Die Oxiren-Beteiligung in der Photochemischen Wolff-Umlagerung

Abstract

1902 berichtete L. Wolff als Erster über die Umlagerung von alpha-Diazocarbonylverbindungen in Ketene, die sogenannte Wolff-Umlagerung. Diese hat sich im Verlauf der letzten hundert Jahre zu einer überaus nützlichen Reaktion in der Organischen Chemie entwickelt, die umfangreich genutzt wird. Bereits im Jahre 1935 hat B. Eistert die Bildung von Oxirenen aus alpha-Oxocarbenen in Konkurrenz zur Wolff-Umlagerung in Ketene in Erwägung gezogen. Mit der Aufstellung des Antiaromatizitätskonzepts durch R. Breslow gewannen Oxirene als potentielle hetero-antiaromatische Analoga der Cyclopropenyl-Anionen ein breiteres Interesse. Markierungssynthesen lieferten Hinweise darauf, dass Oxirene als mögliche Zwischenstufen, insbesondere in der photochemischen Variante der Wolff-Umlagerung, auftreten können. Diese Arbeiten lieferten die Grundlage für zahlreiche mechanistische Untersuchungen der Wolff-Umlagerung sowie den Versuchen, Oxirene als solche nachzuweisen bzw. zu isolieren.

Die vorliegende Dissertation befasst sich im ersten Teil mit der Untersuchung möglicher alternativer Prozesse, die die Sauerstoff-Wanderung ohne die Annahme einer Oxiren-Beteiligung erklären könnten. Hier wird die Möglichkeit intermolekularer Reaktionsmechanismen sowie deren potentiellen Zwischenstufen diskutiert. Diese können jedoch aufgrund von Kreuzungsexperimenten zwischen 13C und 18O bzw. 13C und D-markierten alpha-Diazoketonen ausgeschlossen werden.

Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die ausführliche Untersuchung eines alpha-Oxocarben-Oxiren-alpha-Oxocarben-Gleichgewichts. Hierbei wurde das Gleichgewicht der beiden beteiligten alpha-Oxocarbene bei der Photolyse zweier regioisomeren 13C-markierten alpha-Diazoketone untersucht. Diese verläuft unter teilweiser Verteilung der Markierung über beide Keten-Kohlenstoffatome. Der Anteil der Wolff-Umlagerung, der schrittweise unter Beteiligung von alpha-Oxocarbenen verläuft und zur Markierungsverteilung über beide Keten-Positionen beiträgt, kann jedoch hieraus nicht abgeleitet werden, da Keten zugleich über einen konzertierten Mechanismus gebildet werden kann, der alpha-Oxocarbene und folglich Oxirene als Zwischenstufen umgeht. Das Ausmaß der Beteiligung der beiden isomeren alpha-Oxocarbene, die zur Keten-Bildung führen, kann durch Zugang in das Gleichgewicht über das Oxiren abgeleitet werden. Experimentell wurde dieser Ansatz durch die Oxidation eines 13C-markierten Alkins mittels in situ hergestelltem Dimethyldioxiran verifiziert. Die Zusammenfassung der Ergebnisse, erzielt mit den 13C-markierten alpha-Diazoketonen und dem 13C-markierten Alkin, zeigen, dass diese Vorgehensweise geeignet ist, Auskünfte über die Beteiligung der beiden alpha-Oxocarbene als auch über die jeweiligen Beiträge der schrittweisen und konzertierten Reaktionswegs zur Wolff-Umlagerung zu erhalten.

Der Trifluormethyl-Rest gilt in der Wolff-Umlagerung als Gruppe mit geringer Wanderungs¬tendenz. So bildet 4,4,4-Trifluor-2-diazoacetessigsäure-ethylester bei der Photolyse in Gegenwart von Alkoholen kein Wolff-Umlagerungsprodukt. Stattdessen entsteht in guter Ausbeute 4,4,4-Trifluoracetessigsäure-ethylester als H-Abstraktionsprodukt. Im Gegensatz dazu führt die Photolyse von 1,1,1-Trifluor-3-diazo-2-oxopropan in glatter Reaktion zum Produkt der Wolff-Umlagerung. Mittels 13C-Markierung von 1,1,1-Trifluor-3-diazo-2-oxopropan kann gezeigt werden, dass dieses unterschiedliche Verhalten in der Lösungsphotolyse nicht durch die Umlagerung des primär gebildeten alpha-Oxocarbens in ein isomeres alpha-Oxocarben, das ein H-Atom in der wanderungsfähigen Position für die Wolff-Umlagerung aufweist, verursacht wird. Es wird diskutiert, dass das aus 4,4,4-Trifluor-2-diazoacetessigsäure-ethylester generierte Singulett-alpha-Oxocarben in Lösung einer raschen Desaktivierung zum Triplett-Grundzustand unterliegt, der für die H-Abstraktion verantwortlich ist. Im Falle des 1,1,1-Trifluor-3-diazo-2-oxopropans dagegen ist der Energieunterschied zwischen Singulett- und Triplettzustand im Carben so groß, dass die intramolekulare Wolff-Umlagerung im Singulett-Carben mit dem S/T-Übergang effektiv konkurrieren kann.

Abschließend wird in dieser Arbeit über die erste (veröffentlichte) Beobachtung eines Sauerstoff-Austausches zwischen den Sauerstoff-Atomen zweier Carbonylverbindungen berichtet. Im Rahmen der Synthese des 18O-markierten alpha-Diazoketons, welches für die Kreuzungsexperimente benötigt wurde, ging bei der Umwandlung von [18O2]Benzoesäure in [18O]Benzoylchlorid mittels Oxalylchlorid ging ein großer Teil der Markierung verloren. Diese Tatsache konnte nicht dadurch erklärt werden, dass die gesamte Chlorocarbonylgruppe ersetzt wird, da die 13C-Markierung in [Carboxy-13C]Benzoesäure bei der Umsetzung mit Oxalylchlorid unter gleichen Bedingungen vollständig erhalten blieb. Gleichgewichte mit 1,3-Dioxetan- bzw. alternativ 1,3,5-Trioxan-Zwischenstufen können den Austausch zwischen den O-Atomen der Carbonylgruppen von Benzoylchlorid und Oxalylchlorid erklären.

In 1902 L. Wolff reported in the first instance on the rearrangement of alpha-diazo carbonyl compounds into ketenes, the so-called Wolff rearrangement. During the last 100 years the Wolff rearrangement developped to a method of wide application in organic chemistry. Already in 1935 B. Eistert speculated on the formation of oxirenes from alpha-oxocarbenes in competition to the Wolff rearrangement into ketenes.With the introduction of the antiaromaticity concept by R. Breslow the interest in oxirenes as potentially anti-heteroaromatic species has been increased. By means of labelling experiments, especially in the photochemial variant of the Wolff rearrangement, the possible involvement of a species having oxirene symmetry could be detected. These publications initiated further mechanistic investigations to detect or isolate oxirenes.

In the first part of the thesis alternatives for the observed oxygen migration without involvement of an oxirene intermediate are investigated. Possible intermediates for an intermolecular oxgen transfer are discussed. However, crossover labelling studies between 13C- and 18O-labelled and a 13C- and a D-labelled alpha-diazoketone exclude these intermolecular alternatives to the intermediate oxirene formation.

In the second part a detailed study on an alpha-oxocarbene-oxirene-alpha-oxocarbene equilibrium is described. The equilibrium is entered via both alpha-oxocarbenes involved by photolysis of a regioisomeric pair of alpha-diazo carbonyl compounds labelled with 13C. These experiments results in partial scrambling of the labelling over the ketene C-atoms. The extent to which the two isomeric alpha-oxocarbenes contribute to the equilibrium cannot be derived from these labelling studies, because some ketene may be formed via a concerted mechasnism bypassing alpha-oxocarbene and hence the oxirene species. Therefore, this part of the overall reaction produces ketenes without scrambling of the label. The extent to which both alpha-oxocarbenes are involved in the ketene formation can be elucidated by entering the equilibrium via the oxirene. Experimentally this approach was verified by oxidation of a 13C-labelled alkyne with in situ generated dimethyldioxirane. Combining the studies on the 13C-labelled alpha-diazoketones and alkynes furnishes insights not only to the extent of the involvement of the two alpha-oxocarbenes, but also to the participation of concerted and stepwise Wolff rearrangement.

The trifluoromethyl substituent is considered as a group with low tendency of migration in the Wolff rearrangement. In accordance with this, ethyl 2-diazo-4,4,4-trifluoroacetoacetate does not yield the corresponding Wolff rearrangement product when photolyzed in alcoholic solutions. Instead, ethyl 4,4,4-trifluoroaceto¬acetate is obtained as a hydrogen abstraction product. In contrast, solution photolysis of 3-diazo-1,1,1-trifluoro-2-oxopropane proceeds in a smooth reaction to the rearrangement product. As shown by 13C-labeling of 3-diazo-1,1,1-trifluoro-2-oxopropane this difference is not caused by rearrangement of the primarily formed alpha-oxocarbene to an isomeric alpha-oxocarbene presenting a hydrogen atom as migrating substituent for the Wolff rearrangement. It is discussed that the singlet alpha-oxocarbene generated from ethyl 2-diazo-4,4,4-trifluoroacetoacetate rapidly undergoes spin equilibration followed by hydrogen abstraction of the triplet alpha-oxocarbene. In contrast, due to a larger singlet-triplet splitting in the singlet alpha-oxocarbene generated from 3-diazo-1,1,1-trifluoro-2-oxopropane, the intramolecular Wolff rearrangement on the singlet surface can efficiently compete with the singlet-triplet interconversion.

Finally the work reports the first (published) observation that the oxygen atom of two carbonyl compounds undergo a mutual oxygen-atom exchange. In the course of the synthesis of the 18O-labeled alpha-diazoketone required for the cross-coupling experiments mentioned above, it was noted that on the stage of transformation of [18O2]benzoic acid in [18O]benzoyl chloride with oxalylchloride a drastic loss of 18O occurred. This could not be explained by the exchange of the complete chlorocarbonyl substituent, because a similar experiment with [carboxy-13C]benzoic with oxalyl chloride resulted in the complete retention of the 13C-labelling. To explain these results, the reversible formation of 1,3-dioxetanes or alternatively the 1,3,5-trioxanes between the carbonyl groups of benzoyl chloride and oxalyl chloride has been proposed.