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Biomimetische Synthese eines octavinylogen Porphyrins mit aromatischem [34]Annulensystem.

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der-Waals: hochfrequente v,,"~; keine M-C-0-Geriistschwinguneen beobachtet. Beispiel: BF3.C O mit d(BC)=2.886 A1"] und vco bei 2150 cm-l (in einer Argonmat r i ~ ) ~2)' ~0-gebunden:
~.
hochfrequente vco; M-C-O-Geriistschwinguqgen vorhanden. Beispiel: AuCl. C O mit d(AuC ) = 1.93 A"'] und v,, bei 2157 cm-I. 3) n-Acceptor: niederfrequente vco; M-C-0-Geriistschwineungen vorhanden. Beispiel: Ni(CO), mit d(Ni-C)= 1.84 A1"] und v,-- bei
2058 cm-I.
In Matrix-Untersuchungen lassen sich solche Wechselwirkungen empfindlich nachweisen. Durch Variation des
Acceptors sollte zwischen van-der-Waals-gebundenen, 0gebundenen und n-gebundenen Liganden unterschieden
werden konnen. AuBerdem sollte es moglich sein, die Anzahl der CO-Molekiile, die mit dem Zentralatom wechselwirken, zu bestimmen sowie Dipol-Dipol- und PhononenWechselwirkungen zu untersuchen. CrF3. n C O konnte ein
passendes Modell fur Oberflachen-Cr-Atome in a - C r 2 0 3
sein, bei dem (001)-gebundenes C O bei 298 K eine 1RBande gibt, die zwischen 2185 und 2170 cm-' liegen
kann1l6].Solche Untersuchungen konnten schlienlich von
Bedeutung sein, urn das Auftreten von Bond-Stretch-Isomeren1'71zu verstehen.
WBhrend die Reihe der definierten, normalen Annulene
derzeit iiber das diatrope (aromatische) [22]Annulen 2 bis
zum paratropen (antiaromatischen) [24]Annulen reicht"'
(Schema l), konnten wir kiirzlich nach dem Vorbild der
Porphyrin-Biosynthese ein tetravinyloges Porphyrin 7 mit
einem [26]Annulensystem synthetisierenI2"]. 7 zeichnet sich
durch ungewohnliche Eigenschaften mit aktuellen Anwendungsmoglichkeiten aus['].
m
I , n=O
2, n = 1
3, n = 2
4, n = 4
5, n, m = O
[I8]Porphyrin
6, n = 1, m = O [22]Porphyrin-[1.3.1.3]
7, n, m = 1
[26]Porphyrin-[3.3.3.3]
[18]Annulen
[ZZ]Annulen
[26]Annulen
[34]Annulen
8, n, m = 2
[34]Porphyrin-[5.5.5.5]
Schema I . Strukturen bisher bekannter (oberhalb der gestrichelten Linien)
und noch unbekannter diatroper Annulene 1-4 sowie entsprechender vinyloger Porphyrine 5-8 [5].
Eingegangen am 13. April 1988 [Z 27021
[I] R. H. Hauge, S. E. Gransden, J. L. Margrave, J. Cfiem. Sor. Dalfon
Trans. 1979. 745.
121 M. I. Zaki, H. KnOzinger, Specfrocfiim. Acfa Parf A 4 3 (1987) 1455.
[3] H. Dubost. Cfiem. Pfiys. I2 (1976) 139; H. Dubost, L. Abouaf-Marguin,
Cfiem. Pfiys. Lerr. 17 (1972) 269.
[4] L. Andrews, R. T. Arlingham. G. L. Johnson. J. Cfiem. Pfiys. 78 (1983)
6347, zit. Lit.
[S] Beispiele siehe: J. H. Darling. J. S. Ogden, J. Cltem. SOC.Dollon Trans.
1972. 2496.
[6] M. Hargittai, I. Hargittai, J. Mol. Specfrosc. 108 (1984) 155.
[71 K. Noack, Heit). Cfiim. Acfa 45 (1962) 1847.
[a] M. Pankowski, M. Bigorgne. C. R. Htbd. Seances Acad. Sci. 263 (1966)
239.
[9] C. W. DeKock, D. A. Van Leirsburg, J. Am. Cfiem. Sor. 94 (1972)
3235.
[lo] W. Hieber, H. Lagally, Z . Anarg. Allg. Cfiem. 245 (1940) 305.
[I I] C. Morterra, E. Garrone. V. Bolis, B. Fubini, Specfrocfiim. Acra Par1 A 43
(1987) 1577.
[ 121 K. C. Janda, L. S. Bernstein, J. M. Steed. S. E. Novick, W. Klemperer. J .
Am. Cfiem. SOC.I00 (1978) 8074.
1131 J. Gebicki, J. Liang, J. Mol. Sfrucr. 117 (1984) 283.
[ 141 P. Jones, Z . Nalur/orscfi. 8 3 7 (1982) 823.
[IS] J. Ladell. 9. Post, 1. Fankuchen, Aefa Crysfallogr. 5 (1952) 795.
[I61 D. Scarano, A. Zecchina, Speclrocfiim. Acfa Parf A 4 3 (1987) 1441.
[I71 Beispiele siehe: Y. Jean, A. Lledos, J. K. Burdett, R. H. Hoffman, J.
Chem. Soc. Cfiem. Commun. 1988. 140.
Wir berichten nun iiber die Synthese eines achtfach
vinylog aufgeweiteten Porphyrins 17 mit einem cyclisch
konjugierten 34n-Elektronensystem. Das Geriist von 17,
ein iiberbriicktes Diaza-Derivat des [34]Annulens 4, hat
nach unserem Nomenklaturvorschlaglsl die Bezeichnung
[34]Porphyrin-[5.5.5.5].
Fur die Entwickiung einer moglichst stufenarmen Synthese des [34]Porphyrins 17 folgten wir der Porphyrin-Biosynthese16] (Schema 2). Es ist bekannt[4.71,daB Porphobilinogen 9 , die biogenetische Vorstufe samtlicher PorphyrinNaturstoffe, sowie ahnliche 2-(Aminomethyl)- und 2-( Hydroxymethy1)pyrrole saurekatalysiert in vitro zu Porphyrinen kondensiert werden konnen.
no2c
kNH2
k-$ p2:Et
Et
H
n
9
+
10
11
1
OP0Cl2 C P
I
['I Es ist zu beriicksichtigen. daB in allen Fallen
bei der Koordination vco
auch .,kinematisch" nach hbheren Frequenzen verschoben wird; das AusmaB dieser Verschiebung hlngt von der effektiven Masse des Acceptors
sowie von der Kraftkonstante der M-C-Bindung ab.
12
Biomimetische Synthese eines octavinylogen
Porphyrins mit aromatischem [341Annulensystem**
Von Georg Kniibel und Burchard Franck*
Unter Nutzung von Prinzipien der Naturstoffchemie
llnt sich das theoretisch und methodisch inspirative Gebiet der Annulene['I auf hohere Ringsysteme ausdehnen.
['I
Prof. Dr. 9. Franck, Dip].-Chem. G. Kniibel
Organisch-chemisches lnstitut der UniversitAt
Orleansring 23, D-4400 MGnster
[**I Neuanige Porphyrinoide. 6. Mitteilung. Diese Arbeit wurde von der
Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Fonds der Chemischen
lndustrie gefardert. - Als 5. Mitteilung gilt [2b].
Angew. Chem. 100 (1988) Nr. 9
13
Schema 2. Porphobilinogen 9 und Synthese des 5-Pyrry-pentadienols
12. Reaktionsbedingungen: a) N.N-Dimethylamino-pentadienal/POCI,.
CHzCIz, -40°C. Schutzgas, 4 h, 44% Ausbeute. - b) NaH. wasserfreies Dimethylformamid, CHJI, 20°C. 30 min, 87% Ausbeute: 13: Fp=SS"C.
Diese biornirnetische Cyclolerrarnerisierung eignete sich
sogar zur Synthese sterisch hochgespannter N,N'. N".N'"tetraalkylierter und N, N'-iiberbriickter Porphyrinogene
und P ~ r p h y r i n e I ~Obwohl
~ , ~ ~ . derartige Kondensationen zu
Porphyrinoiden fiihren, die man als Naturstoffe (noch?)
nicht kennt, sind diese Reaktionen wegen enger Anlehnung an die Biosynthese definitionsgemaB'*' als biornirnerisch zu bezeichnen.
0 V C H VerlagsgeselLrcha/r mbH, 0-6940 Weinfieim. 1988
0044-8249/88/0909-1203 $ 02.50/0
I203
Schlusselbaustein fur den biomimetischen Aufbau eines
[34]Porphyrinsystems 8 ist das Pyrryl-pentadienol 12
(Schema 2). Wegen seiner hohen Reaktivitat wird 12 erst
unmittelbar vor der saurekatalysierten Kondensation aus
der stabilen Aldehydvorstufe 13 durch Reduktion mit
NaBH, gewonnen. 13 wurde aus 3,4-Diethylpyrrol
durch doppelt vinyloge Vilsmeier-Formylierung mit dem
Komplex 11 und N-Methylierung dargestellt.
Entscheidend fur die weitere Synthese des [WIPorphyrin-Derivats 17 war die Frage, ob sich analog zum Porphobilinogen 9 auch ein Derivat 12 mit doppelt vinyloger Seitenkette saurekatalysiert kondensieren lassen wiirde. Die
hohe Selektivitat bei der biomimetischen Kondensation
geeigneter Monopyrrole zu cyclischen Tetrapyrrolen kann
sterischen Wechselwirkungen der p-standigen Substituenten benachbarter Pyrrolkerne zugeschrieben werden'Zc.d.41.
Durch Briickenverlangerung zwischen den Pyrrolkernen
wie in 14, 15 sollte dieser EinfluB stark zuriickgehen.
Dennoch ergab die saurekatalysierte Kondensation von
12 das farblose, nicht cyclisch konjugierte, octavinyloge
(Schema 3). Allerdings lag dessen
[34]Porphyrinogen 14[12]
Ausbeute mit 4.1% (bezogen auf 13) erwartungsgemaB
niedriger als die des tetravinylogen [26]Porphyrinogens 15
(27%)12"]. Bedenkt man, daB die angegebene Ausbeute an
14 fur eine fiinfstufige Synthese - Reduktion und vier Teilschritte der Kondensation - gilt, so kommt man auf eine
mittlere Ausbeute von 53% je Reaktionsschritt, was immer
noch eine erstaunliche Selektivitat der komplexen Cyclisierung anzeigt.
Die geringere Tendenz von 12 zur Bildung cyclischer
Tetramere kommt auch darin zum Ausdruck, daB neben 14
durch Flash-Chromatographie (Kieselgel, Cyclohexan/Essigester 20/1) in nahezu gleicher Menge ein langsamer laufendes Produkt isoliert wurde, dem aufgrund seines Massenspektrums ( M e 1005, 25%) die Struktur eines Pentamers 16 zugeordnet werden kann.
12 2 L 1 4 * 1 6
Et
14,
n
=1
15, n = O
Et
Das cyclisch konjugierte Zielprodukt 17 ist so stabil,
dal3 das Edukt 14 - wie das [26]Porphyrinogen 1512"1
- mit
Brom dehydriert werden konnte. Dabei entstand das
[34]Porphyrin-[5.5.5.5] als bisquartares Dibromid 17.
14
CH?
J
6
Wl
16.18 d
Ha. H'
Hh, H"
- 14.27
H'
H'
HE,Hh
H', H
'
t
17.19 t
- 11.44 s
6.04 br
2.83 t
13.1
13.1
13.1
7.2
Schema 4. Synthese des [34]Porphyrins-[5.5.5.5] 17 und 'H-NMR-Daten (in
[D,]DMSO, siehe Abb. I). Reaktionsbedingungen: a) BrJCCI., Polymerbase
(Diethylaminomethyl-polystyrol),20°C. 5 h: 12.5% Ausbeute nach chromatographischer Reinigung (Kieselgel. CHKIdMeOH 10/ I).
Das in Losung tiefblaue (A,,,:,x = 664 nm) [34]Porphyrin
17 zeigt einen aufierordentlich hohen diamagnetischen
Ringstromeffekt im 'H-NMR-Spektrum (Schema 4). Die
maximale Verschiebungsdifferenz A 6 der Resonanzsignale
zwischen inneren (6= - 14.27) und auberen Protonen
(6= 17.19) betragt 31.5 ppm. Mit diesem Wert ubertrifft
der diamagnetische Ringstromeffekt von 17 signifikant
den A6-Wert des analogen [26]Porphyrins (25.3 ppm)Iza1
und den des [18]Annulens 1 (12.1 ppm)[I1. Das 'H-NMRSpektrum von 17 (Abb. 1) durfte das erste einer nicht metallorganischen Verbindung sein, bei dem sich die gemessenen Protonenresonanzsignale uber mehr als 30ppm-Einheiten erstrecken. Die erst in extremer Verdunnung meBbare Spinaufspaltung der Protonen Ha, Hb und H' von 17
(Abb. la) zeigt Assoziationsneigung an.
Die Synthese des [34]Porphyrins 17 mit seinem hohen,
den aromatischen Charakter kennzeichnenden["' Ringstromeffekt belegt - wie schon beim [26]Porphyrinsystern'*"] - die Gultigkeit der (4n+2)-Regel f u r hohere Annulensysteme. DaR sich die bisher verfugbaren Annulene,
wie experimentell gefunden und berechnet["I, nur im Be-
El
Et
El
a
HC
H3C
,
,+
f
16
b
/
H
Hb L
Et
Et
El
~
20
Schema 3. Saurekatalysiene biomimetische Kondensation des 5-Pyrryl-pentadienols 12. Reaktionsbedingungen: a) pToluolsulfonsaure, EssigsBure,
MeOH, 50°C. Schutzgas, 30 min: 4.1% Ausbeute: 14, Fp= 168°C.
1204
0 VCH Verlagsgesellsehafr mbH, 0-6940 Weinheim. 1988
Seite 1205-1210 Anzeige
"
'
15
ll I
I~ 1
,
t
10-
-j
8
- 10
-15
Abb. I . 300 MHr-'H-NMR-Spektren des [34]Porphyrlns 17 in [D,]DMSO.
Konzentrafionen: a) 0.1 g L - ' ; b) 3.0g L - ' .
0(144-8249/88/0909- 1204 $ 02.50/0
Angew. Chem. 100 (1988) Nr. 9
reich von 14-22 x-Elektronen diatrop verhalten, kann sornit nicht mehr als eine Einschrankung der (4n+2)-Regel
angesehen werden.
Das diatrope Verhalten ist bei den vinylogen Porphyrinen wesentlich starker ausgepriigt als bei den Annulenen.
Diesen Befund hatten wir mit der einebnenden und Ringinversionen verhindernden Wirkung der Pyrrolkerne begriindet[*"]. Wie sich jetzt zeigte, ist dieses Prinzip derart
effizient, daB sogar vinyloge Porphyrine rnit dem groaen
34n-Ringsystem - das heiBt C5-Ketten zwischen den Pyrrolkernen - das [18]Annulen 1 an konformativer Stabilitat
u bertreffen.
gentechnischer Modifizierungen von Enzymen. Synthetische Wirt-Gast-Komplexe eroffnen durch definierte Strukturiinderungen in einer weitgehend fixierten Umgebung
den Weg zu Informationen iiber die einzelnen Wechselwirkungen. Wir berichten hier iiber das Komplexierungsverhalten von Cyclobisdiphenylmethan-Verbindungen vom
Typ A und B in waI3riger Losung, welche im Unterschied
zu friiher untersuchten['I, strukturell analogen Makrocyclen C keine positiven Ladungen an der Hohlrauminnenflache aufweisen, sondern in gr6Berer Entfernung zum
Hohlraum-Bindungszentrum negative Ladungen'''.
Eingegangen am 25. April.
erganzt am 3. Juni 1988 [Z 27211
A:
[I] a) F. Sondheimer, Acc. Chem. Res. 5 (1972) 81; b) P. J. Garratt: Aromaricify. Wiley, New York 1986, s. l00ff.
121 a) M. Gosmann, B. Franck, Angew. Chem. 98 (1986) 1107; Angew. Chem.
lnr. Ed. Engl. 25 (1986) 1100; Dtsch. Pat.-Anm. P3635820 (1986).
BASF; b) R. Timmermann, R. Mattes, B. Franck, Angew. Chem. 99
(1987) 74; Angew. Chem. I n f . Ed. Engl. 26 (1987) 64; c) G. Bringmann,
B. Franck. Liebigs Ann. Chem. 1982. 1261; d) ibid. 1982. 1272.
131 Als eine der Anwendungsm8glichkeiten sei die Phototherapie von Tumoren genannt. Vgl. H. van den Bergh, P. Cornaz, Nachr. Chem. Tech.
Lob. 33 (1985) 582; A. Andreoni, R. Cubeddu: Porphyrins in Tumor Photorherapy, Plenum Press, New York 1984. - Da das [26]Porphyrin [2a]
hinsichtlich der WellenlPnge seiner Fluoreszenz-Emission, chemischer
Bestandigkeit und L6slichkeit gtinstigere Eigenschaften aufweisf als die
bisher klinisch eingesetzten Derivate des Hhatoporphyrins, befindet es
sich in der Erprobung fiir medizinische Verwendung.
14) B. Franck, Angew. Chem. 94 (1982) 327; Angew. Chem. Inr. Ed. Engl. 21
(1982) 343.
IS] Zur Nomenklatur der vinylogen Porphyrine siehe M. Gosmann, B.
Franck [2a]. Danach werden diese Verbindungen analog den Annulenen
bezeichnet. und zur genauen Sttukturangabe wird die Zahl der C-Atome
zwischen den Pyrrolkernen angefiigt: Beispiele sind 126jPorphyrin13.3.3.31 7 oder [18]Porphyrin-[l.l. 1.11 5 (das ,,einfache" Porphyrin).
161 L. Bogorad in D. Dolphin (Hrsg.): The Porphyrins. Vol. 6, Academic
Press, New York 1979, S. 125.
171 G. H. Cookson, C. Rimington, Biochem. J. 5 7 (1954) 476.
I81 R. Breslow, Q. Rev. Chem. SOC.I (1972) 553.
191 H. W. Withlock, R. Hanauer, J. Org. Chem. 33 (1968) 2169.
[lo] P. J. Garratt in D. H. R. Barton, W. D. Ollis (Hrsg.): Comprehensive Organic Chemisrry, Vol. 1. Pergamon, Oxford 1979. S. 224.
[ I l l M. J. S. Dewar, G. J. Gleicher, J . Am. Chem. SOC.87(1965) 6S5.
1121 Die neuen Verbindungen 13, 14, 17 sind durch Elementaranalyse und
spektroskopische Daten vollstgndig charakterisiert. 14 : MS (El): m / z
804 (64%. Mm),775 (26, M-C2Hr). 402 (26. M/2); 'H-NMR (C,D,):
5.60 (dt,
6-2.78 (s. 12H. N-CH,), 3.15 (d. 8H. =CH-CH,-Pyrrol).
J-4.8, 15.1 Hz, 4 H , =CH-CHI); IR (KBr): G=2950, 2920.2860 (CH),
1605, 960 c m - ' (rrans-C==C);R,=0.41 (Kieselgel. Cyclohexan/Ethylacetat 1011). 17: MS(FD):m/r800(100%, M-2Bre); 'H-NMRsiehe
Schema 4 und Abb. I ; FT-IR (KBr): G-2963, 2926, 2870, 2853 cm-I
(CH); UV/VIS/NIR (Chloroform): 1,.,(&)=663 (370000), 997 nm
(24000): R,=0.40 (RP 18. MeOHITHF 511. 0.005 M Natriumdodecylsulfat).
0.42 6
N-so2-Q
0
.
5
so?
2
0.42 \
/ 0.52
0.39 0.39
1
2
A : - 12.9
B: - 13.4
C: - 16.9
A: - 14.7
B : -11.5
C: - 15.8
@NMe3CIo
mso'
0.59 0.34
0.83
0.33
0.45 0.55
0.83 \
/ 0.69
0.55 0.39
3
4
0.61 \
A:
-
B:
c: -
A: - 8.9
16.0
0 : - 7.0
a)
C : -22.6
4.8
Schema I . Ubersicht iiber Komplexierungsenergien AG" [kJ mol- 'I und ausgewlhlte CIS-Werte [-ppm] von Wirt A in DZO/CD30D(80:20). Die Komplexkonstante von 3/B wurde nicht bestimmt, da der Komplex wasserunl8slich ist.
~
Modifizierung von hydrophoben und polaren
Wechselwirkungen durch geladene Gruppen in
synthetischen Wirt-Cast-Komplexen**
Von Hans-Jorg Schneider* und Thomas Blatrer
Die Quantifizierung nicht-kovalenter Wechselwirkungen
spielt eine wichtige Rolle fur das Verstandnis biologischer
Prozesse auf molekularer Ebene, z. 9. bei der Erkennung
zwischen Substrat und Rezeptor sowie bei der Planung
1') Prof. Dr. H.-J. Schneider. Dipl.-Chem. T. Blatter
("1
lnstitut f t r Organische Chemie der Universitat
D-6600 Saarbriicken 11
Win-Gast-Chemie. 16. Mitteilung. Diese Arbeit wurde von der
Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Fonds der Chemischen
lndustrie gefOrdert. - 15. Mitteilung: H.-J. Schneider, D. Giittes, U.
Schneider, J . Am. Chem. Soc., im Druck.
Angew. Chem. 100 (1988) Nr. 9
Durch Umsetzung der entsprechenden Tetraazacyclobisdiphenylmethan-Verbindung mit 1,3-Benzoldisulfons8uredihalogenid bzw. Phthalsaureanhydrid sind die makrocyclischen Wirtverbindungen A und B ~ugiinglichl~~.
Der
Hohlraum sollte auch hinsichtlich des sp3-hybridisierten
N-Atoms in A und C weitgehend gleich sein; rnit B werden Bhnliche Ergebnisse erhalten wie mit A , obwohl im
Carbonsaureamid B die Konformation etwas anders sein
sollte. Messungen der Gleichgewichtskonstanten K durch
'H-NMR-Verschiebungstitrationen rnit Naphthalin 1 und
seinen Derivaten 2-4 (Schema 1) sowie Computer-Anpassungen nach beschriebenen Verfahren14] ergaben in wlBrig-methanolischer Losung ( D 2 0 / C D 3 0 D= 80120 v/v) fur
ein positiv geladenes Substrat wie das Trimethyl-a-naphthylammonium-Ion 3 K-Werte, welche im Vergleich zum
elektroneutralen Naphthalin 1 und mehr noch zum gleichsinnig geladenen Gastrnolekul 4 wie erwartet erhoht sind.
Der Beitrag der attraktiven bzw. repulsiven elektrostatischen Wechselwirkungen erscheint rnit ca. 3 kJ mol-'
(AGO-Vergleich 311 fur Wirt A, Schema 1) und ca. 4 kJ
mol-' (114, Wirt A) relativ konstant. Vergleicht man die
Q VCH Verlagsgesellschafl mbH, 0-6940 Weinheim. 1988
0044-8249/88/0909-1211
S
02.50/0
121 1
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