Synthese und Photochemie von 2H-1-Benzo(thio)pyrancarbonitrilen

von

2H-1-Benzo(thio)pyrancarbonitrilen

Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades des Fachbereichs Chemie

der Universität Hamburg

vorgelegt von Dirk Schwebel aus Gelsenkirchen

2. Gutachter: Prof. Dr. W. A. König

von Herrn Prof. Dr. P. Margaretha im Institut für Organische Chemie der Universität Hamburg durchgeführt.

Meinem Doktorvater, Herrn Prof. Dr. Margaretha, danke ich für die freundliche Aufnahme in Hamburg, für die Überlassung des Themas, für sein stetes Interesse am Verlauf dieser Arbeit sowie für die damit verbundenen wissenschaftlichen Diskussionen.

In Gedenken an Prof. Dr. Paul Schwebel, der sich 1877 an der Friedrich-Wilhelms-Universität Berlin bei seiner Dissertation mit „Derivate substituirter Glycocolle“ beschäftigte. Mit seiner These „die Constitutionsformel des Hydantoins ist als geschlossene Kette zu schreiben“ hat er nach heutigem Kenntnisstand recht behalten.

A. Allgemeiner Teil...1

1. Einleitung...1

2. Aufgabenstellung...6

B. Hauptteil...7

1. Darstellung der Photoedukte...7

1.1 Darstellung von 3-Cyanocumarin (1a)...7

1.2 Darstellung von 3-Cyano-4-methylcumarin (1b)...9

1.3 Darstellung von 3-Cyano-5-methoxycumarin (1c)...10

1.3.1 Darstellung von Dimethoxybenzaldehyd (13)...10

1.3.2 Darstellung von 6-Hydroxy-2-methoxybenzaldehyd (14)...11

1.3.3 Darstellung von 3-Cyano-5-methoxycumarin (1c)...12

1.4 Darstellung von 3-Cyano-6-methoxycumarin (1d)...12

1.5 Darstellung von 3-Cyano-7-methoxycumarin (1e)...13

1.6 Darstellung von 3-Cyano-8-methoxycumarin (1f)...13

1.7 Darstellung von 3-Cyanothiocumarin (1i)...14

1.7.1 Darstellung von 2-Methylthiobenzylalkohol (19i)...15

1.7.2 Darstellung von 2-Methylthiobenzaldehyd (20i)...16

1.7.3 Darstellung von 2-Methylthiobenzylidenmalonsäuremononitril (21i)...17

1.7.4 Darstellung von 3-Cyanothiocumarin (1i)...17

1.8 Darstellung von 4-Cyanocumarin (1k)...18

1.8.1 Darstellung von 4-Methylcumarin (29)...19

1.8.2 Darstellung von 4-Formylcumarin (30)...20

1.8.3 Darstellung von 4-Formylcumarin-oxim (31)...21

1.8.4 Darstellung von 4-Cyanocumarin (1k)...21

1.9 Darstellung von 4-Butenyl-3-cyanocumarin 1g...22

1.9.1 Darstellung von 2-(1-Hydroxypent-4-en-1-yl)-phenol (33g)...23

1.9.2 Darstellung von Pentenoylphenol 34g...23

1.9.3 Darstellung von 4-Butenyl-3-cyanocumarin 1g...25

1.10 Darstellung von 3-Cyano-4-pentenylcumarin 1h...25

1.10.1 Darstellung von 2-(1-Hydroxyhex-5-en-1-yl)-phenol (33h)...26

1.10.2 Darstellung von Hexenoylphenol 34h...27

1.11 Spektrokopische Daten der Photoedukte...28 1.11.1 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie...28 1.11.2 Massenspektroskopie...30 1.11.3 UV/VIS-Spektroskopie...31 2. Photochemische Untersuchungen...35 2.1 Theoretische Grundlagen...35

2.2 Intermolekulare photochemische Reaktionen...37

2.2.1 Bestrahlungen in Gegenwart von Dimethylbuten 36 bzw. Isobuten (37)...37

2.2.1.1 Spektrokopische Daten der Photoprodukte...48

2.2.2 Bestrahlungen in Gegenwart von 2-Methylbut-1-en-3-in (38)...53

2.2.2.1 Spektrokopische Daten der Photoprodukte...61

2.3 Intramolekulare photochemische Reaktionen...65

2.4 Quench- und Sensibilisierungsversuche...72

2.4.1 Allgemeines...72

2.4.2 Quenchversuche...74

2.4.3 Sensibilisierungsversuche...78

3. Diskussion der Ergebnisse...80

C. Zusammenfassung...85

D. Abstract...90

E. Experimenteller Teil...92

1. Allgemeine Methoden...92

2. Darstellung der Photoedukte...94

3. Intermolekulare photochemische Reaktionen...117

4. Intramolekulare photochemische Reaktionen...148

5. Quench- und Sensibilisierungsversuche...152

E. Literaturverzeichnis...161

A. Allgemeiner Teil

1. Einleitung

In den letzten 40 Jahren konnten durch die revolutionäre Entwicklung analytischer und präparativer Methoden in der Chemie zahlreiche Naturstoffe isoliert, charakterisiert und durch Totalsynthese hergestellt werden. Eine dieser ausführlich untersuchten Naturstoffklassen ist die der Cumarine.

Das unsubstituierte Cumarin wurde erstmals in München von Vogel1) aus der Tonkabohne isoliert. Der Tonkabaum (Dipteryx odorata W.2)) ist in Guyana beheimatet und trägt den karibischen Namen „Coumarou“, von dem sich das „Cumarin“ ableitet. Schon damals wurde die schwarzbraune, ca. vier bis fünf Zentimeter lange Tonkabohne in ihrer Heimat als reizendes und krampfstillendes Mittel eingesetzt. „Die Eingeborenen tragen die Bohnen wegen ihres Wohlgeruches in Ketten um den Hals“2). Das Cumarin ist auch als Aromastoff des Waldmeisters und des Steinkleekrautes bekannt3). Die erste Synthese dieses pflanzlichen Parfums, welches nach frisch gemähtem Heu riecht, gelang Perkin4) 1868 aus dem Natriumsalz von Salicylaldehyd und Essigsäureanhydrid. Die Strukuraufklärung gelang noch im selben Jahr durch Fittig5), Strecker6) unabhängig voneinander und später durch Tiemann und Herzfeld7) im Jahre 1877.

Abbildung 1: Cumarin

Seit der Isolierung des Cumarins sind bis heute mehr als 800 substituierte Cumarine isoliert und charakterisiert worden. Ihre physiologischen Eigenschaften sind insbesondere in der Medizin und Pharmazie von besonderem Interesse. So ist ihre antibiotische Aktivität, ihre blutgerinnende Wirkung, die Hepatotoxizität und Carcinogenität der Aflatoxine sowie die photosensibilisierende Wirkung einiger Furocumarine auf Zellen bekannt, aber bislang z. T. nur unzureichend erforscht.

O O 1 2 3 4 5 6 7 8

O O O O O O O OMe 1 2 3 4 5 6 7 8 ₉

Abbildung 2: Aflatoxin B1, Psoralen

Psoralenhaltige Pflanzen werden zur Behandlung von Hautkrankheiten wie der Psoriasis verwendet8). Die Wirkungsweise beruht auf einer photochemisch hervorgerufenen [2+2]-Cycloaddition des Psoralens mit den Nucleinbasen der DNA und RNA9). Bei dem Mechanismus geht man zunächst von der Bildung eines Einlagerungskomplexes aus (Abbildung 3). Anschließend kann durch Licht die Bildung eines Mono- oder Bisadduktes erfolgen10). Es wird dabei nur eine geringe Verzerrung der ursprünglichen räumlichen Struktur bei der Verküpfung zweier DNA-Stränge (cross-linkage) postuliert11).

6 5 7 6 6 5 4 3 N N Me O O N N Me O OO O O

Abbildung 3: Einlagerungskomplex von Psoralen in die Pyrimidinbasen zweier gegen-überliegender DNA-Stränge

Die photochemische Reaktion findet an C-3 und C-4 bzw. an C-6 und –7 des Psoralens mit den Pyrimidinbasen an Position 5 und 6 zu den entsprechenden Cyclobutanen statt (Abbildung 3).

Das Cumarin reagiert bei Bestrahlung mit UV-Licht in Gegenwart von Alkenen, wie dem 2,3-Dimethylbut-2-en zu dem entspechenden Cyclobutanaddukt12), jedoch nur in geringen Ausbeuten. Bessere Umsätze werden mit Hilfe von Benzophenon als Sensibilisator erzielt.

h υ O O + O O 1 2 3 4 5 6 7 8

Schema 1: [2+2]-Cycloaddition von Cumarin mit Dimethylbuten

Reaktives Zentrum dieser Cycloaddition (Schema 1) ist die C3-C4-Doppelbindung, die als fixierte C-C-Doppelbindung eines Zimtsäureesters angesehen werden kann.

Ein ähnliches photochemisches Reaktionsverhalten findet man auch bei α,β-ungesättigten Ketonen. So liefert die Bestrahlung von Cyclohex-2-enon in Gegenwart von 2,3-Dimethyl-but-2-en ein Gemisch der diastereomeren 7,7,8,8-Tetramethylbicyclo[4.2.0]octan-2-one13).

h υ

O

+

O _O

+

Schema 2: [2+2]-Cycloaddition an Cyclohexenon

Neuartige Photocyclisierungsreaktionen im Sinne einer [2+3]-Cycloaddition wurden von Saito et al. bei der Bestrahlung von 6-Cyano-1,3-dimethyluracil in Gegenwart von Methylbuten beobachtet14). N N O O CN + h υ EtOH N N O O NH

Saito et al. beobachteten ebenso eine [2+3]-Photocyclisierung bei gleichem Substitutions-muster15). Wie in Schema 4 beschrieben, liefert das untersuchte 2-Cyanochromon in Gegenwart von Isobuten zum einen das [2+3]- und zum anderen das [2+2]-Cycloadditionsprodukt im Verhältnis von 87 : 13.

O O CN _O O NH O O CN h υ +

Schema 4: Reaktion von 2-Cyanochromon

Für diese Reaktion wird von einem Mechanismus ausgegangen, bei dem sich zunächst das Isobuten an C3 addiert (Schema 5)16). Das so gebildete 1,4-Diradikal kann nun im Sinne einer [2+2]-Cycloaddition zum Cyclobutan schließen, oder aber unter Bildung eines Fünfrings zum Vinylnitren weiterreagieren. Das Nitren kann sich durch Wasserstoff-Verschiebung zum Imin stabilisieren. + -O O NH O O N O O N O O N O O CN O O CN h υ O O CN

Auf die Multiplizitäten der durchlaufenen Intermediate wird erst im Hauptteil (2. Photo-chemische Untersuchungen) ausführlich eingegangen.

Bei den beiden letzten beschriebenen Untersuchungen (Schema 3 und 4) handelt es sich bei beiden Photoedukten um ein ββββ-cyano-α,β-ungesättigtes Carbonylsystem.

Eine ähnliche Reaktion konnte an αααα-cyano-α,β-ungesättigten Ketonen ebenso beobachtet werden. Man erhält bei der Bestrahlung von 2-Cyano-6,6-dimethylcyclohex-2-enon17) in Gegenwart von 2,3-Dimethylbut-2-en ausschließlich das tricyclische Isoxazol18).

O

CN

h υ

O N

Schema 6: Bildung eines tricyclischen Isoxazols

Auch bei dieser Reaktion wird zunächst das Alken an C3 addiert (Schema 7). Anschließend schließt das 1,4-Diradikal über eine 1,5-Cyclisierung zum β-Acylvinylnitren. Dieses Intermediat stabilisiert sich nicht, wie in Schema 5, durch eine Wasserstoff-Verschiebung, sondern durch erneuten Ringschluß zum 1,2-Oxazol.

N O O _N O CN h υ O CN

2. Aufgabenstellung

Ziel dieser Arbeit ist es, zunächst 3- und 4-Cyanocumarine zu synthetisieren, die dem Substitutionsmuster der αααα-cyano-α,β-ungesättigten und ββββ-cyano-α,β-ungesättigten Ketone im weiteren Sinne gehorchen.

X CN O R₁ R O O CN 1a-i 1k

Abbildung 4: 3- und 4-Cyanocumarine 1a-i bzw. 1k

Im Anschluß sollen deren photochemischen Eigenschaften in Gegenwart von verschiedenen Alkenen untersucht werden. Die entstehenden Photoprodukte sollen isoliert und charakterisiert werden. Ein besonderes Interessen gilt dabei möglichen 1,5-Cyclisierungsreaktionen, die durch Variation der Substituenten der Photoedukte beeinflußt werden sollen.

Desweiteren sollen auch intramolekulare Photoreaktionen (R1 = butenyl- und pentenyl-)

durchgeführt werden.

Die auf diesem Wege neuartig funktionalisierten Cumarine stellen potentielle Vorstufen für die Synthese von Natur- und Wirkstoffen dar, die möglicherweise in der Medizin und Pharmazie von besonderem Interesse sind.

B. Hauptteil

1. Darstellung der Photoedukte

1.1 Darstellung von 3-Cyanocumarin (1a)

Baker und Howes19) beschrieben bereits 1953 die Darstellung des 3-Cyanocumarins (1a) durch Kondensation von o-Hydroxybenzaldehyd (2) mit Malonsäuredinitril (3) in Ethanol in Anwesenheit von wenig Pyridin, und anschließender saurer Aufarbeitung.

OH H O + CN CN _{1) EtOH/py} 2) H+/H2O O O CN 2 3 1a Schema 8

Bei dieser Reaktion geht man zunächst von einer Knoevenagel-Kondensation20) aus, die zum o-Hydroxybenzylidenmalondinitril führt (Schema 9). Der anschließend erfolgende nukleophile Angriff des Phenolats an eine Nitrilgruppe liefert das Iminocumarin, welches durch saure Aufarbeitung zum 3-Cyanocumarin (1a) hydrolysiert.

Die nachfolgend beschriebenen Darstellungen der substituierten 3-Cyanocumarine 1b-i verlaufen nach einem ähnlichen Reaktionsmuster.

1a 3 2 Base O CN O -NH3 H+/H₂O O H CN C NH OH H CN CN - H₂O OH H O + CN CN Base Schema 9

3-Cyanocumarin (1a) konnte dabei als nahezu farbloser kristalliner Feststoff in einer Ausbeute von 76 % d. Th. erhalten werden.

Hartmann und Czerney21) arbeiten ebenfalls in Ethanol und wenig Pyridin. Sie gehen dagegen von Cyanacetamid (4) und o-Hydroxybenzaldehyd (2) aus, isolieren die Iminzwischenstufe 5 und setzen anschließend mit einer Mischung aus Dimethylformamid und Phosphorylchlorid (2:1) um. Sie erhalten auf diese Weise 1a in der Ausbeute von 86% d. Th..

CN H₂N O 3 POCl DMF O NH O NH₂ Pyridin EtOH O O CN + H O OH 2 4 5 1a Schema 10

Im Rahmen dieser Arbeit wurde 3-Cyanocumarin (1a) aus Kostengründen nach der von Baker und Howes19) beschriebenen Methode dargestellt (Ausbeute: 39 % d. Th.).

1.2 Darstellung von 3-Cyano-4-methylcumarin (1b)

Eine Möglichkeit zur Synthese von 3-Cyano-4-methylcumarin (1b) ist die C4-Alkylierung von 3-Cyanocumarin (1a) mit Diazomethan. Dieser Reaktionsweg wird von Dean et al.22) in nahezu quantitativer Ausbeute beschrieben. Schröder und Link23) hingegen erhalten das Methylcumarin 1b durch Reaktion von o-Hydroxyacetophenon (6) mit Ethylcyanacetat (7) in einer Lösung von Natriumethanolat in Ethanol als leicht gelbe Nadeln in einer Ausbeute von 79% d. Th.. OH O + NaOEt EtOH O O CN O CN EtO 6 7 1b Schema 11

Vor wenigen Jahren fanden Friguelli, Pizzo et al.24) eine weitere Möglichkeit zur Darstellung von 3-Cyano-4-methylcumarin (1b). Sie erhielten in einer „Ein-Topf-Reaktion“ das Cumarin 1b ebenfalls aus o-Hydroxyacetophenon (6). Als Reaktionpartner wurde Malonsäuredinitril (3) in verdünnter Natronlauge verwendet. Durch Erwärmen und anschließender saurer Aufarbeitung konnte 1b in einer Ausbeute von 95% d. Th. erhalten werden.

O OH + O O CN CN CN 1) NaOH 2) HCl 6 3 1b Schema 12

Aufgrund der einfachen und kostengünstigen Synthese wurde im Rahmen der Arbeit die Darstellung nach Friguelli, Pizzo et al.24) durchgeführt. 3-Cyano-4-methylcumarin (1b) konnte so in einer Ausbeute von 70% d. Th. erhalten werden.

1.3 Darstellung von 3-Cyano-5-methoxycumarin (1c)

In Analogie zur Darstellung des 3-Cyano-5,7-dimethoxycumarins (9)24) aus 3,5-Dimethoxy-salicylaldehyd (8) und Malonsäuredinitril (3) (Schema 13) sollte auch 3-Cyano-5-methoxycumarin (1c) aus dem entsprechenden 6-Hydroxy-2-methoxybenzaldehyd (14) zugänglich sein (Schema 16).

CHO OH O O CN CN _{O O} CN O O + 1) NaOH 2) H+/H₂O 8 3 9 Schema 13

Zur Synthese von 6-Hydroxy-2-methoxybenzaldehyd (14) geht man von Resorcindimethylether (10) aus.

1.3.1 Darstellung von 2,6-Dimethoxybenzaldehyd (13)

Die Synthese von 2,6-Dimethoxybenzaldehyd (13) ist bereits seit 1940 durch Wittig25) bekannt. Resorcindimethylether (10) kann zunächst mit Phenyllithium selektiv in 2-Position metalliert werden. Durch anschließende Zugabe von N-Methylformanilid (11) und Hydrolyse des entstehenden N-Benzylats 12 wird der Benzaldehyd 13 in einer Ausbeute von 39 % d. Th. gegenüber einer Literaturausbeute von 55 %25) erhalten.

O O O H 10 12 H+/H₂O O O LiO N Ph H 11 N O H P h Li O O PhLi O O - PhNH(CH₃) 13 Schema 14

1.3.2 Darstellung von 6-Hydroxy-2-methoxybenzaldehyd (14)

In Analogie zu Li et al.26) konnte 6-Hydroxy-2-methoxybenzaldehyd (14) durch Erhitzen von Dimethoxybenzaldehyd 13 in Benzol mit Aluminiumchlorid und anschließender Hydrolyse erhalten werden. Die Ausbeute für diese Umsetzung nach chromatographischer Aufarbeitung lag bei nur 4 % d. Th.. Trotz geringer Ausbeute konnte im Rahmen dieser Arbeit mit Verbindung 14 weitergearbeitet werden. Ein Versuch zur Erhöhung der Ausbeute wurde nicht unternommen. O O O H 2) H+/H₂O HO O O H 1) AlCl3 13 14 Schema 15

1.3.3 Darstellung von 3-Cyano-5-methoxycumarin (1c)

Die Umsetzung des Methoxysalicylaldehyds 14 mit Malonsäuredinitril (3) in verdünnter Natriumhydrogencarbonat-Lösung bei Raumtemperatur und nachfolgendem Erhitzen nach Zugabe von konz. Salzsäure führte in Analogie zur Synthese von 3-Cyano-5,7-dimethoxycumarins (9)24) zum gewünschten Produkt 1c. Die Reaktion verlief in zufrieden-stellender Ausbeute (58% d. Th.). HO O O H CN CN + 1) NaHCO₃ 2) HCl O O CN O 14 3 1c Schema 16

1.4 Darstellung von 3-Cyano-6-methoxycumarin (1d)

Die Photodimerisierung einiger substituierter Cumarine wurden von Ulrich et al.27) untersucht. Sie beschreiben u. a. die Darstellung von 3-Cyano-6-methoxycumarin (1d). Für die Synthese von 1d gehen sie von 2-Hydroxy-5-methoxybenzaldehyd (15) und Cyanessigsäureethylester (7) aus. Nach Zugabe von Piperidin in Chlorbenzol und Erhitzen am Wasserabscheider erhalten sie 3-Cyano-6-methoxycumarin (1d) in quantitativer Ausbeute.

OH O H O + CN EtO O O CN O O Piperidin C6H5Cl 15 7 1d Schema 17

Statt Chlorbenzol wurde im Rahmen dieser Arbeit Toluol als Lösungsmittel verwendet. Das Cumarin 1d konnte so nach Umkristallisation aus Ethylacetat in einer Ausbeute von 77 % d. Th. erhalten werden.

1.5 Darstellung von 3-Cyano-7-methoxycumarin (1e)

Nach Fringuelli et al.24) sowie Baker et al.19) kann die Darstellung von 3-Cyano-7-methoxy-cumarin (1e) aus 2-Hydroxy-4-methoxybenzaldehyd (16) und Malonsäuredinitril (3) erfolgen. Hierbei findet zunächst eine basenkatalysierte Kondensation des Benzaldehyds 16 mit dem Nitril 3 statt. Die anschließende saure Hydrolyse führt zur Lactonisierung.

O O CN MeO CN CN + OH O H MeO 1) OH -2) H+/H2O 16 3 1e Schema 18

So konnte das Cumarin 1e nach Umkristallisieren aus Ethanol in einer Ausbeute von 44 % d. Th. (Lit.19, 24): 80 % bzw. 92 %) erhalten werden.

1.6 Darstellung von 3-Cyano-8-methoxycumarin (1f)

Die Darstellung von 3-Cyano-8-methoxycumarin (1f) ist bereits seit 1947 durch Horning et al.28) bekannt. Bei diesem Syntheseweg werden iso-Vanillin (17) und Ethylcyanacetat (7) in äquimolaren Mengen in Ethanol unter Zugabe von einigen Tropfen Piperidin umgesetzt. Nach Ansäuern der Reaktionsmischung und Umkristallisieren aus Aceton erhält man das Methoxycumarin 1f in einer Ausbeute von 35 %28).

O OMe O CN 1) Piperidin/EtOH CN EtO O + OMe OH O H 2) H+/H2O 17 7 1f Schema 19

Czerney und Hartmann21) gehen ebenso von iso-Vanillin jedoch von Cyanacetamid (4) als Reaktionspartner aus. Sie erhalten nach Erhitzen in Dimethylformamid und Phosphorylchlorid das Cumarin 1f in einer Ausbeute von 69 % d. Th..

Die Synthese wurde aus Kostengründen nach der von Horning et al.28) beschriebenen Methode durchgeführt. Das 3-Cyano-8-methoxycumarin 1f konnte auf diesem Weg in einer Ausbeute von 19 % erhalten werden.

1.7 Darstellung von 3-Cyanothiocumarin (1i)

Bereits 1969 veröffentlichten A. Ruwet und M. Renson29) eine Darstellungsmöglichkeit der Thio- und Selenocumarine 1i und 1j. Dabei gingen sie von den entspechenden o-Methylthio-bzw. o-Methylseleno-zimtsäuren 21i o-Methylthio-bzw. 21j aus. Die Zimtsäuren 21i und 21j werden zunächst mit Thionylchlorid in die Carbonsäurechloride 22i und 22j überführt und anschließend wird mit Aluminiumchlorid cyclisiert.

AlCl₃ 2) 1) X CN O SOCl2 X CN COOH CH₃ X = S 21i 1i X = Se 21i 1j Schema 20

Für die Synthese von 1i bietet sich die in Schema 21 dargestellte Reaktionsfolge an. Ausgehend vom Methylmercatobenzoesäureester 18i läßt sich durch Reduktion der Benzylalkohol 19i darstellen. Der Methylthiobenzaldehyd 20i kann aus 19i durch selektive Oxidation mit Mangan(IV)oxid hergestellt werden. Durch Kondensation mit Cyanessigsäure (23) erfolgt die Bildung von 21i, welches dann in das gewünschte Thiocumarin 1i überführt werden kann. CN COOH AlCl₃ S O CN SOCl2 C CN S O Cl COOH CN S H O S MnO₂ S OH LiAlH₄ O O S 1i 22i 21i

18i _19i 20i

23

Schema 21

1.7.1 Darstellung von 2-Methylthiobenzylalkohol (19i)

In der Literatur wird die Darstellung von 2-Methylthiobenzylalkohol (19i) ausgehend von 2-Methylthiobenzoesäure (24) beschrieben30, 31). Die Benzoesäure 24 wird dabei äquimolar mit Lithiumaluminiumhydrid in Diethylether unter Rückfluß zum Alkohol 19i reduziert. Bei dieser Reaktion wird eine Ausbeute von 86 % d. Th.30) angegeben.

LiAlH₄ S OH COOH S 24 19i Schema 22

In Analogie zu dieser Reaktion sollte 19i auch durch Reduktion des Benzoesäuremethylesters 18i zugänglich sein. So führte die Umsetzung von 18i in Diethylether mit Lithiumaluminiumhydrid in sehr guten Ausbeuten (95 % d. Th.) zum 2-Methylthiobenzyl-alkohol (19i). S OH LiAlH₄ S O O 18i 19i Schema 23

1.7.2 Darstellung von 2-Methylthiobenzaldehyd (20i)

Der Benzylalkohol 19i kann selektiv mit einem 10fachen Überschuß an aktiviertem Mangandioxid zum entspechenden 2-Methylthiobenzaldehyd (20i) oxidiert werden30, 32). Der Benzaldehyd 20i kann so in einer Ausbeute von 85 % d. Th. (Lit.30): 82 % d. Th.) erhalten werden. S OH S O H MnO2 19i 20i Schema 24

1.7.3 Darstellung von 2-Methylthiobenzylidenmalonsäuremononitril (21i)

Die Kondensation von 2-Methylthiobenzaldehyd (20i) mit Cyanessigsäure (23) führt zur α-Cyanozimtsäure 21i. Ruwet und Renson33) führen die Reaktion in wenig Piperidin durch und erhalten 2-Methylthiobenzylidenmalonsäuremononitril (21i) in einer Ausbeute von 80 % d. Th.. Im Rahmen dieser Arbeit wurde 21i auf gleichem Wege synthetisiert. Die Ausbeute hierbei betrug 85 % d. Th.. S H CN COOH - H₂O Piperidin CN COOH + S H O 20i 23 21i Schema 25

1.7.4 Darstellung von 3-Cyanothiocumarin (1i)

Mit einem doppelten Überschuß an Thionylchlorid läßt sich das Benzyliden-malonsäuremononitril 21i in das Säurechlorid 22i überführen29). Das überschüssige Thionylchlorid wird destillativ entfernt. Durch Zugabe von Aluminiumchlorid in Benzol wird zum 3-Cyanothiocumarin (1i) cyclisiert. Die Ausbeute über beide Syntheseschritte beträgt 42% d. Th. gegenüber 80 % d. Th. der Literatur29).

AlCl3 S CN O SOCl₂ S H CN C O Cl S H CN COOH 21i 22i 1i Schema 26

Bei der Cyclisierung gehen Ruwet und Renson29) von dem in Schema 27 dargestellen Reaktionsmechanismus aus. Aluminiumchlorid aktiviert das Carbonylkohlenstoffatom zum Acylium-Ion 25i, welches nun unter Bildung eines Sulfonium-Ions 26i elektrophil das Heteroatom addiert. Die formale Abspaltung von Chlormethan führt zum Thiocumarin 1i.

AlCl₄ -1i _26i 25i 22i + + AlCl4 -S CN C O Cl S CN O AlCl₃ S CN C O S CN O -AlCl₃ CH₃Cl Schema 27

1.8 Darstellung von 4-Cyanocumarin (1k)

Die in Schema 28 dargestellte Synthesesequenz zeigt die Darstellung des 4-Cyanocumarins (1k). Ausgehend von Phenol (27) kann das 4-Methylcumarin (29) synthestisiert werden. Durch Oxidation erhält man 4-Formylcumarin (30), welches mit Hydroxylammoniumchlorid in das ensprechende Oxim 31 umgewandelt werden kann. Schließlich führt die formale Dehydratisierung von 31 zum 4-Cyanocumarin (1k).

Ac₂O NH₂OH HCl SeO₂ H+/H₂O 2) 1) AlCl3 + O N H O OH O CN O _O O H O O O O O O OH 27 28 29 30 31 1k Schema 28

1.8.1 Darstellung von 4-Methylcumarin (29)

Die Synthese von 4-Methylcumarin (29) geht von Phenol (27) und Ethylacetoacetat (28) aus34). Die Reaktion wird in Nitrobenzol unter Zugabe von Aluminiumchlorid durchgeführt. Die anschließende saure Hydrolyse liefert 29 in einer Ausbeute von 42 % d. Th. gegenüber 80-85 % der Literatur34). Der Reaktionsmechanismus kann als Friedel-Crafts-Acylierung gekoppelt mit einer Umesterung beschrieben werden.

OH O O O O O + AlCl3 1) 2) H+/H2O 27 28 29 Schema 29

1.8.2 Darstellung von 4-Formylcumarin (30)

Die Darstellung des 4-Formylcumarins (30) ist seit 1981 durch Joshi und Usgaonkar35) bekannt. Das Methylcumarin 29 wird dabei mit einem 1.2fachem Überschuß an Selendioxid in Xylol umgesetzt. In einer neueren Veröffentlichung beschreiben Ito und Nakajima36) die gleiche Reaktion aber ohne Lösungsmittel bei 180°C innerhalb von 40 min. mit noch besseren Ausbeuten. Das 4-Formylcumarin (30) konnte nach der von Ito et al.36) beschriebenen Methode in einer Ausbeute von 87 % d. Th. (Lit.36): 92 % d. Th.) erhalten werden.

SeO2 O O H O O O 29 30 Schema 30

Für diese Oxidationsreaktion wird folgender Mechanismus angenommen35, 37):

-Se H2O O O H O O O H O Se H O H O CH2 O Se O OH OH -H+ -O CH2 O Se OH OH O Se O O O H H O O H2C H 29 30 Schema 31

1.8.3 Darstellung von 4-Formylcumarin-oxim (31)

Usgaonkar et al.35) beschreiben die Darstellung des 6-Methyl- und 7-Methoxycumarin-4-aldoxims. Dabei wird das Formylcumarin in einer ethanolischen Lösung aus Hydroxyl-ammoniumchlorid und Natriumacetat erhitzt. Nach Verdünnen mit Wasser fällt das Oxim aus. Auf diesem Weg läßt sich auch das Oxim 31 darstellen. Nach Umkristallisation aus Essigester erhält man 31 in einer Ausbeute von 65 % d. Th..

- H2O O O N H OH O O O H NH₂OH HCl 30 31 Schema 32

1.8.4 Darstellung von 4-Cyanocumarin (1k)

Auch die Darstellung der 6-Methyl- und 7-Methoxy-cumarin-carbonitrile aus den Oximen wird von den gleichen Autoren35) beschrieben. In Analogie wird das Oxim 31 hierbei zunächst mit Essigsäureanhydrid in das N-Acetat 32 überführt, um eine bessere Abgangsgruppe zu erhalten. Die anschließende saure Hydrolyse führt unter Eliminierung von Essigsäure zur Bildung des 4-Cyanocumarins (1k). Die Ausbeute beträgt 93 % d. Th..

Die Reaktion ausgehend vom Oxim 31 könnte ebenso durch die Umsetzung mit Acetylchlorid38), Orthoestern39), Thionylchlorid40) oder mit Phosphorpentoxid41) erfolgen.

O O CN - AcOH H+ O O N H OAc - AcOH O O N H OH Ac₂O 31 32 1k Schema 33

1.9 Darstellung von 4-But-3-enyl-3-cyanocumarin (1g)

4-Butenyl-3-cyanocumarin 1g wurde 1989 erstmals von Bojilova et al.42) durch Reaktion von 3-Cyano-4-methylcumarin (1b) mit DBU und Allylbromid in Nitromethan bei Raum-temperatur in einer Ausbeute von 35 % d. Th. dargestellt.

O O CN O O CN DBU, Br CH₃NO₂ 1b 1g Schema 34

Aufgrund der Toxizität von Nitromethan und Allylbromid wurde eine andere Methode zur Darstellung des Butenylcumarins 1g gesucht.

In Analogie zur Darstellung des 3-Cyano-4-methylcumarins (1b) (Schema 12) sollte auch das 4-Butenylcumarin 1g aus dem entsprechenden o-Hydroxybutenophenon 34g zugänglich sein. Damit ergibt sich die in Schema 34 abgebildete Synthesesequenz für die Darstellung des 4-Butenyl-3-cyanocumarins 1g. O H OH HO OH O OH MnO2 2) 3) H+/H2O CN CN 1) Mg 2 Br 32g 33g O O CN 1) OH-, 2) H+/H₂O 3 1g 34g Schema 34

1.9.1 Darstellung von 2-(1-Hydroxypent-4-en-1-yl)-phenol (33g)

Aus Brombuten 32g und Salicylaldehyd (2) sollte durch Grignard-Reaktion Hydroxypentenyl-phenol 33g zugänglich sein.

Hug et al. beschreiben die Darstellung von Hydroxyhexenylphenol 33h 43) (Schema 42). Aufgrund der leicht erfolgenden Deprotonierung der phenolischen Hydroxygruppe von 2 wird ein zweifacher Überschuß an Grignard-Reagenz verwendet. Sie erhalten so den Alkohol 33h in einer Ausbeute von ca. 80 %.

In Analogie zu der von Hug et al.43) beschriebene Synthese wurde ausgehend von Brombuten 32g und Salicylaldehyd (2) die Reaktion unter gleichen Bedingungen durchgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte nach chromatographischer Aufarbeitung 2-(1-Hydroxypent-4-en-1-yl)-phenol (33g) in einer Ausbeute von 53 % bezogen auf die eingesetzte Menge an 2 isoliert werden. HO OH 2) 3) H+/H₂O 1) Mg 2 Br OH O H 32g 33g Schema 36

Brombuten 32g wird für die Synthese von 33g nach einer Standardmethode von Kraus et al. dargestellt44).

1.9.2 Darstellung von 2-Pent-4-enoylphenol (34g)

Die gleichen Autoren43) geben auch eine Synthesemöglichkeit von 2-Pentenoylphenol 34g an. Bei dieser Reaktion handelt es sich um eine vinyloge Grignard-Reaktion ausgehend von o-Hydroxybenzoesäuremethylester (35) und Vinylmagnesiumchlorid (36). Als weiteres Hauptprodukt erhalten sie α,α-Dinvinylsalicylalkohol 37.

COOCH₃ OH CH₂=CHMgCl THF _OH OH OH O + 36 35 37 34g Schema 37

Aufgrund der möglichen Trennprobleme der beiden Produkte 34g und 37 und der Toxizität von Vinylchlorid wurde ein anderer Syntheseweg zur Darstellung von 34g gesucht.

Mit Mangandioxid lassen sich allylische Alhohole selektiv zu Ketonen oxidieren45). Padwa und Eastman berichteten von der Oxidation des 1-Phenyl-5-hexen-1-ols (38) zum entsprechenden Keton 3946). Die Reaktion läuft innerhalb von 24 h bei Raumtemperatur in Pentan ab. HO MnO₂ O 38 39 Schema 38

Analog sollte auch auf diesem Weg die Darstellung von 2-Pent-4-enoylphenol (34g) möglich sein. HO OH MnO2 O OH 33g 34g Schema 39

Tatsächlich konnte das Hydroxyphenylketon 34g nach chromatographischer Aufarbeitung durch Oxidation mit Mangandioxid in einer Ausbeute von 39 % d. Th. als gelbes Öl erhalten werden.

1.9.3 Darstellung von 4-But-3-enyl-3-cyanocumarin (1g)

Die Darstellung von 4-Butenyl-3-cyanocumarin 1g erfolgt nach der von Fringuelli und Pizzo et al.24) beschriebenen Methode zur Synthese von 4-Methyl-3-cyanocumarin (1b) (Schema 12). Hierbei geht man von Malonsäuredinitril (3) und 2-Pent-4-enoylphenol (34g) aus. Nachdem der Reaktionsansatz zunächst in verdünnter Natronlauge erhitzt wurde, erfolgt die Zugabe von wenig konz. Salzsäure. Nach der chromatographischen Aufarbeitung erhält man 4-But-3-enyl-3-cyanocumarin (1g) in einer Ausbeute von 26 % d. Th..

O OH + CN CN 1) OH -2) H+/H₂O O O CN 34g 3 1g Schema 40

1.10 Darstellung von 3-Cyano-4-pentenylcumarin 1h

Die Darstellung von 3-Cyano-4-pent-4-enylcumarin (1h) verläuft über eine ähnliche Reaktionsfolge wie die zur Synthese von 4-Butenyl-3-cyanocumarin 1g (Schema 34). Die Synthesesequenz ist in Schema 41 veranschaulicht. Ausgehend von Brompenten 32h wird zunächst durch Grignard-Reaktion Hydroxyhexenylphenol 33h synthetisiert. Nach Oxidation zum Keton 34h erfolgt die Darstellung des Cumarins 1h mit Malonsäuredinitril (3).

3 2) H+/H2O 1) OH-, O O CN 33h 32h Br 2 1) Mg CN CN 3) H+/H₂O 2) MnO₂ O OH HO OH O H OH 1h 34h Schema 41

1.10.1 Darstellung von 2-(1-Hydroxyhex-5-en-1-yl)-phenol (33h)

Nach Hug et al. erfolgt die Darstellung von 2-(1-Hydroxyhex-5-en-1-yl)-phenol (33h) ausgehend von Brompenten 32h und Salicylaldehyd (2) durch Grignard-Reaktion43). Im Rahmen dieser Arbeit wurde Hydroxyhexenylphenol 33h auf diesem Wege synthetisiert. Die Ausbeute betrug 52 % d. Th. gegenüber ca. 80 % der Literatur43).

Brompenten 32h wird für die Synthese von 33h nach einer Standardmethode von Kraus et al. dargestellt44). OH O H Br 2 1) Mg 3) H+/H₂O 2) HO OH 32h 33h Schema 42

1.10.2 Darstellung von Hexenoylphenol 34h

Analog zur Darstellung von Pentenoylphenol 34g (Schema 39) durch Oxidation mit Mangandioxid nach einer abgewandelten Reaktionsvorschrift von Padwa und Eastman46) erfolgt auch die Darstellung von 34h. Die Reaktion wird innerhalb von 24 h bei Raumtemperatur in Pentan mit einem zehnfachen Überschuß an Mangan(IV)oxid durchgeführt. Die Umsetzung liefert nach Chromatographie Hexenoylphenol 34h in einer Ausbeute von 52 % d. Th.. O OH MnO₂ HO OH 33h 34h Schema 43

1.10.3 Darstellung von 3-Cyano-4-pentenylcumarin 1h

Die Darstellung von 3-Cyano-4-pent-4-enylcumarin (1h) verläuft ebenso wie die Synthese von Butenylcumarin 1g nach einer von Fringuelli et al.24) abgewandelten Methode.

Malonsäuredinitril (3) wird in verdünnter Natronlauge mit Hexenoxylphenol 34h umgesetzt. Die anschließende saure Hydrolyse liefert das gewünschte Cumarin 1h in einer Ausbeute von 57 % d. Th.. O O CN 2) H+/H₂O 1) OH -CN CN + O OH 34h 3 1h Schema 44

1.11 Spektroskopische Daten der dargestellten Cyanocumarine

1.11.1 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie

Bei den 3-Cyanocumarinen 1a, 1c-f sowie 1i erhält man im 1H-NMR-Spektrum ein charakteristisches Signal bei etwa 8.5 ppm. Es handelt sich hierbei um ein Singulett für das Proton an 4-Position. Die chemischen Verschiebungen sind für die verschiedenen Cumarine 1a, 1c-g sowie 1i in Tabelle 1 zusammengestellt. Die Spektren wurden in Deutero-chlorofom aufgenommen. Als interner Standard diente Tetramethylsilan. Die mit * gekenn-zeichneten Verbindungen wurden aufgrund ihrer geringen Löslichkeit in deuteriertem DMSO aufgenommen. R X O CN 2 3 4 5 6 7 8

Verbindung chemische Verschiebung δ

1a R = H, X = O 8.28 ppm 1c R = 5-OMe, X = O 8.63 ppm 1d* R = 6-OMe, X = O 8.86 ppm 1e* R = 7-OMe, X = O 8.83 ppm 1f* R = 8-OMe, X = O 8.93 ppm 1i R = H, X = S 8.27 ppm Tabelle 1

Betrachtet man die 13C-NMR-Spektren der untersuchten Cumarine (Tabelle 2), findet man für alle Nitrilkohlenstoffatome ein charakteristisches Signal bei δ = 111 – 114 ppm.

Ebenso charakteristisch sind die chemischen Verschiebungen des Carbonylkohlenstoffatoms (C2) bei den synthetisierten 3-Cyanocumarinen 1a-h sowie dem 4-Cyanocumarin (1k). Das Signal für C2 liegt bei δ = 156 – 157 ppm, während es bei dem 3-Cyanothiocumarin (1i) bei tieferem Feld (δ = 180 ppm) gefunden wird.

Bei den Kohlenstoffatomen C3 sind chemische Verschiebungen von δ = 98 – 104 ppm im

13

C-Spektrum zu beobachten. Ausnahmen bilden hierbei das Thiocumarin 1i mit δ = 111 ppm und das 4-Cyanocumarin (1k) mit δ = 134 ppm.

Für C4 sind bei den Cumarinen 1a, 1c-f sowie 1i die Signale bei δ = 147 – 153 ppm zu finden, während bei den an C4 alkylierten Cumarinen 1b, 1g und 1h die Werte bei 162 – 166 ppm liegen. Bei 4-Cyanocumarin 1k findet man für C4 eine chemische Verschiebung von δ = 127 ppm.

Betrachtet man die Brückenkohlenstoffatome C4a und C8a, so lassen sich auch hier im

13

C-NMR-Spektrum ähnliche chemische Verschiebungen finden (C4a: δ=115–118 ppm; C8a: δ=153–157 ppm). Ausnahmnen bilden für C4a das Methoxycumarin 1c sowie das Thio-cumarin 1i und für C8a die MethoxyThio-cumarin 1d und 1f sowie ebenso das ThioThio-cumarin 1i.

In Tabelle 2 sind die chemischen Verschiebungen δ für die verschiedenen Cumarine 1a-i und 1k dargestellt. Für die mit * gekennzeichneten Verbindungen wurden die 13C-NMR-Spektren aufgrund ihrer geringen Löslichkeit in DMSO-d6 aufgenommen.

8 7 6 5 4 3 2 X O R₁ R₂ R 8a 4a

Verbindung chemische Verschiebung δ [ppm]

R1 R2 R X CN C2 C3 C4 C4a C8a 1a CN H H O 113.53 156.43 104.00 151.83 117.17 154.63 1b CN Me H O 113.45 156.67 102.50 162.39 118.22 153.33 1c CN H 5-OMe O 114.00 156.67 100.76 147.33 108.52 155.54 1d* CN H 6-OMe O 114.49 156.86 102.32 153.80 117.81 148.51 1e* CN H 7-OMe O 111.65 156.93 97.85 153.58 115.34 157.72 1f* CN H 8-OMe O 114.34 156.47 102.30 153.69 117.96 143.38 1g CN C4H7 H O 113.35 156.75 102.24 165.50 117.31 153.81 1h CN C5H9 H O 113.32 156.80 101.88 166.51 117.35 153.81 1i CN H H S 114.03 179.98 110.54 151.81 124.50 138.92 1k H CN H O 112.95 157.74 133.98 127.24 115.33 153.67 Tabelle 2 1.11.2 Massenspektroskopie

Die massenspektroskopischen Untersuchungen wurden alle mit einer Ionisierungsspannung von 70eV durchgeführt. Die Spektren zeigen eine charakteristische Fragmentierung.

Das erste Fragment-Ion, welches detektiert wird, besitzt ein m/z-Verhältnis von M+-28. Dies entspricht dem Verlust von CO zu 35. Der Basispeak (100 %) ist bei den Cumarinen 1a-g der Molekülpeak (M+), während er bei 1i und 1k bei m/z = M+-28 zu finden ist.

R X O R₁ R₂ X R₂ R₁ R - CO + + 1 35 Schema 55

Desweiteren werden Fragment-Ionen detektiert, die für Zimtsäurederivate signifikant sind.

1.11.3 UV/VIS-Spektroskopie

Die im folgenden dargestellten UV/VIS-Spektren wurden in Acetonitril bei einer Konzentration von 1.0⋅10-4 mol/l aufgenommen.

In Abbildung 1 werden die Spektren der an 4-Position substituierten Cumarine 1b, 1g und 1h mit denen des unsubstituierten 3-Cyanocumarins (1a) verglichen. Deutlich zu erkennen ist bei allen Absorptionskurven der n→π*-Übergang bei einer Wellenlänge von ca. 330 nm sowie die in Annäherung doppelt so intensive π→π*-Bande bei λ≈ 290 nm.

Die Substitution an C4 durch Alkylgruppen hat auf das Absorptionsverhalten der Curmarine 1b, 1g und 1h keinen signifikanten Einfluß.

Abbildung 5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 200 250 300 350 400 450 λλλλ [nm] log O O CN O O CN O O CN O O CN 1a 1h 1b 1g

Betrachtet man die UV/VIS-Spektren der Methoxycumarine 1c-f (Abbildung 6), so fallen deutliche Unterschiede im Absorptionverhalten auf.

Der n→π*-Übergang ist bei 1c und 1e nur als Schulter der intensiveren π→π*-Bande zu erkennen, während bei 3-Cyano-6-methoxycumarin (1d) die beiden Banden voneinander getrennt bei λ = 290 nm und 370 nm zu finden sind. Für die Lage der π→π*-Übergange im Absorptionsspektrum spielt die Position der Methoxy-Substitution eine bedeutende Rolle. Die Lage der n→π*-Banden in Abhängigkeit zum Substitutionsmuster wird weniger stark beeinflußt.

Auch die Extinktionsmaxima hängen stark von der Position der Substitution ab. Liegt das Maximum des π→π*-Übergangs bei hoher Wellenlänge, so findet man einen hohen Extinktionswert. Umgekehrt ist der Extinktionskoeffizient bei niedrigen Wellenlängen geringer. Abbildung 6 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 200 250 300 350 400 450 λλλλ [nm] log O O CN O O O CN O O O CN O O O CN O 1e 1c 1f 1d

Das UV/VIS-Spektrum des 3-Cyanothiocumarins (1i) zeigt im Vergleich zu dem des Cumarins 1a die gleichen Absorptionsbanden, die sich lediglich nach längeren Wellenlängen verschieben und kleinere Extinktionswerte aufweisen.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 200 250 300 350 400 450 λλλλ [nm] log εεεε O O CN 1a S O CN 1i Abbildung 7

Wie in Abbildung 8 dargestellt, zeigt 4-Cyanocumarin (1k) im Vergleich zum 3-Cyano-cumarin (1a) keine merklichen Unterschiede in der Lage der Banden des UV/VIS-Spektrums, jedoch findet man bei 1k etwas geringere Extinktionen.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 200 250 300 350 400 450 λλλλ [nm] log εεεε O O CN 1a O O CN 1k Abbildung 8

2. Photochemische Untersuchungen

2.1 Theoretische Grundlagen

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, beschäftigt sich diese Arbeit mit Photocycloadditions-reaktionen von Cumarinen. Zunächst soll ein allgemein akzeptierter mechanistischer Überblick gegeben werden47, 48).

In Abbildung 9 sind in einem Jablonski-Diagramm die möglichen photophysikalischen Prozesse bei Lichtabsorption eines Moleküls im Singulett-Grundzustandes S0 dargestellt.

Strahlunglose Übergänge sind mit Wellenlinien dargestellt.

E vr hυ T1 S₀ S₁ isc ic hυ P hυ _F vr vr hυ = Absorption hυ F = Fluoreszenz

hυ P = Phosphoreszenz ic = internal conversion

isc = intersystem crossing vr = vibrational relaxation

Abbildung 9

Wird ein Lichquant von einem Molekül im Grundzustand (S0) absorbiert, so kann dieses in

den ersten angeregten Zustand übergehen. Dies geschieht unter Erhalt der Multiplizität (S0→S1).

Höher angeregte Zustände (S2, S3 u.s.w.) spielen aufgrund ihrer geringen Lebensdauer nur

eine untergeordnete Rolle. Die Abgabe von Energie erfolgt zunächst durch einen strahlungslosen Übergang in den Schwingungsgrundzustand von S1, bezeichnet als

Schwingungsrelaxation (vr). Aus S1 kann das Molekül entweder durch Lichtemission

(Fluoreszenz) oder durch einen strahlungslosen Übergang, internal conversion (ic), und anschließender Schwingungsrelaxation (vr) in seinen Grundzustand S0 zurückkehren.

Eine weitere Möglichkeit, von S1 in einen energieärmeren Zustand zu gelangen, ist die

Spinumkehr, intersystem crossing (isc), in den schwingungsangeregten T1-Zustand. Der

Übergang vom Triplett-Zustand in den Grundzustand (S0) ist mit einer Spinpaarung

verbunden und erfolgt daher nur langsam. Dies geschieht entweder strahlungslos durch erneutes intersystem crossing und anschließender Schwingungsrelaxation (vr) oder aber durch Phosphoreszenz (hυP).

Photochemische Reaktionen können aus dem S1- oder T1-Zustand stattfinden49). Die

Lebens-dauer der beiden Zustände unterscheidet sich ca. um einen Faktor von 104. Daher erfolgen bimolekulare Reaktionen häufig aus dem T1-Zustand 50, 51).

Die Grundlage für die Untersuchung des Reaktionsmechanismus von [2+2]-Photocyclo-reaktionen zwischen einem α,β-ungesättigten Keton und einem Alken bildet der Corey-de Mayo Mechanismus 13, 52, 53). Dieser basiert auf Untersuchungen von Cyclohexenon in Gegenwart von Alkenen.

EA 1,4-Diradikal [3_EA]* isc 3_{E* + A} 1_{E* + A} hυ E + A Schema 56

Das angeregte Enon (1E*) geht durch intersystem crossing in den Triplettzustand (3E*) über. Anschließend entsteht ein Exiplex [3EA]* – orientierter Komplex – aus angeregtem Enon (3E*) und Alken (A) im Grundzustand. Dieser Exiplex kann entweder in die Edukte (E + A) zerfallen oder zum 1,4-Diradikal abreagieren, welches wiederum zerfallen oder zum [2+2]-Cycloadditionsprodukt (EA) weiterreagieren kann.

2.2 Intermolekulare photochemische Reaktionen

Schwerpunkt dieses Kapitels ist das photochemische Reaktionsverhalten der Cyanocumarine 1a-f, 1i sowie 1k. Bei den intermolekularen Reaktionen wird in Gegenwart der Alkene, 2,3-Dimethylbut-2-en (36), Isobuten (37) und dem Enin, 2-Methylbut-1-en-3-in (38), bestrahlt. Bei diesen Untersuchungen ist die Einbeziehung der CN-Dreifachbindung in den Reaktionsverlauf von besonderem Interesse.

36 37 38

Abbildung 10

2.2.1 Bestrahlungen in Gegenwart von Dimethylbuten 36 bzw. Isobuten (37)

Begonnen wurde mit der Bestrahlung des unsubstituierten 3-Cyanocumarins (1a) in Gegenwart von einem 10fachen Überschuß an Dimethylbuten 36. Die Reaktion wurde bei einer Wellenlänge von λ = 300 nm in Acetonitril durchgeführt. Nach einer Bestrahlungsdauer von 16 h wurden zwei Produkte im Verhältnis 1:6.4 bei einem nahezu quantitativen Umsatz an 1a gaschromatographisch detektiert. Die Produkte konnten auf säulenchromato-graphischem Wege isoliert werden. Bei den Produkten handelt es sich um das [2+2]-Cycloaddukt 39a, dem Hauptprodukt, während das Produkt 40a auf eine [2+3]-Cycloaddition zurückzuführen ist (Schema 57).

+ O O NH O CN O 300 nm O CN O 1a 36 39a 40a Schema 57

Das isolierte 3-Imino-1,1,2,2-tetramethyl-1,2-dihydrocyclopenta[c]benzopyran-4-on (40a) ist bei Raumtemperatur stabil, wird jedoch durch Luftfeuchtigkeit zum entsprechenden Keton 41a hydrolysiert (Schema 58).

O O NH _{H /H} 2O + O O O 40a 41a Schema 58

Die Struktur von 41a konnte durch Röngtensturaufklärung bestätigt werden (Abbildung 11). Bei dem Molkül 41a liegen die drei kondensierten Ringsysteme nahezu in einer Ebene.

Abbildung 11

Die Bildung von Cyclopenta[c]benzopyran-3,4-dion 41a ist von besonderem Interesse, da die Struktur in der des Naturstoffes Aflatoxin B1 (42) 54) enthalten ist (Abbildung 12).

O O O OCH₃ O O 42 Abbildung 12

Um den Einfluß von Substituenten auf das Verhältnis von [2+2]- und [2+3]-Cycloaddition einschätzen zu können, wurde als nächstes 3-Cyano-4-methylcumarin (1b) mit Dimethylbuten 36 unter den gleichen Reaktionsbedingungen bestrahlt. Auch nach einer Bestrahlungsdauer von 70 h konnte sowohl gaschromatographisch als auch 1H-NMR-spektroskopisch keine Umsetzung von 1b beobachtet werden. Auch die Bestrahlung in deuteriertem Methanol zeigte im 1H-NMR-Spektrum keinen Wasserstoff-Deuterium-Austausch an.

O CN O CH3 300 nm 300 nm MeOD 1b Schema 59

Das Reaktionsverhalten von 1b läßt auf einen möglichen Passivierungs- oder Zerfalls-mechanismus, der in Schema 60 dargestellt ist, schließen. Entweder wird durch die Isomerisierung zum Ketenimin 43 aus dem angeregten Cumarin 1b* der Angriff des Alkens 36 verhindert oder aber die Geschwindigkeitskonstante für den Zerfall des entstehenden 1,4-Diradikals 44b ist wesentlich größer als die, die zur Bildung des Cycloadduktes führen würde.

O CN O CH₃ 1b* 1b O O CH₂ NH 43 O O CN 1b 36 _{- 36} 44b Schema 60

Da die Bestrahlung von 1b zu keinem Photoprodukt führte, wurden die Methoxycumarine 1c-f (Abbildung 13) im Hinblick auf den Einfluß der Methoxygruppe für die Bildung von [2+2]- und [2+3]-Cycloadditionsprodukten untersucht. Die Bestrahlungen wurden ebenfalls in Acetonitril mit einem zehnfachen Überschuß an 36 bei einer Wellenlänge von λ = 300 nm durchgeführt. Die Reaktionen wurden gaschromatographisch verfolgt.

O CN O OMe 2 3 4 5 6 7 8 O CN O MeO 2 3 4 5 6 7 8 O CN O MeO 2 3 4 5 6 7 8 O CN O OMe 2 3 4 5 6 7 8 1c 1d 1e 1f Abbildung 13

Bei der Bestrahlung der Methoxycumarine 1c-e zeigte sich lediglich die Bildung der Cyclobutanaddukte 39c-e. Die Bestrahlung von 3-Cyano-8-methoxycumarin (1f) führte jedoch zum Cyclobutan 39f und zum [2+3]-Cycloadditionsprodukt 40f in einem Verhältnis von 3.7:1 ([2+2]:[2+3]). In Abbildung 14 sind die Photoprodukte der Bestahlungen von 1c-f dargestellt. O O CN O O NH OMe R 39c : R = 8-OMe 39d : R = 7-OMe 39e : R = 6-OMe 39f : R = 5-OMe 1 2 3 2a 4a 5 6 7 8 8a 8b 40f Abbildung 14

Das gebildete Imin 40f läßt sich quantitativ mit verdünnter Salzsäure in das Keton 41f überführen, wird aber auch durch Luftfeuchtigkeit zu 41f hydrolysiert (Schema 61).

O O O OMe H+ / H2O O O NH OMe 40f 41f Schema 61

Eine weitere Möglichkeit in der Variation des Photoeduktes besteht in dem Ersatz des Ringsauerstoffs des unsubstituierten 3-Cyanocumarins (1a) durch Schwefel zum 3-Cyano-thiocumarin (1i). Die Bestrahlung des Thiocumarins 1i in Gegenwart von Dimethylbuten 36 führte jedoch auch nicht zu einer Erhöhung der Produktanteils einer [2+3]-Photo-cycloaddition. Stattdessen konnte nur das cis-Cyclobutanaddukt 39i detektiert und isoliert werden (Schema 62). Bei der Reaktion gab es keine Hinweise auf das Entstehen des trans-Adduktes.

S O CN S O CN 300 nm 1i 36 39i Schema 62

In Tabelle 3 sind zusammenfassend die isolierten Ausbeuten der Photoprodukte aus den Bestrahlungen der Cumarine 1a, 1c-f und 1i angegeben.

X CN O 300 nm X CN O X O NH + R R R 1 36 39 40

X R Ausbeute 39 (isoliert) Ausbeute 40 (isoliert)

1a O H 45 % (39a) 7 % (40a)

1c O 5-OMe 69 % (39c) 0 % (40c)

1d O 6-OMe 31 % (39d) 0 % (40d)

1e O 7-OMe 21 % (39e) 0 % (40e)

1f O 8-OMe 67 % (39f) 18 % (40f)

1i S H 64 % (39i) 0 % (40i)

Der in Schema 63 dargestellte Reaktionsmechanismus kann für die photochemischen Reaktionen der 3-Cyanocumarine 1a, 1c-f sowie 1i angenommen werden.

Im ersten Reaktionsschritt erfolgt die Addition des Alkens 36 an C-3 oder an C-4 der angeregten Cumarine 1a, 1c-f und 1i. Man erhält somit die beiden 1,4-Diradikale 44 und 45. Diese können direkt zum [2+2]-Cycloaddukt 39 schließen. Nur das Diradikal 45 kann über die Stufe des Nitrens 46 zum Imin 41 reagieren.

41 46 R 39 R 44 45 R R 36 1 R R * X CN O X O CN + X NH O X O CN X CN O X N O 1 + 36 _{1 + 36} Schema 63

Da die Versuche zur Änderung des photochemischen Verhaltens in Bezug auf eine Verbesserung des 1,5-Cyclisierungsproduktes 40 durch Einführung unterschiedlicher Substituenten (bei 1b-f) und Ersatz des Ringsauerstoffs durch Schwefel (bei 1i) nicht erfolgreich waren, wurde nach einem neuen Substitutionsmuster für das unsubstituierte Cumarin gesucht.

Diese Möglichkeit konnte durch die Synthese von 4-Cyanocumarin (1k) verwirklicht werden.

O CN

O

1k

Abbildung 15

Bei der Bestrahlung von 4-Cyanocumarin (1k) in Gegenwart von 2,3-Dimethylbut-2-en (36) in Acetonitril bei einer Wellenlänge von λ = 300 nm wurde nur ein Produkt gas- und dünnschichtchromatographisch detektiert. Die Isolierung des Produktes gelang durch Säulenchromatographie an neutralem Aluminiumoxid. Die Chromatographie an Kieselgel führte nicht zur Isolierung des Photoproduktes, sondern zur Zersetzung desselben. Bei dem photochemischen Reaktionsprodukt handelt es sich um das [2+3]-Cycloadditionsprodukt 1-Imino-cyclopenta[c]benzopyranon 47a (Schema 64).

O CN O 300 nm O O HN 1k 36 47a Schema 64

Das entstehende Imin 47a läßt sich leicht in gesättigter Ammoniumchlorid-Lösung zum Keton 48a hydrolysieren (Schema 65).

O O HN H+ / H₂O O O O 47a 48a Schema 65

Durch photochemische Umsetzung von 1k mit einem nicht symmetrisch substituierten Alken wie dem Isobuten (37) sollte eine Selektivität in der Orientierung der Methylgruppen zu erkennen sein. Diese Orientierung sollte Rückschlüsse auf die Struktur des intermediär durchlaufenen 1,4-Diradikals erlauben, welches zum Produkt bzw. zu den Produkten führt.

Die Bestrahlung von 4-Cyanocumarin (1k) in Gegenwart von 37 und anschließende wäßrige Aufarbeitung führte zu zwei Produkten. Zum einen erhält man das Cyclobutanaddukt 49b, zum anderen das Hydrolyseprodukt einer 1,5-Cyclisierung 48b (Schema 66). 48b und 49b liegen in einem Verhältnis von 1:3 vor.

O O NC + O O O 300 nm O CN O 1) 2) H+ / H₂O 1k 37 48b 49b Schema 66

In Tabelle 4 sind die isolierten Ausbeuten der Reaktionsprodukte aus den Bestrahlungen von 1k in Gegewart von Dimethylbuten 36 und Isobuten 37 angegeben.

R R O O NC R R + O O O R R 300 nm O CN O 1) 2) H+ / H2O 1k 48 49

R Ausbeute 48 (isoliert) Ausbeute (isoliert)

Me 45 % (48a) 0 %

H 19 % (48b) 56 % (49b)

Tabelle 4

Aufgrund der Orientierung der Methylgruppen kann der Reaktionsmechanismus wie in Schema 67 beschrieben werden.

Das elektronisch angeregte 4-Cyanocumarin (1k) kann mit dem Alken 36 bzw. 37 zu den beiden 1,4-Diradikalen 50 und 52 reagieren. Aus dem Diradikal 50 wird jedoch nicht das Produkt 51 gebildet. Man kann daher davon aus gehen, daß 50 in die Edukte 1k und 36 bzw. 37 zerfällt oder aber das Diradikal 50 gar nicht erst gebildet wird.

Das 1,4-Diradikal 52 kann zum Cyclobutanaddukt 49 abreagieren oder aber unter Einbeziehung der Nitrilgruppe zum Nitren 53 weiterreagieren. Durch Wasserstoff-Abstraktion und anschließende Addition kann sich das Nitren 53 zum Imin 47 stabilisieren.

a : R = CH3 b : R = H O O HN R R O R R O NC O O N R R O R R O NC O O R R CN + O O NC R R R R O O CN * 1k 36 : R = Me 37 : R = H 47 49

?

?

2.2.1.1 Spektrokopische Daten der Photoprodukte

1

H-NMR-spektroskopisch kennzeichnen sich die Cyclobutanaddukte 39 (Abbildung 16) charakteristisch durch die Protonen an C8b sowie durch die Protonen der vier Methylgruppen.

X O CN R 39a : R = H, X = O 39c : R = 8-OMe, X = O 39d : R = 7-OMe, X = O 39e : R = 6-OMe, X = O 39f : R = 5-OMe, X = O 39i : R = H, X = S 1 2 3 2a 4a 5 6 7 8 8a 8b Abbildung 16

In Tabelle 5 sind die chemischen Verschiebungen der Protonen an C8b sowie die der Methylprotonen aus den 1H-NMR-Spektren für die unterschiedlichen [2+2]-Cycloaddukte 39 angegeben. Das Lösungsmittel war in allen Fällen Deuterochloroform.

Die Protonen an C8b ergeben im 1H-NMR-Spektrum ein charakterischtisches Singulett bei 3.7 – 4.0 ppm. Für die Methylprotonen beobachtet man vier Siguletts für jeweils drei Protonen bei einer chemischen Verschiebung von 1.2 – 1.6 bzw. 0.7 – 1.2 ppm.

chemische Verschiebung δ [ppm] Verbindung 8b-H 1-CH3 2-CH3 39a 3.74 1.53 ; 1.30 1.15 ; 0.75 39c 3.95 1.51 ; 1.32 1.15 ; 0.74 39d 3.67 1.52 ; 1.39 1.25 ; 1.14 39e 3.66 1.51 ; 1.28 1.14 ; 0.74 39f 3.91 1.40 ; 1.27 1.03 ; 0.66 39i 4.03 1.57 ; 1.18 1.12 ; 0.90 Tabelle 5

Im 13C-NMR-Spektrum der Cyclobuta[c]benzopyrane 39 ist das Auftreten der vier primären Methylkohlenstoff-Signale bei δ = 26, 25, 22 und 21 ppm charakteristisch. Das Signal für das tertiäre C8b ist bei einer chemischen Verschiebung von 44-48 ppm zu finden. Eine Ausnahme bildet hierbei das Thiocumarin 1i, bei dem das Signal für C8b zu tieferem Feld (δ = 54 ppm) verschoben ist. Das Carbonyl-C ist im 13C-NMR-Spektrum von 39a, 39c-d und 39f bei 160 – 161 ppm zu finden, während es bei den Cyclobutanaddukten 39e und 39i bei 176 ppm bzw. 191 ppm liegt. chemische Verschiebung δ [ppm] Verbindung C3 C8b CH3 CH3 CH3 CH3 39a 161.00 47.52 25.72 24.60 21.63 20.75 39c 161.20 43.51 25.54 24.54 21.74 20.32 39d 161.20 47.80 25.72 24.54 21.59 20.75 39e 176.33 47.05 25.69 24.55 21.65 20.75 39f 160.57 46.03 25.29 23.68 21.34 20.24 39i 190.81 53.85 25.92 24.85 21.28 20.75 Tabelle 6

Bei den massenspektrokopischen Untersuchungen zeigte sich eine charakteristische Fragmentierung. Bei den untersuchten Cyclobutanaddukten 39 zeigte sich ein Basispeak bei m/z = 84 im Massenspektrum. Dies entspricht, wie in Schema 68 dargestellt, der Abspaltung von 2,3-Dimethylbut-2-en (36). Die weitere Fragmentierung ähnelt weitestgehend der der Photoedukte 1a, 1c-f sowie 1i.

X O CN R + R X O CN + + 39 1 36 Schema 68

Die beiden isolierten Imine 40a und 40f (Abbildung 17) zeigen im 1H-NMR-Spektrum zwei charakteristische Signale. Dabei handelt es sich um die beiden Singuletts für jeweils sechs Protonen der Methylgruppen. Die Signale sind im 1H-NMR-Spektrum für 40a bei δ = 1.40 und 1.15 ppm und für 40f bei 1.45 und ebenso 1.15 ppm zu finden. Die Äquivalenz jeweils zweier Methylgruppen spricht für einen planaren Bau des Ringsystems von 40a und 40f. Diese Vermutung wird durch die Röntgenstrukturaufklärung des Ketons 41a (Seite 38, Abbildung 11) bestätigt.

Ein Signal für das Iminproton konnte man in den 1H-NMR-Spektren nicht beobachten. Die Spektren wurden in Deuterochloroform aufgenommen.

O O NH OMe O O NH 1 2 3 3a 4 5a 6 7 8 9 9a 9b 9a 9b 1 2 3 3a 4 5a 6 7 8 9 40a 40f Abbildung 17

Im 13C-NMR-Spektrum fallen ebenfalls jeweils zwei Signale für die Methylgruppen zusammen. Für 40a liegt die chemische Verschiebung der Methylkohlenstoffkerne bei δ = 24.88 und 22.65 ppm und für 40f bei 24.56 und ebenso 22.65 ppm.

Zusätzlich beobachtet man ein charakteristisches Signal für das quartäre Imin-C bei tiefem Feld mit δ = 183.34 bzw. 183.56 ppm. Anhand eines HMBC-Spektrums (hetero multiple bond coupling) konnten alle 13C-Signale zugeordnet werden (siehe: Experimenteller Teil).

Massenspekroskopische Untersuchungen ließen sich aufgrund der Hydrolyseempflindlichkeit nur am Imin 40a durchführen. Dabei zeigte sich im wesentlichen der stufenweise Abbau der Methylgruppen, wie in Abbildung 18 dargestellt.

O O

NH

40a

Abbildung 18

Im folgenden werden u. a. die spektroskopischen Daten der Ketone 48a und 48b, nicht aber die der Imine 47a und 47b, diskutiert, da nach der Bestrahlung von 4-Cyanocumarin (1k) in Gegenwart von Isobuten (37) das entstehende Imin 47b nicht isoliert und charakterisiert wurde, stattdessen aber das Hydrolyse-Folgeprodukt 48b.

O O O O O NC 1 2 3 3a 4 5a 6 7 8 9 9a9b O O O 1 2 3 3a 4 5a 6 7 8 9 9a9b 1 2 2a 3 4a 5 6 7 8a 8b 8 48a 48b 49b Abbildung 19

Im 1H-NMR-Spektrum zeigen die Ketone 48a und 48b ein charakterisches Signal bei einer chemischen Verschiebung von δ = 8.40 bzw. 8.44 ppm in Form eines doppelten Dubletts für das Proton an C9 mit typischen aromatischen Kopplungskonstanten ( 48a: J = 1.5 und 8.1 Hz; 48b : J = 1.5 und 7.6 Hz).

Die Signale für die Methylgruppen an C2 fallen wie bei den oben erwähnten [2+3]-Cycloaddukten 40a und 40f zusammen. Mit einem Integral für sechs Protonen findet man das Singulett bei 1.26 ppm für 48a und 1.24 ppm für 48b.

Für Verbindung 48a beobachtet man zusätzlich ein Singulett bei 1.10 ppm mit einem Integral für sechs Protonen der beiden Methylgruppen an C3. Die beiden Protonen von 48b an C3 ergeben im 1H-NMR-Spektrum ebenfalls ein Singulett bei 2.83 ppm.

Die chemischen Verschiebungen der Methylgruppen bzw. der Protonen an C3 sprechen für einen planaren Bau des Ringsystems von 48a und 48b.

Für Cyclobuta[c]benzopyran 49b findet man im 1H-NMR-Spektrum zwei Singuletts bei 1.46 und 0.77 ppm mit einem Integral für jeweils drei Protonen der Methylgruppen an C2. Zusätzlich erhält man drei Signale in Form von doppelten Dubletts für ein Drei-Protonen-System an C2 und C2a. Die Kopplungskonstanten J und chemischen Verschiebungen δ sind in Tabelle 7 zusammengestellt. O O NC Ha Hb Hc 49b Ha Hb Hc Proton 3.81 ppm 2.37 ppm 2.05 ppm Ha - 10.18 Hz 8.63 Hz Hb 10.18 Hz - 11.71 Hz Hc 8.63 11.71 Hz -Tabelle 7

Im 13C-NMR-Spektrum findet man für den Carbonylkohlenstoffkern C1 eine chemische Verschiebung von 212 ppm für 48a und 211 ppm für 48b. Die Methylgruppen an C2 sind im Spektrum deutlich bei 23 ppm zu erkennen. Wie im 1H-NMR-Spektrum fallen auch diese zu einem Signal zusammen. Bei 48a findet man zusätzlich ein Signal bei 22.65 ppm für die beiden Methylgruppen an C3. Für 48b ist das sekundäre C3 deutlich im DEPT-Spektrum bei 39.48 ppm zu erkennen.

Im 13C-NMR-Spektrum des Cyclobutanadduktes 49b ist der sekundäre C2-Kern bei 36.88 ppm zu finden. Die Methylgruppen fallen im Spektrum von 49b nicht zusammen.

Die massenspektrokopischen Untersuchungen mit einer Ionisierungenergie von 70 eV zeigen für die Ketone 48a und 48b im wesentlichen Demethylierungen und Decarbonylierungen an, während man bei 49b den Basispeak bei Abspaltung von Isobuten findet.

2.2.2 Bestrahlungen in Gegenwart von 2-Methylbut-1-en-3-in (38)

Erste Untersuchungen über Bestrahlungen in Gegenwart Cycloalkenonen von 2-Methylbut-1-en-3-in (38) wurden bereits 1976 von Serebryakov55) unternommen. Witte56) konnte, wie in Schema 69 dargestellt, unter Einbeziehung der C-C-Dreifachbindung von 54 das erwartete Cyclobutanaddukt 55 und als Hauptprodukt das Naphthalenon 56 erhalten.

O h υ O _O + 54 38 55 56 Schema 69

In Anlehnung an dieses neuartige Additionsverhalten des Enins 38, wurden analoge Bestrahlungen mit den Cyanocumarinen 1a-b und 1i-k im Hinblick auf eine Einbeziehung der C-N-Dreifachbindung in den Reaktionverlauf durchgeführt. Die Darstellung von 2-Methylbut-1-en-3-in (38) erfolgte nach einer von Zesiger et al. entwickelten Methode57).

Bei der Bestrahlung von 3-Cyanocumarin (1a) in Gegenwart eines zehnfachen Überschusses an Enin 38 in Acetonitril bei einer Wellenlänge von λ = 300 nm wurden gaschromato-graphisch drei Produkte detektiert. Bei den Produkten handelte es sich um das Cyclobuten 57a und um die diastereomeren Cyclobutane 58a und 59a (Schema 70).

Bei vollständiger Umsetzung liegen die Produkte laut gaschromatographischer Unter-suchungen in einem Verhältnis von 2% (57a) : 8% (58a) : 90% (59a) vor.

38 59a 58a 57a 1a + O O H CN H3C + O O H CN H₃C O O CN 300 nm O CN O Schema 70

Das Hauptprodukt 59a konnte säulenchromatographisch in einer Ausbeute von 62 % d. Th. isoliert werden. Sowohl aus röntgenspektroskopischen (Abbildung 20) als auch aus NMR-spektroskopischen Untersuchungen (HMBC) erfolgte die Zuordnung der Struktur.

Die Produkte 57a und 58a konnten nicht isoliert werden. Es gelang jedoch diese aus dem Rohprodukt anhand von Massen- und NMR-Spektroskopie zu charakterisieren.

Die analoge Bestrahlung von 3-Cyano-4-methylcumarin (1b) in Gegenwart von 38 führte ebenso wie die in Gegenwart von 2,3-Dimethylbut-2-en (36) zu keiner Umsetzung. Der auf Seite 40 in Abbildung 60 dargestellte Passivierungs- bzw. Zerfallsmechanismus kann auch in diesem Fall angenommen werden.

Setzt man 3-Cyanothiocumarin (1i) photochemisch mit 2-Methylbut-1-en-3-in (38) in Acetonitril bei einer Wellenlänge von λ = 300 nm um, so erhält man wie bei der Umsetzung von 1a mit 38 drei Produkte. Die Detektion erfolgte gaschromatographisch. Die Produkte 57i, 58i und 59i konnten aus den Rohproduktspektren charakterisiert werden.

Die gaschromatographisch ermittelten Ausbeuten stehen in einem Verhältnis von 3% (57i) : 14% (58i) : 80% (59i). 38 59i 58i 57i 1i + S O H CN H₃C + S O H CN H₃C S O CN 300 nm S CN O Schema 71

Die Isolierung der Produkte 57i-59i durch Chromatographie an Kieselgel gelang jedoch nicht. Stattdessen wurden die Produkte 57j-59j erhalten (Abbildung 21).

S O _{S O} H H H3C S O H H H3C 57j 58j 59j Abbildung 21

Die Identifizierung gelang durch Auswertung der spektroskopischen Daten. Die analoge Bestrahlung von Thiocumarin (1j) in Gegenwart des Enins 38 sollte ebenso zum Cyclobuten 57j und zu den isomeren Cyclobutanaddukten 58j und 59j führen (Schema 72). Die Auswertung der experimentellen Ergebnisse bestätigte diese Vermutung. Thiocumarin (1j) wurde nach einer Vorschrift von Meth-Cohn und Tarnowski synthetisiert58).

S O 350 nm S O S O H H H3C + S O H H H₃C + 1j _{57j 58j} 59j 38 Schema 72

Die Produktverteilung von 57j-59j ist der aus der Bestrahlung von 1i in Gegenwart von 38 ähnlich. Bei vollständiger Umsetzung von 1j wurde die Ausbeute der Photoprodukte gaschromatographisch ermittelt.

Die Photoprodukte 57i-59i konnten nicht nur säulenchromatographisch in 57j-59j überführt werden, sondern auch durch Reaktion von wenig konz. Salzsäure in Ethanol bei Raumtemperatur innerhalb von 24 Stunden in nahezu quantitativer Ausbeute.

Für diese säurekatalysierte Reaktion kann man von dem in Schema 73 dargestellten Reaktionsmechanismus ausgehen. 65 63, 64 62 60, 61 57i 58i, 59i + S O H S O H - NH3 H2O + S NH H S NH H SH CN H SH CN H + _{- CO} 2 SH CN COOH SH CN COOH+ H+ / H2O + + SH CN C O SH CN C O + H+ + S O CN S O CN 66, 67 68 69, 70 71 58j, 59j 57j Schema 73

Der Lactonring von 57i-59i öffnet sich dabei zunächst durch Protonierung des Schwefelatoms zu den Acyliumionen 60-62. Die anschließende Hydrolyse führt zu den freien Carbonsäuren 63-65. Nach Decarboxylierung zu den Thiophenolen 66-68 erfolgt Lactonisierung über die Nitrilgruppen zu den Iminoderivaten 69-71, die leicht zu den Produkten 57j-59j hydrolysiert werden können.

Unter den gleichen Reaktionsbedingungen (Ethanol, wenig konz. Salzsäure, Raumtemperatur) wurde diese Folgereaktion bei den sauerstoffanalogen Photoprodukten 57a-59a nicht beobachtet. Stattdessen wurde das Umesterungsprodukt 72 des Hauptproduktes 59a mit Ethanol isoliert (Schema 74).

72 59a OH CN H3C COOEt H O O CN H₃C H H+/EtOH Schema 74

Bei der nachfolgend beschriebenen photochemischen Umsetzung von 4-Cyanocumarin (1k) wurde keine Folgereaktion unter den oben erwähnten Reaktionsbedingungen beobachtet.

Bei der Bestrahlung von 4-Cyanocumarin (1k) in Gegenwart von einem zehnfachen Überschuß an 2-Methylbut-1-en-3-in (38) in Acetonitril bei einer Wellenlänge von 300 nm wurden zwei Photoprodukte gaschromatographisch detektiert. Bei den Verbindungen handelte es sich um das Cyclobuten 57k und Cyclobutanaddukt 59k (Schema 75). Bei vollständiger Umsetzung wurde ein Produktverhältnis von 17 % (57k) : 83 % (59k) festgestellt. 59k wurde säulenchromatographisch isoliert, während 57k nur durch präparative Gaschromatographie angereichert werden konnte. Die Zuordnung der Struktur von 59k erfolgte anhand von

1 H-NOE-Spektren. O CN O 300 nm O O NC O O NC H H3C + 1k 38 57k 59k Schema 75

In Tabelle 8 sind die gaschromatographisch ermittelten Ausbeuten der Photoprodukte 57-59 aus den photochemischen Umsetzungen der Cumarine 1a-b und 1i-k zusammengestellt.

57 58 ₅₉ X O R2 R1 X O R₂ R₁ X O R2 R₁ h υ X R₂ R1 O 1

Cumarin 1 X R1 R2 Ausbeute 57 Ausbeute 58 Ausbeute 59

1a O CN H 2 % (57a) 9 % (58a) 89 % (59a)

1b O CN Me 0 % (57b) 0 % (58b) 0 % (59b)

1i S CN H 3 % (57i) 14 % (58i) 83 % (59i)

1j S H H 7 % (57j) 13 % (58j) 80 % (59j)

1k O H CN 17 % (57k) 0 % (58k) 83 % (59k)

Tabelle 8

Allgemein kann der in Schema 76 dargestellte Mechanismus für Bildung der Photoaddukte 57-59 bei der Bestrahlung der Cumarine 1a, 1i, 1j und 1k in Gegenwart von Enin 38 angenommen werden.

Das angeregte Cumarin 1 kann mit dem Enin 38 unter Bildung der vier 1,4-Diradikale 73-76 reagieren. Die Diradikale 73 und 75 führen nicht zur Bildung von Cycloaddukten. Daher kann angenommen werden, daß die Intermediate 73 und 75 entweder nicht durchlaufen werden