Christian Librera

• Im Rahmen dieser Arbeit wird die Regio- und Stereoselektivität der 1,2-Umlagerung von 1,3-Cylopentandiyl-Radikalkationen und den entsprechenden Carbokationen untersucht. Die 1,3-Radikalkationen werden dabei durch Elektronentransfer (ET) mit Tris(p-bromphenyl)-ammoniumhexachlorantimonat (TBA•+SbCl6-) aus den Tricyclo[3.3.0.02,4]octanen (Hausanen) I generiert, die Carbokationen können durch Protonierung mit TFA und HClO4 erhalten werden. Ein mechanistisches Bild wird gezeichnet wie durch das Wechselspiel aus konformationellen, sterischen undIm Rahmen dieser Arbeit wird die Regio- und Stereoselektivität der 1,2-Umlagerung von 1,3-Cylopentandiyl-Radikalkationen und den entsprechenden Carbokationen untersucht. Die 1,3-Radikalkationen werden dabei durch Elektronentransfer (ET) mit Tris(p-bromphenyl)-ammoniumhexachlorantimonat (TBA•+SbCl6-) aus den Tricyclo[3.3.0.02,4]octanen (Hausanen) I generiert, die Carbokationen können durch Protonierung mit TFA und HClO4 erhalten werden. Ein mechanistisches Bild wird gezeichnet wie durch das Wechselspiel aus konformationellen, sterischen und elektronischen Faktoren ein stereochemischer Erinnerungseffekt die Produktselektivität der 1,2-Umlagerung bestimmt. Das Produktverhältnis der Umlagerungsprodukte II und III spiegelt nicht die unterschiedlichen Wanderungstendenzen der Substituenten R wider. Es wird gezeigt, wie durch strukturelle Variation der Ringanellierung in den 1,3-Radikalkationen das Umlagerungsverhalten derart manipuliert werden kann, dass entweder sterereochemische Kontrolle (stereochemischer Erinnerungseffekt) oder Curtin / Hammett-Verhalten zutrifft. In der Elektrontransfer-induzierten 1,2-Umlagerung der usane I entstehen regioselektiv die beiden Cyclopentene II (Wanderung der CH3-Gruppe) und III (Wanderung der R-Gruppe) durch eine 1,2-Verschiebung der beiden Methylenbrückensubstituenten zum Methylterminus (Schema A). Für alle Hausanderivate I ist das Verhältnis der beiden Umlagerungsprodukte II und III annähernd gleich und reflektiert nicht die zu erwartende Wanderungstendenz Methyl < Ethyl < Benzyl, Allyl (Tabelle A). Der Grund für diesen stereochemischen Erinnerungseffekt liegt darin, dass die Wanderung der CH3-Gruppe schneller erfolgt als die konformationelle Äquilibrierung der beiden Radikalkationkonformere anti-I•+ syn-I•+. Die säurekatalysierte Umsetzung mit TFA ergibt eine ähnliche Regio- und Stereoselektivität wie in der ET-induzierten Umlagerung, es entstehen ausschließlich die Cyclopentene II und III. Die Umsetzung mit HClO4 führt zu einer kompletten Umkehr der zuvor beobachteten Produktselektivitäten (Tabelle A). Die Unterschiede in den Produktselektivitäten werden mit dem Auftreten der drei unterschiedlichen Intermediate I•+, I(edge-H)+ und I(corner-H)+ in der Umlagerung erklärt. Bei der ET-induzierten Umlagerung und der Säurekatalyse mit TFA werden die gewinkelten Intermediate I•+ und I(edge-H)+ durchlaufen, wohingegen bei der Protonierung mit HClO4 direkt das offene Carbokation I(corner-H)+ gebildet wird. Für alle Umlagerungsmodi findet jedoch bevorzugt Wanderung der CH3-Gruppe statt, so dass die Produktselektivität durch einen stereochemischen Erinnerungseffekt bestimmt wird. Um den Einfluss einer zusätzlichen Ringanellierung auf das Umlagerungsverhalten zu untersuchen, wird ebenfalls die ET-induzierte Umlagerung für das tetracyclischen Hausan IV untersucht (Tabelle B). Die Umsetzung des Phenyl-substituierten Hausans IV&#61537; mit TBA•+SbCl6- resultiert regioselektiv die beiden diquinanverwandten Umlagerungsprodukte V&#61537; (55%) und VI&#61537; (45%) durch Wanderung der CH3-Gruppe und des CH2-Fragments des anellierten Ringes. Die Umlagerung des Methyl-substituierten Derivats IV&#61538; verläuft hingegen weder regio- noch stereoselektiv zu den drei Isomeren V&#61538; (37%), VI&#61538; (25%) und VII&#61538; (43%). Für die Umsetzung mit HClO4 wird im Fall von Hausan IV&#61537;&#61472;eine komplette Umkehr der Regioselektivität beobachtet und es entsteht hauptsächlich das Produkt VII&#61537; (67%), sowohl die beiden Regioisomeren V&#61537; (24%) und VI&#61537; (9%). Das Methyl-substituierte Derivat IV&#61538; ergibt bei der Umsetzung mit HClO4 regio- und stereoselektiv ausschließlich das Cyclopenten V&#61538; (> 95%). Die Produktselektivität der 1,2-Umlagerung des Hausans IV&#61537; lässt sich durch die Viskosität (&#61544;&#61481; des verwendeten Lösungsmittels steuern. Mit zunehmender Viskosität nimmt der Anteil an Methylwanderungsprodukt V&#61537; zu, so dass sich das V&#61537;/VI&#61537; Verhältnis beim Übergang von Dichlormethan (&#61544;&#61472; = 0.36 cP) zu 1,4-Butandiol (&#61544;&#61472; = 89.2 cP) fast verdoppelt. Im Gegensatz dazu zeigt das Produktverhältnis II&#61542; / III&#61542; der Umlagerung von den diastereomeren Hausanen anti-I&#61542; und syn-I&#61542; keine Viskositätsabhängigkeit. Anhand der für die Umlagerung beobachteten Produktverhältnissen wird, ausgehend vom Hausanisomer anti-I&#61542; einerseits und Hausanisomer syn-I&#61542; andererseits, das Ausmaß an Stereoselektivität der 1,2-Umlagerung durch eine detaillierte Kinetikanalyse quantifiziert Die CD3-Wanderung (k2), ausgehend vom vom anti-I&#61542;•+(verdrillt) Konformer, erfolgt ca. sieben Mal schneller als die konformationelle anti-zu-syn (k1) Transformation zum Radikalkationkonformer syn-I&#61542;•+(verdrillt). Wohingegen die CD3-Wanderung (k3), ausgehend vom syn-I&#61542;•+(verdrillt) Konformer, nur ca. drei Mal schneller ist als die syn-zu-anti Transformation (k-1) zum Radikalkation anti-I&#61542;•+(verdrillt). Für die Umlagerung der aus den Hausanen I generierten Radikalkationen und Carbokationen wird ein stereochemischer Erinnerungseffekt beobachtet. Die Wanderungsselektivität wird durch konformationelle und sterische Effekte bestimmt und ist unabhängig von der Wanderungstendenz des Substituenten R. Die konformationellen Effekte der 1,2-Umlagerung von 1,3-Cyclopentandiyl-Radikalkationen können durch eine geeignete Variation der Ringanellierung so gesteuert werden, dass entweder ein stereochemischer Erinnerungseffekt (tricyclische Hausane I) oder ein Curtin/Hammett-Verhalten (tetracyclische Hausane IV) beobachtet wird. Die zusätzliche Cyclohexananellierung im Hausan IV löscht den stereochemischen Erinnerungseffekt und bewirkt eine für radikalkationische Intermediate erstmalig beobachtete Viskositätsabhängigkeit der Produktselektivität in der Umlagerung.…
• The present study provides valuable mechanistic insight into the intricacies and complexities in the rearrangement of the 1,3 radical cations [generated by electron transfer with tris(p-bromo)phenylaminium hexachloroantimonate (TBA•+SbCl6-)] and the corresponding carbocations [formed by protonation with trifluoroacetic (TFA) and perchloric acid (HClO4)]. This elaborate comparative study provides a mechanistic assessment of the interplay of conformational, electronic and steric effects on the product selectivity in the rearrangement of radicalThe present study provides valuable mechanistic insight into the intricacies and complexities in the rearrangement of the 1,3 radical cations [generated by electron transfer with tris(p-bromo)phenylaminium hexachloroantimonate (TBA•+SbCl6-)] and the corresponding carbocations [formed by protonation with trifluoroacetic (TFA) and perchloric acid (HClO4)]. This elaborate comparative study provides a mechanistic assessment of the interplay of conformational, electronic and steric effects on the product selectivity in the rearrangement of radical cations and the corresponding carbocation intermediates as required by stereoelectronic control. For all activation modes in the rearrangement of the housanes I stereochemical memory operates, which is imposed by the conformational requirements that are dictated by the stereoelectronics of the 1,2 migration. As a consequence, the ratio of the rearrangement products II/III is insensitive to the migratory aptitude of the R substituent in the housanes I. Additionally, it has been demonstrated that structural changes allow to manipulate the conformational effects in the rearrangement of 1,3-cyclopentandiyl radical cations that either stereochemical memory or Curtin / Hammett behavior is observerd. The electron-transfer-catalyzed rearrangement of the housanes I affords regioselectively exclusively the two cyclopentenes II (CH3 migration) and III (R migration) by 1,2 shift of the two groups at the methano bridge to the methyl terminus For all derivatives, the 1,2 shift of the CH3 group prevails and the rearrangement ratio is relatively insensitive to the migratory aptitude of the R substituent. The TFA-catalyzed rearrangement leads to a similar regio- and stereoselectivity as in the case of electron transfer. Thus, only the cyclopentenes II and III are produced with predominant CH3 migration.The rearrangement catalyzed by HClO4 leads to complete reversal in product distribution compared to the above-desribed rearrangements. The bridged structures I•+, I(edge-H)+ and I(corner-H)+ are suggested as key intermediates. In the electron-transfer and TFA-catalyzed rearrangements, the two puckered intermediates I•+and I(edge-H)+ intervene, whereas the open structure I(corner-H)+, formed by direct cornerwise protonation of the housane I, is suggested. In all cases, the CH3 group migrates in preference, the stereochemical memory effect accounts for the observed product selectivity. To probe the influence of ring annelation on the product selectivity, also the tetracyclic housanes IV were subjected to the electron-transfer oxidation by TBA•+SbCl6- (Table B). The electron-transfer rearrangement of the housanes IV&#61537; on treatment with TBA•+SbCl6- affords regioselectively the two isomeric products V&#61537; (55%) and VI&#61537; (45%) by migration of the two groups at the methano bridge. In contrast, the methyl derivative IV&#61538; is neither regio- nor stereoselective and leads to the three isomeric cyclopentenes V&#61538; (37%), VI&#61538; (25%), and VII&#61538; (43%). Acid-catalyzed rearrangement of the housane IV&#61537; gives in addition to V&#61537; (24%) and VI&#61537; (9%), the regiosiomer VII&#61537;&#61472; (67%) as major product. Acid-catalyzed rearrangement of the methyl-substituted housane IV&#61538; yields regio- and stereoselectively the quinane V&#61538;&#61472;(> 95%). For the housane IV&#61537; a mechanistically pertinent viscosity dependence is disclosed on the product selectivity. Whereas at low viscosity the two cyclopentenes V&#61537; and VI&#61537; are formed in nearly equal amounts, the methyl migration product V&#61537; dominates more than twofold at higher viscosity. In contrast, the electron-transfer-induced rearrangement of the isomeric housanes anti-I&#61542; and syn-I&#61542; does not depend on the solvent viscosity (Scheme B). To evaluate quantitatively the extent of stereochemical memory, the ratios k2/k1 and k3/k-1 serve as a quantitative measure of the stereoselectivity, that is, for the case k2 >> k1 and k3 >> k-1 perfect stereochemical memory applies, whereas for the case k2 << k1 and k3 << k-1 complete Curtin-Hammett behavior operates. Thus, the CD3 migration in the anti-I&#61542;•+(twisted) conformer (k2) proceeds ca. seven times faster than the conformational anti-to-syn change (k1) to the conformer syn-I&#61542;•+(twisted), whereas the CD3 transfer in the syn-I&#61542;•+(twisted) conformer (k3) is only ca. three times faster than the syn-to-anti conformational change (k-1) to the anti-I&#61542;•+(twisted) species. The present study reveals that the product selectivity of the 1,2 migration in the electron-transfer as well as in the acid-catalyzed rearrangement of the housanes I is decisively determined by conformational and steric factors. For all activation modes, the stereochemical memory effect operates. As a consequence, the ratio of rearrangement products is essentially insensitive to the migratory aptitude of the R substituent in the housanes I. This stereochemical memory effect derives from the conformational imposition on the stereoelectronic requirements during the 1,2 migration of the 1,3-radical-cation intermediates. Appropriate ring annelation in the intermediary 1,3-cyclopentandiyl radical cation allows to change the stereochemical course of the rearrangement from stereochemical memory (tricycylic housanes I) to complete loss of sterecontrol through Curtin/Hammett behavior (tetracyclic housanes IV); thus, cyclohexane annelation erases the stereochemical memory effect. Such structural manipulation of the conformational control in radical-cation rearrangements has hitherto not been documented. The observed Curtin/Hammett behavior of the housane IV&#61537; represents the first case for which conformational equilibration precedes competing product formation through 1,2 migration, which could have hardly been anticipated.…