New N(CF$_3$)$_2$ building blocks

Abstract

In dieser Arbeit wurden die literaturbekannten Substanzen I1, 2 und 3 bzw. Derivate des Phenylethanons III1─III3 synthetisiert und diese als Bausteine für die Synthese diverser neuer N(CF3)2-funktionalisierter Verbindungen verwendet (Abbildung 3.1.1). Im ersten Teil dieser Arbeit wurde das Nitril I1 als Baustein untersucht. Dabei wurde zunächst die Synthese zum Nitril I1 optimiert, wobei dieses nun in einer einstufigen Synthese aus gut verfügbaren Startmaterialien mit einer Ausbeute von 75% erhalten werden kann. Anschließend wurde das Nitril I1 als Ligand in der Koordinationschemie eingesetzt, die CH2-Gruppe deprotoniert und mit Aldehyden und Ketonen zu Alkenen umgesetzt sowie die terminale Cyanogruppe cyclisiert (Abbildung 3.1.2). Für den Einsatz in der Koordinationschemie wurde I1 analog zu Acetonitril als Ligand für CuI eingesetzt und der Tetrakiskupfer-Komplex I2 erfolgreich synthetisiert (Abbildung 3.1.2, links). Des Weiteren wurde die Cyanogruppe mit unterschiedlichen Diaminen cyclisiert, wobei das 2 Imidazolin I3, das Tetrahydropyrimidin I4 und das Hexahydrobenzimidazol I5 erhalten wurden (Abbildung 3.1.2, rechts). Zudem wurde die Deprotonierung der Methylengruppe durchgeführt, wobei das Deprotonierungsprodukt NMR-spektroskopisch nachgewiesen wurde. Dieses wurde in situ mit verschiedenen Aldehyden oder Ketonen umgesetzt, um die N(CF3)2-funktionalisierten Alkene I6─I10 zu erhalten (Abbildung 3.1.2, Mitte). Dabei kann beobachtet werden, dass bei der Verwendung von Aldehyden ein Isomerengemisch aus E- und Z-Isomer erhalten wird. Dessen Verhältnis kann durch Bestrahlung mit einer geeigneten Lichtquelle beeinflusst werden. Somit bietet das Nitril I1 Zugang zu einer Vielfalt an N(CF3)2-funktionalisierten Verbindungen, (Abbildung 3.1.2), wobei die Synthese von d10-Komplexen, N Heterozyklen wie Imidazolin, Tetrahydropyrimidin und Hexahydrobenz¬imidazol sowie zu einer Vielzahl von Alkenen möglich ist. Mit Ausnahme des Kupfer-Komplexes I2 sind alle Verbindungen hydrolysestabil und können als isolierte Feststoffe an der Luft über viele Monate gelagert werden. Das Imidazolin I3 und das Tetrahydropyrimidin I4 sind bis mindestens 150 bzw. 160 °C stabil, alle anderen Verbindungen sogar bis über 250 °C. Im zweiten Kapitel dieser Arbeit wurde das N(CF3)2-Hydrazid 2 als Synthesebaustein untersucht und diverse Reaktivitätsstudien durchgeführt, die in Abbildung 3.1.3 dargestellt sind. Das Hydrazid 2 liegt als Rotamerengemisch der sp- und ap-Konfiguration vor und bietet Zugang zu N(CF3)2-funktionalisierten Pyrazolen II1─II3 (Abbildung 3.1.3, links oben), Hydrazonen II4─II8 (Abbildung 3.1.3, rechts oben), Triazolen II9─II11 (Abbildung 3.1.3, rechts unten) und Thiosemicarbaziden II12─II14 (Abbildung 3.1.3, links unten). Bei der Synthese der Pyrazole können die C-Substituenten des Pyrazols nahezu frei gewählt werden und sind nur auf die Verfügbarkeit des entsprechenden Diketon-Eduktes begrenzt. Zur Synthese der Hydrazone können als Edukte sowohl Aldehyde als auch Ketone verwendet werden, wodurch ein vielfältiges Produktspektrum möglich ist. Auch bei den Triazolen ist eine Funktionalisierung am Triazolring durch Wahl geeigneter Imidat-Edukte möglich. Dabei kann der Substituent einerseits direkt am Triazolring gebunden sein, was am Beispiel des Phenyl-Derivates II10 gezeigt werden konnte. Andererseits kann der Substituent auch über eine Methylenbrücke am Triazolring gebunden sein, wie am Beispiel des Naphthyl-Derivates II11 gezeigt werden konnte. Die zur Synthese der Thiosemicarbazide verwendeten Isothiocyanate bieten auch die Möglichkeit zur modifizierten Funktionalisierung. Somit kann das Hydrazid 2 als Synthesebaustein für eine Vielzahl von offenkettigen Verbindungen oder N-Heterozyklen mit dem N(CF3)2-Substituenten genutzt werden, wobei der Substituent in β-Position am Heterozyklus gebunden ist. Die synthetisierten Produkte sind alle an der Luft handhabbar und über viele Monate lagerbar. Die Pyrazole sind bis mindestens 160 °C (II1) bzw. sogar 220 °C (II2 und II3) stabil, die Hydrazone II4 und II5 bis mindestens 216°C (II4) bzw. 289 °C (II5). Alle anderen Hydrazone II6─II8 sind bis mindestens 300 °C stabil, die Triazole II9─II11 bis mindestens 200 °C und die Thiosemicarbazide bis mindestens 190 °C. Im dritten Kapitel dieser Arbeit wurde der dritte N(CF3)2-Baustein, das Phenylethanon 3, auf seine Reaktivitäten hin untersucht, welche in Abbildung 3.1.4 dargestellt sind. Dabei war es möglich, die CH2-Gruppe auf zwei verschiedenen Wegen zu funktionalisieren, um die beiden Produkte III4 und III16 zu erhalten. Über das Dimethylamino-substituierte Produkt III4 ist der Zugang zu Pyrazolen (III8) und Pyrimidinen (III12) möglich, bei denen der N(CF3)2-Substituent direkt am Heterozyklus gebunden ist. Das bromierte Produkt III16 bietet den Zugang zu N(CF3)2-substituierten Thiazolen III17 oder Hydrothiazolen III18, wobei auch hier der N(CF3)2-Substituent direkt am Heterozyklus gebunden ist. Durch Verwendung von funktionalisierten, stickstoffhaltigen Edukten können die Stickstoffsubstituenten der vier Heterozyklen III8, III12, III17 und III18 variiert werden. Beispielsweise kann der Stickstoff-Substituent des Pyrazols III8, die Aminogruppe des Pyrimidins III12, die Aminogruppe des Thiazols III17 und die Phenylsubstituenten des Hydrothiazols III18 anderweitig funktionalisiert sein. Es ist außerdem möglich den Phenylsubstituenten am Kohlenstoffatom der Heterozyklen zu variieren. Dies ist allerdings nur möglich, wenn der N(CF3)2-Baustein 3 bereits anderweitig funktionalisiert ist. Somit wurde in dieser Arbeit nicht nur das phenylsubstituierte Derivat 3 untersucht, sondern auch die Analoga mit einer para-Fluor-Phenyl- (III1), mit einer Naphthyl- (III2) und einer Benzofuranyl-Einheit (III3) (Abbildung 3.1.5). Diese derivatisierten Bausteine III1─III3 eignen sich ebenfalls zur erfolgreichen Synthese der entsprechenden Pyrazole III9─III11 und Pyrimidine III13─III15. Somit bietet nicht nur der Phenylethanon-Baustein 3, sondern auch dessen Derivate III1─III3 die Möglichkeit zur Synthese vielfältig funktionalisierter Pyrazole oder Pyrimidine. Diese sind ohne Ausnahme luft- und hydrolysestabil und können als isolierte Feststoffe viele Monate gelagert werden. Die Pyrazole III8─III11 sind dabei bis mindestens 180 °C stabil, die Pyrimidine III12─III15 bis mindestens 200 °C, das Thiazol III17 bis mindestens 247 °C und das Hydrothiazol III18 bis mindestens 273 °C. Im letzten Teil dieser Arbeit wurden außerdem N(CF3)2-substituierte Acrylsäure-Derivate (Abbildung 3.1.6) sowie Phosphan-Gold-Komplexe (Abbildung 3.1.7) synthetisiert. Die Acrylsäure-Derivate IV1─IV4 könnten als Monomer-Bausteine für fluorhaltige Polymere Verwendung finden. Alle vier Derivate sind luft- und hydrolysestabil und können viele Monate gelagert werden. Die Ester IV1 und IV2, sowie das Natriumsalz IV3 sind thermisch sehr stabil und zersetzen sich erst ab Temperaturen von ca. 220 °C. Die Acrylsäure IV4 ist bis mindestens 191 °C stabil. Dort siedet die Verbindung und es kann keine Zersetzung beobachtet werden. Es konnten außerdem erfolgreich die N(CF3)2-Phosphangold-Komplexe V1─V4 synthetisiert werden, welche in Abbildung 3.1.7 dargestellt sind. Diese sind unter inerten Bedingungen und Lichtausschluss viele Monate lagerbar. Der Furylphosphan-Komplex V1 ist bis ca. 100 °C stabil, alle anderen Komplexe bis ca. 190 (V4) oder sogar 200 °C (V2 und V3). Die Phosphangold-Komplexe stellen vielversprechende N(CF3)2-Übertragungsreagenzien dar.In this work, the literature known compounds I1, 2 and 3 and derivatives of phenyl ethanon III1─III3 were synthesized and used as building blocks for the synthesis of various new N(CF3)2 functionalized compounds (Figure 4.1.1). The first chapter is about nitrile I1. First, the synthesis to nitrile I1 was optimized, whereby it can now be obtained in a one-step reaction with a yield of 75% from readily available starting materials. Subsequently, nitrile I1 was used on one hand as a ligand in coordination chemistry. On the other hand, it was deprotonated to obtain N(CF3)2-functionalized alkenes. Finally, the terminal cyano group of the nitrile I1 was cyclized. In coordination chemistry I1 was investigated as a ligand for CuI to obtain the copper complex I2 [Cu(I1)4][BF4] (Figure 4.1.2, left). Furthermore, the terminal cyano group was cyclized to yield N-heterocyclic compounds like imidazolines, tetrahydro pyrimidines or hexahydro benz­imidazoles (Figure 4.1.2, right). Additionally, the methylene group of nitrile I1 was deprotonated, and the deprotonation product was verified via NMR spectroscopy. After obtaining the deprotonation product in situ, it was added to several aldehydes and ketones to synthesize the corresponding alkenes (Figure 4.1.2, middle). When using aldehydes, a mixture of E- and Z-isomers can be observed. The ratio of these two isomers can be affected by irradiation of the mixture with an appropriate light source. Nitrile I1 is a promising building block to synthesize a large number of compounds containing a N(CF3)2 group (Figure 4.1.2), for example d10 metal complexes, N-heterocyclic compounds like imidazolines, tetrahydro pyrimidines, or hexahydro benzimidazoles as well as several differently substituted alkenes. With the exception of the copper complex, all compounds are stable against hydrolysis and oxidation. The isolated solid products can be stored for several months under air. The imidazoline I3 and the tetrahydro pyrimidine I4 are stable up to at least 150 (I3) and 160 °C (I4), all other compounds are stable against thermal decomposition up to at least 250 °C. The second part of this work is about hydrazide 2 as a N(CF3)2 building block and its reactivity (Figure 4.1.3). Hydrazide 2 is a mixture of two rotameric species, the sp- and the ap-rotamer with a ratio of 85 : 15. However, it could not be determined which species is the major rotamer. 2 provides access to a large number of N(CF3)2 functionalized compounds, like pyrazoles II1─II3 (Figure 4.1.3, top left), hydrazones II4─II8 (Figure 4.1.3, top right), triazoles II9─II11 (Figure 4.1.3, bottom right), and thiosemicarbazides II12─II14 (Figure 4.1.3, bottom left). When synthesizing the pyrazol derivatives the substituents of the carbon atoms are almost freely selectable and only depend on the availability of the dicarbonyl starting material. The product range for the synthesis of hydrazones is broad because aldehydes and ketones as starting materials are possible. The imidate starting materials for the synthesis of the triazoles can also be derivatized. The substituent can be directly bound to the triazol ring as in the phenyl derivative II9 or separated by a methylene group as in the naphthyl derivative II11 (Figure 4.1.3). The isothiocyanates, which represent starting materials for the synthesis of the thiosemicarbazides, were funktionalized with a broad range of groups, as well. Thus, the hydrazide 2 as a building block can be used for the synthesis of a broad range of open chained or N-heterocyclic compounds functionalized with the N(CF3)2 group. Concerning the latter, the N(CF3)2 substituent is at the -Position of the heterocycle. None of the products are moisture- or air-sensitive and the isolated products can be stored for several month under air. The pyrazoles are stable up to at least 160 °C (II1), 220 °C (II2 und II3). The hydrazones are stable up to at least 216 °C (II4), 289 °C (II5) or even 300 °C (II6─II8). The other compounds are thermal stable up at least to temperatures of 200 °C (triazoles) or 190 °C (thiosemicarbazides). In the third part of the work, the phenylethanon 3 was investigated as a N(CF3)2 building block (Figure 4.1.4). The methylene group was functionalized in two different ways yielding III4 and III6: On one hand, the dimethylamino product III4 is useful to synthesize pyrazoles III8 and pyrimidines III12 containing the N(CF3)2 group bonded directly to the heterocyclic ring. On the other hand, the brominated product III16 was used for the synthesis of thiazoles III17 and hydro thiazoles III18. The N(CF3)2 substituent is also bounded directly to the heterocyclic ring. It is possible to synthesize N-substituted derivatives of all these heterocycles with functionalized nitrogen containing starting materials. For example, the nitrogen substituent of the pyrazole, the amino group of the pyrimidine, and thiazole or the nitrogen bonded phenyl substituents of the hydro thiazoles were functionalized by other groups. Furthermore, it is possible to substitute the carbon bonded phenyl group, which was implemented via the N(CF3)2 building block. Therefore, 3 was functionalized and the derivatives III1─III3 (Figure 4.1.5) were also investigated as N(CF3)2 building blocks. These compounds were equally useful to synthesize new N(CF3)2 functionalized pyrazoles III9─III11 and pyrimidines III13─III15. All in all, the phenyl ethanon 3 and the derivatives III1─III3 are useful building blocks to synthesize a wide range of N(CF3)2 functionalized pyrazoles and pyrimidines. All these compounds are stable against hydrolysis and oxidation. The isolated solids can be stored under air for several months. The pyrazoles III8─III11 do not decompose until 180 °C, the pyrimidines III12─III15 until 200 °C. The thermal stabilities of the thiazole III17 and hydro thiazole III18 are even higher with temperatures above 247 °C (III17) and 273 °C (III18). The last two chapters of this work are about the synthesis and analysis of N(CF3)2-functionalized acrylic compounds (Figure 4.1.6) and phosphine gold complexes (Figure 4.1.7). The acrylic compounds might be useful as monomeric building blocks for fluorine containing polymers. The four compounds IV1─IV4 are air-stable and stable against hydrolysis. The isolated liquids (IV1, IV2 and IV4) and solid (IV3) can be stored under air over several months. The esters IV1 and IV2, as well as the sodium salt IV3, are thermally very stable and decompose only above temperatures of approximately 220 °C. The acrylic acid IV4 is stable up to at least 191 °C. At this temperature the boiling point of the acid is reached, so no decomposition can be observed. It was also possible to synthesize the N(CF3)2 phosphine gold complexes V1─V4, which are shown in Figure 4.1.7. These compounds can be stored for several months under inert conditions and light exclusion. The furyl phosphine complex V1 is stable up to about 100 °C, while all other complexes are stable up to about 190 °C (V4) or even 200 °C (V2 and V3). The phosphine gold complexes are promissing N(CF3)2 transfer reagents similar to the previously published copper and silver complexes.[119