Cyclophane

Vortrag im Rahmen des OC-F Praktikums WS 2007/08 09.11.2007
1. Einleitung
Cyclophane
Eigenschaften, Synthesen, Reaktionen
gehalten von
Muxin Han und Vanessa Maria Brake
1.1 Definition: Phane und Cyclophane
Als Phane werden Moleküle bezeichnet, die aus einem Aromaten bestehen, der durch eine
zumeist aliphatische Kette überbrückt ist. Damit gehören zu den so genannten ansa-Verbindungen.
Nach der Definition von Vögtle & Neumann werden Systeme, in denen der Aromat ein Benzolring
ist, als Cyclophane bezeichnet. Allerdings hat sich eingebürgert, den Begriff „Cyclophan“ speziell
für solche Moleküle zu verwenden, in denen zwei Benzolringe über mindestens zwei aliphatische
Ketten miteinander verbrückt sind. Enthalten Phane Heteroatome im aromatischen Ring nennt man
sie Heterophane. Sind die Heteroatome in der Brücke lokalisiert, spricht man von Heteraphanen.
Das bekannteste Cyclophan ist das [2.2]Paracyclophan.
1.2 Nomenklatur
Neben der üblichen IUPAC-Nomenklatur existiert eine von Cram und anderen begründete
Benennung für Cyclophane. Hinter den Namen des Aromaten wird die Silbe „phan“ angehängt.
Benzenophane werden per Konvention auch „Cyclophane“ genannt. In eckigen Klammeren wird
die Anzahl der Atome der Brücke nach absteigender Kettenlänge vor den Namen gesetzt. Die
Positionen der Brücken werden entweder durch die Angaben ortho, meta und para vor den Namen
gestellt oder als Zahlen in runden Klammern. Bsp.: [2.2]Paracyclophan = [2.2](1,4)Cyclophan.
Wenn für ein Cyclophan die maximal mögliche Anzahl an Verbrückungen realisiert worden ist,
bezeichnet man es als „Superphan“.
[CH2] 4 [CH
NH
2] 6
2
22-Amino[6.4]orthometacyclophan
1
10 11
9
6
12
16 7
5
13
15
8
4
14
3
2
10
9
(6)
7
15
N
12
(2)
5 4
[2.2.0]Metacyclophan [2 2](1,4)Cyclophan [2]Paracyclo-
[2](2,6)pyridinophan
1
8
1
2

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1.3 Optische Aktivität bei Cyclophanen – planare Chiralität
Substituierte Cyclophane können je nach Substitutionsmuster optische Aktivität aufweisen. Diese
häufig bei ansa-Verbindungen auftretende Chiralität wird als planare Chiralität bezeichnet. Als
Beispiel für eine solche Verbindung ist die Paracyclophancarbonsäure dargestellt. In dieser
Verbindung ist x die Gruppe mit der höchsten Priorität nach den CIP-Regeln, die mit der
Chiralitätsebene verbunden ist, das sog. „pilot atom“. Von diesem ausgehend, werden die Atome in
der Ebene betrachtet.
Je nachdem welche Drehrichtung sich ergibt, wird Rp oder Sp als Stereodeskriptor verwendet.
b
a
X
c
c
Sp COOH
HOOC
Rp
2. [2.2]Cyclophane: Synthesen, Reaktionen und Eigenschaften
Besonders gut charakterisiert sind die [2.2]Cyclophane, die im Zentrum der Cyclophanchemie
stehen. Von den 6 möglichen Kombinationen konnte nur das Orthoparacyclophan noch nicht
synthetisiert werden. Die bekanntesten Phane dieser Gruppe sind das [2.2]Paracyclophan und das
[2.2]Metacyclophan.
2.1 Verschiedene Synthesewege
• Pyrolyse von p-Xylol (Swarc-Pyrolyse)
H3C CH3 H2C CH2 -2H
• Wurtz-Kupplung
Br
Br
Δ
Na in THF, -80 C
TPE
77% Ausbeute
TPE = Tetraphenylethylen
2
X
2×
a
550 C
b

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• Hoffmann-Eliminierung von p-Methylbenzylammoniumhydroxiden
H 3C
H 3C
NH 2
N[CH 3] + HO -
• Synthese über Dithiaphan
Br
Br
+
a) Sulfonpyrolyse
S S
SH
SH
H 2O 2
3 CH 3I
-2 HI
H 3C
-H 2O
-N(CH 3) 3
Base,
Ethanol, Benzol
b) Ramberg-Bäcklund-Umlagerung
O
S S
O
mCPBA
Cl
O
O
mCPBA
O
O
S S
S S
S S
3
N[CH 3] + I -
H 2C CH 2
S S
O
O
350 C
-2 SO 2
AgO, H 2O
SO
O
2Cl2 S S O O S S O
O
O
O
O
Cl
-2 SO 2
Base
Cl
Cl
O
CH
O
S
O
HC
S
O
Cl
H 2/Raney-Ni
Cl

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c) Thio-Stevens-Umlagerung
S S
Umlagerung
AgO
-2SMe 2
S
H 3C
CH 3I
H 3C
S S
CH 3
S
CH 3I
H 2/Raney-Ni
4
CH 3
H 3C
S
H 3C
Base
CH
H3C S
HC
S
CH
3
2.2 Molekülgeometrie und Eigenschaften
Eine Besonderheit der [2.2]Cyclophane besteht darin, dass hier hochgespannte Systeme vorliegen
Außerdem wechselwirken beide π-Systeme der Ringe miteinander, was sich stark auf die
Reaktivität auswirkt. Als Beispiel soll hier [2.2]Paracyclophan vorgestellt werden.
Kristallstrukturanalysen zeigen, dass die aromatischen Brückenkopfatome aus der Ebene der
Ringe hinaus gebogen sind, so dass der Ring in eine Wannen-Konformation gezwungen wird, d.h.
dass die Planarität des Systems aufgehoben wird.
Während der Abstand der π-Systeme in Graphit noch 340 pm beträgt, beträgt er zwischen den
„mittleren“ C-Atomen 309 pm und zwischen den Brückenkopfatomen nur noch 278 pm. Dies lässt
darauf schließen, dass es zwischen den π-
Systemen zu erheblichen transannularen
Überlappungen kommt. Die p-Orbitale der
Ringsysteme sind hier parallel zu C-C-
Einfachbindungen der Brückenatome, so
dass es zu π-σ-Wechselwirkungen kommt.
So entsteht ein über das gesamte Molekül
ausgedehntes π-System. Je länger die Ketten werden, desto geringer werden diese
Wechselwirkungen, in [3.3]Cyclophanen sind sie noch schwach, in [4.4]Cyclophanen gar nicht
mehr vorhanden. Das Molekül ist aber nicht vollkommen starr: die Benzolringe können entlang der
Längsachse aufeinander zu und von einander weg schwingen (sog. Akkordeonschwingung). Auch
die Ringe selbst können sich gegen einander verdrehen und eine Torsionsschwingung ausführen.
Trotz der Verzerrung der Ringe bleibt die Aromatizität erhalten. NMR-Daten zeigen, dass die
Benzol-Protonen auch im aromatischen Bereich zu finden sind. Vielfach zeigen Cyclophane auch
eine aromatische Reaktivität.
CH 3
S
CH 3

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2.3 Reaktivität im Ringsystem
Bei einfach substituierten Cyclophanen kann beobachtet werden, dass die Zweitsubstitution fast
ausschließlich in den unsubstituierten Ring erfolgt. Folgende Substitutionsmuster sind möglich:
X
pseudogeminal
X
Y
pseudoorthol
Y
X
Y
pseudopara
5
X
Y
pseudometa
X X
Welches Produkt gebildet wird, hängt von der Natur des Substituenten ab. Nach Cram sind
transannular dirigierende Effekte entscheidend. Durch ein Deuterierungs-Experiment konnte ein
Mechanismus entwickelt werden.
Br
D
H
E
Br
E
D
H
langsam
Br
σ-Komplex
Im substituierten Ring sind die p- und o-Position basischer als die m-Position. Greift ein Elektrophil
am gegenüberliegenden Ring an, entsteht oben gezeigter σ-Komplex. Nun findet ein
Deuteriumaustausch mit dem ersten Ring statt was durch Mesomerie stabilisierte Grenzstrukturen
führt. Durch Protonenabspaltung erhält man schließlich das neutrale disubstituierte Cyclophan.
Ist der Substituent im ersten Ring selbst basisch (z.B. Ether-, Amino- oder Esterfunktionen)
werden nach gleichem Mechanismus bevorzugt pseudo-geminale Produkte (pseudo-geminaler
Effekt) gebildet.
3. Highlights der Cyclophanchemie
3.1 Maximal mögliche Verbrückungen – Das Superphan
In einem Superphan ist die maximal mögliche Verbrückung erreicht. Am bekanntesten ist das [26]-
Superphan. Zwar gibt es für viele dieser Verbindungen keine praktischen Anwendungen, sie liefern
aber vor allem theoretisch wertvolle Erkenntnisse. Beim [26]-Superphan, handelt es sich um ein
hochsymmetrisches Molekül der Punktgruppe D6h. Mit 262 pm unterschreitet der Abstand beider
Ringsysteme den in [2.2]Paracyclophan. Aufgrund der hohen Symmetrie kann hier keine
Verzerrung der Benzoleinheiten beobachtet werden.
Die bekannteste Synthese stammt von Boekelheide, der auf den o-Xylol-Syntheseweg zurückgreift:
E
D
H
rasch
-H
Br
E
D
Y
para

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H 3C
H 3C
H 3C
H 3C
CH 2Cl
CH 3
a
H 3C
H 3C
b
1 2 3 4
CH 2Cl CH 2Cl
7
f
CH§
CH§
CH 3
CH 3
d, e
g, h, i
H 3C
H 3C
H 3C
H 3C
CHO CHO
ClH 2C
ClH 2 C
8 9 10
(a) 750 C, 10 -3 Torr (53%); (b) 400 C, N 2, 1 atm (63%); (c) Cl 2CHOCH 3, SnCl 4 (60% 6); (d) NaBH 4, CH 3OH (100%); (e) SOCl 2, Benzol (100%);
(f) 700 C, 10 -2 Torr (40%); (g) Cl 2CHOCH 3, SnCl 4 (98%); (h) LiAlH 4, Ether (96%); (i) SOCl 2, Pyridin (93%): (j) 650 C, 10 -2 Torr (57%)
Über den Thiaphanweg ist es auf Grund zu hoher Spannung nicht möglich, Superphane zu
synthetisieren.
3.2 Doppeldecker-Phane
Sogenannte Doppeldecker-Phane sind Phane, die mehr als ein „Benzol-Deck“ enthalten. Sie sind
von besonderem Interesse für die Erforschung transannularer Effekte. Bei diesem Typ der Phane
wurde erstmals gefunden, dass die in der Mitte liegenden Benzolringe in eine Twist-Konformation
verzerrt werden, wogegen die äußeren in der Wannen-Konformation verbleiben.
Als Syntheseweg wählt man die Hofmann-Eliminierung quartärer Ammoniumhydroxide.
1. NBS,
2. NMe 3,
3. OH -
R
R = CH 2-NMe 3 + OH -
6
6
CH§
CH§
2x
CH 3
CH 3
CH 2NMe 3
OH
j
H 3C
H 3C
H 3C
H 3C
CHO
5
c
CHO
CH 3
CH 3
CH 3
CH 3

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3.3 Metallacyclophane
Cyclophane können auch an Übergangsmetalle komplexiert werden.
ML n
π
π
ML n
π
π
ML
MLn n X
Neben der Möglichkeit solche Sandwichkomplexe (D) über Metall-Ligand-Co-Kondensation
dazustellen, was bspw. mit Chrom und [2.2]Paracyclophan in guten Ausbeuten funktinioniert,
lassen sich einige Verbindungen auch stufenweise aufbauen wie an einem Rutheniocenophan
demonstriert werden soll.
Trifluoressigs ure
2
Ru
RuCl 2(DMSO) 4
O
- 4 DMSO
- 2 Cl -
LiAlH4, AlCl3/Et2O
Ru
Ru
7
M'
π
π
1. N-Methylformamid, POCl 3
2. Malons ure, Piperidine
3. H 2/PtO 2/EtOH
Eine besonders interessante Synthese ist zum Abschluss in folgender Abbildung dargestellt, bei
der sich das Metallion quasi selbst in den Cyclophankäfig einschließt.
t-Bu
4. Literatur
n
Co
OC CO
n
t-Bu
Dekalin, 190 C
(1) F. Vögtle, Cyclophan Chemie, B.G. Teubner Stuttgart, 1990.
(2) R. Gleiter, H. Hopf, Modern Cyclophane Chemistry, Wiley-VCH Verlag, 2004.
(3) H. Hopf, Classics in Hydrocarbon Chemistry, Wiley-VCH Verlag, 2000.
(4) H. Hopf, Angew. Chem., 1972, 84, 471-476.
(5) F. Vögtle, Angew. Chem., 1969, 81, 258-262.
(6) R. H. Mitchell, J. Am. Chem. Soc., 1974, 96, 1558-1559.
(7) D. J. Cram, J. M Cram, Acc. Chem. Res., 1971, 4, 204-213.
(8) D. J. Cram, H. Steinberg, J. Am. Chem. Soc., 1948, 73, 5691-5704.
t-Bu
n
Co
O
Ru
π
M
π
HOOC
n
t-Bu