18
Valence Isomerization of Cyclohepta-1,3,5-triene 1 and its Heteroelement Analogues 13

Valence Isomerization of Cyclohepta-1,3,5-triene 1 and its ... 1.pdf · Valence Isomerization of Cyclohepta-1,3,5-triene . 1 . and its Heteroelement . Chapter 1 1.1 Introduction Valence

  • Upload
    others

  • View
    36

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Valence Isomerization of

Cyclohepta-1,3,5-triene 1 and its Heteroelement

Analogues

 

 

 

 

 

‐13‐ 

Chapter 1 

1.1 Introduction

Valence  isomerization of cyclohepta‐1,3,5‐triene  (1)  into bicyclo[4.1.0]hepta‐2,4‐

diene  (2)  has  captured  the  attention  of  chemists  for  over  five  decades.[1]  This 

interest  extended  to  the  related  heterocyclic  compounds  38,  bearing  one 

oxygen,  sulfur  or  nitrogen  atom,  after  the  discovery  of  their  biological 

importance[2]  (Scheme  1).  In  contrast,  phosphane  analogue  9  and 

phosphanorcaradiene  10  have  received  only  limited  attention  with  their 

application as phosphinidene precursor being  the most notable.[3,4] Because  the 

synthesis and  isolation of the parent and substituted heteropines 5, 7, 9 remains 

challenging,  computational  chemistry  has  played  an  important  role  in 

understanding their chemical properties.  

Reviewing  the  influence  of  the  heteroelement  on  the  cyclohepta‐

trienenorcaradiene  valence  isomerization  necessitates  a  brief  overview  of  the 

parent  all‐carbon  system.  This will  be  followed  by  examining  the  experimental 

data on  the heteropine valence  isomerization  in conjunction with  the computed 

geometrical and aromaticity features of the parent isomers. Whereas it is not the 

focus  of  this  review,  selected  examples  of  substituted  heteropines  and  their 

synthesis will be given.  

 

Scheme 1. Valence isomerization of cyclohepta‐1,3,5‐triene (1) and its  

heteroelement analogues. 

 

‐14‐ 

Valence Isomerization of Cyclohepta‐1,3,5‐triene and its Heteroelement Analogues 

1.2 Cycloheptatriene Valence Isomerization

Cyclohepta‐1,3,5‐triene  (1),  first  isolated  in  1883,[5]  has  a  boat  shaped 

conformation, as determined by electron diffraction,[6] a microwave study,[7] and 

an X‐ray structure analysis of  its derivative thujic acid,[8] but these methods give 

different  tilt  angles    and      (see  Scheme  2).  More  accurate  data  on  the 

geometrical  features of 1,  come  from a B3LYP/6‐311+G(d,p)  study  that gave an  

  angle  of  52.9°  and  a    angle  of  25.4°.[9,10]  Low  temperature  1H  NMR 

measurements  showed  that  the  slightly  homo‐aromatic  boat  conformation 

undergoes a degenerate  ring  flip via an anti‐aromatic C2v  transition  state with a 

free energy barrier of 5.7 kcal.mol‐1 in CBrF3[11] and 6.3 kcal.mol‐1 in CF2Cl2.

[12,13]   

 

Scheme 2. Conformational ring inversions. 

 

Cycloheptatriene  1  is  in  equilibrium with  bicyclo[4.1.0]hepta‐2,4‐diene  (2)  via  a 

Woodward‐Hoffmann symmetry‐allowed disrotatory ring closure.[14] Although the 

equilibrium  strongly  favors  the  seven‐membered  ring,  the  presence  of  small 

quantities  of  the  bicyclic  isomer  2  was  inferred  by  Diels‐Alder  trapping 

reactions.[15]  In  1981,  Ruben  was  the  first  to  directly  observe  norcaradiene  2 

employing low‐temperature photolysis.[16] He determined an activation barrier of 

112 kcal.mol‐1 for the formation of 2 and a free energy difference between the 

isomers  of  about  4  kcal.mol‐1.[16]  Strong  electron‐withdrawing  groups  at  the 

methylene bridge  influence  the equilibrium  in  favor of  the norcaradiene  isomer, 

as  is  the  case  for  the  thermally  stable  1,1‐dicyano‐derivative.[17] At  the  B3LYP/ 

6‐311+G(d,p) level of theory, the geometry of the parent norcaradiene was shown 

to have a straighter bow ( = 65.8°) but flatter stern ( = 18.9°) as compared to 

cyclohepta‐1,3,5‐triene.[9]     

‐15‐ 

Chapter 1 

In addition to the 12  interconversion, the parent C7H8 has a rich rearrangement 

chemistry  (Scheme  3).  In  1957,  Woods  observed  the  rearrangement  of 

bicyclo[2.2.1]hepta‐2,5‐diene  (12)  into cycloheptatriene 1, which was postulated 

to proceed  via diradical  11  and norcaradiene  2.[18]  Instead pyrolysis of  1  yields 

toluene  by  a  [1,3]‐H  shift.[19]  Norcaradiene  2  can  also  undergo  a  [1,5]‐carbon 

“walk”  as  was  discovered  by  Berson  and  Willcott  in  1965.[20]  Although,  this 

process  should  proceed  with  retention  of  configuration  according  to  the 

Woodward‐Hoffmann  rules,  studies  of  optically  active  substituted 

cycloheptatrienes  showed  that  the “forbidden” path  is  favored so  that  the walk 

occurs with  inversion of configuration.[21,9] The  fourth and  last rearrangement, a 

[1,5]‐hydrogen  shift,  was  discovered  by  a  high‐temperature  NMR  study  of 

hydrogen  isotopomers  of  cycloheptatriene.  At  100–140  °C,  1  undergoes 

suprafacial [1,5]‐H shifts with an activation energy of approximately 31 kcal.mol‐1 

(Scheme 3).[22,23]     

 

Scheme 3. Rearrangements of the parent cycloheptatriene 1 and norcaradiene 2. 

y  

e [

 

1.3 Valence Isomerization of Heteropines

1.3.1  Oxepine / Benzene oxide  

Oxepine (3) was first isolated in 1964 b  Vogel et al. by double dehalogenation of 

1,2‐dibromo‐4,5‐ poxycyclohexane. 24]  Oxepine  can  also  be  synthesized  by 

epoxidation  of  Dewar  benzene  followed  by  photolytic  or  thermal  ring 

‐16‐ 

Valence Isomerization of Cyclohepta‐1,3,5‐triene and its Heteroelement Analogues 

expansion.[25]  In  contrast  to  the  cycloheptatrienenorcaradiene  (12)  pair,  the 

equilibrium  constant  for  oxepin  3  and  7‐oxa‐bicyclo[4.1.0]hepta‐2,4‐diene  (4, 

benzene  oxide)  varies  widely  with  solvent  polarity  and  to  some  extent  with 

temperature, making it po sible to work with solutions highly enriched with either 

one of  the  two  isomers.[s

30]  In  addition,  also  photo‐oxidation  of 

z

n

due to the destabilizing eclipsing of the two methyl 

groups in benzene oxide 4.[24,35] 

24b,26] The  facile 34 valence  isomerization[27a,28,29]  is of 

considerable  interest  as  arene  oxides  are  intermediates  in  the  oxidative 

metabolism  of  aromatic  substrates.[

benzene creates this isomeric pair.[31]  

Using 1H NMR spectroscopy, Vogel and Günther determined that bicyclic ben ene 

oxide  4  is  1.7  kcal.mol‐1 more  stable  than monocyclic  3  in  apolar  solvents[24b,32] 

with  an  activation  barrier  for  the  conversion  from  4  to  3  of  9.1  kcal.mol‐1  and  

7.2 kcal.mol‐1 for the reverse reaction. Calculations at QCISD(T)/6‐31G(d) confirm 

the  bicyclic  isomer  to  be  the most  stable  one,  albeit with  a  very  small  energy 

differe ce  of  only  0.1  kcal.mol‐1 with  a  barrier  for  interconversion  of  9.1  kcal. 

mol‐1.[35]  By  changing  to  more  polar  solvents,  the  oxepine  isomerization 

equilibrium shifts further toward benzene oxide (more positive G), suggesting a 

larger dipole moment for benzene oxide than for oxepine. Methyl substitution at 

the 2‐ and 7‐positions  reverses  the stability order,  rendering  the oxepine as  the 

energetically favored  isomer 

 

Scheme 4. Reactivity of oxepine (3) and benzene oxide (4). 

‐17‐ 

Chapter 1 

Depicted  in Scheme 4 are the most  important reactions that the parent oxepine 

(3)  and  benzene  oxide  (4)  can  undergo.  Irradiation  of  oxepine  results  in  ring 

contraction  yielding  2‐oxabicyclo[2.3.0]hepta‐3,6‐diene  (13).[24]    Under  thermal, 

photochemical or acidic conditions, the three‐membered ring of bicyclic 4 opens 

generating phenol,[24a,33]    in analogy  to  the all‐carbon norcaradiene 2  that gives 

toluene.  In  addition,  4  undergoes  highly  selective  Diels‐Alder  reactions  with  

N‐phenylmaleimide  and  dimethylacetylenedicarboxylate  providing  single  anti‐

adducts (e.g. 14; Scheme 4).[31b,34] Calculations on model structures show that the 

anti  cycloadditions  are  kinetically  controlled,  although  syn  addition  is 

thermodynamically favored.[35]  

 

1.3.2  Thiepine / Benzene sulfide 

The parent thiepine  (5)  is 7.0 kcal.mol‐1  less stable than benzene sulfide  (6). This 

energy difference  is much  larger than for the oxygen homologues because sulfur 

is better accommodated in three‐membered rings.[35] Nevertheless, bicyclic 6 has 

never been  isolated due to the  low activation barrier for sulfur extrusion,[35,36,37] 

which  occurs  via  a  sequence  of  low  energy  reactions  involving  several  sulfur‐

containing intermediates.[38,39]  

Thiepine 5 can be stabilized by Fe(CO)3‐complexation (15)[40] or by decorating the 

seven‐membered ring with substituents. The first isolated metal‐free thiepine (16) 

was  reported  in  1974  by  Reinhoudt  and  Kouwenhoven  using  electron‐

withdrawing  groups  to  delocalize  the  ‐electrons  of  the  thiepine  ring,  but  this 

species still eliminates sulfur at  room  temperature.[41] With  the synthesis of  the 

sterically  shielded 2,7‐di‐tert‐butylthiepine 17,  a  relatively  simple  and  thermally 

stable  thiepine was obtained allowing experimental  studies on  its  chemical and 

physical properties.[42] The thermally robust dibenzo[b,f]thiepines are of  interest 

for their potent biological activity, which is illustrated by the psycho sedative and 

antipsychotic properties of zotepine (18).[27c,43,44] 

‐18‐ 

Valence Isomerization of Cyclohepta‐1,3,5‐triene and its Heteroelement Analogues 

 

1.3.3  1H‐Azepine / Benzene imine  

The  parent  1H‐azepine  (7)[45]  was  first  generated  in  1963  by  Hafner  after 

hydrolysis  of  ethyl‐1H‐azepine‐N‐carboxylate  with  potassium  hydroxide  and 

subsequent protonation.[46] Because 1H‐azepine is highly unstable and rearranges 

to 3H‐azepine via a  [1,3]‐H shift,  its characterization was accomplished 17 years 

later at –78 °C by Vogel et al.[47,48] N‐substitution stabilizes the 1H‐azepine. As for 

the  all‐carbon  analogues,  the  valence  isomerization  equilibrium  strongly  favors 

the monocyclic form, which was estimated at 7.9 kcal.mol‐1 at B3LYP/6‐31G(d) for 

the  parent  system  (7  ⇄  8).[49]  Also  low  temperature  1H  and  13C  NMR 

measurements  on  19  display  only  small  amounts  of  the  bicyclic  isomers  20 

(Scheme 5).[48,50]  

 

Scheme 5. Valence isomerization of 1H‐azepines. 

 

The  reluctance  to  form  the bicyclic  isomer dictates  the  reactivity of azepines as 

they exhibit the characteristics of cyclic polyene chemistry, which is illustrated by 

the ability of  the monocyclic  isomer  to undergo cycloadditions as 2 (→ 21),[51] 

‐19‐ 

Chapter 1 

4 (→ 2 )[2 5152 or 6 (→ 23, 24)[53] component (Scheme 6). In addition, azepine 7 

rearranges photochemically to bicyclic 25[54] and in the presence of an acid yields 

aniline derivatives 26[55] in analogy to the cycloheptatriene and oxepine.[56]    

 

Scheme 6. Reactivity of 1H‐azepine. 

Azepines  have  received  considerable  attention  because  of  their  biological 

importance  and  pharmaceutical  relevance.[57]  For  instance,  3H‐3‐benzazepin‐2‐

amines  27  possess  antihypertensive  activity[58]  and  all  tricyclic 

dibenzo[b,f]azepines  (e.g.,  28)  bearing  a  basic  side  chain  affect  the  central 

nervous system.[59]  

‐20‐ 

 

Valence Isomerization of Cyclohepta‐1,3,5‐triene and its Heteroelement Analogues 

1.3.4  1H‐Phosphepine / Benzene phosphane 

Although the parent 1H‐phosphepine (9) and its 2.5 kcal.mol‐1 more stable valence 

isomer benzene phosphane (10)[60] have never been isolated, there is evidence for 

the existence of  the parent phosphatropylium  ion  (29), which was generated  in 

the  gas  phase  by  collision  activation  between  PI3  and  benzene.[61]  The  thermal 

instability of  the phosphepines  is due  to  the  facile decomposition of  its bicyclic 

isomer  10  into  benzene  and  phosphinidene  R–P.[62] However,  the  7‐membered 

ring can be stabilized by phosphorus oxidation  (30),[62]  the  introduction of bulky 

substituents  at  the  2  and  7  positions  (33),[63]  or  benzannulation  (e.g.  3H‐

benzophosphepine 32).[3c,64]  

 

 

The  thermal  lability of  the  transition metal‐complexed 3H‐benzophosphepine 33 

has  been  explored  by  Lammertsma  et  al.  for  the  synthesis  of  a  variety  of 

organophosphorus  compounds  by means  of  [1+2]‐cycloadditions  of  the  in  situ 

generated singlet phosphinidene 35 with olefins or acetylenes (Scheme 7).[3,4] 

 

 

Scheme 7. Phosphinidene generation from metal‐complexed benzophosphepine 33. 

 

‐21‐ 

Chapter 1 

1.4 Geometry and Boat Inversion

Determining  the  conformations  of  the  heteropines  has  been  a  challenge,  since 

only  the  parent  oxepine  (3)  can  be  isolated  as  a  liquid  at  room  temperature. 

Although spectroscopic measurements indicated a boat shape for the monocyclic 

structures  with  alternating  C=C  bond  lengths,  attempts  for  more  exact 

measurements  came  from  single‐crystal  X‐ray  structure  analysis  of  simple 

derivatives,  later complemented by high‐level calculations on the parent systems 

(see Table 1). Determining the conformation  for the bicyclic norcaradienes  is  far 

more challenging and currently depends solely on calculations. 

 

Table 1.  Summary of  the  relative energies  (kcal.mol‐1) of  isomerization  from  the parent 

bicyclic  forms  norcaradiene  (NCD)  2  (C),  4  (O),  6  (S),  8  (N),  10  (P))  to  the monocyclic 

cycloheptatrienes (CHT) 1 (C), 3 (O), 5 (S), 7 (N), 9 (P)) and their ring inversion.[a] 

  NCD  TS  CHT  TSinv  Method  Ref 

C (1,2)  4  11[c]  0.0  ~6  Exp  [11,12,16] 

O (3,4)  0.0  9.1[b]  1.7  –  Exp  [24b,32]  

  0.0  7.0  0.1  3.5  QCISD(T)/6‐31G(d)  [35] 

S (5,6)  0.0  20.5[b]  7.0  7.3  QCISD(T)/6‐31G(d)   [35]  

N (7,8)  7.9  11.4[c]  0.0  ~3  B3LYP/6‐31G(d)   [49,65] 

P (9,10)  0.0  15.7  2.5  5.2  B3LYP/6‐311+G(d,p)   [60] 

[a]  Gibbs  free  energies  for  experimental  data  (first  two  entries)  and  enthalpies  for 

computational data.  [b] Equilibrium from NCD to CHT. [c] Equilibrium from CHT to NCD. 

 

The molecular structure of the simple 2‐tert‐butoxycarbonyl oxepine (36) shows a 

boat  configuration with bow  ()  and  stern  ()  fold  angles of 56.5  °  and 26.0  °, 

respectively,[66] making it slightly more curved than cyclohepta‐1,3,5‐triene (1;  = 

52.9 °,  = 25.4 °).[9] This structure differs little from the MP2/6‐31G(d) optimized 

geometry  of  the  parent  oxepine  (3)  (Cs  symmetry;   =  58.3  °,    =  30.8  °)  and 

‐22‐ 

Valence Isomerization of Cyclohepta‐1,3,5‐triene and its Heteroelement Analogues 

illustrates  that  the  tert‐butoxycarbonyl  substituent  hardly  influences  the 

geometry.[35]  A  single‐crystal  X‐ray  analysis  for  sulphur  analogue  2,7‐di‐tert‐

butylthiepine (17) shows on the other hand a less curved structure ( = 49.6 ° and 

 = 28.0 °),[42] which was supported by an MP2/6‐31G(d) optimized geometry of 

the parent thiepine 5 ( = 50.3 ° and  = 30.8 °).[35] 

The molecular  structure  of N‐substituted  azepine  37  displays  a  shallower  boat 

structure  (  =  43.4  °  and    =  21.6  °).[67]  This  behavior  is  solely  due  to  the  

N‐substituent  as  the  CASSCF/3‐21G  optimized  geometry  shows  a more  curved  

 angle of 36.4 ° for the parent 7.[68] For the P analogues, the single‐crystal X‐ray 

structure  analysis  of  a  (OC)5W‐complexed,  benzannulated  phosphepines  33 

(Scheme 7) also shows a  flattened boat conformation  ( = 40.5  °,  = 28.2  °)[3a] 

compared  to  the  computed  parent  structure  that  is more  curved  (  =  48.3  °,  

 = 27.8 °).[3c]  

Although  the  boat  form  prevails  in  all  monocyclic  heteropines,  Cremer  et  al. 

indicated  that  this presents an  incomplete picture.[65] They determined  that  the 

parent  1,  3  and  5  posses  at  least  22%  chair  character,  leading  to  an  almost 

constant boat puckering  for  the cycloheptatrienes. By studying  the  racemization 

of substituted benzene oxides (Scheme 2), the oxepine ring inversion barrier was 

estimated at 6.5 kcal.mol‐1 at 135 K,[66,69] which is similar 4.5 kcal.mol‐1 calculated 

for  the parent oxepine  (3) at QCISD(T)/6‐31G(d).[35] The barrier  for  thiepine 5  is 

with 8.3 kcal.mol‐1 nearly twice as  large (same  level of theory), probably because 

the  flattened  thiepine  ring  leads  to  higher  antiaromatic  destabilization.[35]  The 

interconversion of the boat forms of the azepines and phosphepines is also facile, 

requiring only 3 (N)[65a] and 5.2 kcal.mol‐1 (P),[60] respectively.  

‐23‐ 

Chapter 1 

1.5 Aromaticity

One of  the  issues  in  the  cyclohepta‐1,3,5‐triene valence  isomerization has been 

whether  the  heteropines  display  aromaticity.  The  flattened  transition  structure 

for  ring  inversion  (Scheme  2)  bears  8‐electrons  and  should  display 

antiaromaticity according to the Hückel theory and, in fact, the inherent instability 

of thiepine 5 has been ascribed to this.[70] However, the monocyclic boat‐shaped 

structures  can  exhibit homoaromaticity by  conjugative  interaction of  the  triene 

part  through  1,6‐overlap  of  2p‐orbitals,[65]  as  is  the  case  for  cyclohepta‐1,3,5‐

triene  (1).[13] With  the  use  of  nucleus‐independent  chemical  shifts  (NICS(1)),[71]  

it  has  been  shown  that  thiepine  (–2.3  ppm)[72]  and  phenylphosphepine  (–4.8 

ppm)[3c] indeed display aromatic character when compared to the well‐known six  

‐electron Hückel‐aromatic tropylium cation,[71] which has a NICS(1) value of –8.2 

ppm. Adding electronegative substitutents enhances the effect and fully aromatic 

systems  are  obtained  after  complete  fluorination  of  the  heteropines.[37]  

In contrast,  the  flattened  transition  structures  for  ring  inversion of  thiepine and 

phosphepine  are  indeed  highly  antiaromatic,  with  positive  NICS(1)  values  of 

19.3[72] and 6.4 ppm,[3c] respectively. 

 

1.6 Summary

Valence  isomerization  of  cyclohepta‐1,3,5‐triene  into  bicyclo[4.1.0]hepta‐2,4‐

diene  and  their  corresponding  heteroelement  analogues  have  been  reviewed 

giving  insight  into  the  chemical  and  physical  properties  of  these  fascinating 

species.  

‐24‐ 

Valence Isomerization of Cyclohepta‐1,3,5‐triene and its Heteroelement Analogues 

‐25‐ 

1.7 References and Notes

[1]   G. Maier, Angew. Chem. 1967, 79, 827; Angew. Chem. Int. Ed. 1967, 6, 402–413. 

[2]   For example, see: a) L. Rodriguez‐Hahn, B. Esquivel, A. A. Sánchez,  J. Cárdenas, 

O.G. Tovar, M. Soriano Garcia, A. Toscano, J. Org. Chem. 1988, 53, 3933–3936. b) 

M. Güney, A. Daştan, M. Balci, Helv. Chim. Acta 2005, 88, 830–838.   

[3]   a) M. L. G. Borst, R. E. Bulo, D. J. Gibney, A. W. Ehlers, M. Schakel, M. Lutz, A. L. 

Spek, K. Lammertsma, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 5800–5801. b) M. L. G. Borst, 

R. E. Bulo, D.  J. Gibney, Y. Alem, F.  J.  J. de Kanter, A. W. Ehlers, M. Schakel, M. 

Lutz, A. L. Spek, K. Lammertsma, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 16985–16999. c) H. 

Jansen,  J. C. Slootweg, A. W. Ehlers, K. Lammertsma, Organometallics 2010, 29, 

submitted.  

[4]   a) E. P. A. Couzijn, A. W. Ehlers, J. C. Slootweg, M. Schakel, S. Krill, M. Lutz, A. L. 

Spek,  K.  Lammertsma,  Chem.  Eur.  J.  2008,  14,  1499–1507.  b)  H.  Jansen,  A.  J. 

Rosenthal,  J.  C.  Slootweg,  A. W.  Ehlers, M.  Lutz,  A.  L.  Spek,  K.  Lammertsma, 

Organometallics 2008, 27, 2868–2872. 

[5]   A. Ladenburg, Liebigs Ann. Chem. 1883, 217, 74–149. 

[6]   M. Traetteberg, J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 4265–4270. 

[7]   S. S. Butcher, J. Chem. Phys. 1965, 42, 1833–1836. 

[8]   Suitable crystals  for an accurate X‐ray determination could not be obtained  for 

cyclohepta‐1,3,5‐triene, see: T. B. Reed, W. N. Libscomb, Acta Cryst. 1953, 6, 108. 

However the derivative 7,7‐dimethylcycloheptatriene‐3‐carboxylic acid did result 

in suitable crystals, see: R. E. Davis, Tulinksy, Tetrahedron Lett. 1962, 3, 839–846. 

[9]   Z. Chen, H. Jiao, J. I. Wu, R. Herges, S. B. Zhang, P. v. R. Schleyer, J. Phys. Chem. A 

2008, 112, 10586–10594. 

[10]   For  similar  computational  geometrical  studies,  see:  a)    =  52.1  °,  =  25.2  ° 

determined  at  the CASSCF(6,6)/6‐31G(d)  level; A. A.  Jarzęcki,  J. Gajewski,  E. R. 

Davidson,  J.  Am.  Chem.  Soc.  1999,  121,  6928–6935.  b)   =  57.5  °,  =  27.6  ° 

Chapter 1 

‐26‐ 

determined at the B‐LYP/6‐31G(d) level; A. P. Scott, I. Agranat, P. U. Biedermann, 

N. V. Riggs, L. Radom, J. Org. Chem. 1997, 62, 2026–2038.  

[11]   F. R. Jensen, L. A. Smith, J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 956–957. 

[12]   F. A. L. Anet, J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 458–460. 

[13]   For example: a) Determination of “Nuclear Independent Chemical Shift” (NICS(0), 

benzene –8.0 ppm,71 –4.2 ppm of 1), T. Nishinaga, Y. Izukawa, K. Komatsu J. Phys. 

Org Chem. 1998, 11, 475–477. b) An “Anisotropy of the Current‐Induced Density” 

(ACID)  plot  shows  through  space  interaction  bridging  the methylene‐group,  R. 

Herges, D. Geuenich, J. Phys. Chem. A. 2001, 105, 3214–3220.  

[14]   a) G. Maier, Angew. Chem. 1967, 79, 827; Angew. Chem. Int Ed. 1967, 6, 812. b) T. 

H.  Lowry, K. S. Richardson,  in Mechanism and Theory  in Organic Chemistry, 4th 

edition, Harper and Row, Lonon, 1990. 

[15]   A. Menzek, M. Baler, Tetrahedron 1993, 49, 6071–6078, and references therein. 

[16]   M. B. Ruben, J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 7791–7792. 

[17]   a) G. E. Hall, J. D. Roberts, J. Am. Chem. Soc. 1971, 93, 2203–2207; b) T. –H. Tang, 

C. S. Q. Lew, Y. –P. Cui, B. Capon, I. G. Csizmadia, J. Mol. Struc., Theochem. 1994, 

305, 149–164.   

[18]   W. G. Woods, J. Org. Chem. 1958, 23, 110–112. 

[19]   K. N. Klump, J. P. Chesick, J. Am. Chem. Soc. 1963, 85, 130–132. 

[20]   a) J. A. Berson, M. R. Willcott III, J. Am. Chem. Soc. 1965, 87, 2751–2752. b) J. A. 

Berson, M. R. Willcott III, J. Am. Chem. Soc. 1965, 87, 2752–2753. 

[21]   a) K.‐G. Klärner, Angew. Chem. 1974, 86, 270–272; Angew. Chem.  Int. Ed. 1974, 

13, 268–270. b) K.‐G. Klärner, S. Yaslak, M. Wette, Chem. Ber. 1977, 110, 107–

123. c) K.‐G. Klärner, S. Yaslak, M. Wette, Chem. Ber. 1979, 112, 1168–1188. d) K.‐

G. Klärner, B. Brassel, J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 2469–2470. 

[22]   a) A. P. Ter Borg, H. Kloosterziel, N. Van Meurs, Proc. Chem. Soc. 1962, 359. b) E. 

Weth, A. S. Dreiding, Proc. Chem. Soc. 1964, 59–60. 

Valence Isomerization of Cyclohepta‐1,3,5‐triene and its Heteroelement Analogues 

‐27‐ 

[23]   For the methyl‐substituted analogues, see: J. A. Berson, M. R. Willcott III, J. Am. 

Chem. Soc. 1966, 88, 2494–2502. 

[24]   a) E. Vogel, R. Schubart, W. A. Böll, Angew. Chem. 1964, 76, 535;  Angew. Chem. 

Int. Ed. 1964, 3, 510. b) E. Vogel, W. A. Böll, H. Günther, Tetrahedron Lett. 1965, 

46, 609–615.   

[25]   E. E. van Tamelen, D. Carty, J. Am. Chem. Soc. 1967, 89, 3922–3923. 

[26]   E. Vogel, H. Günther, Angew. Chem. 1967, 79, 429–446; Angew. Chem.  Int. Ed. 

1967, 6, 385–401. 

[27]   For synthesis and reactivity of the heterocycles, see: A. R. Katritzky, C. W. Rees, E. 

F.  Scriven,  In  Complehensive  Heterocyclic  Chemistry  II;  Seven  Membered  and 

Larger Rings with Fused Derivatives, Vol. 9; G. R. Newkome Ed.: Elsevier Science 

Ltd.: Oxford, 1996. a) Oxepines: p 45–66. b) Azepines: p 1–43. c) Thiepines: p 67–

111. d) Phosphepines: p 947–950.                                              

[28]  C. W. Bock, P. George, J. J. Stezowski, J. P. Glusker, Struct. Chem. 1989, 1, 33–39. 

[29]  D. M. Hayes, S. D. Nelson, W. A. Garland, P. A. Kollman J. Am. Chem. Soc. 1980, 

102, 1255–1262. 

[30]   a)  D. M.  Jerina,  J. W.  Daly,  B. Witkop,  In  Biogenic  Amines  and  Physiological 

Membranes  in Drug Therapy, Part B; J. H. Biel, L. G. Abood, Ed.; Marcel Dekker: 

New York, 1971; p 413–476. b)  J. W. Daly, D. M.  Jerina, B. Witkop, Experientia, 

1972, 28, 1129–1149. c) D. M. Jerina, J. W. Daly, Science 1974, 185, 573–582. d) 

D. R. Boyd, N. D. Sharma, Chem. Soc. Rev. 1996, 25, 289–296. 

[31]   a) B. Klotz,  I. Barnes, K. H. Becker, B. T. Golding,  J. Chem.  Soc.,  Faraday Trans. 

1997, 93, 1507–1516. b) A. P. Henderson, E. Mutlu, A. Leclercq, C. Bleasdale, W. 

Clegg, R. A. Henderson, B. T. Golding, Chem. Commun. 2002, 1956–1997. 

[32]   H. Günther, Tetrahedron Lett. 1965, 46, 4085–4090. 

[33]  a) In the presence of acid, protonation results in a carbocation intermediate and 

does not generate a  radical species, see: P. George, C. W. Bock,  J. P. Glusker  J. 

Phys. Chem. 1990, 94, 8161–8168. b) for photoisomerisation, see: J. M. Holovka, 

P. D. Gardner, J. Am. Chem. Soc. 1967, 89, 6390–9391.   

Chapter 1 

‐28‐ 

[34]   J. R. Gillard, M.  J. Newlands, J. N. Bridson, D.  J. Burnell, Can.  J. Chem. 1991, 69, 

1337–1343. 

[35]   C. C. Pye, J. D. Xidos, R. A. Poirier, D. J. Burnell J. Phys. Chem. A. 1997, 101, 3371–

3376. 

[36]   L.  Field,  D.  L.  Tuleen,  In  Seven‐Membered  Heterocyclic  Compounds  Containing 

Oxygen and Sulfur, Chapter 10; Rosowsky A., Ed.; Wiley  Interscience, New York, 

1972. 

[37]   W. L. Karney, C. J. Kastrup, S. P. Oldfield, H. S. Rzepa, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 

2, 2002, 388–392. 

[38]   K. J. Miller, K. F. Moschner, K. T. Potts, J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 1705–1712. 

[39]   R. Gleiter, G. Krennrich, D. Cremer, K. Yamamoto,  I. Murata,  J. Am. Chem. Soc. 

1985, 107, 6874–6879. 

[40]   K. Nishino, M. Takagi, T. Kawata, I. Murata, J. Inanaga, K. Nakasuji, J. Am. Chem. 

Soc. 1991, 113, 5059–5060. 

[41]   D. N. Reinhoudt, C. G. Kouwenhoven, Tetrahedron 1974, 30, 2093–2098. 

[42]   K. Yamamoto, S. Yamazaki, Y. Kohashi,  I. Murata, Y. Kai, N. Kanehisa, K. Miki, N. 

Kasai, Tetrahedron Lett. 1982, 23, 3195–3198. 

[43]   a) I. Ueda, Y. Sato, S. Maeno, S. Umio, Chem. Pharm. Bull. 1978, 26, 3058–3070. 

b) Y. Higashi, Y. Momotani, E. Suzuki, T. Kaku, Pharmacopsychiatry 1987, 20, 8–

11.  

[44]   For  reviews,  see:  a)  K.  Yamamoto,  S.  Yamazaki,  In  Comprehensive Heterocyclic 

Chemistry  II; Vol.  9, A. R.  Katritzky, C. W. Rees,  E.  F. V.  Scriven,  Eds.;  Elsevier: 

Amsterdam, 1996; pp 67–111. b) A. L. Schwan In Science of Synthesis; Vol. 17, S. 

M. Weinreb, Ed.; Thieme: Stuttgart, 2004; p 717–748. c) M. Protiva, J. Heterocycl. 

Chem. 1996, 33, 497–521.  

[45]   L. A. Paquette, Angew. Chem. 1971, 83, 11–20; Angew. Chem.  Int. Ed. 1971, 10, 

11–20. 

Valence Isomerization of Cyclohepta‐1,3,5‐triene and its Heteroelement Analogues 

‐29‐ 

[46]   K. Hafner, Angew. Chem. 1963, 75, 1041–1050; Angew. Chem.  Int. Ed. 1964, 3, 

165–173.  

[47]   E. Vogel, H. –J. Altenbach, J. –M. Drossard, H. Schmickler, H. Stegelmeier, Angew. 

Chem. 1980, 92, 1053–1054; Angew. Chem. Int. Ed. 1980, 19, 1016–1018. 

[48]   A. R. Katritzky, C. W. Rees, In Complehensive Heterocyclic Chemistry, Vol 7; G. R. 

Newkome, Ed.; Elsevier Science Ltd., Oxford, 1984. a) p. 491 b) p. 543.                                            

[49]   M. Z. Kassaee, S. Arshadi, B. N. Haerizade, E. Vessally,  J. Mol. Struc., Theochem. 

2005, 731, 29–37. 

[50]   H. Prinzbach, H. Babach, H. Fritz, P. Hug, Tetrahedron Lett. 1977, 18, 1355–1358. 

[51]   L. A. Paquette, D. E. Kuhla,  J. H. Barrett, L. M. Leichter,  J. Org. Chem. 1969, 34, 

2888–2896. 

[52]   J. H. van den Hende, A. S. Kende, Chem. Commun. 1965, 384–385. 

[53]   a) L. A. Paquette,  J. H. Barrett,  J. Am. Chem. Soc. 1966, 88, 2590–2591. b) L. A. 

Paquette, J. H. Barrett, D. E. Kuhla, J. Am. Chem. Soc. 1969, 91, 3616–3624. 

[54]   L. A. Paquette, J. H. Barrett, J. Am. Chem. Soc. 1966, 88, 1718–1722. 

[55]   L. A. Paquette, D. E. Kuhla, J. H. Barrett, J. Org. Chem. 1969, 34, 2879–2884.   

[56]   For more details on azepines, see ref 27b. 

[57]   For more synthetic routes, see: J. –P. K. Meigh, in Science of Synthesis, Vol 17, S. 

M. Weinreb, E. Schaumann, Eds.; Thieme Chemistry, 2004, p 825–927. 

[58]   R. L. Robey, C. R. Copley‐Merriman, M. A. Phelps, J. Heterocycl. Chem. 1989, 26, 

779–783.  

[59]   G. Steinez, A. Franke, E. Hädicke, D. Lenke, H. –J. Teschendorf, H. –P. Hofmann, H. 

Kreiskott, W. Worstmann, J. Med. Chem. 1986, 29, 1877‐1888.  

[60]   M.  Z.  Kassaee,  S.  M.  Musavi,  M.  Majdi,  A.  Cheshmehkani,  E.  Motamedi,  A. 

Aghaee, J. Mol. Struct., Theochem. 2008, 848, 73–78. 

[61]   C. A. Muedas, D. Schröder, D. Sülzle, H. Schwarz,  J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 

7582–7584. 

Chapter 1 

‐30‐ 

[62]   G. Märkl, H. Schubert, Tetrahedron Lett. 1970, 11, 1273–1276. 

[63]   G. Märkl, W. Burger, Angew. Chem. 1984, 96, 896–897; Angew. Chem.  Int. Ed. 

Engl. 1984, 23, 894–895.  

[64]   a) G. Märkl, W. Burger, Tetrahedron  Lett. 1983, 24, 2545–2548. b)  J. Kurita,  S. 

Shiratori, S. Yasuike, T. Tsuchiya, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1991, 1227‐1228. 

c)  S.  Yasuike,  H. Ohta,  S.  Shiratori,  J.  Kurita,  T.  Tsuchiya  J.  Chem.  Soc.,  Chem. 

Commun. 1993, 1817–1819. d) Y. Segall, E. Shirin,  I. Granoth, Phosphorus Sulfur 

Silicon, 1980, 8, 243–254. e) S. Yasuike, T. Kiharada, J. Kurita, T. Tsuchiya, Chem. 

Commun. 1996, 2183–2184. f) S. Yasuike, T. Kiharada, T. Tsuchiya, J. Kurita, Chem. 

Pharm. Bull. 2003, 51, 1283–1288. 

[65]   a) D. Cremer, B. Dick, D. Christeu, J. Mol. Struct., Theochem 1984, 110, 277–291. 

b) J. Kao, J. Comput. Chem. 1988, 9, 905–923. 

[66]   W.  B.  Jennings, M.  Rutherford,  S.  K.  Agarwal,  D.  R.  Boyd,  J.  F. Malone,  D.  A. 

Kennedy, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1986, 970–972. 

[67]   H. J. Lindner, B. von Gross, Chem. Ber. 1972, 105, 434–440. 

[68]   D. A. Smith, J. Bitar, J. Org. Chem. 1993, 58, 6–8. 

[69]   W.  B.  Jennings,  M.  Rutherford,  D.  R.  Boyd,  S.  K.  Agarwal,  N.  D.  Sharma, 

Tetrahedron 1988, 44, 7551–7558. 

[70]   a) M.  J. S. Dewar, N. Trinajstić,  J. Am. Chem. Soc. 1970, 92, 1453–1459. b) B. A. 

Hess Jr., L. J. Schaad, J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 3907–3912. 

[71]   The NICS value  is obtained  from NMR  calculations of a ghost atom  (Bq) at  the 

geometrical  ring  center  (NICS(0)), but  the value 1 Å above  the  ring  (NICS(1))  is 

recommended,  because  lack  of    shielding  makes  it  a  better  measure  of  ‐

electron delocalization. Z. Chen, C. S. Wannere, C. Corminboeuf, R. Puchta, P. v. 

R. Schleyer, Chem. Rev. 2005, 105, 3842–3888. 

[72]   GIAO‐B3LYP/6‐311G(d)//B3LYP/6‐311G(d)  level of  theory, see: M. Z. Kassaee, S. 

M.  Musavi,  M.  R.  Momeni,  F.  A.  Shakib,  M.  Ghambarian,  J.  Mol.  Struct., 

Theochem. 2008, 861, 117–121.