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Konformationsanalyse einiger erythro- und threo-bromhydrin-, dibrom- und dihydroxisäuren und ihrer Methylester mittels NMR-spektroskopie
spec(rochimia
.&~a, Vol. 33~, pp. 1 to 5. Pergamon Press 1977, Printed in Northern Ireland
Konformationsanalyse einiger erythro- und threwBromhydrin-, Dibrom- und Dihydroxisiiuren und ihrer Methylester mittels NMR-Spektroskopie M. BRINK und E. SCHJANBERG Chemisches Institut der Universitiit, Lund, Schweden (Receioed 21 October 1975) Abstract-The
conformations of the diastereomeric compounds GH,CHXCHYCOOR with X = Br or OH, Y = Br and R = H or CH, and C,H,C(COOR)XCHYCH, with X = Y = Br and R = H or CH, and X = OH, Y = Br and R = H or CH, and X = Y = OH and R = H or CH, were discussed on basis of their NMR spectra.
EINLEITUNG
NMR-Spektroskopie ist mit grossem Erfolg zur Konformationsanalyse von diastereoisomeren Verbindungen, welche in erythro- und three-Formen auftreten kbnnen, verwendet [l-lo]. In der vorliegenden Arbeit sind folgende Verbindungen C6H,CHBrCHBrCOC,H,CHBrCHBrCOOH, 0CH3, C$H,CH(OH)CHBrCOOH, C6H5CH(OH)C,H,C(COOH)BrCHBrCH,, CHBrCOOCH,, C6H,-C(COOH)C6H5C(COOCH,)BrCHBrCH3, C,H,C(COOCHJ(OH)CHBr(OH)CHBrCH3, und C,H,C(COOH)(OH)CH(OH)CH, CH3, untersucht C,H,C(COOCH,)(OH)CH(oH)CH, worden. Die Konformationsanalyse wurde mit Hilfe der vicinalen Kopplungskonstanten bzw. der chemischMethylprotonen der Verschiebungen en durchgefiihrt. Die Produkte wurden in fiinf Lijsungsmitteln NMR-spektroskopisch untersucht. Die Konformationen und die Rotamerenverteilung der einzelnen Substanzen werden unten diskutiert. Im allgemeinen haben die SIuren und entsprechende Methylester in denselben Lijsungsmitteln dieselbe Rotamerenverteilung.
DlSKUSSlON
UND
ERGEBNISSE
Durch Addition von Brom an trans-ZimtsSiure wurden zwei stereoisomere bromierte SIuren und lb) im C,H,CHBrCHBrCOOH (1 a VerhHltnisse 99: 1 erhalten. Nach [l 1, 121 ist la die erythro- und lb die threo-Form. la kann in den Konformationen A: I-III und 1 b in den Konformationen B: IV-VI vorkommen. Die vicinalen Kopplungskonstanten J,,H sind fiir
la 12.1-12.3 Hz und fiir lb 10.3-10.5 Hz (vgl. Tabelle 1). Nimmt man an, dass in substituierten Athanverbindungen Jn., = 11 + 1 Hz und JgaWIu= 2 * 1 Hz sind, so findet man, dass die Verbindung la die Konformation A:1 mit den beiden HAtomen in truns-Stellung zu einander haben muss. Die gefundenen Kopplungskonstanten hlngen vom Anteil der drei Konformationen A: I-III im Gleichgewicht ab. Mit J== 12 Hz muss die Konformation A:1 so stark bevorzugt sein, dass praktisch keine A:11 und/oder A:111 nachweisbar ist. Aus denselben Griinden wiirde fiir lb die Konformation B:IV stark bevorzugt sein, da J= 10.4 Hz ist. Hier ist die Beeinflussung der beiden gaucheKonformationen B :V und B:VI etwas griisser als in der Verbindung la. In der Konformation A:1 befinden sich die beiden H-Atome bzw. die beiden Br-Atome und gleichzeitig such die Phenylgruppe und die Carboxylgruppe in trans-Stellung zu einander. In der Konformation B :IV dagegen befinden sich die beiden H-Atome in trans-Stellung, wlhrend die beiden Br-Atome bzw. die Phenylgruppe und die Carboxylgruppe in gauche-Stellung zu einander sitzen. Es wurde friiher gezeigt [13], dass besonders in 1,2-Diphenyl-dihalogenlthane und in verwandten Verbindungen die sterisch ungiinstigere gauche-Anordnung beziiglich der polaren und/oder raumfiillenden Gruppen bevorzugt ist. Dieses ist bei der Verbindung 1 b such der Fall, jedoch nicht bei la. Bei den entsprechenden Methylestern der Verbindungen la und 1 b kommt man zu demselben Schluss, dass die Konformationen mit den beiden H-Atomen in rrans-Stellung stark bevorzugt sind (vgl. Tabelle 1. Die Kopplungskonstanten sind etwa dieselben wie in den entsprechenden SHuren).
M.
BRINK
und E.
SCHJANBERG
Eine ahnliche Betrachtung iiber die Additon
von
Brom an cis-Zimtslure (1 a : 1 b = 45 : 55) ergibt dasselbe Resultat. Die Ditferenz AvHAHeder chemisthen Verschiebungen der beiden vicinalen Protonen variiert etwas mit den verwendeten Losungsmitteln. Sie ist aber etwa gleich gross fur die beiden stereoisomeren Dibromsauren in denselben Likungsmitteln. Die S-Werte der H,- und H,-Protonen sind etwas grosser fur la (erythro) als fur 1 b (three). Dasselbe gilt fur die entsprechenden Methylester. Das Signal der Methylestergruppe ist in samtlichen fiinf untersuchten Lijsungsmitteln fiir la im Vergleich zu 1 b nach tieferem Feld verschoben (vgl. Tabelle 1). Beim Austausch des einen Bromatoms in 1 a und Tabelle 1. NMR-Daten (60 MHz) der VerbindungenC,H,CH,XCH,YCOOR (6 in ppm. Jund Av in Hz) X
Y
Br
Br
R H
la
Likungsmittel (CD&CO CDCi; CCL
CD6 Br
Br
CH,
Br
Br
H
lb Br
Br
CH,
OH
Br
H
2a OH
Br
CH3
OH
Br
H
2b OH
Br
CH,
cs,
(CD,),‘20
CDC13 CCL
z (CD&CD CDC13 CCL CD, cs, (CD&CO CDCl, CCL C6D, a* (CD&= CDC13 CCL CD, CS y&co 3 CCL &Da C.8, (CD&CO z? CsD, CS, (CD&CO CDCl, z
6HA 5.55 5.35 5.29 5.42 5.28 5.53 5.40 5.31 5.46 5.25 5.51 5.33 5.25 5.29 5.23 5.46 5.33 5.24 5.30 5.19 5.15 5.11 5.05 5.09 4.97 5.12 5.08 4.97 5.14 4.90 5.20 5.16 5.11 5.05 5.02 5.15 5.06 4.98 5.07 4.91
8He 5.17 4.87 4.79 4.88 4.79 5.21 4.89 4.77 4.89 4.73 5.11 4.81 4.73 4.74 4.72 5.12 4.81 4.71 4.78 4.68 4.49 4.42 4:31 4.43 4.24 4.45 4.38 4.26 4.44 4.21 4.41 4.53 4.41 4,34 4.37 4.38 4.49 4.34 4.48 4.30
AVH~H. 12.3 12.2 12.1 12.2 12.2 12.3 12.1 12.1 12.2 12.1 10.5 10.4 10.3 10.4 10.5 10.3 10.4 10.6 10.4 10.6 9.5 9.0 9.4 9.5 9.3 9.4 9.0 9.2 9.2 9.0 7.0 6.3 6.5 6.5 6.7 7.6 7.4 7.4 1.5 7.4
22.3 29.0 30.4 32.0 29.8 19.4 30.6 32.2 34.1 31.1 23.5 31.1 31.2 32.7 30.8 20.8 31.1 31.6 31.5 30.6 39.4 41.2 44.4 39.7 43.5 39.6 41.2 43.3 41.7 41.6 35.2 37.8 42.2 36.2 39.1 34.1 36.5 38.2 35.5 36.1
8 -3
3.86 3.86 3.87 3.47 3.79
3.52 3.52 3.48 3.03 3.41
3.75 3.72 3.71 3.40 3.58
3.54 3.56 3.56 3.18 3.45
3
Konfonnationsanalyse einiger erythro- und three-Verbindungen
Erythro
lb gegen eine OH-Gruppe erhllt man die zwei diastereoisomeren Bromhydrinssluren C,H,CH(OH)CHBrCOOH (2a und 26). Die Verbindung 2a kann in den drei Konformationen C:IIII und 2b in den Konformationen D: IV-VI vorkommen. Die vicinalen Kopplungskonstanten Jsind in 2a (erythro) etwa 9 Hz und in 2b (three) etwa 7 Hz. Dieses deutet darauf, dass in 2a die Konformation C:I mit den beiden H-Atome in trans-Stellung zu einander-bevorzugt ist, aber betrgchtliche Mengen der beiden gauche-Konformationen C:II und C:III beeinflussen das Konformationsgleichgewicht. Mit den vicinalen Kopplungskonstanten 7 Hz in 2b ist anzunehmen, dass alle drei Konformationen D : IVVI zum etwa gleichen Teil vorliegen. Die entsprechenden Methylester der Verbindungen 2a und 2b zeigen etwa dieselben vicinalen Kopplungskonstanten und liegen in etwa denselben Konformationen wie die freien SLuren vor. transDurch Addition von Brom an wurden zwei stereoisomere Methylatropasiiure bromierte Sluren C,H,C(COOH)BrCHBrCH, (3a und 3b) im Verhaltnisse 55 :45 erhalten. Unter der obigen Annahme, dass die Addition hauptsiichlich eine trans-Addition wiire, wiirde die in der gr6ssten Menge gebildete Verbindung (3~) in den Konformationen E:I-III vorkommen kiinnen und die andere (3b) in den Konformationen F:IV-VI. Eine iihnliche Betrachtung iiber die Additon von Brom an cis-Methylatropaslure (3a:3b = 15:85) ergibt dasselbe Resultat. Welche von den Konformationen E:I-III bzw. F:IV-VI fiir 3a bzw. 3b bevorzugt ist kann mit Hilfe von den Kopplungskonstanten nicht bestimmt werden. Diese Verbindungen haben nur eine Kopplung zwischen H und CH,, die an demselben Kohlenstoffatome gebunden sind. JCH,,CHist etwa gleich gross fiir die beiden Verbindungen in siimtlichen fiinf untersuch-
ten Lasungsmitteln. Sie haben etwas verschiedene S,-Werte. Das Methinproton der Verbindung 3b ist im Vergleich mit 3a nach tieferem Feld verschoFiir die Methylprotonen sind diese ben. Verhiiltnisse umgekehrt. (Vgl. Tabelle 2). Fiir andere 1,2-disubstituierte-l-Arylpropane ist gefunden [13], dass die NMR-Signal; der Methylprotonen in dem erythro-Isomer immer bei tieferem Feld als in dem three-Isomer erscheinen. Unter dieser Annahme muss 3a die erythro-Isomer und 3b die three-Isomer sein. Fiir die Estermethylprotonen der entsprechenden Methylester gilt such, dass die Methylprotonen der Verbindung 3a im Vergleich mit 3b nach tieferem Feld verschoben sind. Die Kopplungskonstanten JCH,,CHder beiden Verbindungen CJ-I,C(COOH)(OH)CHBrCH, (4~ und 46) sind etwa gleich gross in siimtlichen fiinf Liisungsmitteln. Die Signale der Methinprotonen sind in 4a im Vergleich mit 4b nach tieferem Feld verschoben. Fiir die Signale der Methylprotonen sind diese Verhiltnisse umgekehrt. Ahnliche Resultate wurden bei den beiden Sguren 3a und 3 b erhalten. Die Estermethylprotonen der entsprechenden Methylester haben dieselben 6-Werte fiir 4a und 4b. Das Austausch des einen Bromatoms gegen OH hat nur einen geringen Einfluss auf sCH in der einen Form (3a +4a) aber etwa 0.2-0.3 ppm auf die andere (3b + 4b) und praktisch keinen Einfluss auf die &Werte der Estermethylprotonen der entsprechenden Methylester. (Vgl. Tabelle 2). Man muss damit rechnen, dass beim Vertausch des Bromatoms gegen OH eine three-erythro-Umlagerung vorhanden sein kann, (vgl. den experimentellen Teil). Wahrscheinlich ist dieses hier geschehen und mit Hinsicht darauf, dass die NMR-Signale der Methylprotonen der Verbindung 4b nach tieferem Feld im Vergleich mit 4a verschoben sind, so muss 4b das erythro-Isomer und 4a das three-Isomer sein.
II
Br p:
Abb. 3
4
M. BRINK und E. Tabelle 2. NMR-Daten
X
Y
Br
Br
R H
3a Br
Br
CH,
Br
Br
H
3b Br
Br
CH,
OH
Br
H
4a
(60 MHz) der Verbindunge-n CsH,C(COOR)XCHYCH, (6 in ppm und J in Hz) Liisungsmittel
8,
6m3
(CWXO
CCL a C6D, CS (CDACO CDCl, ccl, C,D, CS, (CD&CO
5.17 5.01 4.94 4.79 4.87 5.17 5.07 5.00 5.03 4.96 5.20 5.07 5.02 4.91 4.96 5.20 5.02 4.95 4.96 4.91 5.16 4.98 4.84 4.81 4.81 5.11 4.98 4.86 4.84 4.79 5.06 4.89 4.66 4.68 4.61 5.00 4.88 4.69 4.71 4.64 4.50
1.82 1.80 1.78 1.51 1.73 1.79 1.77 1.74 1.65 1.71 1.65 1.65 1.62 1.39 1.59 1.66 1.63 1.58 1.50 1.56 1.40 1.42 1.37 1.28 1.33 1.39 1.43 1.39 1.34 1.35 1.81 1.83 1.67 1.61 1.69 1.76 1.77 1.71 1.63 1.65 1.24
(CD&CO CDCl, ccl, GD, cs,
4.48 4.45 4.24 4.43 4.20
1.17 1.22 1.12 1.20 1.08
CDCI, CCL 6D, cs, (CD&CO CDC& CCL 2: (CD&CO CDCI, ccl, z: (CD&CO CDCl, ccl, &: (CD&CO CDCl, CCL GD,
OH
Br
CH,
E&x0 CDCI, CCL
OH
Br
H
w&CO
%:
4b
Wenn
OH
Br
CH,
OH
OH
H
OH
ZI&
CH,
such
das andere
Bromatom
SCHJANBERG
(das an dem-
selben Kohlenstoffatome wie das Methinproton und die Methylgruppe gebunden ist) gegen OH vertauscht ist, so werden die Signale der Methylprotonen (5~ im Vergleich mit 3a und 3b) urn etwa 0.4-0.5 ppm nach haherem Feld verschoben und etwa 0.6 ppm im Vergleich mit 4a und etwa 0.3 ppm im Vergleich mit 4b nach hiiherem Feld verschoben. Die &Werte des Methinprotons in 3a, 36,4a und 4b sind etwa gleich floss aber in 5a sind
J cz+.cH
6-3
6.8 7.0 7.0 7.0 ::: 6.9 7.0 7.0 6.9 6.9 6.9 6.9 6.9 6.9 6.9 6.9 7.0 7.0 6.9 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 6.9 6.9 6.9 7.0 6.9 6”:; 6.6 6.5 6”:: 6.5 6.5
3.82 3.80 3.73 3.38 3.67
3.78 3.75 3.69 3.32 3.62
3.77 3.77 3.78 3.32 3.72
3.77 3.81 3.78 3.18 3.72
3.72 3.77 3.75 3.15 3.72
sie urn etwa 0.5 ppm geringer als in 3a und 4b. (Vgl. Tabelle 2). Es ist zu erwarten, dass der Austausch des zweiten Bromatoms gegen OH einen griisseren Einfluss auf SCH und S,, haben sollte, da diese Gruppe an demselben Kohlenstoff atom wie das gegen OH vertauschte Bromatom gebunden ist. Bei Messungen in verschiedenen LGsungsmitteln kommt man zu demselben Schluss, dass die NMRSignale der Methylprotonen in den erythroIsomeren bei tieferem Feld als in den threo-
Konformationsanalyse
einiger eryrhro- und three-Verbindungen
Isomeren liegen. Auch die vicinalen Kopplungskonstanten der Verbindungen 1 a, 1 b, 2a und 2b und ihrer Methylester sind unabhlngig vom verwendeten Lijsungsmittel. Damit ist such das IBsungsmittelsunabKonformationsgleichgewicht hgngig. EXPERIMENTELLER TEIL Die cis-Zimtsiiure ist nach Stoermer [14] durch UVBestrahlung von gekaufter trans-Slure dargestellt. Die tram- und cis-Methylatropasiiuren sind nach Nilsson [15] bzw. Jiinsson [16] erhalten. Die ungesgttigten SIuren wurden mit Methanol und mit konz. Schwefelslure als Katalysator verestert. Urn die Umlagerung der cisVerbindungen zu vermeiden, wurde die Veresterung bei Zimmertemperatur ausgefiihrt. Die Addition von Brom an die ungesiittigten Sluren oder Ester wurde in Schwefelkohlenstoff ausgefiihrt. Die aus tram-Zimts?iure erhaltene c+Dibromhydrozimtslure bestand aus einer Mischung van zwei diastereoisomeren Verbindungen. Durch Umkristallisation aus Schwefelkohlenstoff konnte man eine in vorkommende hochschmelzende, griisserer Menge schwerlijsliche Form und eine niedrigschmelzende, leichtlijsliche Form isolieren [ 171. Bei der Veresterung bei Zimmertemperatur wurde aus der tram-Siure ein reiner trans-Methylester erhalten, wiihrend der aus der cis-S&e erhaltene Ester eine Mischung von 35% trans- und 65% c&-Form war. Bei der Addition von Brom zu trans-Methyleine atropasiiure erhielt man Isomerenmischung mit dem Schmelzpunkt loo”, welche 55% der einen und 45% der anderen Form enthielt. Aus der cis-Siiure und Brom erhielt man eine Mischung, den Schmelzpunkt 116-117” und 15 bzw. 85% der entsprechenden Isomeren. Aus der Isomerenmischung mit dem Schmelzpunkt 100” konnte man durch Umkristallisation aus Ligroin ein hochschmelzendes schwerliislicher, fast reines Isomer mit dem Schmelzpunkt 113” mit ungefHhr gleichen Teilen der Isomeren erhalten. Auch bei Bromaddition an reinen bans- oder cisMethylatropasgure-methylester wurde eine Mischung der beiden Dibromester erhalten. Beim Kochen der qp-Dibromhydrozimtsgure acht Stunden mit Wasser oder beim Stehenlassen neun Tage bei Zimmertemperatur einer gesattigten NaHCO,-Liisung der Siiure wurde das P-Bromatom gegen eine OHGruppe ausgetauscht. Beim Kochen wurde eine Mischung der beiden stereoisomeren Bromhydrinsluren erhalten. Beim Stehenlassen wurde nur die eine Form erhalten. Es scheint, als ob die eine Form in NaHCO,-L&ung instabil w&re und in die andere Form umgelagert wurde. Behandlung mit Na,CO,-Liisung oder Kochen mit NaHCO,L&mg ergab eine Misching von anderen Produkten als Bromhvdrinsluren oder Diolen rll, 12, 171. Das _ Bromatom am terti&n Kohle&toffatom in Dibrommethylhydratropaslure war sehr 10s gebunden. Schon wenn eine Atherliisung der Siiure ein paar Minuten lang mit einer gesiittigten NaHCO,-L&ung geschiittelt
S
wurde, wurde das Bromatom am tertitien Kohlenstoffatom gegen eine OH-Gruppe ausgetauscht. Man erhielt zwei Formen der Bromhydrinsiiure, welche nicht von einander getrennt wurden. Beim Stehenlassen zwei Stunden einer Wasserliisung von Dibrom-methylhydratropasgure und NaHCO, bei Zimmertemperatur wurde die eine form (4b) in die andere (4n) vollstiindig umgelagert. Die beiden Bromatome wurden gegen OH-Gruppen ausgetauscht, wenn die Siiure zwei Stunden lang mit einer gesittigten Na,CO,-L&ung behandelt wurde. Nur die eine Form der Dihydroximethylhydratropiisure mit dem Schmelzpunkt 170” wurde bei dieser Behandlung erhalten. S&ntliche Hydroxisiiuren ergaben bei Veresterung mit Methanol und konz. Schwefelsgure die entsprechenden Methylester. Die NMR-Spektren wurden mit den Spektrometern Varian A-60A und Perkin-Elmer R 12 aufgenommen. TMS wurde als innere Bezugssubstanz verwendet. Die Konzentration der gemessenen Liisungen war etwa 0.5 Mol/dm’ und die Temperature etwa 36 * 1°C. Dnnksagung-AI3 Karlshamns Oljefabriker, Karlshamn, und AB Leo, Helsingborg, haben die NMR-Gerlte zu unserer Verfiigung gestellt, wofiir wir bestens danken. Die Kgl. Physiographische Gesellschaft, Lund, hat die Arbeit finanziell unterstiitzt.
LITERATIJR [II R. FREEMANund K. PACHLER, Molec. Phys. 5, 85 (1962). PI D. R. DAVIS und J. D. ROBERTS,J. Am. Chem. Sot. 84, 2252 (1962). [31 A. A. BOTHNER-BYund G. NAAR-COLIN, J. Am. Chem. Sot. 84, 743 (1962). [41 R. FREEMANund N. S. BHACCA,J. Chem. Phys. 3% 1088 (1963). r51 C. A. KINGSBURYund W. B. THORNTON,J. Org. Chem. 31, 1000 (1966). [61 C. A. KINGSBURYund D. C. BEST, J. Org. Gem. 32, 6 (1967). S. L. SPASSOV,Tetrahedron 25, 3631 (1969). [ii G. HEIJBLBIN,H. SCHLITZund A. ZSCHUNKE,Tetrahedron 25, 4225 (1969). c91B. J. DALE und D. W. JONES, Spectrochim. Acta 31A, 83 (1975) und Zitat darin. [lo] G. H. SCHMID,Can. J. Chem. 46, 3415 (1968). [I 11 E. GROVENSTEIN,Jr. und D. E. LEE, J. Am. Chem. Sot. 75, 2639 (1953). [12] S. J. CRISTOLund W. P. NORRIS,J. Am. Chem Soi. 75, 2645 (1953). [13] G. DREFAL und G. HEUBLEIN,J. prakt. Chem. 21, 18 (1963). [14] R. STOERMER,Chem. Ber. 44.637 (1911). 1151 K. NILSSON,Acta Chem Stand. 19. 612 (1965). [16j G. W. J~N&oN, Su. Kern. Tidskr. 3& 89 i192i). [17] E. GROVENSTEIN, JR. und S. P. THEOPHILCXJ, J. Am, Chem. Sot. 77, 3795 (1955).
.&~a, Vol. 33~, pp. 1 to 5. Pergamon Press 1977, Printed in Northern Ireland
Konformationsanalyse einiger erythro- und threwBromhydrin-, Dibrom- und Dihydroxisiiuren und ihrer Methylester mittels NMR-Spektroskopie M. BRINK und E. SCHJANBERG Chemisches Institut der Universitiit, Lund, Schweden (Receioed 21 October 1975) Abstract-The
conformations of the diastereomeric compounds GH,CHXCHYCOOR with X = Br or OH, Y = Br and R = H or CH, and C,H,C(COOR)XCHYCH, with X = Y = Br and R = H or CH, and X = OH, Y = Br and R = H or CH, and X = Y = OH and R = H or CH, were discussed on basis of their NMR spectra.
EINLEITUNG
NMR-Spektroskopie ist mit grossem Erfolg zur Konformationsanalyse von diastereoisomeren Verbindungen, welche in erythro- und three-Formen auftreten kbnnen, verwendet [l-lo]. In der vorliegenden Arbeit sind folgende Verbindungen C6H,CHBrCHBrCOC,H,CHBrCHBrCOOH, 0CH3, C$H,CH(OH)CHBrCOOH, C6H5CH(OH)C,H,C(COOH)BrCHBrCH,, CHBrCOOCH,, C6H,-C(COOH)C6H5C(COOCH,)BrCHBrCH3, C,H,C(COOCHJ(OH)CHBr(OH)CHBrCH3, und C,H,C(COOH)(OH)CH(OH)CH, CH3, untersucht C,H,C(COOCH,)(OH)CH(oH)CH, worden. Die Konformationsanalyse wurde mit Hilfe der vicinalen Kopplungskonstanten bzw. der chemischMethylprotonen der Verschiebungen en durchgefiihrt. Die Produkte wurden in fiinf Lijsungsmitteln NMR-spektroskopisch untersucht. Die Konformationen und die Rotamerenverteilung der einzelnen Substanzen werden unten diskutiert. Im allgemeinen haben die SIuren und entsprechende Methylester in denselben Lijsungsmitteln dieselbe Rotamerenverteilung.
DlSKUSSlON
UND
ERGEBNISSE
Durch Addition von Brom an trans-ZimtsSiure wurden zwei stereoisomere bromierte SIuren und lb) im C,H,CHBrCHBrCOOH (1 a VerhHltnisse 99: 1 erhalten. Nach [l 1, 121 ist la die erythro- und lb die threo-Form. la kann in den Konformationen A: I-III und 1 b in den Konformationen B: IV-VI vorkommen. Die vicinalen Kopplungskonstanten J,,H sind fiir
la 12.1-12.3 Hz und fiir lb 10.3-10.5 Hz (vgl. Tabelle 1). Nimmt man an, dass in substituierten Athanverbindungen Jn., = 11 + 1 Hz und JgaWIu= 2 * 1 Hz sind, so findet man, dass die Verbindung la die Konformation A:1 mit den beiden HAtomen in truns-Stellung zu einander haben muss. Die gefundenen Kopplungskonstanten hlngen vom Anteil der drei Konformationen A: I-III im Gleichgewicht ab. Mit J== 12 Hz muss die Konformation A:1 so stark bevorzugt sein, dass praktisch keine A:11 und/oder A:111 nachweisbar ist. Aus denselben Griinden wiirde fiir lb die Konformation B:IV stark bevorzugt sein, da J= 10.4 Hz ist. Hier ist die Beeinflussung der beiden gaucheKonformationen B :V und B:VI etwas griisser als in der Verbindung la. In der Konformation A:1 befinden sich die beiden H-Atome bzw. die beiden Br-Atome und gleichzeitig such die Phenylgruppe und die Carboxylgruppe in trans-Stellung zu einander. In der Konformation B :IV dagegen befinden sich die beiden H-Atome in trans-Stellung, wlhrend die beiden Br-Atome bzw. die Phenylgruppe und die Carboxylgruppe in gauche-Stellung zu einander sitzen. Es wurde friiher gezeigt [13], dass besonders in 1,2-Diphenyl-dihalogenlthane und in verwandten Verbindungen die sterisch ungiinstigere gauche-Anordnung beziiglich der polaren und/oder raumfiillenden Gruppen bevorzugt ist. Dieses ist bei der Verbindung 1 b such der Fall, jedoch nicht bei la. Bei den entsprechenden Methylestern der Verbindungen la und 1 b kommt man zu demselben Schluss, dass die Konformationen mit den beiden H-Atomen in rrans-Stellung stark bevorzugt sind (vgl. Tabelle 1. Die Kopplungskonstanten sind etwa dieselben wie in den entsprechenden SHuren).
M.
BRINK
und E.
SCHJANBERG
Eine ahnliche Betrachtung iiber die Additon
von
Brom an cis-Zimtslure (1 a : 1 b = 45 : 55) ergibt dasselbe Resultat. Die Ditferenz AvHAHeder chemisthen Verschiebungen der beiden vicinalen Protonen variiert etwas mit den verwendeten Losungsmitteln. Sie ist aber etwa gleich gross fur die beiden stereoisomeren Dibromsauren in denselben Likungsmitteln. Die S-Werte der H,- und H,-Protonen sind etwas grosser fur la (erythro) als fur 1 b (three). Dasselbe gilt fur die entsprechenden Methylester. Das Signal der Methylestergruppe ist in samtlichen fiinf untersuchten Lijsungsmitteln fiir la im Vergleich zu 1 b nach tieferem Feld verschoben (vgl. Tabelle 1). Beim Austausch des einen Bromatoms in 1 a und Tabelle 1. NMR-Daten (60 MHz) der VerbindungenC,H,CH,XCH,YCOOR (6 in ppm. Jund Av in Hz) X
Y
Br
Br
R H
la
Likungsmittel (CD&CO CDCi; CCL
CD6 Br
Br
CH,
Br
Br
H
lb Br
Br
CH,
OH
Br
H
2a OH
Br
CH3
OH
Br
H
2b OH
Br
CH,
cs,
(CD,),‘20
CDC13 CCL
z (CD&CD CDC13 CCL CD, cs, (CD&CO CDCl, CCL C6D, a* (CD&= CDC13 CCL CD, CS y&co 3 CCL &Da C.8, (CD&CO z? CsD, CS, (CD&CO CDCl, z
6HA 5.55 5.35 5.29 5.42 5.28 5.53 5.40 5.31 5.46 5.25 5.51 5.33 5.25 5.29 5.23 5.46 5.33 5.24 5.30 5.19 5.15 5.11 5.05 5.09 4.97 5.12 5.08 4.97 5.14 4.90 5.20 5.16 5.11 5.05 5.02 5.15 5.06 4.98 5.07 4.91
8He 5.17 4.87 4.79 4.88 4.79 5.21 4.89 4.77 4.89 4.73 5.11 4.81 4.73 4.74 4.72 5.12 4.81 4.71 4.78 4.68 4.49 4.42 4:31 4.43 4.24 4.45 4.38 4.26 4.44 4.21 4.41 4.53 4.41 4,34 4.37 4.38 4.49 4.34 4.48 4.30
AVH~H. 12.3 12.2 12.1 12.2 12.2 12.3 12.1 12.1 12.2 12.1 10.5 10.4 10.3 10.4 10.5 10.3 10.4 10.6 10.4 10.6 9.5 9.0 9.4 9.5 9.3 9.4 9.0 9.2 9.2 9.0 7.0 6.3 6.5 6.5 6.7 7.6 7.4 7.4 1.5 7.4
22.3 29.0 30.4 32.0 29.8 19.4 30.6 32.2 34.1 31.1 23.5 31.1 31.2 32.7 30.8 20.8 31.1 31.6 31.5 30.6 39.4 41.2 44.4 39.7 43.5 39.6 41.2 43.3 41.7 41.6 35.2 37.8 42.2 36.2 39.1 34.1 36.5 38.2 35.5 36.1
8 -3
3.86 3.86 3.87 3.47 3.79
3.52 3.52 3.48 3.03 3.41
3.75 3.72 3.71 3.40 3.58
3.54 3.56 3.56 3.18 3.45
3
Konfonnationsanalyse einiger erythro- und three-Verbindungen
Erythro
lb gegen eine OH-Gruppe erhllt man die zwei diastereoisomeren Bromhydrinssluren C,H,CH(OH)CHBrCOOH (2a und 26). Die Verbindung 2a kann in den drei Konformationen C:IIII und 2b in den Konformationen D: IV-VI vorkommen. Die vicinalen Kopplungskonstanten Jsind in 2a (erythro) etwa 9 Hz und in 2b (three) etwa 7 Hz. Dieses deutet darauf, dass in 2a die Konformation C:I mit den beiden H-Atome in trans-Stellung zu einander-bevorzugt ist, aber betrgchtliche Mengen der beiden gauche-Konformationen C:II und C:III beeinflussen das Konformationsgleichgewicht. Mit den vicinalen Kopplungskonstanten 7 Hz in 2b ist anzunehmen, dass alle drei Konformationen D : IVVI zum etwa gleichen Teil vorliegen. Die entsprechenden Methylester der Verbindungen 2a und 2b zeigen etwa dieselben vicinalen Kopplungskonstanten und liegen in etwa denselben Konformationen wie die freien SLuren vor. transDurch Addition von Brom an wurden zwei stereoisomere Methylatropasiiure bromierte Sluren C,H,C(COOH)BrCHBrCH, (3a und 3b) im Verhaltnisse 55 :45 erhalten. Unter der obigen Annahme, dass die Addition hauptsiichlich eine trans-Addition wiire, wiirde die in der gr6ssten Menge gebildete Verbindung (3~) in den Konformationen E:I-III vorkommen kiinnen und die andere (3b) in den Konformationen F:IV-VI. Eine iihnliche Betrachtung iiber die Additon von Brom an cis-Methylatropaslure (3a:3b = 15:85) ergibt dasselbe Resultat. Welche von den Konformationen E:I-III bzw. F:IV-VI fiir 3a bzw. 3b bevorzugt ist kann mit Hilfe von den Kopplungskonstanten nicht bestimmt werden. Diese Verbindungen haben nur eine Kopplung zwischen H und CH,, die an demselben Kohlenstoffatome gebunden sind. JCH,,CHist etwa gleich gross fiir die beiden Verbindungen in siimtlichen fiinf untersuch-
ten Lasungsmitteln. Sie haben etwas verschiedene S,-Werte. Das Methinproton der Verbindung 3b ist im Vergleich mit 3a nach tieferem Feld verschoFiir die Methylprotonen sind diese ben. Verhiiltnisse umgekehrt. (Vgl. Tabelle 2). Fiir andere 1,2-disubstituierte-l-Arylpropane ist gefunden [13], dass die NMR-Signal; der Methylprotonen in dem erythro-Isomer immer bei tieferem Feld als in dem three-Isomer erscheinen. Unter dieser Annahme muss 3a die erythro-Isomer und 3b die three-Isomer sein. Fiir die Estermethylprotonen der entsprechenden Methylester gilt such, dass die Methylprotonen der Verbindung 3a im Vergleich mit 3b nach tieferem Feld verschoben sind. Die Kopplungskonstanten JCH,,CHder beiden Verbindungen CJ-I,C(COOH)(OH)CHBrCH, (4~ und 46) sind etwa gleich gross in siimtlichen fiinf Liisungsmitteln. Die Signale der Methinprotonen sind in 4a im Vergleich mit 4b nach tieferem Feld verschoben. Fiir die Signale der Methylprotonen sind diese Verhiltnisse umgekehrt. Ahnliche Resultate wurden bei den beiden Sguren 3a und 3 b erhalten. Die Estermethylprotonen der entsprechenden Methylester haben dieselben 6-Werte fiir 4a und 4b. Das Austausch des einen Bromatoms gegen OH hat nur einen geringen Einfluss auf sCH in der einen Form (3a +4a) aber etwa 0.2-0.3 ppm auf die andere (3b + 4b) und praktisch keinen Einfluss auf die &Werte der Estermethylprotonen der entsprechenden Methylester. (Vgl. Tabelle 2). Man muss damit rechnen, dass beim Vertausch des Bromatoms gegen OH eine three-erythro-Umlagerung vorhanden sein kann, (vgl. den experimentellen Teil). Wahrscheinlich ist dieses hier geschehen und mit Hinsicht darauf, dass die NMR-Signale der Methylprotonen der Verbindung 4b nach tieferem Feld im Vergleich mit 4a verschoben sind, so muss 4b das erythro-Isomer und 4a das three-Isomer sein.
II
Br p:
Abb. 3
4
M. BRINK und E. Tabelle 2. NMR-Daten
X
Y
Br
Br
R H
3a Br
Br
CH,
Br
Br
H
3b Br
Br
CH,
OH
Br
H
4a
(60 MHz) der Verbindunge-n CsH,C(COOR)XCHYCH, (6 in ppm und J in Hz) Liisungsmittel
8,
6m3
(CWXO
CCL a C6D, CS (CDACO CDCl, ccl, C,D, CS, (CD&CO
5.17 5.01 4.94 4.79 4.87 5.17 5.07 5.00 5.03 4.96 5.20 5.07 5.02 4.91 4.96 5.20 5.02 4.95 4.96 4.91 5.16 4.98 4.84 4.81 4.81 5.11 4.98 4.86 4.84 4.79 5.06 4.89 4.66 4.68 4.61 5.00 4.88 4.69 4.71 4.64 4.50
1.82 1.80 1.78 1.51 1.73 1.79 1.77 1.74 1.65 1.71 1.65 1.65 1.62 1.39 1.59 1.66 1.63 1.58 1.50 1.56 1.40 1.42 1.37 1.28 1.33 1.39 1.43 1.39 1.34 1.35 1.81 1.83 1.67 1.61 1.69 1.76 1.77 1.71 1.63 1.65 1.24
(CD&CO CDCl, ccl, GD, cs,
4.48 4.45 4.24 4.43 4.20
1.17 1.22 1.12 1.20 1.08
CDCI, CCL 6D, cs, (CD&CO CDC& CCL 2: (CD&CO CDCI, ccl, z: (CD&CO CDCl, ccl, &: (CD&CO CDCl, CCL GD,
OH
Br
CH,
E&x0 CDCI, CCL
OH
Br
H
w&CO
%:
4b
Wenn
OH
Br
CH,
OH
OH
H
OH
ZI&
CH,
such
das andere
Bromatom
SCHJANBERG
(das an dem-
selben Kohlenstoffatome wie das Methinproton und die Methylgruppe gebunden ist) gegen OH vertauscht ist, so werden die Signale der Methylprotonen (5~ im Vergleich mit 3a und 3b) urn etwa 0.4-0.5 ppm nach haherem Feld verschoben und etwa 0.6 ppm im Vergleich mit 4a und etwa 0.3 ppm im Vergleich mit 4b nach hiiherem Feld verschoben. Die &Werte des Methinprotons in 3a, 36,4a und 4b sind etwa gleich floss aber in 5a sind
J cz+.cH
6-3
6.8 7.0 7.0 7.0 ::: 6.9 7.0 7.0 6.9 6.9 6.9 6.9 6.9 6.9 6.9 6.9 7.0 7.0 6.9 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 7.0 6.9 6.9 6.9 7.0 6.9 6”:; 6.6 6.5 6”:: 6.5 6.5
3.82 3.80 3.73 3.38 3.67
3.78 3.75 3.69 3.32 3.62
3.77 3.77 3.78 3.32 3.72
3.77 3.81 3.78 3.18 3.72
3.72 3.77 3.75 3.15 3.72
sie urn etwa 0.5 ppm geringer als in 3a und 4b. (Vgl. Tabelle 2). Es ist zu erwarten, dass der Austausch des zweiten Bromatoms gegen OH einen griisseren Einfluss auf SCH und S,, haben sollte, da diese Gruppe an demselben Kohlenstoff atom wie das gegen OH vertauschte Bromatom gebunden ist. Bei Messungen in verschiedenen LGsungsmitteln kommt man zu demselben Schluss, dass die NMRSignale der Methylprotonen in den erythroIsomeren bei tieferem Feld als in den threo-
Konformationsanalyse
einiger eryrhro- und three-Verbindungen
Isomeren liegen. Auch die vicinalen Kopplungskonstanten der Verbindungen 1 a, 1 b, 2a und 2b und ihrer Methylester sind unabhlngig vom verwendeten Lijsungsmittel. Damit ist such das IBsungsmittelsunabKonformationsgleichgewicht hgngig. EXPERIMENTELLER TEIL Die cis-Zimtsiiure ist nach Stoermer [14] durch UVBestrahlung von gekaufter trans-Slure dargestellt. Die tram- und cis-Methylatropasiiuren sind nach Nilsson [15] bzw. Jiinsson [16] erhalten. Die ungesgttigten SIuren wurden mit Methanol und mit konz. Schwefelslure als Katalysator verestert. Urn die Umlagerung der cisVerbindungen zu vermeiden, wurde die Veresterung bei Zimmertemperatur ausgefiihrt. Die Addition von Brom an die ungesiittigten Sluren oder Ester wurde in Schwefelkohlenstoff ausgefiihrt. Die aus tram-Zimts?iure erhaltene c+Dibromhydrozimtslure bestand aus einer Mischung van zwei diastereoisomeren Verbindungen. Durch Umkristallisation aus Schwefelkohlenstoff konnte man eine in vorkommende hochschmelzende, griisserer Menge schwerlijsliche Form und eine niedrigschmelzende, leichtlijsliche Form isolieren [ 171. Bei der Veresterung bei Zimmertemperatur wurde aus der tram-Siure ein reiner trans-Methylester erhalten, wiihrend der aus der cis-S&e erhaltene Ester eine Mischung von 35% trans- und 65% c&-Form war. Bei der Addition von Brom zu trans-Methyleine atropasiiure erhielt man Isomerenmischung mit dem Schmelzpunkt loo”, welche 55% der einen und 45% der anderen Form enthielt. Aus der cis-Siiure und Brom erhielt man eine Mischung, den Schmelzpunkt 116-117” und 15 bzw. 85% der entsprechenden Isomeren. Aus der Isomerenmischung mit dem Schmelzpunkt 100” konnte man durch Umkristallisation aus Ligroin ein hochschmelzendes schwerliislicher, fast reines Isomer mit dem Schmelzpunkt 113” mit ungefHhr gleichen Teilen der Isomeren erhalten. Auch bei Bromaddition an reinen bans- oder cisMethylatropasgure-methylester wurde eine Mischung der beiden Dibromester erhalten. Beim Kochen der qp-Dibromhydrozimtsgure acht Stunden mit Wasser oder beim Stehenlassen neun Tage bei Zimmertemperatur einer gesattigten NaHCO,-Liisung der Siiure wurde das P-Bromatom gegen eine OHGruppe ausgetauscht. Beim Kochen wurde eine Mischung der beiden stereoisomeren Bromhydrinsluren erhalten. Beim Stehenlassen wurde nur die eine Form erhalten. Es scheint, als ob die eine Form in NaHCO,-L&ung instabil w&re und in die andere Form umgelagert wurde. Behandlung mit Na,CO,-Liisung oder Kochen mit NaHCO,L&mg ergab eine Misching von anderen Produkten als Bromhvdrinsluren oder Diolen rll, 12, 171. Das _ Bromatom am terti&n Kohle&toffatom in Dibrommethylhydratropaslure war sehr 10s gebunden. Schon wenn eine Atherliisung der Siiure ein paar Minuten lang mit einer gesiittigten NaHCO,-L&ung geschiittelt
S
wurde, wurde das Bromatom am tertitien Kohlenstoffatom gegen eine OH-Gruppe ausgetauscht. Man erhielt zwei Formen der Bromhydrinsiiure, welche nicht von einander getrennt wurden. Beim Stehenlassen zwei Stunden einer Wasserliisung von Dibrom-methylhydratropasgure und NaHCO, bei Zimmertemperatur wurde die eine form (4b) in die andere (4n) vollstiindig umgelagert. Die beiden Bromatome wurden gegen OH-Gruppen ausgetauscht, wenn die Siiure zwei Stunden lang mit einer gesittigten Na,CO,-L&ung behandelt wurde. Nur die eine Form der Dihydroximethylhydratropiisure mit dem Schmelzpunkt 170” wurde bei dieser Behandlung erhalten. S&ntliche Hydroxisiiuren ergaben bei Veresterung mit Methanol und konz. Schwefelsgure die entsprechenden Methylester. Die NMR-Spektren wurden mit den Spektrometern Varian A-60A und Perkin-Elmer R 12 aufgenommen. TMS wurde als innere Bezugssubstanz verwendet. Die Konzentration der gemessenen Liisungen war etwa 0.5 Mol/dm’ und die Temperature etwa 36 * 1°C. Dnnksagung-AI3 Karlshamns Oljefabriker, Karlshamn, und AB Leo, Helsingborg, haben die NMR-Gerlte zu unserer Verfiigung gestellt, wofiir wir bestens danken. Die Kgl. Physiographische Gesellschaft, Lund, hat die Arbeit finanziell unterstiitzt.
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