1586 E. Buhleier, K . Frensch, F. Luppertz und F. Voqtle 1978

Liebigs Ann. Chem. 1978, 1586- 1591

Ligandstruktur und Komplexierung, XXXI l)

Kronenether und Cryptanden mit Urethan-Struktureinheiten **)

Egon Buhleier, Klaus Frensch, Friedhelm Luppertz und Fritz Vogtle *)

Institut fiir Organische Chemie und Biochemie der Universitat Bonn, Gerhard-Domagk-StraRe 1, D-5300 Bonn

Eingegangen am 10. Mai 1978

Neue Kronenether- und Cryptandsysteme, die als charakteristisches Strukturelement jeweils zwei Urethaneinheiten enthalten, wurden synthetisiert. Die Cyclisierung in verdiinnter Losung fiihrt zu hbheren Ausbeuten als ohne Verdiinnung. - 'H- und '3C-NMR-Untersuchungen geben Auf- schluR iiber die konformative Beweglichkeit und die Kationkomplexierung der Ringsysteme. Der Cryptand 10 bildet einen kristallinen [l :l]-Komplex mit Lithiumperchlorat.

Ligand Structure and Complexation, XXXIl). - Crown Ethers and Cryptands with Urethane Structural Units**) New crown ether and cryptand systems have been synthesized which contain two urethane units as characteristic structural elements. Cyclizations at high dilution lead to higher yields than in more concentrated solution. - 'H- and I3C-NMR measurements provide an insight into the conforma- tional flexibility and the cation complexation processes of the ring systems. The cryptand 10 yields a crystalline 1 : 1 complex with lithium perchlorate.

1) Einleitung

Seit der Entdeckung der cyclischen Oligoethylenglykolether vom Typ der [ 18lKrone- 6*) sind eine Reihe verwandter Neutralliganden synthetisiert und ihre Komplexierungs- eigenschaften untersucht worden3). Wir interessieren uns fur Kronenether-artige Li- gandsysteme mit CONH-Gruppierungen, die fur komplexbildende Cyclopeptide (Amantanid), Cyclodepsipeptide (Valinomycin) und zahlreiche andere, auch nichtcycli- sche Ionophore charakteristisch sind4). Auaerdem zeigen physikalisch-chemische und physiologische Untersuchungen, dal3 die Carbonsaureamid-Gruppierung zur Einstel- lung einer fur eine Carrierwirkung gunstigen Komplexierungs- und Dekomplexierungs-

*) Korrespondenz bitte an diesen Autor richten.

2, C. J . Pedersen, J. Am. Chem. SOC. 89, 2495 (1967). 3, Ubersichten: F. Vogtle und E. Weber, Kontakte, Fa. Merck, 1, 11 (1977); 2, 16 (1977); 3, 36

(1977); vgl. auch: E. Buhleier und F. Voqtle, Liebigs Ann. Chem. 1977, 1080; E. Buhleier, W.

*I Herrn Prof. Dr. H. Plieninger zum 65. Geburtstag gewidmet. XXX. Mitteilung: E. Buhfeier, W. Wehner und F. Voylle, Chem. Ber., im Druck.

Wehner und F. VOgtle, Chem. Ber. 111, 200 (1678); F. Vogtle und P. Dk, Liebigs Ann. Chem. 1977. 1698.

4, W. &GerAeister und R . Winkler-Oswatitsch, Topics in Current Chemistry 69, 91 (1977); dort weitere Literaturhinweise.

0 Verlag Chemie, GmbH, D-6940 Weinheim, 1978

1978 Ligandstruktur und Komplexierung, XXXI 1587

kinetik vorteilhaft ists). Kronenether und Cryptanden wie 2 - 10 mit Urethanstruktur- elementen scheinen bisher nicht beschrieben worden zu sein.

3a: n=l l a : n=O 'la: n=l 2b: n=l 2b: n=2 3b: n=2

2c: n=3 3c: n=3

0 v o L / o

5

8

2) Synthese der Liganden

Die vielgliedrigen Urethane 2 - 10 wurden durch Umsetzung von Bis(ch1orameisen- saure)-glykolester und -(2,2'-oxydiethylenester) (11, bzw. 12) mit 1 ,o-Diaminen ver- schiedener Strukturen (offenkettige Diamine, Monocyclen, ,,[2.2]-Ligand"'j)) unter Verdunnungsbedingungen in Anlehnung an die Stettersche Methode7) synthetisiert; die offenkettigen Urethane 1 wurden zu Vergleichszwecken wie iiblich dargestellt.

A ononoq CI

7-0 0 - f ?- CI CI CL

11 12

Reaktionen bei verschiedenen Verdunnungsgraden zeigten, daR in konzentrierterer Losung etwa 10% weniger Ausbeute erreicht wird. Es scheint daher hier nur ein ver- gleichsweise schwacher Verdunnungseffekt wirksam zu sein. Die rasche Reaktion der beiden Komponenten begunstigt zweifellos die Ringbildung. In Tabelle 1 sind Ausbeu- ten sowie physikalische Eigenschaften und Analysendaten der farblosen, kristallinen Substanzen zusammengestellt.

5, N. N, L. Kirch, R. J. J. Funck, E. Pretsch und W. Simon, Helv. Chim. Acta, 60, 2326 (1977). - 5b) B. Tummler, G. Maass, E. Weber, W. Wehner und F. Vogtle, J. Am. Chem. SOC. 99, 4683 (1977).

6, IUPAC-Bezeichnung: 3,6,11,15-Tetraoxa-9-azacycloheptadecanarnin. 7, H. Stetterund J. Marx, Liebigs Ann. Chem. 607, 50(1957); B. Dietrich, J.-M. Lehn und J. P.

Sauuage, Tetrahedron Lett. 1969, 2885.

1588 E. Buhleier, K . Frensch, F. Luppertz und F. Vogtle 1978

3) Zur Stereochemie der Liganden

'H- und 13C-NMR-Messungen zeigen, da13 die Rotati 9 um die (0)C- N-Bindung in den Cyclen 2-8 und 10 kaum eingeschrankt ist (vgl. Abbildung lc). Starkere Hinde- rungen der Rotation um die (0)C-N-Einfachbindung werden dagegen im hier be- schriebenen bicyclischen Liganden 9 ebenso wie in friiher untersuchten Pyridinophan- Cryptandens) gefunden. Die ',C-NMR-Spektren von 9 zeigen fur die in Nachbarschaft zu den Stickstoffatomen befindlichen C-Atome ( a, a') der Urethan-Gruppierung zwei Singuletts (Abbildung la), fur die dem Sauerstoff benachbarten (b,b',y,y') vier ver- schiedene Signale. Dies lWt auf zwei verschiedene (E- und Z-)Einstellungen der ROC(0) - NRZ-Gruppierung aufgrund gehinderter Rotation schliel3en:

0 R' R O A N ' RO

'R \

C H2-

E -Form 2 -Form

Erwarmt man Losungen des Urethan-Cryptanden 9 im NMR-Rohr, so erhalt man Koaleszenz der E-, Z-13C-Signale bei hoherer Temperatur (332 K; Abbildung 1 b). Das bicyclische Ringsystem wird demnach konformativ flexibler.

4) Komplexierung

Qualitative Phasentransfer-Versuche mit kristallinem KMnO, und NaMnO, . 1 H,O in CHCl, als Losungsmittel deuten an, dal3 die cyclischen Urethane 2 - 8, verglichen mit anderen Kronenether- und Cryptand-Systemen, schwache Liganden sind. Die bei- den Cryptanden 9 und 10 vermogen in CHCl, zwar NaMnO, aufzunehmen, jedoch ist auch dieser Phasentransfer langst nicht so stark ausgepragt, wie etwa bei den ,,Krypto- fix"-Verbindungen9). Wegen der geringeren Basizitat der Saureamid-Stickstoffatome ist diese beeintrachtigte Komplexierung nicht uberraschend; auch beim Ubergang vom Pyridincarbonsaurediamid 13 zu 14 findet man erhohte Komplexkonstanten8).

" N N

u u

13 14 Trotz dieser geringeren Komplexierungstendenz konnte ein kristalliner Lithium-

perchlorat-Komplex von 10 isoliert werden. Die Cryptanden 9 und 10 vermogen anorganische Salze in CHCl, sehr vie1 besser auf-

zunehmen als die Cyclen 2 - 8, was das Registrieren von NMR-Spektren der Komplexe in lipophilen Losungsmitteln dieser Art vereinfacht.

8,

9, Vgl.: J.-M. Lehn, Struct. Bonding (Berlin) 16, 1 (1973) sowie Lit.,). W. Wehner und F. Vogtle, Tetrahedron Lett. 1976, 2603. - 8b) Vgl. Lit.').

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2,10,15,23-Tetraoxo-1,11,14,24-tetraaza-

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5,8,13,16,19,22,25-heptaoxabicyclo

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98

1978 Ligandstruktur und Komplexierung, XXXI 1591

Das Urethan-Cryptandgertist 9 erfahrt durch die Komplexierung mit Alkali- oder Erdalkalimetallionen eine Versteifung: Die Spektren dieser Komplexe zeigen nur noch ein Singulett fur die beiden dem Stickstoff benachbarten C-Atome an (Abbildung la), was auf eine symmetrische Fixierung des Bicyclus hindeutet. Dies steht in Obereinstim- mung damit, daI3 bei Abkiihlen der Probe keine Veranderung des Singuletts fur die be- trachteten Kohlenstoffatome (ci,a’) auftritt (Abbildung Ib).

Beim Urethan-Cryptand 10 ist, aufgrund seines beweglicheren Molekulgerusts, bei Raumtemperatur die Rotation um die Amidbindung nicht gehindert (Abbildung lc); erst bei tiefen Temperaturen wird diese Bewegung eingefroren (Abbildung Id). Im Natriumthiocyanat-Komplex von 10 scheint das Metallion ebenfalls eine symmetrische Konformation des Liganden zu erzwingen; man beobachtet nur noch ein einziges Si- gnal fur die C-Atome in Nachbarschaft zum Briickenkopf-Stickstoffatom (Abbildung lc), das in diesem Fall auch beim Abkuhlen der Probe nicht mehr aufspaltet (Abbil- dung Id).

Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Fonds der Chemischen Industrie fur die Unterstiitzung dieser Arbeit, der BASF, Ludwigshafen, fur die Bereitstellung von Aus- gangsmaterialien. Frl. B. Jendrny sind wir fur die Mithilfe dankbar.

Experimenteller Teil Allgemeine Darstellungsmethode fur die Urethan-Kronenether und -Cryptanden 2 - 10

a) 10.0 mmol des entsprechenden Bis(ch1orameisensaure)esters werden in 250 ml absol. Benzol gelost und synchron unter starkem Riihren mit 20 mmol des jeweiligen 1 ,w-Diamins, gelost in 250 ml absol. Benzol, innerhalb von 8 h in 1 1 absol. Benzol getropft. Sofort scheidet sich ein farbloser Niederschlag (Amin-hydrochlorid) ab. Nach beendeter Reaktion filtriert man und destilliert uber- schiissiges Losungsmittel im Rotationsverdampfer ab. Das Produkt reinigt man durch extraktive Umkristallisation mit Diethylether. Physikalische Daten, Analysen und Ausbeuten siehe Tabelle 1.

b) Die Verbindungen 2 - 10 kbnnen auch nach der gleichen Methode wie 1 (siehe unten) herge- stellt werden (also ohne Anwendung des Verdiinnungsprinzips). Die Ausbeuten sind dann jedoch um ca. 10% niedriger, als nach a).

Bis(morpho1inoameisensaure)-ethylenester und -(oxydiethylenester) (1 a bzw. 1 b): 1.74 g (20.0 mmol) Morpholin, gelost in 50 ml absol. Benzol, und 10.0 mmol des entsprechenden Bis(chlor- ameisensaure)esters, im gleichen Ldsungsmittel, tropft man unter kraftigem Durchmischen mit einem Magnetriihrer synchron zu 150 ml absol. Benzol. Nach beendeter Reaktion (ca. 1 h) filtriert man und destilliert iiberschiissiges Losungsmittel i. Vak. ab. Die Produkte kristallisieren aus Di- ethylether in farblosen Nadeln in analysenreiner Form. Physikalische Daten, Analysen und Aus- beuten siehe Tabelle 1.

Lithiumperchloratkomplex 10a uon 10: Zu 42.0 mg (0.1 mmol) 10, in 2 ml Methanol und 1 ml Essigester gelost, gibt man unter Riihren 10.7 mg (0.1 mmol) Lithiumperchlorat, gelost in 4 ml Methanol. Nach Zugabe von weiteren 5 ml Essigester und Stehenlassen uber Nacht bei Raum- temp. kristallisiert 10a in durchsichtigen Nadeln. Ausbeute und charakteristische Daten siehe Ta- belle 1.

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Liebigs Ann. Chem. 1978, Heft 10 104