Mechanistic elucidation of the solvent viscosity and bulk polarity and the substitution pattern on the product ratio in the photolysis of DBH-type azoalkanes

Die photolytische Stickstoffabspaltung aus Azoalkanen vom DBH-Typ verläuft stereoselektiv unter bevorzugter Bildung des invertierten Hausans. Bei cyclopentenannelierten DBH-Derivaten kann die Selektivität in Abhängigkeit von den Brückenkopfsubstituenten auch umgekehrt sein. Bei der Photolyse von Azoalkan DBH-d2 zeigt sich, dass das Verhältnis von Inversions- zu von der Viskosität des Lösungsmittels abhängig ist. Die Viskosität wird sowohl durch Verwendung einer Serie von Alkoholen verschiedener Viskosität als auch durch Variation der Temperatur in n-Butanol geändert. Der Wert für die Photolyse in Acetonitril fügt sich in die Reihe der alkoholischen Solventien ein, womit eine Beteiligung von Wasserstoffbrücken ausgeschlossen ist. Der Viskositätseffekt ist mit einem schrittweisen Mechanismus der Stickstoffabspaltung vereinbar, der über ein unsymmetrisches Singulettdiazenyldiradikal verläuft. Die Abweichung der Viskositätprofile des kinv/kret-Verhältnisses für die Viskositätsänderung durch Lösungsmittel- und Temperaturvariation lässt einen kleinen aber messbaren Unterschied in der Aktivierungsenergie für den Inversions- und Retentionsprozess ableiten. Das kinv/kret-Verhältnis bei der Photolyse von DBH-d2 wird auch in Abhängigkeit vom Druck in superkritischem Ethan und Kohlendioxid untersucht, wofür zunächst eine spezielle Apparatur aufgebaut werden musste. Die Analyse der beobachteten Druckabhängigkeit im Hinblick auf Stoß- (Selbstdiffusionskoeffi-zient) und Reibungseffekte (Viskosität) lässt schließen, dass eine Behinderung des Inversionsprozesses durch Reibung mit Mediummolekülen die experimentellen Beobachtungen am besten erklärt. Dies entspricht den Beobachtungen in flüssiger Phase und bestätigt den Mechanismus. In einer vergleichenden Untersuchung der Photolyse (bei + 25 °C) von Azaolkan Ib und der thermischen (bei +25 °C) syn-zu-anti-Isomerisierung des entsprechenden Hausans IIb wird festgestellt, dass die kinv/kret-Verhältnisse bei der Photolyse des Azoalkans in einer Serie von Alkoholen und die Geschwindigkeitskonstanten kiso der Isomerisierung in der gleichen Reihe von Lösungsmitteln einer sehr ähnlichen Viskositätsabhängigkeit gehorchen. Daraus wird geschlossen, dass die Bewegung bei der Gerüstinversion in beiden Fällen durch Reibung mit Lösungsmittelmolekülen gehemmt und damit die Stereoselektivität bestimmt wird. Die Photolyse von DBH-d2 in Isooctan/Nujol-Gemischen zeigt die gleiche Viskositätsabhängigkeit des kinv/kret-Verhältnisses wie die in alkoholischen Medien. Aus dem Unterschied der absoluten kinv/kret-Werte der beiden Serien und durch die Verwendung weite-rer aprotischer Lösungsmittel wird eine Beeinflussung der Selektivität durch die "bulk" Polarität des Mediums festgestellt. Fazit: Durch die Untersuchung des Einflusses der Viskosität und Polarität des Lösungsmittels auf die Stereoselektivität bei der Photolyse von bicyclischen Azoalkanen und die thermi-sche Isomerisierung der entsprechenden Hausane wird das Auftreten eines Diazenyldiradi-kals als Schlüsselintermediat bestätigt und dynamische Effekte werden ausgeschlossen. Bei der Photolyse der cyclopentenannelierten Azoalkane Ic,d mit n-Propyl- und Acetoxy-methylsubstituenten an den Brückenkopfpositionen (Schema IV) entstehen unter Singulettbedingungen (direkte Photolyse bei höherer Temperatur) unter Retention hauptsächlich die anti-IIc,d Hausane. Unter Triplettbedingungen (direkte Photolyse bei tiefer Temperatur oder sensibilisierte Photolyse) wird das Inversionsprodukt syn-IIc,d bevorzugt. Die favorisierte Inversion beim Triplettweg wird mit der unsymmetrischen Natur der Brückenkopfsubstituenten nPropyl und Acetoxymethyl bei der Rotation um die Brückenkopfposition des planaren Cyclopentan-1,3-diyltriplettdiradikal erklärt. Die rotationsunsymmetrischen Brückenkopfsubstituenten stehen in ihrer Konformation niedrigster Energie (AM1-Rechnungen) auf der gegenüberliegenden Seite des Diylrings als der annelierte Cyclopentenring. Nach ISC führt der Ringschluss aufgrund sterischer Wechselwirkungen zwischen den Brückenkopfsubstituenten und der gem-dimethylsubstituierten Methylenbrücke bevorzugt zum syn-Hausan. Beim Vergleich des Verhältnisses von Inversion zu Retention bei der Photolyse des ungesät-tigten und gesättigten Azoalkans Ie und If (Schema IV) zeigt sich, dass bei beiden Derivaten unter Singulettbedingungen das syn-Hausan in etwa gleichem Ausmaß entsteht. Unter Triplettbedingungen führt die Photolyse zum Retentionsprodukt anti-IIe,f als Hauptdiastereomer, aber mit einem beträchtlichen Unterschied im syn/anti-Hausan-Verhältnis für Ie (38 : 62) und If (6 : 94). Dieser signifikante Unterschied der anti-Stereoselektivität im Triplettweg wird mechanistisch durch weitreichende sterische Wechselwirkungen zwischen dem annelierten Ring und der gem-dimethylsubstituierten Methylenbrücke während des Ringschlusses nach ISC des planaren Cyclopentan-1,3-diyltriplettdiradikals gedeutet. Im Gegensatz dazu ist die Denitrogenierung des intermediären Diazenyldiradikals Ie,f-1DZ (analog zu Ia-1DZ) im SH2-Prozess (Inversion) des Singulettwegs relativ unempfindlich gegenüber solchen sterischen Effekten zwischen den entfernten Substituenten. Fazit: Bei der Photolyse von fünfringannelierten Azoalkanen wirken sich kleinere strukturelle Variationen (rotationsunsymmetrische Brückenkopfsubstituenten oder die Hydrierung der Doppelbindung im annelierten Ring) vor allem im Triplettweg über sterische Wechselwirkungen im planaren Cyclopentan-1,3-diyltriplettdiradikal auf das Verhältnis der entstehenden syn/anti-Hausane aus. Der SH2-Prozess im Singulettweg ist relativ unempfindlich gegenüber solchen sterischen Effekten.The photolytic deazetation of DBH-type azoalkanes leads with stereoselective preference to the inverted housane. On cyclopentane annellation, the selectivity may also be of the reverse sense, which depends on bridgehead substitution. In the photolysis of azoalkane Ia a dependence of the ratio of inversion to retention product is observed on solvent viscosity. The viscosity is varied both by changing the solvent at constant temperature and by changing the temperature in n-butanol. The data for the photolysis in acetonitrile fit in well with those of the alcohols, which shows that hydrogen-bonding effects are not responsible for the observed viscosity dependence. The viscosity effect is consistent with a stepwise denitrogenation mechanism through an unsymmetrical singlet diazenyl diradical Ia-1DZ. The observed influence of the viscosity on the kinv/kret ratio is rationalized in terms of the free-volume model, where frictional effects between substrate molecule and the medium influence the product distribution. The differences in the viscosity profiles of kinv/kret by changing the solvent at constant temperature and by changing the temperature accounts for a small but measurable difference of the activation energies for the inversion and retention channels. Also the dependence of the kinv/kret ratio in the photolysis of DBH-d2 on pressure in supercritical ethane and carbon dioxide has been investigated. For this purpose, a special apparatus had to be designed to measure the kinv/kret ratio in the pressure range from 40 to 200 bar. Analysis of the observed pressure dependence in terms of collisional (self-diffusion coefficient) and frictional effects discloses that the latter impositions by the supercritical medium account best for the experimental observations. This is consistent with the results in the liquid phase and confirms the mechanism. In a comparative study of the photolysis (at + 25 °C) of the azoalkane Ib and the thermal (at +25 °C) syn-to-anti isomeriza-tion of the corresponding housane IIb it has been found that the kinv/kret ratios for the azoalkane photolysis and the rate constants kiso of isomerization in the same set of alcohol solvents follow a similar viscosity dependence. From this it is concluded that in both cases the skeletal inversion is inhibited by friction with solvent molecules, which determines the stereoselectivity. Since the intervention of non-statistical species may be excluded in the thermal isomerization, the similar dependence discloses that dynamic effects do not play a significant role in the photolysis. The photolysis of DBH-d2 in isooc-tane/nujol-mixtures shows the same viscosity dependence of the kinv/kret ratios as in alcohols. The observed difference in the absolute kinv/kret values for both series and the use of additional aprotic solvents indi-cates the influence of bulk polarity. Conclusion: The influence of viscosity and bulk polarity of the solvent on the stereoselectivity in the photolysis of bicyclic azoalkanes and on the thermal isomerization of the corresponding housanes confirms the intervention of a diazenyl diradical as key intermedi-ate, whereas dynamic effects are unlikely. In the singlet photolysis (direct photolysis at elevated temperature) of the cyclopentene-annellated azoalkanes Ic,d with n-propyl and acetoxymethyl substituents at the bridgehead positions, mainly the anti-IIc,d housanes are formed with retention. Under triplet conditions (direct low-temperature photolysis or sensitized photolysis) the inversion product syn-IIc,d is preferred. The favored inversion in the triplet pathway is rationalized in terms of the unsymmetric nature of the npropyl and acetoxymethyl substituents on their rotation about the bridgehead position in the planar cyclopentane-1,3-diyl triplet diradical. In their lowest-energy conformation (AM1 calculation), the rotationally unsymmetric bridgehead substituents orient themselves towards the opposite side to the annellated cyclopentene ring such that after ISC, the ring closure leads preferably to the syn housane. The steric repulsion between the bridgehead substituents and the gem-dimethyl-substituted methylene bridge are responsible for this directing effect. The comparison of the inversion/retention ratio in the photolysis of the unsaturated and satu-rated azoalkanes Ie and If shows that in both cases the syn housane is formed in about the same amount under singlet conditions. In contrast, under triplet conditions the photolysis leads to the retained product anti-IIe,f as major isomer, but with a substantial difference in the syn/anti-housane ratio for Ie (38 : 62) and If (6 : 94). This significant difference of anti stereoselectivity in the triplet pathway is interpreted mechanistically in terms of long-range steric interactions between the annellated cyclopentane ring and the gem-dimethylsubstituted methylene bridge during the ring closure of the planar cyclopentane-1,3 diyl diradical after ISC. In contrast, the denitrogenation of the intermediary singlet diazenyl diradical Ie,f-1DZ (analogous to Ia-1DZ) is quite insensitive to such remote steric effects in the SH2 process (Inversion). Conclusion: In the photolysis of azoalkanes with an annellated five-membered ring, small structural variations (rotationally unsymmetric bridgehead substituents or saturation of the double bond in the annellated ring) show pronounced effects on the syn/anti ratio of hou-sanes mainly in the triplet pathway due to steric interactions. Such steric effects are of minor consequence in the SH2 process for the singlet pathway

Mechanistic elucidation of the solvent viscosity and bulk polarity and the substitution pattern on the product ratio in the photolysis of DBH-type azoalkanes

Die photolytische Stickstoffabspaltung aus Azoalkanen vom DBH-Typ verläuft stereoselektiv unter bevorzugter Bildung des invertierten Hausans. Bei cyclopentenannelierten DBH-Derivaten kann die Selektivität in Abhängigkeit von den Brückenkopfsubstituenten auch umgekehrt sein. Bei der Photolyse von Azoalkan DBH-d2 zeigt sich, dass das Verhältnis von Inversions- zu von der Viskosität des Lösungsmittels abhängig ist. Die Viskosität wird sowohl durch Verwendung einer Serie von Alkoholen verschiedener Viskosität als auch durch Variation der Temperatur in n-Butanol geändert. Der Wert für die Photolyse in Acetonitril fügt sich in die Reihe der alkoholischen Solventien ein, womit eine Beteiligung von Wasserstoffbrücken ausgeschlossen ist. Der Viskositätseffekt ist mit einem schrittweisen Mechanismus der Stickstoffabspaltung vereinbar, der über ein unsymmetrisches Singulettdiazenyldiradikal verläuft. Die Abweichung der Viskositätprofile des kinv/kret-Verhältnisses für die Viskositätsänderung durch Lösungsmittel- und Temperaturvariation lässt einen kleinen aber messbaren Unterschied in der Aktivierungsenergie für den Inversions- und Retentionsprozess ableiten. Das kinv/kret-Verhältnis bei der Photolyse von DBH-d2 wird auch in Abhängigkeit vom Druck in superkritischem Ethan und Kohlendioxid untersucht, wofür zunächst eine spezielle Apparatur aufgebaut werden musste. Die Analyse der beobachteten Druckabhängigkeit im Hinblick auf Stoß- (Selbstdiffusionskoeffi-zient) und Reibungseffekte (Viskosität) lässt schließen, dass eine Behinderung des Inversionsprozesses durch Reibung mit Mediummolekülen die experimentellen Beobachtungen am besten erklärt. Dies entspricht den Beobachtungen in flüssiger Phase und bestätigt den Mechanismus. In einer vergleichenden Untersuchung der Photolyse (bei + 25 °C) von Azaolkan Ib und der thermischen (bei +25 °C) syn-zu-anti-Isomerisierung des entsprechenden Hausans IIb wird festgestellt, dass die kinv/kret-Verhältnisse bei der Photolyse des Azoalkans in einer Serie von Alkoholen und die Geschwindigkeitskonstanten kiso der Isomerisierung in der gleichen Reihe von Lösungsmitteln einer sehr ähnlichen Viskositätsabhängigkeit gehorchen. Daraus wird geschlossen, dass die Bewegung bei der Gerüstinversion in beiden Fällen durch Reibung mit Lösungsmittelmolekülen gehemmt und damit die Stereoselektivität bestimmt wird. Die Photolyse von DBH-d2 in Isooctan/Nujol-Gemischen zeigt die gleiche Viskositätsabhängigkeit des kinv/kret-Verhältnisses wie die in alkoholischen Medien. Aus dem Unterschied der absoluten kinv/kret-Werte der beiden Serien und durch die Verwendung weite-rer aprotischer Lösungsmittel wird eine Beeinflussung der Selektivität durch die "bulk" Polarität des Mediums festgestellt. Fazit: Durch die Untersuchung des Einflusses der Viskosität und Polarität des Lösungsmittels auf die Stereoselektivität bei der Photolyse von bicyclischen Azoalkanen und die thermi-sche Isomerisierung der entsprechenden Hausane wird das Auftreten eines Diazenyldiradi-kals als Schlüsselintermediat bestätigt und dynamische Effekte werden ausgeschlossen. Bei der Photolyse der cyclopentenannelierten Azoalkane Ic,d mit n-Propyl- und Acetoxy-methylsubstituenten an den Brückenkopfpositionen (Schema IV) entstehen unter Singulettbedingungen (direkte Photolyse bei höherer Temperatur) unter Retention hauptsächlich die anti-IIc,d Hausane. Unter Triplettbedingungen (direkte Photolyse bei tiefer Temperatur oder sensibilisierte Photolyse) wird das Inversionsprodukt syn-IIc,d bevorzugt. Die favorisierte Inversion beim Triplettweg wird mit der unsymmetrischen Natur der Brückenkopfsubstituenten nPropyl und Acetoxymethyl bei der Rotation um die Brückenkopfposition des planaren Cyclopentan-1,3-diyltriplettdiradikal erklärt. Die rotationsunsymmetrischen Brückenkopfsubstituenten stehen in ihrer Konformation niedrigster Energie (AM1-Rechnungen) auf der gegenüberliegenden Seite des Diylrings als der annelierte Cyclopentenring. Nach ISC führt der Ringschluss aufgrund sterischer Wechselwirkungen zwischen den Brückenkopfsubstituenten und der gem-dimethylsubstituierten Methylenbrücke bevorzugt zum syn-Hausan. Beim Vergleich des Verhältnisses von Inversion zu Retention bei der Photolyse des ungesät-tigten und gesättigten Azoalkans Ie und If (Schema IV) zeigt sich, dass bei beiden Derivaten unter Singulettbedingungen das syn-Hausan in etwa gleichem Ausmaß entsteht. Unter Triplettbedingungen führt die Photolyse zum Retentionsprodukt anti-IIe,f als Hauptdiastereomer, aber mit einem beträchtlichen Unterschied im syn/anti-Hausan-Verhältnis für Ie (38 : 62) und If (6 : 94). Dieser signifikante Unterschied der anti-Stereoselektivität im Triplettweg wird mechanistisch durch weitreichende sterische Wechselwirkungen zwischen dem annelierten Ring und der gem-dimethylsubstituierten Methylenbrücke während des Ringschlusses nach ISC des planaren Cyclopentan-1,3-diyltriplettdiradikals gedeutet. Im Gegensatz dazu ist die Denitrogenierung des intermediären Diazenyldiradikals Ie,f-1DZ (analog zu Ia-1DZ) im SH2-Prozess (Inversion) des Singulettwegs relativ unempfindlich gegenüber solchen sterischen Effekten zwischen den entfernten Substituenten. Fazit: Bei der Photolyse von fünfringannelierten Azoalkanen wirken sich kleinere strukturelle Variationen (rotationsunsymmetrische Brückenkopfsubstituenten oder die Hydrierung der Doppelbindung im annelierten Ring) vor allem im Triplettweg über sterische Wechselwirkungen im planaren Cyclopentan-1,3-diyltriplettdiradikal auf das Verhältnis der entstehenden syn/anti-Hausane aus. Der SH2-Prozess im Singulettweg ist relativ unempfindlich gegenüber solchen sterischen Effekten.The photolytic deazetation of DBH-type azoalkanes leads with stereoselective preference to the inverted housane. On cyclopentane annellation, the selectivity may also be of the reverse sense, which depends on bridgehead substitution. In the photolysis of azoalkane Ia a dependence of the ratio of inversion to retention product is observed on solvent viscosity. The viscosity is varied both by changing the solvent at constant temperature and by changing the temperature in n-butanol. The data for the photolysis in acetonitrile fit in well with those of the alcohols, which shows that hydrogen-bonding effects are not responsible for the observed viscosity dependence. The viscosity effect is consistent with a stepwise denitrogenation mechanism through an unsymmetrical singlet diazenyl diradical Ia-1DZ. The observed influence of the viscosity on the kinv/kret ratio is rationalized in terms of the free-volume model, where frictional effects between substrate molecule and the medium influence the product distribution. The differences in the viscosity profiles of kinv/kret by changing the solvent at constant temperature and by changing the temperature accounts for a small but measurable difference of the activation energies for the inversion and retention channels. Also the dependence of the kinv/kret ratio in the photolysis of DBH-d2 on pressure in supercritical ethane and carbon dioxide has been investigated. For this purpose, a special apparatus had to be designed to measure the kinv/kret ratio in the pressure range from 40 to 200 bar. Analysis of the observed pressure dependence in terms of collisional (self-diffusion coefficient) and frictional effects discloses that the latter impositions by the supercritical medium account best for the experimental observations. This is consistent with the results in the liquid phase and confirms the mechanism. In a comparative study of the photolysis (at + 25 °C) of the azoalkane Ib and the thermal (at +25 °C) syn-to-anti isomeriza-tion of the corresponding housane IIb it has been found that the kinv/kret ratios for the azoalkane photolysis and the rate constants kiso of isomerization in the same set of alcohol solvents follow a similar viscosity dependence. From this it is concluded that in both cases the skeletal inversion is inhibited by friction with solvent molecules, which determines the stereoselectivity. Since the intervention of non-statistical species may be excluded in the thermal isomerization, the similar dependence discloses that dynamic effects do not play a significant role in the photolysis. The photolysis of DBH-d2 in isooc-tane/nujol-mixtures shows the same viscosity dependence of the kinv/kret ratios as in alcohols. The observed difference in the absolute kinv/kret values for both series and the use of additional aprotic solvents indi-cates the influence of bulk polarity. Conclusion: The influence of viscosity and bulk polarity of the solvent on the stereoselectivity in the photolysis of bicyclic azoalkanes and on the thermal isomerization of the corresponding housanes confirms the intervention of a diazenyl diradical as key intermedi-ate, whereas dynamic effects are unlikely. In the singlet photolysis (direct photolysis at elevated temperature) of the cyclopentene-annellated azoalkanes Ic,d with n-propyl and acetoxymethyl substituents at the bridgehead positions, mainly the anti-IIc,d housanes are formed with retention. Under triplet conditions (direct low-temperature photolysis or sensitized photolysis) the inversion product syn-IIc,d is preferred. The favored inversion in the triplet pathway is rationalized in terms of the unsymmetric nature of the npropyl and acetoxymethyl substituents on their rotation about the bridgehead position in the planar cyclopentane-1,3-diyl triplet diradical. In their lowest-energy conformation (AM1 calculation), the rotationally unsymmetric bridgehead substituents orient themselves towards the opposite side to the annellated cyclopentene ring such that after ISC, the ring closure leads preferably to the syn housane. The steric repulsion between the bridgehead substituents and the gem-dimethyl-substituted methylene bridge are responsible for this directing effect. The comparison of the inversion/retention ratio in the photolysis of the unsaturated and satu-rated azoalkanes Ie and If shows that in both cases the syn housane is formed in about the same amount under singlet conditions. In contrast, under triplet conditions the photolysis leads to the retained product anti-IIe,f as major isomer, but with a substantial difference in the syn/anti-housane ratio for Ie (38 : 62) and If (6 : 94). This significant difference of anti stereoselectivity in the triplet pathway is interpreted mechanistically in terms of long-range steric interactions between the annellated cyclopentane ring and the gem-dimethylsubstituted methylene bridge during the ring closure of the planar cyclopentane-1,3 diyl diradical after ISC. In contrast, the denitrogenation of the intermediary singlet diazenyl diradical Ie,f-1DZ (analogous to Ia-1DZ) is quite insensitive to such remote steric effects in the SH2 process (Inversion). Conclusion: In the photolysis of azoalkanes with an annellated five-membered ring, small structural variations (rotationally unsymmetric bridgehead substituents or saturation of the double bond in the annellated ring) show pronounced effects on the syn/anti ratio of hou-sanes mainly in the triplet pathway due to steric interactions. Such steric effects are of minor consequence in the SH2 process for the singlet pathway