2.3 Darstellungsmöglichkeiten von Alkoxyaminen und der gewählte Syntheseweg 40
2.5.3 Alkoxyamin-Derivatisierung mit Lithiumorganylen
Tabelle 2.3:Zusammenfassung der Ergebnisse der Lösungsmittel-Tests bei der Ullmann-Reaktion zur Dar-stellung von Arylaziden. Alle Reaktionen wurden bei den angegebenen Bedingungen in einer Mikrowelle der Firma CEM bei einer maximalen Leistung von 40 W und einer Reaktionsdauer von 30 min durchge-führt. Ein Vergleich mit den in Tabelle 2.2 dargestellten Lösungsmittelsystem ist aufgrund der geänderten Reaktionsführung (Mikrowelle anstelle eines Ölbades) nicht ohne weiteres möglich.
73 74
Nr. Lösungsmittelsystem Lösungsmittel-Verhältniss Temperatur Umsatz
v THF/EtOH/H2O (5 : 3 : 3) 100 °C 66%
vi THF/iPrOH/H2O (5 : 5 : 1) 100 °C 68%
vii THF/tBuOH/H2O (5 : 3 : 3) 100 °C 14%
viii Hexan/iPrOH/H2O (8 : 5 : 1) 100 °C 44%
ix Toluol/EtOH/H2O (5 : 4 : 2) 100 °C 28%
x Toluol-d8+ 15-Krone-5 120 °C 0%
so die Reaktion in einem nicht-protischen Lösungsmittel durchzuführen lieferte gar kei-nen Umsatz zum Arylazid74. Dementsprechend ist ein polar protisches Lösungsmittel für das erfolgreiche Ablaufen der kupferkatalysierten Ullmann-Reaktion unabdingbar und die Reaktion für die verwendeten unpolaren OPPE’s nicht geeignet.
dieser Strategie ist die Notwendigkeit strikt wasserfrei zu arbeiten. Anderenfalls entsteht jeweils das protonierte Derivat, welches, aufgrund des sehr geringen Unterschieds in der Polarität vgl. mit den eingesetzten Edukten, chromatographisch nicht abtrennbar ist. Wenn an die Darstellung des Halogenids eine Kreuzkupplung anschließt, sollte das Vorhanden-sein der protonierten Spezies kein Problem darstellen, da lediglich die halogenierte Spe-zies zu einer oxidativen Addition an einen Palladium-Komplex befähigt ist. Vorausgesetzt die Polarität des Kupplungsprodukts und die der protonierten Spezies unterscheiden sich in genügendem Maße, dann ist eine chromatographische Abtrennung der protonierten Spezies nach einer Weiterreaktion der halogenierten Spezies möglich. Die Identifikation der Iod-funktionalisierten Initiatoren40und50erfolgte durch1H-NMR-Spektroskopie und ESI-Massenspektrometrie. Der Anteil an protonierter Spezies betrug nach chromatogra-phischer Reinigung beim Initiator4020 Mol% und beim Initiator5010 Mol%.
Zusätzlich zum eben genannten Halogen-Metall-Austausch, ist die Lithiierung zwischen zweiortho-dirigierenden Gruppen zu nennen. Adaptiert wurden zur Darstellung der meta-Dimethoxy Initiatoren 51 und 53 die Reaktionsbedingungen von Trost et al.[40] (Schema 2.22). Durch den Zusatz von Tetramethylethylendiamin(TMEDA) als Komplexbildner soll nach Ludt und Butte et al.[111,112] die Lithiierung erleichtert werden. Bei der Darstellung
46
51
52
77
53
Schema 2.22:Darstellung des Iod-funktionalisierten meta-Dimethoxy Initiators 51und des Carbonsäure-funktionalisiertenmeta-Dimethoxy Initiators53aus demmeta-Dimethoxy-Initiator46mittelsortho-Lithiierung und anschließender Reaktion der lithiierten Spezies mit elementarem Iod bzw. mit CO2. Durch eine Sonogashira-Hagihara-Kupplung kann der Iod-funktionalisiertemeta-Dimethoxy Initiator51in den Acetylen-funktionalisiertenmeta-Dimethoxy Initiator52überführt werden.
des Iod-funktionalisiertenmeta-Dimethoxy Initiators51erfährt man eine analoge Proble-matik wie bei der Darstellung der Iod-funktionalisierten Initiatoren40und 50. Man erhält, aufgrund des geringen Polaritätsunterschieds zwischen eingesetztemmeta-Dimethoxy
In-itiator46 und Iodid51, ein chromatographisch nicht trennbares Gemisch aus Produkt51 und Edukt46in einem durch1H-NMR- Spektroskopie bestimmten Verhältnis von 7:1. Eine Abtrennung desmeta-Dimethoxy Initiators46ist nach einer Weiterreaktion des Iodids51 in einer C-C-Kreuzkupplung möglich. Die geringe Verringerung der Polarität durch das An-bringen der TIPS-geschützten Acetyleneinheit ermöglicht die chromatographische Isolati-on des Acetylen-funktiIsolati-onalisiertenmeta-Dimethoxy Initiators52. Die Identifikation erfolgte durch1H- und13C-NMR-Spektroskopie. Der stark unpolare Charakter des Initiators verhin-dert jedoch eine chromatographische Abtrennung von bei der Kupplung nicht verbrauch-tem TIPS-Acetylen und des bei der Reaktion und der Aufarbeitung entstehendem Glaser-Produkt des TIPS-Acetylens77. Die Auswertung der Integrale der Signale der Protonen-Resonanzen der Silylgruppen des meta-Dimethoxy Initiators 46 mit den Integralen der Signale der Protonen der Silylgruppen des TIPS-Acetylens und des Glaser-Produkts77 in den Formen zweier Singuletts bei jeweils 1.08 ppm, ergibt einen Gesamtanteil von Acetylen-funktionalisiertemmeta-Dimethoxy Initiator52von 65 %. Dem entsprechend er-gibt sich für die Verunreinigung, bestehend aus nicht umgesetztem TIPS-Acetylen und dem Glaser-Produkt 77, ein prozentualer Anteil von 35 %. Ein Vergleich der Integrale der Resonanzen der Sily-Protonen der Verunreinigung mit dem Integral des Signals des Acetylen-Protons vom TIPS-Acetylen bei 2.35 ppm (Singulett) ergibt eine Zusammenset-zung der Verunreinigung aus 81 Mol% TIPS-Acetylen und 19 Mol% Glaser-Produkt 77.
Bei der Darstellung des Carbonsäure-Dimethoxy Initiators53ergibt sich keine solche Ne-benproduktproblematik. Durch die Carbonsäurefunktion ist die Polarität des Carbonsäure-Dimethoxy Initiators53im Vergleich zum als Edukt eingesetztenmeta-Dimethoxy Initiator 46 so stark erhöht, dass auf eine aufwändige chromatographische Reinigung verzichtet werden kann. Durch Filtration der Reaktionsmischung kann das Rohprodukt isoliert wer-den. Die weitere Aufarbeitung beinhaltete das Waschen des Rohprodukts mit Et2O und anschließendes Aufnehmen in Wasser. Durch das Ansäuern der wässrigen Lösung un-ter Eisbadkühlung mit HClaq konnte der Carbonsäure-Dimethoxy Initiator53als farbloser amorpher Feststoff isoliert werden. Eine Identifikation des Carbonsäure-Dimethoxy Initia-tors 53 erfolgte durch 1H-, 13C-NMR-Spektroskopie und ESI-Massenspektrometrie. Die Zuordnung der Resonanzen erfolgte unter Zuhilfenahme der entsprechenden Spektren der 2D-NMR-Experimente. Das Abhandensein der Tripletts bei 6.38 und 6.31 ppm be-legt, dass eine Substitution des Protons in ortho-Position zu beiden Methoxyfunktionen stattgefunden hat. Eine Protonenresonanz für die Carbonsäurefunktion ist nicht im 1 H-NMR-Spektrum sichtbar. Es kann angenommen werden das die Resonanz aufgrund von H/D-Austausch nicht sichtbar ist. Zwei Singuletts bei 169.3 und 169.1 ppm im13
C-NMR-Spektrum können den Kohlenstoffatomen der Carbonsäure-Funktion der beiden Diaste-reomere zugeordnet werden. Interessant ist, dass im Vergleich zum Spektrum des ein-gesetzten Edukts (Vgl. Abb. 2.8, S. 45), die Resonanzen der Protonen des gesamten TIPNO-Segments verbreitert vorliegen (Abb. 2.18). Das kann ein Effekt einer noch stär-keren eingeschränkten Rotation um die Bindungen CAr-CON, C-ON, CO-N und ON-C sein. Wie auch bei den beiden Diastereomeren des ortho-Dimethoxy-Initiators 45 ist die Verbreiterung der Signale bei einem der Diastereomere stärker ausgeprägt als bei dem Anderen. Da keine Kristalle für eine Röntgenkristallstrukturanalyse erhalten wurden, ist eine Bestimmung der Konfiguration der einzelnen Diastereomere, nicht möglich.
In der Zusammenfassung ist durch das Nutzen des Halogen-Metall-Austauschs sowie derortho-Lithiierung eine vielfältige Funktionalisierung der Alkoxyamin-Initiatoren möglich.
So können auf diese Weise Carbonsäuregruppen durch Reaktion der metallierten Spezies mit CO2 und Iodfunktionen durch Reaktion mit elementarem Iod eingeführt werden.
0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.05.56.06.57.07.5 ppm 2.8 4
3.1 9
9.2 3
3.5 5
8.6 7
3.4 6
3.3 6
3.5 9
0.7 2
1.5 3
12 .0 6
1.4 9
2.0 0
1.9 8
3.3 6
4.0 5
2.0 7 0.2
7 0.2 9
0.6 0
0.8 7
1.0 1
1.0 2
1.0 8
1.2 6
1.2 7
1.5 7
1.5 8
1.6 4
1.6 6
3.4 5
3.5 6
3.8 5
3.8 9
3.9 2
5.0 2
6.5 7
6.7 2
7.1 8
7.1 9
7.2 5
7.2 7
7.2 9
7.4 4
Filename: OC2_TietzMa_0513_MT280-EA/1/fid Comment:Ma. Tietz, OC2, MT280-EA Date: 2013-05-13T15:22:37 g
g'gg' k
k' j, j'e'
f' f
c, c'
a, a' b, b' 2'2
3' 3 e
h' h
7.07.17.27.37.47.57.6 ppm6.46.56.66.76.8 ppm
3 Nitroxid vermittelte Polymerisation
3.1 Kontrolle über die radikalische Polymerisation
Für die anionische Polymerisation von Styrol wurde 1956 vonSzwarc der Begriff „leben-de“ Polymerisation geprägt.[113–115] Er definierte den Begriff „lebende“ Polymerisation mit dem Abhandensein eines Terminations-Schritts an der wachsenden Polymerkette. Das schließt die Kettenübertragung mit ein, da diese die Termination der wachsenden Kette bei gleichzeitigem Start einer neuen wachsenden Kette darstellt. Diese „lebende“ Polymerket-te wächst jedoch nicht undefiniert. Für jegliches Wachstum der „lebenden“ PolymerketPolymerket-te wird „Futter“ in Form von Monomeren benötigt. Wenn sämtliches Monomer verbraucht ist, ist das Wachstum zwar unterbrochen, setzt jedoch bei erneuter Zugabe von Monomer an den „lebenden“ Kettenenden wieder ein.[115] Die Nachteile der kontrollierten anionischen Polymerisation, wie die begrenzte Anzahl polymerisierbarer Monomere (protische oder elektrophile Monomere sind nicht oder nur schwer polymerisierbar) und die hohe Empfind-lichkeit der aktiven Kettenenden gegenüber Verunreinigungen wie Wasser und Sauerstoff, erzeugte einen Bedarf an robusten kontrollierbaren Polymerisationstechniken. Dies führte zur Entwicklung der kontrolliert radikalischen Polymerisation (CRP)[116] in den Formen der Nitroxid-vermittelten Polymerisation (NMP), der radikalische Atom-Transfer Polymerisati-on (ATRP) und der reversiblen AdditiPolymerisati-ons-Fragmentierungs-Kettentransfer(RAFT)-Polyme- Additions-Fragmentierungs-Kettentransfer(RAFT)-Polyme-risation. Diese erfüllen zwar nicht, aufgrund des Vorhandenseins von Abbruchreaktionen, die Bedingungen einer lebenden Polymerisation werden in der Literatur jedoch oft mit dem Begriff „lebende“ Polymerisation beschrieben. Mittlerweile hat sich jedoch eher die Be-zeichnung kontrollierte Polymerisation durchgesetzt. Basierend auf den vonSwarc[113–115]
definierten Bedingungen für eine „lebende“ anionische Polymerisation, muss eine kontrol-lierte Polymerisation folgende Voraussetzungen erfüllen:
1. Das Kettenwachstum erfolgt unter Abwesenheit von irreversiblen Übertragungs- oder Abbruchreaktionen und führt zu Polymeren mit enger Molmassenverteilung.
2. Nach vollständigem Umsatz des Monomers liegen die Kettenenden in einem aktiven
Zustand vor.
3. Die Geschwindigkeit der Initiierung muss größer oder gleich der Geschwindigkeit des Kettenwachstums sein.
4. Die Anzahl der aktiven Kettenenden muss während der Polymerisation konstant sein.
5. Die Kinetik des Kettenwachstums muss einem Geschwindigkeitsgesetz erster Ord-nung bzgl. der Abnahme der Monomerkonzentration folgen.
Der Anfang der Entwicklung der kontrollierten radikalischen Polymerisation begann mit der Untersuchung der Initiation der radikalischen Polymerisation. Bei der Untersuchung der Ringschlusspolymerisation von 1,6-Dienen wie N-Alkyldiallylaminen zeigte die Ar-beitsgruppe umSolomon,[117,118] dass der kinetisch präferierte fünfgliedrige Ring anstelle des thermodynamisch günstigeren sechsgliedrigen Rings während der Reaktion gebildet wird. Das legte den Schluss nahe, dass kinetische Faktoren während der Polymerisation von größerer Bedeutung sind, als die thermodynamische Stabilität der entstehenden Ra-dikale.[119] Dies gab den Anstoß für die genaue Untersuchung des initiierenden Schritts durch die Nutzung von Radikalfängern. Nitroxid-Radikale stellten sich aufgrund ihrer na-hezu diffusionskontrollierten Kombinationsgeschwindigkeit mit Kohlenstoff-Radikalen und ihrer Eigenschaft nicht mit Sauerstoff-Radikalen zu kombinieren als optimale Radikalfän-ger heraus.[117] Ein weiterer Vorteil bei der Nutzung von Nitroxid-Radikalen ist, dass die entstehenden Alkoxyamine mit gängigen Methoden der organischen Chemie isolier- und identifizierbar sind. Während der Arbeit mit verschiedenen Nitroxiden als Radikalfänger, wurden vonSolomonentscheidende Entdeckungen gemacht. Während der Aufarbeitung der Alkoxyamine wurde eine rot-violett Färbung analog der Farbe der Nitroxide beobach-tet. Die rot-violett Färbung während der Aufarbeitung konnte durch Arbeiten bei tiefer Tem-peratur vermieden werden.[119] Das legte den Schluss nahe, dass die C-ON-Bindungen in den Alkoxyaminen temperaturlabil sind.[20,120] Bei Versuchen mit allylischen Alkoxya-minen (Schema 3.1) kam es bei dem Erhitzen der Alkoxyamine zu einer Umlagerung in eine 1:1-Mischung der beiden allylischen Alkoxyamine. Aufbauend auf diesen Beobach-tungen erkanntenSolomonundRizzardo,[119]dass eine durch Erhitzen ausgelöste C-ON-Bindungshomolyse der Alkoxyamine die Möglichkeit eröffnet, radikalischen Polymerisati-on zu kPolymerisati-ontrollieren. Die erste erfolgreiche Darstellung eines Polystyrols mit einer engen Molmassenverteilung unter Beteiligung von Nitroxid-Radikalen gelangGeorges et al..[122]
Sie erhitzten eine Mischung aus Benzoylperoxid als Radikalstarter, Styrol und dem sta-bilen freien Radikal TEMPO unter Ar-Atmosphäre und stellten so ein Polystyrol mit einer
Schema 3.1:Die vonRizzardoundSolomonbeobachtete Umlagerung von allylischen Alkoxyaminen in eine 1:1-Mischung von allylischen Alkoxyaminen mit terminaler und interner Doppelbindung.[121]
Polydispersität (PDI) von 1.26 dar. Damit waren die Grundlagen der Nitroxid-vermittelten Polymerisation und somit auch der Grundstein für alle anderen kontrollierten radikalischen Polymerisationstechniken entwickelt.