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Rnntgenstrukturanalyse eines Alkylidencarbenoids geglckt Ц ein Meilenstein in der Carbenoidforschung.

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HIGHLIGHTS
Rontgenstrukturanalyse eines Alkylidencarbenoids gegliickt ein Meilenstein in der Carbenoidforschung
Qon Adulbert Maercker *
Seit den bahnbrechenden Arbeiten des leider vie1 zu fruh
verstorbenen G. Kobrich (1929- 1974)'" hat das Interesse
an Carbenoiden['] nicht nachgelassen. Im Gegensatz zu Carbenen zeigen Carbenoide ambiphiles Verhalten, da an ein
C-Atom sowohl ein Metallatom als auch eine Abgangsgruppe X gebunden sind, wobei fur X Halogenatome. OR- oder
NR,-Substituenten in Betracht kommen, jedoch nicht Heteroatome aus hoheren Perioden des Periodensystems. Mit
Lithium als Metal1 lassen sich die typisch ,,carbenoiden",
d. h. elektrophilen Eigenschaften einerseits sowie die
nucleophilen, ,,carbanionoiden" Eigenschaften andererseits
durch zwei mesomere Grenzformeln von 1 zum Ausdruck
bringen.
la
1
lb
Die Lithiocarbenium-Struktur 1a und damit der elektrophile Charakter eines Carbenoids ist nur dann besonders
ausgepragt, wenn das Li-Atom 0-gebunden ist. Sobald ein
Ionenpaar vorliegt, d. h. der ionische Charakter der C-LiBindung uberwiegt, oder die negative Ladung delokalisiert
ist, geht der carbenoide Charakter verloren oder wirkt sich
nur noch gegenuber stark nucleophilen Reaktionspartnern
wie Alkyllithiumverbindungen aus. Ob ein Carbenoid sich
wie ein ,,Carbanion" (1 b) mit typisch nucleophilen Eigenschaften verhalt, hangt nicht nur von den Substituenten R'
und R2 ab, sondern auch vom Losungsmittel. So reagiert der
lithiierte Benzhydrylphenylether 3 nur in Diethylether wie
ein typisches Li-OR-Carbenoid, z.B. unter Dimerisierung zu
5 oder unter Addition von Butyllithium zu 2. In THF iiberwiegt dagegen der klassische Carbanionen-Charakter, und
es kommt ausschlieljlich zur Wittig-Umlagerung unter Bildung von 4I3].
Bei der Dimerisierung uber 6 kommt der ambiphile Charakter der Carbenoide besonders deutlich zum Ausdruck :
ein Teilchen 3 reagiert als Elektrophil (3a), das andere als
Nucleophil (3b).
Ob der elektrophile Charakter eines Carbenoids ubenviegt,
d. h. es vorwiegend in der mesomeren Grenzstruktur 1 a vorliegt, la& sich am besten mit Hilfe der 13C-NMR-Spektroskopie feststellen. D. Seebach et al.L4] haben eine Vielzahl
typischer Carbenoide bei tiefer Temperatur l3C-NMR-spektroskopisch untersucht und dabei festgestellt, daD der carbenoide Charakter (1 a) unter anderem dadurch zu erkennen
ist, daB das 13C-NMR-Signal des a-Kohlenstoffatoms besonders stark tieffeldverschoben ist. Das AusinaB der Verschiebung Ad geht dabei deutlich uber den Wert hinaus, der
beim Ersatz eines benzylischen oder vinylischen Wasserstoffatoms durch Lithium beobachtet wird. So ist einerseits bei
dem zu 3 analogen metallierten Silylether (OSiMe, statt
OPh)C5] Ad z 34.8, d. h. um vier Einheiten kleiner als beim
entsprechenden lithiierten Kohlenwasserstoff Diphenylmethan (Ad = 38.7); damit ist diese Verbindung kein typisches
Li-OR-Carbenoid. Andererseits findet man fur dieseii metallierten Silylether eine deutlich verlangerte C-0-Bindung, ein
Befund, der ebenfalls als Kriterium fur das Vorliegen eines
Carbenoids angesehen wird. Die Tieffeldverschiebung des
3C-NMR-Signals des a-C-Atoms durfte aber die feinere
Sonde fur das Vorliegen eines Carbenoids sein als der C-XAbstand, zumal nach Rechnungen der C-0-Abstand auch
bei metallierten Ethern mit Carbanionen-Charakter deutlich
verlangert istI51.
X
7
I
Li
-2RX
9
RLI
- RX
il
10
'
11
2x
I
12
R'. R2 = Alkyl
13
2
[*I
4
Prof. Dr. A. Maercker
Institut fur Organische Chemie der Universitlt
Adolf-Reichwein-StraOe, D-57068 Siegen
1072
C VCH Verlagsgesellschajt mhH. 0-69469 Weinhemi. 1993
Besonders vielfaltig ist die Reaktionsweise der Alkylidencarbenoide 11, bei denen das Carbenoid-C-Atom Teil eines
ungeslttigten Ir-Systems istI61. Wegen der festeren C-X-Bindung sind diese Carbenoide stabiler als aliphatische, und die
Reaktivitat ist stark von den Resten R1 und R2 abhangig.
Alkylidencarbenoide mit P-standigen Arylgruppen lassen
sich z.B. nicht intermolekular abfangen - etwa durch Addition an Alkene zu Alkylidencyclopropanen wie 10 (auch eine
Dimerisierung zu 13 findet nicht statt) -, da die intrumolekular verlaufende Frits~h-Buttenberg-Wiechell-Umlagerung[~~
zu 12 wesentlich rascher ist. Dasselbe gilt fur die Hydridver0044-8249/9310707-1072$ 1 0 OOt ,2510
Angeb. Chem. 1993, 105, NF 7
schiebung von P-standigen H-Atomen zu 1-Alkinen 12
(R' = H).
Die Alkylidencarbenoide 11 konnen entweder durch Deprotonierung von 7 oder durch Halogen-Metall-Austausch
in 8 hergestellt werden"'. Interessanterweise wird der Halogen-Lithium-Austausch durch grooe, cis-standige Reste
beschleunigt[*I,wahrend voluminose Reste R' die Deprotonierung behindern[']. Der Berichtfgl uber eine doppelte
Enthalogenierung zur geminalen Dilithioverbindung 9
(R' = Ph: R2 = P r o ) konnte widerlegt werden[''].
Das erste eindeutig charakterisierte Li-C1-Carbenoid war
l-Chlor-l-lithio-2,2-diphenylethen
11 (R' = R2 = Ph; X =
Cl); es wurde von G. Kobrich['] durch Deprotonierung des
entsprechenden Vinylchlorids 7 hergestellt. Die von G. Boche et al.[ll]soeben publizierte Struktur im Kristall (Abb. 1)
eines solchen Carbenoids - mit p-Chlorphenyl- statt Phenylsubstituenten - ist ohne Zweifel der vorlaufige Hohepunkt
der Carbenoidforschung.
o*-Orbital der zu Iosenden C1-C11-Bindung wenig begimstigt sein durfte. Ursache und Wirkung miissen daher fur die
Umhybridisierung an C2["I moglicherweise vertauscht werden, d. h. die sterische Wechselwirkung zwischen dem grogen
Chloratom und der dazu cis-standigen Arylgruppe konnte
der auslosende Faktor sein.
In diesem Zusammenhang ist auch die Reaktivitat der
Alkylidencarbenoide gegeniiber Alkyllithiumverbindungen
interessant, die wiederum stark von den Substituenten R'
und R2 abhangt. Aliphatisch substituierte Carbenoide reagieren besonders leicht['3], wobei die Metall-unterstiitzte
(metal-assisted) nucleophile Substitution des Halogenatoms
(beispielsweise 14 -+ 15) unter Inversion stattfindet[l4I.
R
Li
3
$
-
RLi
LiBr
14
Abb. 1. Struktur von l-Chlor-2,2-bis(4-chlorphenyl)-l-lithioethen. TMEDA
. 2 THF ohne das zweile THF-Molekul, das einen freien Gitterplatz e i n n i m t
und nicht an Lil gebunden ist.
Schon G . Kobrichf'] hatte eine Umhybridisierung am
Carbenoid-Kohlenstoffatom vorhergesagt, und zwar sollte
der s-Anteil der C-Li-Bindung und der p-Anteil der C-XBindung grol3er werden. Genau das wurde nun in dieser
spektakularen Rontgenstrukturanalyse (bei - 115 "C!) gefunden: Der Winkel Lil-Cl-C2 ist von 120" auf 137.1" vergroBert, wihrend C11-Cl-C2 nur noch 112.6 betrigt. Dariiber hinaus ist der C1-Clt-Abstand mit 185.5 pm erwartungsgemllj deutlich verlangert, und zwar um 12 pm gegeniiber den1 Mittelwert fur C,,,-CI-Bindungen. Dies ist in Einklang mit '3C-NMR-Messungen[41 und Berechnungen"']
an Li-Halogen-Carbenoiden. Im Widerspruch zu den Rechnungen"'] ist die C1-Cll-Bindung nicht durch das Lithiumatom iiberbriickt, was mit der Solvatation von Li1 durch
Tetramethylethylendiamin (TMEDA) und durch THF erklart wird[' '1. Eine weitere Besonderheit der Struktur besteht in den Bindungswinkeln an C2. Wahrend der zu C11
cis-stindige Arylrest erwartungsgemafl vom Chloratom
wegtendiert (C1-C2-C3 129.5"), biegt sich der trow-standige
etwas zu C1 hin (Cl-C2-C9 116.5 "), so daB die Fritsch-Buttenberg-Wie~hell-Umlagerung[~~
schon vorprogrammiert
scheint. Ratselhaft ist allerdings der Befund, dalj gerade dieser Arylrest weniger aus der Olefinebene herausgedreht ist
(39") als der bezuglich des Chloratoms cis-standige (57 so
daB die Uberlappung des aromatischen rc-Systems mit dem
O),
Angew. Chem. 1993, 105. N r . 7
0 VCH
15
Eine entsprechende Reaktion rnit Aryl-substituierten Alkylidencarbenoiden konnte bisher nicht beobachtet werden,
auch nicht bei der Umsetzung rnit tert-Butyllithium[''l. Statt
dessen bildet sich bei dieser Reaktion ein Komplex, der moglicherweise in der Struktur 16 vorliegt und in Analogie
zu ahnlichen Komplexen[''] als Quasi-Dianion-Komplex
(QUADAC) bezeichnet werden kann, zumal er mit Elektrophilen - allerdings stufenweise - zu den gleichen Produkten
wie die entsprechende geminale Dilithioverbindung 18
fuhrt['O1.
1,l -Dilithio-2,2-diphenylethylen 18 IaBt sich aus Carbenoid 17 durch Umsetzung rnit Lithium-4,4-di-tert-butylbiphenyl (LDBB)[161herstellen['O],eine Methode, die auch schon
zur Synthese aliphatischer, geminaler Dilithioverbindungen
mit Erfolg angewendet wurde[l7I. Im Gegensatz zum
QUADAC 16 lagert sich 18 schon bei - 70 "C unter intramolekularer 1,4-Protonenverschiebungzu 21 urn["].
16
Me1
1I-
-
17
18
20
21
LiI
RBr
19
Noch wenig untersucht sind Li-OR- und vor allem LiNR,-Carbenoide. Es ist zu erwarten, dalj sich zukiinftige
Untersuchungen schwerpunktmaljig auch rnit der Struktur
und Reaktivitat dieser Verbindungen beschaftigen werden.
[I]a) G. Kobrich, Angew. Che-m. 1967, 79, 15-27; Angew. Chrm. Int. Ed.
Engl. 1967, 6, 41; b) ibid. 1972, 84, 557-570 bzw. 1972, 11, 473; c) Bull.
Sot. Chim. Fr. 1969, 2712-2720.
krlugsgesellschafi mhH, 13-69469 Weinheim, 1993
0044-8249/93/0707-1073 $10.00+ ,2510
1073
[2] Weitere Zusarnmenfassungen; a) W Kirmse. Angew. Chem. 1965, 77, 1
10; Angew. Chem. Int. Ed. EngI. 1965,4,1: b) 'A< Kirmse, Carbene Chemi.?try,2. Aufl., Academic Press, New York, 1971; Carbene. Carbenoide wnd
Carbenanaloge,Verlag Chemie. Weinheim. 1969; c) H. Siegel, Top. Curr.
Chem. 1982, 106,55-78.
[3] G. Wittig, E. Stahnecker, Liebigs Ann. Chem. 1957, 605, 69-93.
[4] a) D. Seehach, H. Siegel, K. Miillen, K. Hiltbrunner, Angew. Chem. 1979,
Y f , 844-845; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1979, 18, 784; b) H. Siegel, K.
Hilthrunner, D. Seebach, ibid. 1979,91,845-846 bzw. 1979,18,785; c) D.
Seebach, H. Siegcl, J. Gabriel, R. Hlissig, Helv. Chim. Acta 1980, 63.
2046-2053: d) D. Sechach. R. Hassig, J. Gabriel, ibid. 1983, 66, 308
337.
[5] G. Boche, A. Opel. M. Marsch, K . Harms, E Haller, J. C. W. Lohrenz, C.
Thiimmler, W. Koch. Chem. Ber. 1992, 125, 2265-2273.
[6] Zusammenfassungen: a) P. J. Stang, Chem. Rev. 1978, 78, 383 -405;
b) Acc. Chem. Res. 1982, 15, 348-354.
[7] a) A. A. Bothner-By, J. Am. Cheni. Soc. 1955, 77, 3293-3296; h) D. Y
Curtin, E. W. Flynn, R. E Nystrom. ibid. 1958,80,4599-4601; c) G . Kobrich, H. Trapp, Chrm. Ber. 1966, 99, 680-688.
[S] a) T. Harada, T. Katsuhira, A. Oku, J. Org. Chem. 1992, 57, 5805-5807;
b) D. Grandjean, P. Pale. Tetrahedron Lett. 1993, 34. 1155-1158.
Am. Chem.
[9] J. Barluenga. M. A. Rodriguez, P. J. Campos. G. Asensio, .l
Soc. 1988, 110, 5567-5568.
[lo] a) A. Maercker, B. Biis, Main Group Mef.Chem. 1991, 14, 67-71: b) 6th
IUPAC Symp. on Oganowret. Chem. directed towards Org. Synth., August
~
25-29, 1991. Utrecht, The Netherlands, Abstract A 11; c) B. BOs, Uber
Bildungstendenzen,Folgereaktionen und Simulurionrn von I , 1-Dilithio-1-alk r n m , Shaker, Aachen, 1992; d) A. Maercker in Lithium Compounds:
Principles and Applicafiorzs (Hrsg.: P. von R. Schleyer. A.-M. Sapse). Wiley, New York, im Druck.
[Ill G. Boche. M. Marsch, A. Muller, K. Harms, Angew. Chem. 1993, 105,
1081 : Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1993. 32, Nr. 7.
[12] a)T. Clark. P. von R. Schleyer. J. Chem. SOC.Chem. Commun. 1979,
883-884: b) Tetrahedron Lett. 1979. 4963-4966; c) J. Am. Chem. Sac.
1979, 101, 7747-7748, zit. Lit.; d) P. von R. Schleyer, T. Cark. A. J. Kos.
G. W Spitznagel. C. Rohde, D. Arad, K. N. Houk. N. G. Rondan. ibid.
1984, fO6, 667-6475, zit. Lit.
[13] H. Gunther. A. A. Bothncr-By, Chem. Eer. 1963, 96, 3112-3119.
[I41 a) M. Duraisamy. H. M. Walhorsky, J. Am. Chem. SOC.1984,106, 50355037; b) M. Topolski, M. Duraisarny, J. Rachon, 1. Gdwronski, K. Gawronska, V. Goedken. H. M. Walborsky, J. Org. Chem. 1993,58,546-555.
[15] a) P. J. Crowley, M. R. Leach, 0. Meth-Cohn, B. J. Wakefield, Tetrahedron Lett. 1986, 27: 2909-2912; b) W Zarges, M. Marsch, K. Harms, G.
Boche, Angew. Chem. 1989, IUi, 1424-1425; Angpw. Chem. Int. Ed. Engl.
1989, 28. 1392.
[I61 P. K. Freeman, L. L. Hutchinson, Tetrahedron Lett. 1976, 1849.
[17] a) N. J. R. van Eikema Hommes, E Bickelhaupt, G. W Klumpp, Red.
Trav. Chim. Pays-Bas, 1987,106, 514-515; h) 7i.traht.dron Lett. 1988.29,
5237-5240; c) J. Chem. Sor. Chem. Comniun. 1991, 438-440; d) C. P.
Vlaar, G. W Klumpp, Tetrahedron Lett. 1991. 32, 2951-2952.
,,N ichtkoordinierende" Anionen
Von Konrad Seppelt *
Ein Anion, welches keinerlei Fahigkeit zur Koordination
hat, ist in kondensierter Phase ebenso unmoglich wie ein
freies Proton oder ein nacktes Fluorid-Ion. Aber in genau
gleicher Weise wie es in den beiden letztgenannten Fallen
gelingt, Zustande zu approximieren, bei denen die chemische
Umgebung vernachlassigt werden kann. so konnen auch zunehmend schwacher koordinierende Anionen erhalten werden"]. Dies ist ein lohnendes Ziel: Zahlreiche Verbindungen
mit Elementen in ungewohnlichen Bindungssituationen wie
R,Si+, Fe(Porphyrin)+, iiberhaupt viele Arten koordinativ
ungesattigter Metall-Tonen konnten realisiert werden. Da
kationische Alkylkomplexe von Metallen der Gruppe 4 (Ti,
Zr, Hf) als Einkomponentenkatalysatoren bei der Olefinpolymerisation fungieren, sind solche Systeme nicht zuletzt
auch von groRem technischem Interesse['].
Jedes Anion konkurriert in Losung rnit dem Losungsmittel um die Kationenkoordination. So kann ein Anion in einem bestimmten System bereits dann als nichtkoordinierend
gelten, wenn es schwacher koordiniert als das Losungsmittel
selbst. Aber die Grenzfalle der ganzlich unpolaren Losungsmittel wie Alkane, perfluorierte Alkane und sogar Xenon
zeigen, daI3 wir von nichtkoordinierenden Anionen in diesem
Losungsmitteln noch weit entfernt sind, und schlieljlich sind
bereits 1975 sogar in Komplexe des Typs [M(CO),Xe]
(M = Cr, Mo, W) rnit dativer Xe + M-Bindung nachgewiesen wordenL3].
Es ist offensichtlich, da13 bei einem schwach koordinierendem Anion die negative Ladung - von Sonderfallen abgesehen, wird man nur einfach geladene Anionen betrachten [*] Prof. Dr. K. Seppelt
Institut fiir Anorganische und Analytische Chemie der Freien Universitat
FabeckstraDe 34-36, D-14 195 Berlin
30/838-2424
Telefax: Int.
+
1074
(0VCH VedagsgesellsrhajtnihH
0-69469 Weinheim, 1Y93
moglichst uber eine groDe Zahl von Ligandenatomen verteilt
sein sollte. AuRerdcm sollten die peripheren Atome moglichst Fluor- oder Wasserstoffatome sein, und nicht etwa
besser koordinierende Sauerstoff- oder Chloratome. Die
Loslichkeit der Sabe mit schwach koordinierendem Anion
in unpolaren Losungsmitteln ist ebenfalls eine wichtige Voraussetzung.
Eine weitere Bedingungen ist die kinetische Stabilitat gegen Ligandenabstraktion: Die immerhin nur maDig stark
koordinierenden Anionen BF,, PF, und SbF; sind gegenuber elektrophilem Angriff instabil und spalten dabei F- ab.
SchlieBlich sollten die Anionen stabil gegeniiber einem oxidativen Angriff sein. Dies schlieDt z.B. das Anion Ci0 von
der weiteren Betrachtung aus; von seiner mittlerweile vielfach belegten Fahigkeit, uber die Sechsring-Sechsringoppelbindungen an Metalle zu koordinieren, ganz zu
schweigen.
B(C,H,), und verwandte Anionen: Tetraarylborate als
Liganden sind erst kiirzlich Gegenstand eines Highlights""]
gewesen, so daR man sich hier auf eine Erganzung beschranken kann.
In der Reihenfolge ClO, > BF, > PF; > B(C,H,),
nimmt die Koordinationsfahigkeit ab. Als Koordinationsstelle von B(C,H,), verbleibt das aromatische Ringsystem
der Phenylgruppen, das an Metallatome zumeist q6 koordiniert ist. Koordination uber die C-H-Bindungen der Phenylringe ist jedoch noch nicht gefunden worden. Die Stiirke der
n-Wechselwirkung eines Phenylrings des Anions B(C,H,),
rnit Metallen ahnelt der eines neutralcn Benzolliganden,
wenn man die Metall-C-Bindungslangen zum Maljstab
nimrntr4].Da C,F, ein weitaus schlechterer Komplexligand
als C,H, ist, wurden auch B(C,F,); oder substituierte und
partiell fluorierte Tetraphenylborate eingesetzt. Salze dieser
0044-8249:93:0707-1074 $ 10 OOf 2510
AngeH ChPm 1993, 105, Nr 7
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