Sydnonimine: Synthese, Charakterisierung und ihr Potenzial im Forschungsgebiet der anionischen N-heterocyclischen Carbene

Freese, Tyll GND

Sydnonimine (1) sind 1,2,3-Oxadiazole mit exocyclischer konjugierter Imin-Funktion. Diese gehören zur Klasse der konjugierten mesomeren Betaine, da die enthaltenen Ladungen im konjugierten Molekülfragment vollständig delokalisiert sind und nicht durch Mesomerie oder Tautomerie neutralisiert werden können. Durch Deprotonierung der aciden 4-Position ist es nun möglich die entsprechenden anionischen N-heterocyclische Carbene zu erhalten. Zunächst wurde die Syntheseroute zur Herstellung der Sydnonimine optimiert und neue Sydnonimin-Derivate synthetisiert. Spektroskopische und kristallographische Untersuchungen brachten neue Informationen zu den Bindungsverhältnissen sowie den elektronischen Eigenschaften des delokalisierten -Elektronensystems hervor. Weiterhin gelang erstmals der NMR-spektroskopische Nachweis und die Charakterisierung des Lithium-Addukts 2. Für die Deprotonierung waren Lithiumbasen notwendig, da eine Stabilisierung des anionischen N-heterocyclischen Carbens notwendig war. Der kovalente Charakter der Lithium-Kohlenstoff-Bindung konnte als Grund identifiziert werden. Die in THF- und Diethylether-Lösung stabilen Intermediate 2 wurden dann mit elektrophilen Reagenzien abgefangen und die erhaltenen Produkte näher untersucht (Schema 1). Schema 1: Reaktionsübersicht der Sydnonimine. Es wurden Metallhalogenide – unter anionischem Ligandenaustausch – umgesetzt, um sydnoniminhaltige Metallorganyle herzustellen. Hierbei konnten neuartige Palladium-, Gold-, Quecksilber- und Rhodiumkomplexe synthetisiert und charakterisiert werden. Weiterhin wurden Abfangreaktionen mit elementarem Schwefel und Selen durchgeführt. Die Bindungsverhältnisse der Sydnonimin-Derivate zeigten im Vergleich zu anderen literaturbekannten Produkten anionischer N-heterocyclischer Carbene Unterschiede, was eine nötige Überarbeitung bzw. Erweiterung gängiger Definitionen und Klassifizierungen der Carbenforschung nahelegt. Auch weist das anionische Grundgerüst der Sydnonimincarbene nur geringe -Donor- und -Akzeptoreigenschaften auf. Vielmehr kann eine erhöhte -Donizität nachgewiesen werden, was ebenfalls durch quantenmechanische Rechnungen (nach Dichtefunktionaltheorie) weiter bekräftigt wurde. Neben metallorganischen Reaktionen wurden ausgehend von Lithium-Sydnoniminen weiterhin 1,3-dipolare Cycloadditionen mit Arylisocyanaten zu Hydrazonen und Triazolonen sowie reduktive Cycloadditionen mit Tetracyanoethylen zu Pyrazolen erstmals durchgeführt. Durch die medizinische Anwendung der Sydnonimine – als Stickstoffmonoxid-Donoren gegen Angina pectoris – bot es sich an, biologische Tests in Zusammenarbeit mit dem HZI Braunschweig durchzuführen. Besonders die Goldkomplexe der Sydnonimine weisen dabei eine hohe biologische Aktivität auf.

Sydnone imines (1) are 1,2,3-oxadiazoles with an exocyclic conjugated imine function. They belong to the compound class of conjugated mesomeric betaines since they include completely delocalized charges in its conjugated -electron system that can neither be neutralized by mesomerism nor by tautomerism. By deprotonation of the acidic 4-position it is possible to obtain the respective anionic N-heterocyclic carbenes. At first, the synthetic route for the sydnone imine preparation was improved and a series of new derivatives were synthesized. Spectroscopic and crystallographic analysis then gained information about the bonding character as well as the electronic properties of the delocalized -electron system. Furthermore, it was possible to verify and characterize the lithium adduct 2 via NMRspectroscopic experiments for the first time. For the stabilization of the anionic N-heterocyclic sydnone imine carbenes the use of lithium bases is indispensable due to the stabilizing covalent bonding character of the lithium-carbon bond. The presented intermediates 2 were then trapped by electrophilic reagents (scheme 1). The obtained products were investigated closely. Scheme 1: Reaction overview for sydnone imines. Syntheses and characterizations of new palladium, gold, mercury and rhodium complexes with sydnone imine ligands were accomplished by anionic ligand exchange. Furthermore, trapping reactions with sulfur and selenium were carried out. It was shown that the bonding character of the sydnone imine derivatives is different than the bonding character of literature known products of anionic N-heterocyclic carbenes. This indicates the necessity of reevaluation and the extension of current definitions and classifications in the research field of carbenes. Also, measurements of the carbene electron properties indicated weak -donor and weak -acceptor properties for the sydnone imine backbone. Rather than a proposed -acidity a -donicity was found which was further supported by quantum mechanical calculations (density functional theory). Next to metal organic reactions, a variety of 1,3-dipolaric cycloadditions were conducted. Starting from the lithium sydnone imines (2) reactions with aryl isocyanates gave hydrazones as well as triazolones and reductive cycloadditions with tetracyanoethylene gave pyrazoles. The medical application of sydnone imines as nitrogen monoxide donors against Angina pectoris gave reason to collaborate with the HZI Braunschweig for biological testings. Notably are the high biological activities of the gold complexes with sydnone imine ligands.

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Freese, Tyll: Sydnonimine: Synthese, Charakterisierung und ihr Potenzial im Forschungsgebiet der anionischen N-heterocyclischen Carbene. 2019.

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