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Chemie der Allene und Cumulene

Ein Vortrag im Rahmen des organisch-chemischen Fortgeschrittenenpraktikums

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1. Allene und Cumulene Cumulene von lat.:

cumulare = anhäufen. Bez. Für solche org. Verb., bei denen sich zwei oder mehrere Doppelbindungen in ununterbrochener Folge aneinander reihen

J. H. van't Hoff (1852 – 1911)

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Struktur der Allene

Cumulene mit einer ungeraden Anzahl an Doppelbindungen bilden(E)- und (Z)-Isomere.

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Struktur der Allene II

Vollhardt, Organische Chemie, 3. Auflage, S. 574

π-Molekülorbital eines AllensAllene mit einer geraden Anzahl an Doppelbindungen sind aufgrund ihrer Dissymmetrie optisch aktiv und axialchiral.

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Das kleinste Allen

Das thermodynamisch stabile Isomer ist das Acetylen. Zur Synthese von Allenen ist eine kinetisch kontrollierte Reaktionsführung notwendig.

Isomere des kleinsten Allens C3H4

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2. Allen- und Cumulen-Synthese

2.1 Döring-Moore-Skattebol-Synthese

L. Kürti, B. Czakó „Strategic Applications of named reactions in organic synthesis“ 2005

Addition eines Dibromocarbens an ein Olefin und anschließende Reduktion des Additionsprodukts

1,1-Dihalocyclo-propanderivat

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2.2 Cumulen-Synthese mittels Wittig-Reaktion

Chem.Ber. 1986, 119, 1208 - 1216

Die Wittig-Reaktion ermöglicht die Synthese von Allenen und Cumulenen

(Methoxy-benzyliden)-triphenylphosphoran

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2.3 Konkurrenz zwischen SN2- und SN2´-Reaktion

J. Org. Chem. 1978, 43, 1382

1-Ethinylcyclohexyl-chlorid

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2.4 Allen-Synthese mit Kupferorganylen

Beliebtes und vielseitiges Verfahren zur Synthese von Allenen!

• Verwendung stöchiometrischer Mengen an Kupferorganylen• sowohl das Kupferorganyl als auch die Abgangsgruppe können varriert werden und führen so zu einer Vielzahl an Produkten

• Die Reaktion verläuft über einen SN2´-Mechanismus und unter anti-Stereoselektivität.

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2.4 Allen-Synthese mit Kupferorganylen

Es entsteht stereoselektiv das anti-Produkt.

N. Krause, A. S. K. Hashmi Modern Allene Chemistry, Wiley VCH, 2004, S. 54

Die anti-Selektivität der Reaktion beruht auf der Wechselwirkung von d-Orbitalen des Kupfers mit π-Bindungen des Substrats

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2.5 Pd-katalysierte Synthese von Allenen

Chem.Rev. 2000, 100, 3163-3185

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2.6 Allen-Synthese ausgehendvon propargyl-Oxiranen

Angew. Chem. 2004, 116,1216-1236

Das Heuschreckenketon war eines der ersten Beispiele für die Totalsynthese von allenischen Naturstoffen.

Romalea micropetra

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Mögliche Reaktionen:

• Deprotonierung am C1

• Nucleophiler Angriff am C3

N. Krause, A. S. K. Hashmi Modern Allene Chemistry, Wiley VCH, 2004, S. 426

Reaktionen donorsubstituierter Allene

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3.1 Umpolung am C1

Bei der Lithiierung Donorsubstituierter Allene erfolgt eine Umpolung am C1 und ein Angriff durch Elektrophile wird möglich.

Reaktionen donorsubstituierter Allene II

N. Krause, A. S. K. Hashmi Modern Allene Chemistry, Wiley VCH, 2004, S. 432

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3.2 Michael-Addition mit Alkoxyallenen

Synthesis 2002, 1412-1422

Reaktionen donorsubstituierter Allene III

Mechanismus:

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3.3 Nukleophile Addition an donorsubstituierte Allene

J Am Chem Soc 1992 114 4079-4088, Chem. Rev. 1967, 67 317-359

Reaktionen donorsubstituierter Allene V

Grignard-Reagenzien greifen nukleophil am C3 des Allens an und führen zu terminalen Alkinen.

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Reaktionen akzeptorsubstituierter Allene

Häufigste Reaktion:

• Nukleophiler Angriff am C2

N. Krause, A. S. K. Hashmi Modern Allene Chemistry, Wiley VCH, 2004, S. 378

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3.7 Nucleophile Addition an akzeptorsubstituierte Allene

N. Krause, A. S. K. Hashmi Modern Allene Chemistry, Wiley VCH, 2004, S. 379

Reaktionen akzeptorsubstituierter Allene II

Nicht-konjugiertes, kinetisch kontrolliertes Produkt

Thermodynamisch stabiles Produkt

90° Rot

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3.4 Nucleophile Addition an akzeptorsubstituierte Allene

N. Krause, A. S. K. Hashmi Modern Allene Chemistry, Wiley VCH, 2004, S. 379

Reaktionen akzeptorsubstituierter Allene II

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3.4 Nucleophile Addition an akzeptorsubstituierte Allene

N. Krause, A. S. K. Hashmi Modern Allene Chemistry, Wiley VCH, 2004, S. 379

Ein Beispiel aus der Naturstoffsynthese:

Reaktionen akzeptorsubstituierter Allene II

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3.5 Diels-Alder-Reaktionen von Allenen

J. Org. Chem. 1990, 55, 5439-5442

a) Reaktion konjugierten Allensysteme mit Dienophilen

b) Reaktion von Allenen mit konjugierten Dienen

[4+2]-Cycloaddition von Allenen

Ausbeute: 90 %Verhältnis endo : exo = 64 : 36

X = CH2, O, NR´

22Organometallics 2006, 25, 4542- 4553

Die Regioselektivität der Reaktion hängt stark vom gewählten Katalysator ab.

3.6 Übergangsmetall-vermittelte Ringschlussreaktion von Allenen I

Phenanthren- GerüstPyrrol-Azepine (jeweils racemische Gemische)

23Organometallics 2006, 25, 4542- 4553

3.6 Übergangsmetall-vermittelte Ringschlussreaktion von Allenen II

Der Katalysator koordiniert an das terminale Kohlenstoffatom der allenischen Bindung

24Organometallics 2006, 25, 4542- 4553

3.6 Übergangsmetall-vermittelte Ringschlussreaktion von Allenen III

Der Katalysator koordiniert an das interne Kohlenstoffatom der allenischen Bindung

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3.6 Übergangsmetall-vermittelte Ringschlussreaktion von Allenen II

Organometallics 2006, 25, 4542- 4553

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3.7 Gold-katalysierte Cycloisomerisierung von Allenylketonen

Das Carbonylsauerstoff stellt ein intramolekulares Nucleophil dar, das zu einer Zwischenstufe vom Wheland-Typ wird.

Angew. Chem. 2006, 118, 8064-8105

Protodesaurierung

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3.7 Gold-katalysierte Cycloisomeri-sierung von Allenylketonen II

Angew. Chem. 2006, 118, 8064-8105

Abhängig von der Oxidationsstufe des Katalysators ist dieser entweder carbophil (AuI) oder oxophil (AuIII).

Bromallenylketon

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Ausblick

Allene sind außerordentlich nützliche Zwischenstufen in der selektiven Synthese komplexer Naturstoffen. Die Möglichkeiten, die Allene hier bieten sind noch lange nicht erschöpft.

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Literatur

[1] N. Krause, A. S. K. Hashmi Modern Allene Chemistry, Wiley VCH, 2004, S. 1042 [2] Nader, Brecht, Kreisz Chem.Ber. 1986, 119, 1208 – 1216 [3] Marshall, Chem.Rev. 2000, 100, 3163-3185 [4] Krause Angew. Chem. 2004, 116,1216-1236 [5] Buchholz, Reissig Synthesis 2002, 1412-1422 [6] Taylor Chem. Rev. 1967, 67 317-359 [7] Boger, Curran J. Org. Chem. 1990, 55, 5439-5442 [8] Soriano, Marco-Contelles Organometallics 2006, 25, 4542- 4553 [9] Hashmi, Hutchings Angew. Chem. 2006, 118, 8064-8105 [10] Krause, Hoffmann-Röder Synthesis 2002, 12, 1759-1774

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Mechanismus: Doering-Moore-Skattebol

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Übergangsmetall-vermittelte Hydroarylierung von Allenen III

Organometallics 2006, 25, 4542- 4553

Optimierte Strukturen der Edukt- Komplexe 14 bei Koordinierung von PtCl2 (links) bzw. GaCl3 (rechts) an die äußere π-Bindung des Allenes.

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Übergangsmetall-vermittelte Hydroarylierung von Allenen IV

Organometallics 2006, 25, 4542- 4553

NPA = natural population analysis

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3.7 Allene als Vorstufen in der Naturstoffsynthese

Periplanone B ist das Pheromon der Amerikanischen Kakerlake und wird als Insektizid eingesetzt.

N. Krause, A. S. K. Hashmi Modern Allene Chemistry, Wiley VCH, 2004, S. 1042

[2+2]-Cycloaddition von Allenen