acyclic, and Double-Deficient 1,3-Butadienes: An endo-Selective Diels- Alder Route to Hedgehog Pathway Inhibitors, X. Xin, S. Zimmermann, J. Flegel, F. Otte, L. Knauer, C. Strohmann, S. Ziegler, K. Kumar, Chem. Eur. J. 2019, 25, 2717−2722.[88] Eines der zentralen Forschungsinteressen der Chemischen Biologie besteht in der Entwick- lung neuartiger Wirkstoffe gegen verschiedenste Krebserkrankungen. So beschäftigt sich die Gruppe um Dr. KAMAL KUMAR unter anderen mit der Synthese funktionalisierter 1,3-Bu- tadiene, welche anschließend in Diels−Alder-Reaktionen eingesetzt werden können, um bicyclische molekulare Gerüste aufzubauen. Die auf diesem Wege aufgebauten Substanz- bibliotheken, welche verschiedenste Substitutionsmuster aufweisen, können anschließend biologischen Screenings unterzogen werden, um ihre Wirksamkeit in biologischen Prozes- sen einordnen zu können. Im Rahmen des Kooperationsprojektes wurde die in Schema 4.62 dargestellte Synthese- strategie entwickelt, welche die Erzeugung der gewünschten elektronenarmen 1,3-Butadi- ene und die anschließende Umsetzung mit Dienophilen wie N-Methylmaleimid (NMM, 249) in einer Diels−Alder-Reaktion in Form einer Eintopfsynthese erlaubt. Schema 4.62: Eintopfsynthese der bicyclischen Verbindungen 250a−e als Haupt- und 251a−e als Nebenisomere ausgehend von den elektronenarmen 1,3-Butadienen 248a−e. Es zeigte sich, dass das Verhältnis zwischen Haupt- und Nebenkomponente nicht durch das Substitutionsmuster der Allen-Vorstufen 258a−e beeinflusst wird. Neben zwei Buta- dien-Vorstufen konnte die Hauptkomponente 250d der in Schema 4.62 gezeigten Umset- zung in kristalliner Form erhalten und mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse untersucht werden. Dabei wurde die in Abbildung 4.81 gezeigte Molekülstruktur im Kristall erhalten. 162 Ergebnisse und Diskussion Abbildung 4.81: Nummerierungsschema und Molekülstruktur im Kristall der Hauptkomponente 250d. Die Verbindung 250d kristallisierte im orthorhombischen Kristallsystem in der Raumgruppe P212121 in Form farbloser Nadeln aus. Wenngleich die Verbindung in einer der SOHNCKE- Raumgruppen auskristallisierte, lässt sich dennoch keine absolute Konfiguration bestim- men. Grund dafür ist der uneindeutige Flack-Parameter von 0.4(5), welcher auf einen un- zureichenden Einfluss der anomalen Dispersion auf die BIJVOET-Differenzen zurückzufüh- ren ist. Dies liegt an der bereits genannten Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Ord- nungszahl der in der Struktur vorkommenden Elemente. Durch die hier verwendete Molyb- dän-Kα-Strahlung mit einer Wellenlänge von λ = 0.71073 Å kann bei einer Leichtatom- struktur wie 250d keine verlässliche Aussage über die Intensitätsunterschiede von über das FRIEDEL’sche Gesetz verknüpften Reflexen getroffen werden. Da die Synthesen jedoch racemisch durchgeführt wurden, war eine enantiomerenreine Kristallisation ohnehin un- wahrscheinlich. Es ist vielmehr denkbar, dass es sich bei der Verbindung 250d um einen Inversionszwilling (Zwillingsgesetz −1 0 0, 0 −1 0, 0 0 −1) handelt, bei dem beide Enantio- mere nicht über eine Inversionssymmetrie im Kristall miteinander verknüpft sind, sondern in getrennten Domänen kristallisierten. Die unzureichende anomale Dispersion verhindert an dieser Stelle jedoch eine sinnvolle Verfeinerung des entsprechenden Zwillingsgesetzes. Nach der erfolgreichen Umsetzung der 1,3-Butadiene mit NMM als Dienophil wurde die Anwendbarkeit der Synthesemethode auf weitere Dienophile untersucht. Dies gelang unter anderem für das strukturell ähnliche 4-Phenyl-1,2,4-triazolin-3,5-dion 252. Auch die Pro- dukte der in Schema 4.63 gezeigten Umsetzung mit den Vorstufen 248e und 248f lieferten kristalline Produkte, welche für die Einkristallröntgenstrukturanalyse geeignet waren. Schema 4.63: Eintopfsynthese der bicyclischen Produkte 253 und 254 ausgehend von den Vorstufen 248e und 248f und dem Dienophil 252. Ergebnisse und Diskussion 163 Abbildung 4.82: Nummerierungsschema und Molekülstruktur im Kristall der Produkte 253 (links) und 254 (rechts). Die Produkte 253 und 254 kristallisierten jeweils im triklinen Kristallsystem in der Raum- gruppe P1̅ und liegen somit racemisch vor. Es können von daher nur relative Konfiguratio- nen ermittelt werden. Neben anderen im Rahmen des Projektes dargestellten Substanzen zeigte vor allem das Bromphenyl-substituierte Produkt 253 interessante biologische Eigen- schaften. Es konnte mithilfe verschiedener Untersuchungen gezeigt werden, dass diese Substanz inhibierend auf den sogenannten Hedgehog-Signalweg wirkt, welcher vor allem für die embryonale Entwicklung bedeutsam ist und bei unkontrollierter Aktivierung zur Bil- dung diverser Typen von Krebserkrankungen führt.[89] Im Rahmen des Kooperationsprojektes konnte also eine erfolgreiche Strategie zur Synthe- se doppelt elektronendefizienter 1,3-Butadiene entwickelt und in Eintopfsynthesen zur Er- zeugung biologisch aktiver bicyclischer Systeme durch Diels−Alder-Reaktionen eingesetzt werden. Mithilfe der Einkristallröntgenstrukturanalyse konnten die Molekülstrukturen einiger Vorstufen und Produkte im Kristall aufgeklärt und zur Bestimmung der relativen Konfigura- tionen herangezogen werden. 164 Ergebnisse und Diskussion Tabelle 4.14: Ausgewählte kristallographische Daten der Verbindungen 250d, 253 und 254. Verbindung 250d 253 254 Kristallsystem orthorhombisch triklin triklin Raumgruppe P212121 P1̅ P1̅ a [Å] 7.8275(5) 8.2820(10) 7.9780(8) b [Å] 8.3384(7) 10.3273(9) 9.0747(8) c [Å] 23.1999(19) 12.7617(10) 13.5177(13) α [°] 90 78.418(3) 103.936(3) β [°] 90 80.819(2) 97.252(4) γ [°] 90 89.465(3) 110.786(3) R-Wert (I≥2σ) 4.54% 2.52% 3.86% CCDC 1820732 1590523 1590526 Zusammenfassung 165 5 Zusammenfassung Obwohl die enge Beziehung zwischen Struktur und Reaktivität der Organolithiumver- bindungen bereits weithin bekannt ist und sich der Einsatz deaggregierender Additive bei der Verwendung dieser Reagenzklasse längst etabliert hat, sind die genauen Zusammen- hänge bis heute nicht vollständig verstanden. Die vorliegende Arbeit sollte einen ge- winnbringenden Beitrag zur Erweiterung der synthetischen Möglichkeiten Additiv-stabilisier- ter Organolithiumaggregate leisten. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stand dabei die Su- che nach einem hochreaktiven und zeitgleich temperaturstabilen Basensystem, wel- ches die Anwendung kommerziell erhältlicher Organolithiumverbindungen bei erhöhten Temperaturen ermöglicht. Derartige Reaktionen waren bisher synthetisch aus zwei Grün- den nicht relevant: Zum einen sind reine Organolithiumverbindungen, welche sich in Abwe- senheit donierender Additive zu großen und somit schlecht zugänglichen Aggregaten anla- gern, auch bei erhöhten Temperaturen unreaktiv. Werden deaggregierende Additive einge- setzt, werden diese bei hohen Temperaturen selbst von der Lithiumbase angegriffen. Ein erster Ansatz zur Erzeugung eines derarti- gen, hochreaktiven und zeitgleich tempera- turstabilen Systems zielte wie in Schema 5.1 gezeigt auf den Einbau von Lithiumha- logeniden in die Aggregate der Lithium- alkyle ab. In vorangegangenen Arbeiten war bereits beobachtet worden, dass ein statistischer Einbau von Chloridionen in Festkörperstrukturen des Methyllithiums er- folgt. Dies erfolgte insbesondere auf Posi- tionen, welche für die Ausbildung definierter Strukturmotive relevant sind, weswegen auf einen ähnlich hohen Einfluss auf die Reak- tivität des Systems geschlossen wurde. Durch die gezielte Zugabe von Lithiumhalogeni- den zu Lösungen kommerziell erhältlicher Alkyllithiumverbindungen konnte jedoch keine Reaktivitätssteigerung ermittelt werden. Zurückzuführen ist dies unter anderem auf die geringe Löslichkeit der Salze in unpolaren Lösemitteln. Zur Gewährleistung der an- gestrebten Temperaturstabilität war die Verwendung polarer Lösemittel jedoch nicht mög- lich. Auch eine Erzeugung der Salze in situ konnte die gewünschte Inkorporation der Ha- logenide in die Aggregate der Lithiumorganyle nicht hervorrufen. Es zeigte sich somit, dass für die Erzeugung der gewünschten hochreaktiven Basensyste- me auf Lewis-basische, organische Additive zurückgegriffen werden muss. Damit diese jedoch auch bei hohen Temperaturen einsetzbar sind, darf das eingesetzte Additiv kein Potential für Nebenre- aktionen bieten, sodass die Verwendung nukleophiler Alkoholate sowie offenkettiger Amine auszuschlie- ßen war. Es wurde somit auf den in Abbildung 5.1 gezeig- ten monodentate, bicyclischen Aminliganden Azabicyclo- [2.2.2]oktan zurückgegriffen, welcher besser unter dem Trivialnamen Chinuclidin bekannt ist. Aufgrund seiner Geometrie erweist er sich als nahezu idealer Ligand für Abbildung 5.1: Zur Stabilisierung der Organolithiumverbindungen ein- gesetzter Ligand Chinuclidin. Gerichtetes freies Elektronenpaar Entfernte be- nachbarte Protonen Mäßiger sterischer Anspruch Starre Geometrie Schema 5.1: Erzeugung gemischter Alkyllithiumaggre- gate durch die Zugabe von Lithiumhalogeniden zu Or- ganolithiumverbindungen. 166 Zusammenfassung die Stabilisierung von Organolithiumverbindungen. Neben einem starken Koordinations- vermögen – bedingt durch ein wegen der Ringspannung sehr gerichteten freies Elektro- nenpaar am Stickstoff – zählen vor allem die geometrisch verhältnismäßig weit entfernten Protonen der dem Stickstoffzentrum benachbarten CH2-Einheiten zu den Vorteilen dieses Liganden, da hierdurch unerwünschte Nebenreaktionen durch eine Deprotonierung des Liganden eingedämmt werden sollten. Außerdem sorgt die mäßige Größe des Chinuclidins für eine ausgewogene sterische Überfrachtung des gebildeten Aggregats, welche eine ausreichende Stabilisierung ermöglicht, ohne reaktive Zentren völlig abzu- schirmen und somit jegliche Reaktivität zu verhindern. Zu guter Letzt weist das Additiv aufgrund der bicyclischen Geometrie eine gewisse Rigidität auf, welche sich in röntgen- kristallographischen Untersuchungen der ausgebildeten Aggregate im Festkörper vorteilig auswirktt, da auf diese Weise hoch geordnete Festkörperstrukturen erhalten werden können. Im Rahmen der hier vorgestellten Untersu- chungen konnte die in Abbildung 5.2 gezeigte Reihe von Festkörperstrukturen Chinucli- din-stabilisierter Aggregate kommerziell erhältlicher Lithiumalkyle erhalten werden, welche die bekannten Strukturbildungsprinzi- pien verdeutlichen. Mit steigendem steri- schem Anspruch des Alkylrests vom primären Ethyllithium, welches ein tetrameres Aggregat ausbildet (Abbildung 5.2a), über das sekun- däre iso-Propyllithium (Abbildung 5.2b und c) wird zum tertiären tert-Butyllithium, welches ausschließlich als Dimer vorliegt (Abbildung 5.2d), ein sinkender Aggregationsgrad beob- achtet. Die höchste Reaktivität wird dabei den beiden dimeren Aggregaten 118 und 120 zugeschrieben, welche aufgrund ihrer geringen Größe und gleichzeitig mäßigen sterischen Überfrachtung ausreichend Platz zur Annäherung eines zu reagieren- den Substrats bieten. Diese erwartete Reaktivität wurde dementsprechend in De- protonierungsreaktionen an einfachen, nur geringfügig C−H-aciden Modellsubstraten überprüft. Zu diesen zählten die aromatischen Verbindungen Benzol (121) und Toluol (122), welche mithilfe der dimeren Basensysteme erfolgreich deprotoniert werden konnten. Ne- ben der Kristallisation der in Abbildung 5.3 dargestellten Festkörperstrukturen der jewei- ligen lithiierten Intermediate wurden außer- dem Abfangreaktionen der metallierten Spe- Abbildung 5.2: Im Rahmen dieser Arbeit erhaltene Festkörperstrukturen Chinuclidin- stabilisierter Lithiumalkyle. a b c d A g g re g a tg rö ß e S te ri s c h e r A n s p ru c h Zusammenfassung 167 zies durchgeführt. Im Rahmen dieser Untersuchungen traten unerwartete Beobachtungen bezüglich der Reaktivität der eingesetzten Basensysteme auf. Neben der angestrebten Mo- nometallierung des Toluols (122) wurde auch eine zweifache Lithiierung ermittelt, obwohl noch unverbrauchtes Startmaterial vorlag. Das Auftreten mehrerer Signale mit gleichen Mo- lekülmassen, jedoch leicht unterschiedlichen Aufspaltungsmustern in den jeweiligen Mas- senspektren, deutet auf das Auftreten mehrerer regioisomerer Produkte der Zweifachfunk- tionalisierung hin. Eine Identifikation dieser Isomere sowie die Bestimmung einer Selektivi- tät zugunsten eines Regioisomers konnte bisher nicht erzielt werden. Weiterhin deutet die Rückgewinnung des Chinuclidins (116) auf die angenommene hohe Stabilität des Ad- ditivs hin, sodass die durchgeführte Reaktion ohne Nebenreaktionen durch Zersetzung des Liganden stattfand. Ähnliche Beobachtungen traten auch bei Umsetzungen des Benzols (121) auf. Das gleichzeitige Auftreten mono- und difunktionalisierter Produkte bei parallelem Vorkommen unverbrauchten Startmaterials deutet auf eine Bevorzugung der Dimetallie- rungsreaktion gegenüber der ersten Deprotonierung hin, welche sowohl thermodynamisch als auch kinetisch begründet sein könnte. Zur Erlangung eines tieferen Verständnisses der zugrunde liegenden Prozesse wurden quantenchemische Berechnungen eingesetzt, welche die Aktivierungsenergien der einzelnen Deprotonierungsschritte offenlegen sollten. Im Zuge dieser theoretischen Un- tersuchungen wurden verschiedene mögliche Reaktionsmechanismen für die Mono- metallierung berücksichtigt, um der weithin bekannten strukturellen Vielfalt der käuflich erwerblichen Alkyllithiumverbindungen gerecht zu werden. Neben einer Anlagerung des Substrats an das im Festkörper beobachtete dimere Basensystem von tert-Butyllithium und Abbildung 5.3: Festkörperstrukturen der mithilfe der dimeren Basensysteme erhaltenen lithiierten Intermediate Benzyllithium (123, links) und Phenyllithium (124, rechts), jeweils stabilisiert durch Chinuclidin. 123 124 168 Zusammenfassung Chinuclidin ist auch eine Aufspaltung zu einer mono- meren Spezies unter Ver- brauch von Energie denk- bar. Ein Vergleich der auf diesem Wege erhaltenen Aktivierungsenergien zeig- te eine energetische Bevor- zugung der Metallierung mittels der monomeren Spezies und lieferte für den gesamten in Schema 5.2 dargestellten Prozess eine Aktivierungsenergie von 87 kJ·mol−1. Für die anschließende Dili- thiierung wurde in Anleh- nung an die bei der Depro- tonierung von Benzol (121) erhaltene Festkörperstruk- tur von Phenyllithium und iso-Propyllithium von ei- nem gemischten Aggre- gat des monolithiierten Substrats mit tert-Butyllithium ausgegangen. In Analogie zu den experimentell erhal- tenen Ergebnissen wurden die Aktivierungsenergien der regioisomeren Produkte einer Dilithiierung in geminaler, ortho- und meta-Position betrachtet. Während die Aktivierungs- energien der geminalen Dilithiierung an der Methylgruppe (156 kJ·mol−1) und in der ortho-Position am Ring (150 kJ·mol−1) sehr ähnlich liegen, wurde für die zweite Metallierung in meta-Position eine sehr hohe Energiebarriere von 237 kJ·mol−1 erhalten. Zurückzuführen ist dies anzunehmender Weise auf eine mangelnde Stabilisierung der Carbanionen bedingt durch die in Abbildung 5.4c zu erkennende große Entfernung zu den Lithiumzentren. Es ist jedoch denkbar, dass eine meta-Dilithiierung dennoch stattfindet, diese jedoch auf einem deutlich komplexeren Ausgangsaggregat als hier angenommen beruht. Ähnliches gilt für eine Dilithiierung in para-Position, welche aufgrund einer noch größeren Entfernung der Schema 5.2: Für die Monometallierung des Toluols (122) wurde für den mög- lichen Reaktionspfad über die Bildung der hypothetischen monomeren Spe- zies 135 die niedrigste Aktivierungsenergie von insgesamt 87 kJ·mol−1 ermittelt. Abbildung 5.4: Optimierte Geometrien der Übergangszustände der Dilithiierung von Toluol (a) in ortho-Position, (b) in geminaler Position und (c) in meta-Position. 136-TSortho 136-TSgemi 136-TSmeta a b c Li N C Zusammenfassung 169 Carbanionen nicht auf Grundlage der hier verwendeten gemischten Aggregate modelliert werden konnte. Die energetische Ähnlichkeit der Reaktionsbarrieren für die zweite Me- tallierung in geminaler und in ortho-Position spiegeln jedoch die experimentelle Beobach- tung der Bildung diverser regioisomerer Spezies bereits gut wider. Mit Aktivierungs- energien von um die 150 kJ·mol−1 handelt es sich jeweils um Prozesse, welche unter den gewählten Reaktionsbedingungen möglich erscheinen, da die entsprechenden Experi- mente in refluxierendem n-Heptan bei einer Temperatur von 98 °C durchgeführt wurden. Möglich ist dies durch die bereits angesproch- ene hohe Stabilität des eingesetzten Addi- tivs Chinuclidin (116). Wie die Experimente zuvor zeigten, scheinen Nebenreaktion durch Deprotonierungen am Additiv nicht stattzufin- den, sodass die Chinuclidin-stabilisierten Ba- sensysteme in Umsetzungen bei stark erhöh- ten Temperaturen eingesetzt und somit thermodynamisch gehinderte Reaktionen durchgeführt werden können. Auch hier wur- den quantenchemische Berechnungen einge- setzt, um den beobachteten Sachverhalt näher zu untersuchen. Im Zuge dessen wurde eine Energiebarriere von 109 kJ·mol−1 für die De- protonierung des Chinuclidins (116) aus dem dimeren Basensystem 120 heraus erhalten. Wenngleich sie geringer als die eben beschrie- bene Aktivierungsenergie der Dilithiierungen ausfällt, liegt sie dennoch signifikant höher als die für die Monolithiierung des Toluols erhalte- ne Energiebarriere von 87 kJ·mol−1, sodass letztere Reaktion bevorzugt ablaufen sollte. Ein weiterer betrachteter Reaktionsmechanismus geht von einer Anlagerung eines weiteren Mo- leküls des Chinuclidins aus, wie sie auch für die Berechnungen am Toluol angenommen wurde. Für den in Abbildung 5.5a dargestellten Übergangszustand wurde dabei eine Aktivierungsenergie von 80 kJ·mol−1 erhalten. Eben- falls in Anlehnung an bisherige Berechnungen wurde auch für die Deprotonierung des Chi- nuclidin ein hypothetischer monomerer Komplex angenommen, dessen in Abbildung 5.5b gezeigter Übergangszustand eine Aktivierungsenergie von 88 kJ·mol−1 liefert. Beide Pro- zessen stünden somit in enger Konkurrenz zur Monometallierung des Toluols, bedürfen jedoch eines Überschusses des Liganden. Dieser wurde in den experimentellen Untersu- chungen jedoch nicht eingesetzt, wodurch die Monolithiierung des Substrats begünstigt worden sein könnte. Es zeigt sich, dass ein erfolgreicher Einsatz des Chinuclidin-stabi- lisierten Basensystems des tert-Butyllithiums somit empfindlich von den gewählten Re- aktionsbedingungen und der Zusammensetzung des Reaktionsgemisches abhängt. 137-TS, EA = 80 kJ·mol−1 138-TS, EA = 88 kJ·mol−1 Abbildung 5.5: Geometrien der berechneten Übergangszustände der Deprotonierung von Chi- nuclidin. a b Li N C 170 Zusammenfassung Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit wurde somit das erste alkyllithiumbasierte Basensystem präsentiert, welches sich für den Einsatz bei stark erhöhten Temperaturen eignet und somit eine Metallierung geringfügig C−H-acider Verbindungen ermöglicht. Die beschriebene hohe Stabilität des Basensystems ermöglicht nicht nur einen Einsatz bei erhöhten Temperaturen, sondern bietet auch die Möglichkeit, die beschriebenen Deprotonierungsreaktio- nen unter Verwendung von Mikrowellenstrahlung durchzufüh- ren. Auf diese Weise gelingt eine deutlich direktere Energieüber- tragung auf die zu reagierenden Systeme. Während diese Arbeits- technik für klassische organische Synthesen bereits seit einigen Jahren fest etabliert ist, war eine Handhabung hochempfindlicher Substanzen bisher nicht vorgesehen. Im Rahmen der hier vor- gestellten Arbeiten wurden Techniken entwickelt, um die hochre- aktiven Basensysteme des Chinuclidin-stabilisierten tert-Butyllithi- ums mittels der Mikrowellentechnologie einsetzen zu können. Dies umfasste vor allem die in Abbildung 5.6 gezeigte, in der eigenen Arbeitsgruppe entwickelte Apparatur, welche die Probenvorbereitung unter Luft- und Feuchtigkeitsausschluss ermöglicht. Mithilfe einer detaillierten Versuchsreihe wurde dann überprüft, ob die unter klassischem Erhitzen beob- achtete Stabilität des Basensystems auch unter Einwirkung von Mikrowelleneinstrahlung besteht. Dabei wurden die Einflüsse von Reaktionszeit, Reagenz und Substrat auf den Erfolg der Deprotonierungsreaktionen untersucht. Abbildung 5.7: Untersuchung der Einflüsse von Substrat, Reagenz und Reaktionszeit auf den Erfolg mikrowellengestützter Deprotonierungsreaktionen der Substrate 121, 122, 149 und 150. Während vergleichbare Ergebnisse für alle untersuchten Reaktionszeiten zwischen zehn und 60 Minuten erzielt wurden, zeigte tert-Butyllithium gegenüber allen vier untersuchten Substraten – Benzol, Toluol, Tetramethylsilan und Hexamethyldisilan – eine gesteigerte Reaktivität in Vergleich zum sekundären iso-Propyllithium. In allen Umsetzungen wurden jedoch Abfangprodukte sowohl mono- als auch di- und höher lithiierter Spezies aller Substrate beobachtet. Während keine Ne- benreaktionen auf Grundlage einer Zersetzung des Ligan- den zu beobachten waren, tra- Schema 5.3: Angenommener Mechanismus der Bildung des Nebenprodukts 129 auf Grundlage einer Reaktion des lithiierten Substrats 62 mit Isobuten (55), welches durch thermische Zersetzung des tert-Butyllithiums gebildet wird. Abbildung 5.6: Im eigenen Arbeitskreis entwickelte Ap- paratur zur Vorbereitung von Proben für den Einsatz in einer Labormikrowelle. Zusammenfassung 171 ten in den mikrowellengestützten Untersuchungen jedoch Nebenprodukte auf, die auf die in Schema 5.3 gezeigten Zersetzung des Lithiumalkyls und anschließende Nebenreak- tion mit bereits lithiiertem Substrat zurückgeführt wurden. Eine Bestätigung des zugrunde liegenden Reaktionsmechanismus konnte bisher je- doch nicht erfolgen. Neben einer erhöhten Reaktivität wurde für die Chi- nuclidin-stabilisierten Basensysteme des tert-Bu- tyllithiums und des iso-Propyllithiums eine unge- wöhnlich hohe Qualität der Kristalle beobachtet. Aus diesem Grund eigneten sie sich für hochauf- gelöste Röntgenstrukturanalysen, die in Zusam- menarbeit mit Bruker AXS GmbH in Karlsruhe durch- geführt wurden. Basierend auf den dabei erhaltenen Daten konnte durch die Arbeitsgruppe von Prof. Stalke (Göttingen) erstmals eine experimentelle Elektronendichtebestimmung einer auf einem rei- nen Kohlenwasserstoff basierenden Organolithium- verbindung mittels einer Multipol-Verfeinerung erzielt werden. Auf diese Weise ist eine sehr viel genauere Beschreibung der Elektronendichte der Bindun- gen möglich, was Aussagen über die in der Literatur bis heute viel diskutierte Natur der Kohlenstoff-Lithi- um-Bindungen ermöglicht. Wichtige Aussagen liefert dabei die topologische Analyse, welche durch die Lokalisation der bindungskritischen Punkte (BCP) und des Laplace-Operators der Elektronendichteverteilung an diesem Punkt, ∇2ρ(rBCP), Rückschlüsse auf die Art der Wechselwirkung zulässt. Anhand der in Abbildung 5.8 gezeigten, weit zu den elektropositiven Lithiumzentren verschobenen, bindungskriti- schen Punkte kann auf eine hohe Polarisation der Bindungen geschlossen werden. Der an diesen Punkten jeweils positive Laplace-Operator bestätigt diese Beobachtung zusätz- lich. Auf diese Weise wird ein stark ionischer Charakter der Kohlenstoff-Lithium-Bin- dungen impliziert. Hierdurch konnte ein wertvoller Beitrag zu der seit langer Zeit beste- henden Diskussion um den Charakter der C−Li-Bindungen in lithiumorganischen Ver- bindungen geleistet werden. Es ist jedoch nicht nur die Kenntnis über die Natur der Bindungen, welche eine effiziente Nutzung der Organolithiumverbindungen er- möglicht, sondern auch ein differenziertes Bild über die dreidimensionale Struktur der ausgebildeten Aggregate und daraus er- wachsender Möglichkeiten und Einschrän- kungen für die Reaktivität des Systems. Im Rahmen dieser Arbeit konnte dies an drei ver- schiedenen Festkörperstrukturen des (Tri- methylsilyl)methyllithiums verdeutlicht wer- den. Durch die Zugabe des bidentaten Aminli- Abbildung 5.8: Bindungskritische (rot), ringkritische (gelb) und käfigkritische Punkte (grün) der Chinuclidin-stabilisierten Basensysteme des tert-Butyllithiums (a) und des iso-Propyllithiums (b). b a Abbildung 5.9: Die Connolly-Oberfläche des mono- meren Komplexes 168 verdeutlicht, dass der reakti- ve Kohlenstoff-Lithium-Kontakt abgeschirmt wird und somit nicht für Reaktionen zur Verfügung steht. Li N C 172 Zusammenfassung ganden (R,R)-Tetramethylcyclohexan-1,3-diamin, (R,R)-TMCDA (4), wird ein monomerer Komplex erhalten, welcher somit die geringst mögliche Aggregationsstufe darstellt. Gemäß den gängigen Annahmen sollte entsprechend dem geringen Aggregationsgrad eine gestei- gerte Reaktivität zu beobachten sein. Durch erfolglose Deprotonierungsreaktionen an verschiedenen Modellsubstraten wie Benzol (121), Toluol (122) oder N,N-Dimethylbenzyl- amin (169) wurde dies jedoch widerlegt. Begründet werden kann dies durch die dreidimen- sionale Struktur des Komplexes. Über die in Abbildung 5.9 gezeigte Darstellung der sogenannten Connolly-Oberfläche wird eine erschwerte Zugänglichkeit des reaktiven Carbanions deutlich. In Anwesenheit des bereits erfolgreich eingesetzten Liganden Chinuclidin (116) wurden ergänzend die beiden in Abbildung 5.10 dargestellten dimeren Aggregate mit variierender Koordinationsumgebung der Lithiumzentren erhalten. Diese Änderung verdeutlicht das Vermögen der di- meren Spezies zur Annäherung eines zu reagieren- den Substrats. Auf diese Weise gelang es, die geläu- fig als erster Schritt einer Reaktion unter Beteiligung eines Alkyllithiumreagenzes angenommene Freiga- be einer Koordinationsstelle zu bestätigen. Ein verlängerter N−Li-Abstand des dritten Chinuclidin-Li- ganden im unsymmetrischen Dimer 171 lässt eine schwächere Bindung vermuten und ermöglicht somit ein Ablösen des Liganden bzw. ein Ersatz dessen durch ein zu reagierendes Substrat. Auf diese Weise gelang die Deprotonierung der Modellsubstrate unter Verwendung des Chinuclidin-stabilisierten (Tri- methylsilyl)methyllithiums. Quantenchemische Un- tersuchungen dienten auch an dieser Stelle zur Un- termauerung der experimentellen Befunde und wur- den explizit für die Deprotonierung des N,N-Dime- thylbenzylamins (169) durchgeführt. Nach dem eben beschriebenen Austausch eines Chinuclidins durch das Substrat 169, für welchen ein Energiebedarf von sechs kJ·mol−1 ermittelt wurde, konnte die Aktivie- rungsenergie der ortho-Deprotonierung des Sub- strats zu 96 kJ·mol−1 bestimmt werden. Es wird dabei deutlich, dass erneut erhöhte Temperaturen zur erfolgreichen Durchführung dieser Metal- lierungsreaktion vonnöten sind. Wiederum kommt die hohe Stabilität des Liganden Chi- nuclidin (116) zum Tragen, welche eine Reaktionsführung unter derartigen Bedingungen erlaubt. Der aufgezeigte Vergleich der dimeren und der monomeren Spezies des (Trime- thylsilyl)methyllithiums hat verdeutlicht, wie essentiell eine genaue Kenntnis über die dreidimensionale Struktur eines Alkyllithiumreagenzes in Anwesenheit stabilisierender Additive für deren effizienten Einsatz ist. Eine generelle Anwendbarkeit des Konzepts „je kleiner das Aggregat, umso reaktiver“ ist nicht gegeben. Eine detaillierte Prüfung der struk- turellen Gegebenheiten sollte für jedes eingesetzte System erfolgen, um unerwartetes Aus- bleiben von Reaktivität erklären zu können und darauf aufbauend Optimierungen zu ent- wickeln. Abbildung 5.10: Molekülstrukturen im Kris- tall der dimeren Aggregate des (Trimethylsi- lyl)methyllithiums stabilisiert duch zwei (170) bzw. drei Moleküle Chinuclidin (171). Zusammenfassung 173 Die eingangs bereits ausgiebig disku- tierte nahezu ideale Reaktivität des dimeren Basensystems des Chinu- clidin-stabilisierten tert-Butyllithi- ums macht sich diese Prinzipien zu Nutze. Sowohl der Ligand als auch der tert-Butylrest des Carbanions weisen einen ausreichenden steri- schen Anspruch auf, um eine weitere Anlagerung von Ligand oder Rea- genz zu verhindern, ohne dabei die Annäherung eines Substrats zu un- terbinden. Auf diese Weise wird eine ungewöhnlich hohe Reaktivität erzielt, welche erfolgreich zur einfachen und mehrfachen Metallierung verschiedener Substra- te eingesetzt wurde. Zu diesen zählen die einfachen Silane Tetramethylsilan (149) sowie Hexamethyldisilan (150), welche beide eine sehr geringe C−H-Acidität aufweisen und so- mit schwierig zu deprotonieren sind. Während die erfolgreiche Metallierung dieser Substra- te eine Funktionalisierung ermöglicht, bietet eine gezielte Erzeugung dilithiierter Spezies die Möglichkeit, durch Reaktion mit entsprechenden Dichlorelektrophilen kleine und ge- spannte Ringsysteme aufzubauen, was im Rahmen dieser Arbeit eingehend untersucht wurde. Gemäß Schema 5.4 wurde versucht, ausgehend von dilithiiertem Hexamethyldi- silan 103 verschiedene fünfgliedrige Ringsysteme mit variierendem Zentralatom El und diversen Resten R zu erzeugen. Während die Bildung der rein Silicium- basierten Ringsysteme wenig erfolgsversprechend war, konnten vor allem die Ringschlussreaktionen un- ter Verwendung der Dichlorstannan-Elektrophile er- folgreich durchgeführt werden. Beobachtete Neben- produkte beruhten dabei hauptsächlich auf einer un- zureichenden Dilithiierung des Disilans 150, sodass zwei Moleküle der monolithiierten Spezies mit je ei- nem Elektrophil reagierten. Andererseits wurden Ne- benprodukte beobachtet, welche durch den Angriff zweier Teilchen des Elektrophils an ein dilithiiertes Silan beruhen. Durch die Erhöhung von Reaktions- zeit und Verdünnung des Reaktionsgemisch sowie eine verminderte Temperatur bei Zugabe des Elektr- ophils konnten die Ringschlussreaktionen dahinge- hend optimiert werden, dass eine Bildung der be- schriebenen Nebenprodukte stark eingeschränkt wurde. Eine präparative Erzeugung und eine Isolie- rung der Reinverbindungen lagen dabei jedoch nicht im Fokus der Untersuchungen. Stattdessen galt es, die synthetischen Möglichkeiten der Chinuclidin-stabi- lisierten Basensysteme zu ermitteln und deren Gren- Schema 5.4: Aufbau fünfgliedriger Ringsysteme durch Umset- zung des zweifach lithiierten Hexamethyldisilans (103) durch Dichlorelektrophile. Abbildung 5.11: Molekülgeometrien der berechneten Übergangszustände der „ge- minalen“ (a, 199-TSgemi) und der „vicinalen“ Dilithiierung (b, 199-TSvici) des Hexame- thyldisilans. b a 199-TSgemi 199-TSvici Li N C Si 174 Zusammenfassung zen und Möglichkeiten zu bestimmen. Die experimentellen Befunde wurden auch an dieser Stelle mithilfe quantenchemischer Berechnungen unterstützt. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die Dilithiierung des Hexamethyldisilans (150) an zwei verschiedenen Silici- umzentren („vicinal“) nur eine geringfügige Bevorzugung gegenüber der Dilithiierung an einem Siliciumzentrum („geminal“) aufweist. Hierin besteht weiteres Potential für uner- wünschte Nebenreaktionen, welche mithilfe der experimentellen Parameter wie Zeit und Temperatur jedoch nicht beeinflusst werden können. Die analogen Ringschlussreaktionen des Tetramethylsilans erwiesen sich als synthe- tisch deutlich schwieriger, da – eventuell auf- grund der hohen Flüchtigkeit des Tetrame- thylsilans – keine Produktbildung beobachtet werden konnte, wenngleich eine erfolgreiche Dilithiierung des Substrats bestätigt werden konnte. Auch ein Ausweichen auf das schwe- rere Substrat Dimethyldiphenylsilan (205) konnte keine Bildung der Vierringsysteme ermöglichen. Quantenchemische Berechnun- gen bestätigten hier die experimentellen Be- funde, dass neben einer Metallierung der Methylgruppen auch in wesentlichen Antei- len ein Angriff an den Phenylgruppen ein- tritt, welcher die erwünschte Ringschlussre- aktion nicht ermöglicht. Eine etwas gezieltere Dilithiierung zweier Methylgruppen konnte ausschließlich anhand eines Dimethyl(aminomethyl)silans 228 erzielt werden. Hier wird der intramolekular koordinierende Effekt des Aminhenkels zur selektiven Metallierung einer der Methylgruppen genutzt, was durch die in Abbildung 5.12 gezeigte Festkör- perstruktur bestätigt wird. Bei Zugabe des potenten Basensystems von tert-Butyllithium und Chinuclidin und anschließendem Erhitzen auf klassischem Wege oder mittels Mikrowel- lentechnologie konnten dann Abfangprodukte des an beiden Methylgruppen lithiierten Silans beobachtet werden. Der Aminhenkel des Substrats 228 bietet jedoch Möglichkeit für weitere Nebenreaktionen oder für Beeinträchtigungen möglicher Folgereaktionen, sodass weitere Untersuchungen an diesem System nicht durchgeführt wurden. Abbildung 5.12: Molekülstruktur im Kristall des lithiierten (Aminomethyl)silans 229. Insgesamt konnte die vorliegende Arbeit durch eine engmaschige Verknüpfung experi- menteller und theoretischer Untersuchungen das Verständnis der synthetisch wichtigen und vielfältig genutzten Klasse der Lithiumalkyle gewinnbringend erweitern. Neben einem tieferen Verständnis der viel diskutierten Natur der Kohlenstoff-Lithium-Bindung konnte ein differenzierterer Blick auf den Einfluss der Struktur der Aggregate, welche durch die Zugabe donierender Additive gebildet werden, geliefert werden. Durch die hier verwendete, einzigartige Kombination von Donor, daraus resultierendem Aggregat und der erstmals ermöglichten Energiezufuhr mittels Mikrowellentechnologie konnten durch die Deprotonierung geringfügig acider Silane neuartige Synthesebausteine erschlossen werden, welche auf anderem Wege bisher nicht zugänglich waren. Experimentelles 175 6 Experimentelles 6.1 Arbeits- und Messtechniken 6.1.1 Allgemeine Arbeitstechniken 6.1.1.1 Reaktionsbedingungen Alle Reaktionen mit luft- und feuchtigkeitsempfindlichen Substanzen wurden in getrockneten, sauerstofffreien Lösemitteln unter einer Schutzgasatmosphäre von Argon durchgeführt. Alle Standardglasapparaturen wurden vor der Verwendung mit luft- und feuchtigkeitsempfindlichen Substanzen im evakuierten Zustand ausgeheizt. 6.1.1.2 Lösungsmittel Die verwendeten Lösemittel n-Pentan, n-Hexan und n-Heptan wurden vor Gebrauch nach Standardverfahren getrocknet, gereinigt, destilliert und unter Schutzgasatmosphäre von Argon aufbewahrt. 6.1.1.3 Reagenzien Insofern nicht anders angegeben, wurden alle verwendeten Reagenzien als Handelspro- dukte ohne weitere Aufreinigung eingesetzt. Die eingesetzten Lösungen der Alkyllithium- verbindungen waren Produkte der Firmen Acros Organics und Sigma Aldrich. Das zum Trocknen der organischen Phasen eingesetzte wasserfreie Natriumsulfat lag in der Quali- tätsstufe „reinst“ vor und das verwendete Wasser war entionisiert. Das für die NMR-Spek- troskopie verwendete deuterierte Lösemittel C6D6 war ein Produkt der Firma Deutero. Alle weiteren Reagenzien waren Produkte der Firmen ABCR, Acros Organics, Alfa Aeser, Fluka, Gelest, Grüssing, Roth und Sigma Aldrich. 6.1.1.4 Kugelrohrdestillation Aufreinigungen mittels Kugelrohrdestillation wurden unter Verwendung einer Glass Oven B-585 Kugelrohrdestille der Firma Büchi bei einem Druck von 9.8·10−1 mbar durchgeführt. Die Ofentemperaturen sind jeweils im Einzelnen angegeben. 6.1.2 Analytische Methoden und Messtechniken 6.1.2.1 Einkristall-Röntgenstrukturanalyse Die Einkristall-Röntgenstrukturanalysen wurden durchgeführt auf einem D8 Venture Diffrak- tometer der Firma Bruker AXS GmbH unter Verwendung eines Photon 100 CMOS-Detek- tors (Verbindungen 117, 119, 123, 124, 170, 171, 241, 242, 253,) sowie eines Photon II CPAD-Detektors (Verbindungen 118, 120, 168, 229, 250) der Firma Bruker AXS GmbH. Als Strahlungsquellen dienten die Mikrofokusquellen IµS Cu bzw. Mo der Firma Incoatec GmbH mit einer HELIOS-Spiegeloptik und einem Einlochkollimator der Firma Bruker. Zur Datensammlung und −verarbeitung wurde die APEX3 Suite (v2018.7.0) sowie die integrier- ten Programme SAINT (Integration) und SADABS (Absorptionskorrektur) der Firma Bruker AXS GmbH eingesetzt. Die Strukturlösung erfolgte mit dem Programm SHELXT, die Verfeinerung der Strukturen mit dem Programm SHELXL. Zur Bearbeitung und Finalisierung der Strukturen kam das Programm OLEX2 zum Einsatz. Tabellen der Atomkoordinaten sind im Anhang zu finden. Dabei ist Ueq definiert als ein Drittel der Spur des orthogonalisierten Uij. Für die Wasserstoff- atome wurden die Standardwerte des SHELXL-Programms verwendet mit 176 Experimentelles Uiso(H) = −1.2 Ueq(C) für CH2 und CH und mit Uiso(H) = −1.5 Ueq(C) für CH3. Für die Auswahl und Vorbereitung luft- und feuchtigkeitsempfindlicher Kristalle wurde das X-TEMP 2- System[14] in Kombination mit einem Stereomikroskop SMZ1270 der Firma Nikon Metrology GmbH verwendet. 6.1.2.2 GC/EI-MS Die Analysen mittels massenspektrometriegekoppelter Gaschromatographie wurden durchgeführt an einem GC-System 7890B der Firma Agilent Technologies mit einer HP-5 MS-Kapillarsäule mit einer Länge von 30 m und einem Innendurchmesser von 0.25 mm und mit der Software MSD Chem Station E.02.02.1431 von Agilent Technologies. Als Detektor wurde der Mass Selective Detector 5977A EI(+)-Massendetektor der Firma Agilent Technologies verwendet. Die Ionisation erfolgt mittels eines Elektronenstoßes mit einer Energie von 70 eV. Es lagen folgende Temperaturprofile zugrunde: Methode A: 50 °C (0.5 min) – 290 °C (2 min); Aufheizrate 20 °C/min. Methode B: 80 °C (1.0 min) – 270 °C (5.5 min); Aufheizrate 40 °C/min Den m/z-Werten der Molekülionen und den ausgewählten Fragmenten liegen jeweils die Massenzahlen der Isotope mit der größten natürlichen Häufigkeit zugrunde (1H, 7N, 13C, 16O, 29Si, 120Sn). 6.1.2.3 NMR-Spektroskopie NMR-Spektren wurden aufgenommen auf einem Avance III HD Spektrometer der Firma Bruker AV. Alle NMR-Spektren wurden bei Raumtemperatur (ca. 22 °C). 1H-NMR- und {1H}13C-NMR-Verschiebungen (δ) werden in parts per million (ppm) angegeben und auf Tetramethylsilan (TMS, δ = 0.0 ppm) referenziert mit dem Deuteriumsignal des Lösemittels als interne Locksubstanz und verbleibende Lösemittelsignale als zusätzliche Referenz. {1H}29Si-NMR-Verschiebungen werden in ppm angegeben, referenziert auf einen externen Standard von TMS (δ = 0.0 ppm) und über die INEPT-Pulssequenz gemessen. Für die Benennung der Multiplizitäten wurden die folgenden Abkürzungen verwendet: s = Singulett, m = Multiplett, br = breites Signal, q = Quintett. Experimentelles 177 6.2 Synthesen 6.2.1 Beeinflussung der Reaktivität lithiumorganischer Verbindungen mithilfe von Lithiumhalogeniden 6.2.1.1 Untersuchung der Reaktivitätssteigerung durch Zugabe von Lithiumhalogeniden Eine Lösung von 1 mmol (1 Äq.) des Lithiumhalogenids und 0.10 mL (1 mmol, 1 Äq.) Toluol in 5 mL trockenem n-Pentan wurde abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Temperatur wurden 0.52 mL (1 mmol, 1 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan zugegeben. Das Gemisch wurde unter Rühren auf RT erwärmt und für 6 h gerührt. Nach dem Abkühlen auf −50 °C wurden 0.13 mL (1 mmol, 1 Äq.) Me3SiCl zugegeben und das Gemisch unter Rühren auf RT erwärmt. Nach 1 h wurden 5 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl-Lösung zugegeben, die Phasen getrennt und die organische Phase mittels GC/EI-MS untersucht. Es konnte keine Produktbildung beobachtet werden. 6.2.1.2 In situ-Erzeugung des Lithiumhalogenids Eine Lösung von 0.13 mL (1 mmol, 1 Äq.) Me3SiCl in 5 mL trockenem n-Pentan wurde abgekühlt auf −40 °C. Bei dieser Temperatur wurden 1.1 mL (2 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan zugegeben. Das Gemisch wurde auf RT erwärmt und für 1 h gerührt. Nach erneutem Abkühlen auf −40 °C wurden 0.10 mL (1 mmol, 1 Äq.) Toluol zugegeben. Das Gemisch wurde auf RT erwärmt und für 6 h gerührt. Nach dem Abkühlen auf −50 °C wurden 0.13 mL (1 mmol, 1 Äq.) Me3SiCl zugegeben und das Gemisch unter Rühren auf RT erwärmt. Nach 1 h wurden 5 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl-Lösung zugegeben, die Phasen getrennt und die organische Phase mittels GC/EI- MS untersucht. Es konnte keine Produktbildung beobachtet werden. 178 Experimentelles 6.2.2 Chinuclidin-stabilisierte Aggregate von Alkyllithiumverbindungen 6.2.2.1 Kristallisationen der Chinuclidin-stabilisierten Aggregate Kristallisation von (EtLi·Chinuclidin)4 (117) Von einer 0.5 M Lösung von Ethyllithium in Benzol wurden 4 mL (2 mmol, 1 Äq.) unter Rüh- ren bis zur Trockne eingeengt. Der Rückstand wurde anschließend in 4 mL trockenem Di- ethylether aufgenommen und die Lösung auf −30 °C abgekühlt. Bei dieser Temperatur wur- den 0.222 g (2 mmol, 1 Äq.) Chinuclidin zugegeben und das Gemischt bei −80 °C zur Kris- tallisation gelagert. Nach einer Woche wurden farblose Kristalle des Aggregats 117 erhal- ten. Die Diskussion der mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse erhaltenen Molekülstruktur erfolgt in Kapitel 4.2.2. Kristallisation von (iPrLi)n · m Chinuclidin (118: n = 4, m = 2 119: n = 2, m = 3) Eine Lösung von 0.111 g (1 mmol, 1 Äq.) Chinuclidin in 3 mL trockenem n-Pentan wurde abgekühlt auf −50 °C. Bei dieser Temperatur wurden 1.43 mL (1 mmol, 1 Äq.) einer 0.7 M Lösung von iso-Propyllithium in Pentan zugegeben. Das Gemisch wurde anschließend bei −80 °C zur Kristallisation gelagert. Nach drei Tagen wurden farblose Kristalle der Ag- gregate 118 und 119 erhalten. Die Diskussion der mittel Einkristallröntgenstrukturanalyse erhaltenen Molekülstrukturen erfolgt in Kapitel 4.2.2. Experimentelles 179 Kristallisation von (tBuLi·Chinuclidin)2 (120) Eine Lösung von 0.111 g (1 mmol, 1 Äq.) Chinuclidin in 3 mL trockenem n-Pentan wurde abgekühlt auf −50 °C. Bei dieser Temperatur wurden 0.53 mL (1 mmol, 1 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan zugegeben. Das Gemisch wurde auf −30 °C erwärmt und anschließend bei −80 °C zur Kristallisation gelagert. Nach drei Tagen wurden farblose Kristalle des Aggregats 120 erhalten. Die Diskussion der mittels Einkristallröntgenstruktur- analyse erhaltenen Molekülstruktur erfolgt in Kapitel 4.2.2. 6.2.2.2 Studien zur Reaktivität der Chinuclidin-stabilisierten Aggregate Deprotonierung von Toluol durch tBuLi/Chinuclidin und Kristallisation Eine Lösung von 0.111 g (1 mmol, 1 Äq.) Chinuclidin und 0.11 mL (1 mmol, 1 Äq.) Toluol in 3 mL trockenem n-Pentan wurde abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Temperatur wurden 0.58 mL (1.1 mmol, 1.1 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan zugegeben. Das Gemisch wurde auf RT erwärmt und für 2 h gerührt. Es wurde anschließend bei −80 °C zur Kristallisation gelagert. Nach einer Woche wurden Kristalle des Aggregats 123 erhalten. Die Diskussion der mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse ermittelten Molekülstruktur erfolgt in Kapitel 4.2.3.1. 180 Experimentelles Deprotonierung von Benzol durch iPrLi/Chinuclidin und Kristallisation Eine Lösung von 0.111 g (1 mmol, 1 Äq.) Chinuclidin und 0.09 mL (1 mmol, 1 Äq.) Benzol in 3 mL trockenem n-Pentan wurde abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Temperatur wurden 1.57 mL (1.1 mmol, 1.1 Äq.) einer 0.7 M Lösung von iso-Propyllithium in Pentan zugege- ben. Das Gemisch wurde auf RT erwärmt und für 2 h gerührt. Es wurde anschließend bei −80 °C zur Kristallisation gelagert. Nach einer Woche wurden Kristalle des Aggregats 124 erhalten. Die Diskussion der mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse ermittelten Mole- külstruktur erfolgt in Kapitel 4.2.3.1. Deprotonierung von Benzol über Nacht mit anschließender Abfangreaktion Lösungen von 0.111 g (1 mmol, 1 Äq.) Chinuclidin und 0.09 mL (1 mmol, 1 Äq.) Benzol in 3 mL trockenem n-Pentan wurden abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Temperatur wurden 0.52 mL (1 mmol, 1 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan bzw. 1.43 mL (1 mmol, 1 Äq.) einer 0.7 M Lösung von iso-Propyllithium in Pentan zugegeben. Die Ge- mische wurden auf RT erwärmt und für 16 h gerührt. Nach erneutem Abkühlen auf −30 °C wurden jeweils 0.199 g (1 mmol, 1 Äq.) Trimethylzinnchlorid zugegeben. Die Gemische wurden unter Rühren auf RT erwärmt. Nach 1 h wurden jeweils 5 mL einer 2 M wässrigen NaOH-Lösung zugegeben und die organischen Phasen mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode A, tR = 4.99 min; m/z (%): 134 (26) [M+], 119 (100) [(M−Me)+], 91 (68) [C7H7+], 77 (13) [(M− tBu)+]. Experimentelles 181 Methode A, tR = 6.35 min; m/z (%): 242 (1) [M+], 227 (100) [(M−Me)+], 197 (42) [(M−3 Me)+], 135 (10) [SnMe+], 120 (15) [Sn+]. Methode A, tR = 7.41 min; m/z (%): 353 (2) [M+], 269 (8) [(M−tBu−2 Me)+], 190 (67) [(M−SnMe3)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (47) [SnMe+]. Deprotonierung von Toluol über Nacht mit anschließender Abfangreaktion Lösungen von 0.111 g (1 mmol, 1 Äq.) Chinuclidin und 0.11 mL (1 mmol, 1 Äq.) Toluol in 3 mL trockenem n-Pentan wurden abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Temperatur wurden 0.52 mL (1 mmol, 1 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan bzw. 1.43 mL (1 mmol, 1 Äq.) einer 0.7 M Lösung von iso-Propyllithium in Pentan zugegeben. Die Ge- mische wurden auf RT erwärmt und für 16 h gerührt. Nach erneutem Abkühlen auf −30 °C wurden jeweils 0.199 g (1 mmol, 1 Äq.) Trimethylzinnchlorid zugegeben. Die Gemische wurden unter Rühren auf RT erwärmt. Nach 1 h wurden jeweils 5 mL einer 2 M wässrigen NaOH-Lösung zugegeben und die organischen Phasen mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS (A) Methode A, tR = 7.28 min; m/z (%): 256 (14) [M+], 241 (18) [(M−Me)+], 211 (10) [(M−3 Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (26) [SnMe+], 91 (90) [C7H7+], 65 (16) [C5H5+]. Methode A, tR = 10.10 min; m/z (%): 420 (3) [M+], 403 (5) [(M−Me)+], 240 (100) [(M−SnMe3−Me)+], 225 (77) [(M−SnMe3−2 Me)+], 165 (99) [SnMe3+], 135 (20) [SnMe+]. 182 Experimentelles Deprotonierung von Toluol unter Erhitzen mit anschließender Abfangreaktion Lösungen von 0.111 g (1 mmol, 1 Äq.) Chinuclidin und 0.11 mL (1 mmol, 1 Äq.) Toluol in 10 mL trockenem n-Heptan wurden abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Temperatur wurden 0.55 mL (1 mmol, 1 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan bzw. 1.5 mL (1 mmol, 1 Äq.) einer 0.7 M Lösung von iso-Propyllithium in Pentan zugegeben. Nach dem Auftauen auf RT wurden die Gemische für 2 h zum Rückfluss erhitzt. Nach erneutem Ab- kühlen auf −30 °C wurden jeweils 0.199 g (1 mmol, 1 Äq.) Trimethylzinnchlorid zugegeben und für 1 h bei RT gerührt. Nach der Zugabe von jeweils 10 mL einer 2 M wässrigen Lösung von NaOH wurden die Phasen getrennt und die wässrigen Phasen mit je 3x 20 mL Diethylether extrahiert. Die jeweils vereinigten organischen Phasen wurden über Na2SO4 getrocknet und die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt. Die so erhaltenen Rohproduktgemische wurden mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS (A) Methode A, tR = 10.10 min; m/z (%): 418 (3) [M+], 403 (3) [(M−Me)+], 240 (83) [(M−SnMe3−Me)+], 225 (66) [(M−SnMe3−2 Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (22) [SnMe+]. Methode A, tR = 11.61 min; m/z (%): 402 (24) [(M−SnMe3−Me)+], 387 (13) [(M−SnMe3−2 Me)+], 253 (20) [(M−2 SnMe3)+], 223 (71) [(M−2 SnMe3−2 Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (23) [SnMe+]. Experimentelles 183 Deprotonierung von Benzol unter Erhitzen mit anschließender Abfangreaktion Lösungen von 0.222 g (2 mmol, 2 Äq.) Chinuclidin und 0.09 mL (1 mmol, 1 Äq.) Benzol in 10 mL trockenem n-Heptan wurden abgekühlt auf 0 °C. Bei dieser Temperatur wurden 1.1 mL (2 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan bzw. 2.9 mL (2 mmol, 2 Äq.) einer 0.7 M Lösung von iso-Propyllithium in Pentan zugegeben. Nach dem Auftauen auf RT wurden die Gemische für 6 h zum Rückfluss erhitzt. Anschließend wurden die Lösungen auf -50 °C abgekühlt und jeweils 0.399 g (2 mmol, 2 Äq.) Trimethylzinnchlorid zugegeben. Nach dem Auftauen auf RT und Rühren für 1 h wurden jeweils 10 mL einer 1 M wässrigen HCl-Lösung und 10 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl-Lösung zugegeben. Die Phasen wurden jeweils getrennt und die wässrigen Phasen mit je 3x 10 mL Diethylether extrahiert. Die jeweils vereinigten organischen Phasen wurden über Na2SO4 getrocknet und die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt. Die so erhaltenen Rohproduktgemische wurden mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode A, tR = 5.02 min; m/z (%): 134 (26) [M+], 119 (100) [(M−Me)+], 91 (65) [C7H7+], 77 (12) [(M− tBu)+]. Methode A, tR = 6.39 min; m/z (%): 242 (1) [M+], 227 (100) [(M−Me)+], 197 (40) [(M−3 Me)+], 135 (10) [SnMe+], 120 (15) [Sn+], 77 (3) [C6H5+]. Methode A, tR = 8.23 min; m/z (%): 283 (100) [(M−Me)+], 253 (22) [(M−3 Me)+], 135 (12) [SnMe+], 120 (19) [Sn+], 91 (7) [C7H7+], 57 (4) [ tBu+]. Methode A, tR = 9.62 min; m/z (%): 389 (100) [(M−Me)+], 359 (17) [(M−3 Me)+], 329 (14) [(M−5 Me)+], 314 (7) [(M−6 Me)+], 135 (25) [SnMe+], 120 (14) [Sn+]. 184 Experimentelles Methode A, tR = 4.54 min; m/z (%): 120 (27) [M+], 105 (100) [(M−Me)+], 91 (6) [C7H7+], 77 (15) [C6H5+], 51 (10) [C4H4+]. Methode A, tR = 7.90 min; m/z (%): 269 (100) [(M−Me)+], 239 (27) [(M−3 Me)+], 165 (4) [SnMe3+], 135 (12) [SnMe+], 120 (13) [Sn+], 77 (5) [C6H5+]. 6.2.2.3 Einsatz der dimeren Basensysteme in der Mikrowelle Deprotonierung von Toluol in der Mikrowelle mit veränderlichen Anteilen an Chinuclidin Lösungen von 0.111 g (1 mmol, 1 Äq.) Chinuclidin bzw. 0.011 g (0.1 mmol, 0.1 Äq.) Chinuclidin und 0.10 mL (1 mmol, 1 Äq.) Toluol in 3.5 mL trockenem n-Heptan wurden mit 0.53 mL (1 mmol, 1 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan versetzt. Anschließend wurden die Gemische in der Mikrowelle erhitzt. Dabei wurde zunächst in der Aufheizphase eine Leistung von 300 W eingesetzt, bis die Zieltemperatur von 120 °C erreicht war. Diese Temperatur wurde anschließend unter variabler Leistung für 5 Minuten gehalten. Die Lösungen wurden abgekühlt auf −50 °C und jeweils 0.199 g (1 mmol, 1 Äq.) Trimethylzinnchlorid zugegeben. Die Gemische wurden für 1 h bei RT gerührt und die organischen Phasen nach Zugabe von 5 mL einer 2 M wässrigen HCl-Lösung mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode A, tR = 7.13 min; m/z (%): 256 (5) [M+], 241 (7) [(M−Me)+], 211 (5) [(M−3 Me)+], 165 (79) [SnMe3+], 135 (24) [SnMe+], 91 (100) [C7H7+], 65 (20) [C5H5+]. Experimentelles 185 Methode A, tR = 9.95 min; m/z (%): 418 (1) [M+], 403 (2) [(M−Me)+], 240 (74) [(M−SnMe3−Me)+], 225 (62) [(M−SnMe3−2 Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (22) [SnMe+]. Methode A, tR = 11.49 min; m/z (%): 402 (12) [(M−SnMe3−Me)+], 389 (5) [(M−SnMe3−2 Me)+], 253 (17) [(M−2 SnMe3)+], 223 (67) [(M−2 SnMe3−2 Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (23) [SnMe+]. Deprotonierung von Toluol in der Mikrowelle in Abwesenheit von Chinuclidin Eine Lösung von 0.10 mL (1 mmol, 1 Äq.) Toluol in 3.5 mL trockenem n-Heptan wurde mit 0.53 mL (1 mmol, 1 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan versetzt. Das Gemisch wurde anschließend in der Mikrowelle erhitzt. Dabei wurde zunächst eine Leistung von 300 W eingesetzt, bis die Zieltemperatur von 120 °C erreicht wurde. Danach wurde die Temperatur durch variable Leistung für 30 min gehalten. Nach dem Abkühlen auf −50 °C wurden 0.199 g (1 mmol, 1 Äq.) Trimethylzinnchlorid zugegeben. Das Gemisch wurde für 1 h bei RT gerührt und die organische Phase nach Zugabe von 5 mL einer 2 M wässrigen HCl-Lösung mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode A, tR = 5.81 min; m/z (%): 148 (27) [M+], 133 (100) [(M−Me)+], 105 (45) [(M−3 Me)+], 91 (18) [C7H7+], 77 (9) [C6H5+]. Methode A, tR = 7.13 min; m/z (%): 256 (5) [M+], 241 (7) [(M−Me)+], 211 (5) [(M−3 Me)+], 165 (77) [SnMe3+], 135 (24) [SnMe+], 91 (100) [C7H7+], 65 (22) [C5H5+]. 186 Experimentelles Methode A, tR = 8.93 min; m/z (%): 312 (5) [M+], 297 (6) [(M−Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 147 (59) [(M−SnMe3)+], 135 (18) [SnMe+], 117 (24) [Sn+], 91 (24) [C7H7+]. Versuchsreihe: Deprotonierung verschiedener Substrate in der Mikrowelle durch die dimeren Basensysteme von tert-Butyllithium und iso-Propyllithium mit Chinuclidin Eine Lösung des Substrats (1 mmol, 1 Äq.) und 0.222 g (2 mmol, 2 Äq.) Chinuclidin in 15 mL trockenem n-Heptan wird mit dem entsprechenden Lithiumalkyl (2 mmol, 2 Äq.) versetzt. Das Gemisch wird schließlich in der Mikrowelle gemäß der in Tabelle 6.1 angegebenen Reaktionszeiten erhitzt. Die Reaktionslösung wird anschließend auf −50 °C abgekühlt und 0.399 g (2 mmol, 2 Äq.) Trimethylzinnchlorid zugegeben. Nach dem Auftauen auf RT und Rühren für eine Stunde werden 5 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl-Lösung sowie 5 mL einer 2 M wässrigen HCl-Lösung zugegeben und die organische Phase mittels GC/EI-MS untersucht. Experimentelles 187 Tabelle 6.1: Zusammensetzungen der Reaktionsgemische der Versuchsreihe zur Deprotonierung in der Mikrowelle. GC/EI-MS 1a – 1f Methode A, tR = 5.01 min; m/z (%): 134 (27) [M+], 119 (100) [(M−Me)+], 91 (65) [C7H7+], 77 (12) [C6H5+]. Methode A, tR = 6.38 min; m/z (%): 242 (1) [M+], 227 (100) [(M−Me)+], 197 (39) [(M-3 Me)+], 135 (10) [SnMe+], 120 (16) [Sn+], 77 (3) [C6H5+]. Eintrag Substrat R−Li t [min] 1a 0.09 mL Benzol (121) 1.1 mL tBuLi 10 1b 0.09 mL Benzol (121) 1.1 mL tBuLi 30 1c 0.09 mL Benzol (121) 1.1 mL tBuLi 60 1d 0.09 mL Benzol (121) 2.9 mL iPrLi 10 1e 0.09 mL Benzol (121) 2.9 mL iPrLi 30 1f 0.09 mL Benzol (121) 2.9 mL iPrLi 60 2a 0.11 mL Toluol (122) 1.1 mL tBuLi 10 2b 0.11 mL Toluol (122) 1.1 mL tBuLi 30 2c 0.11 mL Toluol (122) 1.1 mL tBuLi 60 2d 0.11 mL Toluol (122) 2.9 mL iPrLi 10 2e 0.11 mL Toluol (122) 2.9 mL iPrLi 30 2f 0.11 mL Toluol (122) 2.9 mL iPrLi 60 3a 0.14 mL Tetramethylsilan (149) 1.1 mL tBuLi 10 3b 0.14 mL Tetramethylsilan (149) 1.1 mL tBuLi 30 3c 0.14 mL Tetramethylsilan (149) 1.1 mL tBuLi 60 3d 0.14 mL Tetramethylsilan (149) 2.9 mL iPrLi 10 3e 0.14 mL Tetramethylsilan (149) 2.9 mL iPrLi 30 3f 0.14 mL Tetramethylsilan (149) 2.9 mL iPrLi 60 4a 0.20 mL Hexamethyldisilan (150) 1.1 mL tBuLi 10 4b 0.20 mL Hexamethyldisilan (150) 1.1 mL tBuLi 30 4c 0.20 mL Hexamethyldisilan (150) 1.1 mL tBuLi 60 4d 0.20 mL Hexamethyldisilan (150) 2.9 mL iPrLi 10 4e 0.20 mL Hexamethyldisilan (150) 2.9 mL iPrLi 30 4f 0.20 mL Hexamethyldisilan (150) 2.9 mL iPrLi 60 188 Experimentelles Methode A, tR = 7.69 min; m/z (%): 367 (4) [(M−Me)+], 204 (31) [(M−SnMe4)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (36) [SnMe+], 120 (7) [Sn+]. Methode A, tR = 8.21 min; m/z (%): 283 (100) [(M−Me)+], 253 (21) [(M−3 Me)+], 135 (12) [SnMe+], 120 (19) [Sn+], 91 (7) [C7H7+], 57 (4) [ tBu+]. Methode A, tR = 9.62 min; m/z (%): 389 (100) [(M−Me)+], 359 (18) [(M−3 Me)+], 329 (13) [(M−5 Me)+], 314 (7) [(M−6 Me)+], 135 (31) [SnMe+], 120 (18) [Sn+]. Methode A, tR = 4.45 min; m/z (%): 120 (26) [M+], 105 (100) [(M−Me)+], 91 (6) [C7H7+], 77 (15) [C6H5+], 51 (9) [C4H4+]. Methode A, tR = 6.39 min; m/z (%): 242 (1) [M+], 227 (100) [(M−Me)+], 197 (37) [(M−3 Me)+], 135 (12) [SnMe+], 120 (18) [Sn+], 77 (4) [C6H5+]. Methode A, tR = 6.99 min; m/z (%): 368 (2) [M+], 353 (3) [(M−Me)+], 190 (66) [(M−SnMe4)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (50) [SnMe+], 120 (10) [Sn+]. Experimentelles 189 GC/EI-MS 2a – 2f Methode A, tR = 5.76 min; m/z (%): 148 (27) [M+], 133 (100) [(M−Me)+], 105 (46) [(M−3 Me)+], 91 (15) [C7H7+], 77 (7) [C6H5+]. Methode A, tR = 7.09 min; m/z (%): 256 (7) [M+], 241 (12) [(M−Me)+], 211 (8) [(M−3 Me)+], 165 (93) [SnMe3+], 135 (23) [SnMe+], 91 (100) [C7H7+], 65 (16) [C5H5+]. Methode A, tR = 7.69 min; m/z (%): 367 (5) [(M−Me)+], 204 (39) [(M−SnMe4)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (32) [SnMe+], 120 (6) [Sn+]. Methode A, tR = 9.91 min; m/z (%): 418 (2) [M+], 403 (3) [(M−Me)+], 240 (89) [(M−SnMe3−Me)+], 225 (71) [(M−SnMe3−2 Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (17) [SnMe+]. Methode A, tR = 11.44 min; m/z (%): 402 (19) [(M−SnMe3−Me)+], 389 (8) [(M−SnMe3−2 Me)+], 253 (19) [(M−2 SnMe3)+], 223 (73) [(M−2 SnMe3−2 Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (20) [SnMe+]. Methode A, tR = 12.29 min; m/z (%): 458 (11) [(M−SnMe4)+], 443 (11) [(M−SnMe4−Me)+], 295 (50) [(M−SnMe4−SnMe3)+], 279 (100) [(M−SnMe4−SnMe3−Me)+], 165 (91) [SnMe3+], 135 (26) [SnMe+], 57 (16) [tBu+] . 190 Experimentelles Methode A, tR = 12.91 min; m/z (%): 548 (2) [M+], 415 (7) [(M−9 Me)+], 385 (49) [(M−SnMe3)+], 207 (65) [(M−2 SnMe3)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (26) [SnMe+]. Methode A, tR = 5.25 min; m/z (%): 134 (28) [M+], 119 (100) [(M−Me)+], 91 (22) [C7H7+], 77 (7) [C6H5+]. Methode A, tR = 8.53 min; m/z (%): 298 (7) [M+], 283 (9) [(M−Me)+], 253 (10) [(M−iPr)+], 165 (100) [SnMe3+], 133 (85) [(M−SnMe3)+], 117 (22) [Sn+], 91 (18) [C7H7+]. GC/EI-MS 3a – 3f Methode A,tR = 4.22 min; m/z (%): 220 (5) [M+], 205 (11) [(M−Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 150 (17) [SnMe2+], 135 (50) [SnMe+], 120 (13) [Sn+], 55 (5) [(M−SnMe3)+]. Methode A, tR = 4.62 min; m/z (%): 237 (100) [(M−Me)+], 207 (5) [(M−3 Me)+], 164 (57) [SnMe3+], 135 (21) [SnMe+], 73 (54) [SiMe3+], 59 (11) [SiMe2+]. Methode A, tR = 7.69 min; m/z (%): 367 (5) [(M−Me)+], 204 (39) [(M−SnMe4)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (32) [SnMe+], 120 (6) [Sn+]. Experimentelles 191 Methode A,tR = 8.15 min; m/z (%): 399 (17) [(M−Me)+], 221 (47) [(M−SnMe3−2 Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (19) [SnMe+], 73 (67) [SiMe3+], 59 (9) [SiMe2+]. Methode A, tR = 10.50 min; m/z (%): 383 (90) [(M−SnMe3−2 Me)+], 327 (17) [(M−SnMe3−6 Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (30) [SnMe+], 73 (54) [SiMe3+], 59 (8) [SiMe2+]. Methode A, tR = 12.02 min; m/z (%): 545 (4) [(M−SnMe3−2 Me)+], 383 (35) [(M−2 SnMe3−2 Me)+], 369 (10) [M2+], 327 (18) [(M−2 SnMe4−4 Me)+], 207 (100) [(M−3 SnMe4)+], 165 (65) [SnMe3+], 135 (19) [SnMe+], 73 (23) [SiMe3+]. Methode A, tR = 7.39 min; m/z (%): 370 (1) [M+], 353 (2) [(M−Me)+], 190 (68) [(M−SnMe4)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (44) [SnMe+], 120 (10) [Sn+]. GC/EI-MS 4a – 4f Methode A, tR = 4.22 min; m/z (%): 220 (5) [M+], 205 (11) [(M−Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 150 (17) [SnMe2+], 135 (52) [SnMe+], 120 (14) [Sn+], 55 (6) [(M−SnMe3)+]. 192 Experimentelles Methode A, tR = 6.66 min; m/z (%): 295 (4) [(M−Me)+], 237 (27) [(M−SiMe3)+], 207 (14) [(M−SiMe3−2 Me)+], 165 (17) [SnMe3+], 145 (62) [(M−SnMe3)+], 73 (100) [SiMe3+], 59 (8) [SiMe2+]. Methode A, tR = 9.55 min; m/z (%): 399 (9) [(M−SiMe3)+], 221 (40) [(M−SiMe3−SnMe4)+], 165 (75) [SnMe3+], 135 (28) [SnMe+], 73 (100) [SiMe3+], 59 (9) [SiMe2+]. Methode A, tR = 9.76 min; m/z (%): 309 (11) [(M−SnMe3)+], 237 (70) [M2+], 207 (36) [(M−SnMe3−SiMe3−2 Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (44) [SnMe+], 73 (80) [SiMe3]. Methode A, tR = 11.86 min; m/z (%): 399 (8) [(M− SnMe3CH2SiMe2)+], 293 (18) [(M−SnMe3CH2SiMe2−7 Me)+], 221 (33) [Me2SiCH2SnMe2+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (18) [SnMe+], 73 (53) [SiMe3+]. Experimentelles 193 6.2.3 Einfluss der Größe des Aggregats auf die Reaktivität von (Trimethylsilyl)methyllithium 6.2.3.1 Kristallisation von Me3SiCH2Li·(R,R)-TMCDA (168) Eine Lösung von 0.170 g (1 mmol, 1 Äq.) (R,R)-TMCDA in 3 mL trockenem n-Pentan wurde auf −30 °C abgekühlt. Nach der Zugabe von 1 mL (1 mmol, 1 Äq.) einer 1 M Lösung von Me3SiCH2Li in Pentan wurde das Gemisch bei −80 °C zur Kristallisation gelagert. Nach einer Woche wurden farblose Nadeln der Verbindung 168 erhalten, welche für die Einkristallröntgenstrukturanalyse geeignet waren. Die Diskussion der erhaltenen Molekülstruktur im Kristall erfolgt in Kapitel 4.4.1. 1H NMR (400.25 MHz, C6D6): δ = −1.54 (s, 2H, SiCH2), 0.44 [s, 12H; CH2Si(CH3)3], 0.58 – 0.70 [m, 4H; (CH3)2NCHCH2CH2], 1.33 – 1.43 [m, 4H; (CH3)2NCHCH2CH2], 1.79 – 1.81 [m, 2H; (CH3)2NCHCH2CH2], 1.93 [s, 12H; (CH3)2N] ppm. {1H}13C NMR (100.64 MHz, C6D6): δ = −5.7 [1C; (CH3)SiCH2], 6.6 [3C; (CH3)SiCH2], 22.0 [2C; (CH3)2NCHCH2CH2], 25.3 [2C; (CH3)2NCHCH2CH2], 40.5 [4C; (CH3)2N], 64.2 [2C; (CH3)2NCHCH2CH2] ppm. 7Li NMR (155.55 MHz, C6D6): δ = 2.8 [1Li; (CH3)SiCH2Li] ppm. {1H}29Si NMR (79.52 MHz, C6D6): δ = −3.6 [1 Si; (CH3)SiCH2Li] ppm. 6.2.3.2 Kristallisation von (Me3SiCH2Li)2· n Chinuclidin (170: n=2, 171: n=3) Eine Lösung von 0.111 g (1 mmol, 1 Äq.) Chinuclidin in 3 mL trockenem n-Pentan wurde auf −50 °C abgekühlt. Bei dieser Temperatur wurde 1 mL (1 mmol, 1 Äq.) einer 1 M Lösung von Me3SiCH2Li in Pentan zugegeben. Nach dem Aufwärmen auf −20 °C begann die Kris- tallisation. Die Lösung wurde bei −80 °C gelagert. Nach zwei Wochen wurden rautenför- 194 Experimentelles mige farblose Plättchen der Verbindung 170 und hexagonale farblose Plättchen der Ver- bindung 171 erhalten, welche für die Einkristallröntgenstrukturanalyse geeignet waren. Die Diskussion der erhaltenen Molekülstrukturen im Kristall erfolgt in Kapitel 4.4.2. 1H NMR (400.25 MHz, C6D6): δ = −1.87 (s, 2H; SiCH2), 0.35 [s, 9H; CH2Si(CH3)3], 1.12 – 1.17 (m, 6H; NCH2CH2CH), 1.35 – 1.38 (m, 1H; NCH2CH2CH), 2.69 – 2.73 (m, 6H; NCH2CH2CH) ppm. {1H}13C NMR (100.64 MHz, C6D6): δ = −5.8 (1C; SiCH2), 5.5 [3C; CH2Si(CH3)3], 20.9 (1C; NCH2CH2CH), 26.3 (3C; NCH2CH2CH), 48.0 (3C; NCH2CH2CH) ppm. 7Li NMR (155.55 MHz, C6D6): δ = 2.7 [1Li; (CH3)3SiCH2Li] ppm. {1H}29Si NMR (79.52 MHz, C6D6): δ = −1.22 [1Si; (CH3)3SiCH2Li] ppm. 6.2.3.3 Deprotonierung verschiedener Substrate durch Me3SiCH2Li· (R,R)-TMCDA (168) Lösungen von 0.170 g (1 mmol, 1 Äq.) (R,R)-TMCDA (4) und 1 mmol des Substrats [0.170 g (N,N)-Dimethylbenzylamin (169), 0.08 mL Benzol, 0.10 mL Toluol] in 5 mL trocke- nem n-Pentan wurden abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Temperatur wurden jeweils 1.0 mL (1 mmol, 1 eq.) einer 1.0 M Lösung von Me3SiCH2Li in Pentan zugegeben. Die Reaktions- gemische wurden bis RT erwärmt und für 1 h gerührt. Nach erneutem Abkühlen auf −30 °C wurden 0.13 mL (1 mmol, 1 Äq.) Me3SiCl zugegeben und die Gemische unter Rühren auf RT erwärmt. Nach 1 h wurden 5 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl-Lösung zugegeben. Die Phasen wurden getrennt und die organischen Phasen mittels GC/EI-MS untersucht. Es konnten dabei keine Abfangprodukte der jeweiligen Deprotonierungsreaktionen beobachtet werden. 6.2.3.4 Deprotonierung von N,N-Dimethylbenzylamin (169) Eine Lösung von 0.83 g (7.5 mmol, 1.5 Äq.) Chinuclidin und 0.75 mL (5 mmol, 1 Äq.) N,N-Dimethylbenzylamin in 40 mL trockenem n-Heptan wurde auf 0 °C abgekühlt und 7.5 mL (7.5 mmol, 1.5 Äq.) einer 1 M Lösung von Me3SiCH2Li in Pentan zugegeben. Nach dem Auftauen auf RT wurde die Lösung für 1 h gerührt und anschließend für 4 h zum Rückfluss erhitzt. Nach erneutem Abkühlen auf −50 °C wurden 0.65 mL (5 mmol, 1 Äq.) Me3SiCl zugegeben. Die Lösung wurde auf RT aufgetaut und über Nacht gerührt. Die Reaktion wurde durch die Zugabe von 40 mL einer 2 M wässrigen HCl-Lösung beendet und die Phasen getrennt. Die wässrige Phase wurde durch die Zugabe von Eis gekühlt und durch die Zugabe von KOH auf einen pH von 14 gebracht. Anschließend wurde mit 3x Experimentelles 195 40 mL Et2O extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden über Na2SO4 getrock- net und die flüchtigen Bestandteile unter vermindertem Druck entfernt. Der Rückstand wurde mittels Kugelrohrdestillation bei 40 °C und 9.8·10−1 mbar aufgereinigt und 3-Trime- thylsilyl-N,N-dimethylbenzylamin (172) als gelbliches Öl (0.85 g, 4.1 mmol, 82%) erhalten. Die spektroskopischen Daten entsprachen den bereits veröffentlichten Daten.[90] 6.2.4 Aufbau siliciumbasierter Ringsysteme durch Mehrfachlithiierung von Silanen 6.2.4.1 Testreaktionen zur Mehrfachdeprotonierung der siliciumbasierten Ausgangsver- bindungen Testreaktion: Mehrfachmetallierung von Tetramethylsilan (149) Eine Lösung von 0.222 g (2 mmol, 2 Äq.) Chinuclidin und 0.14 mL (1 mmol, 1 Äq.) Tetra- methylsilan in 10 mL trockenem n-Heptan wurde abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Tempe- ratur wurden 1.1 mL (2 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan zugegeben. Das Gemisch wurde auf RT erwärmt und anschließend für 1.5 h zum Rückfluss erhitzt. Nach Abkühlen auf −50 °C wurden 0.399 g (2 mmol, 2 Äq.) Trimethylzinnchlorid zu- gegeben. Die Reaktionslösung wurde unter Rühren auf RT erwärmt und nach 1 h 10 mL einer 2 M wässrigen NaOH-Lösung zugegeben. Die Phasen wurden getrennt und die wäss- rige Phase mit 3x 20 mL Diethylether extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wur- den über Na2SO4 getrocknet und die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt. Das so erhaltene Rohproduktgemisch wurde mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode A, tR = 4.77 min; m/z (%): 237 (100) [(M−Me)+], 207 (6) [(M−3 Me)+], 165 (56) [SnMe3+], 135 (22) [SnMe+], 73 (49) [SiMe3+], 59 (10) [SiMe2+]. 196 Experimentelles Methode A, tR = 8.32 min; m/z (%): 399 (40) [(M−Me)+], 221 (54) [(M−SnMe3−2 Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (20) [SnMe+], 73 (54) [SiMe3+], 59 (6) [SiMe2+]. Methode A, tR = 10.67 min; m/z (%): 383 (100) [(M−SnMe3−2 Me)+], 327 (17) [(M−SnMe3−6 Me)+], 165 (59) [SnMe3+], 135 (17) [SnMe+], 73 (26) [SiMe3+], 59 (3) [SiMe2+]. Methode A, tR = 12.19 min; m/z (%): 545 (16) [(M−SnMe3−2 Me)+], 383 (37) [(M−2 SnMe3−2 Me)+], 369 (22) [M2+], 327 (37) [(M−2 SnMe4−4 Me)+], 207 (23) [(M−3 SnMe4)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (24) [SnMe+], 73 (24) [SiMe3+]. Testreaktion: Mehrfachlithiierung von Hexamethyldisilan (150) Eine Lösung von 0.222 g (2 mmol, 2 Äq.) Chinuclidin und 0.20 mL (1 mmol, 1 Äq.) Hexa- methyldisilan in 10 mL trockenem n-Heptan wurde abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Tem- peratur wurden 1.1 mL (2 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan zugegeben. Das Gemisch wurde auf RT erwärmt und anschließend für 1.5 h zum Rückfluss erhitzt. Nach Abkühlen auf −50 °C wurden 0.399 g (2 mmol, 2 Äq.) Trimethylzinnchlorid zu- gegeben. Die Reaktionslösung wurde unter Rühren auf RT erwärmt und nach 1 h 10 mL Experimentelles 197 einer 2 M wässrigen NaOH-Lösung zugegeben. Die Phasen wurden getrennt und die wäss- rige Phase mit 3x 20 mL Diethylether extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wur- den über Na2SO4 getrocknet und die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt. Das so erhaltene Rohproduktgemisch wurde mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode A, tR = 6.83 min; m/z (%): 310 (1) [M+], 295 (6) [(M−Me)+], 237 (31) [(M−SiMe3)+], 207 (15) [(M−SiMe3−2 Me)+], 165 (19) [SnMe3+], 145 (64) [(M−SnMe3)+], 73 (100) [SiMe3+], 59 (8) [SiMe2+]. Methode A, tR = 9.71 min; m/z (%): 399 (17) [(M−SiMe3)+], 221 (46) [(M−SiMe3−SnMe4)+], 165 (80) [SnMe3+], 135 (30) [SnMe+], 73 (100) [SiMe3+], 59 (9) [SiMe2+]. Methode A, tR = 9.92 min; m/z (%): 472 [M+], 309 (16) [(M−SnMe3)+], 237 (77) [M2+], 207 (37) [(M−SnMe3−SiMe3−2 Me)+], 165 (100) [SnMe3+], 135 (42) [SnMe+], 73 (69) [SiMe3]. 6.2.4.2 Synthese fünfgliedriger Ringsysteme durch zweifache Metallierung von Hexame- thyldisilan (150) Eine Lösung von 0.222 g (2 mmol, 2 Äq.) Chinuclidin und 0.20 mL (1 mmol, 1 Äq.) Hexamethyldisilan in 10 mL trockenem n-Hexan wurde abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Temperatur wurden 1.1 mL (2 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium zugegeben. Nach dem Auftauen auf RT wurde das Gemisch für 3 h zum Rückfluss erhitzt. Nach erneutem Abkühlen auf -30 °C wurde das Elektrophil (1 mmol, 1 Äq.) zugegeben. Die Lösung wurde auf RT erwärmt und für 1 h gerührt. Nach der Zugabe von 10 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl-Lösung wurden die Phasen getrennt und die wässrige Phase mit 3x 15 mL Diethylether extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden über 198 Experimentelles Na2SO4 getrocknet und die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt. Die so erhaltenen Rohproduktgemische wurden mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS R2SiCl2 Methode A, tR = 5.72 min; m/z (%): 202 (25) [M+], 187 (100) [(M−Me)+], 129 (19) [Me2SiSiMe3+], 113 (12) [C2H4Si3+], 73 (26) [SiMe3+], 59 (17) [SiMe2+]. Methode A, tR = 7.21 min; m/z (%): 261 (100) [(M−Me−SiMe3)+], 203 (18) [(M−Me3SiSiMe3)+], 147 (16) [Me3SiSiMe3+], 73 (28) [SiMe3+]. Methode A, tR = 7.20 min; m/z (%): 230 (25) [M+], 201 (38) [(M−Et)+], 173 (100) [(M−2 Et)+], 73 (17) [SiMe3+], 59 (14) [SiMe2+]. Methode A, tR = 8.25 min; m/z (%): 306 (1) [M+], 277 (100) [(M−Et)+], 249 (42) [(M−2 Et)+], 221 (35) [(M−3 Et)+], 193 (15) [(M−4 Et)+], 73 (5) [SiMe3+]. Methode A, tR = 9.26 min; m/z (%). 286 (19) [M+], 229 (21) [(M−Bu)+], 187 (17) [(M−Bu−Et)+], 73 (14) [SiMe3+], 59 (10) [SiMe2+]. Methode A, tR = 12.14 min; m/z (%): 327 (12) [M+], 309 (89) [(M−Me)+], 253 (62) [(M−SiMe3)+], 233 (100) [(M−Ph-Me)+], 105 (34) [SiPh+], 73 (21) [SiMe3+]. Experimentelles 199 Methode A, tR = 11.82 min; m/z (%): 334 (2) [M+], 327 (20) [(M−OH)+], 273 (5) [(M−SiMe3)+], 255 (90) [(M−SiMe3−OH)+], 177 (100) [(M−SiMe3−OH−Ph)+], 73 (25) [SiMe3+]. GC/EI-MS R2GeCl2 Methode B, tR = 3.91 min; m/z (%): 276 (18) [M+], 247 (69) [(M−Et)+], 219 (100) [(M−2 Et)+], 131 (49) [Si2Me5+], 73 (50) [SiMe3+], 59 (42) [SiMe2+]. Methode B, tR = 6.36 min; m/z (%): 481 (21) [(M−OH)+], 335 (13) [(M−OH−Et2GeMe)+], 147 (100) [Me3SiSiMe3+], 73 (87) [SiMe3+]. Methode A, tR = 9.43 min; m/z (%): 332 (9) [M+], 275 (24) [(M−Bu)+], 219 (100) [(M−2 Bu)+], 131 (35) [Si2Me5+], 73 (43) [SiMe3+], 59 [SiMe2+]. Methode A, tR = 13.23 min; m/z (%): 549 (100) [M+], 495 (50) [(M−Bu)+], 439 (62) [(M−2 Bu)+], 383 (40) [(M−3 Bu)+], 325 (39) [(M−4 Bu)+], 131 (35) [Si2Me5+], 57 (68) [Bu+]. 200 Experimentelles Methode B, tR = 6.49 min; m/z (%): 372 (19) [M+], 357 (66) [(M−Me)+], 295 (13) [(M−Ph)+], 223 (16) [(M−2 Ph)+], 135 (100) [GeCH2SiMe2+], 73 (16) [SiMe3+]. GC/EI-MS R2SnCl2 Methode A, tR = 6.73 min; m/z (%): 294 (10) [M+], 279 (37) [(M−Me)+], 135 (100) [SnMe2+], 73 (97) [SiMe3+], 59 (27) [SiMe2+]. Methode A, tR = 7.84 min; m/z (%): 290 (11) [M+], 217 (41) [(M−SiMe3)+], 189 (19) [(M−SiMe3−2 Me)+], 131 (55) [Me3SiSiMe2+], 73 (100) [SiMe3+]. Methode B, tR = 4.24 min; m/z (%): 322 (16) [M+], 293 (71) [(M−Et)+], 265 (24) [(M−2 Et)+], 149 (75) [SnMe2+], 135 (100) [SnMe+], 73 (85) [SiMe3+]. Methode B, tB = 5.75 min; m/z (%): 439 (10) [(M−Et)+], 281 (16) [Me3SiSiMe2CH2SnMe+], 145 (22) [Me3SiSiMe3+], 73 (100 [SiMe3+]. Methode B, tR = 5.20 min; m/z (%): 378 (8) [M+], 321 (52) [(M−Bu)+], 265 (64) [(M−2 Bu)+], 135 (74) [SnMe+], 73 (100) [SiMe3+]. Experimentelles 201 Methode B, tR = 6.30 min; m/z (%): 467 (10) [(M−4 Bu−2 Me)+], 281 (30) [(M−Bu−OH−3 Me−SnBu3)+], 131 (31) [Si2Me5+], 73 (100) [SiMe3+]. Methode B, tR = 6.77 min; m/z (%): 418 (4) [M+], 269 (100) [Me2SiCH2SnPh+], 197 (54) [SnPh+], 135 (53) [SnMe+], 73 (9) [SiMe3+]. Methode B, tR = 8.38 min; m/z (%): 491 (32) [(M- SiMe3)+], 418 (3) [(M−2 SiMe3)+], 197 (54) [SnPh+], 135 (100) [SnMe+], 73 (86) [SiMe3+]. Optimierung: Ringschluss von dilithiiertem Hexamethyldisilan mit Elektrophilzugabe bei erniedrigter Temperatur Eine Lösung von 0.222 g (2 mmol, 2 Äq.) Chinuclidin und 0.20 mL (1 mmol, 1 Äq.) Hexamethyldisilan in 20 mL trockenem n-Hexan wurde abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Temperatur wurden 1.1 mL (2 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan zugegeben. Nach dem Auftauen auf RT wurde das Gemisch für 3 h zum Rückfluss erhitzt. Die Lösung wurde anschließend auf −80 °C abgekühlt und 0.344 g (1 mmol, 1 Äq.) Ph2SnCl2 zugegeben. Das Gemisch wurde auf RT erwärmt und für 1 h gerührt. Nach der Zugabe von 10 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl-Lösung wurden die Phasen getrennt und die wässrige Phase mit 3x 15 mL Diethylether extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden über Na2SO4 getrocknet und die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt. Das so erhaltene Rohprodukt wurde mittels GC/EI-MS untersucht. 202 Experimentelles GC/EI-MS Methode B, tR = 6.82 min; m/z (%): 418 (4) [M+], 269 (100) [Me2SiCH2SnPh+], 197 (52) [SnPh+], 135 (52) [SnMe+], 73 (11) [SiMe3+]. Methode B, tR = 8.40 min; m/z (%): 491 (28) [(M−SiMe3)+], 418 (3) [(M−2 SiMe3)+], 197 (39) [SnPh+], 135 (95) [SnMe+], 73 (100) [SiMe3+]. Optimierung: Ringschlussreaktion unter verlängerter Reaktionszeit und höherer Verdün- nung Lösungen von 1.11 g (10 mmol, 2 Äq.) Chinuclidin und 1.0 mL (5 mmol, 1 Äq.) Hexamethyl- disilan in 100 mL trockenem n-Hexan wurden abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Temperatur wurden jeweils 5.5 mL (10 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan zugegeben. Nach dem Auftauen auf RT wurden die Gemische für 24 h zum Rückfluss erhitzt. Nach erneutem Abkühlen auf −60 °C wurden jeweils 5 mmol (1 Äq.) des Elektrophils (1.24 g Et2SnCl2 bzw. 1.52 g Bu2SnCl2) zugegeben. Die Lösungen wurden auf RT erwärmt und für 1 h gerührt. Nach der Zugabe von 30 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl-Lösung wurden die Phasen jeweils getrennt und die wässrigen Phasen mit je 3x 50 mL Diethylether extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden über Na2SO4 getrocknet und die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt. Die so erhaltenen Rohprodukte wurden mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode B, tR = 4.21 min; m/z (%): 322 (11) [M+], 293 (48) [(M−Et)+], 265 (19) [(M−2 Et)+], 149 (70) [SnMe2+], 135 (93) [SnMe+], 73 (100) [SiMe3+]. Experimentelles 203 Methode B, tR = 5.16 min; m/z (%): 378 (15) [M+], 321 (88) [(M−Bu)+], 265 (100) [(M−2 Bu)+], 135 (82) [SnMe+], 73 (91) [SiMe3+]. Synthese von Octamethyl-1,2,4,5-tetrasilinan (194) Eine Lösung 0.444 g (4 mmol, 2 Äq.) Chinuclidin und 0.41 mL (2 mmol, 1 Äq.) Hexamethyl- disilan in 20 mL trockenem n-Heptan wurde abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Temperatur wurden 2.1 mL (4 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan zugege- ben. Nach dem Auftauen auf RT wurde das Gemisch für 6 h zum Rückfluss erhitzt. Nach erneutem Abkühlen auf −50 °C wurden 0.37 mL (2 mmol, 1 Äq.) 1,2-Dichlortetramethylsilan zugegeben und das Gemisch für 1 h bei RT gerührt. Nach der Zugabe von 10 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl-Lösung wurden die Phasen getrennt und die wässrige Phase mit 3x 20 mL Diethylether extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden über Na2SO4 getrocknet und die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt. Das so erhaltene Rohprodukt wurde mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode A, tR = 7.46 min; m/z (%): 260 (39) [M+], 245 (22) [(M−Me)+], 187 (100) [(M-5 Me)+], 171 (29) [(M−6 Me)+], 115 (31) [Me2SiCH2SiMe+], 73 (100) [SiMe3+], 59 (23) [SiMe2+]. Methode A, tR = 8.07 min; m/z (%): 263 (1) [(M−Me)+], 247 (8) [(M−2 Me)+], 205 (79) [(M−SiMe3)+], 189 (97) [(M−SiMe3−Me)+], 73 (100) [SiMe3+], 59 (13) [SiMe2+]. 204 Experimentelles 6.2.4.3 Synthese viergliedriger Ringsysteme durch Metallierung von Tetramethylsilan (149) Testreaktion: Ringschluss von Tetramethylsilan durch Bu2SnCl2 Eine Lösung von 1.11 g (10 mmol, 2 Äq.) Chinuclidin und 0.68 mL (5 mmol, 1 Äq.) Tetramethylsilan in 25 mL trockenem n-Heptan wurde abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Temperatur wurden 5.3 mL (10 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan zugegeben. Nach dem Auftauen auf RT wurde das Gemisch für 6 h zum Rückfluss erhitzt. Nach erneutem Abkühlen auf −60 °C wurden 1.52 g (5 mmol, 1 Äq.) Bu2SnCl2 gelöst in 5 mL trockenem n-Heptan zugegeben und das Gemisch unter Rühren auf RT erwärmt. Nach 1 h wurden 10 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl-Lösung und 5 mL einer 1 M wässrigen HCl-Lösung zugegeben und die Phasen getrennt. Die wässrige Phase wurde mit 3x 20 mL Diethylether extrahiert und die vereinigten organischen Phasen über Na2SO4 getrocknet. Nach Entfernen der flüchtigen Bestandteile im Vakuum wurde das Rohprodukt mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode B, tR = 5.14 min; m/z (%): 351 (22) [(M−Bu)+], 293 (4) [(M−2 Bu)+], 207 (100) [Me3SiCH2Sn+], 165 (31) [SnMe3+], 151 (40) [SnMe2+], 135 (23) [SnMe+], 73 (67) [SiMe3+], 59 (13) [SnMe2+]. 6.2.4.4 Synthese viergliedriger Ringsysteme durch Metallierung von Dimethyldiphenyl- silan Synthese von Dimethyldiphenylsilan Eine Lösung von 2.1 mL (10 mmol, 1 Äq.) Methyldiphenylchlorsilan in 15 mL trockenem n-Pentan wurde abgekühlt auf −50 °C. Bei dieser Temperatur wurden 6.3 mL (10 mmol, 1 Äq.) einer 1.6 M Lösung von Methyllithium in Diethylether zugegeben. Das Gemisch wurde unter Rühren auf RT erwärmt. Nach 1 h wurden 10 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl-Lösung zugegeben und die Phasen getrennt. Die wässrige Phase wurde mit 3x 20 mL Diethylether extrahiert und die vereinigten organischen Phasen über Na2SO4 Experimentelles 205 getrocknet und die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt. Es wurden 1.89 g (9 mmol, 89%) Dimethyldiphenylsilan als farblose Flüssigkeit erhalten. GC/EI-MS Methode A, tR = 9.14 min; m/z (%): 212 (56) [M+], 197 (100) [(M−Me)+], 135 (15) [(M−Ph)+], 105 (25) [SiPh+]. Testreaktion: Ringschluss von Dimethyldiphenylsilan durch Ph2SiCl2 Eine Lösung von 0.222 g (2 mmol, 2 Äq.) Chinuclidin und 0.212 g (1 mmol, 1 Äq.) Dimethyldiphenylsilan in 15 mL trockenem n-Heptan wurde abgekühlt auf 0 °C. Bei dieser Temperatur wurden 1.1 mL (2 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan zugegeben und das Gemisch unter Rühren auf RT erwärmt. Anschließend wurde es für 3 h zum Rückfluss erhitzt. Nach erneutem Abkühlen auf −50 °C wurden 0.21 mL (1 mmol, 1 Äq.) Ph2SiCl2 zugegeben und das Gemisch unter Rühren auf RT erwärmt. Nach 1 h wurden 10 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl-Lösung und 5 mL einer 1 M wässrigen HCl-Lösung zugegeben und die Phasen getrennt. Die wässrige Phase wurde mit 3x 20 mL Diethylether extrahiert und die vereinigten organischen Phasen über Na2SO4 getrocknet. Die flüchtigen Bestandteile wurden im Vakuum entfernt und das so erhaltene Rohprodukt mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode B, tR = 5.42 min; m/z (%): 268 (14) [M+], 253 (100) [(M−Me)+], 237 (9) [(M−2 Me)+], 105 (13) [SiPh+]. Methode B, tR = 6.68 min; m/z (%): 276 (46) [(M−2 Ph)+], 199 (100) [Ph2SiMe+], 181 (10) [SiPh2+], 122 (22) [PhSiMe+], 77 (17) [C6H5+]. 206 Experimentelles Testreaktion: Mehrfachmetallierung von Dimethyldiphenylsilan Eine Lösung von 0.222 g (2 mmol, 2 Äq.) Chinuclidin und 0.212 g (1 mmol, 1 Äq.) Dime- thyldiphenylsilan in 15 mL trockenem n-Heptan wurde abgekühlt auf 0 °C. Bei dieser Tem- peratur wurden 1.1 mL (2 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan zugegeben. Nach dem Auftauen auf RT wurde das Gemisch für 7 h zum Rückfluss erhitzt. Es wurde anschließend auf −50 °C abgekühlt und 0.399 g (2 mmol, 2 Äq.) Trimethylzinn- chlorid zugegeben. Die Lösung wurde unter Rühren auf RT erwärmt und nach 20 h wurden 10 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl-Lösung und 5 mL einer 1 M wässrigen HCl-Lö- sung zugegeben. Die Phasen wurden getrennt und die wässrige Phase mit 3x 20 mL Di- ethylether extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden über Na2SO4 getrocknet und die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt. Das so erhaltene Rohprodukt wurde mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode B, tR = 5.61 min; m/z (%): 268 (13) [M+], 253 (100) [(M−Me)+], 237 (8) [(M−2 Me)+], 105 (13) [SiPh+], 57 (2) [tBu]. Methode B, tR = 5.98 min; m/z (%): 361 (100) [(M−Me)+], 331 (5) [(M−3 Me)+], 197 (47) [SnPh+], 165 (16) [SnMe3+], 135 (18) [SnMe+]. Methode B, tR = 7.05 min; m/z (%): 523 (56) [(M−Me)+], 227 (100) [PhSnMe2+], 197 (99) [PhSn+], 165 (46) [SnMe3+], 135 (67) [SnMe+]. Experimentelles 207 Testreaktion: Mehrfachmetallierung von Dimethyldiphenylsilan in der Mikrowelle Eine Lösung von 0.222 g (2 mmol, 2 Äq.) Chinuclidin und 0.212 g (1 mmol, 1 Äq.) Dime- thyldiphenylsilan in 15 mL trockenem n-Heptan wurde mit 1.1 mL (2 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan versetzt. Das Gemisch wurde anschließend für 30 min. bei 300 W und 120 °C in der Mikrowelle erhitzt. Es wurde anschließend auf −50 °C abgekühlt und 0.399 g (2 mmol, 2 Äq.) Trimethylzinnchlorid zugegeben. Die Lösung wurde unter Rühren auf RT erwärmt und nach 1 h wurden 10 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl-Lösung und 5 mL einer 1 M wässrigen HCl-Lösung zugegeben. Die Phasen wurden getrennt und die wässrige Phase mit 3x 20 mL Diethylether extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden über Na2SO4 getrocknet und die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt. Das so erhaltene Rohprodukt wurde mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode B, tR = 5.61 min; m/z (%): 268 (13) [M+], 253 (100) [(M−Me)+], 237 (8) [(M−2 Me)+], 105 (10) [SiPh+], 57 (1) [tBu]. Methode B, tR = 5.97 min; m/z (%): 361 (100) [(M−Me)+], 331 (5) [(M−3 Me)+], 197 (40) [SnPh+], 165 (11) [SnMe3+], 135 (15) [SnMe+]. Methode B, tR = 7.03 min; m/z (%): 523 (52) [(M−Me)+], 227 (97) [PhSnMe2+], 197 (100) [PhSn+], 165 (51) [SnMe3+], 135 (72) [SnMe+]. 208 Experimentelles Testreaktion: Mehrfachmetallierung von Dimethyldiphenylsilan bei RT Eine Lösung von 0.222 g (2 mmol, 2 Äq.) Chinuclidin und 0.212 g (1 mmol, 1 Äq.) Dimethyldiphenylsilan in 3 mL trockenem n-Pentan wurde abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Temperatur wurden 1.1 mL (2 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan zugegeben und das Gemisch unter Rühren auf RT erwärmt. Nach 18 h wurde die Lösung erneut auf −30 °C abgekühlt und 0.399 g (2 mmol, 2 Äq.) Trimethylzinnchlorid zugegeben. Das Gemisch wurde auf RT erwärmt und für 1 h gerührt. Nach der Zugabe von 5 mL einer 2 M wässrigen NaOH-Lösung wurden die Phasen getrennt und die organische Phase mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode B, tR = 6.12 min; m/z (%): 361 (100) [(M−Me)+], 331 (5) [(M−3 Me)+], 197 (27) [(M−SnMe4)+], 165 (7) [SnMe3+], 135 (9) [SnMe+], 105 (10) [SiPh+]. 6.2.4.5 Synthese und Metallierung von (Aminomethyl)silanen Synthese von Dimethylphenyl(piperidinomethyl)silan (228) Eine Lösung von 1.8 mL (10 mmol, 1 Äq.) (Chlormethyl)dimethylphenylsilan in 15 mL Acetonitril wurde mit 3.0 mL (30 mmol, 3 Äq.) Piperidin versetzt. Das Gemisch wurde für 30 min bei 100 °C in der Mikrowelle erhitzt. Nach dem Abkühlen auf RT wurde ausgefallener Feststoff abfiltriert und das Filtrat unter vermindertem Druck eingeengt. Erneut ausfallender Feststoff wurde abfiltriert und mit n-Pentan gewaschen. Das Filtrat wurde weiter eingeengt und das Rohprodukt mittels Kugelrohrdestillation aufgereinigt (9.8·10−1 mbar, 150 °C). Es wurden 1.83 g (8 mmol, 78%) Dimethylphenyl(piperidinome- thyl)silan (228) als orangefarbenes Öl erhalten. Experimentelles 209 1H-NMR (600.29 MHz, CDCl3): δ = 0.38 [s, 6H; Si(CH3)2], 1.39 [br s, 2H; NCH2CH2CH2], 1.56 [q, 3JHH = 5.59 Hz, 4H; NCH2CH2CH2], 2.16 [br s, 2H; SiCH2N], 2.34 [br s, 4H; NCH2CH2CH2], 7.37−7.39 [m, 3H; CHpara, CHmeta], 7.60−7.61 [m, 2H; CHortho] ppm. {1H}13C-NMR (150.94 MHz, CDCl3): δ = −2.6 [2C; Si(CH3)2], 23.8 [1C; NCH2CH2CH2], 26.3 [2C; NCH2CH2CH2], 50.6 [1C; SiCH2N], 58.5 [2C; NCH2CH2CH2], 127.7 [2C; Cmeta], 128.8 [1C; Cpara], 133.6 [2C; Cortho], 139.5 [1C; Cipso] ppm. {1H}29Si-NMR (119.26 MHz, CDCl3): δ = −7.0 [1Si; Me2PhSiCH2NC5H10] ppm. GC/EI-MS Methode A, tR = 9.30 min; m/z (%): 233 (6) [M+], 218 (2) [(M−Me)+], 135 (8) [PhSiMe2+], 98 (100) [C6H12N+], 55 (8) [C3H6N+]. Lithiierung und Kristallisation von (Piperidinomethyl)silan 228 Eine Lösung von 0.233 g (1 mmol, 1 Äq.) Dimethylphenyl(piperidinomethyl)silan in 3 mL trockenem n-Pentan wurde abgekühlt auf −30 °C. Bei dieser Temperatur wurden 0.55 mL (1 mmol, 1 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan zugegeben. Anschlie- ßend wurde das Gemisch zur Kristallisation bei −80 °C gelagert. Nach 3 Tagen wurden farblose Kristalle des Aggregats 229 erhalten, welche sich zur Einkristallröntgenstruktur- analyse eigneten. Die Diskussion der dabei erhaltenen Molekülstruktur im Festkörper erfolgt in Abschnitt 4.5.2.5. 210 Experimentelles Deprotonierung von (Piperidinomethyl)silan 228 in der Mikrowelle Eine Lösung von 0.233 g (1 mmol, 1 Äq.) Dimethylphenyl(piperidinomethyl)silan und 0.222 g (2 mmol, 2 Äq.) Chinuclidin in 3 mL trockenem n-Heptan wurde mit 1.1 mL (2 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan versetzt und anschließend bei 120 °C für 1 h in der Mikrowelle erhitzt. Das Gemisch wurde anschließend auf −50 °C abgekühlt und 0.399 g (2 mmol, 2 Äq.) Trimethylzinnchlorid zugegeben. Die Lösung wurde unter Rühren auf RT erwärmt und nach 1 h mit 5 mL einer gesättigten wässrigen NH4Cl- Lösung und 5 mL einer 1 M wässrigen HCl-Lösung versetzt. Die Phasen wurden getrennt und die wässrige Phase mit 3x 10 mL Diethylether extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden über Na2SO4 getrocknet und die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt. Das so erhaltene Rohprodukt wurde mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode A, tR = 11.67 min; m/z (%): 382 (2) [(M−Me)+], 299 (2) [(M−C6H12N)+], 165 (1) [SnMe3+], 135 (6) [SnMe+], 98 (100) [C6H12N+]. Methode A, tR = 13.57 min; m/z (%): 544 (2) [(M−Me)+], 461 (3) [(M−C6H12N)+], 281 (5) [(M−C6H12N−SnMe4)+], 165 (13) [SnMe3+], 135 (17) [SnMe+], 98 (100) [C6H12N+]. Deprotonierung von (Piperidinomethyl)silan 228 durch konventionelles Erhitzen Experimentelles 211 Eine Lösung von 0.233 g (1 mmol, 1 Äq.) Dimethylphenyl(piperidinomethyl)silan und 0.111 g (1 mmol, 1 Äq.) Chinuclidin in 15 mL trockenem n-Heptan wurde abgekühlt auf 0 °C und mit 1.1 mL (2 mmol, 2 Äq.) einer 1.9 M Lösung von tert-Butyllithium in Pentan versetzt. Nach dem Erwärmen auf RT wurde das Gemisch für 4 h zum Rückfluss erhitzt. Nach er- neutem Abkühlen auf −50 °C wurden 0.399 g (2 mmol, 2 Äq.) Trimethylzinnchlorid hinzu- gegeben und die Lösung unter Rühren auf RT erwärmt. Nach 1 h wurden 10 mL einer ge- sättigten wässrigen NH4Cl-Lösung und 5 mL einer 1 M wässrigen HCl-Lösung zugegeben. Die Phasen wurden getrennt und die wässrige Phase mit 3x 20 mL Diethylether extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden über Na2SO4 getrocknet und die flüchtigen Bestandteile im Vakuum entfernt. Das so erhaltenen Rohprodukt wurde mittels GC/EI-MS untersucht. GC/EI-MS Methode A, tR = 11.67 min; m/z (%): 382 (2) [(M−Me)+], 299 (2) [(M−C6H12N)+], 165 (1) [SnMe3+], 135 (6) [SnMe+], 98 (100) [C6H12N+]. Methode A, tR = 13.36 min; m/z (%): 544 (1) [(M−Me)+], 461 (1) [(M−C6H12N)+], 281 (4) [(M−C6H12N−SnMe4)+], 165 (12) [SnMe3+], 135 (17) [SnMe+], 98 (100) [C6H12N+]. 6.3 Quantenchemische Berechnungen Alle quantenchemischen Berechnungen erfolgten mit dem Programm Gaussian 09, Revi- sion E.01.[91] Die Ausgangsstrukturen wurden mithilfe des Interface GaussView der Firma Semichem, Inc. modelliert. Alle Grundzustandsstrukturen wurden zunächst optimiert. Eine anschließende Frequenzrechnung lieferte keine imaginären Frequenzen. Zum Vergleich von Energien wurden stets die nullpunktskorrigierten Energien (ZPE) verwendet. Die Er- mittlung von Übergangszuständen erfolgte mittels der QST3-Methode. Eine anschließende Frequenzrechnung bestätigte den entsprechenden stationären Punkt durch das Auftreten genau einer imaginären Frequenz. Die Visualisierung der energieoptimierten Strukturen er- folgte mit dem Programm Molekel V4.3.[92] Farblegende für Molekeldarstellungen: Wasserstoff (0.7/0.7/0.7) Stickstoff (0.0/0.5/0.0) Kohlenstoff (0.25/0.25/0.25) Silicium (0.5/0.0/0.5) Lithium (1.0/0.0/0.0) 212 Experimentelles 6.3.1 Quantenchemische Berechnung der Lithiierung des Toluols Tabelle 6.2: Bei der quantenchemischen Berechnung der Lithiierung des Toluols erhaltene absolute Energien in Hartree. Verbindung Grundzustands- energie Nullpunktskorrigierte Energie Gibbs-Energie ΔG298K Toluol-Dimer 134 −1261.1052197 −1260.337408 −1260.410189 TS Toluol-Dimer 134-TS −1261.06698234 −1260.303412 −1260.372675 tBuLi-Dimer 120 −989.507305974 −988.870351 −988.934293 Toluol 122 −271.585134227 −271.457054 −271.487694 Toluol Monomer 135 −766.326968599 −765.880403 −765.935813 TS Toluol Monomer 135-TS −766.302436612 −765.858851 −765.909538 gemischtes Dimer 136 −1102.649636 −1102.015100 −1102.078752 TS geminal 136-TSgemi −1102.5847606 −1101.955803 −1102.022945 TS ortho 136-TSortho −1102.58729891 −1101.957911 −1102.017220 TS meta 136-TSmeta −1102.55186177 −1101.924782 −1101.988342 Experimentelles 213 6.3.2 Quantenchemische Berechnung der Zersetzung des Chinuclidins Tabelle 6.3: Bei der quantenchemischen Berechnung der Zersetzung des Chinuclidins erhaltene absolute Energien in Hartree. Verbindung Grundzustands- energie Nullpunktskorrigierte Energie Gibbs-Energie ΔG298K TS aus Dimer 120-TS −989.46149059 −988.828722 −988.887852 Anlagerung an Dimer 137 −1318.85600481 −1318.020142 −1318.09109 TS aus Anlagerung 137-TS −1318.82129287 −1317.989547 −1318.056989 Chinuclidin 116 −329.336877985 −329.141072 −329.171600 Monomer 138 −824.091282159 −823.576025 −823.629436 TS Monomer 138-TS −824.051949267 −823.542445 −823.594956 6.3.3 Quantenchemische Berechnung der Lithiierung des N,N-Dimethylbenzyl- amins (169) Tabelle 6.4: Bei der quantenchemischen Berechnung der Lithiierung des N,N-Dimethylbenzylamins (169) erhaltene absolute Energien in Hartree. Verbindung Grundzustands- energie Nullpunktskorrigierte Energie Gibbs-Energie ΔG298K unsymmetrisches Dimer 171 −1900.3912353 −1899.520883 −1899.600875 Benzylamin 169 −405.557719682 −405.355117 −405.390299 gemischtes Dimer 173 −1976.61029923 −1975.732526 −1975.815567 TS gemischtes Dimer 173-TS −1976.56850696 −1975.695857 −1975.777331 symmetrisches Dimer 170 −1571.02561393 −1570.354612 −1570.425178 214 Experimentelles 6.3.4 Quantenchemische Berechnung der Lithiierung des Hexamethyldisilans Tabelle 6.5: Bei der quantenchemischen Berechnung der Lithiierung des Hexamethyldisilans erhaltene absolute Energien in Hartree. Verbindung Grundzustands- energie Nullpunktskorrigierte Energie Gibbs-Energie ΔG298K Hexamethyldisilan 150 −818.565663669 −818.342813 −818.38531 Monomer 197 −1313.30326375 −1312.761249 −1312.825446 TS aus Monomer 197-TS −1313.27658424 −1312.738667 −1312.802516 Anlagerung an Dimer 198 −1808.07507481 −1807.210969 −1807.292935 TS aus Anlagerung 198-TS −1808.05005664 −1807.189837 −1807.26833 Gemischtes Dimer 199 −1649.62666204 −1648.897568 −1648.974042 TS geminal 199-TSgemi −1649.57375569 −1648.848064 −1648.92224 TS vicinal 199-TSvici −1649.57789617 −1648.851288 −1648.922493 6.3.5 Quantenchemische Berechnung der Lithiierung des Tetramethylsilans Tabelle 6.6: Bei der quantenchemischen Berechnung der Lithiierung des Tetramethylsilans erhaltene absolute Energien in Hartree. Verbindung Grundzustands- energie Nullpunktskorrigierte Energie Gibbs-Energie ΔG298K Tetramethylsilan 149 −449.20779734 −449.060216 −449.093033 Monomer 216 −943.94354086 −943.477215 −943.533749 TS aus Monomer 216-TS −943.916306888 −943.453585 −943.50781 Dimer 217 −1438.72290102 −1437.936732 −1438.01567 TS aus Dimer 217-TS −1438.68697152 −1437.903147 −1437.974952 Experimentelles 215 6.3.6 Quantenchemische Berechnung der Lithiierung des Dimethyldiphenylsilans Tabelle 6.7: Bei der quantenchemischen Berechnung der Lithiierung des Dimethyldiphenylsilans erhaltene absolute Energien in Hartree. Verbindung Grundzustands- energie Nullpunktskor- rigierte Energie Gibbs-Energie ΔG298K Anlagerung an Dimer 219 −1822.22278932 −1821.327432 −1821.416213 TS nach Anlagerung 219-TS −1822.17696797 −1821.284174 −1821.368379 Monomer 220a −1327.44292289 −1326.867788 −1326.935143 Monomer 220b −1327.45883453 −1326.883266 −1326.947477 Monomer 220c −1327.45053701 −1326.875387 −1326.941817 Dimethyldiphenylsilan 205 −832.704075616 −832.447493 −832.491111 TS Phenyl 220b-TSPh −1327.42498213 −1326.853053 −1326.915306 TS Methyl 220b-TSMe −1327.42736721 −1326.855666 −1326.91901 gemischtes Dimer MeLi 224 −1663.77358575 −1663.010528 −1663.087998 Dilithiierung Methyl Methyl 224-TSMe −1663.72272205 −1662.963273 −1663.037786 Dilithiierung Methyl Phenyl 224-TSPh −1663.72457625 −1662.964779 −1663.039040 gemischter Dimer PhLi 225 −1663.77814196 −1663.014474 −1663.088679 Dilithiierung Phenyl Methyl 225-TSMe −1663.73867158 −1662.978441 −1663.051204 Dilithiierung Phenyl Phenyl 225-TSPh −1663.72869123 −1662.968582 −1663.040658 216 Experimentelles Literaturverzeichnis 217 7 Literaturverzeichnis [1] E. 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