1980 H. Sieger und F. Vogtle 425

Liebigs Ann. Chem. 1980, 425 - 440

Ligandstruktur und Komplexierung, LI l)

Vielzahnige Neutralliganden mit variablen Hohlraumen und Pseudohohlraumen

Heinz Sieger und Fritz Vogtle*)

Institut fur Organische Chemie und Biochemie der Universitat Bonn, Gerhard-Domagk-Stral3e 1, D-5300 Bonn

Eingegangen am 11. Juli 1979

Neue cyclische und offenkettige Neutralligandsysteme wurden dargestellt. Sie enthalten sich wie- derholende Oligoethylenglykolether- und Carbonsaureamidfunktionen, die anziehende Wechsel- wirkungen einzelner Kettensegmente und zwischen endstandigen Gruppen gestatten. Kristalline Komplexe rnit Alkali- und Erdalkalimetallionen wurden dargestellt. Mit Hilfe der 23Na-NMR- Spektroskopie wurde die Komplexierung rnit Na@ und konkurrierenden Ionen studiert: Das Na- triumkation kann auch durch Neutralmolekule wie Harnstoff verdrangt werden. Chirale offen- kettige Liganden und ihre Komplexierung rnit Alkali- und Erdalkalimetallsalzen werden beschrie- ben.

Ligand Structure and Complexation, LI1). - Multidentate Neutral Ligands with Variable Cavi- ties and Pseudo Cavities New cyclic and non-cyclic neutral ligand systems have been synthesized. They contain repeating oligoethylene glycol ethers and carboxamide functions, which allow attractive interactions be- tween single chain segments and with terminal groups. Crystalline complexes with alkali and alka- line earth metal ions have been isolated. The complexation of Na@ and competing cations has been studied with the aid of 23Na-NMR spectroscopy: The sodium cation can also be displaced by neutral molecules such as urea. Chiral open-chain ligands and their complexation with alkali and alkaline earth metal salts are described.

Ziel der Arbeit war die Synthese und Untersuchung der Komplexchemie neuartiger cyclischer und nichtcyclischer Neutralliganden rnit Oligoamid-Struktur, die eine varia- ble Anpassung der Ligandkonformation an verschiedenartige Gastionen oder Gastmo- lekiile gestatten sollte, ahnlich wie es in einigen Peptiden und Nucleinsauremolekulen der Fall ist (vgl. Abbildung 1).

Zur Herstellung anziehender Wechselwirkungen zwischen den Ketten oder Endgrup- pen der Liganden wurden Carbonsaureamidgruppierungen ausgewahlt, die wie in Pep- tiden mehrfach hintereinander gereiht sind. So sollte die reikerschluljartige Ausbil- dung vielfacher H-Briicken, wie in Abbildung 1 skizziert, moglich sein.

Ahnlich anziehende Wechselwirkungen zwischen Kettenenden2) konnten wir an eini- gen Beispielen kurzkettiger Oligoethylenglykolether wie 1 - 3 bereits nachweisen; bei

*) Korrespondenz bitte an diesen Autor richten.

0 Verlag Chemie, GmbH, D-6940 Weinheim, 1980

0170 - 2041/80/0303 - 0425 $ 02.50/0

426 H. Sieaer und F. Vorrtle 1980

Cyclopeptiden wie 4 treten analoge intramolekulare Wasserstoffbriickenbindungen auf, wenn auch in diesem Beispiel kein zur Komplexierung geeigneter Hohlraum entsteht,).

L1 L1

a b 1-1

L2()) L3

C d

Abbildung 1. a, b) Wirt-Cast-Wechselwirkung (schernatisch) zwischen verschieden groRen Gast- molekiilen GI, G, mit im (Pseudo-)Hohlraum variablem Neutralligandmolekiil L1, wobei der Ligand seine Hohlraumgrone durch Ausbildung anziehender (H-Briicken)Wechselwirkungen (ge-

strichelt) zwischen funktionellen Gruppen an den Kettenenden verandern kann. c) Beispiel fur die Anpassung eines offenkettigen multizahnigen Liganden L, an Gastmole-

kule G,. d) Hypothetisches Beispiel fur die Veranderung oder Anpassung des Hohlraurns eines makrocye lischen Neutralliganden L, an zwei Gastmolekiile G, und G, aufgrund anziehender Wechselwir-

kungen zwischen verschiedenen Kettensegmenten: Ausbildung zweier Kompartimente.

r 1

0 0

A co 0 O-) 0

l a : n = O 1b:n = 1

n co O-) P 0

2

3 R k

1980 Ligandstruktur und Komplexierung, LI 421

Die Veranderung der Konformation von Cyclopeptiden und Nucleinsauren bei der Wechselwirkung mit Gastionen oder Gastmolekulen wurde in zahlreichen Fallen beobachtet4), insbesondere auch fur Valinomycin, das fur die in dieser Arbeit syntheti- sierten Liganden in vieler Hinsicht Model1 stand. Die angestrebten Oligoamid- Liganden sollten auch als einfache Modellsubstanzen fur die gegenseitige Anziehung zweier Kettenstrange in Peptiden oder Nucleotiden5) dienen kdnnen und damit ehen gewissen Modellcharakter fur EnzydSubstrat-Wechselwirkungen oder -Bindung be- sitzen.

1. Synthese der Liganden und Wirtsmolekiile

Zur Darstellung der vielzahnigen Oligoamid-Neutralliganden wandten wir eine Me- thodik an, die durch Wiederholung gleicher Schritte die Kette mit identischen Unterein- heiten verbngert (,,repetitive Synthese'')6). Zur Synthese von 11 wurde beispielsweise von 1 ,I l-Dichlor-3,6,9-trioxaundecan ausgegangen, das mit ortho-Nitrophenol den of- fenkettigen Neutralliganden 5 liefert, der durch Reduktion in die Aminoverbindung 6 ubergefuhrt wird. Acylierung von 6 mit ortho-Nitrobenzoylchlorid fuhrt irn nachsten Schritt zum Diamid 9. Erneute Reduktion der beiden endstandigen Nitrogruppen lie- fert das Amin 10, welches im Wiederholungsschritt mit ortho-Nitrobenzoylchlorid zu

n n n m 0 0 0

m h A n 0 0 O " 0 0

NHCOCH3

8a COOC2H5 0

8b COOCZHI; 1

Liebigs Ann. Chem. 1980, Heft 3 28

428 H . Sieger und F. Vogtle 1980

11 umgesetzt wird, womit sich ortho-Nitrobenzoylchlorid sowohl als Kettenverbnge- rungs-, als auch Kettenverbindungseinheit erweist. Die Repetitionsschritte kbnnen wie- derholt werden, wodurch offenkettige Neutrauiganden vom Typ 9 und 11 entstehen, deren weiterer Verllngerung nichts entgegensteht. Durch Kalottenmodell-Betrachtun- gen kann gezeigt werden, dai3 11 bereits vier intramolekulare Wasserstoffbriickenbin- dungen ausbilden kbnnte. Lagert man allerdings in den so entstandenen Modeilhohl- raum im Bereich der Oligoethylenglykolether-Kette ein grdneres Gastion ein, so konnte je nach der GastgroDe die eine oder andere H-Briickenbindung gelockert oder gelbst w erden .

Die Ligandstruktur kann nach dieser Methode durch Einschieben von Oligoethylen- glykolether-Ketten zwischen die Oligoamid-Segmente variiert werden: Auch hier dient der nichtcyclische Dinitro-Ligand 5 als kronenetherartiges Mittelstuck. Als geeignetes

/%I% 0 O * R

- 12a 12b 13a 13b

n R 1 OH

2 OH

1 OTs

2 OTs

A/+ 0 o n 0

A/% 0 o n 0

1980 Ligandstruktur und Komplexierung, LI 429

Verbindungs- und Verhngerungs-Kompartiment, welches noch eine zusatziiche Donor- kette enthalten sollte, bot sich ein unsymmetrisches, offenkettiges Ligandgeriist an, welches an einem Ende eine Carbonsiiure, am anderen aber eine potentielle primlre Aminogruppe (Vorstufe: Nitrogruppe) enthiilt.

o-Nitrophenol wird mit 2-(2-Chlorethoxy)ethanol und mit 2-[2-(2-Chlorethoxy)- ethoxylethanol zu 12a bzw. 12b umgesetzt; die daraus gebildeten para-Toluosulfon-

28*

430 H. Sieger und F. Vogtle 1980

saureester 13a, b liefern ohne weitere Reinigung durch nucleophile Substitution rnit dem Natriumsalz des Salicylsaure-methylesters 14a und 14b sowie rnit Chinolin-8-01 das offenkettige Kronenether-Teilstuck und zugleich das Zwischenprodukt 16.14a und 14 b werden zu den Carbonsauren 15 a und 15 b verseift und die anschlierjend rnit Thio- nylchlorid gebildeten Carbonsaurechloride rnit dem Amin 6 zu den verhgerten Amiden Ma, b umgesetzt. Die anschlienende Reduktion der Dinitroverbindung 18a zu 19 ist bereits ein Wiederholungsschritt der Oligokondensations-Strategie. Nochmalige doppelte Amidbildung ausgehend von 19 rnit dem Saurechlorid von 14a ergibt schlieR- lich das offenkettige Tetraamid 20.

Anstelle der Oligoethylenglykolether-Kette als Mittelstuck der Neutralliganden kon- nen auch dreiarmige Amine wie Nitrilotriethanol eingesetzt werden, was zu analogen offenkettigen Liganden des Typs 23 fiihrt, der analog repetitiv rnit weiteren Carbonsaureamid-Struktureinheiten verlangert werden kann. Auf analogem Wege kann Diaza[l8]krone-6 in Carbonsaureamid-Ligandgeriiste etwa unter Bildung von 24 eingefiihrt werden. Die 1,3,5-Benzoltricarbonsaure erschien ebenfalls geeignet, als An- kergruppe fur Kronenether-kr fangarme" eine neue Ligandtopologie aufzubauen. Als Kronenether-Verlangerungsarm wurde wiederum ein unsymmetrischer offenkettiger Ligand 17 synthetisiert, der auf der einen Seite eine Donorendgruppe'), am anderen Kettenende eine primare aromatische Aminogruppe tragt. Der vielzahnige Tripoden- Ligand 25 wurde durch Carbonsaureamidbildung aus 17 und 1,3,5-Benzoltricarbon- sauretrichlorid erhalten.

Der cyclische Ligand 26 kann nach der 2C-VP-Methode8) durch Cyclisierung des of- fenkettigen Diamin-Neutralliganden 10 und Oxybis(acetylch1orid) synthetisiert werden.

HN

"1 NH

26

Zweck dieser Oligoamidstruktur-Einfiihrung und der Ausbildung verschiedener Ket- tensegmente war es auch, den Einflul3 dieser Strukturabwandlungen, insbesondere auch ein Vergleich von RCO - NHR- und dazu retro-standigeng) Amiden auf die Kom- plexierungsfahigkeit und die Selektiviat gegeniiber Alkalimetallkationen und Neutral- molekiilen zu untersuchen. Durch den stufenweisen Aufbau und die Variationsmog- lichkeit bei der Synthese konnten so Selektivitaten gegeniiber bestimmten Gastionen und Gastmolekulen ,,geziichtet" werden.

Die Carbonsaureamid-Struktur hat sich a d e r in Naturstoff-Ionophoren auch in li- pophilen Di- und Tricarbonsaureamiden als giinstig erwiesen'".

Tabe

lle 1.

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["C

I (M

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Ana

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ch-

CH

N

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tes

MS

RF-

Wer

ta)

la

lb

2 5 6 7 8a

8b

9 10

11

12 a

12 b

2,2'-(3,6-Dioxaoct

amet

hy1e

ndio

xy)d

iben

zoes

aure

2,2'-(3,6,9-Trioxaundecamethylendioxy)-

2-[8-(2-Aminophenoxy)-3,6-

diox

aoct

ylox

y] be

nzoe

saur

e di

benz

oesa

ure

1,l l-

Bis(2-nitrophenoxy)-3,6,9-trioxaundecan

1,l l-Bis(2-aminophenoxy)-3,6,9-trioxaundecan

1,ll -Bis(2-acetarnidophenoxy)-3,6,9-trioxaundecan

2,2'-(3,6-Dioxaoctamethylendioxy)dibenzoesaure-

2,2'-(3,6,9-Trioxaundecamethylendioxy)dibenzoe-

1,l l-Bis[2-(2-nitrobenzamido)phenoxy]-3,6,9-tri-

1,l l-Bis[2-(2-aminobenzamido)phenoxy]-3,6,9-tri-

1,l 1-Bisj2-[2-(2-nitrobenzamido)benzamido]phen-

1-(2-Nitrophenoxy)-3-oxa-5-pentanol

diet

hyle

ster

saur

e-di

ethy

lest

er

oxau

ndec

an

oxau

ndec

an

oxy)-3,6,9-trioxaundecan

91

89

88

46

74

87

65

67

42

91

56

45

72

116

01

01

01

01

76-78

01

01

73

67 - 70

205

01

01

C20

H22

0E

(390.3)

(434.4)

c22H2609

c1 gH23

OE

(361.4)

(436.4)

C20H28N205

(376.4)

C24H32N207

(460.5)

(446.5)

(490.2)

(674.6)

C34H38N407

(614.7)

(912.9)

(227.2)

(271.2)

C20H24N209

C24H3008

C26H3409

C34H34N4011

C48H44N6013

C10H13N05

C12H17N06

Ber .

G

ef.

Ber

. G

ef.

Ber

. G

ef.

Ber

. G

ef.

Ber

. G

ef.

Ber

. G

ef.

Ber

. G

ef.

Ber

. G

ef.

Ber

. G

ef .

Ber

. G

ef.

Ber

. G

ef.

Ber

. G

ef.

Ber

. G

ef.

61.53 5.68

61.74 5.73

60.82 6.03

60.83 6.36

361.1525

361.1520

436.148 1

436.1467

376.1998

376.1 997

62.59 7.00 6.08

62.83 7.10 6.19

446.1946

446.1938

490.2203

490.2212

60.53 5.08 8.30

60.41

5.16 8.57

66.43 6.23 9.11

66.30 6.31 9.41

63.15 4.85 9.20

63.42 4.90 9.55

52.86 5.76 6.16

52.61

5.64 6.26

53.13

6.31 5.16

52.82 6.36 5.39

0.27

0.64

0.43

0.52

0.45

Tabelle

1 (F

orts

etzu

ng)

Nr .

Bezeichnung

Ausb.

Schmp.

Summenformel

(07

0)

["C

l (Molmasse)

Analyse oder hoch-

CH

N

aufgeltjstes MS

RF-Werta)

14 a

14 b

15 a

15b

16

17

18a

18b

19

20

21

22

23

2-[ 5-

(2-Nitrophenoxy)-3-oxapentyloxy]benzoesaure~

2-[8-(2-Nitrophenoxy)-3,6-dioxaoctyloxy]

benzoe-

24 5-(2-Nitrophenoxy)-3-oxapentyloxy]

benzoesaure

ethylester

saure-ethylester

2-[8-(2-Nitrophenoxy)-3,6- dioxaoctyloxy]-

benzoesaure

l-(2-Nitrophenoxy)-8-(8-chinolyloxy)-3,6-dioxa-

octan

l-(8-Chinolyloxy)-8-(2-aminophenoxy)-

3,6-dioxaoctan

1 ,I 1 -

Bis(2-[2-[5-(2-nitrophenoxy)-3-oxapentyloxy]-

benzamido)phenoxy)-3,6,9-trioxaundecan

1 ,I 1-Bis(2-j2-[8-(2-nitrophenoxy)-3,6-dioxaoctyl-

oxy] benzarnido)phenoxy)-3,6,9-trioxaundecan

1.1 1-Bis(2-(2-[5-(2-aminophenoxy)-3-oxapentyl-

oxy] benzamido]phenoxy)-3,6,9-trioxaundecan

1 ,I 1-Bis(2-(2-[ 5-(2-(2-[5-(2-nitrophenoxy)-3-oxa-

pentyloxy] benzamido~phenoxy)-3-oxapentyloxy]-

benzamido)phenoxy)-3,6,9-trioxaundecan

Tris[2-(2-nitrophenoxy)]ethylamin

Tris[2-(2-(2-[

8-(2-nitrophenoxy)-3,6-dioxaoctyloxy]-

benzamido]phenoxy)ethyl]amin

78

60

98

97

78

95

67

65

95

60

63

84

63

01

01

60-65

76

01

01

01

01

01

01

01 01

01

C19H21

(375.4)

(419.4)

(347.3)

(391.4)

(398.4)

(368.4)

C54H58N401

7 (1 034.1)

C56H66N401

9 (1123.2)

(974.1)

(1 633.7)

c21 H25N08

C17H17N07

C19H21N08

c21 H22N206

C21H24N204

C54H62N4013

C88H92N6025

C24H24N409

(512.4)

C24H30N403

(422.5)

(1 542.6)

C81H87N7024

Ber. 375.1318

Gef. 375.1317

Ber. 419.1580

Gef. 419.1579

Ber. 58.78 4.93 4.03

Gef. 58.89 4.99 4.00

Ber. 58.30 5.40 3.57

Gef. 58.14 5.26 3.42

Ber. 63.30 5.56 7.03

Gef. 63.06 5.87 6.75

Ber. 368.1736

Gef. 368.1731

Ber. 1034.3798

Gef. 1034.3878

Ber. 1122.4312

Gef. 1122.4359

Ber. 974.4313

Gef. 974.4287

Ber. 1633

Gef. 1686b)

Ber. 56.20 4.72 10.93

Gef. 55.86 4.93 10.59

Ber. 68.22 7.15 13.25

Gef. 67.93 7.44 13.01

Ber. 62.33 5.74 6.2P)

Gef. 62.15 5.61 6.04

0.73

0.67

0.29

0.67

0.57

0.43

0.54

Tabelle 1

(For

tset

zung

)

Nr .

Bezeichnung

Ausb.

Schmp.

Summenformel

(%)

["CI

(Molmasse)

Analyse oder hoch-

CH

N

aufgelostes MS

RF-Werta)

24

7,l6-Bis[2-[8-(2-nitrophenoxy)-3,6-dioxaoctyloxy]-

benzoy1)-1,4,10,13-tetraoxa-7,16-diazacyclo-

heptadecan

N,N :

N "-Tris (2-[8-(8-chinolyloxy)-

1,3,6-trioxa-

octyloxy]phenyl)-I ,3,5-benzoltricarbonsaure-

triamid

1,4,7,10,13,23-hexaoxa-16,20,26,30-tetraaza-

cyclodotriacontan-14,18,27,32-tetraen-

17,21,25,29-tetraon

D-( - )-

27a

o-N,N'-(1-Phenylethy1)-2,2'-(3,6-dioxaoctamethy-

1endioxy)dibenzoesaurediamid

L-(

+ )-2

7a

~-N,N'-(l-Phenylethy1)-2,2'-(3,6-dioxaoctamethy-

1endioxy)dibenzoesaurediamid

D-( -

)-27

b ~-N,N'-(l-Phenylethyl)-2,2'-(3,6,9-trioxamethylen-

di0xy)dibenzoesaurediamid

L-( + )

-27b

~-N,N'-(l-Phenylethy1)-2,2'-(3,6,9;trioxamethylen-

diox

y)di

benz

oesa

ured

iam

id

25

26

14,15: 18,19: 27,28: 31,32-Tetrabenzo-

78

01

C,oH,N408

Ber. 1008.4215

0.30

(1008.4)

Gef. 1008.4205

65

01 C72H72N,50B

Ber

. 1260.5056d)

0.41

(1261.4078)

Gef. 1260.4477

68

170

C3,H,N4Ol0

Ber

. 64.03 5.65 7.86

(712.7)

Gef. 64.00 5.59 7.89

93

dl

C3,H,N,0,

Ber. 596.2886

0.56

(596.7)

Gef. 596.2899

94

01

C,6H,N20,

Ber

. 596.2886

0.57

73

01

C,,H4N2O,

Ber. 640.3149

0.52

80

01

C,,H,N207

Ber

. 640.3149

0.53

(596.7)

Gef. 596.2882

(640.7)

Gef. 640.3136

(640.7)

Gef. 640.3137

a) DC-Alufolie Kieselgel 60

FZj4

, Schichtdicke 0.2 m

m (Fa. Merck), CHC1,/6% M

ethanol.

b, M

olek

iilm

asse

nbes

timrn

ung.

c, Die Elementaranalyse w

ur&

mit 1

mol H,O

berechnet, welches

vom

Liganden eingeschlossen wird

4 Me-1.

434 H. Sieger und F. Vogtle 1980

2. Ligandstruktur und Komplexierung

Komplexierungsversuche rnit AlkaWErdalkalimetallionen, insbesondere auch Am- moniumverbindungen, fuhrten zu den in Tabelle 2 aufgefuhrten, isolierten, stochiome- trisch zusammengesetzten Komplexen. Bemerkenswerterweise ist die Darstellung kri- stallisierter Alkali-/Erdalkalisalzkomplexe mit den vielzahnigen Liganden in einer Rei- he von Fallen schwieriger als mit nur fiinf- bis siebenzahnigen Liganden vom Typ 5 - 7.

Tabelle 2. Synthetisierte Komplexe der neuen vielzahnigen Neutralliganden und einiger Vorstufen

Ligand Eingesetztes Stochiometrie Schmp. Analyse (L) Salz (S) L:S:H20 ["CI C H N

l b

2

2

5

6

7

8b

17

18 b

25

25

25

D-( - )-27 b

D-( - )-27 b

D-( - )-27 b

Ca(SCN), . 4H20

KSCN

NaC10,

KSCN

KSCN

KSCN

Ca(SCN), . 4H20

Ba(SCN), . 2H20

Ca(SCN), . 4H20

RbI

Ca(SCN)2 ' 4H20

Ba(SCN), . 2H20

NaC10,

Ca(SCN), . 2 H 2 0

Ba(SCw . 2H20

1 : l

1: 1

1: 1

1: 1

1:1:0.5

1 : l

1 : l

1 : l : l

1:2.5: 3

1: 1

1:2:2

2: 3

1: 1

1: 1

1 : l

120 (Zers.)

114

126

95

83

111 (Zers.)

166

209

160- 170

137

149

120 (Zers.)

68 (Zers.)

260

1 40

Ber. 48.80 4.44 4.74 Gef. 48.80 4.64 4.54 Ber. 52.38 5.05 6.10 Gef. 52.50 5.10 6.01 Ber. 47.16 4.79 2.89 Gef. 47.27 4.90 2.82 Ber. 47.27 4.53 7.87 Gef. 47.27 4.54 7.87 Ber. 52.26 5.84 8.71 Gef. 52.30 5.92 8.74 Ber. 53.84 5.78 7.53 Gef. 53.56 5.94 7.53 Ber. 51.99 5.29 4.33 Gef. 51.50 5.37 4.35 Ber. 43.17 4.09 8.75 Gef. 43.28 4.16 8.73 Ber. 48.26 4.62 8.04 Gef. 48.29 4.83 8.16 Ber. 58.60 4.92 5.70 Gef. 58.49 4.98 5.67 Ber. 54.80 4.42 7.62 Gef. 54.43 4.69 7.41 Ber. 56.70 4.75 8.70 Gef. 56.78 4.69 8.53 Ber. 59.80 5.81 3.67 Gef. 60.06 6.10 3.49 Ber. 53.72 4.95 6.26 Gef. 53.53 5.22 6.25 Ber. 60.27 5.56 7.02 Gef. 60.41 5.64 7.02

Die Darstellung kristallisierter Komplexe mit Neutralsubstanzen wie Harnstoff, Thioharnstoff, Acetonitril, Nitromethan usw. gelang bisher noch nicht").

Die bei der Synthese vielzahniger Kronenether angefallenen Ausgangssubstanzen wie 17 und die durch Reduktion von 15b zugangliche Verbindung 2 bilden ebenfalls Kom- plexe mit Alkali- oder Erdalkalimetallionen; sie sind ebenfalls in Tabelle 2 aufgefuhrt.

Im 'H-NMR-Spektrum des freien Liganden 2 fehlen Saureprotonen - ein Hinweis darauf, dal3 der Ligand in Losung als Betain vorliegt, wodurch im 2-KSCN-Komplex eine direkte Anziehung der Endgruppen die Komplexbildung begiinstigen durfte.

1980 Ligandstruktur und Komplexierung, LI 435

In einigen Fdlen kann die Kation-Komplexierung der oben beschriebenen Liganden an der Auflosung von anorganischen Salzen in organischen Losungsmitteln erkannt werden; jedoch ist es allgemein schwierig, die dann beim Ausfallen mit lipophileren Lo- sungsmitteln sich haufig nur olig abscheidenden Komplexe zur Kristallisation zu brin- gen. So fallt der 18b-Ca(SCN),-Komplex aus Essigester bei Zugabe von wenig Petrol- ether/Ether zuerst als shes 01 an, welches erst nach Tagen unter Anreiben, Abkiihlen und Solvenswechsel m r Kristallisation gebracht werden kann. Das gefundene (Ligand: Salz)-Verhaltnis (Elementaranalyse) von 1 : 2.5 zeigt, da13 18b erwartungsge- mal3 mehr als nur ein Kation koordinieren kann. Die ungerade Stochiometrie kdnnte durch die Verteilung von im Mittel fiinf Kationen auf zwei Liganden im Kristallgitter des Komplexes zu erkkiren sein.

Der Tripoden-Ligand 25 bildet dagegen leicht kristallisierte Komplexe rnit Barium- und Calciumthiocyanaten. Allerdings wird auch hier mehr als nur ein Kation pro Li- gand gebunden, da die drei ,,Fangarme" wohl verschiedene Pseudohohlraum- Topologien ausbilden konnen. Nur rnit RbI bildet 25 bemerkenswerterweise einen (1 : 1)- Komplex.

Tabelle 3. 23Na-Linienbreiten v , , ~ der Amidkronenether und der optisch aktiven Liganden 27% b (in Pyridin bei 304K, 21 MHz)

Ligand Ohne Ligand Mit Ligand Konkurrenz- Ligand : Salz/ : Linienbreite viI2 Verhgltnis in Losung

(NaClO,) (mit 1 : 1 NaC10.J verbindung Konkurrenzverbindung Nr.

7 60 165 BaI,: 177 l : l / : l 9 60 206 Harnstoff: 224 1:1/:2

10 60 166 Harnstoff: 180 1:1/:2 11 60 232 Harnstoff: 244 1:1/:2 18 a 60 216 KSCN: 180 l : l / : l 18b 60 268 Harnstoff 260 1:1/:2 20 60 364 NaI: 382 1 : 1/: 1 25 60 > lo00 - 1: 1 26 60 334 Harnstoff 292 1:1/:2

L-( + )-27a 60 137 - 1 : 1 D-( -)-27b 59 320 - 1 : l

NMR-spektroskopische Untersuchungen der Komplexierung zeigen, da8 die neuen Liganden rnit zugesetzten Salzen in nahezu alien Fallen deutlich in Wechselwirkung tre- ten. Besonders aufschlufireich sind 23Na-NMR-Untersuchungen12): Nachdem das of- fenkettige Diamid 7 rnit dieser Methode eingehend studiert worden isti3), lag es nahe, die Wechselwirkung des Natriumions mit den neuen vielzlhnigen Carbonsaureamid- Liganden und einfachen Vergleichsverbindungen direkt am koordinierten Metallkation zu be~bachten'~). Unter Vernachkssigung der Viskositatsanderungen wurden von den in Tabelle 1 aufgefiihrten Amidkronenethern 23Na-NMR-Spektren in dem sich als ge- eignet erwiesenen Losungsmittel Pyridin aufgenommen. Die Mefibedingungen und die beobachteten Linienverbreiterungen sind in Tabelle 3 aufgefuhrt. Wie zu ersehen ist, komplexieren die neuen Liganden 11, Ma, b, 20, 25, 26 das Natriumion zum Teil er- heblich besser als das einfache Diamid 7.

436 H. Sieger und F. Vogtle 1980

Dies ist unter anderem auch durch Anbringen zusatzlicher Donorzentren wie in 9 - 11 und durch zusatzliche Ethersauerstoffatome in den ankondensierten Oligoethylenglykol-Ketten zu erkkren. Das offenkettige Tetraamid 11 tritt z. B. starker in Wechselwirkung rnit Na@ als 9 und 10; da die Etherkette nicht verhgert wurde, durfte die Zunahme der Komplexierungsfahigkeit durch die beiden zusatzlichen end- standigen Amidbindungen hervorgerufen worden sein. Moglicherweise erhoht die Aus- bildung weiterer H-Briickenbindungen in 11 ebenfalls die Komplexierungsfahigkeit, da die Umwicklung des Kations erleichtert wird.

Innerhalb der Reihe der durch Einschub von ,,Oligoethylenglykolamid-Einheiten" verlangerten Kronenethersysteme 18 b und 20 wachst die Komplexierungsfahigkeit kon- tinuierlich mit dem Zuwachs an Donorzentren. So koordiniert 20 das Natriumion sogar annahernd doppelt so gut wie 7. Fur den Tricarbonsaureamid-Liganden 25 vom Tripoden-Typ findet man durch 23Na-NMR-Spektroskopie starke Wechselwirkungen rnit dem Natriumion. Der Ubergang von linearen Donormolekulen rnit Pseudocyclus- Bildung zu Tripoden-Liganden rnit dreidimensionalem ,,Pseudohohlraum" konnte fur die Erhohung der Komplexstabilitat verantwortlich sein.

Die ebenfalls in Tabelle 3 aufgefuhrte 23Na-Linienverbreiterung des cyclischen Tetra- amids 26 zeigt, d& dieser rnit weniger Donoratomen als 11, 18a und b ausgestattete Li- gand das Natriumion noch starker komplexiert. Der Cyclus weist bereits einen vorge- formten definierten Donorhohlraum auf, der nicht erst durch drastische Konforma- tionsanderungen gebildet werden mul3.

Die 23Na-NMR-Spektroskopie erlaubt neben der Beobachtung der Na@-Komplexie- rung die Durchfuhrung von Konkurrenzexperimenten zur Bestimmung der Bindungs- verhaltnisse zwischen zugesetztem Liganden und anderen Kationeni2):

In Tabelle 3 sind auch die Zu- und Abnahmen der Linienbreiten je nach der Wechsel- wirkung rnit einem zugesetzten Konkurrenzion oder Konkurrenzmolekul aufgefuhrt. Geht z. B. auf Zusatz von KSCN die beobachtete Linienverbreiterung wie beim Ligan- den 18a zuriick, so wird augenscheinlich das Natriumkation durch KO verdrangt. In- teressant ist auch, dal3 die Linienbreite auf Zusatz von Harnstoff beim cyclischen Tetraamid 26 und auch beim offenkettigen Liganden 18b abnimmt, was analog rnit ei- ner Verdrangung des Kations durch das Neutralgastmolekul erklart werden kann. Durch Ausbildung mehrerer H-Briickenbindungen konnte das Harnstoffmolekul den Hohlraum gut ausfiillen und fur Ionen blockiereni5).

3. C h i d e Neutralliganden

Zur Einfuhrung der Chiralitat in offenkettige Neutralliganden'O) rnit Amidcharakter wurden optisch aktive Amine an den Kettenenden achiraler Liganden verwendet.

r i

O.L -27a: n = 1 H o , ~ - 2 7 b : n=2

C"3

1980 Ligandstruktur und Komplexierung, LI 437

Die Liganden D- und ~-27a, b wurden zuntichst hinsichtlich der Komplexierung rnit Alkali-/Erdalkalimetallionen untersucht. Die rnit diesen Salzen erhaltenen kristallinen Komplexe sind in Tabelle 2 aufgenommen. Im 23Na-NMR-Experiment erweisen sich, wie aus Tabelle 3 zu ersehen ist, die mit optisch aktiven Endgruppen versehenen Ligan- den als stark Natriumionen-komplexierend. Der lipophile Amidrest schirmt wohl das Kation besser als der Acetylrest in 7 gegen das Solvens Pyridin ab.

nnnn 0 0 0 0 0

H3C 7 CH3

Expenmenteller Teil Dicarbonsdure-diethylester-Ligand 8 b: 4.08 g (60.0 mmol) Natriumethylat in 50 ml wasser-

freiem Ethanol werden langsam unter Riihren und N, zu einer LCisung von 9.97 g (60.0 mmol) Salicylsiiure-ethylester in 100 ml wasserfreiem Ethanol getropft. Zu dieser siedenden Ldsung gibt man innerhalb von 1 h unter Rtihren 15.07 g (30.0 mmol) l,ll-Dibrom-3,6,9-trioxaundecan in wasserfreiem Ethanol. Das Reaktionsgemisch wird noch 4 h unter RiickfluR erhitzt (farbloser Niederschlag). Nach Abktihlen wird filtriert, i. Vak. eingeengt und das farblose 81 in Chloroform aufgenommen. Man wascht mehrmals rnit Wasser und chromatographiert nach dem Trocknen der organischen Phase iiber eine Kieselgelsaule; Ausb. 65% 8 b als farbloses 81. Daten siehe Ta- belle 1.

Dicarbonsdure-diethylester-Ligand 8a: Er wird analog der Vorschrift fur 8 b rnit 1 ,I-Dibrom- 3,6-dioxaoctan dargestellt; Daten siehe Tabelle 1.

Dicarbonsdure-Ligand 1 b: Zu einer LUsung von 9.80 g (20.0 mmol) 8 b in 100 ml Ethanol tropft man rasch eine Lbsung von 6.40 g (160.0 mmol, Uberschuf3) Kaliumhydroxid in 100 ml Wasser. Nach 20 min. Erhitzen unter mildem RiickfluB destilliert man das Ethanol i. Vak. ab. Die wmrige Phase wird mit verd. Salzsaure unter Eiskiihlung angesauert und mehrmals rnit Chloroform ex- trahiert. Die organische Phase wird rnit Wasser neutral gewaschen und iiber MgS04 getrocknet. Das LCisungsmittel wird i. Vak. abdestilliert, wonach ein farbloses, viskoses 8 1 zuriickbleibt; Da- ten siehe Tabelle 1.

Dicarbonsliure-Ligand 1 a: Er wird analog der Vorschrift fur 1 b aus 8a dargestellt; Daten siehe Tabelle 1.

Ligand 5: 8.00 g (25.0 mmol) 1 ,Il-Dibrom-3,6,9-trioxaundecan in 100 ml Butanol werden in- nerhalb von 30 min unter Ruhren und N, zu einer Losung von 6.95 g (50.0 mmol) 2-Nitrophenol und 2.80 g (50.0 mmol) Kaliumhydroxid in 100 ml Butanol und 40 ml DMF getropft. Die Mi- schung (farbloser Niederschlag) wird 5 h unter RuckfluR erhitzt. Nach Abkuhlen filtriert man den gebildeten Niederschlag (KBr) ab und nimmt das erhaltene viskose 81 in Chloroform auf. Die Chloroformphase wird erst rnit verd. wmriger Natronlauge, dann rnit Wasser gewaschen. Die ge- trocknete organische Phase wird i. Vak. eingeengt und an einer Aluminiumoxid-Saule (Fa. Woelm; basisch, Aktivitatsstufe I) chromatographiert; Ausb. und Daten siehe Tabelle 1.

43 8 H. Sieger und F. Vogtle 1980

Ligand 21: 2.40 g (10.0 mmol) 2,2',2"-Trichlortriethylamin-hydrochlorid in 40 ml Ethanol wer- den langsam unter Riihren und Sieden zu einer Losung von 5.56 g (34.0 mmol) 2-Nitrophenol in 50 ml ButanoVlO ml DMF und 2.30 g (41 .O mmol) Kaliumhydroxid getropft. Die weitere Reak- tion und Aufarbeitung folgt der Vorschrift fur Ligand 5 (Chromatographie iiber eine Kieselgel- saule mit CHC13/5% Ethanol).

Alkohole 12a und b: 13.9 g (100 mmol) 2-Nitrophenol sowie aquimolare Mengen Kaliumhy- droxid werden in 200 ml siedendem Butanol und 50 ml DMF gelost und nach Zugabe eines 4fachen Uberschusses an 5-Chlor-3-oxa-1-pentanol (fur 12a) bzw. 8-Chlor-3,6-dioxa-l-octanol (fur 12b) 20 h unter RiickfluD erhitzt. Die dunkle Losung wird vom gebildeten Niederschlag (KC1) abfiltriert. Nach Einengen i. Vak. wird iiberschiissige Chlorverbindung bei 0.1 Torr zuriickdestil- liert. Der Riickstand wird in Chloroform aufgenommen und mehrmals mit verd. Natronlauge und Wasser gewaschen. Die uber Na2S0, getrocknete organische Phase wird i. Vak. eingeengt und das zuriickgebliebene 0 1 i. Hochvak. destilliert; Daten siehe Tabelle 1.

p-Toluolsulfonsaureester 13a und b: Sie wurden nach der iiblichen Methode16) mit p-Toluol- sulfonsaurechlorid in Pyridin bei 0 - 5 "C aus den entsprechenden Alkoholen 12a bzw. 12 b darge- stellt .

Unsymmefrische Kronenefher 14a, b und 16: 11.28 g (60.0 mmol) Natriumsalicylat, gelost in wasserfreiem Ethanol/DMF (4 : 1) werden wie fur 8 beschrieben, dargestellt. Zur siedenden Lo- sung bzw. einer Losung von Chinolin-8-01 und aquimolaren Mengen Kaliumhydroxid tropft man innerhalb von 1 h unter Ruhren und N, 30.0 mmol der Tosylate 13a, b, gelost in wasserfreiem DMF/Ethanol(5 : 1). Die Aufarbeitung erfolgt wie bei 8; Ausbeuten und Daten siehe Tabelle 1.

Monocarbonsuure-Kronenether 15 a und b: Die Darstellung erfolgt analog der Vorschrift fur den nichtcyclischen Dicarbonsaureliganden 1 b durch alkalische Verseifung von 14a, b; Ausbeu- ten und Daten siehe Tabelle 1.

Monoamine 2,17 und Diamine 6,10,19 sowie Aminverbindung 22. - Allgemeine Vorschrift: 20.0 mmol der jeweiligen Mononitroverbindungen 15 b, 16 bzw. 10.0 mmol der Dinitroverbin- dungen 5, 9, 18a oder der Trinitroverbindung 21 werden in wenig Ethanol in der Siedehitze ge- lost. Nach Zugabe von katalytischen Mengen frisch hergestellten Raney-Nickels tropft man so langsam eine 30proz. wainrige Hydrazinhydrat-Losung (ca. 5facher Uberschuin) zu, dain das Reak- tionsgemisch nicht unkontrolliert schaumt. Der Reaktionsablauf wird diinnschichtchromatogra- phisch [Kieselgel60 FZj4, Schichtdicke 0.2 mm (Fa. Merck) und CHC13/5% Ethanol] kontrolliert. Anschlienend filtriert man das Raney-Nickel ab und engt die Losung i. Vak. ein. Das resultieren- de farblose 0 1 wird unter N2 in Chloroform aufgenommen und uber eine Aluminiumoxid-Saule (Fa. Woelm; neutral, Aktivitatsstufe I) chromatographiert; Ausbeuten und Daten siehe Tabelle 1.

Diamid-Ligand 7: Eine Mischung aus 3.76 g (10.0 mmol) 6 und 60 ml Acetanhydrid (Uber- schuD) wird 50 min bei Raumtemp. geriihrt. AnschlieDend giel3t man auf Wasser und extrahiert nach der Zersetzung des Acetanhydrids und Neutralisation der Mischung mit Chloroform. Die organische Phase wird durch azeotrope Destillation mit Benzol entwassert und anschlieoend i. Vak. bis auf ca. 5 ml eingeengt. Das Konzentrat wird saulenchromatographisch [A1203, neutral, Aktivitatsstufe I (Fa. Woelm) und CHCI3/CH3OH (24: l)] gereinigt. Nach Abdestillieren des Lo- sungsmittels fallt die Verbindung fest an und kann aus Essigester umkristallisiert werden; Ausb. und Daten siehe Tabelle 1 .

Amidverbindungen 9,11, Ma, 18b, 20 und23. - Allgemeine Vorschrift: 10.0 mmol des jewei- ligen Amins 6, 10, 19, Diaza[lS] krone-6 und Tris[2-(2-aminophenoxy)ethyI]amin (22), gelost in 100 ml wasser- und ethanolfreiem Benzol werden tropfenweise mit 10.0 mmol des entsprechenden Saurechlorids (0-Nitrobenzoylchlorid und die Saurechloride der Carbonsauren 15a, b bzw.

1980 Ligandstruktur und Komplexierung, Ll 439

20.0 mmol Carbonsaurechlorid 15b zur Darstellung von 23) in 50 ml wasser- und ethanolfreiem Benzol versetzt. Das ausgefallene Hydrochlorid wird nach 2 h abfiltriert (bzw. vom oligen Hy- drochlorid des Diamins 19 wird die iiberstehende Losung dekantiert), das Benzol i. Vak. abdestil- liert und der Riickstand iiber Kieselgel chromatographiert bzw. 9 und 11 umkristallisiert; Ausb. und Daten siehe Tabelle 1. - Infolge der hohen Molekiilmasse von 20 (1633.7) ist die Aufnahme von Massenspektren schwierig; durch osmometrische Molmassenbestimmung konnte die errech- nete Masse innerhalb der Fehlergrenze bestatigt werden.

Offenkettiges Triamid 25: Die Darstellung erfolgt analog voranstehender Vorschrift mit 1 mmol des Saurechlorids der 1,3,5-Benzoltricarbonsaure und 3 mmol17. Das Produkt fallt aber selbst als 8-Oxychinolin-hydrochlorid aus der Losung aus und kann leicht abgetrennt werden; Ausb. und Daten siehe Tabelle 1.

Cyclisches Tefraamid 26: 3.07 g (5.0 mmol) Diamin 10 und 0.427 g (2.5 mmol) Oxybis(acety1- chlorid) werden getrennt in jeweils 200 ml wasser- und ethanolfreiem Benzol gelost und unter 2C- VP-Bedingungen8C) (1 1 trockenes Benzol als Vorlage, Zutropfdauer 8 h) bei Raumtemp. und un- ter N2 umgesetzt. Das ausgefallene Hydrochlorid wird abfiltriert und das Losungsmittel i. Vak. abdestilliert. Das zuriickgebliebene feinkristalline Produkt wird aus CHC13/CH30H (1 : 1) umkri- stallisiert; Ausb. und Daten siehe Tabelle 1.

Offenkettige optisch aktive Amide 27a und b: Die Darstellung erfolgt wie oben fur Amide be- schrieben unter Verwendung der optisch reinen D- und L-a-Phenylethylamine und den Dicarbon- saurechloriden von 1 a, b; Ausb. und Daten siehe Tabelle 1.

Darstellung der Komplexe. - Allgemeine Vorschrift: Eine Losung des Metallsalzes (0.2 bis 1 .O mmol) in moglichst wenig heiljem Methanol [im Falle von Ca(SCN), und B a ( S C b in wenig heiljem Essigester] wird mit der warmen Losung des Liganden in Essigester vereinigt und 30 min unter mildem RiickfluB erhitzt. Beim Abkuhlen fallen die Komplexe in der Regel nicht aus. Man versetzt daher die Losung mit wenig Petrolether/Ether. Oft fallen nun die Komplexe 61ig an und kdnnen durch Anreiben und Stehenlassen verfestigt werden. Man filtriert, wascht mit wenig kal- tem Essigester nach und kristallisiert aus Essigester/Petrolether (60 - 90 "C) um; Ausb. und Da- ten siehe Tabelle 2.

I) L. Mitteilung: J. P. Dix und F. Viigtle, Chem. Ber. 113, 457 (1980). 2, 2a) F. Vogtle und H . Sieger, Angew. Chem. 89,410 (1977); Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 16, 396 (1977). - Zb) B. Ttimmler, G. Maass, F. Vogtle, H . Sieger, U. Heimann und E. Weber, J. Am. Chem. SOC. 101, 2588 (1979).

3) J. AI-Hassan und J. S. Davies, Tetrahedron Lett. 1978, 3843. 4) Ubersicht: W. Burgermeister und R. Winkler-Oswafitsch, in Inorganic Biochemistry 11, Top.

Curr. Chem. 69, 83, Springer, Berlin - Heidelberg - New York 1972. 5 ) Cyclopeptide: M. Hollosi und Th. Wieland, Int. J. Pept. Protein Res. 10, 329 (1977); Nuclein-

sauren: 5a) C. H. Hassallund W.A. Thomas, Chem. Br. 7, 145 (1971). - 5b) R . Surges und B. Witkop, Biochemistry, 4, 2491 (1965).

6 ) E. Buhleier, W. Wehner und F. VOgfle, Synthesis, 1978, 155. 7) U. Heimann und F. Vogtle, Angew. Chem. 90,211 (1978); Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 17, 197 (1978).

8) Sa) H. Stetter und J. Marx, Liebigs Ann. Chem. 607,50 (1957). - 8b) B. Dietrich, J . M. Lehn und J . P . Sauvage, Tetrahedron Lett. 1969,2885. - sc) F. Vogtle, Chem.-Ztg. 96,396 (1972).

9) M. Goodman und M. Chorer, Acc. Chem. Res. 12, 1 (1979). 10) Ubersicht: W. E. M o d D. Ammann, R. Bissig, E. Pretsch und W. Simon in Progress in Mac-

rocyclic Chemistry (R. M. Zzatt und J. J . Christensen), 1. Aufl., Bd. 1, S. 1, Wiley & Sons, New York - Chichester - Brisbane - Toronto 1979.

440 H. Sieger und F. Vdgtle 1980

11) Vgl. hierzu: E. Weber, W. M. Miiller und F. Vdgtle, Tetrahedron Lett. 1979, 2335. 12) Ubersicht: P. Laszlo, Angew. Chem. 90, 271 (1978); Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 17, 254

(1978). 13) J. Grandjean, P. Laszlo, F. VOgtle und H. Sieger, Angew. Chem. 90, 902 (1978); Angew.

Chem., Int. Ed. Engl. 17,856 (1978). Siehe auch: P. Laszlo. Nachr. Chem. Tech. Lab. 27,710 (1979).

14) Wir danken Prof. Dr. P. Laszfo, Dr. J. Grandjean und Dr. W. Offermann fur die Durchfiih- rung der Messungen.

l5) Vgl. hierzu auch: I.-H. Suh und W. Saenger, Angew. Chem. 90, 565 (1978); Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 17, 534 (1978).

16) J. Dale und P, 0, Kristiansen, Acta Chem. Scand. 26, 1471 (1972). [143/79]