Synthese der Cuban-1,4-dicarbonsäure

[TheCopperMan]

Synthese der Cuban-1,4-dicarbonsäure
Pentacyclo[4.2.0.02,5.03,8.04,7]octan-1,4-dicarbonsäure, [32846-66-5]

Die Cuban-1,4-dicarbonsäure ist die Dicarbonsäure zum korrespondierenden Alkan Cuban.
Cuban und viele seiner Verbindungen sind kinetisch stabil und thermodynamisch hingegen sehr instabil. Dies lässt sich mit den stark gespannten Bindungswinkel von 90° des Cubans und dessen Derivate erklären.^[1]

Cuban selbst ist die durchaus eher bekannte Verbindung, welche in den vergangenen Jahren an Popularität gewann.
Mit der Entdeckung des Cuban-Moleküls, welches zuerst, aufgrund der Bindungswinkel von 90° als äußerst instabil galt, wurde die
Cuban-1,4-dicarbonsäure entdeckt.

cuban 3d.gif (1.55 MiB) 333 mal betrachtet

Die Darstellung der Cuban-1,4-dicarbonsäure erfolgte allerdings erst, als die neue Syntheseroute die alte, erstmalige ablöste. Beide dieser Syntheserouten wurden von Prof. Dr. Philip Eaton aufgestellt und 1964 erstmalig durchgeführt und publiziert.
In der ersten Syntheseroute wurde lediglich die Monocarbonsäure als Zwischenprodukt isoliert.^[2]
Heutzutage ermöglicht die Cuban-1,4-dicarbonsäure viele Substitutionen und Umwandlungen in beispielsweise bekannte Medikamente, dessen Benzolring durch den Cubanwürfel substituiert ist. Besonders bemerkenswert ist hierbei der schnellere Metabolismus im menschlichen Körper, die bessere Stoffwechselstabilität, sowie Löslichkeit.
Möglich ist die Substitution des Benzolrings durch den Cubanwürfel, da beide Moleküle in etwa dieselbe Größe besitzen.^[3] Ein Beispiel dafür ist das Molekül Cuba-Lumacaftor (Lumacaftor selbst wird als Behandlungsmittel für Mukoviszidose eingesetzt).

Das Würfelmolekül Cuban besitzt zwei Isomere, das Cunean und Octabisvalen. Das Valenzisomer des Cubans ist das Cyclooctatetraen (kurz: COT), in welches es auch selbst überführt werden kann.^[5]
Eine Besonderheit stellt die für Kohlenwasserstoffe enorm hohe Dichte von 1,29 g×cm^-3 dar. Nach heutigen Kenntnissen besitzt es eine der höchsten Dichten unter den Kohlenwasserstoffen, was es neben seinen gespannten Bindungen zu einer außergewöhnlichen Verbindung macht.^[5][2]

Cuban zersetzt sich erst bei Temperaturen über 200 °C und ist sogar in der Diskussion, neuartige Treib- und Sprengstoffe zu ermöglichen.^[5]
Es kann intramolekulare metallkatalysierte Bindungsumlagerungen eingehen, wenn dieses mit einem Silber- oder Palladiumkatalysator versetzt wird. Dies führt zu Cunean.^[6]
Wird es stattdessen mit Rhodium versetzt und im Anschluss einer thermischen Umlagerung vollzogen, entsteht das Valenzisomer COT.^[7]

In diesem Artikel wird sich allerdings lediglich auf die Cuban-1,4-dicarbonsäure beschränkt, aus welcher in einer etwa drei- bis vierstufigen Synthese das korrespondierende Cuban-Alkan synthetisiert werden kann.^[1][2]

Herzlichen Dank an die Universität Siegen für die Durchführung der Synthese, sowie Unterstützung bei der jeweiligen Auswertung!


Geräte:

Bechergläser, Rundkolben, Rückflusskühler, Destillationsapparatur, Magnetheizrührer, Filternutsche, Trockenrohr, Heizpilz, Dean-Stark-Wasserabscheider, Scheidetrichter, Tropftrichter, Vakuumpumpe, Quecksilberdampflampe (volles Spektrum!), Quarzröhrchen, Rotationsverdampfer


Chemikalien:

Cyclopentanon
Ethylenglykol
Toluol
1,4-Dioxan
Brom
Natriumhydroxid
Methanol
Tetrahydrofuran
Salzsäure (konz.)
Benzol
Essigsäureanhydrid
Schwefelsäure (konz.)
Natriumchlorid
Natriumsulfat
Argon oder Stickstoff
Natriumcarbonat
Natriumthiosulfat
Aktivkohle
Chloroform
Hexan
Ethylacetat

---

Cyclopentanonethylenketal (1,4-Dioxaspiro[4.4]nonan)
2,2,5-Tribromcyclopentanonethylenketal (6,9,9-Tribrom-1,4-dioxaspiro[4.4]nonan)
Diels-Alder Diketal (4',7'-Dibromdispiro[1,3-dioxolan-2,10'-tricyclo[5.2.1.0^2,6]deca[4,8]dien-3',2"-[1,3]dioxolan])
Diels-Alder Monoketal-Keton (2',4'-Dibromo-3a',4',7',7a'-tetrahydro-1'H-spiro[[1,3]dioxolan-2,8'[4,7]methanoinden]1'-on)
Bis Homocubanon (5,9-Dibrompentacyclo[5.3.0.0^2,5.0^3,9.0^4,8]deca-6,10-dion-6-Ethylenketal)
Bis Homocuban Tetraacetat (5,9-Dibrompentacyclo[5.3.0.0^2,5.0^3,9.0^4,8]-deca-6,6’,10,10’-Tetraacetat)

Bromwasserstoff
Natriumbromid

---

Cuban-1,4-dicarbonsäure

Hinweis:

Bei der Reaktion wird mit vielen stark giftigen oder karzinogenen Stoffen gearbeitet. Es ist unbedingt in einem Abzug zu arbeiten!
Besonders ist Vorsicht beim Umgang mit Brom geboten. Viele der Zwischenprodukte sind nicht toxikologisch untersucht und sollten daher als Gefahrstoff gehandhabt werden.
Beim Umgang mit der Quecksilberdampflampe auf die nötige Sicherheitsausrüstung (Handschuhe, UV-Schutzbrille, lange Kleidung) achten und Körperkontakt vermeiden!


Durchführung:

Bei der folgenden Synthese wurde sich an der Publikation von 2022 „Approaches to 1,4‐Disubstituted Cubane Derivatives as Energetic Materials: Design, Theoretical Studies and Synthesis.“ orientiert (siehe: ^[4]).

Synthese von Cyclopentanonethylenketal (1):

Cyclopentanon (63,5 g, 0,76 mol) und Ethylenglykol (100 g, 1,61 mol) wurden in einen Rundkolben gegeben. Dann wurde Toluol (125 mL, 1,18 mol) zugegeben. Es wurde p-Toluolsulfonsäure (500 mg, 2,63 mmol) als Katalysator zugefügt. Dem Rundkolben wurde ein Dean-Stark-Wasserabscheider samt Rückflusskühler aufgesetzt und so lange unter Rückfluss gekocht, bis sich kein Wasser mehr abschied. Die sich gelbrot gefärbte Lösung wurde mit Natronlauge (2x100 mL, w=10%) und gesättigter Natriumchloridlösung (1x50 mL) im Scheidetrichter extrahiert und im Anschluss über Natriumsulfat getrocknet.

Durch mehrfache, fraktionierte Destillation wurde das Produkt Cyclopentanonethylenketal (Siedepunkt: 154-156 °C) als farblose, holzig-süßlich-riechende Flüssigkeit erhalten.

Ausbeute: 48,24 g (0,38 mol), 50% d. Th.


Synthese von 2,2,5-Tribromcyclopentanonethylenketal (2):

Zu einer Lösung aus 1 (25 g, 195,05 mmol) und 1,4-Dioxan (200 mL, 2,34 mol) in einem 500 mL Rundkolben wurde über eine Stunde unter Rühren Brom (93,6 g, 0,59 mol) in Argonatmosphäre bei etwa 10 °C zugetropft. Der aufgesetzte Tropftrichter wurde durch ein Trockenrohr ausgetauscht und das Gemisch wurde für zwei Tage unter Abspaltung von Bromwasserstoff weitergerührt, bis sich die Farbe des
Reaktionsgemisches von dunkelorange nach hellgelb änderte, was auf den vollständigen Verbrauch des Broms hindeutet.

Die Ausbeute von 2 (Quant.: 71,19 g) wurde nicht ermittelt und das Gemisch im folgenden Versuch eingesetzt.


Synthese des Diels-Alder Diketal (3):

Die Reaktionslösung von 2 wurde in einen 1L-Zweihalskolben überführt. Dem Rundkolben wurde ein Rückflusskühler aufgesetzt. Über den anderen Hals wurde vorsichtig über den Zeitraum von einer Stunde eine Natriummethanolatlösung zugegeben, welche aus Natriumhydroxid (60,8 g, 1,52 mol) und Methanol (300 mL, 7,42 mol) angefertigt wurde. Eine Kühlung ist hier erforderlich, da sich das Gemisch aufgrund der Neutralisationswärme des gelösten Bromwasserstoffs stark erhitzt. Das Reaktionsgemisch wurde dann für zwei Tage unter Rückfluss erhitzt.
Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die Lösung auf kaltes Wasser gegeben und für 20 Minuten gerührt, damit sich als
Nebenprodukt entstandenes NaBr löste.

Das Produkt wurde abfiltriert und getrocknet. Das Diels-Alder Diketal wurde als weißes, kristallines Pulver erhalten.

Ausbeute: 25,30 g (62,30 mmol), 63,88% d. Th.
Hinweis: Die Ausbeute wurde über zwei Stufen, ausgehend von 1, als Eintopf-Reaktion bestimmt.


Synthese des Diels-Alder Monoketal-Keton (4):

3 (500 mg, 1,23 mmol) wurde in einem 50 mL-Rundkolben unter Rühren in THF (10 mL, 123,28 mmol) gelöst. Im Anschluss wurde konzentrierte Salzsäure (1 mL, 32,64 mmol) über einen Zeitraum von 10 Minuten zugegeben. Der Kolben wurde verschlossen und das Gemisch für 24 Stunden weitergerührt. Im Anschluss wurde die Lösung auf eine Na2CO3-Lösung (w=10%) gegeben und für eine Stunde weitergerührt.

Das Produkt wurde abfiltriert und getrocknet. Es wurde das Diels-Alder Monoketal-Keton als weißes Pulver erhalten.

Ausbeute: 403 mg (1,11 mmol), 90,41% d. Th.


Synthese des Photoaddukts Bis Homocubanon (5):

4 (200 mg, 0,55 mmol) wurde in Benzol (50 mL, 0,56 mol) gelöst und mit einer 150 W Quecksilberdampflampe für 12
Stunden in einem Quarzglas mit dem vollen Emissionsspektrum bestrahlt (NMR-Kontrolle). Die Reaktionslösung wurde am Rotationsverdampfer
abgezogen, bis eine gelbe Suspension zurückblieb. Diese wurde mit Aktivkohle versetzt und um farbige Verunreinigungen zu entfernen, durch ein Celite-Pad filtriert. Das Produkt wurde gemäß der Literatur aus einem CHCl₃-Hexan-Gemisch rekristallisiert und getrocknet, was die Braunfärbung jedoch nicht beseitigte.

Das Photoaddukt wurde direkt im nächsten Schritt eingesetzt, weshalb keine Ausbeute ermittelt wurde (quant.: 200 mg).


Synthese von Bis Homocuban Tetraacetat (6):

Zu einer Lösung aus 5 in Essigsäureanhydrid (Ac₂O) (5 mL, 53 mmol) wurde konzentrierte Schwefelsäure (0,5 mL, 9,38 mmol) bei 0 °C langsam zugegeben. Die Reaktionsmischung wurde für 4 Stunden bei 0 °C weitergerührt. Nach Abschluss der Reaktion wurde die
Produktlösung auf eiskaltes Wasser gegeben und für 30 Minuten gerührt.

Im Anschluss wurde das Produkt abfiltriert und getrocknet. Es wurde Bis Homocuban Tetraacetat als leicht gelb-beiges Pulver erhalten.

Ausbeute: 88 mg (0,17 mmol), 30,50% d. Th.
Hinweis: Die Ausbeute wurde über zwei Stufen, ausgehend von 4 ermittelt.


Synthese der Cuban-1,4-dicarbonsäure (7):

Eine Lösung aus 6 (75,14 mg, 0,14 mmol) wurde in NaOH (7 mL, w=40%) für 20 Stunden unter Rückfluss erhitzt. Dann wurde das Reaktionsgemisch langsam auf Raumtemperatur abkühlen gelassen und im Anschluss dann auf 0 °C
weitergekühlt. Das resultierende Gemisch wurde mit Wasser neutralisiert und im Anschluss mit Salzsäure angesäuert.
Die Produktlösung wurde mit Ethylacetat (3x50 mL) im Scheidetrichter extrahiert, die gesamte organische
Phase über Na₂SO₄ getrocknet und das EtOAc abgezogen.

Das Produkt wurde filtriert, mit Hexan gewaschen und erneut in EtOAc gelöst. Im Anschluss wurde das Produkt durch Abziehen des Lösungsmittels am Rotationsverdampfer getrocknet. Es wurde die Cuban-1,4-dicarbonsäure als hellbraunes Pulver erhalten.

Ausbeute: 23,6 mg (0,12 mmol), 85,38% d. Th.
Hinweis: Eine weitere Aufreinigung ist durch die Veresterung der Dicarbonsäure und Überführung in den Dimethylester und anschließende Vakuumsublimation möglich.

Die Gesamtausbeute der Synthese über alle Stufen beträgt 7,51% und lässt sich besonders seitens der UV-Reaktion optimieren.


Entsorgung:

Verbindung 1 wird zu den organischen halogenfreien Lösungsmitteln gegeben.
Verbindungen 2-6 werden in den Behälter für halogenhaltige Abfälle gegeben.
Restliches Brom wird mit Natriumthiosulfat reduziert und ebenso in den Behälter für halogenhaltige Verbindungen gegeben.
Hexan und Ethylacetat werden zu den halogenfreien organischen Lösungsmitteln gegeben und Chloroform zu den organischen halogenhaltigen Lösungsmitteln.


Erklärung:

Die Synthese der Cuban-1,4-Dicarbonsäure beginnt mit der Acetalisierung von Cyclopentanon zum Ethylenketal.

Zu Beginn findet eine Protonierung am Carbonyl durch den Katalysator p-TsOH statt. Nach der Ausbildung eines mesomeriestabilisierten Kations, greift eine Hydroxygruppe des Ethylenglykols das Carbenium-Ion nukleophil an. Das Toluolsulfonsäure-Anion deprotoniert das Oxonium-Ion, um den Katalysator zu regenerieren. Das entstandene Halbketal-Zwischenprodukt wird an der linken Hydroxygruppe durch den Säurekatalysator protoniert, wodurch Wasser abgespalten wird und ein weiteres Oxonium-Ion gebildet wird. Das resultierende Oxonium-Ion wird dann intramolekular von einer Hydroxygruppe des vorherigen Alkohols angegriffen, wodurch der Ring geschlossen, die Doppelbindung aufgelöst und das Oxonium-Ion zurückgebildet wird. Das zuletzt entstandene Oxonium-Ion wird von erneut von dem Toluolsulfonsäure-Anion deprotoniert, der Katalysator zurückgebildet und das Cyclopentanonethylenketal ausgebildet.
Da bei dieser Synthese alle Schritte in einer Gleichgewichtsreaktion verlaufen, wird Wasser der Reaktion laufend entzogen, um das Gleichgewicht auf die Produktseite zu lenken und mehr des Acetals zu bilden.

Darauffolgend wird das Acetal dreifach unter Abspaltung von Bromwasserstoff bromiert, welches zu dem Tribromketal führt.
Zuerst läuft eine Startreaktion nach dem Mechanismus einer radikalischen Substitution S_R ab, welche den Katalysator Bromwasserstoff bildet.

Dabei wird das Brom-Molekül durch Licht homolytisch in zwei Brom-Radikale gespalten. Eines der Brom-Radikale greift die C-H-Bindung an, was dazu führt, dass diese ebenso homolytisch gespalten wird und Bromwasserstoff frei wird. Das entstandene Kohlenstoff-Radikal wird dann von dem zweiten Brom-Radikal angegriffen, wodurch es zur Ausbildung einer C-Br-Bindung kommt. Ein monobromiertes Ketal entsteht als Produkt dieser Startreaktion.

Nach der Startreaktion öffnet sich das Acetal unter Katalyse von H⁺ und es entsteht ein Enolether. Das Brom, welches in der Lösung vorliegt, wird von dem 1,4-Dioxan polarisiert, wodurch der 1,4-Dioxan-Brom-Komplex entsteht. Die Enoldoppelbindung greift das positiv polarisierte Brom-Atom an. Durch Abspaltung von einem Bromid-Ion und einem Proton wird der Katalysator zurückgebildet und das monobromierte Hauptprodukt entsteht.
Dies passiert noch zweimal, um das 2,5-Dibromketal zu formen und dann ein drittes Mal durch Deprotonierung, um das 2,2,5-Tribromcyclopentanonethylenketal zu bilden.
Da der letzte Schritt nach einer Gleichgewichtsreaktion abläuft, lässt sich das GGW durch Neutralisation auf die rechte Seite verschieben.
Aufgrund von sterischen und elektrophilen Effekten entstehen keine höherbrominierten Produkte.

Es folgt die Diels-Alder-Addition oder auch [4+2]-Cycloaddition, welche nach dem folgenden Mechanismus abläuft:

Wie bei jeder Diels-Alder-Addition überlagern sich im Übergangszustand die p-Orbitale von Dien und Dienophil so, dass neue Bindungen ausgebildet werden.
Genauer gesagt deprotoniert das Hydroxid-Anion des Natriumhydroxids zunächst den Kohlenstoff am benachbarten Bromatom, wodurch eine Doppelbindung entsteht und das Brom unter Bildung von Natriumbromid und Wasser abgespalten wird. Dies geschieht dann zweimal, um das Dien zu bilden. Zwei dieser Diene können dann miteinander reagieren, wobei eines als Dien und das andere als Dienophil fungiert. Die Reaktion läuft unter höheren Temperaturen schneller ab, weshalb unter Rückfluss gekocht wurde. In Wirklichkeit findet diese Reaktion im 3D-Raum statt und ist daher in 2D schwierig darzustellen.

Im Anschluss folgt eine selektive Entschützung mit konzentrierter Salzsäure in THF.

Zuallererst wird das O-Atom des Acetals durch konzentrierte Salzsäure protoniert. Das entstehende Oxonium-Ion sorgt im Folgeschritt dafür, dass das Acetal seinen Ring öffnet. Im Folgeschritt addiert sich Wasser an das zentral liegende C-Atom des Acetalrings. Das entstehende Oxonium-Ion wird deprotoniert und das abgespaltene Proton wird von Wasser unter Bildung von Hydronium-Ionen aufgenommen. Das zweite Sauerstoff-Atom des Ketalrings wird dann ebenso protoniert, wodurch es zur Abspaltung von Ethylenglykol kommt. Das entstehende Oxocarbenium-Ion bildet den Katalysator zurück und bildet das monoacetalisierte Addukt.

Dann wird das entstandene Monoketal-Keton einer [2+2]-Cycloaddition unterzogen.

Bei einer [2+2]-Cycloaddition liegen im Grundzustand zwei Alken-Moleküle mit unterschiedlichen Symmetrien vor.
Das HOMO (highest occupied molecular orbital) des einen Alkens hat keine Knotenebene, während das LUMO des jeweils anderen Alkens eine Knotenebene aufweist. Dadurch können die Orbitale mit gleichem Vorzeichen nicht ohne Weiteres zur Deckung gebracht werden, wodurch keine Reaktion möglich ist. Wird bei einem der zwei Alkene ein Elektron durch UV-Bestrahlung angeregt und in das nächsthöhere Energieniveau, genannt LUMO, angehoben, entsteht aus diesem ein SOMO (singly occupied molecular orbital). Das besetzte SOMO-Orbital mit der gleichen Symmetrie wie das LUMO des anderen Alkenmoleküls, können jetzt miteinander wechselwirken und eine Reaktion ermöglichen.
Es erfolgt eine intramolekulare [2+2]-Cycloaddition.

Es folgt eine Acetylierung mit Essigsäureanhydrid unter Katalyse von Schwefelsäure.

Zur Darstellung des Mechanismus bedarf es weiterer Forschung. Vermutlich läuft die Acetylierung über das Hydrat des Ketonderivats, dazu gibt es jedoch keine gefestigte Literatur.

Zuletzt erfolgt eine Quasi-Favorskii-Umlagerung in Natronlauge.

Zu Beginn hydrolysiert der Acetalester im Alkalischen, indem das Acetat-Ion nukleophil am C-Atom des Carbonyls von dem Hydroxid-Ion angegriffen wird. Dies führt zur Abspaltung von Essigsäure, welche direkt deprotoniert wird, und gleichzeitig zur Bildung
eines Halbacetals. Da Halbacetale von sich aus recht instabile Verbindungen sind und die negative Ladung am Sauerstoff ein instabiles Intermediat darstellt, wird die Ladung durch Abspaltung der Acetylgruppe als Acetat-Ion ausgeglichen. Dieses Intermediat steht im Gleichgewicht zu dem korrespondierenden Carbonyl. Da das Gleichgewicht nahezu
vollständig auf der Seite des Ketons liegt, können dieselben Schritte an der anderen Acetalgruppe ablaufen, was zur Bildung des Diketons führt. Dies stellt den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt dar. Dieses Diketon ist nun in der Lage, eine Quasi-Favorskii-Umlagerung einzugehen. Im ersten Schritt wird das α-Kohlenstoffatom der Carbonylgruppe nukleophil von dem Hydroxid-Ion des Natriumhydroxids angegriffen. Das entstehende Intermediat ist aufgrund des Oxoanions (O^-) instabil, wodurch ein Ringschluss abläuft, um die Ladung wieder auszugleichen. Der Sauerstoff bildet eine Doppelbindung aus, wodurch der Kohlenstoff den Würfel schließt und das Brom-Atom als Bromid abgespalten wird. Dieser Prozess läuft noch ein weiteres Mal ab, um eine zweite Carboxygruppe an der Carbonylgruppe des Edukts auszubilden.
Die Quasi-Favorskii-Umlagerung führt zu der Cuban-1,4-Dicarbonsäure.


Bilder:

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Isoliertes, aufgereinigtes Cyclopentanonethylenketal.

Ansatz der Bromierung.

2,2,5-Tribromcyclopentanonethylenketal in 1,4-Dioxan gelöst.

Diels-Alder-Addition.

c2dielsald2.jpg (47.25 KiB) 156 mal betrachtet

Isoliertes Diels-Alder-Addukt.

Ansatz zur selektiven Entschützung.

cycloaddE.jpg (27.75 KiB) 156 mal betrachtet

[2+2]-Cycloaddition mit der Hg-Dampflampe.

F_Acetyl.jpg (22.94 KiB) 156 mal betrachtet

Tetraacetat nach der Acetylierung.

Quasi-Favorskii-Umlagerung.

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Cuban-1,4-Dicarbonsäure (Nahaufnahme).


¹H-NMR-Spektren:

Standard: TMS (0 ppm)
Lösungsmittel (wenn nicht anders angegeben): CDCl₃
Aufgenommen mit einem 400 MHz NMR-Spektroskop.

Cyclopentanonethylenketal

Der längste Peak (Singulett) bei 3,83/3,84 ppm ist auf die Acetalgruppe zurückzuführen. Die Singulett-Peaks bei 1,6/1,7 ppm sind die Signale des Cyclopentanrings. Weitere Peaks sind unter anderem TMS bei 0 ppm, H2O bei 1,56 ppm (beide aus dem NMR-Lösungsmittel), Chloroform (CHCl₃) bei 7,24 ppm als in dem NMR-Lösungsmittel zu geringem Anteil enthaltener Stoff Toluol ist bei etwa 7,1 (CH₂ (2,4,6)), 7,2 ppm (CH₂ (3,5)) und 2,3 ppm (CH₃), sowie Ethylenglykol bei 3,64/3,65 ppm zu verorten. Das Edukt Cyclopentanon lässt sich in Form von zwei Singuletts bei 1,85-2,1 ppm finden.

Diels-Alder-Diketal

Der Peak bei 2,71 ppm lässt sich auf das Proton rechts am Norbornengerüst verorten. Links daneben befindet sich das Proton mit einer chemischen Verschiebung von 3,07 ppm. Das untere Proton an der Doppelbindung liegt bei 6,18 ppm und das obere Proton an der Doppelbindung bei 5,83 ppm. An der rechten Doppelbindung befindet sich ein Proton mit einer chemischen Verschiebung von 6,07 ppm und das links angrenzende Proton liegt bei 3,49 ppm. Die Multipletts bei etwa 4,06 ppm sind auf die Protonen am Acetal zurückzuführen.

Diels-Alder-Monoketal-Keton

Der Peak bei 3,07 ppm lässt sich auf das Proton links von der Carbonylgruppe verorten. Links daneben befindet sich das Proton mit einer chemischen Verschiebung von 3,19 ppm. Das untere Proton an der linken Doppelbindung liegt bei 6,00 ppm und das obere Proton an der Doppelbindung bei 5,93 ppm. An der rechten Doppelbindung befindet sich ein Proton mit einer chemischen Verschiebung von 7,62 ppm und das links angrenzende Proton liegt bei 3,7 ppm. Die Multipletts bei etwa 3,94-4,23 ppm sind auf die Protonen am Acetal zurückzuführen.

Bis Homocubanon

Die Peaks des NMRs der Cycloaddition lassen sich ohne weitere Fachkenntnisse nicht weiter bestimmen. Zu den Peaks der eigentlichen Verbindung kommen viele Verunreinigungen hinzu, welche das Auswerten erschweren.
Die Literatur nennt Peaks im Bereich 2.62-2.65 ppm; 2.93-2.95 ppm; 3.23-3.31 ppm; 3.33-3.36 ppm; 3.37-3.42 ppm; 3.55-3.59 ppm; 3.95-4.06 ppm und 4.17-4.27 ppm.

Bis Homocuban Tetraacetat

Der Singulett-Peak bei 2,05 ppm und 2,13 ppm lässt sich auf die Acetatgruppen zurückführen. Aufgrund der komplexen Molekülstruktur lassen sich in diesem Fall keine weiteren Aussagen zu der Zuordnung der Signale machen. Für diese bräuchte es weitere Analysen.

Cuban-1,4-dicarbonsäure

Die Peaks, die die Protonen der Cuban-1,4-Dicarbonsäure beschreiben, befinden sich bei folgender chemischer Verschiebung:
Der DMSO-Peak (aus dem NMR-Lösungsmittel) ist bei 2,5 ppm zu finden, der H₂O-Peak bei 3,33 ppm und der TMS-Peak bei 0 ppm.
Die Peaks bei etwa 1,2 ppm (CH₂CH₃), 2,0 ppm (CH₃CO) und 4,0 ppm (CH₂CH₃) lassen sich auf das Lösungsmittel der Extraktionsprozesse, Ethylacetat, zurückführen.
Auf Seiten der Cuban-1,4-Dicarbonsäure zeigt sich der Singulett-Peak bei 4,11 ppm, welcher auf die sechs Protonen des Cubanwürfels zurückzuführen ist. Die Carboxygruppen schlagen durch Wechselwirkungen mit Wasser in einem großen Bereich aus, welcher bei 11,5-13,5 ppm zu verorten ist. Durch die Säuregruppen werden die Signale (siehe auch das des Wassers), deutlich in die Breite gezogen. Im Allgemeinen zeigt sich, dass das erhaltene Produkt wenige Verunreinigungen aufweist, welche vor allem überschüssige Lösungsmittel sind, die bei der Aufreinigung eingesetzt wurden.


Literatur:

[1] Philip E. Eaton, Thomas W. Cole: The Cubane System. In: Journal of the American Chemical Society. Band 86, Nr. 5, März 1964, S. 962–964, doi:10.1021/ja01059a072.
[2] Philip E. Eaton, Thomas W. Cole: Cubane. In: Journal of the American Chemical Society. Band 86, Nr. 15, August 1964, S. 3157–3158, doi:10.1021/ja01069a041.
[3] Barsted, G. (2023, 20. Dezember). Cubanes help drugs take the strain. Chemistry World. https://www.chemistryworld.com/features ... 06.article[abgerufen am 17. August 2024].
[4] Sohan Lal, Argha Bhattacharjee, Arindrajit Chowdhury, Neeraj Kumbhakarna, Irishi N. N. Namboothiri: Approaches to 1,4‐Disubstituted Cubane Derivatives as Energetic Materials: Design, Theoretical Studies and Synthesis. In: Chemistry – An Asian Journal. Band 17, Nr. 17, September 2022, ISSN 1861-4728, September 2022, doi:10.1002/asia.202200489
[5] Philip E. Eaton: Cubane: Ausgangsverbindungen für die Chemie der neunziger Jahre und des nächsten Jahrhunderts. In: Angewandte Chemie. Band 104, Nr. 11, November 1992, ISSN 0044-8249, S. 1447–1462, doi:10.1002/ange.19921041105
[6] Philip E. Eaton, Luigi Cassar, Jack Halpern: Silver(I)- and palladium(II)-catalyzed isomerizations of cubane. Synthesis and characterization of cuneane. In: Journal of the American Chemical Society. Band 92, Nr. 21, Oktober 1970, ISSN 0002-7863, S. 6366–6368, doi:10.1021/ja00724a061
[7] Luigi Cassar, Philip E. Eaton, Jack Halpern: Catalysis of symmetry-restricted reactions by transition metal compounds. Valence isomerization of cubane. In: Journal of the American Chemical Society. Band 92, Nr. 11, Juni 1970, ISSN 0002-7863, S. 3515–3518, doi:10.1021/ja00714a075

[TheCopperMan]

Info:

Die Mechanismen jeder Synthese sind nicht belegt und lediglich Vermutungen auf Basis von verschiedenen Lehrbüchern!
Fotomaterial folgt im Laufe des Tages.

Edit: NMR-Spektren eingefügt, kleine Fehler überarbeitet, Text ergänzt, Bilder hinzugefügt.

[aliquis]

Wow, noch vor der grossen YouTube-Bühne direkt schon bei uns.
Habe schon die ersten Schritte auf Deinem Kanal verfolgt. Kommen die weiteren dort auch noch?
Respekt, dass Du Dich an eine derart umfangreiche und komplexe Synthese dieses Exoten herangetraut hast - und das anscheinend ja mit Erfolg. Da sind schon ganz andere dran gescheitert... Bin daher mal auf die Spektren gespannt.
Bei Cuban wird momentan ja noch über den möglichen zukünftigen Nutzen der Verbindung spekuliert. Wäre schön, wenn Du dazu noch ein paar Worte verlieren könntest.

[TheCopperMan]

Danke! Evtl. folgen diese dort auch noch. Ich werde nachher noch einiges ergänzen.

[aliquis]

Für direktes Antworten ist kein Vollzitat erforderlich. So bleiben die Threads überschaubarer.

Edit: Wurde gleich umgesetzt.

[mgritsch]

Wow, das ist sicher eine der umfassendsten und aufwändigsten Syntheseanleitungen die wir hier haben, 7 Stufen, das ist schon was! Und du hast dich wirklich mächtig ins Zeug gelegt mit der Aufbereitung aller Mechanismen bis ins Detail und aller Literatur. Danke fürs Beitragen!

Paar kleinere Fragen/Anmerkungen:

Cuban-1,4-dicarbonsäure

da würde mich mal interessieren wie die Nummerierung der Substituenten zustande kommt. In welcher Reihenfolge ist das bitte durchgezählt dass die zwei diagonal gegenüber liegenden Ecken zu 1 und 4 kommen? Ein "Haus des Nikolaus"-Problem

Ideal: Argon oder Stickstoff

da wir hier ja Versuchs-Beschreibungen (= ist-Ablauf) und keine generischen Anleitungen haben würde ich das "Ideal" weglassen und nur das auflisten was du tatsächlich benutzt hast.

Ethylenglykol (100 g, 1,611 mol) ... Ausbeute: 23,6 mg (0,123 mmol), 85,38% d. Th.
... Die Gesamtausbeute der Synthese über alle Stufen beträgt 7,513%

(und noch viele andere Stellen im Text): her würde ich empfehlen konsequent bei max. 3 signifikanten Stellen zu bleiben, also "1,61 mol", "85,4%" oder "7,5%" (oder von miraus "7,51%") alles andere ist aufgeblähte Schein-Genauigkeit, keine "good practice" und erschwert nur das Lesen.

Beim Umgang mit der Quecksilberdampflampe auf die nötige Sicherheitsausrüstung achten und Körperkontakt vermeiden

ich denke die Sicherheitshinweise müssen nicht rot sein (dafür stehen sie ja am Anfang dass sie jeder liest, haben wir auch sonst nicht), schön wäre dafür wenn du für Umgang mit Hg-Lampe ggfs. angibst was denn "nötige Sicherheitsausrüstung" konkret bedeutet.

Synthese von Cyclopentanonethylenketal ... Ausbeute: 48,24 g (0,376 mol), 50% d. Th

wenn du mit so wenig weiter arbeitest (nächster Schritt waren nur 25 g davon eingesetzt und in Stufe 4 nutzt du nur 500 mg der 25,3 g aus Stufe 3), warum hast du dann mit so viel begonnen? Generell sehen deine Ausbeuten ja sehr gut aus und klar war, dass die Photo-Reaktion wohl der schwächste Schritt wird, sowohl was absolute Menge als auch Ausbeute betrifft...
Wie sind deine Ausbeuten im Vergleich zur Literatur (soweit dort angegeben)?

[lemmi]

Chapeau! Endlich mal wieder eine wirklich aufwändige Synthese minutiös beschrieben!

Du schreibst, das Cubangerüst werde in Medikamenten anstelle des Benzolringes eingesetzt, weil die entspr. Derivate schneller metabolisuiert werden. Hast du dafür ein konkretes Beispiel?

[TheCopperMan]

Vielen lieben Dank! War auch ein ganz schöner Aufwand. Aber das war es mir wert.

da würde mich mal interessieren wie die Nummerierung der Substituenten zustande kommt. In welcher Reihenfolge ist das bitte durchgezählt dass die zwei diagonal gegenüber liegenden Ecken zu 1 und 4 kommen? Ein "Haus des Nikolaus"-Problem

So sieht es aus, die Nummerierung hat die IUPAC-Kommission mal wieder verhältnismäßig gewöhnungsbedürftig angelegt.
Unter dieser DOI konnte ich etwas dazu finden. Äußerst interessant, was die IUPAC-Kommission sich immer einfallen lässt.

wenn du mit so wenig weiter arbeitest (nächster Schritt waren nur 25 g davon eingesetzt und in Stufe 4 nutzt du nur 500 mg der 25,3 g aus Stufe 3), warum hast du dann mit so viel begonnen? Generell sehen deine Ausbeuten ja sehr gut aus und klar war, dass die Photo-Reaktion wohl der schwächste Schritt wird, sowohl was absolute Menge als auch Ausbeute betrifft...

Guter Einwand. Ich habe mit so viel begonnen, da ich da die Möglichkeiten durchaus hatte. Ich habe die gesamte Synthese im Rahmen einer Facharbeit in meinem Chemie LK durchgeführt, bis auf die [2+2]-Cycloaddition funktionierte dies auch nach dem Großteil der Literatur sehr gut.
So klein geworden bin ich dann aber, um die Cycloaddition erst einmal auszutesten. Ein Testansatz somit. Da die Reaktionszeit sich mit steigender Masse an Edukt jedoch ziemlich schnell und stark ansteigt, gleiches gilt für die Menge an Lösungsmittel (für einen Ansatz mit einem Gramm Edukt, diesen Ansatz habe ich vor kurzer Zeit erst durchgeführt, brauchte man zum Vergleich 400 mL Benzol), wollte ich dies aus finanziellen Gründen nicht zu hoch skalieren. Ebenso kostenintensiv ist die lange Bestrahlungszeit und die nötigen Schutzmaßnahmen, die ich im Laufe des Tages auch noch ergänzen werde (ebenso wie die anderen angesprochenen Bitten zur Korrektur). Oftmals kommt es eben auch zu dem Inneren-Filter-Effekt oder einem sogenannten ,,Photostationären Zustand", wodurch sich ein Gleichgewicht bei etwa 50% Umsetzung einstellt.
Ebenso hätte die Photoaddition nicht mit dem Reaktionsaufbau des kleinen Ansatzes funktioniert.
Der 1 g-Ansatz wurde dann in einer Art Reaktor durchgeführt, mit mehr Volumen und die Lösung ist von der Hg-Dampflampe samt Kühlung umgeben.

Des Weiteren habe ich viele Testversuche durchgeführt. So unter anderem die Katalyse und Nutzung eines Photokatalysators wie Ruthenium oder Irridium, aber auch weitere, auf welche ich erst einmal noch nicht eingehen werde (die Forschung behalte ich an der Stelle erst einmal noch etwas geheim. ). Es liegt also noch genug von dem Monoacetal vor. Die zweite Charge der Dicarbonsäure, bestehend aus ca. 300 mg wartet noch auf Isolation, das mache ich in den kommenden Wochen.

Wie sind deine Ausbeuten im Vergleich zur Literatur (soweit dort angegeben)?

Die Ausbeuten sind mit 7,51% niedriger ausgefallen als die der Literatur (20% als Gesamtausbeute).
Zum Vergleich (Meine Ausbeute - Ausbeute der Literatur):

Reaktion 1: 50% - 70%
Reaktionen 2-3: 63,88% - 53,2%
Reaktion 4: 90,41% - 91%
Reaktionen 5-6: 30,50% - 84,45%
Reaktion 7: 85,38% - 74%

Interessant, dies ist auch das erste Mal, dass ich Literatur und meine Ausbeuten vergleiche. Wie bereits angesprochen, die Literatur führt die Bestrahlung anders durch. Das dürfte die hohen Ausbeutenwerte erklären. In meinem zweiten Ansatz der [2+2]-Cycloaddition und Acetylierung komme ich auch auf ca. 78%. Also deutlich besser als der erste Versuch.

Voraussichtlich werde ich in nächster Zeit entweder weiter in Richtung Cuban, des Dimethylesters, oder sogar des Dicarbonitrils arbeiten. Die Synthesereihe ist also noch nicht vorbei!

[TheCopperMan]

Chapeau! Endlich mal wieder eine wirklich aufwändige Synthese minutiös beschrieben!

Vielen herzlichen Dank!

Du schreibst, das Cubangerüst werde in Medikamenten anstelle des Benzolringes eingesetzt, weil die entspr. Derivate schneller metabolisuiert werden. Hast du dafür ein konkretes Beispiel?

Sicher, eines solcher Derivate ist das Cuba-Lumacaftor. Lumacaftor selbst ist ein Medikament zur Behandlung von Mukoviszidose. Weitere Informationen gibt es sonst aber auch hier. Es gibt aber auch noch einige weitere. Gerne ergänze ich diese Information auch noch im Artikel.

[aliquis]

Haben Sie Dich im LK mit all den Chemikalien arbeiten lassen oder hast Du nur den 6. Schritt dort durchgeführt?

[TheCopperMan]

In der Schule ist die Arbeit mit karzinogenen Stoffen weitestgehend verboten oder sehr stark eingeschränkt. Also habe ich einige Versuche im Hobbylabor durchgeführt, bin dann aber an eine heimische Universität ausgewandert. Das erklärt auch die vielen NMR-Spektren und Analyseoptionen.

[lemmi]

...eines solcher Derivate ist das Cuba-Lumacaftor. Lumacaftor selbst ist ein Medikament zur Behandlung von Mukoviszidose. Weitere Informationen gibt es sonst aber auch hier. Es gibt aber auch noch einige weitere. Gerne ergänze ich diese Information auch noch im Artikel.

Leider führt der link auf einen Error...
Weitere Informationen würden mich sehr interessieren

[TheCopperMan]

Ich habe noch einmal recherchiert. Unter der DOI 10.1021/ol501750k solltest Du weitere Informationen finden können. Die Verlinkung oben habe ich überarbeitet.

[aliquis]

Ein NMR auf jeder Stufe - mein lieber Scholli.
Jetzt noch ein paar Bilder und fertig ist einer der umfangreichsten und am besten dokumentierten Syntheseartikel dieses Forums - JM2C.

Was Du hier mir Deinen 18 Lenzen leistest, verdient allergrößte Anerkennung.
Wie positiv sich Dein Wissen, Können und Darstellungsvermögen in den letzten paar Jahren weiterentwickelt hat, sieht man auch an Deinen neueren Videos im Vergleich zu den ersten Deines vorherigen Kanals, den YouTube fieserweise gelöscht hat.
Schade, dass Du noch nicht an dessen früheren Erfolg anknüpfen konntest - Dein Kanal hätte es mehr als verdient...
Wie Du die gelungene Cuban-Synthese ablieferst, da könnte sich ein gewisser PhD aus dem Outback, der damit jahrelang herumgehampelt hat, mal eine Scheibe abschneiden...

Ist die Erstellung und Interpretation von NMR-Spektren eigentlich inzwischen offenzieller Lernplanstoff für den LK?
Zu meiner Zeit (Abi '93) steckte die Breitenanwendung des Verfahrens ja noch in den Kinderschuhen...

Wie kommt man als Schüler an die Nutzung eines Uni-Labors heran? Durch Vermittlung Deines Lehrers?

[TheCopperMan]

Vielen Dank für die ganzen positiven Resonanzen!
Es freut mich sehr, dass dieser Artikel so wertgeschätzt wird!

Wie Du die gelungene Cuban-Synthese ablieferst, da könnte sich ein gewisser PhD aus dem Outback, der damit jahrelang herumgehampelt hat, mal eine Scheibe abschneiden...

Eine schöne Amerkung. Immerhin habe ich mit allem drum und dran nur ca. ein Jahr benötigt, die Versuche, die dann zum Endprodukt führten, dauerten sogar nur knapp 3 Wochen (ich konnte natürlich auch nicht jeden Tag weitermachen).

Ist die Erstellung und Interpretation von NMR-Spektren eigentlich inzwischen offenzieller Lernplanstoff für den LK?
Zu meiner Zeit (Abi '93) steckte die Breitenanwendung des Verfahrens ja noch in den Kinderschuhen...

Nein, tatsächlich nicht. Es gibt zwar Schulbücher, in denen Infos drinstehen, in dem was wir im LK haben aber nicht. Deshalb musste ich da selbst recherchieren.

Wie kommt man als Schüler an die Nutzung eines Uni-Labors heran? Durch Vermittlung Deines Lehrers?

Absolut richtig. Er hatte mir das vorgeschlagen und dem bin ich dann nachgekommen. Die Uni war da sofort begeistert und hat mir das innerhalb kürzester Zeit bestätigt.