Styrolderivate mit 1 H-NMR-Sonden

Wie in Kap. 1.2 angerissen sollen Alkoxyamine als Initiatoren für die NMP verwendet werden. Die Alkoxyamine sollen zur einfachen Bestimmung des Polymerisationsgrads so-wie der Menge an eingebautem Comonomer im späteren Copolymer, mindestens eine

1H-NMR-Sonde tragen. Zusätzlich ist eine Bestimmung des Umsatzes bei der Polymeri-sation mit Hilfe der Sonde möglich. Durch Integration der Resonanzen der¹H-NMR-Sonde und Vergleich des Integrals mit den Integralen Protonenresonanzen des Polymerrückgrats sowie den Resonanzen von eventuell eingebautem Comonomer können der Polymerisati-onsgrad sowie die Menge an eingebautem Comonomer mit Hilfe des¹H-NMR-Spektrums des aufgereinigten Polymers bestimmt werden. Die Aufnahme von¹H-NMR-Spektren der Polymerreaktionsmischung vor und nach der Polymerisation und Vergleich der Integrale der Resonanzen der¹H-NMR-Sonde mit den Integralen der Resonanzen der Vinylfunkti-on der MVinylfunkti-onomere erlaubt die Bestimmung des MVinylfunkti-onomerumsatzes. Da Styrolderivate als Grundbaustein für die Alkoxyaminsynthese dienen, entschied ich mich für das Anbringen der¹H-NMR-Sonde schon während der Styrolderivatsynthese.

Ein Methoxy-Substituent an einem aromatischen Ring erfüllt die Anforderungen ei-ner solchen¹H-NMR-Sonde. Diese funktionelle Gruppe ist inert gegenüber einer großen Bandbreite an Reaktionsbedingungen und zeigt, wenn sie an einem Benzolring gebun-den ist, im¹H-NMR-Spektrum eine Resonanz in Form eines Singuletts in einem Bereich von 3.5-4 ppm. In diesem Bereich befinden sich keine Signale von Protonen des Styrols oder Polystyrols. Weiterhin sind in diesem Bereich keine Resonanzen anderer, bei der Synthese des Styrolderivats oder des Alkoxyamins verwendeter, funktioneller Gruppen zu erwarten. Ein weiterer Vorteil dieser Funktionalisierung der Initiatoren wäre eine Erhöhung der Polarität des Initiators, was eine säulenchromatographische Isolierung erleichtert. Im Rahmen der Dissertation sind drei wichtige Vertreter¹H-NMR-Sonden tragender Styrol-derivate synthetisiert worden. Zusätzlich zu der¹H-NMR-Sonde soll eine zweite Funktio-nalität am Styrolderivat der späteren Anbindung des Alkoxyamins an das rod-Segment dienen.

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Schema 2.6:Gescheiterte und erfolgreiche Syntheserouten zur Darstellung des Benzylbromids13durch kaskadische Bromierung in benzylischer Position mit NBS und AIBN sowie durch Bromierung am aromati-schen Kern durch elementares Brom. Eliminierung mittels KO^tBu lieferte das Brommethoxy-Styrolderivat16 verunreinigt mit 8 Mol% Acetylenderivat15.

Ein erster Versuch ein Styrolderivat mit Methoxy- und Bromfunktion herzustellen war die Darstellung von 2-Brom-1-methoxy-4-vinylbenzol (16) aus 4-Vinylanisol (17) (Sche-ma 2.6). Die Darstellung des Brommethoxy-Styrols16sollte durch eine Addition von HBr an die Doppelbindung des Vinylanisols 17 und anschließende Bromierung von 12 am aromatischen Ring zu 2-Brom-4-(1-bromethyl)-1-methoxybenzol (13) erfolgen. Eine an-schließende Eliminierung sollte das Brom-Methoxy-Styrol16liefern. Diese Syntheseroute scheiterte bereits im 1. Schritt, der Addition von HBr an die Doppelbindung von17. Beim Zutropfen des Styrols17 zu HBr_aq fiel ein polymerartiger Feststoff aus, was auf das Ab-laufen einer ionisch gestarteten Polymerisation hindeutet. Die dünnschichtchromatogra-phische Untersuchung (DC-Untersuchung) des organischen Extrakts wies mehrere Spots in nahezu äquidistanten Abständen zueinander auf, was die Vermutung der Polymerisati-on des Styrolderivats weiter bekräftigt. Die Verwendung vPolymerisati-on EtOH als Lösungsmittel und das Zutropfen einer verdünnten Lösung von17führte zum gleichen Ergebnis. Daraufhin wurde der Versuch das Brom-Methoxy-Styrol16über diese Route herzustellen eingestellt und 4-Ethylanisol (18) wurde als Ausgangsverbindung eingesetzt. Die Strategie, zuerst in benzylischer Position mittels N-Bromsuccinimid (NBS) und Azo-bis-(isobutyronitril) (AIBN) zu bromieren, wurde verworfen. Wie im Folgenden erläutert wird, ist eine Aufreinigung mittels Säulenchromatographie über Kieselgel nicht möglich. Als erster Reaktionsschritt wurde eine Bromierung des aromatischen Rings von 18 mit elementarem Brom durch-geführt. Das nach säulenchromatographischer Trennung erhaltene Bromanisol19wurde mittels NBS und AIBN in benzylischer Position bromiert. Auf eine säulenchromatogra-phische Reinigung wurde verzichtet, da aus Vorversuchen zu erwarten war, dass das

ent-standene Benzylbromid13nicht durch Säulenchromatographie über Kieselgel zu reinigen ist. Bei dem Auftragen des Benzylbromids13auf das Kieselgel war eine Farbreaktion auf dem Kieselgel zu beobachten. Ein Elutionsversuch mit Pentan:Et₂O (10:1) ergab in dem

1H-NMR-Spektrum der zuerst eluierenden Fraktion das gewünschte Benzylbromid 13 in Mischung mit dem Styrolderivat16. Somit erfolgte bei dem Versuch das Benzylbromid13 durch Säulenchromatographie zu reinigen, bereits eine teilweise Eliminierung zum Styrol-derivat16. Bei den Vorversuchen war im¹H-NMR-Spektrum der als zweites eluierenden Fraktion, neben anderen nicht zuzuordnenden Signalen, ein Signalset besonders auffäl-lig. Dieses Signalset kann einer einzelnen VerbindungXzugeordnet werden und besteht aus einem Singulett bei 3.91 ppm, zwei Dubletts mit sehr kleinen Kopplungskonstanten von 2.2 Hz bei 5.70 ppm und 6.02 ppm, einem Dublett bei 6.85 ppm, einem Dublett von Dubletts bei 7.51 ppm und einem Dublett mit sehr kleiner Kopplungskonstante von 2.3 Hz bei 7.78 ppm. Die Zugabe des in THF gelösten Rohprodukts des Benzylbromids 13 zu einer Mischung von KO^tBu und THF lieferte eine Mischung aus dem gewünschten Styrol-derivat16 und 2-Brom-4-ethinyl-1-methoxybenzol (15) nach säulenchromatographischer Trennung über Kieselgel. Die Gesamtausbeute für NBS-Bromierung und Eliminierung beträgt für das gewünschte Styrolderivat 16 70% und für das Nebenprodukt 2-Brom-4-ethinyl-1-methoxybenzol (15) insgesamt 6%. Die Produktmischung mit dem Styrolderivat 16enthält zu 8 Mol% das Alkin15. Dieses entstand wahrscheinlich durch eine Überbro-mierung^[39] des Bromids13 zum Dibromid14(Schema 2.6) und anschließende doppelte Eliminierung. Bei lediglich einfacher Eliminierung würde das Bromvinyl20entstehen, wel-ches ein wie oben bei VerbindungX beschriebenes Signalmuster im ¹H-NMR-Spektrum zeigen würde. Demnach handelt es sich bei der oben beschriebenen Begleitverbindung Xum das Bromvinyl20. Das Entstehen des Alkins15führt später bei der Alkoxyamindar-stellung aus dem Gemisch aus Styrolderivat16 und Alkin 15 zu einem überraschenden Nebenprodukt (Kap. 2.4).

Der zweite Vertreter dieser Klasse von NMR-Sonden tragenden Styrolen basiert auf der Verwendung von zwei chemisch und magnetisch äquivalenten Methoxyfunktionen am aro-matischen Kern des Styrolderivats. In den¹H-NMR-Spektren des aus diesem Styrolderivat dargestellten Alkoxyamins ist das Integral der¹H-NMR-Sonde, im Vergleich mit nur eine Methoxyfunktion tragenden Alkoxyaminen, größer. Dadurch soll, aufgrund des größeren Integrals der am Initiator angebrachten NMR-Sonde, eine präzisere Bestimmung des Co-monomeranteils sowie des Polymerisationsgrads des mit dem Alkoxyamin hergestellten Polymers möglich sein. Wie oben erwähnt, wird neben der Methoxy- und der Vinylfunk-tionalität noch eine weitere adressierbare funktionelle Gruppe am Styrolderivat zur

spä-21

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Schema 2.7: Darstellung des Dimethoxy-Styrolderivats 24 ausgehend vom Brombenzol 22 durch Sonogashira-Hagihara-Kupplung mit TIPS-Acetylen zum Dimethoxy-Derivat 23. Anschließende ortho-Lithiierung liefert entweder in einem zweistufigen Prozess durch Abfangen der lithiierten Spezies mit Para-formaldehyd und anschließender Swern-Oxidation den Aldehyd25. Wahlweise gelingt die Darstellung des Aldehyds25auch in einem einstufigen Prozess durch Reaktion der lithiierten Spezies mit DMF. Eine Wittig-Reaktion mit zuvor frisch hergestelltem Phosphor-Ylid liefert das Dimethoxy-Styrolderivat24.

teren Anbindung an das rod-Segment benötigt. Ausgehend vom Dimethoxy-Baustein22 wurde durch eine Sonogashira-Hagihara-Kupplung mit TIPS-Acetylen eine Alkinfunktion eingeführt (23, Schema 2.7). Diese geschützte Alkinfunktion kann nach dem Entschützen durch eine Sonogashira-Hagihara-Kreuzkupplung zur Anbindung an ein Iod- oder Brom-funktionalisiertes rod-Segment genutzt werden. Eineortho-Lithiierung des Alkinbausteins 23 mittels n-BuLi und Abfangen der lithiierten Spezies mit Paraformaldehyd lieferte den Benzylalkohol21. Eine anschließende Swern-Oxidation führte zum Aldehyd25in einem, ausgehend vom Alkinbaustein 23, zweistufigen Syntheseprozess. Die Gesamtausbeute aus Benzylakoholherstellung und Swern-Oxidation zum Aldehyd25betrug lediglich 32%.

Arbeiten von Trost et al. haben gezeigt, dass beim Zusatz des starken σ-Donors Tetra-methylethylendiamin (TMEDA) bei derortho-Lithiierung die resultierende lithiierte Spezies mit DMF abgefangen werden kann.^[40] Eine Adaption der von Trost et al. verwendeten Bedingungen mit DMF als Elektrophil auf den Alkinbaustein23lieferte, nach anschließen-der wässrigen Aufarbeitung, den Aldehyd25 mit einem Syntheseschritt weniger in einer Ausbeute von 80%. Eine anschließende Wittig-Reaktion mit frisch aus Methyltriphenyl-phosphoniumbromid hergestelltem Methylentriphenylphosphoran lieferte das Dimethoxy-Styrolderivat24in 98% Ausbeute. Die Vorschrift^[40]für diese Wittig-Reaktion wurde eben-falls vonTrost et al.publiziert.

Ein dritter Vertreter der Methoxy-Funktion tragenden Styrolderivate, das

Dimethoxy-22 26 27

Schema 2.8:Darstellung von Dimethoxy-Styrol27durch Suzuki-Kreuzkupplung des Bromids22mit dem Trifluoroborat26.

Styrol 27, wurde ebenfalls vom Dimethoxy-Baustein 22 ausgehend, synthetisiert. Dabei wird die Doppelbindung durch eine Suzuki-Kupplung mit einem Vinyl-funktionalisierten Bororganyl eingeführt. Der interessante Punkt dabei ist, dass die Handhabung der für die Kupplung benötigten nicht aromatischenα,β-ungesättigten Bororganyle sehr schwie-rig ist und viele Vertreter dieser Verbindungsklasse zur spontanen Polymerisation nei-gen.^[41,42] Zusätzlich dazu ist die Protodeborylierung der Boronsäure bei den genutz-ten Reaktionsbedingungen (THF/H₂O, Rückfluss) als Nebenreaktion zu nennen.^[43] Ein eleganter Weg, die schwierige Handhabung der Vinylboronsäure zu umgehen, ist das

„Schützen“ der Boronsäure. Bei der Verfolgung dieser Synthesestrategie sind drei Vari-anten geschützter Boronsäuren besonders erwähnenswert. Zum einen kann die Neigung von Boronsäuren Boroxine zu bilden genutzt werden. So stellte die Arbeitsgruppe um O’Sheagezielt einen 2,4,6-Trivinylcyclotriboroxan-Pyridin Komplex her, welcher durch die in-situ-Generierung von Vinylboronsäure als Vinyl-Spender fungieren kann.^[44]Die zweite Variante ist die Nutzung so genannter MIDA-Boronate.^[45] Durch die Zugabe von milder wässriger Base wie NaHCO₃-Lsg. kann in-situ die Boronsäure über einen steuerbaren Zeitraum freigesetzt werden.^[45] Die dritte Variante, geschützte Boronsäuren einzuset-zen, beschreibt Molander mit der Nutzung von Trifluoroboraten.^[46–49] Durch das Lösen der Kalium-Organotrifluoroborate in Wasser wird durch Hydrolyse die Boronsäurein-situ freigesetzt.^[46] Alle drei Bororganyle, das Trivinylcyclotriboroxan, das Vinyl-MIDA-Boronat und das Kaliumvinyltrifluoroborat sind kommerziell erhältlich. Aufgrund der geringen Kos-ten des Kaliumvinyltrifluoroborats (33€/g)^[50] im Vergleich mit dem Boroxin (37€/g)^[50] und dem entsprechenden MIDA-Boronat (76€/g)^[50]habe ich mich für die Verwendung des Ka-liumvinyltrifluoroborats26entschieden. Erste Versuche bei der Verwendung vom Trifluo-roborat 26 zur Darstellung von Styrolderivaten führte Vanessa Koch im Rahmen eines von mir betreuten Forschungspraktikums erfolgreich durch.^[31] Ziel war die Darstellung des fluorierten Styrolbausteins 1-Brom-2,3,5,6-tetrafluor-4-vinylstyrol. Die von ihr verwen-deten Reaktionsbedingungen konnten für die Synthese des meta-Dimethoxyderivats 27 übernommen werden (Schema 2.8). Die Reaktion lieferte dasmeta-Dimethoxyderivat27 in guten Ausbeuten um 76%. Die Aufarbeitung ist, wenn eine weitere Umsetzung mit

säu-lenchromatographischer Auftrennung anschließt, vergleichsweise simpel und kann durch eine Filtration über Kieselgel erfolgen. Neben dem gewünschten Produkt, dem meta-Di-methoxyderivat27, entsteht ein weiteres Vinylderivat. Ersichtlich wird dies durch zusätz-liche Signale im ¹H-NMR-Spektrum. Dabei ist zum einen das Dublett von Dubletts bei 6.72 ppm und zum anderen die beiden Dubletts bei 5.76 ppm und 5.25 ppm zu nen-nen. Zusätzlich dazu sind mehrere Multipletts bei 7.41 ppm, 7.34 ppm und 7.26 ppm vorhanden. Ob diese Signale zu der Vinylverbindung gehören oder von einer weiteren Verbindung, wie z.B. von dehalogeniertem Edukt22 stammen, kann mit den erhaltenen Daten nicht geklärt werden. Um das Styrolderivat 27 in höchster Reinheit zu erhalten, ist eine säulenchromatographische Trennung mitn-Pentan/Et₂O (10:1) nötig. Dabei wer-den die nicht iwer-dentifizierten Begleitverbindungen abgetrennt. Belegt wird dies durch Dünn-schichtchromatographie und das Abhandensein der Signale der Begleitverbindungen im

1H-NMR-Spektrum des gereinigtenmeta-Dimethoxyderivats27. Eine Derivatisierung des aus dem meta-Dimethoxyderivat 27 hergestellten Alkoxyamins sollte, wie Experimente von Struktur-verwandten Verbindungen zeigten, durchortho-Lithiierung zwischen den Me-thoxyfunktionen möglich sein.

Es wurden insgesamt drei ¹H-NMR-Sonden tragende Styrolderivate dargestellt. Das Brom-Methoxyderivat13trägt eine Methoxyfunktion als Sonde und bietet durch die Brom-funktion die Möglichkeit einer weiteren Derivatisierung. Das Dimethoxy-Styrolderivat 24 ist durch zwei chemisch und magnetisch äquivalente Methoxygruppen und eine TIPS-Acetylengruppe funktionalisiert. Die zwei Methoxyfunktionen vergrößern das Integral der

1H-NMR-Sonde im Vergleich mit dem Integral der Sonde am Brom-Methoxyderivat 13 um den Faktor zwei. Durch die Acetylenfunktion ist nach Desilylierung eine Weiterreak-tion durch z.B. Sonogashira-Hagihara-Kreuzkupplung oder [2+3]-CycloaddiWeiterreak-tion möglich.

Das meta-Dimethoxyderivat 27 verknüpft den Vorteil zweier chemisch und magnetisch äquivalenter Methoxyfunktionen mit einer einfachen Darstellung der Verbindung in nur einem Reaktionsschritt. Eine Derivatisierung sollte durch ortho-Lithiierung zwischen den Methoxyfunktionen möglich sein.