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I.  Einleitung und Aufgabenstellung

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts postulierte J. Bredt die Nichtexistenz bicyclischer Moleküle mit von den Brückenköpfen ausgehenden endocyclischen Doppelbindungen [1, 2]. Bredt stützte sich damals auf experimentelle Versuche zur Dehydrohalogenierung von Molekülen der Camphan- und Pinan-Reihe. Es gelang ihm nicht, das Brückenkopf-Olefin 2 durch Eliminierung von Bromwasserstoff aus Bromcampher 1 herzustellen. Aus diesen experimentellen Mißerfolgen zog Bredt die allgemeingültige Schlußfolgerung, Brückenkopf-Olefine seien nicht existent. Diese Einschätzung teilte die wissenschaftliche Welt gut ein halbes Jahrhundert. In den fünfziger Jahren kamen allerdings Zweifel an dem sehr allgemein formuliertem Verbot für Brückenkopf-Olefine auf.

Schon im Jahre 1950 konnte Prelog zeigen, daß sich Diketon 3 nach Basenbehandlung in das bicyclische Michael-System 4 überführen ließ, einer isolierbaren Verbindung, die nach Bredts Regel nicht stabil sein sollte.[3]

Man erkannte immer mehr die strukturellen Sachverhalte, die diese von Bredt empirisch aufgestellte Regel begründeten, aber auch, daß ein Verbot von Brückenkopf-Doppelbindungen nicht allgemein gültig sein kann. Sind die Brücken des bicyclischen Systems groß genug, d.h. ermöglichen sie der Doppelbindung eine koplanare Lage, sollten diese Brückenkopf-Olefine existieren und auch eine Isolierung dieser Verbindungen sollte nicht ausgeschlossen sein. Den konzeptionellen Durchbruch erzielte Wiseman im Jahre 1967.[4] Unabhängig von Marshall [5] berichtete er über die Darstellung eines Bicyclo[3.3.1]oct-1-ens 5, eines stabilen, wenn auch reaktiven Brückenkopf-Olefins. Parallel dazu gelang ihm die Formulierung eines generell verallgemeinerbaren Konzeptes. Grundaussage dieses Prinzips ist der Vergleich der Brückenkopf-Olefine mit ihren korrespondierenden cyclischen trans-


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Olefinen. Bei Betrachtung eines allgemeinen Brückenkopf-Olefins vom Typ 6 wird deutlich, daß die Doppelbindung in zwei der drei Ringe endocyclisch, in einem exocyclisch eingebunden ist. Die logische Konsequenz für die endocyclischen Doppelbindung ist, daß sie in einem Ring cisoid, im anderen transoid konfiguriert sein muß, d.h. das Brückenkopf-Olefin besteht formal aus einem cis- und einem trans-Cycloolefin zusammen. Für gewöhnlich entspricht der größere Ring der transoiden Ausrichtung der Doppelbindung. Aufgrund dieser Betrachtung lassen sich die Spannungsenergien von Brückenkopf-Olefinen in etwa mit denen der entsprechenden trans-Cycloalkene vergleichen. Nach Wiseman sollten Brückenkopf-Olefine stabil und isolierbar sein, wenn ihr trans-konfigurierter Ring die Größe von acht Kohlenstoffenatomen nicht unterschreitet, wie er auch mit der Synthese von Verbindung 5 zeigen konnte. Die Darstellung kleinere bicyclischer Olefine sollte sich allerdings schwierig gestalten. Analog zu den trans-Cycloalkenen sollten sich diese als instabil erweisen, was ihre Isolierung erschweren würde und sie überhaupt nur als reaktive Zwischenstufen nachweisbar macht.

Aber auch die fortschreitende Isolierung, Charakterisierung und Synthese von Naturstoffen zeigte, daß eine Relativierung der 1924 von Bredt aufgestellten Regel notwendig war. Bereits in den sechziger Jahren begann man, die Klasse der Taxole 7 zu erschließen[6], hochwirksame anti-Tumor-Wirkstoffe, die pro forma Derivate des Bicyclo[5.3.1]undec-1(10)-ens darstellen, nach dem Bredtschen Postulat nicht existierende Verbindungen.

Auch die erst vor kurzem von Nicolaou und Fukayama synthetisierten CP-Verbindungen (-)-CP-225,917 8 und (-)-CP-263,114 9, hochwirksame Inhibitoren der Ras-Farnesyl-Transferase und


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Squalen-Synthease, zeigen die Strukturmerkmale der von Bredt verbotenen Olefine. Die Reihe der biologisch wirksamen Substanzen mit diesem Charakteristikum ist lang und eine umfassende Erörterung würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen[7, 8]. Jedoch haben alle diese Verbindungen ein gemeinsames Charakteristikum: Ihr Grundgerüst bildet ein Bicyclo[4.3.1]dec-1(9)-en und damit folgen sie uneingeschränkt dem Konzept von Wiseman. Die Möglichkeiten, Brückenkopf-Olefine zu erzeugen, sind sehr vielfältig.[9] Neben der ß-Eliminierung ist hier besonders die Carben-Olefin-Umlagerung hervorzuheben. Schon seit Ende der siebziger Jahre ist bekannt, daß 1,2-Alkylverschiebungen in deutliche Konkurrenz zu Wasserstoff-Verschiebungen treten können, wenn die Folge dieser 1,2-Alkylverschiebung die Erweiterung eines cyclischen Gerüstes unter Abbau von Ringspannung ist. So lagert Chlorcyclobutylcarben 10 zu 70% zum 1-Chlor-cyclopenten 11 um, während das Produkt des 1,2-H-Shifts, (Chlormethylen)-cyclobutan 12, nur zu 30% gebildet wird.[10, 11]

Daß es sich bei dieser Umlagerung um keine exotische Reaktion handelt, die ausschließlich auf sehr einfache Systeme anzuwenden ist, zeigt ein Beispiel aus der Synthese von Naturstoffen. Sigrist et al. bedienten sich 1986 dieser Reaktion bei der Totalsynthese von Sativen. Dichlorid 13 wurde nach Halogen-Metall-Austausch, Umlagerung und darauffolgender Keto-Enol-Tautomerisierung erfolgreich in das Keton 14 überführt.[12]

Erzeugt man nun Carbenzentren in a-Position zum Brückenkopf eines bicyclischen Systems 15, so kann sich dieses Carben ebenfalls durch Insertion in eine der benachbarten C-C-Bindungen des Rings stabilisieren. Resultat ist die Bildung eines Brückenkopf-Olefins 16, dessen Stabilität sich mittels


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des Konzeptes von Wiseman abschätzen läßt. In den meisten Fällen stellt das gebildete Olefin selbst eine hochreaktive Spezies dar, die sich ihrerseits zu stabilisieren versucht. Steht dem anti-Bredt-Olefin kein Reaktionspartner zur Verfügung, wie z. B. unter den Bedingungen der Gasphasenpyrolyse, kann eine Stabilisierung nur intramolekular erfolgen. Probates Mittel ist die Umlagerung zu einem neuen Carben, im Folgenden als sekundäres Carben bezeichnet, um vom ersten, primär erzeugten Carben zu unterscheiden. Dies konnte Eaton erstmalig im Jahre 1987 zeigen.

Das durch Pyrolyse der Diazoverbindung 17 erzeugte Cubylphenylcarben 18 lagert unter Ringerweiterung zum 9-Phenyl-1,9-dehydrohomocuban 19 um, welches formal einem mehrfach überbrücktem trans-Cyclopenten entspricht, einer hochgespannten Spezies mit stark pyramidalisierter p-Bindung. 19 seinerseits geht eine Gerüstumlagerung zum sekundären 1-Phenyl-9-homocubylidencarben 20 ein.[13, 14, 15]

Dies ist das erste Beispiel für eine Reaktionskaskade vom primären Carben über ein Brückenkopf-Olefin in ein sekundäres Carben. In den neunziger Jahren war es vor allem die Arbeitsgruppe um Szeimies, die wichtige Beiträge zur Carben-Olefin-Carben-Umlagerung leistete. Besonderes Interesse galt hierbei der Synthese und Folgechemie verschiedener Bicyclo[2.1.1]hex-1-ene (Abb. 1), extrem instabiler Olefine mit einer “olefinic-strain-energy“ von etwa 60 kcal/mol.[16] Die starre Geometrie des Bicyclo [2.1.1]hex-1(2)-ens hätte eigentlich eine perfekte Orthogonalität der p-Orbitale zur Folge, d.h. eine Bindung im eigentlichen Sinne wäre gar nicht vorhanden. Durch eine starke Pyramidalisierung dieser Kohlenstoffatome wird allerdings ein maximaler an Überlappung angestrebt.


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Abb.1: Pyramidalisierung von gespannten Brückenkopf-Olefinen am Beispiel des Bicyclo[2.1.1]hex-1-ens

Die Konsequenz dieser Pyramidalisierung ist das Verlassen der CS-Symmetrie, der an C2 befindliche Substituent X wird aus der C1-C2-C3-C4-Ebene herausgedreht. Dennoch bleibt der Überlappungsanteil sehr klein, der biradikalische Charakter aber stark ausgeprägt.

Ausgehend von Bicyclo[1.1.1]pent-1-yl-carbenen wie 22 untersuchte Jarosch das Verhalten dieser gespannten Olefine unter den Bedingungen der Gasphasenpyrolyse. Nach thermischer Zersetzung der Diazoverbindung 21 im Hochvakuum konnte er das 1-Phenyl-4-t-butylbicyclo[2.1.1]hex-2-en 25 in geringer Ausbeute isolieren – ein indirekter Nachweis für die Bildung des Bicyclo[2.1.1]hex-1(2)-ens 23, welches eine Stabilisierung in der Umlagerung zum sekundären Bicyclo[2.1.1]hex-2-ylidencarben 24 findet, das selbst via 1,2-H-shift zu Olefin 25 reagiert.[17, 18]


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Ströter hingegen interessierte der direkte Nachweis dieses hochreaktiven Brückenkopf-Olefins. Auf den Arbeiten von Bunz aufbauend, studierte er das Verhalten von Carbenoiden in Lösung. Schon 1990 hatte Bunz versucht, ein Bicyclo[2.1.1]hex-1-en in einer direkten Abfangreaktion nachzuweisen.[19] Hierbei sollte das anti-Bredt-Olefin 26 als Dienophil in einer Diels-Alder-Reaktion mit 2,5-Dimethylfuran als Dien reagieren. Statt des gewünschten [4+2]-Cycloaddukts 27 konnte Bunz allerdings nur die [2+1]-Cycloaddition des sekundären Bicyclo[2.1.1]hex-2-ylidencarbens 28 an 2,5-Dimethylfuran beobachten. Das Cycloaddukt 29 konnte mit einer beachtlichen Ausbeute von 30% erhalten werden. Offenbar macht zum einen die starke Entkopplung der C-C-Doppelbindung das Brückenkopf-Olefin als Dienophil für eine Diels-Alder-Reaktion unbrauchbar, zum anderen scheint die Lebensdauer des Olefins 26 zu kurz, um als Partner in einer Abfangreaktion zu fungieren.

Daß es sich aber hierbei auch wirklich um eine Gerüstumlagerung des Olefins 26 zum Bicyclo[2.1.1]hex-2-ylidencarben 28 handelte, konnte von Herpich [20] durch Isotopenmarkierung bewiesen werden. Aufgrund des experimentellen Mißerfolges von Bunz wählte Strötera-Methylstyrol als Abfänger. Nach Halogen-Metall-Austausch und Lithiumchlorid-Eliminierung am Trichlorid 30 ließ sich 2-Chlor-4-Brombicyclo[2.1.1]hex-1-en 31 durch das Produkt einer En-Reaktion mit einer Ausbeute von 8 % nachweisen. Durch Verwendung von deuteriertem a-D3-Methylstyrol gelang es zum einen, die Herkunft des in C-2-Position befindlichen Wasserstoffes zu sichern, zum anderen konnten Abstraktion aus dem Lösungsmittel sowie Einbau nach wässriger Aufarbeitung ausgeschlossen werden. Des Weiteren ließ sich dadurch die Zahl der möglichen Reaktionsmechanismen begrenzen.[21]


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Aber auch dem Verhalten anderer Carbene, nämlich den Derivaten des Bicyclo[2.2.1]heptans galt in den achziger Jahren reges Interesse. So studierte die Arbeitsgruppe um Jones intensiv das Verhalten von Bicyclo[2.2.1]heptylmethylens 33, das ebenfalls durch die thermische Zersetzung der korrespondierenden Diazoverbindung 32 erzeugt werden konnte.[22, 23] So konnte auch hier die Bildung eines Brückenkopf-Olefins 34 postuliert werden, das allerdings im Sinne einer retro-Diels-Alder-Reaktion zum acyclischen Trien 35 umlagerte. Die Umlagerung zu einem endocyclischen Sekundär-Carben 36 allerdings konnte nicht beobachtet werden.

Nach all diesen Betrachtungen stellt sich nun die Frage nach dem Verhalten von Bicyclo[2.1.1]hex-1-yl-carbenen 37 unter unterschiedlichen Bedingungen. Formal betrachtet liegt die Größe des bicyclischen Carbens genau zwischen den bereits untersuchten Systemen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen zum Verstehen des Umlagerungsverhaltens innerhalb der homologen Reihe bicyclischer Carbene beitragen. Zum einen soll die Folgechemie eines Halogencarbenoids vom Typ 38 untersucht werden, zum anderen interessieren die Eigenschaften der unter den Bedingungen der Gasphasenpyrolyse erzeugten Carbene aus den Diazoverbindungen vom Typ 39.


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Es soll danach gefragt werden, ob auch in diesen Fällen die erzeugten Primärcarbene Ringerweiterungen unter Ausbildung von anti-Bredt-Olefinen eingehen, und wenn ja, wie lassen sich diese hochreaktiven Moleküle nachweisen? Gelingt der direkte Nachweis eines in Lösung erzeugten Olefins via einer geeigneten Abfangreaktion? Und welche Umlagerungsprodukte lassen sich bei Erzeugung der Carbene unter Pyrolysebedingungen beobachten? Des Weiteren sollen die Eigenschaften des nächst höheren Homologen, des Bicyclo[2.2.1]hept-1-yl-halogencarbenoides 40, untersucht werden. Läßt sich auch hier in Ergänzung zu den von Jones gewonnenen Ergebnissen ein Bicyclo[2.2.2]oct-1-en 41 in Lösung mittels einer geeigneten Abfang-Reaktion nachweisen?


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24.02.2004