Orthoamide und Iminiumsalze, XCVI^a. Push-pull-substituierte 1,3,5-Hexatriene aus Orthoamiden von Alkincarbonsäuren und Birckenbach-analogen Acetophenonen

1 Einleitung

Dialkylketone sind wichtige Bausteine in der organischen Synthesechemie. Dabei wird einerseits die elektrophile Reaktivität der Carbonylgruppe ausgenutzt und zum anderen die Acidität α-ständiger CH-Gruppen, die auf den elektronenabziehenden Effekt der Carbonylgruppe zurückzuführen ist. Birckenbach und Huttner haben erkannt [2], dass der Einbau sowohl der Cyanimin- als auch der Dicyanmethylenfunktion in ein Kohlenwasserstoffgerüst dieselben Effekte auslöst, wie sie die Einführung einer Carbonylgruppe bewirken würde. Daher sollten Moleküle wie z. B. 1 und 2 ein chemisches Verhalten zeigen, wie es für Ketone z. B. Aceton typisch ist. Der Sachverhalt ist in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1:

Birckenbach-Analoge des Acetons.

Die Birckenbach-analogen Carbonylverbindungen wie z. B. 1 sind aus den entsprechenden Carbonylverbindungen und Cyanamid zugänglich [3]. Die Verbindungen 2 sind durch Knoevenagel-Kondensation von Ketonen mit Malondinitril einfach erhältlich [4]. In späteren Arbeiten wurde gezeigt, dass das Vorhandensein von Methylengruppen, die durch zwei andere starke elektronenabziehende Reste wie z. B. zwei Alkoxycarbonylgruppen oder eine Cyan- und eine Alkoxycarbonylgruppe substituiert sind und selbst Methylengruppen, die nur einen starken Elektronenakzeptor, wie z. B. die Nitrogruppe enthalten, in organischen Verbindungen ein Carbonylgruppen-analoges Verhalten induzieren. Mit den im Folgenden beschriebenen Umsetzungen wollten wir herausfinden, ob die CH-Acidität von Birckenbach-analogen Ketonen 3 so hoch ist, dass sie mit Orthoamiden von Alkincarbonsäuren R¹–C≡C–C(NMe₂)₃, R¹=H, Alkyl, Aryl, OR, SiMe₃ (Verbindungen 21; siehe unten Schemata 5 und 6) unter Kondensation reagieren.

2 Ergebnisse und Diskussion

Methylketone 3, wie z. B. Aceton oder Acetophenon, reagieren mit Amidacetalen 4 und Lactamacetalen wie z. B. 6 [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12] zu den Kondensationsprodukten 5 bzw. 7 (Schema 1). Die reaktiveren Aminalester 8 überführen Ketone 3 in die β-Acylenamine 5 [13], [14], [15], sie formylieren aber auch Carbonsäureester 9 [16], [17] und Carbonsäureamide 11 an der zur Carbonylfunktion α-ständigen Methylengruppe, wobei β-Alkoxycarbonyl- bzw. β-Aminocarbonylenamine 10 bzw. 12 entstehen (Schema 1). Kondensationsreaktionen von Carbonsäureestern 9 bzw. Carbonsäureamiden 11 gelingen im Allgemeinen nicht mit Amidacetalen 4.

Schema 1:

Kondensationsreaktionen von Methylketonen 3 bzw. Carbonsäureestern 9 und Carbonsäureamiden 11 mit Orthoamid-Derivaten 4, 6, 8.

Mit Birckenbach-analogen Carbonylverbindungen sollten entsprechende Reaktionen möglich sein. In der Tat sind derartige Umsetzungen bereits beschrieben. So reagieren Birckenbach-analoge Methylketone 13 mit N,N-disubstituierten Amidacetalen 4 zu push-pull-substituierten Butadienen 14 [18], [19], [20], [21], [22] (Schema 2).

Schema 2:

Push-pull-substituierte Butadiene 14 aus Birckenbach-analogen Ketonen 13 und N,N-Dialkylformamidacetalen 4.

Auch der Birckenbach-analoge Essigsäureethylester 15 wird beim Erhitzen mit N,N-Dimethylformamiddimethylacetal an der Methylgruppe formyliert, wobei das Butadien 16 entsteht (Schema 3) [23].

Schema 3:

Formylierung des Birckenbach-analogen Essigsäureesters 15 mit N,N-Dimethylformamiddimethylacetal.

Birckenbach-analoge Acetamide 17 und Lactame 18 sind in einfacher Weise aus CH₂-aciden Verbindungen wie Malondinitril oder Cyanessigsäureethylester und N,N-Dimethylacetamid-diethylacetal bzw. Lactamacetalen zugänglich. Die Kondensationsprodukte 17 bzw. 18 können erneut mit N,N-Dimethylformamiddiethylacetal an den aciden Methyl- bzw. Methylengruppen zu Butadienen 19 und 20 umgesetzt werden [24], [25], [26], [27]. Von besonderem Interesse ist, dass sich aus dem Birckenbach-analogen Amid 17 mit N,N-Dimethylacetamiddiethylacetal des Kondensationsprodukt 19b gewinnen lässt, das wiederum eine acide Methylgruppe enthält. Kondensationsprodukte aus Birckenbach-analogen primären und sekundären Acetamiden und Orthoamiden wurden zu den verschiedenartigsten Heterocyclen umgesetzt (Schema 4) [28], [29], [30].

Schema 4:

Darstellung Birckenbach-analoger Säureamide 17, 18 und deren Umsetzung mit Amidacetalen zu Butadienen 19, 20.

Orthoamide von Alkincarbonsäuren 21 reagieren mit stark CH-aciden Verbindungen (pK_a≤10) wie Cyanessigestern, Nitroalkanen, Acetessigestern, Malonestern, Malondinitril, Benzoylacetonitril [31], [32], [33], [34], [35], Phenacyl-1,3,4-thiadiazolen [36] zumeist unter milden Bedingungen (Stehenlassen der Reaktionsgemische bei Raumtemperatur) zu den Ketenaminalen 22 (Schema 5).

Schema 5:

Ketenaminale 22 aus CH₂-aciden Verbindungen und Orthoamiden 21.

Dagegen werden aus den wesentlich weniger sauren Acetophenonen (pK_a≈19) und Orthoamiden 21 erst nach längerem Erhitzen und Katalyse mit Borsäureestern Ketenaminale 23 gebildet (Schema 6) [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38].

Schema 6:

1-Acylbutadiene 23 aus Acetophenonen und Orthoamiden 21.

Die Acidität des Acetons ist um den Faktor 10 geringer als die des Acetophenons [39]. Vor diesem Hintergrund war zu erwarten, dass eine Kondensation mit Orthoamiden 21 nur schwer gelingen dürfte. Wird Aceton mit dem Orthoamid 21b in Gegenwart katalytischer Mengen Triethylborat 20 h in Tetrahydrofuran unter Rückfluss erhitzt, so erhält man nach destillativer Aufarbeitung nicht das erhoffte Kondensationsprodukt vom Typ 23, sondern in geringer Menge das Phenylpropiolsäureamid 24. Polare Lösungsmittel, wie Acetonitril, erleichtern die zu den Produkten 23 führenden Kondensationen, aber auch bei der in Acetonitril nochmals durchgeführten Umsetzung wurde wiederum nur das Amid 24 – allerdings mit besserer Ausbeute – erhalten (Schema 7). Die ¹H-NMR-Spektren der Destillate geben Hinweise, dass im Reaktionsgemisch neben dem Amid 24 noch das Amid 25 vorhanden ist.

Schema 7:

N,N-Dimethyl-phenylpropiolsäureamid 24 aus dem Orthoamid 21b und Aceton.

Nimmt man an, dass in dem stark basischen Reaktionsmedium die unter Wasserabspaltung verlaufende Selbstkondensation des Acetons sehr viel schneller verläuft als die Kondensation von 21b mit Aceton, so unterliegt das Orthoamid 21b einer schnell verlaufenden Hydrolyse, die zum Amid 24 führt. Die Hydrolyse von 21b dürfte über Phenylpropiolamidiniumionen 26 verlaufen, an die sich Hydroxid, bekanntlich aber auch Amine, leicht addieren [40], [41]. Das Amid 25 könnte dann durch Dimethylaminabspaltung aus dem Additionsprodukts 27 entstehen (Schema 8).

Schema 8:

Mechanistische Deutung des Entstehens des Phenylpropiolsäureamids 24 und des Aminozimtsäureamids 25 aus dem Orthoamid 21b und Aceton.

Die Chlormethylgruppe des Chloracetons 28 ist saurer als die Methylgruppe des Acetons, so dass die Kondensation mit dem Orthoamid 21b schneller erfolgen könnte als die unter Wasserabspaltung verlaufende Aldolkondensation von 28. Allerdings ist mit der höheren Acidität der Chlormethylgruppe von 28 ein hohes Alkylierungspotential verbunden, so dass neben der erwünschten Kondensation das Orthoamid 21b durch 28 alkyliert werden könnte. Dies scheint auch überwiegend einzutreten. Denn bei der Umsetzung von 28 mit 21b wird das vinyloge Guanidiniumchlorid 29 mit 43-proz. Ausbeute erhalten (Schema 9).

Schema 9:

Bildung des vinylogen Guanidiniumchlorids 29 aus dem Orthoamid 21b und Chloraceton 28.

Auch bei der Einwirkung von 21b auf Chloroform entsteht das Salz 29 [41]. Da Chloroform im basischen Medium unter HCl-Abspaltung eine α-Eliminierung eingehen kann, wurde bei der Interpretation der Reaktion angenommen, dass 21b durch den gebildeten Chlorwasserstoff in 29 umgewandelt wird. Ob bei der Bildung von 29 aus 28 und 21b eine α-Eliminierung beteiligt ist, soll offenbleiben.

Sehr viel übersichtlicher verläuft die Umsetzung der Orthoamide 21a, b mit den Zimtsäurederivaten 30, die man auch als Birckenbach-analoge Acetophenone auffassen kann. Im Gegensatz zu Acetophenonen, die erst nach längerem Erhitzen in Gegenwart eines Katalysators mit Orthoamiden 21 zu Ketenaminalen 23 reagieren, verlaufen die Umsetzungen der Zimtsäurederivate 30a, c, d, e mit 21a in Ether bereits bei Raumtemperatur zu den Ketenaminalen 31f–i mit guten Ausbeuten. Die entsprechenden Reaktionen der Verbindung 30a–e mit dem Orthoamid 21b zu den Ketenaminalen 31a–i sind deutlich exotherm und wurden unter Kühlung durchgeführt (Schema 10). Offenbar wirken die zur CH₃-Gruppe benachbarten Dicyan- bzw. Alkoxycarbonyl-cyanmethylengruppen wesentlich stärker acidifizierend als eine Carbonylgruppe. Im Gegensatz zu den Ketenaminalen 23 fallen die Kondensationsprodukte 31 unmittelbar in kristalliner Form an, wobei die Verbindungen 31a–e tiefrot (λ_max=492–500 nm in CH₃CN) und die Verbindungen 31f–i tiefrot bis violett (λ_max=522–540 nm in CH₃CN) gefärbt sind.

Schema 10:

1,1-Bis(dimethylamino)-1,3,5-hexatrien-Derivate 31 aus Birckenbach-analogen Acetophenonen 30 und Orthoamid-Derivaten 21a, b, c.

Bei Kondensationen des Orthoamids 21c mit stark CH₂-aciden Verbindungen haben wir beobachtet, dass die Acidität der CH-Bindungen bestimmt, ob protodesilylierte Produkte 32 oder trimethylsilylierte Ketenaminale 33 entstehen [42].

Bei der Umsetzung des Birckenbach-analogen Acetophenons 30d mit dem Orthoamid 21c findet sich die Trimethylsilylgruppe im Kondensationsprodukt 31j, was darauf hindeutet, dass der pK_a-Wert von 30d größer als 10 ist (Schema 11).

Schema 11:

Produkte 32, 33, 31 bei der Umsetzung von CH-aciden Verbindungen mit dem silylierten Orthoamid 21c.

Überraschend verlief die Umsetzung des Orthoamids 21a mit dem Birckenbach-analogen Ethylmethylketon 34, weil anstelle des erwarteten Kondensationsprodukts 35 das säulenchromatographisch isolierbare Ketenaminal 36 erhalten wurde (Schema 12).

Schema 12:

Bildung des Ketenaminals 36 aus dem Birckenbach-analogen Ethyl-methylketen 34 und dem Orthoamid 21a.

Die Verbindung 36 wurde bereits früher unmittelbar aus 21a und Cyanessigsäureethylester hergestellt [32]. Formal erleidet 34 durch 21a eine Rückspaltung zu Cyanessigsäureethylester, der dann mit 21a in bekannter Weise zu 36 reagiert. Vergleichbare Beobachtungen wurden auch bei Umsetzungen von ähnlich gebauten CH₂-aciden Verbindungen gemacht [29]. Beim Entstehen von 36 könnte Dimethylamin, das z. B. unmittelbar aus 34 und 21a gebildet werden kann, eine Rolle spielen. Um diese Annahme zu prüfen, wurde die Umsetzung von 34 mit 21a unter Eiskühlung in Diethylether durchgeführt. Obwohl das Reaktionsbedingungen sind, unter denen Methylketone mit Orthoamiden von Alkincarbonsäuren nicht unter Abspaltung von Dimethylamin im Sinne einer Kondensation reagieren, wurde das Ketenaminal 36 erhalten. Der Versuch, eventuelle gebildetes Dimethylamin aus dem Reaktionsgemisch zu entfernen, indem die Umsetzung in N,N-Dimethylformamid im Vakuum durchgeführt wurde, lieferte ebenfalls 36. Freies Dimethylamin dürfte daher bei der Entstehung des Ketenaminals 36 keine Rolle spielen.

Die Bildung von 36 ist durch die Annahme erklärbar, dass das Orthoamid 21a auf 34 eine Dimethylaminogruppe überträgt, wobei das Anion 37 und das Propiolamidiniumion 38 entstehen. Das Addukt 37 zerfällt in das Enamin 39 und das Anion 40, das dann mit dem Kation 38 zu 36 reagiert (Schema 13).

Schema 13:

Mechanistische Deutung der Bildung des Butadiens 36 aus dem Orthoamid 21a und dem Birckenbach-analogen Keton 34.

Die Konstitution der Verbindungen 31c, f wurde durch Kristallstrukturanalysen gesichert deren Ergebnisse in den Abb. 2 und 3 wiedergegeben sind. Ausgewählte Bindungsabstände, Bindungswinkel und Diederwinkel finden sich in den Tabellen 1–3. Die Nummerierung der Atome entspricht der, die in den Abb. 2 und 3 angegeben ist.

Abb. 2:

Festkörperstruktur von 2-Cyan-7,7-bis(dimethylamino)-3-(p-methoxyphenyl)-5-phenyl-2,4,6-heptatriennitril (31c). Die Auslenkungsellipsoide umschreiben 50% Aufenthaltswahrscheinlichkeit, H-Atome als Kugeln mit willkürlichen Radien.

Abb. 3:

Festkörperstruktur von 2-Cyan-7,7-bis(dimethylamino)-3-phenyl-2,4,6-heptatriennitril (31f). Die Auslenkungsellipsoide umschreiben 50% Aufenthaltswahrscheinlichkeit, H-Atome als Kugeln mit willkürlichen Radien.

Von push-pull substituierten 1,3-Butadienen wie 41a ist bekannt [43], dass sie eigentlich nicht als Butadiene 41A anzusprechen sind, sondern als 1,4-Dipole 41B, deren geladene C-Atome durch eine C,C-Doppelbindung voneinander getrennt sind. Dies lässt sich schon an den C,C-Bindungsabständen ablesen, die z. B. von den Verbindungen 41a [43] und 41b [44] bekannt und in Tabelle 4 zusammengestellt sind. Sowohl bei 41a als auch bei 41b sind die formalen Einfachbindungen C2–C3 kürzer als die Doppelbindungen zwischen C1–C2 bzw. C3–C4. Die Konstitution der Verbindungen 41 wird daher richtiger durch die Grenzstrukturen 41a, B bzw. 41b, B beschrieben (Abb. 4).

Abb. 4:

Mesomere Grenzstrukturen für die Butadiene 41a, 41b.

Überträgt man diese Vorstellung auf die Verbindungen vom Typ 31, so sollten die Bindungsverhältnisse in ihnen weniger durch die Grenzstrukturen 31A als vielmehr durch die Grenzstrukturen 31B beschrieben werden. Gemäß den Grenzstrukturen 31c, A bzw. 31f, A sollten die Doppelbindungen C1–C2, C3–C4 und C5–C6 kürzer sein als die Einfachbindungen C2–C3 und C4–C5. Sind dagegen die polaren Grenzstrukturen 31c, B bzw. 31f, B gewichtiger, so sollten sich die Bindungsverhältnisse umkehren, d. h. in den Molekülen 31c und 31f sollten die längsten Bindungen zwischen C1–C2, C3–C4 und C5–C6 vorhanden sein, die kürzeren sich aber zwischen C2–C3 und C4–C5 befinden (Abb. 5).

Abb. 5:

Mesomere Grenzstrukturen für die Hexatriene 31c, 31f.

Anhand der Daten in Tabelle 1 kann nun geprüft werden, ob auch die Hexatriene als 1,6-Dipole aufzufassen sind. Tatsächlich findet man die kürzesten Abstände zwischen C2 und C3 sowie zwischen C4 und C5, d. h. die Konstitution der Verbindungen wird durch die Grenzstrukturen 31c, B und 31f, B am ehesten beschrieben.

Wie den Abb. 2 und 3 bzw. den Grenzstrukturen B der Verbindungen 31c, 31f (Abb. 5) zu entnehmen ist, können die Bindungsverhältnisse zwischen C2, C3, C4, C5 mit Butadieneinheiten verglichen werden, bei denen in 31c eine cisoide, in 31f dagegen eine transoide Anordnung vorliegt. Diese Analogie findet ihre Bestätigung bei einer genaueren Betrachtung der Bindungsabstände. Obwohl in den Verbindungen 31c, 31f die C2–C3-, C3–C4- und C4–C5-Bindungen schon deutlich verkürzt sind, findet man, wie es für ein Butadiensystem zu erwarten ist, dass die C2–C3- und C4–C5-Bindungen einen höheren Doppelbindungscharakter haben und damit kürzer sind als die C3–C4-Bindung.

Bei der Verbindung 31c sind die Dimethylaminogruppen propellerartig verdrillt und die von den Atomen C12, C6, C11 aufgespannte Ebene ist um 63° gegen die von den Atomen N2, C1, N1 definierte Ebene verdreht. Bei 31f sind diese Ebenen parallel angeordnet und die Methylgruppen der beiden Dimethylaminogruppen ragen nur geringfügig aus der N1, C1, N2–Ebene heraus.

3 Schlussfolgerung und Ausblick

Es wurde gezeigt, dass Birckenbach-analoge Acetophenone 30 mit Orthoamiden von Alkincarbonsäuren 21 zu intensiv gefärbten 1,1-Bis(dimethylamino)hexatrienderivaten 31 reagieren, die auch als 1,6-Dipole aufgefasst werden können. In weiterführenden Arbeiten kann das Verhalten von Orthoamiden von Alkincarbonsäuren 21 gegenüber Birckenbach-analogen Carbonsäureestern und -amiden untersucht werden. Dabei sollten polyfunktionelle Triensysteme entstehen, die eine Fülle von Weiterreaktionen auf den verschiedenen Forschungsgebieten ermöglichen. Anhaltspunkte für diese Annahme geben z. B. Arbeiten von Stanovnik und Svete, die mit Hilfe von aminomethylenierten bzw. aminoethylenierten Birckenbach-analogen Säureamiden und verwandten Verbindungen eine beeindruckende Vielfalt heterocyclischer Verbindungen synthetisiert haben [45], [46].

4 Experimenteller Teil

Vorbemerkung: Die Synthese der Orthoamide 21a, b, c ist beschrieben [31], [47], [48].

Die UV/VIS-Spektren wurden mit dem Spektralphotometer Acta M (Fa. Beckmann) gemessen. Die NMR-Spektrometer T 70 (Fa. Varian) und WP 80 (Fa. Bruker) dienten zur Aufnahme der ¹H-NMR-Spektren.