Dissertation Jörg von Gersdorff

II. Präparativer Teil

1. Synthese kovalent verknüpfter Porphyrin-Chinone

1.1 Präparative Aufgabenstellung

Aufgabe des präparativen Teiles dieser Arbeit ist die Darstellung der im Allgemeinen Teil (I. 3.2) vorgestellten Zielverbindungen, d. h. primär der beiden diastereomeren cyclohexylen-verbrückten Porphyrin-Chinone. Bei der Entwicklung von Synthesewegen ist besonders der bereits in der Einleitung geforderte Gesichtspunkt nach möglichst universeller Anwendbarkeit der Darstellungsmethode zu berücksichtigen. Nach dem an den Zielverbindungen erprobten Syntheseschema sollen weitere kovalent verknüpfte Porphyrin-Brücke-Chinon-Verbindungen mit dem Ziel einer voneinander unabhängigen Variation der einzelnen Molekülteile darstellbar sein. Diese Bedingung erfordert die Entwicklung von Synthesestrategien nach dem "Baukastenprinzip".

1.2 Darstellung von P-B-Q-Verbindungen nach dem Baukastenprinzip

Die trivialste retrosynthetische Zerlegung der P-B-Q-Zielverbindungen in ihre Einzelkomponenten liefert zunächst zwei Möglichkeiten für den schrittweisen Aufbau solcher Systeme.

Variante A : Es wird zunächst der Brückenbaustein mit einer Chinonkomponente verknüpft und die so gebildete P-Q-Einheit anschließend mit dem Porphyrin verbunden. Variante B stellt die Umkehrung dieser Reihenfolge dar, d. h. zunächst Synthese eines P-Q-Bausteines und erst anschließende Verknüpfung mit der Chinonkomponente. Die Mehrzahl der in der Literatur beschriebenen Synthesen von Verbindungen des Typs P-B-Q folgen dem Schema A, es finden sich jedoch auch Literaturbeispiele für den Weg B. Neben diesen beiden trivialen Möglichkeiten des Zusammenfügens der Einzelkomponenten ist noch ein dritte Betrachtungsweise sinnvoll und ebenfalls mit Literaturbeispielen belegt. Die retrosynthetische Zerlegung erfolgt dabei nicht in die drei Einzelkomponenten, sondern durch die Brücke in zwei Synthesebausteine (Variante C). Es wird von einem funktionalisierten Porphyrin, welches bereits einen Teil der Brücke als Substituenten trägt und einer Chinonkomponente, die ihrerseits bereits mit einem späteren Brückenfragment substituiert ist, ausgegangen. Erst bei der Verknüpfung beider Komponenten kommt es zur Ausbildung der Brücke. In der Abbildung 15 sind die drei Syntheseprinzipien veranschaulicht.

[Abb. 15]

Abb. 15. Schematische Darstellung des Aufbaus von P-B-Q-Verbindungen nach dem "Baukastenprinzip".

Die Entscheidung für eines der Syntheseprinzipien wird sich im Einzelfall nach den Strukturen der Zielverbindungen richten. Wird die Synthese von P-Q-Modellverbindungen beabsichtigt, die bei gleicher Porphyrin- und Brücken-Komponente mit unterschiedlichen Chinonen verknüpft sind, bietet sich das Syntheseschema B an. Es ist dabei ein P-B-Baustein darzustellen, welcher sich mit unterschiedlich substituierten Chinonen verknüpfen läßt.

Das Schema A wird eher geeignet sein, wenn die Variation des Porphyrins gefordert wird. In diesem Fall ist ein Q-B-Baustein zu synthetisieren, der geeignet ist, um mit unterschiedlichen Porphyrinen verknüpft zu werden.

Soll, so wie bei den Zielverbindungen der vorliegenden Arbeit, schwerpunktmäßig die verknüpfende Brücke variiert werden, so sind auf den ersten Blick alle drei Synthesewege gleichermaßen geeignet. Die Suche nach einer geeigneten Synthesestrategie wird hauptsächlich durch die Art der Brücke bestimmt werden.

1.3 Literaturbeispiele

In diesem Kapitel werden die zuvor allgemein dargestellten Syntheseprinzipien A, B und C an Hand von Literaturbeispielen konkretisiert. Am Beispiel der Synthese der bereits im Abschnitt 3.1 des allgemeinen Teils erwähnten bicyclo[2.2.2]octan-verbrückten P-Q-Verbindungen läßt sich sehr gut das Syntheseschema A veranschaulichen (Schema 1).

Das der Veröffentlichung von Joran et al.[43] entnommene Syntheseschema (Schema 1) zeigt die Verknüpfung der Brückenbausteine 6 und 11 mit der späteren Chinonkomponente 1,4-Dimethoxybenzol durch Friedel-Crafts-Alkylierung. Die Umsetzung der so dargestellten B-Q-Bausteine 7 und 12 mit dem Porphyrinprecursor 8 (a,c-Biladien-dihydrobromid, siehe Abschnitt 1.5.) liefert, nach Demethylierung und Oxidation der geschützten Chinonkomponente, die entsprechenden P-B-Q-Verbindungen.

Schema 1:

Die von Wasielewski et al.[12] veröffentlichte Synthese der ebenfalls schon im Kapitel I. 3.1 aufgeführten triptycen-verbrückten P-Qs, ist ein Beispiel für die Variante B, d. h. zunächst Synthese der P-B-Einheit und anschließende Verknüpfung mit der Chinonkomponente. Precursor für die Synthese der triptycen-verbrückten P-Qs ist das meso-(2-Anthracenyl)-triphenylporphyrin. Dieser P-B-Baustein liefert nach Diels-Alder-Addition mit Benzo-, Naphtho- oder Anthrachinon drei P-Q-Verbindungen mit der Triptycenbrücke, jedoch unterschiedlichen Chinonhälften (Strukturen siehe Abb. 9 auf Seite 24). Diese Synthesestrategie ist an die Triptycenbrücke gebunden; sie ermöglicht jedoch in eleganter Weise die Variation des Chinonrestes.

Als Beispiel für die Variante C soll die von Kong und Loach[41] veröffentlichte Synthese der über Diesterbrücken verknüpften P-Q-Verbindungen dienen (Schema 2). Der Schlüsselschritt bei dieser Synthese ist die Kondensation des Porphyrinsäurechlorids I mit dem Hydroxyalkylester der 2,5-Dimethoxyphenylessigsäure V zu der diester-verbrückten Verbindung VI. Anschließende Demethylierung mit Bortribromid und Oxidation des Hydrochinons liefert das diester-verknüpfte Porphyrin-Chinon. Durch die Verwendung von Hydroxyalkylestern mit unterschiedlicher Länge der Alkylkette sind P-B-Q-Verbindungen mit unterschiedlicher Brückenlänge zugänglich (Strukturen siehe I.3.1, Abb. 7 auf Seite 22).

Schema 2:

Sowohl die Porphyrinkomponente (I) als auch der Chinonbaustein (V) sind bereits mit einem Fragment der zukünftigen Brücke substituiert. Erst durch die Kondensation beider Komponenten kommt es zur Ausbildung der vollständigen Brücke.

1.4 Entwurf eines Syntheseschemas zur Darstellung aliphatisch verbrückter Porphyrin-Chinone

Neben den bereits in Abschnitt 1.1 und 1.2 aufgeführten Rahmenbedingungen sind aus der Sicht des präparativen Chemikers weitere grundlegende Punkte bei der Entwicklung einer Synthesestrategie zu beachten. Die Zahl der bis zum Zielmolekül notwendigen Syntheseschritte, die Ausbeuten der einzelnen Synthesestufen, sowie deren apparativer und zeitlicher Aufwand müssen sich in einem sinnvollen Rahmen bewegen. Nicht zuletzt ist die Frage nach der Zugänglichkeit der Edukte und Hilfsreagenzien, entweder kommerziell oder durch einfache Standardreaktionen, mitentscheidend. In Hinblick auf die beiden stereoisomeren cyclohexylen-verbrückten Zielverbindungen wurde ein Syntheseweg erarbeitet, mit dem es möglich sein sollte, P-B-Q-Verbindungen mit den unterschiedlichsten aliphatischen Brücken darzustellen. Darüber hinaus sollte der Syntheseweg auch Modifikationen des Porphyrin- sowie Chinonteiles zulassen. In diesem Kapitel wird zunächst die Strategie in allgemeiner Form vorgestellt (Schema 3). Eine detaillierte Beschreibung und Diskussion der einzelnen Syntheseschritte erfolgt in späteren Abschnitten.

Ausgehend von leicht zugänglichen aliphatischen Dicarbonsäuredimethyl- oder Diethylestern werden durch einseitige Verseifung die entsprechenden Dicarbonsäuremonoester erhalten. Die oxidativ decarboxylierende Alkylierung von p-Benzochinon mit diesen Monoestern nach Jacobson und Torssell[52] liefert die alkylierten Chinone. Im Abschnitt 2. wird ausführlich auf die Reaktionsbedingungen und den Mechanismus dieser Reaktion eingegangen. Nach Reduktion der substituierten Chinone mit Natriumdithionit zu den entsprechenden Hydrochinonen wird die Estergruppe mit Diisobutylaluminiumhydrid (DIBAL-H) zum Aldehyd reduziert. Die Synthese der Porphyrinkomponente erfolgt unter gleichzeitiger Verknüpfung mit dem Chinon-Brücken-Baustein nach dem Muster der Rothemund[53], Adler-Longo[54] Reaktion unter Berücksichtigung der von Lindsey et al.[55] überarbeiteten Reaktionsbedingungen zur Darstellung meso-substituierter Porphyrine. Durch säurekatalysierte Kondensation des Hydrochinon-Brückenaldehyds mit Benzaldehyd und Pyrrol und anschließender Oxidation der intermediär gebildeten Porphyrinogen-Hydrochinone mit p-Chloranil werden schließlich die aliphatisch verbrückten P-Q-Zielverbindungen erhalten.

Schema 3:

[Abb. ]

Das vorgestellte Syntheseschema bietet die Möglichkeit der Variation der aliphatischen Brücke durch die Verwendung unterschiedlicher aliphatischer Carbonsäuren als Ausgangsmaterial für den Brückenbaustein. Die oxidativ-decarboxylierende Alkylierung von p-Benzochinon ist für eine Reihe von aliphatischen Carbonsäuren beschrieben.[52,56,57] Durch die Wahl der Brücke lassen sich die Systemparameter wie Donor-Akzeptor-Abstand, deren relativer Orientierung zueinander, sowie die Starrheit des Modellsystems beeinflussen. Diesem Syntheseweg folgend wurden die Porphyrin-Chinone mit der cis- und trans-1,4-Cylohexylenbrücke dargestellt. Um zu zeigen, daß dieses Syntheseprinzip nicht auf die Darstellung der beiden 1,4-cyclohexylen-verbrückten Verbindungen beschränkt ist, wurde das Porphyrin-Chinon mit der 1,4-Butylenbrücke synthetisiert. In der Abbildung 16 sind die drei Brücken der Zielverbindungen dargestellt.

[Abb. ]

Abb. 16. Struktur der cis-, trans-1,4-Cyclohexylen- und 1,4-Butylenbrücke

Der Syntheseschritt der Verknüpfung des Chinons mit der Brücke läßt eine Variation des Chinonakzeptors zu. Jacobson und Torssell beschreiben nicht nur die Alkylierung von p-Benzochinon, sondern auch die von Naphthochinon oder bereits monoalkylierten Chinonen.[52,56,57] Im Rahmen der geplanten Dissertation von H. Dieks (FU-Berlin) gelang z. B. die Alkylierung von 2,3-Dimethoxy-5-methyl-p-benzochinon (Q0) mit 1,4-Cyclohexan-dicarbonsäuremonomethylester.

Die Variation der meso-Substituenten am Porphyrin ist durch Kokondensation der Einheit Hydrochinon-Brücke-Aldehyd mit verschiedenen aromatischen oder aliphatischen Aldehyden möglich (Schema 4). Für die Synthese von unterschiedlich meso-substituierten Porphyrinen nach dem beschriebenen Reaktionsprinzip gibt es ebenfalls Literaturbeispiele.[55]

Schema 4:

[Abb. ]

Die in dieser Arbeit durchgeführten Porphyrinsynthesen erfolgten ausschließlich durch Kokondensation der jeweiligen aliphatischen Aldehyde mit Benzaldehyd und Pyrrol, so daß allen Porphyrinverbindungen immer der meso-Triphenylporphyrinylrest gemeinsam ist.

Es soll jedoch nicht verschwiegen werden, daß diese, auf den ersten Blick äußerst einfach erscheinende, einstufige Porphyrinsynthese auch Nachteile mit sich bringt. Bei der Darstellung von Porphyrinen durch Kondensation von monomerem Pyrrol mit verschiedenen Aldehyden (Details zur Durchführung und dem Mechanismus werden in Kapitel 4. beschrieben) fällt immer eine große Palette an Reaktionsprodukten an. Die Isolierung des gewünschten Porphyrins gelingt in den meisten Fällen nur durch chromatographische Methoden (Säulenchromatographie, HPLC) in nur geringen Ausbeuten (1 - 10 %). Bei jeder Synthese einer neuen Modellverbindung muß das recht aufwendige Optimieren der chromatographischen Trennverfahren erneut erfolgen.

Damit die Reaktionsansätze, aber vor allem die chromatographischen Trennverfahren im Labormaßstab praktikabel bleiben, lassen sich, dieser Synthesestrategie folgend, Porphyrin-Chinone in Mengen zwischen 10 und 100 mg pro Ansatz darstellen.

1.5 Diskussion alternativer Strategien zur Synthese kovalent verknüpfter Porphyrin-Chinone

Der im vorherigen Abschnitt beschriebene Darstellungsweg folgt dem allgemeinen Syntheseschema A (siehe Abschnitt 1.2). Das Schema B sollte Vorbild für den Entwurf eines alternativen Syntheseweges sein. Es wurde versucht, einen Porphyrin-Brückenbaustein darzustellen, der sich mit einer Reihe von Chinonen verknüpfen läßt. Bei der Variation des Chinonteils hätte dies den Vorteil, daß das aufwendige Optimieren der Synthese- und Trennbedingungen bei der Darstellung des Porphyrins nur einmal erfolgen müßte.

Auf Grund der positiven Erfahrungen sollte die Verknüpfung des P-Q Bausteines mit der Chinonkomponente ebenfalls durch oxidative Decarboxylierung nach Jacobsen und Torssell erfolgen. Demzufolge muß der P-B-Schlüsselbaustein ein Molekül vom Typ Porphyrin-Brücke-Carbonsäure sein (Schema 5).

Schema 5:

[Abb. ]

Es wurde versucht, diese Synthesevariante am Beispiel des trans-cyclohexylen-verbrückten Porphyrin-Chinons zu testen. Zu diesem Zweck wurde das meso-(4-Hydroxycarbonyl-cyclohexyl)-triphenylporphyrin (HC-CTrPP) durch Kondensation von 4(e)-Methoxycarbonyl-cyclohexan-(e)-aldehyd mit Benzaldehyd und Pyrrol und anschließender Verseifung des Methylesters synthetisiert (Schema 6).

Schema 6:

[Abb. ]

Die Verknüpfung der Porphyrin-Cyclohexancarbonsäure mit p-Benzochinon nach der bewährten Jacobson-Torssell-Methode gelang trotz Variation der Reaktionsbedingungen nicht (Einzelheiten siehe Abschnitt 2.3).

a,c-Biladien als Porphyrinprecursor

Die schlechten Ausbeuten, sowie die aufwendige Isolation des gewünschten Produktes gaben Anlaß, nach Alternativen zu der von monomerem Pyrrol ausgehenden, einstufigen Porphyrinsynthese zu suchen. In den beiden Standardwerken über Porphyrinverbindungen (Dolphin, The Porphyrins[58] und Smith, Porphyrins and Metalloporphyrins[59]) sind die unterschiedlichsten Methoden zur Synthese von Porphyrinen aufgeführt. Neben der einstufigen Synthese aus Monopyrrolderivaten ist auch der Aufbau des Porphyrinsystems, ausgehend von Dipyrrol- und offenkettigen Tetrapyrrolverbindungen, möglich. Es gibt Literaturbeispiele für die Synthese von kovalent verknüpften Porphyrin-Chinonen unter Verwendung offenkettiger Tetrapyrrole als Porphyrinprecursor.[43,45,60] Allen Arbeiten gemeinsam ist die in Schema 7 gezeigte Reaktion eines Tetrapyrrols vom a,c-Biladien-Typ mit einem Aldehyd unter Bildung des in einer meso-Position substituierten Octaalkylporphyrins.[61]

Schema 7:

[Abb. ]

Bei dieser Porphyrinsynthese entstehen neben dem gewünschten Produkt keine weiteren Porphyrinverbindungen. In Hinblick auf die besseren Ausbeuten und die einfachere Aufarbeitung ist diese Art der Porphyrinsynthese der zuvor beschriebenen Methode überlegen.

Die Alkylgruppen in den beta-Positionen der Pyrrolringe sind essentiell bei der Synthese von a,c-Biladienen. Folglich sind daraus auch nur 2,3,7,8,12,13,17,18-Octaalkylporphyrine darstellbar. Eine Variation des Porphyrindonors ist nur in sehr begrenztem Umfang durch die Darstellung verschiedener Tetrapyrrole mit unterschiedlichen Alkylgruppen in den beta-Pyrrolpositionen möglich.

Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß a,c-Biladien-Verbindungen kommerziell nicht erhältlich sind. Ihre Darstellung erfolgt nach sehr aufwendigen, mehrstufigen Synthesen.

Um konkrete Aussagen über die Vor- und Nachteile beider Porphyrinsynthesen zum Aufbau von kovalent verknüpften Porphyrin-Chinonen machen zu können, wurde versucht, ein 1.4-cyclohexylen-verbrücktes Porphyrin-Chinon unter Verwendung eines a,c-Biladiens darzustellen. Dazu wurde zunächst das Octamethyl-a,c-biladien-dihydrobromid nach der Vorschrift von Johnson und Kay[62] durch Umsetzung von 5,5'-Diformyl-3,3',4,4'-tetramethyl-dipyrromethan mit 3,4-Dimethylpyrrol dargestellt (Schema 8).

Schema 8:

[Abb. ]

Das 3,4-Dimethylpyrrol ist durch Umsetzung von 2,3-Dimethylbutadien mit N-Sulfinylamid, welches intermediär aus Ethylcarbamat und Thionylchlorid gebildet wird, zugänglich (Schema 9).[63] Schema 9:

[Abb. ]

Zur Synthese des Diformyl-dipyrromethans wurde zunächst nach einer Vorschrift von Wang und Chang[64] der 3,4,5-Trimethyl-pyrrol-2-carbonsäureethylester hergestellt (Schema 10).

Schema 10:

[Abb. ]

Umsetzung des 3,4,5-Trimethyl-pyrrol-2-carbonsäureethylesters mit Bleitetraacetat liefert den 5-Acetoxy-3,4-dimethyl-pyrrol-2-carbonsäureethylester, welcher in Ethanol unter Zusatz von konzentrierter Salzsäure zum 3,3',4,4'-Tetramethyl-dipyrromethan-5,5'-dicarbonsäurediethylester abreagiert (Schema 11).[65]

Schema 11:

[Abb. ]

Alkalische Verseifung des Dipyrromethan-dicarbonsäurediethylesters und Umsetzung der freien Dicarbonsäure mit Phosphorylchlorid und N,N-Dimethylformamid nach der Vorschrift von Johnson und Kay[62] liefert schließlich das 5,5'-Diformyl-3,3',4,4'-tetramethyl-dipyrromethan (Schema 12).

Schema 12:

[Abb. ]

Es wurde nun versucht, das entsprechende a,c-Biladien-dihydrobromid mit dem trans-Dihydroxyphenyl-cyclohexanaldehyd analog zu der Vorschrift von Harris et al.[61] umzusetzen. Trotz mehrfacher Wiederholung des Experiments konnte keine Bildung eines Porphyrins beobachtet werden. Vermutlich kommt es auf Grund sterischer Hinderung zwischen den beiden außenstehenden Methylgruppen des Biladiens und dem sehr sperrigen Cyclohexanrest zu keinem Ringschluß. Bedingt durch die Darstellung des a,c-Biladiens befinden sich jedoch aliphatische Reste immer in den beta-Pyrrolpositionen. Da das Ziel dieser Arbeit gerade die Synthese von Porphyrin-Chinonen mit starren, sperrigen aliphatischen Brücken ist, wurde dieser Weg nicht weiter verfolgt.

1.6 Synthese eines ester-verbrückten Porphyrin-Chinons

Tabushi et. al.[40] berichten über die Synthese eines amid-verknüpften Porphyrin-Chinons. Kondensation von o-Nitrobenzaldehyd mit Benzaldehyd und Pyrrol zum mono-o-Nitro-tetraphenylporphyrin und anschließende Reduktion mit Zinn in konzentrierter Salzsäure ergibt das entsprechende Tetraphenylporphyrin mit einer orthoständigen Aminofunktion am Phenylring. Umsetzung mit acetylgeschützter Gentisinsäure, Entfernen der Schutzgruppen und anschließende Oxidation mit Bleidioxid liefert das amid-verbrückte Porphyrin-Chinon (Schema 13). Schema 13:

[Abb. ]

In Anlehnung an diese Arbeit und die bereits in Abschnitt 1.3 erwähnte Synthese der diester-verbrückten Verbindungen von Kong und Loach wurde eine Modellverbindung synthetisiert, bei dem das Chinon über eine Estergruppe mit dem Porphyrin verbunden ist (Schema 14). Als Chinonprecursor diente ebenfalls die Gentisinsäure. Ausgehend von 1(e),4(e)-Bis(hydroxymethyl)-cyclohexan wurde durch Tosylierung mit p-Toluolsulfonsäurechlorid das entsprechende Monotosylat dargestellt.[66] Die anschließende Oxidation der Hydroxymethylgruppe zur Aldehydfunktion erfolgte nach Kornblum et al.[67] mit DMSO/NaHCO3 (siehe auch Abschnitt 3.1). Dieser Hydroxymethyl-cyclohexanaldehyd wurde nun mit Benzaldehyd und Pyrrol zum meso-(4-Hydroxymethyl-cyclohexyl)-triphenylporphyrin (HM-CTrPP) kondensiert.

Die Hydroxymethylgruppe wurde mit dem acetylgeschützten Gentisinsäurechlorid[68] verestert, und anschließend wurden die Schutzgruppen mit methanolischer HCl bei Raumtemperatur abgespalten. Unter diesen milden Bedingungen wurde keine Verseifung der Estergruppe beobachtet. Die Oxidation zum Porphyrin-Chinon erfolgt unmittelbar vor den Fluoreszenz-Messungen mittels aktiviertem Bleidioxid[69] ( siehe IV. 1.8).

Schema 14:

[Abb. ]

Bei diesem Syntheseweg ist im Prinzip das allgemeine Syntheseschema C realisiert. Porphyrin- sowie Chinonkomponente tragen einen Teil zur späteren Brücke bei. Dieser Syntheseweg ermöglicht jedoch keine schnelle und universelle Variation des Brückenbausteines, wie dies bei der unter 1.4 vorgestellten Darstellungsmethode möglich ist. Bei der gezielten Variation des Chinonteils hätte diese Synthesestrategie jedoch Vorteile. Die Porphyrinsynthese und die damit verbundene chromatographische Trennung muß nur einmal optimiert werden. Mit der Herstellung des funktionalisierten Porphyrins (HM-CTrPP) hat man dann einen wertvollen Synthesebaustein in der Hand, der durch Veresterung mit unterschiedlich substituierten, geschützten Hydrochinoncarbonsäuren neue Porphyrin-Chinone ergibt. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß diese Modellsysteme, mit der Esterbrücke flexibler sind.

2. Darstellung der Chinon/Hydrochinon-Brücken-Bausteine

Ein Schlüsselschritt bei der Synthese der P-Q-Modellverbindungen ist die Verknüpfung des Brückenbausteins mit der Chinonkomponente. Mit Ausnahme der esterverbrückten P-Q-Verbindung ist bei den Zielverbindungen die aliphatische 1,4-Cyclohexylen- oder 1,4-Butylenbrücke direkt mit dem Chinon verknüpft. Als präparative Aufgabe resultiert demzufolge die Darstellung alkylierter Chinone.

Zunächst werden in knapper Form einige Methoden zur Darstellung alkylierter Chinone vorgestellt und diskutiert. Es folgt eine detaillierte Besprechung der durchgeführten Alkylierungsreaktionen, basierend auf der oxidativen Decarboxylierung von Carbonsäuren.

2.1 Diskussion einiger Methoden zur Darstellung alkylierter Chinone.

Eine Möglichkeit der Darstellung alkylierter Chinone ist die Oxidation von bereits alkylierten aromatischen Kohlenwasserstoffen, d. h. im trivialsten Fall die Oxidation alkylierter Hydrochinone. Dazu finden nahezu alle gängigen Oxidationsmittel Verwendung ( siehe Houben-Weyl: Methoden der Organischen Chemie Band VII/3a Chinone Teil 1). Aber auch alkylierte Phenole und Aniline lassen sich zu den entsprechend alkylierten Chinonen oxidieren. Eine der bekanntesten Methoden ist die Oxidation von Phenolen mit Kaliumnitrosodisulfonat (Frémys Salz) [70,71] (Schema 15).

Die Oxidation von Anilinen wird im allgemeinen in verdünnter Schwefelsäure mit Mangan IV-Oxid oder Natriumdichromat durchgeführt. Die industrielle Herstellung von p-Benzochinon erfolgt beispielsweise aus Anilin durch Oxidation mit Mangan IV-Oxid.[72] Alkylierte Chinone lassen sich aber auch aus den entsprechenden Anilinen durch Oxidation mit Frémys Salz herstellen (Schema 15). [73]

Schema 15:

[Abb. ]

Voraussetzung für die Herstellung der alkylierten Chinone ist demnach die Synthese der entsprechend substituierten aromatischen Kohlenwasserstoffe. Das gängigste und universellste Verfahren zur Alkylierung von Aromaten ist die Friedel-Crafts-Alkylierung.[74] Diese Reaktion funktioniert hervorragend, werden einfache Alkylhalogenide mit reaktiven Aromaten umgesetzt. Bei der Alkylierung nach Friedel-Crafts sind jedoch die bekannten Probleme zu berücksichtigen: - Umlagerungen des Alkylsubstituenten - Mehrfachalkylierungen - Stellungsisomere - Zweitsubstituenten am Halogenalkan stören meist die Alkylierungsreaktion - In Hinblick auf die nachfolgende Porphyrinsynthese mit dem B-Q-Baustein ist jedoch die Anwesenheit einer weiteren funktionellen Gruppe zwingend notwendig.

Mit Hilfe der Friedel-Crafts-Alkylierung wurde die folgende Synthesesequenz als Zugang zu den Q-B-Bausteinen versucht. Als Brückenbaustein diente wiederum der durch einseitige Verseifung aus dem Dicarbonsäureester zugängliche 1,4-Cyclohexandicarbonsäuremonomethylester. Hunsdiecker-Abbau und anschließende Verseifung mit Bromwasserstoffsäure liefert das cis/trans-Gemisch der 4-Brom-cyclohexancarbonsäure (Schema 16). Nach fraktionierter Kristallisation läßt sich das literaturbekannte trans-Produkt[75] isolieren. Als Aromat für die nun folgende Friedel-Crafts-Alkylierung wurde das 1,4-Dimethoxybenzol gewählt. Die später notwendige Spaltung der Methoxygruppen zum Hydrochinon sollte nach einem literaturüblichen Verfahren mit Bortribromid möglich sein.[76]

Schema 16:

[Abb. ]

Alle Versuche, die Bromcyclohexancarbonsäure unter Friedel-Crafts-Bedingungen mit dem Dimethoxybenzol umzusetzen, schlugen jedoch fehl (Schema 16). Als Katalysatoren fanden Aluminiumtrichlorid und Aluminiumtribromid Verwendung. Die mögliche Komplexierung und damit Desaktivierung des Katalysators durch die anwesende Carbonsäurefunktion wurde berücksichtigt, jedoch auch ein erheblicher Überschuß an Katalysator brachte keinen Erfolg. Das Mißlingen dieser Alkylierung ist verwunderlich, da im Vorfeld die Alkylierung von Dimethoxybenzol mit Brom-cyclohexan in Gegenwart äquivalenter Mengen an Cyclohexancarbonsäure und AlBr3 als Katalysator gelang. Es konnte trotz der Anwesenheit der Cyclohexancarbonsäure die Bildung des entsprechend mono- sowie dialkylierten Dimethoxybenzols nachgewiesen werden (1H-NMR, MS). Andere unerwüschte Nebenreaktionen der Carbonsäurefunktion wurden ebenfalls nicht beobachtet.

Die Wahl des geeigneten Katalysators sowie der übrigen Reaktionsbedingungen ist bei der Friedel-Crafts-Alkylierung sehr stark abhängig von der Reaktivität des Aromaten und der Art des Alkylierungsreagenzes. Auf der Basis dieser Alkylierungsreaktion dürfte es ohnehin unmöglich sein, einheitliche Reaktionsbedingungen zu finden, die eine universelle Variation der aliphatischen Brücke sowie des Chinons zulassen. Alkylierte Chinone lassen sich jedoch nicht nur über den Umweg der Aromatenalkylierung, sondern auch durch direkte Alkylierung der Chinonderivate herstellen. Chinone addieren sehr leicht Alkylradikale unter Bildung der entsprechenden Semichinonradikale.[77] Diese werden in Gegenwart von Oxidationsmitteln sofort zu den alkylierten Chinonen reoxidiert (Schema 17). Die unterschiedlichen Methoden zur radikalischen Alkylierung unterscheiden sich im Prinzip nur in der Bildungsweise der Alkylradikale.

Schema 17:

[Abb. ]

Als erste Reaktion dieser Art ist die thermische Zersetzung von Diacylperoxiden in Gegenwart von Chinonen beschrieben (Schema 18).[78]

Schema 18:

[Abb. ]

Ein neueres, mit vielen Beispielen dokumentiertes Verfahren ist die Bildung von Alkylradikalen durch Silber(I) katalysierte, oxidative Decarboxylierung von Carbonsäuren mit Peroxydisulfat in Gegenwart von Chinonen. Diese Reaktion wurde erstmals von Jacobson und Torssell publiziert[52] (Schema 19).

Schema 19:

[Abb. ]

Entscheidener Vorteil dieser Synthese ist die allgemeine Anwendbarkeit. Es wird die Alkylierung mit unterschiedlichsten Carbonsäuren nicht nur von Benzochinon, sondern auch von Naphthochinon, sowie von einigen substituierten Benzo- und Naphthochinonen beschrieben.[52,56,57] Die Ausbeuten werden mit 40 % bis 87 % angegeben. Bei den Ausgangsverbindungen handelt es sich in den meisten Fällen um sehr gut zugängliche aliphatische Carbonsäuren. Die Anwesenheit verschiedener funktioneller Gruppen wie z. B. Phenoxy-, Methoxy-, Estergruppen oder Halogenen neben der Carbonsäurefunktion stört den Verlauf der Reaktion nicht.

Zu berücksichtigen ist bei dieser Reaktion die Möglichkeit der Mehrfachalkylierung. Durch geeigneter Wahl des Reaktionsmediums, z. B. Arbeiten im Zweiphasensystem, kann die Mehrfachalkylierung weitestgehend unterdrückt werden.

Ein weiteres recht universell anwendbares Verfahren ist die Alkylierung mit Trialkylboranen (Schema 20).[79,80]

Schema 20:

[Abb. ]

Die durch Hydroborierung der entsprechenden Olefine hergestellten Trialkylborane werden bei Raumtemperatur zu den 2-Alkylhydrochinonen umgesetzt. Oxidation mit Natriumchlorat liefert die entsprechenden 2-Alkylchinone. Ein Problem bei dieser Synthese ergibt sich bei der Umsetzung von Olefinen, welche Gemische isomerer Hydroborierungsprodukte und somit isomere 2-Alkylchinone liefern. Dies wäre z. B. bei der Umsetzung von substituierten Cyclohexenen als Brückenbausteine der Fall (Schema 21).

Schema 21:

[Abb. ]

2.2 Mechanismus der Silber(I)-katalysierten oxidativen Decarboxylierung von Carbonsäuren

Der Mechanismus der Radikalerzeugung durch Silber(I)-katalysierte oxidative Decarboxylierung von Carbonsäuren wurde eingehend von Anderson und Kochi am Beispiel der Pivalin-, Isobutter- und n-Buttersäure untersucht.[81] Auf Grund kinetischer Messungen kommen die Autoren zu dem Ergebnis, daß die Rate der CO2-Entwicklung und Peroyxdisulfat-Abnahme erster Ordnung bezüglich Silber(I) und erster Ordnung bezüglich Peroxydisulfat, jedoch nullter Ordnung bezogen auf die Säure ist (Gleichung 15).

[Abb. ]

Die Struktur der Säure hat keinen Einfluß auf die Reaktion. Durch Anwendung von EPR- und UV/VIS-Spektroskopie konnten Silber(II)-Spezies als Intermediate bei der Silber(I)-katalysierten Decarboxylierung nachgewiesen werden. Der folgende Mechanismus ist am besten mit den Resultaten aus den Untersuchungen vereinbar (Schema 22).

Schema 22:

[Abb. ]

Die Silber(I)-katalysierte Decarboxylierung von Säuren läuft über eine Reihe von Ein-Elektronen Redox-Schritten ab. Im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt wird Silber(II) durch Oxidation von Silber(I) mit Peroxydisulfat gebildet. Schnelle Oxidation des Carboxylats durch das gebildete Silber(II) liefert das Acyloxyradikal, welches anschließend in ein Alkylradikal und Kohlendioxid zerfällt. Das so gebildete Alkylradikal kann nun auf verschiedenste Weise abreagieren. Üblich sind Wasserstoffübertragungsreaktionen oder Dimerisierung. In Gegenwart von Chinonen erfolgt, wie schon beschrieben (Schema 17), die Addition des Radikals an das Chinon.

2.3 Bemerkungen zu den durchgeführten Chinonalkylierungen

Die Wahl des Reaktionsmediums ist sehr entscheidend für den Verlauf dieser Alkylierungsreaktionen. Die Verwendung von Wasser, Acetonitril/Wasser oder dem Zweiphasensystem Wasser/Cyclohexan als Lösungsmittel wird in der Literatur beschrieben.[52,57] Bei den in dieser Arbeit durchgeführten Alkylierungsreaktionen wurden die besten Ergebnisse mit dem Zweiphasensystem Wasser/Methylenchlorid erzielt. Die Reaktionsprodukte vom Typ Chinon-Alkan-Carbonsäureester sind in Methylenchlorid sehr gut, in der wäßrigen Phase jedoch schlecht löslich. Trotz der günstigen Löslichkeitsverhältnisse läßt sich die Mehrfachalkylierung nicht ganz unterdrücken; neben dem monosubstituierten Chinon wird immer etwas dialkyliertes Chinon als Nebenprodukt nachgewiesen.

Bei der Alkylierung mit den beiden diastereomeren Cyclohexan-dicarbonsäuremonomethylestern wird eine Isomerisierung beobachtet (zur 1H-NMR-spektroskopischen Unterscheidung beider Diastereomeren siehe III. 3.1). Das Produkt setzt sich aus ca 60 % des Ausgangsisomeren und etwa 40 % des jeweils anderen Isomeren zusammen (Schema 23).

Schema 23:

[Abb. ]

In Anbetracht des radikalischen Mechanismus der Alkylierungsreaktion ist die beobachtete Isomerisierung sofort zu verstehen. Aus dem Cyclohexandicarbon-säuremonomethylester wird zunächst durch Silber(I)-katalysierte Oxidation mit Peroxydisulfat das entsprechende Cyclohexylradikal gebildet. Die Struktur des Radikals wird durch den Hybridisierungsgrad des radikalischen Kohlenstoffatoms bestimmt. Ist das entsprechende C-Atom sp2-hybridisiert, ergibt sich eine weitestgehend planare Struktur mit dem ungepaarten Elektron im p-Orbital. Die sp3-Hybridisierung hat eine pyramidale Struktur mit dem ungepaarten Elektron im sp3-Orbital zur Folge.[82] Aus ESR-Untersuchungen an einfachen Alkylradikalen folgt die Bevorzugung der planaren Struktur.[83] Der Energieunterschied zwischen der planaren und der pyramidalen Struktur ist allerdings nicht sehr groß. Im Fall der planaren Struktur des Cyclohexylradikals kann der Angriff des p-Benzochinons von zwei Seiten erfolgen, es resultiert das cis- und trans-Produkt (Schema 24).

Schema 24:

[Abb. ]

Da eine geringfügige Abhängigkeit des cis/trans-Verhältnisses im Produkt vom Isomerenverhältnis im Edukt beobachtet wird, kann auch die Beteiligung einer nicht planaren Struktur des Radikals diskutiert werden. Bei idealer sp3-Hybridisierung wäre der Angriff des Substrats von einer Seite zu erwarten (Schema 25).

Schema 25:

[Abb. ]

Die Verwendung diastereomerenreiner Edukte an dieser Stelle der Synthese der beiden diastereomeren 1,4-cyclohexylen-verbrückten Porphyrin-Chinone ist demnach nicht notwendig. Die Trennung der beiden stereoisomeren Produkte erfolgte nach der Reduktion auf der Stufe des Hydrochinon-Cyclohexan-Carbonsäuremethylesters durch fraktionierte Kristallisation (siehe Abschnitt 3.3).

Wie bereits im Abschnitt 1.5 erwähnt wurde, ließ sich die Porphyrin Cyclohexancarbonsäure (HC-CTrPP) nicht mit p-Benzochinon zum entsprechenden Porphyrin-Chinon umsetzen. Es wurde versucht, die Reaktion mit unterschiedlichen Eduktverhältnissen durchzuführen. Überschüsse an Oxidationsmittel sowie eine wesentliche Verlängerung der Reaktionszeit brachten ebenfalls keinen Erfolg. Eine Variation des Lösungsmittels ist aus Gründen der Löslichkeit des Porphyrins nur sehr begrenzt möglich. Auch im günstigstem Fall mit Methylenchlorid als Lösungsmittel werden keine Konzentrationen erreicht, die vergleichbar mit den Eduktkonzentrationen der erfolgreich durchgeführten Alkylierungen sind.

3. Aldehydsynthesen

Ein weitereren Syntheseschwerpunkt dieser Arbeit stellt die Umwandlung unterschiedlicher funktioneller Gruppen in die Aldehydfunktion dar. Die Formylgruppe am Brückenbaustein ist für die durchgeführten Porphyrinsynthesen essentiell. Aus den zuvor diskutierten Synthesestrategien ergeben sich die folgenden Problemstellungen:

Die oxidative Decarboxylierung der 1,4-Alkan-dicarbonsäuremonomethylester in Gegenwart von p-Benzochinon liefert Moleküle des Typs Chinon-Brücke-Carbonsäuremethylester. Um mit diesen Synthesebausteinen die nachfolgende Porphyrinsynthese durchzuführen, muß zunächst die Esterfunktion in die Aldehydgruppe überführt werden (Schema 26).

Schema 26:

[Abb. ]

Der zur Synthese des Hydroxymethyl-cyclohexyl-porphyrins (HM-CTrPP) erforderliche 4-Hydroxymethyl-cyclohexanaldehyd sollte aus dem kommerziell erhältlichen 1,4-Bis-(hydroxymethyl)-cyclohexan zugänglich sein (Schema 27).

Schema 27:

[Abb. ]

Eine weitere präparative Aufgabe ist die Darstellung des 4-Methoxycarbonyl-cyclohexanaldehyds zur Synthese des Methoxycarbonyl-cyclohexyl-porphyrins, ausgehend von 1,4-Cyclohexan-dicarbonsäuredimethylester (Schema 28).

Schema 28:

[Abb. ]

Die hier vorgestellten aliphatischen Aldehyde sollten durch Oxidation bzw. Reduktion zugänglich sein.

3.1 Aldehyde durch Oxidation primärer Alkohole

Bei der Oxidation primärer Alkohole mit starken Oxidationsmitteln wie Kaliumdichromat/Schwefelsäure/Aceton (Jones-Reagenz)[84], Dipyridin/Cr(IV)-Oxid (Collins-Reagenz)[85], Pyridiniumchlorochromat (Corey-Reagenz)[86] und Pyridiniumdichromat[87], um nur die wichtigsten zu nennen, ist besonders darauf zu achten, daß keine Überoxidation zur Säure erfolgt. Dies wird z. B. durch ständiges Abdestillieren des entstehenden Aldehyds oder durch gezielte Kontrolle der Reaktionstemperatur erreicht.

Eine der bekanntesten Methoden zur selektiven Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden ist die Oxidation mit aktiviertem Dimethylsulfoxid.[88] DMSO wird durch Reaktion mit elektrophilen Reagenzien wie z. B. Trifluoressigsäure, Thionylchlorid, Oxalylchlorid, Acetylchlorid, Acetanhydrid, Dicyclohexylcarbodiimid oder Chlor aktiviert. Das aktivierte DMSO reagiert mit Alkoholen unter Bildung eines Alkoxysulfoniumsalzes, welches unter Einwirkung von Basen in den Aldehyd und Dimethylsulfid zerfällt (Schema 29).

Schema 29:

[Abb. ]

Am effektivsten ist die Aktivierung mit Oxalylchlorid. Es reagiert mit DMSO stark exotherm unter spontaner Kohlendioxid- und Kohlenmonoxid Abspaltung. Vorteil der DMSO-Oxidation gegenüber der Oxidation mit den Chromverbindungen ist, daß bei dieser Methode keine Überoxidation zur Säure möglich ist.

Bei der Darstellung des 4-Hydroxymethyl-cyclohexanaldehyds aus 1,4-Bis-hydroxymethyl-cyclohexan ergibt sich das Problem, daß nur eine Alkoholfunktion zum Aldehyd oxidiert werden darf. Die zuvor beschriebenen Oxidationsmittel würden jedoch mit beiden OH-Gruppen reagieren und die Dicarbonylverbindung liefern. Aus diesem Grund wurde zur Synthese des Monoaldehyds ein indirekter Weg über das Monotosylat eingeschlagen. Nichtaktiviertes DMSO ist nicht elektrophil genug, um mit einer freien OH-Gruppe zu reagieren; erst nach Erhöhung der Elektrophilie durch Aktivierung erfolgt die Reaktion. Eine andere Möglichkeit zur Durchführung der Reaktion ist die Erhöhung der Reaktivität des Alkohols gegenüber DMSO. Halogenide und Tosylate lassen sich mit DMSO ohne vorherige Aktivierung in Gegenwart von Basen zum Aldehyd oxidieren.[67] Die nach ihrem Entdecker Kornblum benannte Oxidation verläuft ebenfalls über das Alkoxysulfoniumsalz, dessen basische Zersetzung den Aldehyd und Dimethylsulfid liefert (Schema 30).

Schema 30:

[Abb. ]

Darstellung des trans-4-Hydroxymethyl-cyclohexanaldehyds

Das 1,4-Bis-hydroxymethyl-cyclohexan wird als cis/trans-Isomerengemisch in den gängigen Katalogen für Feinchemikalien angeboten. Die nachfolgend beschriebene Synthese wurde ausschließlich mit dem trans-Isomeren durchgeführt. Das von Aldrich bezogene Produkt war zu 75 % mit dem trans-Isomeren angereichert, so daß durch mehrfache Kristallisation aus Ether die reine trans-Verbindung erhalten werden konnte. In der Literatur ist die Trennung beider Isomeren über das Dibenzoat beschrieben.[89] Das Isomerengemisch wird durch Reaktion mit Benzoylchlorid in das cis- und trans-Dibenzoat überführt und auf Grund der verschiedenen Löslichkeit beider Diastereomeren in Ethanol und Ether getrennt und anschließend alkalisch verseift.

Die Darstellung des Monotosylats ist ebenfalls in der Literatur beschrieben.[66] Sie erfolgt durch Umsetzung des 1,4-Bis-hydroxymethyl-cyclohexans mit Tosylchlorid in Pyridin. Die Tosyloxymethylgruppe kann nun nach Kornblum selektiv mit DMSO/NaHCO3 zum Aldehyd oxidiert werden (Schema 31).

Schema 31:

[Abb. ]

3.2 Aldehyde durch Reduktion von Carbonsäurehalogeniden

Mit den meisten Reduktionsmitteln gelingt es nicht, Aldehyde aus Carbonsäuren herzustellen. Das Hauptprodukt ist dabei immer der entsprechende Alkohol. Wesentlich leichter lassen sich Carbonsäurehalogenide zu den entsprechenden Aldehyden reduzieren. Ein klassisches Beispiel ist die Rosenmund-Reduktion[90], die Hydrierung von Säurehalogeniden mit Palladium auf Bariumsulfat als Katalysator (Schema 32).

Schema 32:

[Abb. ]

Heutzutage werden Carbonsäurederivate überwiegend mit komplexen Hydriden bei tiefen Temperaturen reduziert.[91] Im besonderen finden dabei Lithiumalkoxyaluminiumhydride wie z. B. Lithium-tri-tert.-butoxyaluminiumhydrid Verwendung (Schema 33).[92]

Schema 33:

[Abb. ]

Die Reduktion mit diesen "abgeschwächten" Aluminiumhydriden stoppt auf der Stufe des Aldehyds. Jeder Hydridkomplex vermag nur ein Wasserstoffatom zu übertragen. Auf Grund der sehr sperrigen Alkoxygruppen am Aluminium ist der Angriff eines weiteren Hydridkomplexes sterisch gehindert.

Darstellung des trans-4-Formyl-cyclohexan-carbonsäuremethylesters.

Die Darstellung dieses Aldehyds erfolgte nach der Methode von Brown et al.[93] durch Reduktion des 4-Methoxycarbonyl-cyclohexan-carbonsäurechlorids mit Lithium-tri-tert.-butoxyaluminiumhydrid in Diethylenglykoldimethylether bei -78 °C. Das Säurechlorid ist durch Umsetzung des trans-1,4-Cyclohexancarbonsäuremonomethylesters mit Thionylchlorid leicht zugänglich. Diese Synthese wurde ebenfalls nur mit dem trans-Isomeren durchgeführt (Schema 34).

Schema 34:

[Abb. ]

3.3 Aldehyde durch Reduktion von Carbonsäureestern mit DIBAL-H

Eine anderes sehr elegantes Verfahren zur Darstellung von Aldehyden ist die Reduktion von Carbonsäureestern mit Diisobutylaluminiumhydrid (DIBAL-H). Zakharkin und Khorlina berichten über die Reduktion verschiedener aliphatischer sowie aromatischer Carbonsäureester mit DIBAL-H in Ether.[94] Die Autoren erhalten die entsprechenden Aldehyde in Ausbeuten zwischen 50 und 90 %, wenn sie die Reaktion bei Temperaturen zwischen -70 und -75 °C durchführen. Untersuchungen von Zakharkin und Sorokina[95] zeigen, daß bei Erhöhung der Temperatur um nur 10 °C die Ausbeuten an Aldehyd drastisch sinken. Die entsprechenden Alkohole werden dann als Nebenprodukte isoliert. Auch bei dieser Reduktion sind sterische Gründe dafür verantwortlich, daß die Überreduktion bei tiefen Temperaturen weitestgehend unterbleibt. DIBAL-H reagiert zunächst mit dem Ester unter Bildung des O-Aluminiumkomplexes. Dieses Intermediat ist nur bei tiefen Temperaturen stabil, ab -45 °C zersetzt sich der Komplex in den Aldehyd und Diisobutylethoxyaluminium (Schema 35). Der freigesetzte Aldehyd kann dann mit nicht umgesetztem DIBAL-H zum Alkohol überreduziert werden. Aus diesem Grund muß auch die Hydrolyse des Komplexes bei tiefen Temperaturen erfolgen.

Schema 35:

[Abb. ]

Im Rahmen der Synthese der alkan- und cycloalkan-verknüpften Porphyrin-Chinone stellt sich das Problem der Umwandlung der Carbonsäureestergruppe in die Aldehydfunktion an dem Chinon-Brückenbaustein. Die Schwierigkeit bei dieser Reaktion liegt in der Anwesenheit des Chinonrestes. Versuche, den Chinon-Cyclohexancarbonsäureester direkt mit DIBAL-H zu reduzieren, schlugen fehl. Es wurde zunächst vermutet, daß das Chinon lediglich von einem Überschuß an DIBAL-H zum Hydrochinon reduziert wird. Der erwartete Hydrochinon-Cyclohexanaldehyd konnte jedoch nicht isoliert werden. Es bildete sich eine Reihe von nicht weiter charakterisierten Produkten. Vermutlich handelt es sich dabei um Additionsprodukte des Chinons mit dem DIBAL-H.

Ein bereits zum Hydrochinon reduziertes Chinon sollte mit DIBAL-H lediglich unter Wasserstoffentwicklung das entsprechende Dialuminat bilden und nach Hydrolyse wieder das Hydrochinon liefern (Schema 36).

Schema 36:

[Abb. ]

Bei der Reduktion eines Hydrochinon-Alkan-Carbonsäureesters muß natürlich der zusätzliche Verbrauch zweier Äquivalente DIBAL-H berücksichtigt werden.

Für die Reduktion alkylierter Chinone zu den alkylierten Hydrochinonen finden sich in der Literatur viele Beispiele.[96] Die in der vorliegenden Arbeit synthetisierten Chinon-Alkan-Carbonsäureester ließen sich alle mit Natriumdithionit zu den entsprechenden Hydrochinonderivaten reduzieren. Diese Hydrochinon-Alkan-Carbonsäureester wurden anschließend durch Reduktion mit drei Äquivalenten DIBAL-H fast quantitativ in die Hydrochinon-Alkan-Aldehyde überführt (Schema 37).

Schema 37:

[Abb. ]

Darstellung des Hydrochinon-butanaldehyds (HQ-B-Ald)

Nach Reduktion des Chinon-butan-carbonsäuremethylesters mit Natriumdithionit zum Hydrochinon erfolgt die Reduktion der Estergruppe mit DIBAL-H in Anlehnung an die Vorschrift von Zakharkin und Khorlina (Schema 38).

Schema 38:

[Abb. ]

Darstellung des cis- und trans-Hydrochinon-cyclohexanaldehyds (HQ-CAld)

Das aus der Chinonalkylierung resultierende cis/trans-Gemisch des Chinon-cyclohexan-carbonsäuremethylesters wurde zunächst mit Natriumdithionit reduziert. Auf der Stufe des Hydrochinon-cyclohexan-carbonsäuremethylesters ließen sich die beiden Diastereomeren durch fraktionierte Kristallisation aus Aceton/Toluol trennen. Die anschließende Reduktion der Estergruppe mit DIBAL-H wurde mit den getrennten Isomeren durchgeführt (Schema 39).

Zunächst wurde versucht diese Reduktion ebenfalls unter den von Zakharkin und Khorlina[32] veröffentlichten Reaktionsbedingungen, d. h. bei ca. -75 °C und Ether als Lösungsmittel durchzuführen. Eine 1H-NMR-spektroskopische Untersuchung des Rohprodukts zeigte, daß neben wenig Aldehyd hauptsächlich der Alkohol entstanden war. Offensichtlich ist der bei dieser Reduktion intermediär auftretene O-Aluminiumkomplex bei -75 °C nicht stabil genug. Erst die Durchführung der Reaktion bei -95 °C ergab Ausbeuten (1H-NMR-spektroskopisch bestimmt) an Aldehyd von über 90 %.

Schema 39:

[Abb. ]

Der cis-Ester ist relativ schlecht in Ether löslich. Versuche, das DIBAL-H mit einer Suspension des Esters in wenig Ether zur Reaktion zu bringen, waren nicht erfolgreich. Das Edukt konnte fast vollständig zurückgewonnen werden. Es wurde versucht, die Reaktion in Tetrahydrofuran (THF) durchzuführen. Trotz der auch bei -95 °C noch sehr guten THF-Löslichkeit des Edukts wurde keine Umsetzung beobachtet. Vermutlich wird die Reaktivität des DIBAL-H's durch Komplexierung mit THF erheblich verringert.

Die Einführung von Trimethylsilylgruppen sollte eine erhebliche Verbesserung der Löslichkeit bewirken. Dazu wurde der cis-Hydrochinon-cyclohexan-carbonsäuremethylester mit Trimethylsilylazid[97] umgesetzt (Schema 40).

Schema 40:

[Abb. ]

Da die Silylethergruppe nicht mit DIBAL-H reagiert, können bei der anschließenden Reduktion zwei Äquivalente des wertvollen metallorganischen Reagenzes eingespart werden. Der bei dieser Reduktion entstehende silylierte Hydrochinon-cyclohexanaldehyd wurde nicht isoliert. Die Hydrolyse des Ansatzes erfolgte mit salzsaurem, feuchtem Kieselgel, so daß die Silylgruppen gleich mit abgespalten wurden. Eine 1H-NMR-spektroskopische Untersuchung des isolierten Produktes ergab, daß der cis- sowie trans-Aldehyd im Verhältnis drei zu zwei entstanden war. Unter diesen Reaktionsbedingungen muß offensichtlich eine cis/trans-Isomerisierung stattfinden (Schema 41).

Da bei der Reduktion des nicht silylgeschützten cis-Hydrochinon-cyclohexancarbonsäuremethylesters mit DIBAL-H und anschließender neutraler Hydrolyse keine Isomerisierung beobachtet wird und auch die Umsetzung mit dem Silylazid ohne Isomerisierung abläuft, muß die Isomerisierung beim sauren Abspalten der Silylgruppen erfolgen.

Schema 41:

[Abb. ]

Unter Berücksichtigung der Enolform des cis-Hydrochinon-cyclohexanaldehyds läßt sich die beobachtete Isomerisierung verstehen (Schema 42).

Schema 42:

[Abb. ]

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Einführung der Trimethylsilylgruppen bestens geeignet ist, um die Ether-Löslichkeit des alkylierten Hydrochinons zu erhöhen. Im Falle des Cyclohexansystems ist jedoch zu berücksichtigen, daß das Entfernen der Schutzgruppen im Sauren über die Keto-Enol-Tautomerie des Aldehyds eine cis/trans-Isomerisierung bewirkt.

4. Darstellung der meso-substituierten Porphyrine

4.1 Allgemeine Vorbemerkungen

Rothemund[53] berichtet erstmals im Jahre 1936 über die Synthese von meso-substituierten Porphyrinen durch Kondensation von Pyrrol mit einfachen Aldehyden wie Acetaldehyd, Propionaldehyd, Butanal und Benzaldehyd. Schon drei Jahre später beschreibt Rothemund die Kondensation von über 25 aliphatischen, aromatischen und heterocyclischen Aldehyden mit Pyrrol.[99] Die Porphyrinsynthesen wurden ausschließlich unter anaeroben Bedingungen, in verschlossenen Gefäßen und mit Pyridin als Lösungsmittel durchgeführt. Die Ausbeuten lagen deutlich unter 5 %. Etwas bessere Ausbeuten erhielten Adler, Longo und Shergagalis[99] bei der Durchführung dieser Porphyrinsynthesen im sauren Medium unter Luftzutritt.

Die wohl am besten untersuchte Porphyrinsynthese ist die Kondensation von Benzaldehyd mit Pyrrol zum meso-Tetraphenylporphyrin. Adler et al.[54] beschreiben Ausbeuten von 20 %, wenn sie Benzaldehyd mit Pyrrol in siedener Propionsäure umsetzen. Die Reaktionszeit beträgt lediglich 30 Minuten; das Produkt kristallisiert anschließend in der Kälte. Es folgt eine Reihe von Veröffentlichungen, in denen die Synthesen symmetrischer meso-Tetraarylporphyrine nach dem Muster der Adler-Longo-Reaktion beschrieben wird.[101-104] Die ersten asymmetrisch substituierten meso-Tetraaryrlporphyrine wurden von Little, Anton, Loach und Ibers[105] durch Reaktion von Pyrrol mit einer Mischung zweier unterschiedlicher aromatischer Aldehyde synthetisiert. Die Autoren erhalten ein statistisches Gemisch an Porphyrinen mit den beiden aromatischen Resten in den meso-Positionen.

Auch die in dieser Arbeit beschriebenen Porphyrinverbindungen wurden nach diesem Muster, d. h. durch Kondensation zweier unterschiedlicher Aldehyde mit Pyrrol durchgeführt, mit dem Unterschied, daß jeweils ein aromatischer Aldehyd mit einem aliphatischen Aldehyd kokondensiert wurde. Es resultieren Porphyrine, die in den meso-Positionen nebeneinander aromatische und aliphatische Reste tragen. Diese Verbindungen werden auch als Hybridporphyrine bezeichnet.[55]

4.2 Mechanistische Betrachtung zur Rothemund/Adler-Longo Reaktion

Der Mechanismus, der durch die folgende Bruttoreaktionsgleichung wiedergegebenen Kondensation von Benzaldehyd mit Pyrrol zum meso-Tetraphenylporphyrin, ist recht komplex (Schema 43).

Schema 43:

[Abb. ]

Am Beispiel dieser Reaktion sind eine ganze Reihe von Arbeiten zur Klärung des Reaktionsmechanismus veröffentlicht worden. Eine ausführliche Zusammenfassung der unterschiedlichen Arbeiten findet sich in Dolphin: The Porphyrins Vol I Part A.[106] An dieser Stelle sollen kurz die Ergebnisse dieser Untersuchungen zusammengefaßt werden. Im ersten Schritt erfolgt ein protonenkatalysierter elektrophiler Angriff des Aldehyd-Carbonyl-Kohlenstoffatoms an der alpha-Position des Pyrrols. Anschließende Wasserabspaltung liefert das entsprechende Carbokation (Schema 44).

Schema 44:

[Abb. ]

Dieses kann nun mit der freien alpha-Position eines anderen Pyrrols unter Bildung einer Dipyrryleinheit reagieren. Durch weitere Kondensationen nach diesem Muster bilden sich offenkettige Tri-, Tetra- und Polypyrryleinheiten (Schema 45).

Schema 45:

[Abb. ]

Nur das offenketige Tetrapyrrylcarbinol kann zum Porphyrinogen cyclisieren (Schema 46).

Schema 46:

[Abb. ]

Die Oxidation des Porphyrinogens durch den anwesenden Luftsauerstoff liefert das Porphyrin (Schema 47).

Schema 47:

[Abb. ]

Neben den Porphyrinogenen werden auch Phlorine (Struktur siehe Schema 49) als Intermediate bei der Porphyrinsynthese diskutiert. Erfolgt eine Oxidation bereits auf der Stufe der offenkettigen Pyrromethane, so kommt es zur Bildung von den Pyrromethenen (Schema 48). Diese können bei entsprechender Cyclisierung die Phlorine bilden.

Schema 48:

[Abb. ]

Bei den Porphyrinsynthesen wird immer die Bildung von Chlorinen (eine Doppelbindung des Porphyrins ist hydriert) beobachtet. Diese Tatsache wird einerseits durch Reaktion des gebildeten Porphyrins mit reduzierten Intermediaten erklärt, anderseits ist auch eine Isomerisierung des bei der Kondensation von Pyrromethenen intermediär gebildeten Phlorins zum Chlorin denkbar (Schema 49).

Schema 49:

[Abb. ]

4.3 Synthese meso-substituierter Porphyrine nach Lindsey's Gleichgewichtsbedingungen

Neuere Untersuchungen von Lindsey et al.[55] haben gezeigt, daß Pyrrol und Benzaldehyd säurekatalysiert und unter Sauerstoffausschluß reversibel das Tetraphenylporphyrinogen bilden. Unter bestimmten Reaktionsbedingungen ist das Porphyrinogen das thermodynamisch bevorzugte Produkt. Durch Zugabe von Dicyano-dichloro-benzochinon (DDQ) oder Tetrachlor-benzochinon (p-Chloranil) kann das Porphyrinogen irreversibel zum Tetraphenylporphyrin oxidiert werden (Schema 50). Schema 50:

[Abb. ]

Die Ausbeuten an Tetraphenylporphyrin hängen im wesentlichen von den Konzentrationen der Edukte, der Art und der Konzentration der als Katalysator verwendeten Säure, der Wahl des Oxidatiosmittels und dem Wassergehalt des Lösungsmittels ab. Lindsey et al. geben für die TPP-Synthese Ausbeuten von über 50 % an. Dazu setzen sie eine 10^(-2) molare Lösung von Pyrrol und Benzaldehyd in trocknem Methylenchlorid unter Schutzgas mit 10^(-3) mol Bortrifluoridetherat um. Die Oxidation erfolgt nach einer Stunde Reaktionszeit (Raumtemperatur) durch Zugabe von p-Chloranil und anschließendem einstündigem Erhitzen unter Rückfluß.

Die Autoren haben das Syntheseprinzip bei der Darstellung von mehr als 30 unterschiedlich substituierten Porphyrinen angewendet. Sie beschreiben nicht nur die Synthesen von meso-aryl-substituierten Porphyrinen, sondern auch die Darstellung von Porphyrinen mit vier meso-Alkyl-Substituenten und von Hybridporphyrinen mit drei meso-Alkyl- und einem meso-Aryl-Substituenten. Bei der Synthese der alkyl-substituierten Porphyrine konnten die Autoren mit Trifluoressigsäure als Katalysator bei einer Konzentration von 5x10^(-3) mol*l^(-1) etwas bessere Ergebnisse als mit BF3-Etherat erzielen.

Auf Grund der gegenüber dem Adler-Longo-Verfahren sehr milden Reaktionsbedingungen ist die Lindsey-Synthese besonders bei Verwendung empfindlicher Aldehyde geeignet.

4.4 Diskussion der durchgeführten Porphyrinsynthesen

Die hier synthetisierten Porphyrine wurden teilweise nach dem Adler-Longo-Verfahren und teilweise nach der Lindsey-Methode dargestellt. Um die Vor- und Nachteile der beiden Syntheseverfahren besser abschätzen zu können, erfolgte die Darstellung des 5-Cyclohexyl-10,15,20-triphenylporphyrins (CTrPP) und die Synthese des trans-cyclohexylen-verbrückten Porphyrin-Chinons (Qe-CTrPP) nach beiden Verfahren.

Im Falle des meso-Cyclohexyl-triphenylporphyrins (CTrPP) wurden mit beiden Methoden gleiche Ausbeuten erzielt. Bei der Synthese des Porphyrin-Chinons betrug die Ausbeute nach Adler-Longo 2% und nach Lindsey 4%. Die bei der Synthese der unsymmetrisch substituierten Porphyrine ohnehin nur sehr geringen Ausbeuten sind allerdings nicht das primäre Kriterium für die Entscheidung für eine der beiden Methoden. Ein wesentliches Entscheidungskriterium ist der unterschiedlich große Aufwand bei der Aufarbeitung der Ansätze.

Es wurde generell beobachtet, daß bei den Synthesen in siedener Propionsäure eine wesentlich größere Zahl von Nebenprodukten, die jedoch nicht weiter charakterisiert wurden, entsteht. Kristallisiert das gewünschte Produkt nach dem Abkühlen der Propionsäure nicht aus, so muß die gesamte Lösung bis zur Trockene eingeengt werden. Das Abdestillieren der Propionsäure im Wasserstrahlpumpenvakuum ist äußerst mühsam (häufige Siedeverzüge) und gelingt nicht vollständig. Der noch deutlich nach Propionsäure riechende Rückstand muß dann in Chloroform oder Methylenchlorid aufgenommen und mit Natriumhydrogencarbonat-Lösung und Wasser neutralgewaschen werden. Beim Ausschütteln kommt es häufig zur Bildung sich nur schwer wieder trennender Emulsionen. Es wurde auch versucht, die gesamte Propionsäure mittels erheblicher Mengen an wäßriger Ammoniak-Lösung zu neutralisieren. Die weitere Aufarbeitung des nach Entfernen der Propionsäure erhaltenen Rohproduktes erfordert mehrere aufeinanderfolgende säulenchromatographische Trennungen.

Sollte das Porphyrin-Rohproduktgemisch beim Abkühlen der Propionsäurelösung auskristallisieren und der überwiegende Teil der polaren und polymeren Verunreinigungen in der Propionsäure gelöst bleiben, so ist der Aufwand bei der Aufarbeitung vergleichbar mit der ausschließlich chromatographischen Aufarbeitung des Rohproduktes aus dem Ansatz nach Lindsey.

5-Cyclohexyl-10,15,20-triphenylporphyrin

Anhand der Synthese des 5-Cyclohexyl-10,15,20-triphenylporphyrins sollte vorab getestet werden, ob es überhaupt möglich ist, den relativ sperrigen Cyclohexylrest in eine der meso-Positionen des Porphyrinrings einzuführen (Schema 51).

Zuerst wurde dieses Hybridporphyrin nach der Adler-Longo Methode in siedender Propionsäure dargestellt. Im Falle dieser Synthese kristallisierte das Porphyrin-Rohproduktgemisch in der Kälte aus. Beim Einsatz des stöchiometrischen Eduktverhältnisses, d. h. Cyclohexanaldehyd, Benzaldehyd und Pyrrol im Verhältnis 1 : 3 : 4, wurde allerdings neben der Bildung von Tetraphenylporphyrin und dem gewünschten mono-Cyclohexylporphyrin auch die Bildung von Dicyclohexyl-diphenylporphyrin beobachtet (MS-Nachweis). Die Synthese wurde mit verschiedenen Eduktverhältnissen durchgeführt. Erst bei einem erheblichen Überschuß von Benzaldehyd und Pyrrol konnte keine Bildung des Dicyclohexylporphyrins mehr beobachtet werden (DC-Untersuchung). Dies bedeutet jedoch, daß das gewünschte Produkt dann nur noch in sehr geringen Mengen neben dem hauptsächlich entstehenden Tetraphenylporphyrin gebildet wird. Als guter Kompromiß wurde ein Eduktverhältnis von einem Teil Cyclohexanaldehyd, fünf Teilen Benzaldehyd und sechs Teilen Pyrrol ermittelt.

Schema 51:

[Abb. ]

Die Isolierung des 5-Cyclohexyl-10,15,20-triphenylporphyrins aus dem Rohproduktgemisch erwies sich als äußerst schwierig. Die Problematik besteht dabei in der Abtrennung des Tetraphenylporphyrins und des ebenfalls gebildeten Dicyclohexyl-Produktes. Die Moleküle unterscheiden sich nur minimal durch jeweils einen Substituenten in einer meso-Position. Die Rf-Werte der Verbindungen sind daher nahezu identisch. Eine vollständige Trennung des Gemisches gelang auch nicht mit Hilfe der zur Verfügung stehenden HPLC-Technik.

Die entsprechenden Zink-Komplexe unterscheiden sich etwas deutlicher in ihren chromatographischen Laufeigenschaften. Insbesondere die Verwendung von neutralem Aluminiumoxid als Adsorbens und Chloroform als Laufmittel brachte gute Trennergebnisse. Bei der Verwendung von Kieselgel als Adsorptionsmittel wurden akzeptable Trennungen nur mit Laufmittelgemischen erzielt. Zur Anwendung kamen dabei Methylenchlorid/Hexan im Verhältnis eins zu eins oder Chloroform/Tetrachlorkohlenstoff im Verhältnis drei zu eins.

Zur Aufarbeitung wurde das Gemisch der freien Porphyrinbasen in ein Gemisch der entsprechenden Porphyrin-Zinkkomplexe überführt (Zur Darstellung der Porphyrin-Metallkomplexe siehe Abschnitt 4.5), und diese wurden anschließend chromatographisch getrennt. Die Durchführung der CTrPP-Synthese unter Lindsey-Bedingungen brachte gegenüber der Synthese in Propionsäure keine wesentlichen Verbesserungen.

An dieser Stelle soll kurz erwähnt werden, daß im Rahmen der Untersuchungen zur Synthese des 5-Cyclohexyl-10,15,20-triphenylporphyrins versucht wurde, durch Kondensation von Pyrrol ausschließlich mit Cyclohexanaldehyd das meso-Tetracyclohexylporphyrin zu synthetisieren. Sowohl nach Adler-Longo als auch nach Lindsey konnte keine Bildung des Porphyrins nachgewiesen werden. Offensichtlich ist der Cyclohexanrest sterisch zu anspruchsvoll.

5-(4(e)-[Hydroxycarbonyl]-cyclohex-(e)-yl)-10,15,20-triphenylporphyrin

Umsetzung des trans-4-Methoxycarbonyl-cyclohexanaldehyds mit Benzaldehyd und Pyrrol nach Adler-Longo liefert das 5-(4-[Methoxycarbonyl]-cyclohexyl-10,15,20-triphenylporphyrin (Schema 52).

Schema 52:

[Abb. ]

Die chromatographische Aufarbeitung dieses Porphyrins ist erwartungsgemäß einfacher als die Reinigung des zuvor beschriebenen Cyclohexylporphyrins. Bedingt durch die polare Estergruppe unterscheiden sich die chromatographischen Laufeigenschaften dieses Porphyrins deutlich von denen des TPPs. Ein Versuch, bei dem der Porphyrin-cyclohexan-carbonsäuremethylester noch vor seiner Reinigung durch Behandeln des Rohproduktes mit methanolischer Natronlauge zur freien Carbonsäure verseift wurde, hat gezeigt, daß die chromatographischen Laufeigenschaften der Säure für die Reinigung des Produkts äußerst ungünstig sind. Die Carbonsäure bleibt bei Verwendung von Chloroform oder Methylenchlorid als Laufmittel mit den polaren Verunreinigungen am Startfleck liegen oder läuft bei Erhöhung der Polarität des Laufmittels mit den Verunreinigungen mit. Aus diesem Grund wurde zunächst der Methylester chromatographisch gereinigt und dieser anschließend mit methanolischer Natronlauge und Methylenchlorid als Lösungsvermittler verseift (Schema 53).

Schema 53:

[Abb. ]

5-(4(e)-[Hydroxymethyl]-cyclohex-(e)-yl)-10,15,20-triphenylporphyrin

Die Darstellung des Hydroxymethyl-cyclohexyl-triphenylporphyrins erfolgte ebenfalls nach der Methode von Adler und Longo durch Kondensation von trans-4-Hydroxymethyl-cyclohexanaldehyd mit Benzaldehyd und Pyrrol in siedener Propionsäure (Schema 54). Die NMR-Untersuchung des isolierten Produkts ergab, daß unter diesen Reaktionsbedingungen die Hydroxymethylgruppe mit der Propionsäure reagiert. Es wurde nicht das Porphyrin mit der freien Hydroxymethylgruppe am Cyclohexanring, sondern zunächst das entsprechende Propionat isoliert.

Die chromatographischen Laufeigenschaften des Propionats sind sehr ähnlich denen des zuvor beschriebenen Porphyrin-cyclohexancarbonsäuremethylesters. Das Propionat wurde erst im Anschluß an die chromatographische Aufarbeitung alkalisch verseift, da sich der freie Alkohol ebenfalls nur schwer von den polaren Verunreinigungen abtrennen läßt (DC-Untersuchung).

Schema 54:

[Abb. ]

Synthesen der cis-, trans-1,4-cyclohexylen- und 1,4-butylen-verbrückten Porphyrin-Chinone

Mit Ausnahme der trans-cyclohexylen-verknüpften Verbindung, welche sowohl nach Lindsey als auch nach der Adler-Longo Methode dargestellt werden konnte, erfolgte die Synthese der aliphatisch verbrückten Porphyrin-Chinone nach der Lindsey-Methode.

Die mit dem Hydrochinonrest versehenen aliphatischen Aldehyde wurden in absolutem Methylenchlorid unter strengstem Sauerstoffausschluß mit Benzaldehyd und Pyrrol umgesetzt. Als Katalysator diente Trifluoressigsäure. Durch Zugabe entsprechender Mengen an p-Chloranil wurden nicht nur die zunächst gebildeten Porphyrinogene zu den Porphyrinen, sondern gleichzeitig auch die Hydrochinonsubstituenten zu den Chinonen oxidiert (Schema 55). Die Isolation der Produkte erfolgte ausschließlich durch chromatographische Methoden (detaillierte Bedingungen siehe im experimentellen Teil).

Auch bei der Synthese der trans-cyclohexylen-verbrückten Verbindung in siedener Propionsäure führte die Oxidation mit Luftsauerstoff ebenfalls direkt zum Porphyrin-Chinon.

Bei der Synthese des trans-cyclohexylen-verknüpften Porphyrin-Chinons nach Adler-Longo Bedingungen konnte das Produkt auch nach teilweisem Einengen der Propionsäurelösung nicht durch Kristallisation von dem überwiegenden Teil der Verunreinigungen abgetrennt werden. Der gesamte Reaktionsansatz mußte zur Trockene eingeengt und chromatographisch aufgearbeitet werden. Zur vollständigen Reinigung waren drei aufeinanderfolgende Säulentrennungen notwendig. Die Bedingungen für die säulenchromatographischen Trennungen sind im experimentellen Teil dieser Arbeit beschrieben.

Auf Grund der bei den unterschiedlichen Porphyrinsynthesen gesammelten Erfahrungen ist festzustellen, daß bei der Darstellung derart substituierter Porphyrine eindeutig die Synthese nach der Lindsey-Methode dem Adler-Longo-Verfahren vorzuziehen ist.

Schema 55:

[Abb. ]

4.5 Darstellung der Zink-Porphyrine

Metallo-Porphyrine sind per Definition Verbindungen, bei denen mindestens ein zentrales Porphyrin-Stickstoffatom an ein Metallatom gebunden ist. Porphyrine sind in der Lage, mit nahezu allen Metallen Komplexe zu bilden. Neben der einfachsten Klasse der Porphyrin-Metallkomplexe, den Monometallo-Porphyrinen, gibt es auch solche, bei denen ein Porphyrin zwei, drei oder sogar vier Metallatome komplexiert. Es werden aber auch Komplexe beschrieben, bei denen ein Metallatom von zwei Porphyrinen ligandiert wird, oder Komplexe, bei denen neben dem Porphyrin noch andere Liganden an das Metall gebunden sind. Eine ausführliche Zusammenfassung der vielfältigen Strukturen von Metallo-Porphyrinen sowie deren unterschiedlichen Darstellungsmethoden und Eigenschaften findet sich in Dolphin: The Porphyrins Volume I[107].

Durch Reaktion der freien Porphyrinbase (H2P) mit einem zweiwertigen Metallsalz (MX2) bildet sich das entsprechende Metallo-Porphyrin (MP) und die korrespondierende Säure (HX). Dieser Vorgang ist reversibel, d. h. das Metall läßt sich durch Behandeln des Metallkomplexes mit einer Säure aus dem Porphyrin wieder entfernen. Je nachdem, ob ein Überschuß an Säure oder einem Metallsalz verwendet wird, läßt sich das Gleichgewicht in die gewünschte Richtung verschieben (Schema 56).

Schema 56:

[Abb. ]

In der vorliegenden Arbeit wurden von den synthetisierten Porphyrinverbindungen immer auch die jeweiligen Zink-Komplexe dargestellt. Die Zink-Porphyrine wurden vor allem für die EPR/ENDOR-Messungen benötigt, da sich diese durch Oxidation leicht in die entsprechenden Zink-Porphyrin-Kationradikale überführen lassen.[108]

Zink läßt sich in Porphyrine relativ leicht ein- und auch wieder ausbauen. Bedingt durch die leichte Handhabbarkeit bieten sich die Zink-Porphyrine auch für präparative Methoden an. Die Reinigung des mesoCyclohexyl-triphenylporphyrins (CTrPP) beispielsweise gelang erst nach Einbau von Zink in das Porphyrin-Rohproduktgemisch (siehe Abschnitt 4.4.). Durch Behandeln des Zink-Komplexes mit verdünnter Salzsäure wird die Porphyrinbase wieder freigesetzt.

Der Zinkeinbau erfolgte nach der sog. Acetat-Methode (Schema 60).[107,109] Bei diesem zur Darstellung von Zink-Porphyrinen sehr gebräuchlichen Verfahren wird eine Lösung der freien Porphyrinbase in Chloroform mit einer gesättigten methanolischen Zinkacetat-Lösung umgesetzt.

Schema 60:

[Abb. ]

Die Vollständigkeit des Zinkeinbaus, wurde UV/VIS-spektroskopisch kontrolliert (zur UV/VIS-spektroskopischen Unterscheidung der freien Porphyrinbasen von den Zink-Porphyrine siehe Abschnitt 2. im spektroskopischen Teil).


weiter zurück Inhaltsverzeichnis

HTML-Formatierung: Burkhard Kirste, 1994/12/21