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Untersuchungen zur inversion und stereochemie mono- und bicyclischer hydrazin-derivate
TetrahedronLetters No.8, pp, 709-714, 1967.
UNTERSUCHUNGEN
PergamonPress Ltd. Printed in Great Britain.
ZUR INVERSION UND STERFGCHEMIE
MONO- UND BICYCLISCHER
HYDRAZIN-DERIVATE
Bodo Junge und Heinz A.Staab Institut
fiir Organische Chemie der Universitst
Heidelberg
(Received19 December 1966)
Im Rahmen von Versuchen uns als Valenzisomeres interessierte
zur Darstellung
des lo-Azachinolizins
des bisher unbekannten
1.6-Diazacyclodecapentaens
1) , wurde das 1.4.6.9-Tetrahydro-lo-azachinolizin
Reaktion von 1.2.3.6-Tetrahydropyridazin tisiert und als kristallines
Monohydrat
I
(I), das
(II) durch
mit 1.4-Dichlor-cis-buten-
synthe-
vom Schmp. 70° isoliert. Die Protonen-
II
III
resonanz von II zeigt fiir die acht Methylen-Protonen
in l-.4-,6- und
Stellung bei 81°C ein scharfes Singlett bei 7 = 6.64
(in dS-Pyridin).
9-
Diese
Resonanz erscheint bei 33OC als eine sehr breite und flache Absorption schen r = 7.7 und r = 5.7, wlhrend spalten ist: dessen Kompliziertheit Inversionsprozesses,
sie bei -2OOC zu einem Multiplett
zwi-
aufge-
schlieat jedoch eine einfache Analyse des
der der Temperaturabhxngigkeit
liegt, und eine Aussage iiber die Stereochemie
des NMR-Spektrums
des bicyclischen
zugrunde-
Systems aus.
Dagegen 1!&3t sich fur das analoge 2.3;7.8-Dibenzo-l-4.6.9-tetrahydro-lo-azachinolizin
(III) 2) eine sehr befriedigende
der Protonenresonanz der aromatischen
Deutung der Temperaturabhsngigkeit
geben: Bei 32OC erscheint
fiir III neben einem A2B2-System
Protonen um T = 2.89 nur ein einziges scharfes Singlett fur
die Methylen-Protonen
bei 7 = 6.03
(in dS-Pyridin/CDC13,
709
2:l). FUr diese Pro-
No
710
tonen wird bei -53OC das in Abb.1 wiederqeqebene - wie die Rekonstruktion Intensitlt
Spektrum erhalten, das sich
zeiqt - als liberlaqerunq zweier AD-Systeme
und mit den folqenden Parametern
auffassen 1Wt:
qleicher
rA = 6.51, TR =
6.22, rA, = 6.22, TR, = 5.22, JAB = 17 Hz und JA,D, = 17 Hz. Dieses Tieftempe raturspektrum spricht fiir das Vorlieqen von III in der folqenden Struktur mit 81 cis--"a,e"-VerknUpfunq der beiden heterocyclischen Rinqe:
Die anqeqebene Siqnalzuordnunq mit lhnlichen qesattiqten
1st nur vorlaufiq;
N-Heterocyclen
sie basiert
auf dem Verqleich
3) . Durch eine einfache Ringinversion
konnten nur die beiden Gruppen von je vier Protonen in cis-Stellunq (HA: HA, bzw. HR; HR,) lquivalent werden. Die beobachtete
l <’
xquivalenz
zueinander aller
A
8
6 I
8 I
HA :7u.8 Hg :3u.5 HA’ :4u.6 Hg’: 1 u.2
Abb.1 NMR der Methylen-Protonen
von III bei -53OC
(d -Pyridin/CDCl 3,2:1;60MHz) 5
No.8
711
acht Methylen-Protonen
erfordert
zusXtzli.ch die Inversion an den Stickstoff-
Brlickenkopfatomen. W;ihrend die Inversion an'einem der beiden Stickstoffatome zu einem trans-"e,e"-System die gleichzeitige
oder aufeinanderfolgende
atomen die spannungsfreie entsprechender NMR-Spektren
mit grl)fiererRingspannung
unter paarweiser Vertauschung
A- und B-Protonen wieder her. Die sorgf8ltige Untersuchung
in der Umgebung
der Koaleszenztemperatur
ist eine Stickstoffinversion
inversion eine wesentlich die Stickstoffinversion,
unabhlngig
der tibergangszustlnde ergeben,
in dem bicyclischen
tinderung der Ring-Konformation
System ohne gleichzeitige
nicht moglich. Wenn andererseits
kleinere Energiebarriere
fiir die Ring-
zu iiberwinden wsre als fiir
sollte letztere bei Temperaturerniedrigung
so da6 in einem mittleren
Temperaturbereich
zuerst
ein AB-System
treten miil3te.Da dies nicht der Fall ist, nehmen wir einen synchronen an, fiir den sich aus der Koaleszenz vierungdG*
oc
N/C6H5 I NA C6H6
CH3
IV
H
V
N/CH2-C6H6 lc
ProzeB
der Signale die freie Enthalpie der Akti-
*AH3 I
H
auf-
zu etwa 12.4 kcal/Mol ergibt.
N’
I N\
CH2-C6H6
CH3
VI
lc
N’
CH2-C6H6
VII
Im Zusammenhang mit den Untersuchungen
tetrahydropyridazin
&Hz-C6H6
CH3
I
TemperaturabhIngigkeit
der
ergab keine Anhalts-
und die Stickstoffinversion
verlaufen. Wie Modellbetrachtungen
"einfrieren".
stellt
Inversion an beiden Stickstoff-
cis-"a,e"-Struktur
punkte dafiir, da0 die Ringinversion voneinander
fiihren wUrde,
der NMR-Spektren
an II und III wurde such die
von l.P:Dimethyl-4.5-benzo-1.2.3.6-
(IV), 1.2-Diphenyl-4.5-benzo-l.2.3.6-tetrahydropyridazin
712
No.8
(V),'1:2-Dibensyl-1.2.3.Gtetrahydropyridasin methyl-l-2.3.6-tetrahydropyridazin und W, W'-Dibrom-o-xylol 15C-153o/10-3
(VI) und 1.2-Dibensyl-4.5-di-
(VII) gemessen. V wurde aus Hydrazobenzol
erhalten 4) ; IV (Sdp. 63-65°/10-3 Torr) und VII
Torr) wurden
aus N,N'-Dimethyl-phthaloylhydrazin
Dibenzoyl-4.'5-dimethyl-1.2.3.6-tetrahydropyridazin fuzan.dargestelltr Tetrahydropyridazin
VI
to’3
Ring-CH2-Protonen
T = 6.19
+ 33
7A
+ 33
(s)
= 6.40, ~8 = 3.r~ JAB
= 16 Hz
'I = 5.28 (8)
TA = 5.41, 7R = 4.93
- 54
JAB VI
Umsetzung von l-2.3.6-
mit Bensylbromid.
- 54
V
+ 33
= 16.55 Hz
7 = 6.81 a' -
- 60
= 6.5C 7A = 7.04, T,., JAB
VII
bzw. aus 1.2-
mit LiAlH, in Tetrahydro-
(schmp. 62-64O) entstand.durch
T
IV
(Sdp.
+ 33
- 60
= 16 Hz
T = 6.95
(8) b)
7A = 7.23, ~8 = 6.69 JAB
= 16 Hz
Tab.1 Resonanz der Ring-Methylen-Protonen von IV-VII in d -Pyridin/d -Aceton 1 : 1 (Varian A 60) 2 ,: zusltzl $the Kopplung mit den benachbarten (9 : scharfes Sigglett; Proton&n in der GrL)Benordnung.von 1 Hz; b : verbreitert)
olefix
713
NO.8
Wie aus den NMR-Daten Verbindungen
der Tabelle 1 hervorgeht,
die Methylen-Protonen
geben such bei diesen
des Ringes bei 33OC nur ein Singlett, wlh-
rend die Tieftemperaturspektren
filr diese Protonen im Gegensatz zu III nicht
zwei, sondern nur ein AB-System
zeigen. Am wahrscheinlichsten
da!3 die Substituenten
an den Stickstoffatomen
ist die Annahme,
in trans-"e,e"-Anordnung
zu-
einander stehen, wofiir such die sonst nicht zu erwartende tihnlichkeit von AgAB
bei den Verbindungen
hangigkeit
der NMR-Spektren
IV und V spricht. Die beobachtete
kame dann durch einen ProzeB zustande, den man
sich formal aus einer Inversion an beiden Stickstoffatomen version zusammengesetzt
ermittelten
gestellten Werte fiir die Energiebarriere
bicyclischen
und einer Ringin-
denken kann. In diesem Zusammenhang
da8 die aus den Koaleszenztemperaturen
GrbBenordnung
Temperaturab-
ist interessant,
und in Tabelle 2 zusammen-
dieses Prozesses
liegen wie bei einigen klirzlich von J.M.Lehn
in der gleichen 5) untersuchten
Systemen, bei denen nur eine synchrone Inversion an den benach-
barten Stickstoffatomen
in Frage kommt, wahrend eine Ringinversion
Starrheit der Verbindungen
wegen der
unmbglich ist.
IV
- 27OC
12.0 kcal/Mol
V
- 23OC
12.2 kcal/Mol
VI
- 37Oc
11.5 kcal/Mol
VII
- 27OC
12.0 kcal/Mol Tab.2
Koaleszenztemperaturen T und freie Enthalpien der Aktiviesung AGO die Verbindungen IV - VII Mehrere Arbeitsgruppen suchungen
zur intramolekularen
mit R = -OCH3, -CH
3'
Beweglichkeit
-C6H5 u.a. beschsftigt
den von uns untersuchten
Ringsystemen
ihnen wegen der vollstandig Anordnung
haben sich in den let&en
Jahren mit NMR-Unter-
von Verbindungen
des Typs VIII
6) . Diese Verbindungen
nicht unmittelbar
sind mit
zu vergleichen,
oder doch zumindest weitgehend
der Stickstoff-Valenzen
fiir
die Stickstoffinversion,
da bei
planar-trigonalen die bei der Deutung
No.8
714
der NMR-Spektren
der Verbindungen
II bis VII eine wichtige Rolle spielt, gar
nicht beobachtet
wird 7). Die bei den NMR-Spektren
von VIII auftretenden
N/c-R I N'C-
iI
VIII
Temperatureffekte behinderter
R 0
lassen sich vielmehr mit der Annahme von Ringinversion
Rotation um die C-N-Bindung
1) Diplomarbeiten
D.Lauer, Heidelberg
2) H.H.Hatt und E.F.M.Stephenson,
der Amid-Gruppe
befriedigend
1964, und B.Junge, Heidelberg
J.chem.Soc.
hmdonl
1952.
verlangsamten
Stickstoffinversion
ten: J.chem.Soc.
1966.
einer besonders
des Typs III diskutier-
[London) 1943, 658.
3) Vgl. hierzu J.B.Lambert
und R.G.Keske, J.Amer.Chem.Soc.
dort weitere Literaturhinweise 4) G.Wittig. W.Joos
bei Verbindungen
erklaren.
199; es ist be-
daR diese Autoren schon 1943 die Mbglichkeit
merkenswert,
und
8&
620 (1966);
zu diesem Problem.
und P.Rathfelder,
Liebigs Ann.Chem. 610, 180 (1957).
5) J.M.Lehn, personl. Mitteilung. 6) J.C.Breliere
und J.M.Lehn,
und I.O.Sutherland, Williamson,
Chem.Comm. 1965, 4261 B.J.Price, R.V.Smallman
ibid. 1966,
Tetrahedron 2,3477
hedron Letters 1966,
319; B.J.Price, I.O.Sutherland
(1966); B.H.Korsch und N.V.Riggs, Tetra-
5897.
7) Nach Abschlufl unserer Untersuchungen J.E.Anderson
und J.M.Lehn
NMR-Untersuchungen
und F.G.
erschien kiirzlich eine Mitteilung
(Bull.Chim.Soc.France 1966, 24021, in der iiber
an N,N'-Dimethyl-Derivaten
Dimethyl-l-2.3.6-tetrahydropyridazins Ergebnisse dieser Autoren funden im wesentlichen
von
des 3.6-Diphenyl-
und 4.5-
berichtet wird. Die experimentellen
stimmen mit unseren bei IV - VII erhaltenen Be-
iiberein.
UNTERSUCHUNGEN
PergamonPress Ltd. Printed in Great Britain.
ZUR INVERSION UND STERFGCHEMIE
MONO- UND BICYCLISCHER
HYDRAZIN-DERIVATE
Bodo Junge und Heinz A.Staab Institut
fiir Organische Chemie der Universitst
Heidelberg
(Received19 December 1966)
Im Rahmen von Versuchen uns als Valenzisomeres interessierte
zur Darstellung
des lo-Azachinolizins
des bisher unbekannten
1.6-Diazacyclodecapentaens
1) , wurde das 1.4.6.9-Tetrahydro-lo-azachinolizin
Reaktion von 1.2.3.6-Tetrahydropyridazin tisiert und als kristallines
Monohydrat
I
(I), das
(II) durch
mit 1.4-Dichlor-cis-buten-
synthe-
vom Schmp. 70° isoliert. Die Protonen-
II
III
resonanz von II zeigt fiir die acht Methylen-Protonen
in l-.4-,6- und
Stellung bei 81°C ein scharfes Singlett bei 7 = 6.64
(in dS-Pyridin).
9-
Diese
Resonanz erscheint bei 33OC als eine sehr breite und flache Absorption schen r = 7.7 und r = 5.7, wlhrend spalten ist: dessen Kompliziertheit Inversionsprozesses,
sie bei -2OOC zu einem Multiplett
zwi-
aufge-
schlieat jedoch eine einfache Analyse des
der der Temperaturabhxngigkeit
liegt, und eine Aussage iiber die Stereochemie
des NMR-Spektrums
des bicyclischen
zugrunde-
Systems aus.
Dagegen 1!&3t sich fur das analoge 2.3;7.8-Dibenzo-l-4.6.9-tetrahydro-lo-azachinolizin
(III) 2) eine sehr befriedigende
der Protonenresonanz der aromatischen
Deutung der Temperaturabhsngigkeit
geben: Bei 32OC erscheint
fiir III neben einem A2B2-System
Protonen um T = 2.89 nur ein einziges scharfes Singlett fur
die Methylen-Protonen
bei 7 = 6.03
(in dS-Pyridin/CDC13,
709
2:l). FUr diese Pro-
No
710
tonen wird bei -53OC das in Abb.1 wiederqeqebene - wie die Rekonstruktion Intensitlt
Spektrum erhalten, das sich
zeiqt - als liberlaqerunq zweier AD-Systeme
und mit den folqenden Parametern
auffassen 1Wt:
qleicher
rA = 6.51, TR =
6.22, rA, = 6.22, TR, = 5.22, JAB = 17 Hz und JA,D, = 17 Hz. Dieses Tieftempe raturspektrum spricht fiir das Vorlieqen von III in der folqenden Struktur mit 81 cis--"a,e"-VerknUpfunq der beiden heterocyclischen Rinqe:
Die anqeqebene Siqnalzuordnunq mit lhnlichen qesattiqten
1st nur vorlaufiq;
N-Heterocyclen
sie basiert
auf dem Verqleich
3) . Durch eine einfache Ringinversion
konnten nur die beiden Gruppen von je vier Protonen in cis-Stellunq (HA: HA, bzw. HR; HR,) lquivalent werden. Die beobachtete
l <’
xquivalenz
zueinander aller
A
8
6 I
8 I
HA :7u.8 Hg :3u.5 HA’ :4u.6 Hg’: 1 u.2
Abb.1 NMR der Methylen-Protonen
von III bei -53OC
(d -Pyridin/CDCl 3,2:1;60MHz) 5
No.8
711
acht Methylen-Protonen
erfordert
zusXtzli.ch die Inversion an den Stickstoff-
Brlickenkopfatomen. W;ihrend die Inversion an'einem der beiden Stickstoffatome zu einem trans-"e,e"-System die gleichzeitige
oder aufeinanderfolgende
atomen die spannungsfreie entsprechender NMR-Spektren
mit grl)fiererRingspannung
unter paarweiser Vertauschung
A- und B-Protonen wieder her. Die sorgf8ltige Untersuchung
in der Umgebung
der Koaleszenztemperatur
ist eine Stickstoffinversion
inversion eine wesentlich die Stickstoffinversion,
unabhlngig
der tibergangszustlnde ergeben,
in dem bicyclischen
tinderung der Ring-Konformation
System ohne gleichzeitige
nicht moglich. Wenn andererseits
kleinere Energiebarriere
fiir die Ring-
zu iiberwinden wsre als fiir
sollte letztere bei Temperaturerniedrigung
so da6 in einem mittleren
Temperaturbereich
zuerst
ein AB-System
treten miil3te.Da dies nicht der Fall ist, nehmen wir einen synchronen an, fiir den sich aus der Koaleszenz vierungdG*
oc
N/C6H5 I NA C6H6
CH3
IV
H
V
N/CH2-C6H6 lc
ProzeB
der Signale die freie Enthalpie der Akti-
*AH3 I
H
auf-
zu etwa 12.4 kcal/Mol ergibt.
N’
I N\
CH2-C6H6
CH3
VI
lc
N’
CH2-C6H6
VII
Im Zusammenhang mit den Untersuchungen
tetrahydropyridazin
&Hz-C6H6
CH3
I
TemperaturabhIngigkeit
der
ergab keine Anhalts-
und die Stickstoffinversion
verlaufen. Wie Modellbetrachtungen
"einfrieren".
stellt
Inversion an beiden Stickstoff-
cis-"a,e"-Struktur
punkte dafiir, da0 die Ringinversion voneinander
fiihren wUrde,
der NMR-Spektren
an II und III wurde such die
von l.P:Dimethyl-4.5-benzo-1.2.3.6-
(IV), 1.2-Diphenyl-4.5-benzo-l.2.3.6-tetrahydropyridazin
712
No.8
(V),'1:2-Dibensyl-1.2.3.Gtetrahydropyridasin methyl-l-2.3.6-tetrahydropyridazin und W, W'-Dibrom-o-xylol 15C-153o/10-3
(VI) und 1.2-Dibensyl-4.5-di-
(VII) gemessen. V wurde aus Hydrazobenzol
erhalten 4) ; IV (Sdp. 63-65°/10-3 Torr) und VII
Torr) wurden
aus N,N'-Dimethyl-phthaloylhydrazin
Dibenzoyl-4.'5-dimethyl-1.2.3.6-tetrahydropyridazin fuzan.dargestelltr Tetrahydropyridazin
VI
to’3
Ring-CH2-Protonen
T = 6.19
+ 33
7A
+ 33
(s)
= 6.40, ~8 = 3.r~ JAB
= 16 Hz
'I = 5.28 (8)
TA = 5.41, 7R = 4.93
- 54
JAB VI
Umsetzung von l-2.3.6-
mit Bensylbromid.
- 54
V
+ 33
= 16.55 Hz
7 = 6.81 a' -
- 60
= 6.5C 7A = 7.04, T,., JAB
VII
bzw. aus 1.2-
mit LiAlH, in Tetrahydro-
(schmp. 62-64O) entstand.durch
T
IV
(Sdp.
+ 33
- 60
= 16 Hz
T = 6.95
(8) b)
7A = 7.23, ~8 = 6.69 JAB
= 16 Hz
Tab.1 Resonanz der Ring-Methylen-Protonen von IV-VII in d -Pyridin/d -Aceton 1 : 1 (Varian A 60) 2 ,: zusltzl $the Kopplung mit den benachbarten (9 : scharfes Sigglett; Proton&n in der GrL)Benordnung.von 1 Hz; b : verbreitert)
olefix
713
NO.8
Wie aus den NMR-Daten Verbindungen
der Tabelle 1 hervorgeht,
die Methylen-Protonen
geben such bei diesen
des Ringes bei 33OC nur ein Singlett, wlh-
rend die Tieftemperaturspektren
filr diese Protonen im Gegensatz zu III nicht
zwei, sondern nur ein AB-System
zeigen. Am wahrscheinlichsten
da!3 die Substituenten
an den Stickstoffatomen
ist die Annahme,
in trans-"e,e"-Anordnung
zu-
einander stehen, wofiir such die sonst nicht zu erwartende tihnlichkeit von AgAB
bei den Verbindungen
hangigkeit
der NMR-Spektren
IV und V spricht. Die beobachtete
kame dann durch einen ProzeB zustande, den man
sich formal aus einer Inversion an beiden Stickstoffatomen version zusammengesetzt
ermittelten
gestellten Werte fiir die Energiebarriere
bicyclischen
und einer Ringin-
denken kann. In diesem Zusammenhang
da8 die aus den Koaleszenztemperaturen
GrbBenordnung
Temperaturab-
ist interessant,
und in Tabelle 2 zusammen-
dieses Prozesses
liegen wie bei einigen klirzlich von J.M.Lehn
in der gleichen 5) untersuchten
Systemen, bei denen nur eine synchrone Inversion an den benach-
barten Stickstoffatomen
in Frage kommt, wahrend eine Ringinversion
Starrheit der Verbindungen
wegen der
unmbglich ist.
IV
- 27OC
12.0 kcal/Mol
V
- 23OC
12.2 kcal/Mol
VI
- 37Oc
11.5 kcal/Mol
VII
- 27OC
12.0 kcal/Mol Tab.2
Koaleszenztemperaturen T und freie Enthalpien der Aktiviesung AGO die Verbindungen IV - VII Mehrere Arbeitsgruppen suchungen
zur intramolekularen
mit R = -OCH3, -CH
3'
Beweglichkeit
-C6H5 u.a. beschsftigt
den von uns untersuchten
Ringsystemen
ihnen wegen der vollstandig Anordnung
haben sich in den let&en
Jahren mit NMR-Unter-
von Verbindungen
des Typs VIII
6) . Diese Verbindungen
nicht unmittelbar
sind mit
zu vergleichen,
oder doch zumindest weitgehend
der Stickstoff-Valenzen
fiir
die Stickstoffinversion,
da bei
planar-trigonalen die bei der Deutung
No.8
714
der NMR-Spektren
der Verbindungen
II bis VII eine wichtige Rolle spielt, gar
nicht beobachtet
wird 7). Die bei den NMR-Spektren
von VIII auftretenden
N/c-R I N'C-
iI
VIII
Temperatureffekte behinderter
R 0
lassen sich vielmehr mit der Annahme von Ringinversion
Rotation um die C-N-Bindung
1) Diplomarbeiten
D.Lauer, Heidelberg
2) H.H.Hatt und E.F.M.Stephenson,
der Amid-Gruppe
befriedigend
1964, und B.Junge, Heidelberg
J.chem.Soc.
hmdonl
1952.
verlangsamten
Stickstoffinversion
ten: J.chem.Soc.
1966.
einer besonders
des Typs III diskutier-
[London) 1943, 658.
3) Vgl. hierzu J.B.Lambert
und R.G.Keske, J.Amer.Chem.Soc.
dort weitere Literaturhinweise 4) G.Wittig. W.Joos
bei Verbindungen
erklaren.
199; es ist be-
daR diese Autoren schon 1943 die Mbglichkeit
merkenswert,
und
8&
620 (1966);
zu diesem Problem.
und P.Rathfelder,
Liebigs Ann.Chem. 610, 180 (1957).
5) J.M.Lehn, personl. Mitteilung. 6) J.C.Breliere
und J.M.Lehn,
und I.O.Sutherland, Williamson,
Chem.Comm. 1965, 4261 B.J.Price, R.V.Smallman
ibid. 1966,
Tetrahedron 2,3477
hedron Letters 1966,
319; B.J.Price, I.O.Sutherland
(1966); B.H.Korsch und N.V.Riggs, Tetra-
5897.
7) Nach Abschlufl unserer Untersuchungen J.E.Anderson
und J.M.Lehn
NMR-Untersuchungen
und F.G.
erschien kiirzlich eine Mitteilung
(Bull.Chim.Soc.France 1966, 24021, in der iiber
an N,N'-Dimethyl-Derivaten
Dimethyl-l-2.3.6-tetrahydropyridazins Ergebnisse dieser Autoren funden im wesentlichen
von
des 3.6-Diphenyl-
und 4.5-
berichtet wird. Die experimentellen
stimmen mit unseren bei IV - VII erhaltenen Be-
iiberein.