1966 W. Kraus und H . Suhr 27

Losungsmittel- und Konzentrationsabhangigkeit der NMR- Spektren von cis- und tvans-Bicyclo[3.2.1]octanol-(3) von Wolfgang Kvaus und Havald Suhr")

Aus dem Chemischen Institut der Universitat Tubingen

Eingegangen am 23. Dezember 1965

Die NMR-Spektren von cis- und trans-Bicyclo[3.2.1]octanol-(3) (I bzw. 2) wurden in ver- schiedenen Losungsmitteln gemessen. Es wurde die Konzentrationsabhangigkeit der che- mischen Verschiebung der OH-Protonen-Signale bestimmt. Die Verdunnungskurven der beiden Isomeren zeigen charakteristische Unterschiede, die zur Konfigurationsbestimmung fixierter Alkohole benutzt werden konnen.

Zur Konformationsanalyse von Cyclohexan-Derivaten 1,2) werden neben kinetischen Messungen in steigendem MaBe physikalische MeRmethoden, vor allem die Kern- resonanzspektroskopie 2 ) , herangezogen. Die meisten Kernresonanz-Untersuchungen befassen sich mit der chemischen Verschiebung und der Aufspaltung der a-Protonen, doch sind in neuester Zeit auch Versuche unternommen worden, bei substituierten Cyclohexanolen die Signale der OH-Protonen zur Konformationsanalyse rnit heran- zuziehen3-5). Diese Methode sollte auch zur Bestimmung der Konfiguration fixierter cyclischer Alkohole anwendbar seins).

Die chemische Verschiebung der Hydroxyl-Protonen im NMR-Spektrum hangt entschei- dend vom Assoziotionsgrad ab, der wiederum durch Konzentration3-5), Temperatur6) und Art des Losungsmittels3-9) bestimmt wird. Mil zunehmender Assoziation verschiebt sich die Hydroxyl-Bande nach tieferem Feld, wobei die Assoziation der Alkoholmolekule unterein- ander und die Assoziation rnit Losungsmittelmolekulen in der gleichen Richtung wirken4.5~7). Da cyclische Alkohole mit axialer Hydroxylgruppe schwacher assoziiert sind als ihre Isomeren rnit Cquatorialer Hydroxylgruppe% 10,11), lassen sich aus der Lage der Hydroxyl-Bande Ruckschlusse auf die Stereochemie solcher Verbindungen gewinnen. Dieses Verfahren ist auch dann anwendbar, wenn eine Untersuchung der a-Protonen wegen der uberlagerung mil anderen Banden oder ungenugender Aufspaltung nicht moglich erscheint. Ferner erlaubt die

*) Herrn Professor Dr. Eugen Miiller zum 60. Geburtstag gewidrnet. 1) Vgl. E. L. Eliel, Angew. Chem. 77, 784 (1965). 2) Vgl. H. Feltkamp und N . C. Franklin, Angew. Chem. 77, 798 (1965). 3) R. J. Ouellette, J. Amer. chem. SOC. 86, 3089 (1964). 4) R. J. Ouelletre, J . Amer. chern. SOC. 86, 4378 (1964). 5 ) R. J. Ouellette, G. E. Booth und K . Liptak, J. Amer. chem. SOC. 87, 3436 (1965). 6 ) W. G. Schneider und L. W. Reeves, Ann. N. Y . Acad. Sci. 70, 858 (1958). 7) A. C. Huitric, J. B. Carr, W. F. Trager und B. J . Nist, Tetrahedron [London] 19, 2145

8 ) A . C. Huitric, W. S. Stavropoulos und B. J. Nist, J. org. Chemistry 28, 1539 (1963). 9) 0. L. Chapman und R. W. King, J . Amer. chem. SOC. 86, 1256 (1964). 10) W. Kraus, Chem. Ber. 97, 2719 (1964). 11) H. Feltkamp und W. Kraus, Liebigs Ann. Chem. 651, 11 (1962).

(1963).

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Methode Aussagen uber das Ausmafl der sterischen Hinderung durch Nachbarsubstituenten; denn diese BuRert sich in einer verminderten Assoziationsfahigkeit.

Als Modellsubstanzen fur die im folgenden mitgeteilten Untersuchungen dienten die cis-trans-isomeren Bicyclo[3.2.l]octanole-(3) (1 bzw. 2), deren Konfiguration feststehtlo); cis und trans sind auf die Stellung der OH-Gruppe zur Athylenbrucke bezogen. Der Sechsring liegt in der Sesselform vor10.12) und wird durch die diaxiale Athylenbriicke an C-1 und C-5 so fixiert, daB er nicht in die zweite Sesselform um- klappen kann. Damit ergibt sich, daB die OH-Gruppe im cis-Isomeren 1 axial und im trans-Isomeren 2 aquatorial steht. Modellbetrachtungen zeigen, daB die Hydroxyl- gruppe in der cis-Verbindung durch die endo-Wasserstoffatome an C-6 und C-7 weitgehend abgeschirmt wird, in der trans-Verbindung dagegen vollig frei steht. Die hiernach zu erwartenden Unterschiede in der Assoziationsfahigkeit zeigen sich auch in den IR-Spektren und im gaschromatographischen Verhalten der beiden Isomeren 10).

1: &-Form 2: trans-Form 3: &-Form 4

Die Verbindungen 1 und 2 wurden in CC4, Deuterochloroform, Dimethylsulfoxid, Pyridin, Triathylamin und n-Tributylamin uber einen Konzentrationsbereich von der gesattigten Losung bis zu einer Verdunnung von etwa 1 Mol-% gemessen. Zum Vergleich wurden auch die Verdiinnungskurven von 3-Methyl-bicyclo[3.2.1]octan- cis-01-(3) 13) (3) mit axialem Hydroxyl und von Cyclohexanol (4), das uberwiegend in der Konformation mit aquatorialer OH-Gruppe vorliegt4), in den gleichen Losungs- mitteln bestimmt. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen zusammengefafit ; die Fehlergrenzen liegen innerhalb der MeBpunkte. Von 1 wurden zusatzlich die Ver- diinnungskurven in Benzol, Aceton und Tetrahydrofuran gemessen (s. S. 32).

In einem inerten Losungsmittel, wie CC14 (Abb. I), wird die Bandenlage der Hy- droxyl-Protonen nur durch die Eigenassoziation der Alkohole beeinflufit. Bei Kon- zentrationen oberhalb 1 Mol- % liegt die chemische Verschiebung v1 des OH-Pro- tonen-Signals der Substanz 1 bei hoherem Feld als v2. 1 zeigt somit eine geringere Eigenassoziation als 2. In 3 ist die Hydroxylgruppe durch die Methylgruppe noch starker abgeschirmt und die Eigenassoziation erschwert. Dies fuhrt zu einer weiteren Verschiebung (v3) nach hoherem Feld. Entsprechend der geringen sterischen Ab- schirmung der Hydroxylgruppe des Cyclohexanols ist v4 stark nach tiefem Feld verschoben, wobei der Verlauf der Verdunnungskurven dem wenig gehinderter aliphatischer Alkohole entspricht 14).

12) A . A. Youssef, M. E. Baum und H. M. Walborsky, J. Amer. chem. SOC. 81, 4709 (1959). 13) W . Kraus, Liebigs Ann. Chem. 585, 97 (1965). 14) Vgl. E. D . Becker, U. Liddel und J. N. Shoolery, J. molecular Spectroscopy 2, 1 (1958).

1966 NMR-Spektren von Bicyclo[3.2. I]octanolen-(3) 29

50

Hi

I00

150

Abbildung 1. NMR-Spektren (in CC14) von

x cis-Bicyclo[3.2. I]octanol-(3) (1) 200 o trans-3icyclo[3.2. I ]octanol-(3) (2)

A Cyclohexanol (4) 3-Methyl-bicyclo[3.2.l]octan-cis-ol-(3) (3)

250

30C

\

0 10 20 30 Mol-% 11

Im Bereich geringer Konzentrationen wird die Bandenlage der Hydroxylgruppe nur durch das Gleichgewicht Monomeres + Dimeres bestimmt. Die Grol3e der Dimerisierungskonstanten lal3t sich aus der Kurvenform und dem Betrag der Asso- ziationsverschiebung abschatzen. Hierzu ist es notwendig, die chemische Verschiebung einer unendlich verdiinnten Losung (vmonomer) und die der reinen Substanz (vpolymer) zu bestimmen. vmonomer la& sich durch Extrapolation aus den MeBwerten auf einige Hz genau ermitteln. vpolymer kann wegen des hohen Schmelzpunktes von 1, 2 und 3 nicht direkt bestimmt werden, doch laBt sich der Wert durch Extrapolation der Kurven in den verschiedenen Losungsmitteln auf 100 Mol- % und Mittelung der Ergebnisse naherungsweise errechnen (Tab. 1).

Tabelle 1. Banden-Abstand von der Tetramethylsilan-Bande,

Cyclohexanol (4) wurde als Schmelze gemessen. extrapoliert auf Reinsubstanz (vpo~ymer) und unendliche Verdiinnung (vmonomer)

___ ~~ -

Chemische Verschiebung [Hz] 1 2 3 4

vpolymer (unverdiinnt) 250 310 200 306 Vnionomer in cc4 40 -30 30 42 4)

_ _ _ ~ ~

in CDC13 1 5 66 61 -70 in (CH3)zSO 238 256 221.5 280 in Pyridin 328 333 -325 334.5

Berechnet man auf Grund der Assoziationsverschiebung in CC4 (vpolymer- vmonOmer) den Kurvenverlauf (v/Molenbruch) fur verschiedene Werte der Dimerisierungskon-

30 W. Krrrus und H . Suhr Bd. 695

stanten KII unter der Annahme, da13 nur Monomere und Dimere in der Losung vorliegen, so fallen im Bereich mittlerer Konzentration (0-20 Mol- %) die gemes- senen Kurven mit den berechneten zusammen (Abb. 2). Die so bestimmten Dimeri- sierungskonstanten betragen fur die vier Alkohole : KD = [Dimeres]/[Monomeres]2 = 0.5 f 0.1 (1); 1.4 * 0.3 (2); 0.1 * 0.01 (3); 10 & 2 (4) Z/Mol.

0 i 8 12 16 Mol-% 20 m

Abbildung 2. Vergleich der gemessenen Verschiebungen v von 1, 2, 3 und 4 in CC14 mit den fur verschiedene KD-Werte berechneten Kurven

Betrag der Assoziationsverschiebung stets = 0 gesetzt.

Die Fehler werden durch die Unsicherheit der Extrapolation auf die reine Verbindung verursacht. Aus der guten Ubereinstimmung zwischen den gemessenen und den berechneten Kurven laBt sich schlieBen, daB in den untersuchten Konzentrationsbereichen hohere Asso- ziate nicht in wesentlicher Konzentration vorliegen.

Die auf unendliche Verdiinnung extrapolierte chemische Verschiebung der OH- Gruppe ergibt bei allen Verbindungen einen ahnlichen Wert (- 40 Hz, entspr. T = 9.3). Dieser entspricht der chemischen Verschiebung der unsolvatisierten OH-Gruppe.

Die geringen Unterschiede sind vermutlich auf Substiruenteneffekre zuriickzufiihren. Auch die isomeren 4-tert.-Butyl-cyclohexanole zeigen bei unendlicher Verdiinnung einen Unterschied in der chemischen Verschiebung von etwa 20 H24).

Die Verdunnungskurven in Deuterochloroform (Abb. 3) weichen von denen in CC14 nur durch die Neigung ab, wobei die Kurven im mittleren Konzentrationsbereich bei hoherem, die auf unendliche Verdiinnung extrapolierten Werte bei tieferem Feld liegen (vgl. Tab. 1). Diese Unterschiede werden durch die Wasserstoff briicken-Bindung des Losungsmittels zum Hydroxylsauerstoff verursacht.

Aus der Assoziationsverschiebung von Chloroform in Alkoholen 1aBt sich schliegen, daD die C13CH.-O-Brucke ziemlich stark ist 15). Man kann daher annehmen, da13 die Alkohole im untersuchten Konzentrationsbereich weitgehend solvatisiert vorliegen.

15) H. J. Friedrich, Angew. Chem. 77, 724 (1965).

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0 10 20 30 Mob% iL230165.31

Abbildung 3. NMR-Spektren von 1-4 in CDC13. Zeichenerklarung vgl. Abb. 1 (S. 29).

Diese Solvatation erschwert die Eigenassoziation der Alkohole, was sich in dem beob- achteten flacheren Kurvenverlauf auDert . Besonders auffallig sind die Unterschiede beim Cyclohexanol, das in CCl4 stark, in Deuterochloroform dagegen nur mal3ig assoziiert vorliegt. Die Verschiebung von v~~~~~~~~ in CDC13 gegeniiber den Werten in CCl4 wird vermutlich ebenfalls durch die Solvatation hervorgerufen. Analog den Verhaltnissen in CC14 zeigen die auf unendliche Verdiinnung extrapolierten Werte einen Unterschied von etwa 20 Hz, und die Kurven von 1 und 2 uberschneiden sich.

In Losungsmitteln, die starkere Wasserstoff brucken ausbilden als Chloroform, ist die Eigenassoziation der Aikohole noch weiter zugunsten der Mischassoziation zuruck- gedrangt. Dies zeigt sich am fast waagerechten Verlauf der Verdunnungskurven in Dimethylsulfoxid (Abb. 4a) und in Pyridin (Abb. 4b). Je starker die Wechselwirkung mit dem Losungsmittel ist, nach urn so tieferem Feld wird das OH-Signal verschoben, wobei sowohl in Dimethylsulfoxid als auch in Pyridin die Reihenfolge 4 > 2 > 1 > 3 ist. Die MeBergebnisse entsprechen somit der Erwartung, daD der am starksten sterisch gehinderte Alkohol dieser Reihe am wenigsten solvatisiert ist.

Beim Ubergang zu sperrigen Losungsmittelmolekulen sollten die Unterschiede zwischen 1 und 2 in der Solvatisierung noch starker hervortreten. Die Verdiinnungs- kurven in Triathylamin und Tributylamin (Abb. 5) bestatigen dies. Alle untersuchten Verbindungen sind in Triathylamin starker solvatisiert als in Tributylamin. Der Unterschied in der Wzchselwirkung mit beiden Losungsmitteln ist bei 2 und 4, ent- sprechend der vergleichbaren sterischen Anordnung der OH-Gruppe nicht sehr grol3, bei 1 jedoch stark ausgepragt. Wie erwartet, ist 4 am starksten solvatisiert. Der tertiare Alkohol 3 kann in Tributylamin nicht gemessen werden, da das OH-Signal von den Methylenprotonen-Signalen verdeckt wird. In Triathylamin entspricht die Bandenlage bei hochstem Feld der erwarteten geringsten Assoziation bzw. Solvatation.

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*.LA

-x-x-x--x-p

250 0-0-0-0 I -4 Abbildung4. NMR-Spektren von 1--4

a : in Dimethylsulfoxid Hz b: in Pyridin

Zeichenerklarung vgl. Abb. 1 (S. 29).

350 ' lL?30/654abl

I I I I 0 10 20 30 MOIL%

Abbildung 5. NMR-Spektren von 1-4 in _ _ - Triathylamin; - Tributylamin

Zeichenerklarung vgl. Abb. I (S. 29).

In Benzol, Aceton und Tetrahydrofuran wurde nur die cis-Verbindung 1 gemessen. Die Verdunnungskurve in Benzol war der in CC14 sehr ahnlich, jedoch infolge des Ringstrom- Effekts etwas nach hoherem Feld verschoben. In Aceton und Tetrahydrofuran waren die Kurven identisch und fast unabhangig von der Konzentration: vmOnOmer betragt in Benzol 28 Hz, in Aceton und Tetrahydrofuran 190.5 Hz.

Aus diesen Untersuchungen geht hervor, dal3 die Messung der Konzentrations- und Losungsmittelabhangigkeit der NMR-Spektren konformativ einheitlicher cycli- scher Alkohole zur Bestimmung der Konfiguration verwendet werden kann. Hierbei konnen die Messungen bei mittleren Konzentrationen durchgefuhrt werden. Die Extrapolation auf unendliche Verdiinnung, die nach Ouellette3.4) bei der Konfor- mationsanalyse beweglicher Systeme durchgefuhrt werden sollte, ist nicht erforderlich. Als Losungsmittel sind CC4, Deuterochloroform und Dimethylsulfoxid sehr geeignet.

I966 NMR-Spektren von Bicyclo[3.2.l]octanolen-(3) 33

Neigung und Lage der Verdiinnungskurven geben unmittelbar Hinweise auf die Struktur der Alkohole. Zur Abschatzung der sterischen Hinderung der OH-Gruppe lassen sich die Messungen in Triathyl- und Tributylamin heranziehen. Daruber hinaus scheint die hier mitgeteilte Methode zur Konfigurationsbestimmung auch auf tertiare Alkohole anwendbar zu sein, die kein a-Proton besitzen.

Der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Fonds der Chemischen Industrie danken wir fur die groRziigige Unterstiitzung dieser Arbeit, Fraulein R. Dewald fur die praparative Mit- arbeit und Fraulein U. Schijcker fur die Durchfuhrung der Messungen.

Beschreibung der Versuche cis- und trans-Bicyclo[3.2.I]octanol-(3) 10) (1 und 2) wurden durch Reduktion von Bicyclo-

[3.2.I]octanon-(3) erhalten; 3-Methyl-bicyclo[3.2.l]octan-cis-ol-(3) 13) (3) wurde durch dessen Grignardierung mit Methylmagnesiumjodid in Ather dargestellt. Die Reinigung der Alkohole erfolgte durch Chromatographie an Aluminiumoxid und Sublimation i. Vak. - Cyclohexanol (4) wurde durch mehrmalige Destillation uber Natrium getrocknet; Schmp. 24".

Ldsungsmittel: Tetrachlorkohlenstoff und Deuterochloroform (puriss., Merck) wurden durch Chromatographie an Aluminiumoxid getrocknet. - Dimethylsulfoxid (Union Rheinische Braunkohlen AG) wurde uber eine 70 cm lange, rnit Dixon-Korpern gefullte Kolonne (effek- tives Rucklaufverhaltnis 1 : 15) fraktioniert; Sdp.100 124.3 0.2", nLo = 1.4796 (Lit.16) nio =

1.4783). - Tridthylamin und Tributylamin (rein, Riedel de Haen) wurden durch wiederholtes Kochen uber Natrium und anschlieknde Destillation uber Natrium gereinigt; Sdp. 87" bzw. Sdp.10 91". - Tetrahydrofuran chromatographierte man zunachst an Aluminiumoxid und destillierte anschlieRend mehrmals uber Natrium. - Benzol wurde rnit Natrium, Aceton durch Destillation uber Phosphorpentoxid getrocknet.

NMR-Messungen: Sie wurden rnit einem Spektrometer Varian H R 60 bei Raumtemperatur durchgefuhrt. Mittels eines Frequenzgenerators (Hewlett-Packard 200 CD) und eines damit verbundenen Frequenzenzahlers (Hewlett-Packard 55 12 A) erzeugte man Seitenbanden des als innerem Standard verwendeten Tetramethylsilans und errechnete die Lage der Hydroxyl- Banden durch Interpolation. Zur Bestimmung der chemischen Verschiebung wurden jeweils 5 derartige Messungen gemittelt.

Berechnung der Verschiebungskurven (Abb. 2, ccl4): Mit Hilfe der Formeln [D]/[M]2 = K D und [MI + 2[D] = C (Gesamtkonzentration) wurde die Konzentration an Monomeren und Dimeren fur verschiedene Werte von K D iiber den Bereich von 0-100 Mol-% berechnet. Die chemische Verschiebung des Monomeren setzte man willkurlich gleich Null, die des Dimeren gleich 100. Aus ~ M [ M ] + S,[D] = &[C] wurden dann die chemischen Verschiebungen der Gemische unter der Annahme berechnet, daR infolge schnellen Protonen-Austausches die Signale der OH-Protonen der Monomeren und Dimeren zusammenfallen. Alle auf diese Weise erhaltenen Kurven wurden durch Anderung des OrdinatenmaRstabes so gedehnt, daR die Punkte bei x = 0 und x = 1 zusammenfielen. Aus den experimentellen Kurven wurden die chemischen Verschiebungen bei x = 0 und x = 1 durch Extrapolation ermittelt. Diese Kurven dehnte man durch h d e r u n g des OrdinatenmaRstabes ebenfalls so weit, daR die beiden Extremwerte mit den berechneten Kurven zusammenfielen. [230/65]

16) Crown & Zellerbach Corp., Technical Informations, Washington.

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