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Vom Arenoanalogie-Prinzip zu den Heterocyclopolyaromaten.

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U
E
91. Jahrgang 1979
Heft 1
Seite 1 - 98
Vom Arenoanalogie-Prinzip zu den Heterocyclopolyaromaten[**]
Von Thomas Kauffmann[*l
Grorg Wittig gewidmet
Die metallorganische Verknupfung von Heteroaromaten ermoglichte die Synthese komplizierter Heteroaromaten-Kombinationen; neben der nucleophilen aromatischen Substitution wurden
die ,,metallorganische oxidative Kupplung" sowie die ,,Metalldie ,,Ar-Cu/Ar-Hal-Kupplung",
amid-Kupplung" angewendet. Die mit diesen Methoden erhaltenen Heterocyclopolyaromaten
bestehen entweder aus einer Art oder aus zwei oder drei Arten von Heteroaromaten als Ringgliedern. Diese Synthesen sind Beispiele fur den Aufbau von Heterocyclen aus groBen, vorgefertigten
Bauelementen. - Konkurrenzversuche zeigten, daB bei offenkettigen (ATNu)"-und (Ar,),-Kombinationen (ATNurAr,: nucleo- bzw. elektrophiler Heteroaromat) die fur den Einzelkern typische
Reaktivitat verstarkt ist, wahrend bei ArNu-ArE-Kombinationen meist gegenseitigc Desaktivierungder unterschiedlichen Ringe erfolgt. - Cycloocta[ 1,2-b:4,341': 5,6-b" : 8,7-b"']tetrathiophen,
der einzige bisher naher untersuchte Heterocyclopolyaromat, erwies sich in uberraschendem
MaDe zuganglich fur Monosubstitutionsreaktionen.
1. Motivierung durch das Arenoanalogie-Prinzip
Die Existenz nucleo- und elektrophiler funktioneller Gruppen ermoglicht in der organischen Chemie und Biochemie
hochselektive Reaktionen. Kohlenstofietten, die jeweils mit
Gruppen einer der beiden Arten ausgestattet sind, konnen
ohne storende Bildung von Nebenprodukten miteinander verkniipft werden (z. B. Esterbildung BUS Carbonsauren und Alkoholen).
Ein zweiter Satz von Nucleo- und Elektrophilen steht in
den nucleo- und elektrophilen Heteroaromaten (rc-Elektronenuberschuli- und rc-Elektronenmangel-Heteroaromaten['l)
zur
Verfugung. Sie zeigen hinsichtlich ihrer Reaktionen und des
Einflusses auf ihre Substituenten deutliche Verwandtschaft
mit nucleo- bzw. elektrophilen funktionellen Gruppen (s. u.)
[*I
Prof. Dr. Th. Kauffmann
Organisch-chemisches Institut der Universitlt
OrlCans-Ring 23, D-4400 Munster
[**I Heterocyclopolyaromaten,
Angew. Chem. 91, 1-19 (1979)
8. Mitteilung. - 7. Mitteilung: [40a]
und fordern daher analoge Anwendungen in der organischen
Synthese heraus (Arenoanalogie-Prinzip[', 31).
Der Grund fur die Verwandtschaft zwischen Heteroaromaten und funktionellen Gruppen - die Analogie zwischen Pyridin und der Carbonylgruppe wurde schon vor der Formulierung des Arenoanalogie-Prinzips hera~sgestellt'~~
mag darin
gesehen werdenr3], daR sich die einfachen heteroaromatischen
~
IQ
1
-OH
',-0
Schema 1. Funktionelle Gruppen und Arenoanaloga
1
Systeme formal von den funktionellen Gruppen ableiten, indem jeweils eine C,-Einheit mit 4 rc-Elektronen hinzugefugt
wird (Schema 1). Dies fuhrt zwar zu einer starken Modifizierung der Eigenschaften, die nucleo- oder elektrophile Aktivitat
sowie andere wesentliche Charakterziige[2,31 bleiben aber erhalten.
Wie Schema 2 zeigt, entspricht die Arenoanalogie eher der
Heteroanalogie als der Vinylogie. Wir ziehen daher den Begriff
,,Arenoanalogie" dem urspriinglich gewiihlten Begriff ,,Arenologie" vor[2,31.Schema 2 macht auch den Unterschied zur
Phenylogie, Thienylogie usw. (vgl. Abschnitt 2.2) deutlich.
Vinylogie
Phenylogie
Verbindungen die Reaktivitat der Einzelsysteme in analoger
Weise verandert wie beim Verknupfen funktioneller Gruppen
(vgl. Abschnitt 2.2)? Gibt es heteroaromatische Gegenstiicke
zu bedeutenden speziellen Reaktionen organischer Molekiile,
die mit funktionellen Gruppen ausgestattet sind (siehe Schema
3)? Welche heteroaromatischen Reste eignen sich besonders
gut zur Verkniipfung von Kohlenstoffketten zu Verbindungen
Alk-ArN,-ArE-Alk
(vgl. Abschnitt 2.1.4)? Kann die Bindung zwischen einem nucleo- und einem elektrophilen Heteroaromaten spezifisch gelost werden (vgl. Abschnitt 3.3.3)?
Solche Fragen und die aufgrund der Existenz von nucleound elektrophilen Heteroaromaten zu envartenden gunstigen
Synthesemoglichkeiten veranlaoten die hier zusammenfassend
geschilderten Untersuchungen16'.
T hi englogi e
2. Heteropolyaromaten
2.1. Synthesen
II
2.1 .I. Heteroaromaten-Verkniipfung durch nucleophile Substitution
*
-c-x
Heteroanalogie
Arenoaiialogie
Schema 2. Heuristisch wertvolle Analogien am Beispiel der CN-Doppelbindung.
Die Anwendung des Arenoanalogie-Prinzips erfordert oft
mehrere Analogieschritte; die in Schema 3 dargestellten Reaktionspaare sind Beispiele. F a & man die klassischen Heteroaromaten als hohere Homologe von funktionellen Gruppen auf,
so ergeben sich interessante Fragen: Wird beim Verknupfen
von Heteroaromaten zu offenkettigen oder makrocyclischen
KCN
C,jH5-CH=O
OH
I
1
C,jH,-CH ----*C,H,-C"
I
I
CN
CN
00
(3ECH-C6H5
-cNo
H
Anders als funktionelle Gruppen reagieren nucleo- und elektrophile Heteroaromaten ohne vorherige Aktivierung nicht
miteinander. Die Aktivitat der nucleophilen Heteroaromaten
kann aber leicht durch Einfuhrung eines Metallatoms erhoht
werden, z.B. durch Umsetzen von Thiophen mit n-BuLi zu
2-Lithiothiophen oder n-BuLi + CuCl zu 2-Cuprothiophen.
Diese Erhohung der Nucleophilie ist problemlos, da nucleophile Heteroaromaten relativ hohe CH-Aciditat aufweisen und
- anders als elektrophile Heteroaromaten - nicht zur Addition
der Metallierungsreagentien oder der Metallierungsprodukte
neigen.
Gibt man einen der stlrker elektrophilen Heteroaromaten
zu einem lithiierten nucleophilen Heteroaromaten, so kommt
es in der Regel zu einer schnellen und spezifischen Verkniipfungsreaktion.
Bei Beginn unserer Arbeiten, vor sieben Jahren, war wenig
uber Kombinationen nucleo- und elektrophiler Heteroaromaten bekannt. Der einfachste ladungsfreie Reprasentant, das
2-(2-Furyl)pyridin, war nicht bekannt und ( I ) , das entsprechende Thiophen-Derivat, nur in ca. lproz. Ausbeute zuganglich (Schema 4)['1. Auswechseln der Magnesiumiodid-Gruppe
gegen Lithium[', 91 oder Kupfer['"I sowie eines H-Atoms der
elektrophilen Komponente gegen Halogen erhohte die Ausbeute an ( 1 ) wesentlich (Schema 4).
8
N
Schema 4. Synthese von 2-(2-Thienyl)pyridin ( I )
=
80%
Schema 3. Normale und arenoanaloge Benzoin- und Claisen-Kondensation
15, 31.
2
Wlhrend die Reaktion von anionischen Nucleophilen wie
2-Lithiothiophen rnit halogenierten elektrophilen Heteroaromaten wie 2-Fluorpyridin bekanntlich der nucleophilen Substitution mit Additions-Eliminierungs-Mechanismus an AcylAngeMi. Chem. 91, 1-19 (1979)
halogeniden vollig analog ist, entspricht die Reaktion rnit nichthalogenierten elektrophilen Heteroaromaten der im Schema
5 formulierten nucleophilen Substitution an Aldehyden, die
dem Organiker wenig vertraut ist: Es entsteht jeweils ein
stabiles Addukt, das zur Regenerierung des 6n-bzw. 2n-Elektronensystems oxidiert werden mu& Die Riickbildung des
6n-Systems gelingt meist leichter (Oxidation rnit Nitrobenzol
oder rnit K M n 0 4 in Aceton) und tritt manchmal sogar freiwillig ein. Die Substitution mit aldehydanalogen elektrophilen
Heteroaromaten ist in der Heteropolyaromaten-Chemie von
grol3er Bedeutung; Pyrimidin, Chinoxalin und Chinolin sind
dafur besonders geeignet.
2.1.2. Andere Methoden zur Heteroaromaten-Verkniipfung
Mit der A~-Cu/Ar-Hal-Kupplung['~~,
deren Mechanismus noch nicht klar istLt51,wurden hauptsachlich von Nitsson
et a1.['6] nucleophile Aromaten (Benzol und Derivate, nucleophile Heteroaromaten) symmetrisch und unsymmetrisch verknupft. Wir fanden, da8 die Methode sich auch zur Synthese
von ArN,-ArE-Kombinationen eignet" 'I (Beispiel : Schema
4) und eine giinstige ringverkniipfende Synthese des all-a-Terthiophens (3) ermoglicht['O,18] (Schema 6), wobei sich Weg
A aus ungeklarten Grunden wesentlich vorteilhafter als Weg
B envies.
Schema 6. Ringverkniipfende Terthiophen-Synthese.
H
Schema 5. Zur nucleophilen Substitution an nichthalogenierten elektrophilen
Heteroaromaten.
Wie Tabelle 1 (zweite Zeile) zeigt, konnen clektrophile Heteroaromaten analog verkniipft werden, wenn eine der beiden
Komponenten - zweckmaBigerweise die weniger elektrophile
- umgepolt wird. Anders als bei Carbonylverbindungen["]
bereitet bei elektrophilen Heteroaromaten die direkte Umpolung wegen der geringeren Elektrophilie im allgemeinen keine
Schwierigkeiten, wenn man tiefe Temperaturen einhalt. Die
Ausbeuten an Kupplungsprodukt sind jedoch meist niedriger
als bei entsprechenden Substitutionen rnit lithiierten nucleophilen Heteroaromaten.
Die Synthesen von ( 2 ~ ) [ " ~und (2b)r131 sind Beispiele
fur Substitutionen rnit umgepolten elektrophilen Heteroaromaten.
Q - B r
Na
- r w
1.
Q
L
i
Die metallorganische oxidative Kupplung wird fur die symmetrische Verkniipfung nucleophiler Heteroaromaten herangezogen. Diese Reaktion wird normalerweise glatt durch Umsetzung der Lithium- oder Magnesiumverbindungen rnit
CuCI2, CuC1/02, NiC12 oder FeC13 erreicht (Ubersicht siehe
[6c1). Die ringverkniipfende Synthese des 2,2'-Bifurans ( 4 ) (Ausbeute 85 %)["I,
die gegenwartig beste Synthese dieser empfindlichen Verbindung["], ist besonders instruktiv: Die Reaktionstemperatur sollte ca. -10°C betragen; n-BuLi darf nur im
angegebenen Molverhaltnis verwendet werden, damit es vollstandig verbraucht wird und sich nicht am Kupplungsprozelj
beteiligen kann. Schlieljlich muD man den gebildeten BifuranKupfer-Komplex unter milden Bedingungen (Glycin-Zusatz)
zerstoren. Analoge Kupplungen fuhrten zum bisher unbekannten uk-Quaterfurdn (53 %)[I 'I, aus ungeklarten Griinden
jedoch nicht zum all-a-Octifurad2'1 (weitere Anwendungen
siehe Abschnitt 2.1.4, 3.2 und 3.4).
3. Nitrobenzol
( 2 a ) . 30%
3IGLpcml
(4), 85%
Umgepolte elektrophile Heteroaromaten konnen analog gekuppelt werded6"1(neues Beispiel: Synthese von 5,5'-Bipyrimidin, siehe Abschnitt 3.4).
Mit der Metallamid-Kupplung lassen sich elektrophile HeteTabelle 1 Bewahrte Methoden zur Heteroaromaten-Verknupfung
~roaromaten (Pyridin, Chinolin, Tsochinolin) nach Clarke,
Kupplungsart
Edukte
Produkt
_
_
_
~
~
_
_ McNamara
_
~und Meth-Cohdzzl durch Umsetzung mit LiN(iPr), in Tetrahydrofuran (THF)/Hexamethylphosphorsaunucleophile
Ar,,-Li
+ ArE (oder Hal-Ar,)
ArNU-ArE
Arp-Li + ArE, (oder Hal-Ar,)
ArE-ArE,
dromatische
retriamid (HMPA) verkniipfen. Analoge Kupplungen von
Substitution
Chinoxalin (NaNH2in Dimethylanilin[231)und 3-Fluorpyridin
(NaNH2 in fliissigem NH3[241)wurden schon friiher beschrieAr- Cu/Ar-HalAr,.-Cu
+ Hdl- ATE (Hal=Br, I )
ArNu-ATE
ArN,-Cu + Hal-Ar,,,
(Hal=Br, I)
ArNU-ArNu
Kupplung
ben. Die im ersten Reaktionsschritt angenommene Carbanion- ~ _ __ - _ _ _ ~
Bildung (z. B. Bildung von 2-Lithiopyridin) sol1 dann eine
ArN,-ArN,,
metallorgdnische
Ark,,-M + Ubergangsmetallhdlogenid
( M = LI, MgX)
oxidative
nucleophile Addition oder Substitution auslosen[", 301. Der
Art-Art
Kupplung
Art -M + Ubergang~metdllhalogenid
Nachweis carbanionischer Zwischenstufen ist allerdings bei
_ _ _ _ _ _ ~
Arb-ArE
Abfangversuchen nicht gelungen[22! Wir haben die Kupplung
MetallamidAr, + LiN(iPr)z
Kupplung
mit LiN(iPQ2 auf 3-Brompyridin, -chinolin (vgl. Abschnitt
3.2), 5,5'-Bipyrimidin, 3,3'-Bi- und 4,4'-Bipyridin sowie auf
Arenoanaloge
ATE + KCN
Arc-ArE
den Tri- und den Tetraaromaten (52) bzw. (49a) (vgl. AbBenzoinKondensation
schnitt 3.4) ubertragen. In manchen Fallen entstand ein Dihy(s. Schema 3)
droprodukt, das zum aromatischen System oxidiert werden
~~
~
~
Angew. Chem. 91,1-19 (1979)
3
muote, in anderen Fiillen unmittelbar der gewiinschte Aromat.
Diese Kupplungen sind trotz bescheidener Ausbeuten pdparativ wertvoll, da sie giinstige Ausgangsstoffe fur Heterocyclopolyaromaten sind sowie solche Verbindungen selber zuganglich
machen.
allgemeine Bezeichnung gunstiger ist als ,,Polyheteroaromaten".
1. THF:
- 20 -c
2.1.3. Verkniipfung mehrerer Kerne
Mit den in Abschnitt 2.1.2 beschriebenen Methoden ist
es relativ einfach, Heteropolyaromaten darzustellen. Abgesehen von Verbindungen mit gleichartigen, nucleophilen Kernen,
die bequem durch metallorganische oxidative Kupplung erhaltlich sind (siehe Abschnitt 2.1.2 und 2.1.4), enviesen sich Heterd
aromaten-Kombinationen mit alternierender Anordnung nuCleo- und elektrophiler Kerne am leichtesten zuganglich. Die besondere Eignung des Pyrimidin- und Chinoxalin-Systems als
elektrophile bivalente Bauelemente ermoglichte z. B. die Darstellung der gelben Thiophen-Pyrimidin-Kombinationen( 5 a )
und ( 5 b)[' 31 sowie der ebenfalls gelben Thiophen-ChinoxalinKombinationen (6 b ) , n =2-6 (Ausbeuten 22, 12,13,9,5 %)Iz5]
und Benzo[h]thiophen-Chinoxalin-Kombinationen (7 b ) ,
n = 2-4 (Ausbeuten 24, 1 1, 4 % ) [ 2 6 , "1 (Schema 7 und 8).
2. H a 0
3. KMn04
4 3%
46%
aLi
54A
+
I
3. Nitrobenzol
~~
laxJ-wQ
S
S
(5aj
Schema 9. Ans vielen verschiedenen Komponenten bestehende Heteropolyaromaten.
S
S
S
i5b j
8' Hw
34 %
Schema 7 . Alternierende Thiophen-Pyrimidin-Kombinationen
Die geringe Ausbeute bei der Synthese des Hexaaromaten
(8 b ) diirfte zum Teil auf die Gruppenhaufung am ChinoxalinRest z ~ r i i c k g e h e n [Bei
~ ~der
~ . Synthese der Polyaromaten (6 b )
und ( 7 b ) sowie der in Schema 14 formulierten Protophane
wirkt sich die Gruppenhaufung am Chinoxalin-Rest offenbar
vie1 weniger aus, was auf der groReren Beweglichkeit der
Reste - bei der Synthese der Verbindungen (6 b ) und ( 7 b )
liegen vor der Oxidation n - 1 Chinoxalin-Reste in der Dihydroform vor - beruhen konnte.
P
21 Et2OoderTHF
HzO
2.1.4. Prinzipielle Schwierigkeiten bei den Synthesen
3 KMn04
Desaktivierung durch Kornplexierung : Beim Versuch, einen
lithiierten nucleophilen Heteroaromaten mit einer Kombination aus zwei oder mehr Heteroaromaten zu verkniipfen, wurde
die lithiierte Spezies nicht selten durch Komplexierung desaktiviert. Dies ist besonders zu befurchten, wenn im Substrat
zwei elektrophile Heteroaromaten unmittelbar verbunden
sind.
Schema 10 verdeutlicht die durch Bipyridine bewirkte Desaktivierung von 2-Lithiothiophen: Die Reaktion mit Chinolin
L
J"
(66)
I.THF,30"C
2. HzO
3. KMnOe
f 2 2 L
(7aj
Schema X. Alternierende Thiophen-Chinoxaiin- und Benzo[h]thiophen-Chinoxalin-Komhinationen (zum Oligomerisierungsmechanismus vgl. Abschnitt
3.3.1).
(9)
2,2'-Bipyndm [ 1 : 1 ]
Auch die zur Entwicklung der Synthesetechnik unternommenen Versuche zur Verkniipfung von vier, funf oder gar
sechs verschiedenen Aromaten fiihrten zum Ziel"',
(Schema
9). Die Produkte, die einen Benzolkern enthalten - die Schraffur in den Formeln verdeutlicht die Alternanz zwischen ArNu
und ArE -, lassen erkennen, da13 ,,Heteropolyaromaten" als
4
75%
(76)
( 9 ) 11% +
2 '$0
Chinolin +
(9j 12%
Chmolin +
4,C-Bipyridin [1:1]
* (9)
42%
Schema 10 Desaktivierung von 2-Llthiothiophen durch Bipyridine [9]
Angew. Chem. 91, 1-19 ( 1 9 7 9 )
zu ( 9 j wird durch Zusatz von 2,2'- und 3,3'-Bipyridin weitge- '
hend unterdruckt. Da sich kaum Thienyl-bipyridin bildet,
ist zweifellos Komplexierung die Ursache.
Die Komplexierung des 2-Lithiothiophens durch 2,T-Bipyridin erklart auch, weshalb dieser gegen n-BuLi aul3erst reaktive Diaromat (vgl. Abschnitt 2.2) gegen 2-Lithiothiophen iihnlich resistent ist wie Pyridin (Schema 1
Lithiierte elektrophile Heteroaromaten scheinen von 2,2'-Ripyridin und iihnlichen Systemen weniger desaktiviert zu werden als lithiierte
nucleophile Heteroaromaten. So gelingt es relativ gut, lithiiertes Pyridin durch nucleophile Substitution mit 2,T-Bipyridin
zu verknupfen (Schema 1 1)[3033'1.
renden Losungsmittels T H F abgeschwiicht ist. - Erhitzt man
die etherische Losung des y-Lithiierungsproduktes zum Sieden, lagert sich das Lithiurnatom allmiihlich in die %-Position
um, was kinetische Kontrolle der y-Lithiierung an~eigt[~'!
Die Iosungsmittelgesteuerten Lithiierungen ermoglichen die
Synthese der in Schema 12 angegebenen isomeren Triaromaten[32.341 sowie des Phot~cyclisierungsproduktes~~~.
341 (weitere losungsmittelabhiingige Lithiierungen und priiparative Anwendungen siehe
361).
'".
35 "C, iangram
+
-
3. KMnO,
-4O'C
45%
Q.-I,i
N
Schema I?. I~bstingsniittelgcstctierte2 - tirid y-l.ithiierung von ?-(2-Thienyl)pyridin.
Schema 11. Reaktivitiit von 2,2'-Bipyridin gegcniiber lithiicrten Heteroaromaten.
Unspezifische Lithiierung: Besteht die zur Synthese zu aktivierende nucleophile Komponente aus zwei oder mehr Heteroaromaten, so ist die spezifische Lithiierung einer Position
oft unmoglich, da zwei oder mehr CH-Bindungen vergleichbarer Aciditat vorhdnden sind. Fur den Diaromaten (10) trifft
dies nicht zu, da bei der Lithiierung an C-2 des Thiophenrings
eine thermodynainisch stabile, chelatisierte Lithiumverbindung entsteht. Dicses Verhalten kann zur Synthese kondensierter Heteroaromaten genutzt werden[j3.341.
Polyaromaten mit mehr als zwei heteroaromatischen Gliedern besitzen meist mehrere CH-Gruppen vergleichbarer Aciditat. In solchen Fallen empfiehlt es sich, das Lithiumatom
wie bei der Synthese von ( I 2)" 3 1 durch HalogrnlLi-Au.stciusch
(beim angegebenen Beispiel praktisch quantitativ) emzufuhren
(weitere Beispiele siehe [ I 3 ] ) .
1. n-BuLi
2
(-
90°C)
N
O
*
3. H20,KMnO,
55%
3 2%
Dagegen besitzt der Diaromat ( I I a ) zwei Positionen vergleichbarer Aciditat. Der Lithiierungsort wird in diesem Fall
stark vom Losungsmittel beeinflufit: n-BuLi metalliert in T H F
praktisch ausschliel3lich in a-, in Ether dagegen hauptsachlich
341; r-BuLi bein y-Position (y- :3-Lithiierung = 62 : 1 3)L32wirkt in Ether sogar ausschlieRlich y-Lithiier~ng'"~. Die Lithioalkane werden vermutlich zuniichst gemal3 ( 1 1 b ) fixiert
und vollziehen d a m den H/Li-Austausch am riiunilich nahen
y-C-Atom. Es erscheint plausibel. dal3 die Tendenz zur Bildung
des Komplexes (1 1h ) bei Verwendung des besser koordinieArigrn. flirm. Y1. 1-19 iIY7Y)
?icrnsmc~rullirrunt/:Translithiierungen verursachen bei Heteropolyaromaten-Synthesen oft empfindliche Ausbeuteminderungen und fiihren zu unerwiinschten Nebenprodukten. Bei
der als Beispiel gewahlten Synthese des Triaromaten ( 1 3 ~ )
wurde der weniger acide Funfring-Aromat zuerst mit dem
Pyrimidin verkniipft, was eine durch Translithiierung bedingte
weitere Komplikation verhindert. Dennoch stort eine Transmetallierungsreaktion: Das Addukt ( I 3 h ) wird von 2-Lithiothiophen lithiiert und reagiert zum Nebenprodukt (13ti) weiterl'31.
Translithiierung ist besonders zu beftirchten, wenn dkylsubstituierte clrktiophile Heteroaromaten vorliegen. Statt zur Heteroaromaten-Verkniipfungkommt es dann (Schema 13 unten)
5
gewohnlich zur Translithiierung, die Sekundarreaktionen
auslost. Nur a u s n a h m ~ w e i s e ' ~ "ist
~ ~die
' ~ zur Bildung von
Carbonsaureestern oder -amiden arenoanaloge (vgl. Abschnitt
1 ) Verkettung zweier Alkyl-Reste nach folgendem Prinzip
moglich :
Alk-Ar,,-Li
+ Ar,-Alk+
+
L
i
S
Alk-ArN,-Arb-Alk
a
4
( 1 3 ~ )23%
.
der polyaromatischen Vorstufen in THF, Benzol oder Ether.
So gelang es z. B. nicht, at/-x-Octithiophen zum all-a-Sexidecithiophen oxidativ zu k ~ p p e l n [ ~
Das
~ ] wegen
.
der Methylgruppen weit besser losliche all-x-Octi(N-methylpyrrol) war dagegen der Kupplung zum Hexadecamer zuganglich (Tabelle 2).
Allgemein durften an ArN,-Ringen haftende und daher nicht
acide Alkyl-Reste dazu beitragen, bei metallorganischen Heteropolyaromaten-Synthesen Loslichkeitsprobleme zu iiberwinden.
Die all-r*-Poly(N-methylpyrrole) (Tabelle 2), von denen bisher nur der Vertreter mit n = 2 bekannt warr16c1,
unterscheiden
sich nicht nur in der Loslichkeit, sondern erwartungsgemaI3
auch im Schmelzpunkt (Tabelle 2) und UV-Spektrum (Abb.
4) deutlich von den bis zum Octamer bekannten all-cc-Polythiophenen.
Tabelle 2. Schmel7punkte von all-a-Polythiophenen 1411 und all-.*-Poly(Nmethylpyrrolen) [40h].
FP ["CI
n
Schema 13. Storungen durch Translithiierung
Dagegen storen Alkyl-Reste an nucleophilen Heteroaromaten infolge geringer Aciditat bei metallorganischen Polyaromaten-Synthesen nicht. Man kann daher (Schema 14 oben) AlkylReste uber eine Dreiergruppierung von Heteroaromaten
(ArNu-ArE-ArNU) verketten"], was der Bildung von Kohlensaurediestern nach
2Alk-OH
+ CI--CO-CI+
Alk-0-CO-0-Alk
arenoanalog ist.
Wie aus Schema 14 auBerdem her~orgeht[~'],
kann die aufgezeigte Verkniipfungsmoglichkeit bei Protophan-Synthesen
genutzt werden.
2
4
5
6
8
16
x=s
x = NCHa
33
214
253
305-307
338
14 15
I34
145
160
178-182
240 -256
-
Aush. [ X ]
X=NCH,
cuc12 [a]
NiCI2 [a]
52
40
82
53
03 PI
1.0 [ c ]
29
10
21
7
[a] Oxidative Kupplung mit CuC12 oder N U 2 analog m r Synthese von
( 4 ). [b] Nebenprodukt bei der oxidativen Kupplung von 2-Lithio(N-methylpyrrol). [c] Nebenprodukt hei der oxidativen Kupplung von 5-Lilhio-2.2'bi(N-meth ylpyrrol).
2.2. Reaktivitatf4']
Kombinationen funktioneller Gruppen kommt in der
organischen Chemie groI3e Bedeutung zu. Die im oberen Teil
von Schema 15 zusammengestellten Befunde gehoren daher
zum Grundwissen des Organikers: Verknupfen von Gruppen
des gleichen Typs (nucleo- oder elektrophil), zum Beispiel
von Amin- oder Carbonyl-Funktionen, bewirkt eine Zunahme
der Kir die Einzelgruppe typischen Reaktivitat ; durch Ver-
@J
1. n-BuLi
2.
3. HzO/KMnOq
23%
Schema 14. Verknupfung von Alkyl-Resten uher heteroaromatische Gruppen sowie Protophan-Synthesen
Schwerliislichkeit: Metaiiorganische Synthesen von Heteropolyaromaten scheiterten wiederholt an der Schwerloslichkeit
6
knupfen einer nucleophilen Gruppe rnit einer elektrophilen
wird dagegen durch mesomere Wechselwirkung die ReaktiviA n g e w Chem. 91, 1-19 ( 1 9 7 9 )
Reagentien gemaD Schema 16 gewonnen, bei denen praktisch
nur Monosubstitutionsprodukte entstanden. Die Einzelergebnisse sind in Schema 17-20 zusammengefaljt. Uber den Klammern sind die Verhaltnisse angegeben, in denen die Monosub-
tat der Einzelgruppen gemindert. An die hohe Elektrophilie
von Triketonen, die sich in der Tendenz zur Wasseranlagerung
an der mittleren Carbonylgruppe ZuBert, sei in diesem Zusammenhang erinnert.
*
4
zunehmende Nucleophilie
zunehmende Elektrophilie
t
4
zunehmende Nucleophilie
gegen CH3COCI/SnC14
a
Q
O
)r
zunehmende Elektrophilie
gegen n-BuLi
Schema 15. Relative Reaktivitat von Kombinationen funktloneller Gruppen sowie von Heteroaromaten
Die in der Einleitung gestellte Frage, ob die Verhaltnisse
bei Heteroaromaten-Kombinationen analog sind, kann nach
unseren Untersuchungen im groBen ganzen bejaht werden,
wenn Thiophen und Pyridin als reprasentative Systeme sowie
Acetylchlorid/SnCl, bzw. n-BuLi als Reagentien gewihlt werden. Die einzige Abweichung gegenuber den Verhaltnissen
im oberen Teil von Schema 15 besteht darin, dalj ull-a-Terpyridin in der Elektrophilieskala zwischen Pyridin und 2,2'-Bipyridin erscheint. Diese Abweichung diirfte auf der Bildung des
sehr stabilen n-BuLi-Terpyridin-Komplexes ( I 5 ) und der mStellung der terminalen Kerne am mittleren Ring des Terpyridins beruhen, die eine mesomere Wechselwirkung zwischen
den terminalen Ringen verhindert.
Die im unteren Teil von Schema 15 enthaltenen Informationen wurden durch Konkurrenzversuche mit den genannten
stitutionsprodukte bei den Konkurrenzversuchen (langsames
Zutropfen der Reagens-Losung zum Ar~maten-Paar[~'])
entstanden; die Gesamtausbeuten an den beiden Monosubstitutionsprodukten stehen in eckigen Klammern.
DaB in den Kombinationen von nucleo- rnit elektrophilen
Kernen die nucleophile Aktivitat im Vergleich ZLI Thiophen
drastisch geschwacht erscheint (Schema 17 und 19) fuhren
wir auf die Bildung von N-Acetylverbindungen, z. B. ( 1 6 ) ,
zuriick, in denen der elektronenanziehende Effekt des elektrophilen Kerns stark erhoht ist. Dementsprechend werden fur
3 h tn Benzol be, 22°C
die Acetylierung pro mol dieser Kombinationen zwei mol
Acetylchlorid (aber nur 1 mol SnCI4) benotigt[431.
Schema 19 zeigt, daB sich die vom Pyrimidinkern verursachte Nucleophilieminderung am Thiophenkern von ( I 7 a ), n = 0,
iiber zwei weitere Thiophenkerne auswirkt und erst nach dem
dritten zusitzlichen Kern abgeklungen ist[391.Das Verhiiltnis
2.98 154 %]
I
I
1%
5 3%
Schema 16. Typischer Konkurrenzversuch [43J
51:4Y [74 %]
I
7
55:45 189 %]
I
98.2 [ S ~ Z ]
-
> 9 9 : 1 p 9 %I
n
75:25 152 %I
S@-&
Schema 17 Konkurren7versuche mit CH?COCI/SnCI4als Reagcns (Acetylie rung be1
Angew. Chem. 91.1-19 (1979)
0)
7
44 56 [66 761
I
22.78 [21
24.76 [209>1
I
%I
1
3:97 I21 %]
Schemii I X . Konkurrenicersuche mit ii-RuLi als Rcagens (Butylieriing hei
3 2 . 6 8 cntspricht nahezu dem statistischen Verhaltnis, da
( 1 7 u ) , n = 3, eirie nucleophile %-Position, ( I 8) dagegen zwei
solchc Positionen besitzt; die Acetylierung ist offenbar kinetisch kontrolliert.
0).
zum Pyrimidin (zwei Angriffsstellen) dem n-BuLi nur eine
Angriffsstelle bieten[451.
\.*
,N-COsidle Schema I9
-x-cox=o,s
x =0 , s
Schem;r 19. Konkurrcnzversuche :in ,.thienylogcn Pyrimidineti"
C'H,COC'I S n U L als Rcagcns (Acctylicrung bei 0 ) [39].
-c 0*
*
-c 0-c 0-
zunehmencie Elektrophilie
zunehrriende Elektrophilie
gegen n-BuLi
mlt
Sclicmn 20. Elcktriiphilir v o i i Cnrbonylvei-bitidung~iiund arcnoanalogen
Systemcn (Butylierung be1 0 ) [42].
Die Verbindungen ( I 7 u ) konnen als Thienyloge des Pyrimidins aufgefafit werden (vgl. Schema 2). Die Nucleophilie ihrer
terminalen Thiophenkerne wird zwar durch den Pyridiminkern nicht umgepolt Bildung von Addukten des Typs ( 1 9 u )
wurdc bisher nicht beobachtet aber kriiftig verringert, wofiir
teilweise Ladungsverschiebung gemiifi ( I Y h ) verantwortlich
sein durfte.
~
~
Bei den Konkurrenzversuchen mit CH3COCI/SnCI4 wurde
sichergcstellt, daB die entstandenen Monoacetylverbindungen
unter den Versuchsbedingungen stabil sind. Bei den Konkurrenzversuchen mit n-BuLi entstehen primiir Lithiumderivate
von Dihydro-heteroaromaten, die zur Synthese der aromatischen Monosubstitutionsprodukte hydrolysiert und oxidiert
werden mussen. Vermutlich sind die lithiierten Dihydro-heteroaromaten unter dcn Versuchsbedingungen weitgehend stabil
und gchen bei der Hydrolyse und Oxidation praktisch quantitativ in die Substitutionsprodukte iiber. Gesichert ist diese
Vorstellung jedoch noch nicht.
2.3. Spektren
Weitere Ergebnisse von Konkurrenzversuchen sind in Schema 20zusammengestellt (Einzelheiten siehe r421): Die Zunahine
der Carbonyl-Aktivitiit in Zeile 1 von links nach rechts 1st
altbekannt. Die ,,Pyridin-Aktivitiiten" (gegen wBuLi) der Vcrbindungen in Zeile 2 sind analog abgestuft. Die ,,Pyrimidin-Aktivitiiten" (gegen ti-BuLi) in den Vcrbindungen der Zeile 3
cntsprechen dagegen aus ungekliirten G ~ i n d e n [nicht
~ ~ ] ganz
den Erwartungen, da bei den Konkurrenzversuchen mit Fyrimidin,'(Z 7 h ) die Diaromaten ( 1 7 h ) nur unwesentlich schwiichcr buryliert wurden als Pyrimidin, obgleich sie im Gegensatz
8
2.3.1. N M R - S ~ e k t r e n ' ~ ~ ]
Die in der Regel festgestellte verringerte chemische Reaktivitiit von ArNu-ArE-Kombinationen im Vcrgleich zu den Einzelaromaten Iiifit vermuten, da13 Elektronendichte von den nucleo- aufdie elektrophilen Kerne ubergeht. Dies ist ' H-NMRspektroskopisch n a c h ~ e i s b a r ~Das
~ ~ !2-H-Atom des Pyriniidinkerns ist als Sonde besonders gunstig, da sein Signal (Tabelle 3) praktisch nie von anderen Protonensignalen iiberlagert
wirdl 1 3.43 I
Aiigcn. C h i w 91. I-IY (1979)
'l'ahelle 3. l H - N M R - S ~ g n ; ~\ ol n 2-H in den Pyrimidin-Derivatei~ A und B
(ca. 0 . 1 2 ~Ldsung. T M S int., 20°C- in CDCI,) [43].
R
,I
LI
6
0
2-(N-MetliylpyrrolylJ
2-Thienyl
2-Fury1
9.04
9.13
9 14
8.Y4
H
9.22
9.29
9.35
2-Pyridyl
2-Pyrimidinyl
9.03
9.00
9.22
Deutlicher macht sich der Elektroneiidichteausgleich in
den 3C-NMR-Spektren bemcrkbar["": Die in die Abbildungen 1 und 2 eingetragencn chemischen Verschiebungcn kiinncn
i n erster Nzherung als Ma6 fur die Elcktronendicbte~ndcrung
an den C-Atomen geltcn. Die Signale von C-3 und C-5 des
Pyridinrings (Abb. 1 ) und von C-5 des Pyrimidinrings (Abb.
2) sind infolge erhiihter Elektronendichte hochfeld-, die Signale
der nucleophilen Heteroaromdten dagegen tieffcldverschoben.
Bei den Triaromaten von Abbildung 2 sind die Effekte besonders stark, da hier ein starker kceptorkern mit zwei Donorkernen verbunden ist.
2.3.2. UV-Spektrcn
Hier sol1 lediglich auf den Unterschied in den Spektren
einerscits und d k zwischen all-r-P~ly(N-niethylpyr-rolen)'~~~
Poly-thiophenen14*], -furanen""' und - p y r r ~ l e n [ " ~anderer'
seits hingewiesen werden (Abb. 3). Das Konvergicren der Absorptionswellenliingen bei den a//-9-Poly(N-methylpyrrolen),
das deutlicher ausgepriigt i s t als bei den Poly-p-bcnzole~il~~~.
wird durch dcn grdjercn Torsionswinkcl zwischen den Ebcnen
bcnachbarter Kerne verursacht.
250
300
Ahh. 3.
C H Cl.3.
, , ~ . I "
3 50
a,,,
[nml
-
400
irn UV-Spektrum von Kombinationen L41N,,J,,. Ltisunpsniitlcl
2.3.3. Massenspektren'""]
-a
5t
\
56
\.
6 N
\
AC-5'
X = O,S.NCH,
Abh. 1. "C-NMR \ o n Diaromatcn: Auf Furan, Thiophen. N-Methylpyrrol
oder Pyridin bezogenc chemischu Verschiebung (ca. 0.4 M Liisong. 20°C.
in [D,]-Dimetliylsulfox~d, Standard T M S , Hoclifcldverschiehung posiliv)
~ 7 1 .
I
1 \.J
4i-
-* 1 X
In den Massenspektren (70eV) von Heteropolyaromaten
trelen Fragment-Ionen, dic die Abspaltung einzelner Aromaten anzeigen, nach unseren Bcobachtungen normalerweise
rzichr auf; intranucleare Bindungen werden offenbar weit rascher gespalten als internuclearc. Ausnahmen sind Heterotetraaromaten mit terminalen Kernen in o,o'-Stellung zur niittleren internuclearen Bindung (,.o,o'-Verknupfung"). Hier. z. B.
bei ( 2 0 ) , tritt regelma6ig ein intensiver ( M i -Ar)-Peak auf,
der mcist auch Basispeak ist (Tabelle 4). Die Kenntnis dieser
Erscheinung ist bei Strukturermittlungen nutzlich.
Die Massenzahl des ( M +- Ar)-Peaks von Tetraaromalen,
die wie (20) aus zwei Artcn von Aromaten bestehcn. zeigt,
dal3 jeweils ein trrminalrr Kern eliminiert wird. Dabei durfte
sich ein kondensierter Aromat bilden, denn ein intensiver
(M+-Ar)-Peak tritt nur auf, wenn die Cyclisierung zu eincm
kondensierten Aromaten formal moglich ist (weitere Argumente: t4'1).
=
0,S,NCH,
I
a
c-5'
Ahh. 2. "C'-NMR \'on Triarornatcn: Auf Furan, Thiophen, N-Methylpyrrol
oder I'yrimidin bezogene chcmische Verschiehung ( C I . 0.4 M Lhsung. 20°C.
in ID,]-I)imethy'sulfoxid, Standard TMS. Hochfeldverschiehung posiliv)
1471.
AII~W
Chern.
.
YI, I 1 9 fIY7Y)
Heterotetraaromaten mit o,o'-Verkniipfung, bei denen die
terminalen Kerne uber CN-Bindungen am Mittelteil haften,
spalten im Massenspcktrometer ebenfalls einen terminalen
Kern ab (Tabelle 4). Die (Ad-Ar)-Peaks sind aber wcgen
konkurrierender giinstigerer Zerfallswege [H-Abspaltung,
HCN-Abspaltung, Bildung von Fragmcnten wie ( 2 1 )] relativ
schwach.
9
Tahelle 4. (M' -Ar)-Peaks
iii
den Massenspektrcn van Heterotetraaromaten mit ,,o,o'-Verknupfung".
Verbindung
(M+)
-
-
~-
-
-
~~
-
-.
~
2,2'-Di(2-pyridyl)-3,3'-bithiopheii( 2 0 )
3,3'-Di(2-pyridyl)-2.2'-bit hiophen
3,3'-Di(4-pyrimidinyI)-2,2'-bithiophen
3,3'-Di(2-pyrazinyl)-2,2-bitliiophen
3,3'-Di(2-~hinoxalinyI)-2,2'-bithiophen
2,Z'-Di[2-~hinolyl)-3,3'-bi(benz~[b]thiophenj
S,S'-Di(S-pyrimidinyI)-4,4'-bipyrimidin
[a]
3,3'-Di(3-pyridql)-4,4'-hipyridin[b]
I. I '-Di(2-pyridyl)-2,2'-biimidaral
I .I'-Di(3-pyridql)-2,2'-biimida7~l
I , I '-Di(Z-pyridyI)-S,S'-bipyrazol
I , I '-Di(2-pyridqI)-S,S'-bi( I ,2,4-triazol)
~
~.
~~~
~
--
-~
- -
(.M+-l)
-
-.
2
9
I00
I00
16
64
23
35
87
53
37
100
I00
~.-
--
100
6
18
--
(MI-Ar)
1
100
5
100
100
I00
15
100
44
I00
87
23
22
6
22
65
45
--
-
~
MI-HCN
- - -~
.~
~
~
~
~
~
39
2
90
12
_ _
[a] 5,~'.4'.4":5".~"'-0uaterpyrimidin.
[b] 3,3':4.4': 3",3"'-Quaterpyridin.
3. Heterocyclopolyaromaten
3.1. Eine unattraktive Substanzklasse?
Anders als im Bereich der Organoelement-Verbindungen
gibt es auf dem Gebiet der eigentlichen organischen Verbindungen gegenwartig vermutlich nur noch wenige groRe weiDe
Flecken. Allerdings war die sicher sehr artenreiche Klasse
der Heterocyclopolyaromaten noch 1973 unbekannt, wenn
man von Heterocyclodiaromaten wie ( 2 2 ~ ) Loder
~ ~ l(22 b)I5''
ab~ieht[~'].
Carbocyclische Cyclopolyaromaten kennt man dagegen
schon seit Jahrzehnten. Das erste Beispiel, Cyclotetrabenzol
(Tetraphenylen) (23 a ) , wurde 1943 von Rapson, Skuttlewortk
und van Niekerk["' durch oxidative Kupplung einer Di-Grignard-Verbindung dargestellt (Schema 21). Weitere Synthesen
und Untersuchungen sind hauptsachlich den Arbeitsgruppen
um W I ~ t i q [und
' ~ ~ S t u ~ h [ zu
~ ~verdanken.
I
Die Carbocyclen
wurden in meist bescheidenen Ausbeuten durch oxidative
Kupplungen metallierter
Ausgangsverbindungen
mit
Ubergangsmetallhalogeniden gewonnen; die Eigenschaften
der Produkte, z. B. (23b), entsprechen im wesentlichen den
Erwartungen.
Wir versuchten, Zugang zu den Heterocyclopolyaromaten
zu gewinnen, die hinsichtlich der chemischen Reaktivitat interessanter zu sein versprachen als ihre carbocyclischen Analoga,
da bei ihnen die an offenkettigen Heteropolyaromaten beobachteten Wechselwirkungen zwischen benachbarten Kernen
(vgl. Abschnitt 2.2) ebenfalls zu erwarten sind. Man konnte
vermuten, daR z.B. bei ( 2 4 u ) und (25) die fur die Einzelkerne typische Reaktivitiit verstiirkt ist, wahrend es bei ( 2 6 a )
10
H%Qr-@H
(236)
Schema 21. Cyclopolybenzole (Polyphenylenej
und besonders bei (26 b ) zur gegenseitigen Desaktivierung
der nucleo- und elektrophilen aromatischen Ringglieder kommen sollte.
A n q n r . Clirm. P i , 1-19 ( i Y 7 Y )
3.2. Metallorganische oxidative Kupplung als Cyclisierungsschritt
3.2.1. Gleichartige aromatische Ringglieder
Die bei der Darstellung von Cyclotetrabenzol bewahrte
Methode der oxidativen Kupplung konnte auf heterocyclische
Ausgangsverbindungen iibertragen werden. Von den Dibromidenis6]ausgehend wurden durch Br/Li-Austausch und oxidative Kupplung zunachst die Cyclotetrathiophene (24 a ) und
( 2 8 ) erhalten (Schema 22)"- 1 3 , s7, 581. Als Nebenprodukt entstand bei einer Umsetzung das Cyclohexathiophen (27). Cyclodithiophene, also zu (22 a ) analoge Produkte, konnten nicht
nachgewiesen werden.
g::
Li
Zwei weitere nucleophile Cyclotetraaromaten (Schema 23)
konnten aus bekannten Vorstufen[62,6 3 ' analog dargestellt
werden".
57.581. Die diffizile Synthese des Cyclotetrafur ~ n s [war
~ ~erst
] nach mehreren Versuchen r e p r o d u ~ i e r b a r ' ~ ~ ] .
'',
3 cuclz
dLi
0
1. 1.5 CUCl
-
O i L i
\
,
,
I
2.2 n-BuLt
3 FeClJ
o&Li
/"
14 %
&
cuc12
a-3
s
M
oo
OO
s
Schema 23. Weitere homotype [66] Heterocyclotrrraaromatcn durch oxidative Kupplung. Oben: nucleophile aromatische Ringglieder: unten: elektrophiie
aromatische Ringglieder.
Schema 22. Cyclopolythiophen-Synthesen
Fur ( 2 8 ) wurde durch R o n t g e n - S t r u k t ~ r a n a l y s edie
~~~~
riiumliche Struktur (28') ermittelt. Der Winkel zwischen den
Ebenen benachbarter Kerne betragt 53.7" und ist damit erheblich kleiner als bei Cyclotetrabenzol ( 2 3 a ) (ca. 70")[601.Dies
entspricht der Erwartung, denn zur Eincbnung von ( 2 8 ' ) bedarf es einer etwas geringeren Deformation der Valenzwinkel
. ( 2 4 a ) und die ubrigen synthetisierten Heteals bei ( 2 3 ~ )Fur
rocyclotetraaromaten sind analoge nichtplanare Strukturen
anzunehmen. Das 'H-NMR-Spektrum des Cyclohexathiophens ( 2 7 ) stimmt praktisch vollig rnit dem von (28') uberein.
( 2 7 ) diirfte daher die raumliche Struktur (27') und nicht
(27") zukommen[61].
Der Mechanismus der zu (24 a ) und analogen Verbindungen fiihrenden Kupplungen ist noch unklar. Nimmt man einen
analogen Reaktionsweg an, wie ihn Wittig et al.'54"' fur die
Bildung des Cyclotetrabenzols vorschlugen und durch experimentelle Befundestiitzten, so treten bei der zu (24 a) fuhrenden
Oxidation mit CuClz der at-Komplex ( 2 4 b ) und der Metallocyclus (24 c) als Zwischenprodukte auf.
Aiigew. Chrm. 9 1 , l - 1 9 ( l Y 7 Y )
Versuche zur Synthese von Cyclopolyaromaten rnit ausschliel3lich elektrophilen heteroaromatischen Ringgliedern
durch oxidative Kupplung waren bisher nur beim Cyclotetrapyridin (25) erfolgreich. Die Metallamid-Kupplung von 3Brompyridin (vgl. Abschnitt 2.1.2) fuhrte zu (29)[311,das in
Gegenwart von FeC13 mit der entsprechenden Dilithiumverbindung zu (25) reagierte; bei Verwendung von CuCI2 entstand dagegen (25) nur in S p ~ r e n [ ~ ' !
3.2.2. Zwei Arten aromatischer Ringglieder
Bei der Synthese von (30c),dem ersten Heterocyclopolyaromat rnit verschiedenartigen aromatischen Ringgliedern (Schema 24)[68,691,war selektive Verkniipfung von Pyrazol und
Benzol moglich, da 1-Phenylpyrazol rnit Grignard-Verbindungen spezifisch am Phenyl-["' und der Tetraaromat ( 3 0 ~ )
rnit n-BuLi spezifisch am Pyrazolyl-Rest metalliert werden[681.
CuCI2, meist das Reagens der Wahl bei oxidativen Kupplungen via Organokupferverbindungen, versagte beim Versuch
zur Cyclisierung der Dilithiumverbindung (30 b ) und wirkte
chlorierend. Bei der Cyclisierung rnit CuI/O2 besteht Explosionsgefahri7'I.
Weit besser waren cyclische Pyrrol-Benzol-Kombinationen
zuganglich (Schema 24 unten). Bei der Kupplung der Dillthiumverbindung (31 a), die bei der Umsetzung von I mol
1 -Phenylpyrrol mit 2 mol n-BuLi/Tetramethylethylendiamin
(TMEDA) praktisch quantitativ e n t ~ t e h t [ ~ ~ interessierte,
~.'~],
ob sich bevorzugt (31 b ) oder (31 c) bildet. Weshalb hauptsachlich der Makrocyclus rnit alternierender Anordnung der
Kerne anfillt, ist ungeklart. Fur die beiden Cyclisierungsprodukte konnte die Strukturzuordnung nur durch die von
(31 d)[731ausgehende Synthese des Isomers (31 c ) getroffen
~erden[~~~!
Bei der angegebenen U m ~ e t z u n & ~
des
~ ~ Triaromaten
]
( 3 2 a)1731konnten der erwartete Cyclohexaaromat [Analogon
zu (36 b ) ] sowie der disubstituierte Cyclotetraaromat (32 c )
11
2 n-BuLi
THF/- 100 "C
Br
(30a). 48%
T
CUClZ
1
C"CI2
H
H
(33), 1 2 %
54%
@
N-N
0
(33'1
(34)
Schema 25. Heterocyclohexaaromnten mit kranrartiger Struktur
(31d)
35%
Schema 24. Heterotype 1661 Heterocyclotctraaromaten durch oxidative
Kupplung.
nicht aus dem Reaktionsgemisch isoliert werden. ( 3 2 c ) durfte
sich aus sterischen Grunden weniger leicht bilden als das in
relativ guter Ausbeute erhaltene, ziemlich gut liisliche, rarblose
Isomer ( 3 2 b ) , dem das Ringsystem ( 3 1 b ) zugrunde liegt.
(32a J,
Bei der Synthese von ( 3 3 ) (Schema 25)[69,741,des ersten
Heterocyclohexuaromaten mit verschiedenartigen Ringgliedern. muU der formulierte doppelte Br/Li-Austausch wegen
der konkurriercnden PI-BuLi-Additionan den Pyrimidin-Kern
unter starker Kuhlung durchgefuhrt werden.
Wahrend im Hexa-rn-phenylen ( 2 3 b ) (Schema 21) die Ebenen benachbarter Benzolringe um ca. 30" gegeneinander verdreht ~ i n d ~ " ~betrrlgt
],
laut Rontgen-Strukturanalyse1761der
entsprechende Winkel beim Tetraaza-hexa-rn-phenylen ( 3 3 )
hochstens 1". Dies durfte darauf zuruckgehen, daU bei (23 b )
in der auBeren Sphiire sechs Paare von o,o'-Protonen die
Eincbnung sterisch hindern, bei der Tetraazaverbindung dagegen nur zwei Paare. Intramolekulare H-Brucken von den
Benzolkernen zu den N-Atomen kiinnten ebenfalls wirksam
sein.
Die Riintgen-Strukturanalyse von (33) zeigt auch, dalj es
bei den Bindungen (C~--Caro,,,ati.ich:
1.38A; C-Ci,,,crn,lc,e.,r:
1.48 A) des inneren Ringes, der formal einem [I X]Annulen12
Ring entspricht, zu keinem Langenausgleich kommt. Erwartungsgemlfl ist also der aromatische Charakter der einzelnen
Benzolringe nicht zugunsten eines aromatischen [18]AnnulenSystems abgeschwicht. Die Formulierung als kondensiertes
aromatisches System ( 3 3 ' ) wiire daher abwegig.
Im 'H-NMR-Spektrnm des Hexa-rn-phenylens (23 b )
(Schema 21) erscheinen die Signale der inneren Protonen bei
ii= 8.85. Die entsprechenden Signale der Tetraazaverbindung
(33 1 bei 6 =9.42 (Hi)nnd9.51 (Hi,)sind demgegenuber deutlich
tieffeldverschoben. Dies durfte zum Teil auf die stiirkere gegenseitige Bedrangung (van-der-Waals-Wechselwirkung) zuruckgehen. Beim Octaaza-hexa-rn-phenylen ( 3 4 ) (Synthese siehe
Abschnitt 3.4) finden sich die Signale der inneren Protonen
Hi und Hi, bei b=9.75, also noch weiter tieffeldverschoben.
Daher diirfte auch dieser Cyclohexaaromat planar sein, was
wegen des Fehlens iiufierer, sich sterisch hindernder o,o'-Protonenpaare verstandlich ist.
Da die Verbindungen ( 3 5 a ) und ( 3 5 b ) [ 7 7 . 7 8 bekannt
1
sind,
war zu erwarten, daU aul3er kranzartigen Cyclohexaaromaten
(Schema 25) auch solche moglich sind, bei denen zwei Kerne
mit der Breitseite aufeinander liegen. Die Frage nach den
chemischen und spektroskopischen Eigenschaften macht
solche Verbindungen zu interessanten Synthesezielen.
Es gelang, Verbindung ( 3 6 h ) als erste dieses Typs in
annehmbarer Ausbeute zu synthetisieren (Schema 26)L401.Der
Versuch zur Darstellung eines analogen Heterobicyclooctaaromaten mit uber drei Bispyrazolyl-Brucken verknupften
Benzolkernen fuhrte dagegen nicht zum Ziel, sondern in geringer Ausbeute zu einem disubstituierten Cyclohexaaromaten,
dem wir die Struktur ( 3 7 b ) z ~ s c h r e i b e n ' ~Bei
~ ] .der oxidativen
AlIgLw.
Clrem. 91, 1-IY ( I Y 7 9 )
Kupplung der Vorstufe rnit CuC12 statt rnit O2 betrug die
Ausbeute an ( 3 7 h ) nur 1 '%,[40h1.
(36 a ) , 7 9%
2.1.1), erschien die Cyclisierung von zwei Molekiilen eines
monolithiierten Diaromaten, der wie ( 3 9 a ) ein stark nucleophiles und stark elektrophiles Zentrum aufweist, sehr aussichtsreich. Diese Art Cyclisierung gelang in vier Fallen.
Besonders glatt cyclisierte das lithiierte 3-(1-Imidazolyl)chinolin ( 3 9 a ) (Schema 27)[b8,81.
"I. Hierzu durfte die in
der Zwischenstufe (39 h ) anzunehmende Chelatbriicke beitragen, da sie die nahe Nachbarschaft der terminalen Kerne
erzwingt. Im Gegensatz zur Synthese von ( 4 0 b ) , (41 c ) und
( 4 2 ) verbesserte CuF2- oder NiF2-Zusatz die Ausbeute an
(3Yc) nicht.
Das analoge Benzimidazol-Derivat ( 4 0 ~ lieferte
)
aus ungekliirten Grunden den erwarteten Cyclotetraaromaten nur in
3 "/, Ausbeute; Zusatz von 2 Aquivalenten NiFz (siche unten)
zum Reaktionsgemisch erhohte die Ausbeute auf 15 'j/o[68.811.
Die verglichen rnit Imidazol groRere Elektrophile des Benzimidazols durfte fur die Bildung des angegebenen Nebenprodukts veraiitwortlich sein (Addition von ( 4 0 ~ 1 an
) die entsprechende nichtlithiierte Verbindung).
(36 b ) , 4 3%
( 3 7 a ) , 90%
A
IJUmann-
Reaktion
J
I"
3
N
o
N
OLi
N
0T
THF
Br
Schema 26. Hcterocyclohexaaromaten mit ,,face to face"-Anordnung zweier
Ringe.
Im 'H-NMR-Spektrum (in CDC13) von ( 3 6 b ) sind die
Signale (Singulett, 6 = 6.97) der Phenylen-Protonen im Vergleich zu denen der Ausgangsverbindung (36 a ) (6 = 7.80) deutlich hochfeldverschoben. Dies entspricht den Verhaltnissen
beim [2.2]Paracy~lophan[~~],
bei ( 3 5 t ~ ) ' ~sowie
~ I bei anderen
Phanen und kann rnit dem Anisotropie-EinfluB des benachbarten Phenylen-Restes erkliirt werden[801.
Bei den bisher behandelten Synthesen von Heterocyclopolyaromaten durch oxidative Kupplung betrug die Ausbeute
im Cyclisierungsschritt maximal 31 %. Die hohe Ausbeute
an (3611) 43 % ist daher uberraschend. Da bei der Cyclisierung von ( 3 6 a ) die bciden CC-Bindungen wohl kaum synchron geknupft werden, mu8 man annchmen, daB der intermediiir auftretende Hexaaromat in der cisoiden Konformation
( 3 8 u ) oder als Metallocyclus ( 3 8 h ) vorliegt oder aber leicht
in diese Strukturen iibergeht (vgl. 1491).
~
138~)
I HzO
2 KMnOn
4
p
6
(39c), 56'5
-
A
~
T\/I = Li, C u
(40aJ
(40b), 15Yo
8%
Schcma 27. Cyclisierung von Imidarolid-annlopen [83] Dilieter0nr0tn:Ltcn.
Die entsprechende Cyclisierung der lithiierten ThiophenChinoxalin-Kombination ( 6 a ) konnte zunlchst nicht verwirklicht werden, da beim Erwiirmen nur die in Abschnitt
2.1.3 erwahnten offenkettigen Oligomere (6 h ) entstandcn. Wir
fuhren dies auf die Chelatbrucken in ( h a ) sowie (6c) und
(386)
3.3. Nucleophile aromatische Substitution als
C yclisierungsschritt
+
(6a)
+
3.3.1. Verknupfungsprinzip 2 2
Da die Verknupfung eines nucleophilen Heteroaromaten
mit einem elektrophilen besonders einfach ist (vgl. Abschnitt
13
analogen Zwischenprodukten zuruck, da sie die beiden aktiven
Zentren (durch Punkte markiert) in der fiur die Cyclisierung
ungunstigen trans-Stellung fixieren.
Die gewiinschte Cyclisierung zu (41 c) (Ausbeute 9 %)) trat
erst ein, als man die THF-Losung von ( 6 a ) mit 2 Aquivalenten
CuF2 versetzte (Schema 28)[263271.
Der Effekt des CuFz kann
damit erklart werden, daB es die N-Atome des Chinoxalin-Systems gemaf!, (41 a ) komplexiert, was dic Pixierung der
,,fakchen" Konformation von (6 a ) aufheben und gleichzeitig
die Elektrophilie erhohen sollte. Die spekulative Formel (41 h )
sol1die Komplexizitat des Reaktionsgeschehens verdeutlichen.
Das in Abschnitt 2.1.3 ebenfdlls erwiihnte Benzohomologe
( 7 u ) cyclisiert auch ohne CuF2-Zusatz. Zugabe von 2 Aquivalenten wasserfreiem CuFz oder NiF,[841 erhohte aber die Ausbeute am Cyclisierungsprodukt (42) von 11 % auf 63 bzw.
26 : / o [ 2 6 ~ 2 7 ] , 63 "/, ist die Rekord-Ausbeute bei den bisherigen
Heterocyclopolyaromaten-Synthesen. Es ist bezeichnend, daI3
sie und auch die zweitbeste Ausbeute [56 % an ( 3 9 c ) l durch
ArNu-ArE-Verkniipfungen erzielt wurden, die sich auch bei
der Synthese offenkettiger Systeme als besonders giinstig
erwiesen haben (vgl. Abschnitt 2.1.31.
A
+
erschien als Methode zur Synthese von Heterocyclotetraaromaten ebenfalls aussichtsreich, aber alle Versuche schlugen
fehl. Wir vermuten, da6 die Dilithiumverbindungen durch
Komplexierung desaktiviert werden, z. B. gemaB (43) (vgl.
Abschnitt 2.1.4).
r
+
Das Chinoxalin-System, das schon wegen der beiden
benachbarten elektrophilen Zentren als gunstige Baugruppe
fur Cyclotetraaromaten-Synthesen erscheinen mu6, ist fur den
kritischen Cyclisierungsschritt bei Cyclotetraaromaten-Synthesen besonders vorteilhaft. Wird namlich eines der beiden
elektrophilcn Zentren unter Bildung eines Addukts (44) angegriffen, so steigt die Elektrophilie des zweiten Zentrums an,
d a aus der ,,aromatischen" CN-Doppelbindung eine ,,normale"
CN-Doppelbindung wird. Es bedarf daher besonderer
Maanahmen (Vorlegen des Chinoxalins, langsame Zugabe
des N ~ c l e o p h i l s [ * ~wenn
~ ) , man statt der doppelten eine einfache nucleophile Addition am Chinoxalin-System erreichen
will. Die Umsetzung des lithiierten Triaromaten (45 a) mit
Chinoxalin fuhrte zwar zur gewiinschten Verbindung (45 b )
(Schema 30), jedoch nur in geringer Ausbeute'261.
1. H20
2. KMn04
lLP
3.3.2. Verkniipfungsprinzip 3 1
Gg
-
6%
L1
____)
2 H2O
3 KMn04
s
( 4 5 6 ) , 3%
t
a<
-
0 s
1. CuF2
2. A
3. H10iKMn04
(7a)
( 4 2 ) , 63%
Schema 28. CuFz-Assistenz be1 Cyclotetraaromaten-Synthesen
w
+
Schema 29. Nichlrealisierte Cyclisierungen [ I 3, 261.
Die Umsetzung eines dilithiierten nucleophilen Diaromaten
mit einem elektrophilen Diaromaten, etwa nach Schema 29,
14
Schema 30. Helerocyclotetraaromaten-Synthesen mit Dilithiumverbindungen.
Angetr.
Chetn. 91, 1-19 11Y7Y)
Eine weit vorteilhaftere Ausgangskomponente ist die analog
.
dargestellte Dilithium-Verbindung ( 4 6 a ) i 2 " , 6 9 1Vermutlich
ist wegen der Gruppenhiufung in den Konformationen (46 a')
und (46 a") die fur die Cyclisierung vorteilhaftere Konformation (46tr) begiinstigt. Die Reaktionstemperatur beeinflufit
das Produktverhaltnis deutlich: Bei 20 statt - 15"C (Schema
30) betragt die Ausbeute an ( 4 6 6 ) und ( 4 6 c ) 18 bzw. 69%.
Die Rontgen-Strukt~ranalyse[~~~
bestiitigt die erwartete, zu
(28') analoge Doppelwannen-Struktur.
h=A
(Schema 32). Die Kernabspaltung aus ( 4 8 ) (zwei terminale
Kerne in o,o'-Stellung zur mittleren internuclearen Bindung)
ist der Kernabspaltung bei der Massenspektrometrie strukturanaloger Tetraaromaten (vgl. Abschnitt 2.3.3) vergleichbar.
+
L1
(48)
Li
Li
(46a')
(46a")
A
Durch Umsetzen von ( 4 7 ~rnit
) Chinoxalin entstand ( 4 7 b ) ,
der erste Heterocyclotetraaromat mit drei Arten von Ringgliedern (Schema 31)[Zh1.Das Nebenprodukt ( 4 7 c ) erlaubt
den SchluO, dalj zunachst der Benzothienyl-Rest rnit dem
Chinoxalin verkniipft wird. Dies entspricht der Erwartung,
denn beim Thienyl-Rest von ( 4 7 a ) 1st eine die Nucleophilie
senkende Chelat-Fixierung an ein N-Atom des ChinoxalinSystems aus sterischen Griinden wahrscheinlicher als beim
Benzothienyl-Rest.
a
0 y?
-
n
v
L
(45C)j
J
H5Cs
18%
Schema 32. Tetraaromaten-Cyclisierung und Kern-Kern-Ausuuach (siehe
auch Schema 30).
(47a)
I
Ein gleichartiger Kern-Kern-Austausch wurde von uns nur
in einem weiteren Fall beobachtet: Bei der in Schema 30
formulierten Reaktion muM das Nebenprodukt (45 c) auf diese
Weise entstanden sein. Dalj entsprechende Reaktionen intermolekular moglich sind, zeigt der in Schema 32 unten angegeDiesen Substitubene 1-PyrazolyI-/2-ThienyI-Austaus~h[~~~.
tionen, die nach dem Additions-Eliminierungs-Mechanismus
erfolgen diirften, ist gemeinsam, dal3 sie an einem stark elektrophilen Kern stattfinden.
1
~
I
+
3.4. Metallamid-Kupplung als Cyclisierungsschritt[*I
Das durch oxidative Kupplung von 5-Lithiopyrirnidin[881
'1 ging
erhaltene $5'-Bipyrimidin (57 %) (Schema 33)i133
bei Lithiumdiisopropylamid-Zusatz in das Quaterpyrimidin
( 4 9 a ) sowie das Cyclotetrapyrimidin ( 4 9 6 ) iiber. ( 4 9 a ) cyclisierte bei erneuter Umsetzung rnit Lithiumdiisopropylamid[13,57b, 581, wobei moglicherweise die Fixierung der
cisoiden Konformation durch Komplexbildung mit Lithiumdiisopropylamid nach ( 4 9 c ) eine Rolle spielt. Dies wiirde
erkliiren, weshalb das Quaterpyridin ( 5 0 ) , dem die beiden
Stickstoffatome zur entsprechenden Komplexierung fehlen,
nicht analog cyclisiert werden kannl3'I.
Die Kupplung von 3,3'-Bipyridinl3', 57b1 fiihrte nur in sehr
geringer Ausbeute zu einem Cyclotetrapyridin (Schema 33).
Das wesentlich besser zugangliche Cyclotetrapyridin ( 2 5 )
wurde in Abschnitt 3.1 erwahnt.
57b3
Schema 31. Heterocyclotetrdaromat m i l drei Arten von Ringgliedern
3.3.3. Verknupfungsprinzip 4 + O
Bei der Cyclisierung des lithiierten Tetraaromaten ( 4 8 )
zur bereits erwahnten Vcrbindung ( 4 5 h ) war die Ausbeute
iiberraschend gering[261.Dies mag zum Teil darduf zuriickgehen, daR die zu ( 4 8 ) fiihrende Lithiierung rnit Lithiumdiisopropylamid nicht spezifisch an der angegebenen Stelle erfolgt
(vgl. Abschnitt 2.1.4)[861.Ausbeutesenkend wirkte auch die
zum kondensierten System (45 c) fuhrende ungewohnliche
intramolekulare nucleophile Substitution, bei der ein 3Thienyl- gegen einen 2-Chinoxalinyl-Rest ausgetauscht wird
Angew. Chrm 91, I-IY ( 1 9 7 Y )
[*] Vgl. AbschnitL 2.1.2.
15
LiN(iPr)z
3.5. Nahere
(24a)
Untersuchung des
Heterocyclotetraaromaten
Von den synthetisierten Heterocyclopolyaromaten wurde
bisher nur das Cyclotetrathiophen Cycloocta[l,2-h:4,3-h': 5,6h":8,7-b"']tetrathiophen (24u) niiher untersucht. Dadie Zuchtung geeigneter Kristalle bisher nicht gelang, war eine
Rontgen-Strukturanalyse unmoglich; zweifellos sind aber die
riiumlichen Verhdtnisse denen des rontgenanaly~ierten[~~~
Isomers (28) sehr ihnlich (vgl. Abschnitt 3.2.1). Im UV-Spektrum (CHC13) von (24a) liegt h,,, bei 278nm und somit
zwischen h,,, von 3,3'-Bithiophen (263 nm) und 2,2'-Bithiophen (297 nm). Offenbar verhindert die nicht coplanare Anordnung der Kerne eine weitreichende Wechselwirkung der
rr-Elektronen.
R
Schema 13. Cyclisierung clektrophller Hcierodiarornaten
Versuche, durch Einwirkung von Lithiumdiisopropylamid
auf 4,4'-Bipyridin, auf einc M ischung dieser Verbindung mit
(51 u ) oder auf das Sexipyridin (51 h ) das Cyclohexapyridin
(51 c) zu erhalten, fiihrten nicht zum Ziel. Die Kupplung
ergab jeweils nur offenkettige P~lypyridine'~'!
Die Umsetzung von ( 2 4 a ) mit je einem Aquivalent Acetylchlorid und SnCI4 fuhrt in 45proz. Ausbeute zur Monoacetylverbindung ( 5 3u ) ; Diacetylverbindungen wurden zu
weniger als 3 % gebildeti89.90! Die Einfuhrung des elektroncnanziehenden Acetyl-Restes vermindert also die Nucleophilie nicht nur des acetylierten Thiophenringes, sondern dcs
gesamten Makrocyclus deutlich, was angesichts der ausgepriigt
Wie Konkurrenzversuche
unebenen Struktur uberrascht.
rnit Acetylchlorid/SnC14 zeigen (Schema 34), liegt (24u) in
der Nucleophilitiitsskala zwischen Thiophen und 2,2'-Bithiophen'"' (Bedingungen der Konkurrenzversuche vgl. [''I).
~
8
31:6Y 157
.
%I.
17:83 184 % I
.
,I
1
I
N
i24ai
Schema 34. Relativc Nucleophilie gegcn Acetylchlorid;SnCI,: Ergebnissc von
Konkurrenrvcrsuchen analog Schema I 6 [91].
Dagegen reagierte der Triaromat (52 j zum bereits
erwihntcn (vgl. Abschnitt 3.2.2) Octaaza-hexa-nz-phenylen
(34)1741.Das Kupplungsprodukt entstand unmittelbar in der
,,vollaromatischen" Form, allerdings nur in sehr geringer Ausbeute.
152)
16
Die desaktivierende Wirkung von elektronenanziehenden
Substituenten aufden gesamten Makrocyclus lufiert sich noch
deutlicher darin, da8 das pyrimidinylsubstituierte Cyclotetrathiophen (53 e ) (Schema 35) rnit iiberschiissigem Acetylchlorid und SnCI4 nicht an einem der C-Atome des makrocyclischcn Systems acetyliert werden konnte[8qll,wiihrend das
pyrimidinylsubstituicrte (offenkettige) Quaterthiophcn ( I 7 u ),
n = 3, unter entsprechenden Bedingungcn glatt acetylierbar ist
(vgl. Abschnitt 2.2). Dies diirfte auf die Bildung der N-Acetylverbindung ( 5 3 b ) und den dadurch stark erhdhten Elektronensog des Pyrimidinyl-Restes ziiriickgehen.
Wahrend 2-Bromthiophen durch Einwirkung von Brom
auf Thiophen wegen rascher Einfuhrung weiterer Bromatome
praktisch nicht erhiiltlich
fiihrt dic Umsetzung von
( 2 4 ~mit
) einem Aquivalcnt Rrom in 29proz. Ausbeute [48 %,
bezogen auf umgesetztes ( 2 4 u ) ] zum Mouobromdcrivat
( 5 3 c ). Mit uberschussigem Brom tinter verschiirften Bedingungen entstand das Tetrabromid ( 5 4 ) in 82proz. Ausbeute[”l.
Schwache Elektrophile konnen durch Umsetzung mit lithiiertem ( 2 4 0 ) an den Makrocyclus gebunden werden. Es ist
dabei sehr gunstig, dal3 die Umsetzung von (24a) mit einem
Aquivalent n-BuLi iiberraschenderweise praktisch nur ein
Morzolithiumderivat liefert[’- 891.Uber diese Verbindung (53 d )
gelingt es auch, zwei Molekule ( 2 4 ~ oxidativ
)
zu kuppeln
odcr uber ein Bindeglied zu verkniipfen (Schema 35)’”].
Im Massenspektrum der verbruckten Produkte, z. B. ( 5 5 ~ )
und ( 5 5 6 ) , finden sich intcnsivc Pcaks, die auf Cyclisierung
tionen aufweist, konnten durch direkte elektrophilc Substitulion, durch Lithiierung oder durch elektrophilc Substitution
des Lithiierungsprodukts Liberraschend selektiv Monosubstitutionsprodukte gewonnen werden. Der unebene Bau verschafft dcm Molckiil einc rclativ gutc Loslichkeit (z. B. 29.4 g/l
in CHC13[931),fiihrt aber doch nicht zu einer Isolierung der
Kerne voneinander, die sich bei Substitutionen infolge statistischen Angriffs auf gleichwertige Positionen ungiinstig auswirken wiirde. Die Befunde lassen erwarten, dalJ selektive
und damit praparativ interessante Reaktionen auch an anderen
Heterocyclopolyaromaten moglich sind.
4. Ausblick
Das Arcnoanalogie-Prinzip, das unscrc Untersuchungcn
ausloste, wird der Erforschung der organischen Anionochemie
(556/, 7%
Schema 3.5. Aus Lithiocyclotetrathioplien f 5 3 d ) erhaltene Produkte.
hindeuten[’’]; ( 5 5 c ) bzw. ( 5 5 ~ 1 Qeweils
)
rcl. Intcnsitiit 100 n4)
sind zwei charakteristische Beispiele. Man darf erwarten, dal3
eines Tages zu ( 5 5 c ) analoge, ladungsfreie Metallocyclen aus
Heterocyclopolyaromaten praparativ zuganglich werden.
Das Ergebnis der naheren Untersuchung des Cyclotetrathiophens ( 2 4 a ) ist erniutigend: Obgleich dieser Makrocyclus
zweimal vier gleichwertige nucleophile und CH-acide Posi-
Aiigew. Cherir. 91. /~ / Y (1979)
auch weiterhin Impulse geben konnen. Sich abzeichnende
Richtungen sind Protophan- (vgl. Abschnitt 2.1.4) und PhanSynthesenI61, bei denen durch Kohlenstoffketten verbundene
Heteroaromaten als nucleo- und elektrophile funktionelle
Gruppen
dienen; Transmetallierungsreaktionen
(vgl.
Abschnitt 2.1.4) konnten hier aber relativ enge Grenzen setzen.
Eine weitere Beschriinkung ist dadurch gegeben, daB die Verknupfung zweier Heteroaromatcn im Gegensatz zur Verkniipfung der ublichen funktionellen Gruppen im allgemeinen
(Ausnahme: siehe Schema 32) irreversibel ist.
Bei den Hcterocyclopolyaromaten sei darauf hingewiesen,
dal3 es wegen der Viclzahl der bckannten hetero- und
carbocyclischen Aromaten und der mannigfachen Verkniipfungsmoglichkeiten im Prinzip Tausende solcher Verbindungen gibt. Auf dieses Potential an Heterocyclen wird
man aufdie Dauer nicht verzichten wollen. In den kommenden
17
Jahrzehnten werden daher sicherlich viele neue Verbindungen
dieser Art synthetisiert und untersucht werden. Nach Erhohung der Loslichkeit durch geeignete Substituenten diirften
einige Verbindungen interessante physiologische Wirkungen
zeigen.
Wie in Abschnitt 3.5 dargelegt, bereitet die Monosubstitution keine prinzipiellen Schwierigkeiten. Was die Einfuhrung
mehrerer Substituenten oder Seitenketten betrifft, kann erwartet werden, daB durch Br/Li-Austausch und Umsetzung mit
Elektrophilen z. B. aus der Tetrabromverbindung ( 5 4 ) tetrasubstituierte Derivate von ( 2 4 a ) darstellbar sind. Neben der
nachtraglichen Einfuhrung von Substituenten durfte es auch
moglich sein, substituierte Di- und Triaromaten zu cyclisieren.
Die bisherigen Synthesen von Heterocyclopolyaromaten
sind alle metallorganischer Art und hinsichtlich der Ausbeute
oft unbefriedigend. Eine weitere Zukunftsaufgabe ist daher
die Entwicklung von weniger aufwendigen, ergiebigen Darstellungsmethoden.
Den Weg zu den Heterocyclopolyarornateri ebnete ein Teum
tuchtiger Miturbeiter, deren Namen im Literaturverzeichnis
genannt sind. Der vorliegende Bericht ist ihr Bericht. Allen
diesen Mitarbeitern gilt mein herzlicher Dunk. Fur RontgenStrukturunalysen danke ich Pr($ Dr. H . G . von Schnering, MuxPlanck-lnstitut fur Festkiirperjorschung, Stuttgart, und Prio.Doz. Dr. H . Irngartinger, Organisch-chemisches Institut der
Universitiit Heidelberg. Fur die Darstellung von Ausgangsverbindungen danke ich Herrn H . Niewind, Orgartisch-chemisches
lnstitut der Universitiit Munster.
Unsere Arbeiten wurden
von der Deutschen Forschungsgemeinschaji ( K a 144127 und
K u 144/3O), uom Ministerium f u r Wissen.schaft und Forschung
des Lundes Nordrhein- W e s t f ~ l e n [und
~ ~ ’ vorn Fonds der Chemischen lndustrie finunziell gejordert.
~
~
Eingegangen am 2. Januar 1978 [A 2521
A . Albert: Heterocyclic Chemistry. Athlone Press, London 1959; Chemie
der Heterocyclen. Verlag Chemie, Weinheim 1962. Nucleo- und elektrophile Aromaten werden in diesem Aufsatz mit ATNuhaw. ArE abgekiirzt.
T h . Kauffmunn. Angew. Chem. 83, 798 (1971); Angew. Chem. Int. Ed.
Engl. 10, 743 (1971).
T h . Kuuffmann, Chimia 26, 511 (1972).
Vgl. A. R. Knrritzkv, J . M . Lagowski. The Principles of Heterocyclic
Chemistry. Methuen, London 1967.
W L. F . Armarego, R. E . Willette, J. Chem. Soc. 1965, 1258; 7: Hqushino,
M. Gio, E. Hosushi, Chem. Pharm. Bull. 22, 2493 (1974).
Durch das Arenoanalogie-Prinzip angercgte [Jntersuchungen uber Protophane, Phane, Heteraprotophane und Heteraphane: a) TI].Kuujfmann,
A. Wolrrrmunn, Angew. Chem. 84, 824 (1972); Angew. Chem. Int. Ed.
Engl. 1 1 , 842 (1972); b) T h . Kaufmuiin, J . Juckisch, A . Wolrrrmunn,
P . ROwemeier, ibid. 84,826 (1972) bzw. 1 I , 844 (1972); c) T h . Kaufmanii.
ibid. 86, 321 (1974) bzw. 13, 291 (1974); d ) T h . Kairfmann, G . Begner,
W Suhm, A . Woltermann, ibid. 82, 815 (1970) bzw. 9, 808 (1970); e)
T h . Knuffmunn, G. Beifliicr, R . Muibaum, h i d . 83, 795 (1971) bzw. 10,
740 (1971); F) 7%. Kuuffmunn, H . - H . Kniese, Tetrahedron Lett. 2973,
4043.
H. Wjnberq. 7: J . C U I I Bergen, R . M. Kellugg. J. Org. Chem. 3 4 , 3175
( I 9691.
TI?. Kaufinaim, E . Wienhiifer, A. Woltermunn, Angew. Chem. 83, 796
(197?); Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1 0 , 741 (1971).
A . Wbltrrmann, Universitat Munster, Versuche 1971 1916.
H . Licking, Diplomarbeit, Universitiit Miinster 1977.
lndirekte Umpolung von Carbonylverbindungen: B. T Grubel, D. Srehuch, Synthesis 1977, 357, zit. Lit.
E. Wienhiifer, Dissertation, Universitit Miinster 1974.
B. Grer,ing, Dissertation, Universitiit Miiuster 1976.
A . Cairricross, W A . Sheppord. 1. Am. Chem. Soc. YO, 2186 (1968).
Additions-Eliminierungs-Mechanismusbei Umsetzuugen von Heteroarylkupfer-Verbindungen mit 1,3,5-Trinitrobenzol: M. Nilsson, C
Ullenrus. 0 . Wrmierstrdm, Tetrahedron Lett. 1971. 2713.
~
1161 a) M . Nilssoiz, C. Ulfenius, Acta Chem. Scand. 24, 2379 (1970); b)
M. Nilsson. 0 . Wmnersrriim, ibid. 24,482 (1970); c) N . Cjos, S.Gmnowit;,
ibid. 25, 2596 (1971); d) C. Ullenius, ibid. 26, 3383 (1972).
[17] Analogie: Reaktionen von Phenylkupfer mit Acylhalogeniden: H. Gil.
man, J . M. Straley, Rec. Trav. Chim. Pays-Bas 55, 821 (1936).
[18] SechsstufigeringbildendeSynthese(Gesamtausbeute 14 %): H . J . Kooremann, H Wynberg, Rec. Trav. Chim. Pays-Bas 86, 37 (1967).
[19] H . Lexy, Diplomarbeit, Universitit Munster 1975.
[20] Vierstufige ringbildende Synthese (Gesamtausbeute 16 %): T Reichstein.
A . G r t i w w r , H . Zschohkr. Helv. Chim. Acta 25, 1066 (1932); R. Grigg,
J . A . Knight, M . T.: Surgetit. J. Chem. Soc. C l 9 6 6 , 976.
1211 Fur aus gleichen Ringsystemen zusammengesetzte, offene und unverzweigte Ketten schreibt die IUPAC-Regel A-54.1 die numerischen Prafixe
bi, ter,quater, quinque, sexi usw. vor. Bei der Mehrzahl der vorstellbaren
Polyaromaten sind diese Voraussetzungen wegen ungleicher aromatischer Kettenglieder, cyclischer oder verzweigter Struktur nicht erfiillt.
In dicsen Fillen sowie in allgemeinen Ausdriicken wie Tetraaromat
oder Cyclotetraaromat verwenden wir die sonst iiblichen numerischen
Prafixe di, tri, tetra usw.
[22] A . J . Clarke, S . McNamuru, 0 . Meth-Cohn, Tetrahedron Lett. 1974,
2373.
[23] B. C . Plutr, Nature 157, 439 (1946). Bei Tschitschibabin-Reaktionen
wurden Dehydrodimerisierungsprodukte der elektrophilen Heteroaromaten verschiedentlich als Nebenprodukte erhalten: vgl. H. T Leffler,
Org. React. I , 91 (1942).
1241 R. d . Marrens, H . J . d m Hertog, M . ran Ammer, Tetrahedron Lett.
1964, 3207.
[25] Bei den angegebenen Ausbeuten handelt es sich jeweils um die hochste
Ausbeute, die in mehreren Ansltzen er2elt wurde. Beim Erwarmen
van ( 6 u ) in siedendem Ether entstanden alle angegebenen Oligomere.
beim Reagierenlassen von ( 6 u ) in T H F bei 0°C entstanden lediglich
( 6 h ) , n = l und 2.
[26] R . Otter, Dissertation, Universitgt Miinster 1978.
[27] T h . Kuuffmann, R . Otrer. Angew. Chem. 88, 513 (1976): Angew. Chem.
Int. Ed. Engl. 15, 500 (1976).
[28] E. Wienhtjjer, T h . Kaujfmann, Tetrahedron Lett. 1974, 2347.
[29] Die Reaktionstemperatur kann nicht gesteigert werden, da ( 8 a ) sonst
vermehrt unter Selbstaddition reagiert.
[30] T h . Knuffmunn, J . Kiitiiq, A. Wiltrrmann, Chem. Ber. 109, 3864 (1976).
[31] J . Kiinig, Dissertation, Universitiit Miinster 1977.
[32] T h . Kuuffmann, A. Mitschker, Tetrahedron Lett. 1973, 4039.
1331 A. Mitschker, LJ. Brandl, T h . Kuujfmann, Tetrahedron Lett. 1974, 2343.
1341 A. Mitschker, Dissertation, Universitat Miinster 1974.
1351 A. Vaiirerihorst, Uiiiversitlt Miinster, Versuche 1977.
[36] P . Ribermu, G . Neuers, G. Queguiner, Vortrag bei Reunion du Groupe
F r a n p i s de Chimie HCtCrocyclique in Lille, Sept. 1977; P . Rihereau,
G. Neoers, G. Queguiner. P . Pasrour, C. R. Acad. Sci. Ser. C 2 8 0 , 293
(1975).
[37] J . Juckisch, Dissertation, Universitat Miinster 1973.
[38] U . Pruger, Dissertation. Universitit Miinster 1977.
[39] D. Kiirher, Dissertation. Universitat Miinster 1977.
[40] a) Th. Kuuffniumi, H . Le.xv,Angew.Chem. 90,804(1978);Angew. Chem.
Int. Ed. Engl. 17, 755 (1978); b) H . L exj, Dissertation, Universitat
Miinster 1978.
[41] Die Schmelzpunkt-Angaben von W Steinkopf; R . Leitsmati, K . H . Hofl
man. Justus Liebigs Ann. Chem. 546, 180 (1941). f i r all-u-Polythiophene
sind aulgrund eigener Messungen [39] verbessert. all-a-Octithiophen
[39] war bisher unbekannt. Die in Tabelle 2angegebenen Schmelzpunkte
sind korrigiert.
[42] T h . Kuuffmann, J . Kdnig, D . Kiirber, H . Lex?, H.-J. Streirherger, A .
Vuhreiihorsr, A . Wolfermunn, Tetrahedron Lett. 1977, 389. - Bei den
Konkurrenzversuchen muDte BUS mehreren Griinden (Ausbleiben der
Reaktion bei kleiner Reagens-Konzentration wegen N-Acetylierung
oder H/Li-Austausch, schlechte Zuganglichkeit mancher Substrate,
Notwendigkeit der Erzielung hoher Produktausbeuten 7ur Erleichterung
der Auswertung) darauf verzichtet werden, die zur Bestimmung von
Konkurrenzkonstanten erforderlichen Reaktionsbedingungen zu
wihlen (Substrate im groDen Uberschu5 im Vergleich zum Reagens:
vgl. z. B. R. Huisyen, W M a c k , L. Miibius, Tetrahedron 9, 29 (1960)).
Das Ziel, eine Vorstellung iiber die relative Nucleo- oder Elektrophilie
der Substrate zu erhalten, diirfte dennoch erreicht worden sein.
1431 H.-J. Streifherger, Dissertation, Universitit Miinster 1975, sowie
unveroffentlichte Messungen 1976.
1441 Nach Berechnungen (Pariser-Parr-Pople-Methode) von M . Klessrnger
und 7:Iscliebeck (7:Ischebeck, Diplomarbeit, Universitat Munster 1974)
sollte die Nucleo- und Elektrophilie einer ArN,- -Ar,-Kombination
groDer als diejenige von ATNubzw. ArE sein.
[45] Bei thermodynamischer Kontrolle wiirde die Zahl der angreibaren
Stellen keine Rolle spielen. Es 1st jedoch kinetische Kontrolle
anzunehmen, d a bei Zusatz des Diaromaten ( 1 7 h ) , X = S , zum ti-BuLiAddukt des Pyrimidins unter den Bedingungen der Konkurrenzversuche
kein n-BuLi-Addukt des Diaromaten entstand [35].
[46] Th. Kauffmunn, P. Bundi, W Brinkwerth. B. Greuing, Angew. Chem.
84, 830 (1972); Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1 1 , 848 (1972).
[47] H . Strickelmann, Diplomarbeit, Universitiit Munster 1976.
Aiigew. Chem. 91, 1-19 (1979)
[48] UV-Spektren von all-3-Polythiophenen (in CHC13) siehe 1391; von
all-a-Polypyrrolen (in CHCla) siehe 140 b]; von Poly-p-benzolen (in
CHCI?) siehe A . E. Gillan, D. H . H e y , J. Chem. Soc. 1939, 1170; A .
E. Gilluii, D.H . H e y , A . /.umbert, h i d . 1941, 364.
[49] T h . Kuuffiumi. A . Mitschker, 'Tetrahedron Lett. 1977, 393.
Nach
Aussage der H-NMR-Spektren liegen Heterotetraaromaten mit ,,o,o'Verkniipfung", / B. (20), in Losnng bevorzugt in dcr cisoiden Konformation vor [40b. 681.
[50] f. J . Gurrut, K . P. C . Vollhurdt, J . Am. Chem. SOC.94, 7087 (1972).
[51] ./. M . Krurner, R . S . Berr),, J. Am. Chem. SOC. 93, 1303 (1971).
[52] Heterocyclotriaromaten, z. B. das Photocyclisierungsprodnkt in Schema
12, gehoren zu den kondcnsierten Heteroaromaten.
1531 W S. Rupson. R. G. Shuirleb~orth,3. N . w n Niekerk, J . Chem. SOC.
1943, 326.
1541 a) G. Wittig, G. Ldimunn, Chcm. Ber. 90, 875 (1957); b) C . R'ittig,
Q. Rev. Chem. Soc. 20, 205 (1966): c) G. Wittig, G. Klur, Justus Liebigs
Ann. Chem. 704, 91 (1967); d) G. W i t f i g , K.-D. Riimpler, ibid. 751,
1 (1971); e) G. Wittig,S. Fischer, G . Reqj, ibid. 1973, 495.
1551 a) H . A . Stuub, F. Binnrg, Chem. Ber. 100, 293, 889 (1967); b) H .
A . Stuub, H . Briiunliftg. K. Schneider, Chem. Ber. 101, 879 (1968).
[56] S. Gronowitz, H . - 0 . Kurlsson, Ark. Kemi 17, 89 (1961); R. M . Kellogg,
A. P . Schuup, H . Wynbery, J. Org. Chem. 34, 343 (1969); S. G r o w w i t z ,
Acta Chem. Scand. 15. 1393 (1961).
[57] a) B. Creiing, A . Woltermunn, T h . Kuuffmunn, Angew. Chem. 86, 475
(1974); Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 13, 467 (1974); b) T h . Kuuffmann,
tl. Greumg, J . KDnig, A . Mirschki,r, A. Willrermuiin, ibid. 87,, 745 (1975)
bzw. 14,713 (1975).
[58] T h . Kauffinumt 5.Crerinq. R . Krirgesmunn, A . Mitsrhker, A . Woltermunn,
Chern. Ber. I I 1 , 1330 (1 978).
[59] H . Irngurtinger, 1976, personliche Mittcilnng. Die Ergebnisse werden
in extenso gesondert verofientlicht.
1601 Der Wert ist einem Molekulmodell entnommen [54d], das auf Elektronenbcugungsuntersuchungen von I. L . Kurle, L. 0. Brockwuy, J.
Am. Chem. Soc. 66, 1974 (1944) basiert.
[61] Vgl. die ailalOge Alternative fur das Cyclohexa-o-benzol (Hexa-o-phenylen): [54d] sowie L. Ernst, A. Munnschreck, K.-D. Riimpler, Org. Magn.
Reson. 5, 125 (1973).
[62] C. M . Dui>ie&.P . S . Duvies, Tetrahedron Lett. 1972, 3507.
1631 L . J . fundvif, D. S . Ruo, B. D. Tiluk, J. Sci. Ind. Res. Sect. 8 1 8 , 516
(1939); Chem. Abstr. 54.1739d (1960); verbesserte Darstellungsmethode
siehe [SX].
[64] A. Mitsrhker, Universitit Miinster, Versuche 1975.
1651 R. Kriuge,smunn, Diplomarbeit, Universitgt Miinster 1976.
[66] Cyclopolyaroniaten mit gleichartigen aromatischen Ringgliedern
(gleichartige Bindungist nicht Voranssetzung)bereichnen wir als ,.homotyp". solcbe mit ungleichartigen aromatischen Rmggliedern als ,,heterotyp".
[67] F. R. Supi, Dissertation, Universitat Munster, voraussichtlich 1979.
~
1681 D. Tigler, Dissertation, Universitit Miinster 1977.
1691 T h . Kuuffmunn, B. Muke, R . Otter, D. Tiglrr, Angew. Chem. 87, 746
(1975); Angew. Chem. Jnt. Ed. Engl. 14, 714 (1975).
1701 A. Murxer, M . Siegrisr, Helv. Chim. Acta 57, 1988 (1974).
1711 Nach dem Einleiten von Sauerstoff in THF-Losungen von Organokupfer(1)-Verbindungen (z. B. 2-Cnprothiophen) bei ca. - 60°C trat beim
Erwirmen anf Raumtemperatur in unserem Laboratorium in drei Fillen
Explosion ein, bei der es sich vermutlich um eme Zersetzung von
Peroxiden des THF handelt. Gunstiger 1st es nach unseren Erfahrungen,
die Organokupfer(1)-Verbindungen bei Raumtempcratur mit Sauerstoff
zu oxidieren.
1721 D. A . Shirley. B. H. G n ~ s s ,f. A. Roussel, J . Org. Chem. 20, 225 (1955).
[73] Darstellung der neuen Vcrbindung ( 3 1 d ) durch Umsetzung von
o-Bromanilin mit 2.5-Dimethoxytetrahydrofuran in Eisessig (Ausb.
Anyeu Chem 9 1 , l I Y (1979)
93 %) [40b]; entsprechende Darstellung von ( 3 2 ~ )(Ausb. 36
N. Elming, N . Cluusoti-Kuas, Acta Chem. Scand. 6, 867 (1952).
B. Mukr, Dissertation, Universitlt Miinster 1976.
H . frngurtiiigrr, L. L t i w r o w i l z , G. M . J . Schmidt. Chem. Ber. 103,
1 I32 ( I 970).
Rontgcn-Strukturanalyse von (33 j und (46b) H . C. con Schnering,
G. Suwitzki, 1976/77, personliche Mitteilung. Diese Ergebnisse werdcn
in extenso gesondert veroffentlicht.
H . A. Sruub, E . Wehingrr, Angew. Chem. 80, 240 (1968): Angew. Chcm.
Int. Ed. Engl. 7, 225 (1968).
F. Voytle, M . Atzmiiller, W Wehner, J . Griitzc, Angew. Chem. 89, 338
(1977); Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 16. 325 (1977).
Die geringc Ausheute an ( 3 7 h ) diirfte zum Teil darauf iuruckgehen,
daB ( 3 7 a ) auch am BenLolkern lithiiert wird (hei dreifachcr ,,Aui3enlithiierung" wird zaeifache ,,Innenlithiierung" beobachtet). Fur die ,,cis"Stellung der beiden I-Pyrazol-Reste in ( 3 7 6 ) spricht, da8 die 'H-NMRSignalc (in CDCI,) der Pyrazol-Protonen yon (376) ((5 = 7.79) im Vergleich zu denen von ( 3 7 u ) (6 = 7.98) deutlich hochfeldverschoben sind
(vgl. [801).
H-NMR-Signale (in CDC13) der Phenylen-Protonen von [2.2]Paracyclophan, [2.3]Paracyclophan und p-Xylol: 6 =6.37, 6.48 bzw. 7.05 ( H .
Hop/, Angew. Chem. 84, 471 (1972); Angew. Cheni. Int. Ed. Engl. / I ,
419 (1972); D . 3. Crum, R . C. Hrlyeson, J. Am. Chem. Soc. 88, 3515
(1 966); High Resolution NMR, NMR Spectra Catalog, Instrument Division of Varian Associates, Palo Alto, California, 1962) -- Zur Deutung
der Hochfeldverschiebung bei ..lace to face" iibereinanderliegenden aromatischen Ringen in Phanen vgl. M . Haenel, H . A . Sraub, Chem. Ber.
106, 2203 (1973); C. E . Johnson, J r . , F. A . Boaer, J . Chem. Phys. 29,
1012 (1958).
7 2 7 . Kuu/fmunn, D. Tig/er, A . Wultermunn. Tetrahedron Lett. fY77, 741.
Ausbeutesteigerung von 35 2, [68] auf 56 7; durch Senkung der Reaktionstemperatur von 20 auf 0 ° C ; H . Rohkrihmer, Diplomarbeit, Universitat Munster 1977.
Die als Imidazohde (vgl. H . A. Stuub, Angew. Chem. 74, 407 (1962);
Angew. Chem. Int. Ed. Engl. I , 351 (1962)).bezeichneten N-Acylimidazole
besitzen cine Carbonsanrehalogenid-ihnliche Carbonylaktivitit. Entsprechend ist in Imidazolid-analogen Heterodiaromaten die Elektrophilie des elektrophilen Heteroaromaten gesteigert [Sl].
Der giinstige EinfluB von C u F z oder NiFl auf Cyclisierungen wurde
beim Versuch, lithiierte Heterodiaromaten mit diesen Fluoriden oxidativ
zn kuppeln, zufallig entdeckt [26].
Synthese von Ar,,-Ar,-Kombinationen
des Chinoxalins unter diesen
Bedingungen: M . Ghunem. Diplomarbeit, UniversitBt Miinster 1974.
Wegen ungiinstiger Lage der Signale konnte in diesem Fall dcr Lithiierungsort durch H-NMR-Spektroskopie des Deuteriolyseproduktes
nicht hestimmt werden.
[87] W Brinkwerth, Dissertation, Universitat Miinster 1975.
[SX] S . Gmnowitr, 3. Roe, Acta Chem. Scand. 19, 1741 (1965).
[89] H . P . Muckowiuk, Dissertation, Universitat Miinster 1977.
1901 Die Stellung der Acetylgruppen in den beiden Diacetylverbindungen,
die unter verscharften Bedingungen in je 20proz. Ausbeute zuglnglich
sind, konnte noch nicht geklart werden 1891.
[91] Bei den Konkurrenzversuchen mit 1 2 4 ~ ) Thiophen oder 2,2'-Bithiophen betrug das Molverhiltnis (24u):Thiophen (Bithiophen):Acetylchlorid:SnCI4 0.5: 1 : I : 1. Dieses Verhlltnis wurde gewihlt, damit
die Substrate dem Angriff des Acetylchlorids gleich viele aktive Stellen
bieten (vgl. 1421).
[92] Die Monobromierung gelingt mit N-Bromsuccinimid: N q . Ph. Ruu-Hoi,
Justus Liebigs Ann. Chem. 556, 1 (1944).
[93] H . P. Muckowiuk, Universitat Miinster. unveroffentlichte Messuiigen
1977.
[94] Forschungsbericht: T h . Kaufmami, Forschungsberichte des Landes
Nordrhein-Westfalen, Nr. 2450. Westdeutscher Verlag, Opladen 1975.
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