Untersuchung der interionischen Wechselwirkungen in ... · [Po6]: V. Strehmel, H. Rexhausen, P....

Untersuchung der interionischen Wechselwirkungen in

chiralen ionischen Flüssigkeiten am Beispiel der

asymmetrischen Hydrierung

Der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Grades

DOKTOR-INGENIEUR vorgelegt von

Karola Schneiders Erlangen 2012

Als Dissertation genehmigt von der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg Tag der Einreichung: 28.06.2011 Tag der Promotion: 1.12.2011 Dekanin: Prof. Marion Merklein Berichterstatter: Prof. Peter Wasserscheid,

Prof. Hermann Weingärtner

Erklärung

Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine

anderen als die angegebenen Hilfsmittel genutzt habe. Alle wörtlich oder inhaltlich

übernommenen Stellen habe ich als solche gekennzeichnet.

Weiterhin versichere ich, dass die vorliegende Dissertation nur in diesem und keinem

weiteren Promotionsverfahren eingereicht wurde und dass diesem Verfahren keine

endgültig gescheiterten Promotionsverfahren vorausgegangen sind.

__________________________ ___________________________

Ort, Datum Unterschrift

Liste der Veröffentlichung

Teile dieser Arbeit wurden bereits vorab veröffentlicht.

Publikationen

[P1] K. Schneiders, A. Bösmann, P. S. Schulz, P. Wasserscheid, Chirality Transfer

in Imidazolium Camphorsulfonate Ionic Liquids through Ion Pairing Effects, Adv.

Synth. Catal. 2009, 351, 432.

[P2] E. Öchsner, K. Schneiders, K. Junge, M. Beller, P. Wasserscheid, Highly

enantioselective Ru-catalyzed asymmetric hydrogenation of b-keto ester in ionic

liquid/methanol mixtures, Appl. Catal. A. 2009, 364, 8.

[P3] P. S. Schulz, K. Schneiders, P. Wasserscheid, Aggregation behaviour of chiral

ionic liquids, Tetrahderon: Asymmetry 2009, 20, 2479.

[P4] S. J. Sachnov, K. Schneiders, P. S. Schulz, P. Wasserscheid, Chirality

transfer in mandelate ionic liquids through ion pairing effects, Tetrahedron:

Asymmetry 2010, 21, 1821.

[P5] M.-M. Huang, K. Schneiders, P. S. Schulz, P. Wasserscheid, H. Weingärtner,

Ion Speciation Driving Chirality Transfer in Imidazolium-based Camphorsulfonate

Ionic Liquid Solutions, Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 4126.

Poster

[Po1]: P. S. Schulz, A. Bösmann, N. Müller, K. Schneiders, P. Wasserscheid,

Conference on Ionic Liquids (COIL II), Yokohama, 2007, Asymmetric

Hydrogenation of Ionic Liquids

[Po2]: K. Schneiders, P. S. Schulz, P. Wasserscheid, Jahrestreffen Deutscher

Katalytiker, Weimar, 2008, Asymmetric Hydrogenation of Ionic Liquids

[Po3]: K. Schneiders, P. S. Schulz, P. Wasserscheid, Green Chemistry,

Friedrichshafen, 2008, Dissociation ans Ion-pair Formation in Ionic Liquid

Solutions

[Po4]: K. Schneiders, P. S. Schulz, P. Wasserscheid, Conference on Ionic Liquids

(COIL III), Cairns, 2009, Chirality Transfer in Ionic Liquids via Ion-pairing

Effects

[Po5]: K. Schneiders, V. Wagner, S. J. Sachnov, P. S. Schulz, P. Wasserscheid,

Euchem, Bamberg 2010, Influence of structural parameters on ion-pairing

Effects

[Po6]: V. Strehmel, H. Rexhausen, P. Strauch, P. Schulz, K. Schneiders, P.

Wasserscheid, Euchem, Bamberg 2010, Investigation of Imidazolium

Camphorsulfonates with Spin Probes

…there is always a well-known solution to every human problem – neat, plausible,

and wrong.

Henry Louis Mencken, Prejudices: Second Series, 1920, 158

Danksagung

Während der Entstehung dieser Arbeit haben mir viele Menschen mit Rat und Tat,

Unterstützung und Verständnis zur Seite gestanden. Ohne diese wäre die Arbeit in

der vorliegenden Form nicht möglich gewesen.

An erster Stelle gehört mein Dank Prof. Peter Wasserscheid für die Möglichkeit am

Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik meine Dissertation in einem jungen und

lebendigen Forschungsgebiet anzufertigen. Die sehr gute wissenschaftliche

Unterstützung und die hervorragende Ausstattung des Arbeitsplatzes sind nicht

selbstverständlich.

Für die unzähligen Ideen, Ratschläge und Hilfen und der damit verbundenen Zeit

möchte ich mich ebenfalls bei dem Gruppenleiter der Arbeitsgruppe „Ionic Liquid

Synthesis, Application and Performance“, Dr. Peter Schulz herzlich bedanken.

Für die Vorarbeiten zu dieser Arbeit und die Hilfe bei der Einarbeitung möchte ich

mich bei Dr. Andreas Bösmann und Dipl.-Chem. Natalie Paape herzlich bedanken.

Ein wesentlicher Anteil der Ergebnisse ist im Rahmen der Masterarbeit von M. Sc.

Swetlana Sachnov und der Diplomarbeit von Dipl.-Chem. Valentin Wagner entstanden.

Für die viele Arbeit und Mühe sei beiden gedankt. Ich freue mich, das Projekt in

gute und erfahrene Hände übergeben zu können.

Innerhalb des Schwerpunktprogrammes „SPP1191: ionic liquids“ sind im Rahmen

dieser Arbeit zwei Kooperationen entstanden. Für die Zusammenarbeit bei der

BINBAM-Synthese möchte ich mich bei Dipl.-Chem. Marcel Treskow aus dem

Arbeitskreis von PD Ralf Giernoth (Universität Köln) herzlich bedanken. Ein

besonderer Dank gehört Mianmian Huang und Herrn Prof. Weingärtner von der Ruhr-

Universität Bochum für die Vermessung und Datenauswertung verschiedener chiraler

ionischer Flüssigkeiten durch die dielektrische Relaxationsspektroskopie.

Dr. Friederike Agel, Dr. Peter Schulz und Valentin Wagner möchte ich für die

kritische Durchsicht des Manuskriptes danken.

Ein großes Dankeschön für geteiltes Freud und Leid, Diskussionen und Kommentare

zu guten und schlechten Ideen und immer offenen Ohren gehört meinen Büro- und

Laborkollegen Nike, René, Sebastian, Vale, Sweta, Anne und Natalie. Ohne euch

wär‘ es nicht halb so schön gewesen.

Dem ganzen Arbeitskreis Wasserscheid möchte ich für die gute Arbeitsatmosphäre,

die Kaffeerunden und Gespräche und die stets vorhandene Hilfsbereitschaft danken.

Für den reibungslosen Ablauf am Lehrstuhl sei an dieser Stelle auch den

Festangestellten im Sekretariat und den Werkstätten gedankt.

Ein besonderes Dankeschön gehört meinem Mann, der mich in meinen

Entscheidungen bestärkt und unterstützt, manche harte Woche mit durchlitten hat und

sich immer wieder bemüht zu verstehen, an was ich hier eigentlich genau geforscht

habe. Du und unsere kleinen Mäuse, ihr macht mein Leben hell und leicht.

Inhaltsverzeichnis

1

Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1

Abkürzungsverzeichnis 4

Molekülverzeichnis 5

1. Einleitung 11

2. Allgemeiner Teil 15

2.1 Chirale ionische Flüssigkeiten in der asymmetrischen Synthese 16 2.1.1 Diels-Alder Reaktion 17 2.1.2 Hydrierungen 19 2.1.3 Michael Reaktion 21 2.1.4 Baylis-Hillmann Reaktion 23

2.2 Struktur und Wechselwirkungen von ionischen Flüssigkeiten in Lösung 27 2.2.1 Polarität von ionischen Flüssigkeiten 28 2.2.2 Ionenpaarbildung und Struktur von ILs in Lösung 32

2.3 Synthese von chiralen ionischen Flüssigkeiten 37 2.3.1 Protische Ionische Flüssigkeiten und deren Funktionalisierung 38 2.3.2 Quaternisierung mit Dialkylsulfaten 39 2.3.3 Quaternisierung mit Halogenalkanen 39 2.3.4 Verunreinigungen 41

2.4 Methoden zur Enantiomerenanalytik 41

2.5 Dielektrische Relaxation und NMR-Spektroskopie zur Bestimmung von Strukturen in Lösung 47 2.5.1 Zweidimensionale NMR-Spektroskopie 48 2.5.2 Dielektrische Relaxationsspektroskopie 53

3. Ergebnisse und Diskussion 57

3.1 Keto-funktionalisierte Imidazolium-ILs mit Camphersulfonat-Anionen 58 3.1.1 Synthese 58 3.1.2 Hydrierung und Bestimmung des erhaltenen Enantiomerenüberschusses 60 3.1.3 Wechselspiel von Ionenpaarbildung und Enantiomerenüberschuss 65 3.1.4 Untersuchung der Ionenassoziation mit analytischen Methoden 72

3.2 Keto-funktionalisierte Imidazolium-ILs mit anderen chiralen Anionen 87 3.2.1 Auswahl verschiedener Anionen und Entwicklung der Syntheserouten 87 3.2.2 Hydrierung und Bestimmung des erhaltenen Enantiomerenüberschusses 92 3.2.3 Wechselspiel von Ionenpaarbildung und Enantiomerenüberschuss 94 3.2.4 Kinetische Messungen 95 3.2.5 Untersuchung der Ionenassoziation mit analytischen Methoden 100

3.3 Pyridinium-ILs mit chiralen Anionen 101 3.3.1 Synthese 102 3.3.2 Hydrierung und Bestimmung des erhaltenen Enantiomerenüberschusses 102 3.3.3 Wechselspiel von Ionenpaarbildung und Enantiomerenüberschuss 103

3.4 (1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium-ILs mit prochiralen Anionen 104 3.4.1 Synthese 104 3.4.2 Hydrierung und Bestimmung des erhaltenen Enantiomerenüberschusses 105 3.4.3 Wechselspiel von Ionenpaarbildung und Enantiomerenüberschuss 106

3.5 Übertragung des Konzeptes auf andere Reaktionstypen 108 3.5.1 Synthese der zu untersuchenden ionischen Flüssigkeiten 110 3.5.2 Hydroformylierungsbedingungen und -parameter 110

Inhaltsverzeichnis

2

3.5.3 Bestimmung der Regioselektivität 110 3.5.4 Bestimmung der Stereoselektivität 114 3.5.5 Einfluss der Konzentration der IL auf die Regioselektivität 118

4. Zusammenfassung und Ausblick 121

4.1 Summary 128

5. Experimenteller Teil 133

5.1 Lösungsmittel und Reagenzien 133

5.2 Anmerkungen zur Analytik 133 5.2.1 NMR 133 5.2.2 Bestimmung der Selbstdiffusionskoeffizienten mit bpp-led-DOSY-NMR 134 5.2.3 GC 134 5.2.4 HPLC 134 5.2.5 UV-Vis-Spektrometrie 135 5.2.6 DSC 135 5.2.7 TGA 135 5.2.8 Viskosität 135 5.2.9 Karl-Fischer-Titration 135 5.2.10 Schmelzpunktsbestimmung 135 5.2.11 Dichtebestimmung 136 5.2.12 Leitfähigkeit 136

5.3 Allgemeine Arbeitsvorschriften 136 AAV 1: Synthese der Pyridinium ILs 136 AAV 2: Hydrierung der Pyridinium-ILs 136 AAV 3: Hydrierung der Imidazolium- und Ephedrinium-ILs 137 AAV 4: Anionenaustausch zum BTA 137 AAV 5: Veresterung mit -Methoxy--(trifluormethyl)-phenylacetylchlorid zur Bestimmung des Enantiomerenüberschusses 137 AAV 6: Veresterung von Carboxylat-ILs zu Carbonsäuremethylestern über einen Kationentauscher 138 AAV 7: Anionentauscherpräparation 138

5.4 Synthese der beschriebenen Verbindungen 138 [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (25) 138 [N-(3’-Hydroxobutyl)-N-methylimidazolium] [NTf2] 139 N-(3’-Oxobutyl)-imidazol (31) 140 [N-(3’-Oxobutyl)imidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (27) 140 [N-(3’-Hydroxobutyl)imidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (27a) 141 [N-(5’Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Chlorid] 142 [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (26) 142 [N-(5’-Hydroxohexyl)-N-methylimidazolium] [NTf2] 143 N-(5-Oxohexyl)-imidazol (32) 144 [N-(5’-Oxohexyl)imidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (28) 144 [N-(5’-Hydroxohexyl)imidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (28a) 145 N-(5’-Hydroxohexyl)-imidazol 146 (1S,4R)-6-(1H-Imidazol-1-yl)hexan-2-yl-4,7,7-trimethyl-3-oxo-2-oxabycyclo-[2.2.1]-heptan-1-carboxylat (34) 146 [3-(5’-Oxohexyl)-1,2-dimethylimidazolium] [Chlorid] 147 [3-(5’-Oxohexyl)-1,2-dimethylimidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (29) 147 [3-(5’-Hydroxohexyl)-1,2-dimethylimidazolium] [NTf2] 148 [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [Methylsulfat] 148 [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(S)-2-Methyl-butylsulfat] (37) 149 [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [Chlorid] 150 [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Mandelat] (35) 151 [N-(5’-Hydroxohexyl)-N-methylimidazolium] [Mandelat] (35a) 152 [N-(5’-oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Tetrahydrofuran-2-carboxylat] 152

Inhaltsverzeichnis

3

[N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(R)-1,1‘-Binaphtyl-2,2‘-bis(sulfon)amid] (38) 153 [N-(5‘-Hydroxohexyl)-N-methylimidazolium] [(R)-1,1‘-Binaphtyl-2,2‘-bis(sulfon)amid] (38a) 154 [Nicotiniummethylester] [(S)-(-)-Camphersulfonat] (39) 155 [Nicotiniummethylester] [(R)-3-Phenyllactat] (40) 155 3-(Methoxycarbonyl)-piperidin 156 [Butylpyridinium] [(S)-(-)-Camphersulfonat] (41) 156 [Butylpyridinium] [(R)-3-Phenyllactat] (42) 157 [Butylpyridinium] [Hydrogentartrat] (43) 158 2-Butylpiperidin 158 (1R,2S)-N-Methylephedrin 159 [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [Iodid] (44) 159 [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [Pyruvat] (45) 160 Milchsäuremethylester 160 [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [Phenylglyoxylat] (46) 161

6. Literaturverzeichnis 162

Abkürzungsverzeichnis

4

Abkürzungsverzeichnis acac Acetylacetonat AHF Asymmetrische Hydroformylierung BINBAM (R)-1,1‘-Binaphtyl-2,2‘-bis(sulfon)amid CAC Critical aggregation concentration, kritische Aggregationskonzentration CIL chirale ionische Flüssigkeit CIP contact ion pair, Kontaktionenpaar CMC Critical micelle concentration, kritische Micellbildungskonzentration CSS Camphersulfonat DABCO Diazabicyclo[2.2.2]octan DBU 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en DMAP 4-Dimethylaminopyridin DOSY Diffusion-ordered Spectroscopy, diffusionsbezogene NMR-Spektroskopie DRS Dielektrische Relaxationsspektroskopie ee Enantiomerenüberschuss IL ionische Flüssigkeit MBTFA (N-Methyl-bis(trifluoracetamid)) NTf2 Bis(trifluormethylsulfonyl)amid SI single ions, einzelne solvatisierte Ionen SI Signalintensität SSIP solvent seperated ion pair, durch Lösungsmittels getrenntes Ionenpaar TPP Triphenylphosphin TPPTS Triphenylphosphintrisulfonat WW Wechselwirkung

Molekülverzeichnis

5

Molekülverzeichnis Nr. Name Strukturformel 1 [Di-(2-Methylbutyl)imidazolium]

[Bromid]

2 [Butyl-methylimidazolium] [(S)-Lactat]

3 [Methyl-(2-methylbutyl)imidazolium]

[Camphersulfonat]

4 [(1R,2S)-Dimethylephedrinium] [(rac)-Moscherat]

5 [Methyl-(2-(((1R;2S,4S)-1,7,7-

trimethylbicyclo[2.2.1]heptan-2-yl)oxy)ethyl)imidazolium] [Anion]

6 [Methyl-(((1R,4R)-7,7-dimethyl-2-

oxobicyclo[2.2.1]heptan-1-yl)imidazolium] [Anion]

7 [Butyl-methylimidazolium]

[Camphersufonat] bzw. [Butyl-dimethylimidazolium] [Camphersulfonat]

8 DIOP, O-Isopropyliden-2,3-

dihydroxy-1,4-bis(diphenylphosphino)butan

9 BINAP, 2,2‘-Bis(diphenylphosphino)-1-1‘-binaphthyl

Molekülverzeichnis

6

10 Josiphos

11 DIPAMP, (S,S)-(+)-1,2-

Ethandiylbis[(o-methoxyphenyl)phenylphosphin]

12 [Kalium] [6,6'-

bis(diphenylphosphino) -[1,1'-biphenyl]-3,3'-disulfonat]

13 [(L)-Proliniummethylester [Bis-

(trifluormethylsulfonyl)amid] 14 [Butyl-((S)-pyrrolidin-2-

ylmethyl)imidazolium] [Anion] 15 [Octyl-((S)-pyrrolidin-2-

ylmethyl)imidazolium] [Anion] 16 [Hydroxyethyl-((S)-pyrrolidin-2-

ylmethyl)imidazolium] [Anion] 17 [Butyl-((S)-pyrrolidin-2-

ylmethyl)benzimidazolium] [Anion]

18 Dimalatoborat

19 Imidazolium-Kation

20

Molekülverzeichnis

7

21 [Bis(dimethylamino)methyniminium] [Chlorid]

22 TRISPHAT,

[Tris(tetrachlorobenzoldiolato)phosphat(V)]

23 BINPHAT,

[Bis(tetrachlorobenzoldiolato)mono([1,1‘]binaphthalenyl-2,2‘-diolato)phosphate(V)]

24 [4-(4-fluorophenyl)-1-

methylpiperidin-3-yl)methanol mit (S)-Moschersäure)

25 [N-(3‘-Oxobutyl)-N-

methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat]

26 [N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat]

27 [N-(3‘-Oxobutyl)-imidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat]

Molekülverzeichnis

8

28 [N-(5‘-Oxohexyl)-imidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat]

29 [N-(5‘-Oxohexyl)-1,2-

dimethylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat]

30 [Methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat]

31 N-(3‘-Oxobutyl)imidazol

32 N-(5‘-Oxohexyl)imidazol

33 N-(5‘-Hydroxohexyl)imidazol

34 (1S,4R)-6-(1H-Imidazol-1-yl)hexan-

2-yl-4,7,7-trimethyl-3-oxo-2-oxabycyclo-[2.2.1]-heptan-1-carboxylat

35 [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Mandelat]

36 [N-(5’-Oxohexyl)-N-

methylimidazolium] [(S)-Tetrahydrofuran-2-carboxylat]

37

38 [N-(5‘-Oxohexyl)-N-

methylimidazolium] [(R)-1,1‘-Binaphtyl-2,2‘-bis(sulfon)amid]

Molekülverzeichnis

9

39 [Methylnicotinium] [(+)-(S)-Camphersulfonat]

40 [Methylnicotinium] [(D)-3-

Phenyllactat]

41 [3-Butylpyridinium] [(+)-(S)-

Camphersulfonat]

42 [3-Butylpyridinium] [(D)-3-Phenyllactat]

43 [3-Butylpyridinium] [(D)-

Hydrogentartrat]

44 [(1R,2S)-Dimethylephedrinium] [Iodid]

45 [(1R,2S)-Dimethylephedrinium]

[Pyruvat]


[Phenylglyoxylat]


[Vinylsulfonat]

48 [(1R,2S)-Dimethylephedrinium] [4-

Pentenoat]

Molekülverzeichnis

10

49 [(1R,2S)-Dimethylephedrinium] [Methylcrotonat]

50 [Natrium] [1-Oxopropan-2-sulfonat]

51 [Natrium] [1-Hydroxypropan-2-

sulfonat] 52 [2-Oxo-2-phenylethansulfonat]

53 [N-(Phenylpropan-1-on)-N-

methylimidazolium]

1. Einleitung

11

1. Einleitung Das Interesse an der Substanzklasse der ionischen Flüssigkeiten ist in den letzten Jahren stetig gestiegen und führte weltweit zu einer breiten Forschungsaktivität und einigen erfolgreichen industriellen Anwendungen1. Chirale ionische Flüssigkeiten (CILs) sind eine Untergruppe der ionischen Flüssigkeiten, deren Anwendungsmöglichkeiten vergleichsweise wenig erforscht sind. Die Chiralität der CILs kann sowohl im Anion als auch im Kation enthalten sein, oder auch in beiden. Ein Gebiet, in dem sich die Verwendung von CILs bewährt hat, sind analytische Anwendungen wie beispielsweise als stationäre Phasen in der Gaschromatographie2 oder als Elektrolyte in der Kapillarelektrophorese3. Ein zweiter wichtiger Ansatz ist der Einsatz von CILs in der asymmetrischen Synthese z.B. in Diels-Alder-Reaktionen4,5, der asymmetrischen Hydrierung6 oder der Baylis-Hillman-Reaktion7,8,9. Sie wurden vielfach als chirales Lösungsmittel oder Additiv getestet und stellten dabei die einzige Quelle chiraler Information dar. Da ionische Flüssigkeiten im Allgemeinen über elektrostatische aber auch eine Vielzahl anderer Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen o. ä. deutlich stärker strukturiert sind als klassische organische Lösungsmittel, versprach man sich die Ausbildung eines dreidimensionalen Netzwerkes, und so einer gewissen Nahordnung, in dem eine Reaktion enantioselektiv ablaufen sollte. Insgesamt war dieser Ansatz nicht sehr erfolgreich und führte meist nur zu sehr geringen Enantiomerenüberschüssen oder Racematen. Die geringe Enantioselektivität bei diesen Reaktionen kann durch die starke Wechselwirkung zwischen den Ionen der CIL begründet werden, die eine Übertragung der chiralen Information auf ein neutrales Substrat bzw. einen neutralen Übergangszustand sehr erschwert. Erst eine starke und spezifische Wechselwirkung der CIL mit dem Übergangszustand der Reaktion ermöglicht es, die IL und damit die chirale Information in ausreichende räumliche Nähe zum Substrat zu bringen. Dies ist prinzipiell möglich durch:

kovalente Bindungen (z.B. in der Organokatalyse) Wasserstoffbrückenbindungen Interionische oder Coulomb-Wechselwirkungen

Aus dieser Überlegung heraus ist erklärlich, dass es Leitner et al. 2007 gelang, durch die Verwendung von [(L)-Proliniummethylester] [NTf2] als Lösungsmittel und gleichzeitig einzige Quelle chiraler Information einen konfigurativ nicht stabilen (und somit achiralen) tropos-Liganden am Rh-Katalysator durch interionische Wechselwirkungen zu stabilisieren6 und den so erhaltenen homogenen Katalysator bei

1. Einleitung

12

der asymmetrischen Hydrierung von 2-Acetamidoacrylat einzusetzen. Dabei wurden ees von bis zu 69% erreicht.

Abbildung 1: Asymmetrische Hydrierung mit chiralen Ionischen Flüssigkeiten als Quelle chiraler Information

Für das Verständnis der spezifischen Wechselwirkungen einer CIL mit dem Übergangszustand ist die Kenntnis der Anion-Kation-Wechselwirkungen (interionische WW) von großer Relevanz. Diese bestimmen nicht nur die Eigenschaften einer IL, sondern auch ihre Wechselwirkung mit den gelösten Substraten. Um die genauen Wechselwirkungsmechanismen besser zu verstehen, wurden zum einen molekulardynamische Simulationen durchgeführt10, zum anderen wurden verschiedene analytischen Methoden wie Massenspektrometrie11, NMR-Spektroskopie12, sowie FT-IR- und Raman-Spektroskopie13 eingesetzt, um das Aggregationsmuster von ILs mit und ohne zugesetztem Lösungsmittel aufzuklären. Aus diesen Studien geht hervor, dass zusätzlich zu der rein elektrostatischen Anziehung Effekte wie Lewisdonor und –akzeptor-Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen, Dipol-Dipol- und Dispersionswechselwirkungen eine entscheidende Rolle spielen. Aufgrund der Vielzahl an Methoden, sowie der großen Zahl an untersuchten ionischen Flüssigkeiten und Lösungsmitteln sind Verallgemeinerungen schwierig. In einigen Punkten stimmen jedoch die meisten Arbeiten überein. So koordiniert in der IL gelöstes Wasser zunächst an das Anion, wodurch die mittlere Wechselwirkung zwischen dem Anion und dem Kation der IL herabgesetzt wird. Dabei nimmt die Stärke der Wechselwirkung zwischen dem gelösten Wasser und dem Anion mit der Basizität des Anions zu14,15,16. Wird mehr Wasser als in stöchiometrischen Mengen zugesetzt, führt dies zu einem langsamen Aufbrechen der Struktur und zu kleineren Wasseraggregaten. Der Übergang zu in Wasser gelösten IL-Clustern, Ionenpaaren und schließlich solvatisierten Ionen erfolgt fließend mit steigendem Wasseranteil. Für organische Lösungsmittel ist die Dielektrizitätskonstante eine entscheidende Größe. Dabei fördern ein geringes , hohe IL-Konzentrationen und kleine Ionenradien

1. Einleitung

13

im Allgemeinen die Bildung von Ionenpaaren aus solvatisierten Ionen17,18. Der Übergang zu Aggregaten ist wiederum fließend und zudem abhängig von den spezifischen Eigenschaften der untersuchten IL. Durch die Kenntnis dieser sehr speziellen Eigenschaften von ILs und ihren Lösungen und der Erarbeitung von Wirkungsprinzipien sollte sich das Design für enantioselektive Reaktionen in und an chiralen ionischen Flüssigkeiten erheblich verbessern. Ein interessantes System, auf das die hier beschriebenen Faktoren einen großen Einfluss ausüben, ist die asymmetrische Hydrierung der CIL [N-(3‘-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat], die aus einem prochiralen, keto-funktionalisierten Kation und einem chiralen und enantiomerenreinen Anion besteht. Hierzu wurden bereits im Vorfeld zu dieser Arbeit erste Ergebnisse durch unsere Arbeitsgruppe publiziert19. Die Hydrierung der IL in Ethanol mit einem achiralen heterogenen Rutheniumkatalysator führte konzentrationsabhängig zu einem signifikanten Enantiomerenüberschuss von bis zu 80 % im hydroxy-funktionalisierten Kation der Produkt-IL.

Abbildung 2: Hydrierung einer keto-funktionalisierten IL

Der Enantiomerenüberschuss wurde nach der Veresterung der Hydroxy-Gruppe mit enantiomerenreinem Moschersäurechlorid über die Signalintensitäten der diastereomeren Ester im 19F-NMR-Spektrum bestimmt.

Tabelle 1: Enantiomerenüberschuss in Abhängigkeit der Konzentration während der Hydrierung

Konzentration / [mol/l] ee

0,2 32 %

0,4 63 %

0,5 80 %

Nachdem eine chirale Vergiftung der Katalysatoroberfläche durch eine Belegung mit dem chiralen Anion mit einem Kontrollexperiment ausgeschlossen werden konnte, bei dem in Anwesenheit des chiralen Anions ein neutrales Substrat hydriert wurde ohne einen ee zu erzeugen, wurde die Chiralitätsübertragung in der IL auf interionische Wechselwirkungen in der IL zurückgeführt. Die Konzentrationsabhängigkeit des ee

1. Einleitung

14

wurde durch die solvatisierende Wirkung des Ethanols erklärt, die bei geringen Konzentrationen der IL zu einzelnen solvatisierten Ionen führt. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass über den Enantiomerenüberschuss die Stärke der interionischen Wechselwirkung bzw. die Ionenpaarbildung beobachtet werden kann. Im Rahmen dieser Arbeit sollte zunächst ein grundlegendes Verständnis der verschiedenen Einflussfaktoren auf die Art und Stärke der interionischen Wechselwirkungen und damit die Chiralitätsübertragung erworben werden. Dazu zählten insbesondere die bereits beschriebene Konzentrationsabhängigkeit, aber auch die Polarität des verwendeten Lösungsmittels und strukturelle Parameter der verwendeten ionischen Flüssigkeit wie die Entfernung des prochiralen Zentrums von der ladungstragenden Gruppe oder die Basizität des verwendeten chiralen Anions. Diese Untersuchungen sollten auch eine Beurteilung des Konzeptes im Hinblick auf die Anwendungsbreite und die Einsatzmöglichkeit zur Synthese neuer chiraler ionischer Flüssigkeiten oder neutraler Substrate erlauben. Ein weiterer wesentlicher Teil der Aufgabenstellung war die Validierung der in der Hydrierung gesammelten Erkenntnisse durch geeignete unabhängige analytische Methoden. Diese waren auszuwählen und auf ihre Anwendbarkeit und Aussagefähigkeit zu überprüfen.

2. Allgemeiner Teil

15

2. Allgemeiner Teil Chirale ionische Flüssigkeiten (CILs) haben als Untergruppe der ionischen Flüssigkeiten (ILs) in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Die erste IL mit einem chiralen Kation 1 wurde 1997 von Howarth veröffentlicht.4 Zwei Jahre später publizierte die Gruppe von Seddon im Rahmen einer Untersuchung zur endo-/ exo-Selektivität von Diels-Alder–Reaktionen5 eine ionische Flüssigkeit mit dem chiralen Anion Lactat 2. Doppelt chirale ILs, die sowohl aus einem chiralen Kation als auch aus einem chiralen Anion bestehen, sind bis heute nur wenige synthetisiert worden. Die erste doppelt chirale IL 3 wurde 2005 von Machado20 durch Alkylierung von Methylimidazol mit (S)-2-Methylbutyltosylat und anschließendem Anionenaustausch zum (S)-Camphersulfonat synthetisiert.

Abbildung 3: Beispiele chiraler ionischer Flüssigkeiten

Bisher sind nur relativ wenige CILs mit chiralen Anionen publiziert worden. Zu den häufigsten gehören die ILs auf Basis von 20 verschiedenen natürlich vorkommenden Aminosäuren21 und chirale Borate.7 Sterisch anspruchsvolle Anionen mit einem Binaphtylgerüst und axialer Chiralität sind besonders für die Anwendung in der asymmetrischen Synthese interessant6,22. Beispiele für chirale Kationen gibt es bedeutend mehr, die wichtigsten sind in verschiedenen Review-Artikeln beschrieben.23,24,25,26 Meist werden diese, zum Teil nach aufwändigen mehrstufigen Synthesen, aus chiralen Naturstoffen, dem „chiral pool“ gewonnen. Ausgangsstoffe sind typischerweise Aminosäuren und Aminoalkohole27, Hydroxysäuren, Alkaloide, Terpene oder Kohlehydrate.28 Weitere häufig genutzte Synthesemethoden sind die Alkylierung von Imidazol mit chiralen Alkylierungsreagenzien oder die klassische asymmetrische Synthese unter Verwendung von chiralen Auxiliaren oder Katalysatoren. Obwohl die Entwicklung der chiralen ionischen Flüssigkeiten (und insbesondere ihrer Anwendungen) noch in den Kinderschuhen steckt, gibt es bereits einige interessante Anwendungsbeispiele aus verschiedenen Bereichen (s. Abb. 4). So werden CILs in der Analytik als stationäre Phasen für die Gaschromatographie und als Elektrolyte in der Kapillarelektrophorese2,3 eingesetzt. Sie zeigen interessante Eigenschaften als NMR-Shift-Reagenzien und auch chirale Flüssigkristalle konnten bereits gewonnen

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werden.23,24,25,26 Im Rahmen dieser Arbeit soll hauptsächlich der Einsatz der chiralen ILs in der asymmetrischen Synthese näher betrachtet werden.

Abbildung 4: Schematische Darstellung der Herstellungs- und Einsatzmöglichkeiten chiraler Ils.

2.1 Chirale ionische Flüssigkeiten in der asymmetrischen Synthese Es gibt zwei entscheidende Eigenschaften, die CILs für die asymmetrische Synthese interessant machen. Zum einen sind sie hoch strukturiert.24 Viele ionische Flüssigkeiten bilden ein dreidimensionales Netzwerk über Wasserstoffbrückenbindungen aus und bilden so eine polymerartige Struktur. Zum Teil bleiben diese Strukturen auch in Lösung erhalten (s. Kap. 2.2). Zum anderen konnten bereits 2002 diastereomere interionische Wechselwirkungen zwischen einem chiralen Kation einer IL und dem racemischen Anionen eines zugesetzten Salzes mit NMR-spektroskopischen Methoden nachgewiesen werden.27 Solche Wechselwirkungen sind von besonderer Bedeutung, wenn Chiralität von einer IL auf ein Substrat übertragen werden soll. In diesem speziellen Fall konnte für das Salz [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [(rac)-Moscherat] 4 eine Aufspaltung des der CF3-Gruppe entsprechenden Signals im 19F-NMR-Spektrum beobachtet werden.

Abbildung 5: (1R,2S)-N,N,Dimethylephedrinium (rac)-Moscherat

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Die Stärke der Aufspaltung war sowohl abhängig von der Konzentration als auch vom Wassergehalt der Probe, was darauf schließen lässt, dass auch die Struktur des Salzes in Lösung stark durch diese Parameter bestimmt wird. 2.1.1 Diels-Alder Reaktion Diels-Alder Reaktionen gehören zu den bekanntesten Beispielen für regio- und stereoselektive C-C-Knüpfungsreaktionen. Bei dieser Reaktion können gleichzeitig bis zu vier Stereozentren gebildet werden, wobei die Steuerung der Konfiguration der sich bildenden Zentren sehr effektiv möglich ist.29,30 In der Regel werden dafür chirale Auxiliare oder chirale Katalysatoren auf Basis von Übergangsmetallkomplexen eingesetzt. Die Reaktion verläuft in diesem Fall nicht mehr konzertiert, sondern stufenweise. Das Metallzentrum wechselwirkt mit den -Systemen der Substrate. Dadurch wird die Aktivierungsenergie der Reaktion herabgesetzt. Wird in der Reaktion ein unsymmetrisches Dien mit einem ebenfalls unsymmetrischen Dienophil umgesetzt, erhält man durch diese Art der Stereokontrolle meist nur eins oder wenige der acht möglichen Isomere erhalten.

Abbildung 6: Übersicht über die bei der Diels-Alder-Reaktion gebildeten Isomere

Wird als Dien ein Cyclopentadien eingesetzt, entstehen die bicyclischen endo- und exo-Produkte als Diastereomerenpaare. Der Einsatz von ionischen Flüssigkeiten bei Diels-Alder-Reaktionen als Lösungsmittel oder Additiv hat sich aus verschieden Gründen als vorteilhaft erwiesen. Zum einen erleichtern sie auf Grund ihrer speziellen Löslichkeitseigenschaften in vielen Fällen die Produktabtrennung aus der Reaktionsmischung durch Extraktion mit unpolaren organischen Lösungsmitteln und somit das Recycling der metallorganischen Katalysatoren, die in der IL verbleiben. Zum anderen konnte in vielen Beispielen

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eine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit und teilweise auch eine Verbesserung der endo/exo-Selektivität erreicht werden.31,32,33 Dies gilt auch für die asymmetrische Diels-Alder Reaktion.31,33,34,35,36 Es wurden ebenfalls chirale ILs als Lösungsmittel eingesetzt, um auf diese Weise die Chiralität auf das Substrat zu übertragen. Dazu ist eine starke Wechselwirkung zwischen dem Lösungsmittel und dem Übergangszustand der Reaktion die maßgebliche Voraussetzung. Den ersten Versuch beschrieb Howarth 19974. Er setzte die Dialkylimidazolium IL 1 in der Reaktion von Cyclopentadien mit Methacrolein oder Crotonaldehyd mit 0,2 Äquivalenten als Additiv ein. Zwar wurden gute endo/exo-Selektivitäten erhalten, ein nennenswerter Enantiomerenüberschuss (ee) wurde aber nicht gefunden. Ein ähnliches Ergebnis beschrieb Seddon 1999 für die Reaktion von Cyclopentadien mit Acrylsäureethylester. Hier wurde [BMIM] [Lactat] 2 als alleiniges Lösungsmittel verwendet. Dies hatte jedoch keinen Einfluss auf die Enantioselektivität der Reaktion, es wurde ein Racemat erhalten.5 Neuere Arbeiten zu diesem Konzept beschreiben die Cycloaddition von Acrylsäuremethylester an Cyclopentadien in verschiedenen Lactat-ILs. Dabei konnte kein Reaktivitäts- oder Selektivitätsunterschied zwischen der CIL mit enantiomerenreinem L-Lactat und racemischem DL-Lactat gezeigt werden.37 Auch der Einsatz von chiralen campherhaltigen ILs38, von denen man sich positive Ergebnisse erhofft hatte, da Campherderivate sich in der asymmetrischen Synthese bereits als ausgezeichnete chirale Auxiliare bewährt hatten, zeigten als chirales Lösungsmittel in der Reaktion keinen ee (vgl. Abb. 7). Ganz offensichtlich reicht die Stärke der Wechselwirkung zwischen dem neutralen Übergangszustand der Reaktion und dem geladenen chiralen Ion der ionischen Flüssigkeit nicht aus, um eine nennenswerte Enantioselektivität zu erzeugen. Zwar sind auch einige Beispiele publiziert, bei denen mit einer IL als Lösungsmittel gute Stereoselektivitäten erhalten wurden, dabei wurden aber an das Kation der IL chirale Katalysatoren kovalent gebunden. Diese Beispiele können daher eher dem Bereich „Immobilisierung von Katalysatoren“ zugeordnet werden.32,39

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Abbildung 7: Diels-Alder-Reaktion mit campherhaltigen CILs als Lösungsmittel

2.1.2 Hydrierungen Die asymmetrische Hydrierung mit elementarem Wasserstoff gehört zu den effizientesten synthetischen Methoden zur Herstellung chiraler Moleküle. Sie zeichnet sich aus durch ihre Anwendbarkeit auf eine hohe Zahl verschiedener Substrate wie Olefine, Carbonyle und Imine, durch eine hohe Atomeffizienz und meist nur wenige Nebenprodukte. Auch gelingt es in vielen Fällen, hohe Umsätze und Selektivitäten zu erzielen. Diese Eigenschaften machen die asymmetrische Hydrierung auch für industrielle Prozesse interessant. Großtechnische Anwendungen sind die Synthesen von (-)-Menthol aus Myrcen, von dem Herbizid (S)-Metolachlor und dem Wirkstoff (L)-DOPA.40 Möglich wurde diese Entwicklung vor allem durch die Entwicklung des homogenen Wilkinson-Katalysators [RhCl(PPh3)3]41 im Jahr 1965 und der ersten homogen katalysierten asymmetrischen Hydrierung mit einer chiralen Version dieses Katalysators durch Knowles und Horner.42 Mittlerweile konnten, auch weil der Mechanismus der Reaktion auf molekularer Ebene sehr gut verstanden ist, zahllose chirale Liganden entwickelt werden, die in der asymmetrischen Hydrierung zu vergleichbar hohen Selektivitäten führen, die früher nur in enzymkatalysierten Reaktionen erreicht werden konnten. Typische Beispiele sind DIOP 8, BINAP 9, Josiphos 10 oder DIPAMP 11.43

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Abbildung 8: Typische chirale Phosphinliganden für die asymmetrische Hydrierung

Ionische Flüssigkeiten wurden bereits 1995 in der asymmetrischen Hydrierung als Lösungsmittel verwendet.44 Ähnlich wie bei den Diels-Alder-Reaktionen sollte durch eine zweiphasige Reaktionsführung eine bessere Abtrennbarkeit und damit Rezyklierbarkeit des Katalysators erreicht werden. ILs eignen sich dabei besser als zweite Phase als Wasser oder fluorierte Phasen, da die Löslichkeit der Substrate und die Anzahl der stabilen chiralen Liganden in diesen Lösungsmitteln begrenzt sind. Tatsächlich konnte bei der Hydrierung von -Acetamidozimtsäure zu (S)-Phenylalanin in [BMIM] [SbF6] ein ee von 64% erhalten werden. Viele weitere Beispiele für asymmetrische Hydrierungen sind in den folgenden Jahren veröffentlicht worden45 und es konnte gezeigt werden, dass der Enantiomerenüberschuss im Produkt hierbei nicht nur abhängig ist von der IL (und hier insbesondere vom Anion) und dem gewählten chiralen Katalysator, sondern auch von der Konzentration des in der IL gelösten Wasserstoffs. Man vermutet, dass die IL eine Käfigstruktur um den Katalysatorkomplex ausbildet. Die so veränderten sterischen und elektronischen Verhältnisse führen wahrscheinlich zu einem anderen Koordinationsmodus des Substrates an den Katalysator im Vergleich zur klassischen homogenen Katalyse in organischen Lösungsmitteln.46 Um die Stabilität des chiralen Katalysators in der IL zu erhöhen, übertrug Lee das Konzept des „ionic tag“ auf das Reaktionssystem in der asymmetrischen Hydrierung. Durch die kovalente Bindung eines chiralen 1,4-Bisphosphinliganden an das Kation einer IL entstand eine chirale IL, die die katalytisch aktive Spezies beinhaltete und gleichzeitig sehr stabil in einer imidazolbasierten IL war. Im Vergleich zu dem nicht modifizierten Liganden konnte bei gleichbleibender Selektivität eine deutliche Erhöhung der Stabilität erreicht werden.47 Blaser und Reetz erzielten ähnliche Ergebnisse durch die Anbindung von modifiziertem JOSIPHOS und chiralen Phosphiten an das Kation einer IL.48

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Erst Leitner setzte 2007 chirale ionische Flüssigkeiten in der asymmetrischen Hydrierung ein. Durch die Verwendung von [(L)-Proliniummethylester] [NTf2] als Lösungsmittel und gleichzeitig einziger Quelle chiraler Information konnte ein konfigurativ nicht stabiler (und somit achiraler) tropos-Ligand am homogenen Rh-Katalysator bei der asymmetrischen Hydrierung von 2-Acetamidomethylacrylat verwendet werden. Es wurden dabei ees von bis zu 69% erreicht.6

Abbildung 9: Asymmetrische Hydrierung mit chiralen Ionischen Flüssigkeiten als Quelle chiraler Information

Durch Austausch von 12 gegen racemisches BINAP 9 konnte gezeigt werden, dass die CIL den Katalysezyklus des einen Enantiomers unterdrückt („chirale Vergiftung“), so dass auch hier signifikante Enantiomerenüberschüsse im Produkt erhalten wurden. Bei enantiomerenreinem BINAP wurde sogar ein erhöhter bzw. entgegengesetzter ee bei Hydrierung in der IL im Vergleich zum organischen Lösungsmittel festgestellt.49 Die chirale IL ist hier in der Lage den tropos-Liganden 12 in seiner Konfiguration zu stabilisieren, so dass ein chiraler, enantiomerenreiner Katalysator gebildet wird. 2.1.3 Michael Reaktion Bei der Michael-Addition handelt es sich um die 1,4-Addition von resonanzstabilisierten Carbanionen, oft aus -Dicarbonylverbindungen hergestellt, an ,-ungesättigte Carbonylverbindungen, den Michael-Akzeptor. Dadurch wird eine neue C-C-Bindung gebildet, was die Michael-Addition zu einer sehr vielseitigen Methode der synthetischen organischen Chemie macht. Neben der C-C-Verknüpfung sind auch zahlreiche Varianten bekannt, in denen C-S- oder C-N-Bindungen gebildet werden. In der asymmetrischen Variante dieser Reaktion können gleichzeitig mehrere Stereozentren aufgebaut werden. Dies macht eine effiziente Kontrolle der Stereochemie durch geeignete Katalysatoren und Reaktionsbedingungen erforderlich.50,51

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Achirale ionische Flüssigkeiten wurden in Gegenwart chiraler Katalysatoren bereits früh erfolgreich in der enantioselektiven Michael-Addition eingesetzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass bereits achirale ILs einen entscheidenden Einfluss auf den ee des Produkts haben. Durch die Verwendung imidazolbasierter ILs kehrte sich der ee im Vergleich zu den Reaktionen, die in organischen Lösungsmitteln oder pyridinbasierten ILs durchgeführt wurden, um.52 Als eins der wenigen erfolgreichen Beispiele zum Einsatz chiraler ILs als chirales Lösungsmittel können die Arbeiten der Gruppe von Bao betrachtet werden53. Es wurden verschiedene chirale Imidazol-ILs als Co-Solvens und einzige Quelle chiraler Information in der Addition von Malonsäurediethylester an 1,3-Diphenylprop-2-en-1-on eingesetzt und mit bis zu 25% ee erstaunlich hohe Enantioselektivitäten bei moderater Ausbeute erhalten. Wie in den bereits oben angesprochenen Reaktionen gibt es auch für die Michael-Addition zahlreiche Beispiele, bei denen ein selektiver und aktiver Organokatalysator kovalent an eine IL gebunden wird, wodurch eine katalytisch aktive chirale IL gebildet wird. Die Struktur der IL hat zwar einen entscheidenden Einfluss auf Aktivität und Selektivität des neuen Katalysators, dient aber in erster Linie der Immobilisierung („ionic tag“) und damit der besseren Rezyklierbarkeit des Organokatalysators.51,54 Als Beispiel für das Prinzip des „ionic tagging“ sollen exemplarisch die Arbeiten von Cheng angeführt werden. Für die asymmetrische Addition von 4-substituierten Cyclohexanonen an Nitroalkene wurde die katalytisch aktive Pyrrolidineinheit kovalent an verschiedene Imidazolium ILs gebunden und diese neuen und funktionalisierten CILs 14-17 in der Reaktion getestet.

Abbildung 10: Michael-Addition von Cyclohexanonen an Nitroalkene mit funktionalisierten CILs.

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Es konnte ein Zusammenhang zwischen dem verwendeten IL-Anion einerseits und dem Substitutionsmuster am Imidazoliumring andererseits und der Aktivität sowie dem Diastereomerenverhältnis festgestellt werden. Erstaunlicherweise finden sich diese Zusammenhänge jedoch nicht in dem vorgeschlagenen Übergangszustand wieder, in dem das IL-Grundgerüst nur schematisch als Ionenpaar dargestellt ist (s. Abb. 10). Man kann allerdings annehmen, dass durch die verschiedenen Funktionalitäten eine Seite des Übergangszustandes stärker abgeschirmt wird, sei es durch sterische Effekte oder elektronische Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen oder -stacking. Diese Vermutung wurde in einigen neueren Arbeiten bestätigt.55,56 Für die Reaktion von Cyclohexanon mit unterschiedlich substituierten Chalconen zeigte die Gruppe von Wang verschiedene Wechselwirkungsmöglichkeiten des Substrates mit der CIL [EMIM] [(S)-Pyrrolidin-2-carboxylat] im Übergangszustand. Bemerkenswert ist dabei nicht nur die Rolle der Substituenten, auch das verwendete Lösungsmittel hat über die Wechselwirkung mit der CIL einen entscheidenden Einfluss. Durch den Wechsel des Lösungsmittels von Methanol auf DMSO wurde für alle getesteten Chalcone die Enantioselektivität bei gleichbleibenden Absolutwerten des ee umgekehrt.

Abbildung 11: Selektivitätsumkehr bei der asymmetrischen Michael-Reaktion durch Solvenseffekte.

2.1.4 Baylis-Hillmann Reaktion Die Baylis-Hillman Reaktion ist eine sehr atomökonomische Methode zur Kupplung von Aldehyden oder aktivierten Iminen an elektronenarme Alkene. Üblicherweise werden dabei nicht-nucleophile Basen als Katalysatoren eingesetzt, wie 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octan (DABCO), 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-en (DBU) oder 4-(Dimethylamino)-pyridin (DMAP). Der große Vorteil dieser Reaktion ist die Möglichkeit zur Synthese von -Methylen--hydroxycarbonyl- oder -Methylen--aminocarbonylderivaten, also hoch funktionalisierten und damit auch reaktiven Molekülen. Dem gegenüber steht der Nachteil einer sehr trägen, bisweilen über Tage und Wochen ablaufenden Reaktion mit geringen Ausbeuten und einer limitierten Anwendungsbreite.57,58 Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, wurden bereits

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hohe Drücke59, Mikrowellenstrahlung60 oder Ultraschall61 eingesetzt. Dadurch ließ sich die Reaktionszeit bis auf wenige Minuten verkürzen60,61 oder die Ausbeute signifikant steigern59,61.

Abbildung 12: Mechanismus der Baylis-Hillman Reaktion.

Werden als Edukte keine Formaldehydderivate eingesetzt, wird durch die Kupplung ein Stereozentrum aufgebaut, und es besteht die Möglichkeit, die Reaktion enantioselektiv durchzuführen. Einen guten Einblick in die asymmetrische Variante der Baylis-Hillman Reaktion geben verschiedene Reviews.58,62 Aus mechanistischen Studien ist bekannt, dass die Reaktion durch protische Lösungsmittel, die fähig sind, Wasserstoffbrückenbindungen auszubilden, beschleunigt wird, daher setzte die Gruppe von Afonso 2001 [BMIM] [PF6] als Lösungsmittel ein. Das acide Proton am C-2 des Imidazoliumrings ist ebenfalls bekannt dafür, Wasserstoffbrücken zu bilden. Die Gruppe stellte eine 33-fache Beschleunigung der Reaktion im Vergleich zu der in Acetonitril durchgeführten Kupplung fest, allerdings bei relativ geringen Ausbeuten. Die relative Reaktionsrate wurde über die Abnahme des Substrates Benzaldehyd bestimmt, unter der (falschen) Annahme, dass das Substrat vollständig zum Produkt umgesetzt wurde.63 Ähnliche Ergebnisse erzielte die Gruppe um Ko, die verschiedene BMIM-ILs einsetzte, um den Einfluss des Anions zu untersuchen.64 In der Folge wurde jedoch gezeigt, dass die IL durch ihr acides Proton eine signifikante Nebenreaktion mit der zugesetzten Base eingeht, was die niedrigen Ausbeuten erklärt und die Rezyklierbarkeit der IL schwierig macht.65 Tatsächlich sind auch ionische Flüssigkeiten mit einer Methylgruppe am C-2 nicht vollständig inert in der Baylis-Hillman Reaktion.66 Positive Ergebnisse wurden mit

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pyridinbasierten ILs erhalten. Hier konnte eine 11,5-fache Beschleunigung der Reaktion erreicht werden.67 Den ersten Einsatz chiraler ILs beschrieb Vo-Thanh 2006.8 Unterschiedlich substituierte Dimethylephedrinium-ILs wurden als Lösungsmittel und einzige Quelle chiraler Information in der Reaktion von Benzaldehyd und Methylacrylat eingesetzt, in der Annahme, dass der hohe Ordnungsgrad innerhalb der CIL zu einer chiralen Umgebung und damit zu einer chiralen Induktion führt. Tatsächlich konnten recht hohe Enantiomerenüberschüsse von bis zu 44% erzielt werden. Allerdings war die Selektivität sehr empfindlich bezüglich der eingesetzten Substrate. Zudem konnte gezeigt werden, dass die OH-Gruppe im Kation eine entscheidende Rolle spielte. Beide Beobachtungen führten zu der Annahme, dass der eigentlich entscheidende Faktor die Bildung eines Komplexes aus dem Übergangszustand und der chiralen IL sei, der durch eine Wasserstoffbrücke zwischen der OH-Gruppe des Kations und der Carbonylfunktion eines der beiden Substrate zustande kommt. Einen ähnlichen Ansatz verfolgte auch die Gruppe um Headley, die funktionalisierte Imidazolium-ILs als Lösungsmittel einsetzte.9 Die Hypothese des chiralen Übergangszustandes konnte Leitner eindrucksvoll bestätigen, indem eine anionenchirale IL in der aza-Baylis-Hillman-Reaktion eingesetzt wurde.7 Dadurch konnte der Übergangszustand so nachhaltig stabilisiert werden, dass ungewöhnlich hohe ee-Werte von bis zu 84% erhalten wurden.

Abbildung 13: Chiralitätsübertragung durch chirales Solvens in der Aza-Baylis-Hillman Reaktion

Zwischen dem Anion von 18 und dem Übergangszustand sind Wechselwirkungen an zwei Positionen wahrscheinlich; zum einen über eine Wasserstoffbrückenbindung zwischen dem Säureproton des Anions und dem Sauerstoff des Enolats, zum

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anderen eine Coulomb-Wechselwirkung zwischen dem negativ geladenen Boratom und der positiv geladenen Phosphoniumgruppe. Anhand der hier angeführten Beispiele wird deutlich, dass für eine effektive Chiralitätsübertragung mit Hilfe chiraler ionischer Flüssigkeiten verschiedene Voraussetzungen gegeben sein müssen. Insbesondere muss eine starke und spezifische Wechselwirkung der CIL mit dem Übergangszustand der Reaktion möglich sein. Nur so kann die IL und damit die chirale Information in ausreichende räumliche Nähe zum Substrat gebracht werden. Dies ist prinzipiell möglich durch:

kovalente Bindungen (z.B. in der Organokatalyse) Wasserstoffbrückenbindungen Interionische oder Coulomb-Wechselwirkungen

Ein geladener oder stark polarer Übergangszustand ist daher vorteilhaft. Zusätzlich müssen ähnliche Faktoren wie in jeder asymmetrischen Reaktion berücksichtigt werden. Erst das reaktions- und substratspezifische Design der elektronischen und vor allem sterischen Eigenschaften der CIL ermöglichen einen stereospezifischen Angriff des Reaktionspartners. Für das Verständnis der spezifischen Wechselwirkungen einer CIL mit dem Übergangszustand ist die Kenntnis der Anion-Kation-Wechselwirkungen (interionische WW) von großer Relevanz. Diese bestimmen nicht nur die Eigenschaften einer IL, sondern auch ihre Wechselwirkung mit gelösten Substraten. Für die Diels-Alder Reaktion liegen bereits einige interessante Studien über die Wechselwirkungen zwischen (achiraler) IL und Übergangszustand und damit der Selektivität der Reaktion vor.68 Für die Bromierung von Alkinen und die Alkylierung mit Benzylhalogeniden konnte eine starke Abhängigkeit der Struktur des Übergangszustandes, der Reaktionsordnung und wiederum der Selektivität von der gewählten IL gezeigt werden.69 Um diese Ergebnisse und die genauen Wechselwirkungsmechanismen besser zu verstehen, wurden einige molekulardynamische Simulationen durchgeführt.10 Experimentelle Arbeiten beschäftigten sich mit verschiedenen analytischen Methoden wie Massenspektrometrie11, NMR-Spektroskopie12, sowie FT-IR- und Raman-Spektroskopie13. Auch die physikochemischen Eigenschaften verschiedener IL-Gemische bzw. von Gemischen von in IL gelösten polaren Substanzen wurden bestimmt.70 Im Rahmen dieser Arbeit soll näher auf die Verhältnisse in einer Lösung von IL in einem Lösungsmittel eingegangen werden. Dies ist z.B. von Bedeutung für

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Reaktionen, in denen die IL als Co-Solvens verwendet wird oder wenn die IL selbst das Substrat ist. 2.2 Struktur und Wechselwirkungen von ionischen Flüssigkeiten in Lösung Bisher wurden die verschiedenen Wechselwirkungen zwischen den Ionen einer IL in Substanz oder in Lösung hauptsächlich für imidazoliumbasierte ILs bestimmt. Diese stellen durch ihre weite Verbreitung eine Art Prototyp des Kations dar und haben eine Vielzahl verschiedener Wechselwirkungsmöglichkeiten. Einige sind in Abbildung 14 dargestellt.71 Bereits hieran lässt sich erkennen, dass die Wechselwirkungen nicht allein auf der Coulomb’schen Anziehung zwischen Anion und Kation beruhen, sondern weitaus komplexer sind. Dies konnte auch in theoretischen Studien gezeigt werden.72

Abbildung 14: Wechselwirkungen in Imidazolium basierten ionischen Flüssigkeiten

Zusätzlich zu der rein elektrostatischen Anziehung spielen Effekte wie Lewisdonor und –akzeptor-Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen, Dipol-Dipol- und Dispersionswechselwirkungen eine entscheidende Rolle.72,73 Die beschriebenen Interaktionsmöglichkeiten beruhen im Wesentlichen auf der speziellen Ladungsverteilung im positiv geladenen Imidazolring. Meist wird die Ladung einem der beiden Stickstoffatome zugeschrieben, aber auch die Schreibweise mit einer über den gesamten Ring delokalisierten Ladung ist durchaus üblich.

Abbildung 15: Formale Ladungsverteilung im Imidazoliumkation

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Beide Schreibweisen sind nur als formale Grenzfälle anzusehen und entsprechen nach neueren Erkenntnissen nicht den tatsächlichen Verhältnissen. Das Imidazoliumkation (Im-H) ist isoelektronisch zu den stabilen N-heterocyclischen Carbenen (Im). Für diese sind bereits Studien zur Ladungsverteilung im Ring durchgeführt worden.74 Durch das zusätzliche Proton im Kation Im-H kommt es jedoch zu einer erhöhten Delokalisation des -Elektronensystems als in dem neutralen Carben.

Abbildung 16: Vergleich der elektronischen Strukturen des Imidazoliumkations und eines N-heterocyclischen Carbens

In theoretischen Berechnungen (klassische MD-Simulation und Monte-Carlo-Rechnungen) konnte gezeigt werden, dass das Im-H-Kation am besten durch eine Grenzstruktur mit einer Doppelbindung zwischen den Kohlenstoffatomen 4 und 5 des Ringes beschrieben wird. Die weiteren Elektronen bilden eine 4-Elektronen-3-Zentren Bindung zwischen den Stickstoffatomen und den C-2-Atom aus (s. 19 in Abb. 16). Diese Notation wird auch in dieser Arbeit verwendet. Dennoch ist eine signifikante Delokalisation der Elektronen über den gesamten Ring vorhanden. Die genaue Ladungsverteilung hängt zudem von der Natur und der Position des Gegenions ab.73 Diese Ladungsverteilung ist nicht intuitiv, da die Stickstoffatome durch ihre höhere Elektronegativität im Vergleich zu Kohlenstoff eine negative Partialladung tragen, sie erklärt jedoch die hohe Acidität des C-2-Protons im Vergleich mit den Protonen an den Positionen 4 und 5. 2.2.1 Polarität von ionischen Flüssigkeiten Die Polarität eines Lösungsmittels hat bei chemischen Reaktionen einen entscheidenden Einfluss auf den Reaktionsmechanismus und den Übergangszustand, sowie auf die Lage des chemischen Gleichgewichtes und die Reaktionsgeschwindigkeit. Um die Polarität klassischer organischer Lösungsmittel, die als nicht strukturiertes homogenes Kontinuum betrachtet werden können, zu beschreiben, werden vereinfachend meist makroskopische Größen wie die Dielektrizitätskonstante R, das Dipolmoment oder Brechungsindices verwendet.

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Diese Betrachtung ist für ionische Flüssigkeiten auf Grund der zahlreichen oben beschrieben Wechselwirkungen nicht möglich.71,75

Kamlet und Taft haben in ihren Arbeiten zur Polarität von Lösungsmitteln ein System eingeführt, dass auf der Wechselwirkung von UV-aktiven Farbstoffen mit dem Lösungsmittel beruht. Sie führten dazu die Polarität bzw. Polarisierbarkeit *, die Wasserstoffbindungsacidität (hydrogen bond donor, HBD) und die Wasserstoffbindungsbasizität (hydrogen bond acceptor, HBA) ein. Zur Bestimmung von * wird der * bzw. p * Übergang im UV-Spektrometer gemessen. Da die Lage des Absorptionsmaximums von dem durch das Lösungsmittel erzeugte lokale elektrische Feld abhängt, ist sie je nach Polarität des Lösungsmittels unterschiedlich. * beschreibt letztlich die Eignung des Lösungsmittels, eine Ladung oder einen Dipol zu stabilisieren. Die Ergebnisse waren jedoch nur für nicht protische Lösungsmittel aussagekräftig und wurden durch Ausbildung von Wasserstoffbrücken zwischen Solvens und dem gelösten Farbstoff zum Teil stark verfälscht. Zu einer besseren Beschreibung wurden daher die Parameter und eingeführt. beschreibt die Fähigkeit des Lösungsmittels ein Proton an das Substrat zu übertragen, während ein Maß für die Akzeptorstärke für Protonen (oder auch die Lewisacidität) ist. Die Werte all dieser Parameter sind für viele Lösungsmittel und ILs tabelliert und sind Mittelwerte aus Messungen mit vielen verschiedenen Farbstoffen.76 Es existieren diverse weitere Skalen, um Polaritäten zu beschreiben, eine gebräuchliche ist die ET(30)- bzw. die ETN-Skala. ET(30)-Werte sind definiert als die molaren Anregungsenergien in kcal mol-1 eines Standard-Betain-Farbstoffes, gemessen bei 25 °C. Da dieser Farbstoff nicht in allen Lösungsmitteln löslich ist, müssen zum Teil auch andere Farbstoffe verwendet werden. Die erhaltenen Anregungsenergien der verschiedenen Farbstoffe können zwar ineinander umgerechnet werden, jedoch verwendet man zur besseren Vergleichbarkeit seit 1983 die normalisierte ETN-Skala. Als Fixpunkte dieser Skala wurden Wasser (ETN = 1) und Tetramethylsilan (ETN = 0) gewählt.77 Auf dieser Skala lassen sich auch die ionischen Flüssigkeiten darstellen.

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Abbildung 17: Normalisierte Polaritätsskala mit den willkürlich festgelegten Punkten ET

N = 1 für Wasser und ETN = 0 für Tetramethylsilan

Nach dieser entspricht die Polarität von ILs derer von dipolar aprotischen und dipolar protischen molekularen Lösungsmitteln. Ein Vergleich der EtN-Werte der 1-Methyl-3-alkylimidazoliumsalze und der 1-Methyl-2,3-dialkylimidazoliumsalze zeigt, dass mit dieser Methode die Acidität des C-2 Protons gut wiedergegeben wird. Zudem wird auch der Einfluss des Anions erfasst, da für ein gegebenes Kation die ETN-Werte je nach Anion stark schwanken können (ca. 0.4 - 0.9). Um ein differenzierteres Bild zu erhalten, sollten jedoch auch die Kamlet-Taft-Parameter , und * betrachtet werden. Die Polarisierbarkeit * von ILs ist im Allgemeinen größer als bei molekularen Lösungsmitteln und wird sowohl durch die Natur des Anions als auch des Kations beeinflusst. Dabei gilt: je delokalisierter die Ladung des Anions ist, desto kleiner ist *, da die Coulomb-Wechselwirkung mit dem Farbstoff geringer wird. Ein gutes Beispiel für diesen Effekt ist das NTf2--Anion.75 Dieser Effekt wird bei den Imidazoliumkationen durch die stärkere Polarisierbarkeit überkompensiert. Der Wert für wird hauptsächlich (aber nicht ausschließlich) durch das Kation bestimmt. Typischerweise haben Ammoniumionen, die Protonen enthalten, große Wasserstoffbindungsacidität, ebenso wie Pyrrolidiniumkationen. Nach den oben aufgeführten Betrachtungen zur Ladungsverteilung in Imidazoliumionen ist es an dieser Stelle nicht überraschend, dass für 1,3-substituierte Imidazoliumionen größer

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ist als für das entsprechende 1,2,3-trialkylierte Kation. Betrachtet man dagegen zwei ILs mit dem gleichen Kation und unterschiedlichen Anionen, zeigt sich, dass die Acidität sinkt, wenn die Basizität des Anions (also ) steigt. Die Erklärung für diesen Effekt ist die stärkere Wechselwirkung zwischen Anion und Kation, die eine Art Konkurrenz zu der Wechselwirkung zwischen dem Kation und dem Farbstoff darstellt. An diesem Beispiel lässt sich verdeutlichen, dass es nicht möglich ist, eine IL zu synthetisieren, die sowohl ein guter Wasserstoffbindungsakzeptor (großes ) als auch ein guter Wasserstoffbindungsdonator (großes ) ist.78 Der -Wert einer IL wird hauptsächlich durch das Anion bestimmt und korrespondiert mit der Lewis-Acidität des Anions. Dies bedeutet, dass weiche Anionen, die eine hohe Delokalisation der Ladung aufweisen, eher zu kleinen -Werten der IL führen. Im Gegensatz dazu zeigen ILs mit harten Anionen wie Chlorid eine höhere Lewisacidität/Wasserstoffbindungsbasizität. In Tabelle 2 sind einige -Werte für BMIM-ILs mit verschiedenen Anionen aufgelistet. Als Kation wurde in allen Fällen [BMIM]+ verwendet.79

Tabelle 2: Normalisierte -Werte für verschiedene BMIM-ILs

Anion βN

1 Cl- 1

2 Br- 0,93

3 CH3CO2- 0,99

4 CF3CO2- 0,89

5 NO3- 0,86

6 CH3SO3- 0,87

7 C8H19OSO3- 0,81

8 CH3OSO3- 0,79

9 CF3SO3- 0,74

10 BF4- 0,69

11 NTf2- 0,67

12 PF6- 0,64

Die Halogenide haben die höchsten -Werte, gefolgt von den Carboxylaten, in denen die negative Ladung über drei Atome (O-C-O) delokalisiert ist. Bei einem identischen Grundgerüst haben die Sulfonate (Nr. 6 und 9) und Sulfate (Nr. 7 und 8) eine geringere Basizität als die Carboxylate. Dies lässt sich durch die noch stärkere Delokalisation über 4 bzw. 5 Atome erklären. Diese zunächst theoretisch wirkende Betrachtung hat für die Praxis unter Umständen eine große Bedeutung. Viele ionische Flüssigkeiten werden durch Anionentausch aus den entsprechenden

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Halogenid-ILs hergestellt. Nimmt man nun an, dass in einer so synthetisierten IL mit einem imidazolbasierten Kation (im+) und einem Carboxylatanion (Org-) noch Chloridverunreinigungen (z.B. in Form eines Alkalisalzes) enthalten sind, so stehen beide Anionen in Konkurrenz miteinander, da beide eine Wasserstoffbrückenbindung zum Kation ausbilden können. Dies kann in zwei voneinander abhängigen Gleichgewichten beschrieben werden.75

]][[

][1

Clim

ClimK

]][[

][2

Orgim

OrgimK

Gleichung 1

Da die Carboxylate etwas schlechtere Wasserstoffbindungsakzeptoren sind als das Chloridion78,79, ist K1 > K2. Damit nimmt bei steigender Chloridionenkonzentration die Stärke der Wechselwirkung zwischen dem Kation und dem Carboxylat ab. Innerhalb der Reihe der Carboxylate hängt von der Struktur des Grundgerüstes ab. Durch den elektronenschiebenden Effekt von Alkylgruppen steigt mit steigender Alkylkettenlänge an, während elektronenziehende Gruppen wie Fluorid- oder Hydroxygruppen zu einem geringeren führen. 2.2.2 Ionenpaarbildung und Struktur von ILs in Lösung In den letzten Jahren sind sehr viele Arbeiten zur Struktur und physiko-chemischen Eigenschaften verschiedener, meist imidazolbasierter ILs veröffentlicht worden. Dabei wurden unterschiedlichste Methoden eingesetzt. Thermodynamische Messungen (z.B. von Löslichkeit oder Excessvolumen) und die Bestimmung von Transporteigenschaften (wie z.B. die Leitfähigkeit oder die Viskosität) sind hilfreich, können aber auf molekularer Ebene nur einen indirekten Einblick in die Struktur der IL oder ihrer Lösungen bieten. Die spektroskopischen Methoden wie NMR-, Raman- oder FT-IR-Spektroskopie dagegen bilden nur die kurzreichweitigen Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen ab. Diese Vielzahl von Methoden, ILs und Lösungsmitteln macht es bisher schwierig, ein einheitliches Bild zu erhalten. Zur Vereinfachung sollen im Folgenden nur ausgewählte Beispiele von Mischungen ionischer Flüssigkeiten mit Wasser und anschließend mit anderen, organischen Lösungsmitteln diskutiert werden. Viele ionische Flüssigkeiten sind hygroskopisch, nehmen also sehr leicht Feuchtigkeit aus der Umgebung auf oder haben bedingt durch ihren Herstellungsprozess einen nicht immer geringen Wasseranteil, der sich schwer entfernen lässt. Diese Verunreinigung der IL kann zu veränderten Substanzeigenschaften führen, also z.B. die Polarität, Viskosität, Leitfähigkeit oder auch Reaktivität der IL beeinflussen. Um

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diese Effekte besser zu verstehen, ist die Untersuchung des Einflusses von Wasser auf ILs von Bedeutung. Eine sehr effektive Methode ist die Infrarot-(IR)-Spektroskopie, da die Schwingungsmodi des Wassers zu charakteristischen Banden in einem Bereich des Spektrums führen (3000-3800 cm-1), die für die OH-Streckschwingung typisch sind. Die genaue Lage dieser Banden ist dabei stark abhängig von der Umgebung und intermolekularen Wechselwirkungen.14 Cammarata et al. stellten in einer Studie mit verschiedenen BMIM-ILs heraus, dass der IL zugesetztes Wasser bis zu einer Konzentration von 0,8 mol/l deren Struktur nur wenig verändert.15 Das Wasser assoziiert nicht, sondern ist als einzelnes Molekül über Wasserstoffbrückenbindungen an das Anion koordiniert. Sie vermuteten eine 2:1-Assoziation, bei der ein Wassermolekül zu zwei Anionen Bindungen aufbaut. Die Stärke der Wechselwirkung nimmt dabei in der Reihenfolge [PF6]- < [SbF6]- < [BF4]-

< [(CF3SO2)2N]- < [ClO4]- < [CF3SO3]- < [NO3]- < [C3CO2]-, also mit der Basizität des Anions, zu. Diese Ergebnisse bestätigen Arbeiten von Seddon, nach denen das Anion der entscheidende Faktor für die Wasserlöslichkeit einer IL ist.16 Tatsächlich konnte in den IR-Messungen keine nennenswerte Wechselwirkung des Wassers mit den aciden Protonen des Imidazolringes gefunden werden. Der Grund dafür sind wahrscheinlich die H-Brücken zwischen diesen Protonen und dem Anion. Bestätigt wird diese Vermutung dadurch, dass bei einer Substitution der drei aciden Protonen im BMIM-Kation durch Methylgruppen mehr Wasser aus der Luft absorbiert wird. Da die Wechselwirkung zwischen Kation und Anion geschwächt ist, wird sie zwischen Anion und Wasser stärker. Diese Ergebnisse wurden zu großen Teilen von Köddermann et al. bestätigt.14 Zudem konnte eine Verbindung zwischen der Lage der Absorbtionsbanden und der dielektrischen Konstante und damit der Polarität der IL hergestellt werden, die zuverlässiger ist als die Bestimmung über Farbstoffe. Molekulardynamische (MD)-Simulationen kommen zu einem ähnlichen Ergebnis.80 Auch hier wurde ein Netzwerk aus Wasser und Anion gefunden und es wurde bestätigt, dass die Stärke der Wechselwirkung zwischen Anion und Kation durch Wasser herabgesetzt wird, da eine neue Anordnung beider Ionen zueinander erfolgt. Takamuku et al. präzisierten diese Ergebnisse in einer Studie, in der sie IR- und NMR-Spektroskopie kombinierten.81 Ihre Resultate deuten darauf hin, dass bei Wasserzugabe zu einer Imidazolium-IL die Bindung zwischen dem Anion und dem C-2-Proton stärker wird, während die zu den Protonen an den Positionen C-4 und C-5 abnimmt. Die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Molekülen sind schematisch in Abb. 18 dargestellt.

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Abbildung 18: Wechselwirkungen in einer ionischen Flüssigkeit mit Wasser

Modellhaft lässt sich die die Verdünnung einer IL mit Wasser folgendermaßen beschreiben: Wird einer IL mehr Wasser hinzu gefügt als im stöchiometrischen Verhältnis, wird die Struktur langsam aufgebrochen und es entstehen kleinere Wasseraggregate. Bei einem Molenbruch von xw = 0,3 liegen bereits etwa 30 % des Wassers in dieser Form vor. Bei einer weiteren Verdünnung bilden sich IL-Cluster und anschließend Ionenpaare, die wiederum in einzelne Ionen dissoziieren.81,82 Dass diese vereinfachte Vorstellung nicht korrekt oder wenigstens nicht ausreichend ist, wird klar, wenn man berücksichtigt, dass sich viele imidazolbasierte ILs mit längeren Seitenketten auf Grund ihres amphiphilen Charakters wie Tenside verhalten.83 Wie diese bilden solche ionische Flüssigkeiten bei bestimmten Konzentrationen kugelförmige Strukturen, die Micellen, aus. Die CAC (Kritische Aggregationskonzentration) bzw. CMC (Kritische Micellbildungskonzentration) wird mit unterschiedlichen Methoden (Leitfähigkeit, NMR, Schallgeschwindigkeit, Fluoreszens-Spektroskopie u. a.) nach der Definition von Philips als der Punkt bestimmt, an dem sich die Abhängigkeit einer physikalischen Eigenschaft von der Konzentration maximal ändert.84 Die Angaben, ab welcher Kettenlänge n Imidazolium-ILs des Typs [CnMIM] [Anion] Micellen bilden, schwankt, meist wird jedoch von einer Kettenlänge von n 8 ausgegangen.85,86,87,88 Die Micellbildung wird bestimmt durch das Gleichgewicht zwischen der repulsiven Wechselwirkung der polaren Kopfgruppen (also dem Imidazolring) und den attraktiven Van-der-Waals-Kräften zwischen den hydrophoben Alkylketten. Diese minimieren durch die Aggregation die Kontaktoberfläche mit dem polaren Wasser.89 Darüber lässt sich auch der starke Einfluss des Gegenions auf die CAC erklären: Durch die Wechselwirkung mit den Kopfgruppen verringert sich deren elektrostatische Abstoßung untereinander. Je nach Radius, Hydrophobizität und Polarisierbarkeit des Anions ist diese Wechselwirkung unterschiedlich stark, wobei eine starke Wechselwirkung konsequenterweise zu einer geringeren CAC führt.

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Ähnliches gilt für den Einfluss des Kations auf die CAC: Während eine starke Hydrophobizität und hohe Bindungsstärke zum Anion die Aggregation beschleunigen, wirkt sich ein hoher sterischer Anspruch negativ aus und die CAC steigt.89 Ein dritter Einflussfaktor ist die Alkylkettenlänge. Mit steigendem n nimmt die CAC ab, wobei eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Logarithmus der CAC und der Kettenlänge n besteht.60c Zudem steigt mit n auch die Aggregationszahl, also die Anzahl der Kationen, die an einer Micelle beteiligt sind. In Wasser liegen also sehr spezifische Wechselwirkungen zwischen den Ionen der IL und dem Lösungsmittel vor, die zudem stark konzentrationsabhängig sind. Eine Vereinfachung auf rein elektrostatische Wechselwirkungen ist demnach nicht zulässig. Gibt es für die Strukturen von IL in Wasser bereits einige widersprüchliche Angaben in der Literatur bezüglich der CACs, Kettenlängen n und auch der Aggregationszahlen88, gilt dies in stärkerem Ausmaß für die Verhältnisse in organischen Lösungsmitteln. Hier kommt als zusätzliche Einflussgröße die Dielektrizitätskontante des Lösungsmittels hinzu. Üblicherweise werden die verschiedenen Spezies ähnlich wie in der Elektrolyttheorie benannt. Man unterscheidet zwischen vollständig solvatisierten Ionen (single ions, SI), Ionenpaaren, die jedoch noch durch eine Solvathülle getrennt sind (solvent-seperated ion pairs, SSIP), Kontaktionenpaaren (contact ion pairs, CIP), Triple-Ionen und Quadrupolen (s. Abb. 19). Spezies mit mehr als vier Ionen bzw. zwei Ionenpaaren werden üblicherweise als Aggregate oder Cluster bezeichnet.90,91 Avent et al. untersuchten bereits 1994 die Struktur verschiedener [EMIM] [Halogenide] in Acetonitril und CH2Cl2 bzw. CHCl3 mit einer Kombination aus NMR-Spektroskopie und Leitfähigkeitsmessungen.17 Sie postulierten für die Lösungen in Acetonitril starke Wasserstoffbrückenbindungen zwischen dem Anion und den aciden Protonen des Imidazolringes, ähnlich den Verhältnissen in Wasser. In den unpolareren Lösungsmitteln CH2Cl2 und CHCl3 dagegen stellten sie aromatische Wechselwirkungen und eine „quasi-molekulare“ Anordnung der IL fest, in der die Imidazolringe planar und um 180° verdreht übereinander angeordnet sind. Weiterhin konnten sie eine Abhängigkeit der Struktur von der Konzentration der IL im Lösungsmittel zeigen. Auch bei sehr großer Verdünnung wurden keine einzelnen Ionen, sondern ausschließlich Ionenpaare gefunden. Für höhere IL-Konzentrationen postulierten sie einen Assoziations-Dissoziationsmechanismus, bei dem sich Ionenpaar-Dimere (Quadrupole) in einzelne Ionenpaare auflösen.

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Abbildung 19: Schematische Darstellung verschiedener IL-Strukturen in organischen Lösungsmitteln

Bei einem ähnlichen Vergleich von Lösungen von [BMIM] [Tetraphenylborat] in DMSO und Chloroform stellten Dupont et al. fest, dass in dem polareren DMSO bei geringen Konzentrationen eher SSIPs vorliegen, während sich in Chloroform eher CIPs bilden, die bei steigender Konzentration in Quadrupole übergehen.18 Man kann allgemein davon ausgehen, dass sowohl in Dichlormethan als auch in Chloroform nur sehr geringe Wechselwirkungen zwischen der IL und dem Lösungsmittel bestehen. Dadurch eignen sich diese Lösungsmittel besonders, um spezifische interionische Wechselwirkungen zu untersuchen.92 Zudem weisen die Kontaktionenpaare von [EMIM] [NTf2], sowie die der BMIM-ILs mit den Anionen [NTf2]-, [BF4]- und [PF6]- eine erstaunlich lange Lebensdauer in diesen Lösungsmitteln auf.90,93,94 Ein weitere Folge der geringen Wechselwirkungen mit dem Lösungsmittel ist, dass auch bei hohen Verdünnungen nur CIPs oder SSIPs vorliegen, kaum einzelne Ionen.93,95,96 In einer weiteren Untersuchung von [EMIM] [NTf2] in Chloroform mit FT-IR-Spektroskopie konnten Köddermann et al. jedoch bei sehr hoher Verdünnung auch solvatisierte Ionen (SIs) nachweisen.13b Weiterhin wiesen sie signifikante Wasserstoffbrückenbindungen zwischen dem C2-H und dem [NTf2]-Anion in diesem Ionenpaar nach. In den bei höheren Konzentrationen auftretenden Quadrupolen dagegen sind alle drei aciden Wasserstoffkerne des Imidazolringes gleichmäßig an diesen Bindungen beteiligt. Aus den bisher vorhandenen Daten lässt sich als weitere Verallgemeinerung ableiten, dass die Dielektrizitätskonstante des Lösungsmittels eine entscheidende Größe ist. Dabei fördern ein geringes , hohe IL-Konzentrationen und kleine Ionenradien im

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Allgemeinen die Bildung von Ionenpaaren aus solvatisierten Ionen. Der Übergang zu Aggregaten ist fließend und zudem abhängig von den spezifischen Eigenschaften der untersuchten IL.90,97 So können zum Beispiel sterisch anspruchsvolle Seitenketten am Imidazolring wie in IL 20 den Kontakt zwischen Anion und Kation verringern, was zu verringerter Ionenpaarbildung führt.98 Auch besondere elektronische Eigenschaften können zu einem ungewöhnlichen Assoziationsverhalten führen. So wurden per Raman-Spektroskopie für 21 auch in Wasser und Ethanol bei mittleren Konzentrationen Quadrupole nachgewiesen.99

Abbildung 20: Beispiele für die Abhängigkeit der Ionenpaarbildung von sterischen und elektronischen Faktoren

Durch Untersuchungen von Lösungen verschiedener ionischer Flüssigkeiten im Massenspektrometer zeigten auch Dorbritz et al. und Kennedy et al. eine Abhängigkeit der Struktur von Lösungsmittelpolarität und Konzentration.11b,100 Durch die Messtechnik konnten sie dabei auch die Größe der Agglomerate bestimmen und zeigen, dass stets eine Mischung verschiedener Clustergrößen vorherrscht. Beide Artikel gehen jedoch nicht darauf ein, ob die Verhältnisse in der Lösung und in der verdampften Probe tatsächlich als gleich angesehen werden können. Wie an diesem Abschnitt deutlich wird, sind bereits viele Methoden zur Ermittlung der Ion-Ion- und Ion-Solvens-Wechselwirkungen eingesetzt worden. Weitere, hier nicht erwähnte Techniken sind UV-Vis-Spektroskopie101, molekulardynamische Methoden102 und small-angle neutron scattering (SANS).103 An dieser Stelle soll bereits auf Kapitel 2.5 verwiesen werden, in dem die Dielektrische Relaxationsspektroskopie als eine weitere und sehr leistungsstarke Methode zur Untersuchung von Elektrolytlösungen vorgestellt wird. Sie wird im Bereich von klassischen Elektrolytlösungen bereits seit langem verwendet, ionische Flüssigkeiten werden jedoch erst seit kurzem mit dieser Technik untersucht. 2.3 Synthese von chiralen ionischen Flüssigkeiten In der umfangreichen Literatur, die mittlerweile auf dem Gebiet der ionischen Flüssigkeiten veröffentlicht wurde, sind auch zahlreiche Synthesen für verschiedenste achirale, chirale oder doppelt chirale ILs beschrieben. In diesem Kapitel soll ein

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allgemeiner Überblick über einige Verfahren und Reaktionen gegeben werden, die bei der Synthese von ILs eine zentrale Rolle spielen und als Standardmethoden bezeichnet werden können. Als typisches Beispiel werden die 1,3-disubstituierten Alkylimidazolium-ILs betrachtet. Für die Synthese von 1,3-disubstituierten Imidazolium-ILs werden üblicherweise die kommerziell erhältlichen 1-Alkylimidazole als Ausgangsstoffe verwendet. Diese müssen unter Umständen vor der Verwendung durch Destillation oder Umkristallisation gereinigt werden. Die einfachste Methode zur Quaternisierung des nicht substituierten Stickstoffs ist die Protonierung mit einer starken Säure wie Salz- oder Schwefelsäure. Eine ebenfalls weit verbreitete Methode ist die Alkylierung mit Substraten, die eine gute Abgangsgruppe besitzen, wie Dialkylsulfate oder Halogenalkane. 2.3.1 Protische Ionische Flüssigkeiten und deren Funktionalisierung Die Protonierung von Alkylimidazolen mit einer freien Säure führt zu Salzen der Form [1-Alkylimidazolium] [Anion] (s. Abb. 21). Diese Salze sind in vielen Fällen jedoch keine ionischen Flüssigkeiten im engeren Sinne, da ihre Schmelzpunkte oft über 100 °C liegen. Voraussetzung für eine quantitative Umsetzung ist ein ausreichend niedriger pKs-Wert der Säure.

Abbildung 21: Protonierung von 1-Alkylimidazol mit einer Säure

Bei der Synthese muss meist auf eine genau stöchiometrische Zugabe der gewünschten Säure geachtet werden. Nach Entfernen des Lösungsmittels wird das Salz in quantitativer Ausbeute erhalten und kann evtl. weiter funktionalisiert werden.19,104 Ein Beispiel dafür ist eine Eintopfsynthese, bei der sich der Protonierung eine Michael-artige Addition eines ,-ungesättigten Substrats anschließt.105

Abbildung 22: Michael-Addition eines ungesättigten Substrats an eine protonierte IL.

Werden in dieser Syntheseroute chirale Säuren verwendet, so werden auf relativ einfache Weise chirale ionische Flüssigkeiten erhalten, deren chirale Information im Anion enthalten ist.

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2.3.2 Quaternisierung mit Dialkylsulfaten Die typischen, sehr effektiven und kommerziell erhältlichen Alkylierungsmittel wie Dimethyl- oder Diethylsulfat werden ebenfalls oft in der Synthese von 1-Alkyl-3-methyl- bzw. 1-Alkyl-3-ethylimidazolium-ILs verwendet. Dabei entstehen die entsprechenden Alkylsulfat-Salze.

Abbildung 23: Quaternisierung von 1-Alkylimidazol mit Dialkylsulfaten

Bei dieser Route kann die Chiralität in einem zweiten Schritt durch Umesterung in das Anion eingebracht werden. Dabei wird das Alkylsulfat mit einem optisch aktiven chiralen Alkohol und einer katalytischen Menge an Säure umgesetzt. Um das Gleichgewicht auf die Produktseite zu verschieben, wird der entstehende kurzkettige Alkohol durch ein mildes Vakuum kontinuierlich abgezogen.106

Abbildung 24: Umesterung eines Alkylsulfates mit einem chiralen Alkohol

Das Produkt kann aufgrund der favorisierten Rückreaktion allerdings nicht in alkoholischen Lösungen zersetzungsfrei verwendet werden. 2.3.3 Quaternisierung mit Halogenalkanen Die am häufigsten verwendete Methode zur Synthese von Imidazoliumkationen ist die Alkylierung mit Halogenalkanen, wobei die entsprechenden Halogenide erhalten werden.

Abbildung 25: Quaternisierung von 1-Alkylimidazol mit einem Halogenalkan

Diese Methode der Alkylierung hat drei entscheidende Vorteile: Zunächst ist eine Vielzahl von günstigen, zum Teil auch funktionalisierten Halogenalkanen kommerziell erhältlich. Zudem läuft die Alkylierung oft unter milden Bedingungen und mit

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vernünftiger Reaktionsgeschwindigkeit ab. Drittens kann das Halogenid-Anion im Anschluss an die Synthese des gewünschten Kations durch Anion-Metathese gegen ein anderes Anion ausgetauscht werden.104 Die Halogenid-ILs selbst werden selten direkt als Lösungsmittel eingesetzt. Ihr Einsatz in katalytischen Prozessen ist stark limitiert, da sie oft als Katalysatorgifte wirken.107 Ein weiterer Punkt, der besonders für prozesstechnische Auslegungen wichtig ist, ist die Korrosivität des Chlorid-Anions. Aus diesen Gründen wird das Halogenid im Anschluss an die Alkylierung meist gegen ein anderes Anion ausgetauscht. Die Schwierigkeit bei der Salzmetathese von Halogeniden besteht in der Vollständigkeit des Austausches. Eine gute Möglichkeit stellen Anionentauscher dar, die sich allerdings eher für den Labormaßstab eignen. Die meist wasserlöslichen Halogenide können z.B. in die Hydroxide überführt und anschließend mit der gewünschten Säure neutralisiert werden. Die Hydroxide sind eine attraktive Zwischenstufe, da sie in reiner Form (also ohne organische Lösungsmittel oder Reste an Edukten) erhalten werden, in verdünnten wässrigen Lösungen meist stabil sind108 und auch die Umsetzung mit der Säure ohne Nebenreaktionen abläuft. Wu et al. konnten auf diese Weise eine Reihe verschiedener [Imidazolium] [Carboxylate] herstellen.109 Alternativ kann der Anionentauscher auch direkt mit dem gewünschten Anion beladen werden, sofern dieses auf dem gewählten Tauscher stabil ist.20 Der Austausch erfolgt dann direkt zu der gewünschten ionischen Flüssigkeit. Die Alternative zur Verwendung eines Anionentauschers ist die klassische Salzmetathese mit Metallsalzen. Dabei werden die Reaktanden einfach in einem Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch vermischt, in dem beide eine möglichst gute Löslichkeit zeigen, damit die Reaktion vollständig abläuft.16 In dem gewählten Lösungsmittel muss das entstehende Metallhalogenid eine sehr geringe Löslichkeit aufweisen, damit es ausfällt und abfiltriert werden kann. Die auf diese Weise hergestellten ILs haben oft noch einen nicht zu vernachlässigenden Gehalt an Halogeniden, da diese in den IL-Lösungen eine verbesserte Löslichkeit als im reinen Lösungsmittel zeigen. Ein Entsalzen der IL mit Wasser ist bei den wasserlöslichen ILs aus offensichtlichen Gründen nicht möglich.104 Die mit Silbersalzen hergestellten ionischen Flüssigkeiten haben meist deutlich geringere Halogenidgehalte als solche, die mit den entsprechenden Natriumsalzen gewonnen wurden. Dies liegt an der stark verringerten Löslichkeit der Silberhalogenide in den meisten Lösungsmitteln. Zwar ist diese Methode der Salzmetathese sehr effizient, die benötigten Silberverbindungen

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sind allerdings meist sehr teuer und/oder müssen selbst hergestellt werden.104 Dies gilt in besonderem Maße für enantiomerenreine Verbindungen. 2.3.4 Verunreinigungen Es ist bekannt, dass Verunreinigungen einen starken Einfluss auf die physiko-chemischen Eigenschaften einer ionischen Flüssigkeit haben. Daher muss bei der Synthese wie der Lagerung der IL auf mögliche Verunreinigungen geachtet werden. Unter der Voraussetzung, dass nur Edukte von hoher Reinheit verwendet werden, sind typische Verunreinigungen:

Organische Verbindungen (z.B. Spuren von Lösungsmitteln, Edukten oder Alkylierungsmitteln aus der Synthese der IL-Vorstufen)

Halogenide aus einer unvollständigen Salzmetathese oder durch Querlöslichkeit des Metallhalogenids in der ionischen Flüssigkeit

Andere Verunreinigungen, die durch Neben- oder Zersetzungsreaktionen entstehen

Wasser, da die meisten ILs hygroskopisch sind Da die üblichen Methoden zur Reinigung chemischer Verbindungen wie Destillation, Umkristallisation oder Säulenchromatographie meist nicht für ionische Flüssigkeiten verwendet werden können, muss während der Synthese sehr umsichtig und akkurat gearbeitet werden und der Ausschluss von Feuchtigkeit bei der Lagerung sichergestellt werden.104 2.4 Methoden zur Enantiomerenanalytik Die Analytik chiraler Verbindungen und die Bestimmung der Zusammensetzungen von Enantiomerengemischen nahm in dieser Arbeit eine zentrale Rolle ein, da die Stereoselektivität verschiedener Reaktionen an ionischen Flüssigkeiten untersucht wurde. Als Maß für die Selektivität wurde der Enantiomerenüberschuss (ee) bestimmt:

%100

SR

SRee Gleichung 2

Die Analytik von Enantiomerengemischen ist oft aufwendiger als von achiralen Verbindungen, da sich Enantiomere hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften wie Schmelz- und Siedepunkte, Dichte oder Viskosität nicht unterschieden.50 Dadurch ergeben sich in den typischen Analyseverfahren, wie NMR, GC oder HPLC für beide Enantiomere die gleichen Verschiebungen bzw. Retentionszeiten.

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Grundsätzlich gibt es drei Möglichkeiten, den ee eines Gemisches zu bestimmen: a) die Racematspaltung, also die Trennung beider Enantiomere durch

Kristallisation o. ä. b) die Umwandlung der Enantiomere in Diastereomere, die dann mit den

üblichen Analyseverfahren trennbar sind oder c) die Analyse des Gemisches an einer chiralen Phase (chirale GC, chirale

HPLC) Sofern nicht die zwingende Notwendigkeit besteht, ein Enantiomer des Gemisches in reiner Form zu erhalten, scheidet Möglichkeit a) aus Praktikabilitätsgründen meist aus. Die Racematspaltung ist oft aufwendig oder verläuft nicht vollständig. Die Möglichkeiten b) und c) sollen im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit für chirale ionische Flüssigkeiten im Folgenden näher erläutert werden. Für eine Einführung in die vorgestellten Methoden selbst sei an dieser Stelle auf die entsprechenden Lehrbücher verwiesen110,111,112. NMR Zur Bestimmung der Enantiomerenreinheit eines chiralen Substrats durch NMR-Spektroskopie eignen sich besonders die 1H- und 19F-NMR-Spektoskopie. Diese sind auch in der Standardmethode quantitativ auswertbar, sofern die Signale gut getrennt und aufgelöst sind.112 Die Vorraussetzung zur Unterscheidung beider Enantiomere ist die Erzeugung von Anisochronie () durch ein chirales Auxiliar. Mit anderen Worten: Es muss ein Diastereomer gebildet oder eine diastereomere Wechselwirkung erzeugt werden. Oft werden diese chiralen Auxiliare kovalent an das Substrat gebunden, wobei die Umsetzung quantitativ, schnell und reproduzierbar ablaufen sollte. Diese Vorgehensweise eignet sich auch für die Analyse ionischer Flüssigkeiten, sofern geeignete funktionelle Gruppen vorhanden sind. Ein typisches Beispiel ist die Umsetzung von Alkoholen oder Aminen mit enantiomerenreinem Moschersäurechlorid (-Methoxy--(trifluormethyl)phenylacetylchlorid).104 Bereits früh wurden auch Konzepte entwickelt, die auf externer Diastereotopizität beruhen, zum Beispiel durch spezifische Wechselwirkungen des Substrates mit einem chiralen Lösungsmittel113, chiralen Komplexbildnern114 oder durch die Umsetzung von racemischen Säuren mit chiralen Basen oder umgekehrt, wobei sich diastereomere Salze bilden.115 Auch chirale sechsfach koordinierte Phosphationen wie TRISPHAT (Tris(tetrachlorbenzoldiolato)phosphat, 22) oder BINPHAT (Bis(tetrachlorbenzoldiolato)-mono([1,1’]-binaphthalenyl-2,2’-diolato)phosphat, 23) eignen sich gut als chirale

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Selektoren für chirale quaternäre Phosphonium- oder Ammoniumionen.116 Im Bereich der ionischen Flüssigkeiten werden meist das Moscherat-Anion27,115a,117 oder Camphersulfonat118 eingesetzt, aber auch chirale Borate119.

Abbildung 26: Chirale Phosphate als chirale Selektoren

Für diese Art von ionischen diastereomeren Wechselwirkungen wird eine starke Abhängigkeit der Signalaufspaltung sowohl von der Konzentration als auch vom verwendeten Lösungsmittel beobachtet. In Übereinstimmung mit den in Kapitel 2.2.2 dargestellten Erkenntnissen ist die Aufspaltung und damit die Wechselwirkung zwischen Anion und Kation in Lösungsmitteln mit kleiner Dielektrizitätskonstante größer. Ähnliches gilt für die Konzentrationsabhängigkeit. Ein besonders anschauliches Beispiel ist die Signalaufspaltung eines Salzes aus racemischem trans-4-(4-Fluorophenyl)-3-hydroxymethyl-1-methylpiperidin und enatiomerenreiner (S)-Moschersäure (24) im 19F-NMR-Spektrum.115a Bis zu einer gewissen Maximalkonzentration steigt die Größe der Aufspaltung mit c an. Nimmt die Konzentration weiter zu, nimmt die Aufspaltung wieder ab.

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Abbildung 27: Signalaufspaltung von 24 im 19F-NMR-Spektrum in Abhängigkeit der Konzentration

Dieses Phänomen lässt sich gut mit der Bildung von Ionenpaaren oder Quadrupolen erklären, in denen die diastereomeren Wechselwirkungen besonders hoch sind. Tatsächlich konnten wir kürzlich zeigen, dass für das Salz [(1R,2S)-Ephedrinium] [(rac)-Moscherat] in deuteriertem Dichlormethan die Peakaufspaltung erst bei einer Konzentration einsetzt, bei der sich Quadrupole in der Lösung bilden.120 GC Die Voraussetzungen für die Analyse einer Substanz per Gaschromatographie sind Flüchtigkeit und thermische Stabilität. Während letztere für ionische Flüssigkeiten meist kein Problem darstellt, ist die Flüchtigkeit nicht gegeben, so dass die IL in neutrale Verbindungen überführt werden muss. Dies ist bei den Kationen fast nur für protische ILs durch Neutralisation problemfrei durchführbar. Für Anionen ist die Neutralisation meist einfacher. So können beispielsweise Carboxylate durch Methylierung in die entsprechenden Methylester überführt werden.

0.045

0.05

0.055

0.06

0.065

0.07

0.075

0 25 50 75 100 125 150

Konzentration von 24 in Benzol-d6 /[mM]

Sig

na

lau

fsp

altu

ng

/ [p

pm

]

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Nach erfolgter Neutralisation kann es nötig sein, eine zusätzliche Derivatisierung durchzuführen, z.B. um die Flüchtigkeit zu erhöhen oder um -NH oder -OH-Guppen zu maskieren. Diese gehen häufig starke Wechselwirkung mit der chiralen Phase ein und durch diese Absorptionsverluste kommt es zu einer erheblichen Verschlechterung der Trennleistung (Tailing) und Nachweisempfindlichkeit.121 Typische Methoden zur Derivatisierung sind Acylierung, Silylierung oder Methylierung, wobei die gewählte Methode schnell, quantitativ und reproduzierbar sein sollte. Dennoch stellt jeder weitere Schritt im Analysegang eine mögliche Fehlerquelle dar. Die Trennung des Analytengemisches an der chiralen stationären Phase erfolgt aufgrund der unterschiedlichen Stabilitäten der diastereomeren Assoziate und ist temperaturabhängig. Im erhaltenen Chromatogramm gibt das Signalverhältnis gut getrennter Enantiomere präzise das Verhältnis der Enantiomere wieder, wobei die Nachweisgrenze für eine enantiomere Verunreinigung bei 0,1% liegt. Eine Zuordnung der Signale zu einem bestimmten Enantiomer und damit die Bestimmung der Absolutkonfiguration ist nur über Referenzsubstanzen möglich.122 HPLC Das Grundprinzip der high performance liquid chromatography (HPLC) ist ähnlich wie das der Gaschromatographie: Ein Analyt in einer mobilen Phase wechselwirkt mit der stationären Phase. Die Trennung des Analyten in seine Bestandteile erfolgt aufgrund der unterschiedlichen Stabilitäten der gebildeten Assoziate. Dabei reichen zur Trennung von Enantiomeren oft schon kleinste Stabilitätsunterschiede von 0,024 kJ/mol aus, um eine ausreichende Trennung der Signale bis auf die Grundlinie zu erreichen. Auch hier erfolgt die Bestimmung der Absolutkonfiguration in der Praxis über die Zugabe einer Referenz mit bekannter Konfiguration.123 Der entscheidende Unterschied zur Gaschromatographie ist, dass bei der HPLC der Analyt in gelöster Form in flüssiger Phase vorliegt. Dadurch ändern sich einer Reihe experimenteller Parameter. Da der Temperaturbereich bei den meisten Geräten nicht sehr weit ist, spielt die Temperatur hier eher eine untergeordnete Rolle, während das Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch als entscheidender Faktor hinzu kommt. Dadurch besteht auch die Möglichkeit, als chiralen Selektor nicht eine chirale stationäre Phase (CSP) zu verwenden, sondern den Selektor der mobilen Phase zuzusetzen. Die HPLC hat gegenüber der GC zwei entscheidende Vorteile. Zum einen kann diese Methode auch im (semi)präparativen Maßstab eingesetzt werden, um

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Enantiomerengemische zu trennen. Zum anderen können auch ionische Substanzen und damit ILs analysiert werden. Dazu werden sog. reversed-phase (RP) Säulen eingesetzt. Diese bestehen aus einer unpolaren stationären Phase, meist modifiziertes Silica, und können mit polaren Lösungsmitteln wie Wasser, Acetonitril oder Alkoholen verwendet werden. Der Einsatz von ionischen Flüssigkeiten in der HPLC beschränkte sich zunächst auf die Zugabe von ILs als Additive zur mobilen Phase, um freie Silanol-Gruppen zu blockieren und so die Analyse basischer Substanzen zu ermöglichen.124 2003 gelang es Stepnowski et al. elf verschiedene IL-Kationen auf der HPLC voneinander zu trennen. Die Detektion erfolgte dabei über einen UV-Detektor.125 Auch die Trennung der Anionen [BF4]-, [SO4]2- und einiger Halogenide ist bereits möglich.126 Für diese Trennungen sind jedoch im Allgemeinen aufwendige Optimierungen von Lösungsmittel, pH-Wert und Additiven notwendig, so dass die Methode noch relativ weit von dem Status der schnellen und effizienten Analytikmethode entfernt ist, den sie für molekulare Verbindungen bereits erreicht hat. Dies liegt vor allem daran, dass über den Retentionsmechanismus von ionischen Flüssigkeiten an den reversed-phase Säulen bisher wenig bekannt ist und ILs auch oft vereinfacht als komplett dissoziierte Salze oder als neutrale Ionenpaare angenommen werden.124,127 Dabei ist gerade der Aspekt der Ionenpaarbildung und auch des Ionenaustausches mit den meist vorhandenen Ionen aus Additiven von großer Bedeutung. Umso erstaunlicher ist, dass dieser Aspekt bisher wenig untersucht ist. Lämmerhofer et al. beschrieben 1996 eine mit Chinin- bzw. Chinidinmolekülen modifizierte chirale RP-Säule als schwachen Anionentauscher: Durch den leicht sauren pH-Wert des verwendeten Lösungsmittels werden die Aminfunktionalitäten des Chinins/Chinidins protoniert, so dass die Wechselwirkungen mit anionischen Substraten wie Säureanionen verstärkt wird.128 In einer Untersuchung zur Trennung von quaternären Ammoniumionen gingen Stojanovic et al. zwar davon aus, dass sich bei Zusatz eines sauren Ionenpaarbildners wie Trifluoressigsäure zu einem zu trennenden IL-Gemisch direkt neutrale Ionenpaare aus den IL-Kationen und dem Anion des Additivs bilden, was zu einer verbesserten hydrophoben Wechselwirkung mit der Säulenoberfläche führen sollte. Gleichzeitig betrachteten sie aber auch die Möglichkeit eines dynamischen Anionenaustausches zwischen dem ursprünglichen IL-Anion und dem Trifluoroacetat an der Säulenoberfläche.124 Ruiz-Angel und Berthod stellten in einer Studie fest, dass der Zusatz von Salzen wie NaCl, Na [H2PO4] oder Na [ClO4] zu der zu trennenden Lösung zwar zu schärferen Signalen und damit zu einer

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verbesserten quantitativen Auswertbarkeit der Chromatogramme für die Kationen führte, sich der Einfluss der ursprünglichen IL-Anionen aber aufhob. Ionische Flüssigkeiten mit gleichem Kation aber unterschiedlichen Anionen konnten nicht mehr getrennt werden.129 Zu einer genaueren Untersuchung dieser Einflüsse und zur Aufklärung der Wechselwirkungsmechanismen untersuchten sie den Zusatz verschiedener Natriumsalze bei der Trennung von EMIM-, BMIM-, HMIM- und OMIM-Kationen genauer.127 Sie konnten zeigen, dass die Anionen der zugesetzen und damit im Überschuss vorhandenen Salze gemäß der Hofmeister-Serie, und damit nach ihrer Hydrophobie, an die Oberfläche der stationären Phase adsorbieren: Cl-, [H2PO4]- < [BF4]-, [ClO4]- < [PF6]-. Diese Anionen sorgten über die Coulomb-WW für eine verstärkte Retention der Kationen, und zwar umso stärker, je fester und zahlreicher diese Anionen an der Oberfläche adsorbiert sind. [PF6]- eignet sich also besonders, um die Retentionszeit zu erhöhen. Geht man davon aus, dass sich zwischen den Ionen der IL (IL+ und IL-) und des zugesetzten Salz (S+ und S-) ein Gleichgewicht während der Ionenpaarbildung einstellt, so liegen in der Lösung vier mögliche Ionenpaare vor:

Diese vier Ionenpaare können zusätzliche hydrophobe Wechselwirkungen mit der mit Anionen mehr oder weniger belegten Oberfläche eingehen oder einen Anionenaustausch durchführen. Wird beispielsweise eine PF6-IL unter Verwendung des weniger stark an die Säulenoberfläche adsorbierenden Natriumchlorids als Additiv analysiert, ist es wahrscheinlich, dass das stark adsorbierende [PF6]- gegen Chlorid ausgetauscht wird und die IL als Chlorid-IL eluiert und detektiert wird.127 Diese Beispiele zeigen, dass noch weiterer Forschungsbedarf besteht und eine Trennung von ILs auf der HPLC nicht trivial ist. Dies ist vermutlich auch der Grund, warum noch keine Enantiomerentrennungen von chiralen ionischen Flüssigkeiten auf der HPLC beschrieben wurden. 2.5 Dielektrische Relaxation und NMR-Spektroskopie zur Bestimmung von Strukturen in Lösung In diesem Kapitel sollen zwei Methoden näher vorgestellt werden, die im Rahmen dieser Arbeit zur Ermittlung der Strukturen von ionischen Flüssigkeiten in Lösung verwendet wurden. Durch diese Methoden konnten Ion-Ion- bzw. Ion-Solvens-Wechselwirkungen untersucht und bestimmt werden. Zum einen wurden mit einer speziellen NMR-Technik (pulsed gradient field spin echo experiment, PGSE) die

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Eigendiffusionskoeffizienten von den Ionen einer IL in Lösung bestimmt, wodurch Parameter wie Dissoziationsgrad und Aggregationszahlen bestimmt werden konnten. Zum anderen wurden im Rahmen einer Kooperation mit Prof. Hermann Weingärtner vom Institut für Physikalische Chemie der Ruhr-Universität Bochum verschiedene Proben mit dielektrischer Relaxationsspektroskopie (DRS) untersucht. 2.5.1 Zweidimensionale NMR-Spektroskopie Die Anwendung spezieller 2D-NMR-Techniken erlaubt die Bestimmung von Selbstdiffusionskoeffizienten von Partikeln, geladenen oder ungeladenen Teilchen oder supramolekularen Strukturen in Lösung. Diese Daten geben detaillierte und meist einfach zu interpretierende Informationen über die molekulare Organisation oder Phasenstrukturen. Der Vorteil der NMR-Spektroskopie gegenüber anderen Techniken ist die Bestimmung der Diffusionskoeffizienten ohne vorherige Isotopenmarkierung auch in Multikomponentensystemen mit guter Präzision und in relativ kurzer Zeit.130 Die Selbstdiffusion von Teilchen in Lösung Durch die in einem System enthaltene Energie bewegen sich die in ihm vorhandenen Teilchen. Neben der makroskopischen Konvektion, die durch Dichte- oder Temperaturunterschiede verursacht wird, unterscheidet man weiterhin zwischen intramolekularen Bewegungen (Rotation um Bindungsachsen, Vibration) und der translatorischen (lateralen) Diffusion von Molekülen und Aggregaten. Das Ergebnis dieser thermischen Eigenbewegung ist die Selbstdiffusion und ein Modell zur Beschreibung der Brown’schen Molekularbewegung.130 In einem homogenen und isotropen System ist die Wahrscheinlichkeit P ein Molekül nach einer Zeit t an einem Punkt r in Abhängigkeit von seinem Startpunkt r0 zu finden:

Dtrr

eDttrrP4

23

0

20

4,, Gleichung 3 Diese radiale Verteilung ist eine Gaussfunktion, die mit der Zeit t anwächst. Der Parameter D, der Diffusionskoeffizient, charakterisiert diese Verteilungsfunktion vollständig und ist nach der Debye-Einstein-Theorie abhängig von einem Reibungsfaktor fT:

T

B

f

TkD Gleichung 4

2. Allgemeiner Teil

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Nimmt man vereinfachend sphärische Moleküle an, ist fT=6rH und es ergibt sich die bekannte Stokes-Einstein-Beziehung131:

H

B

r

TkD

6 Gleichung 5

Dabei ist kB die Boltzmannkonstante, T die absolute Temperatur, die Viskosität des Mediums und rH der hydrodynamische Radius des betrachteten Moleküls. Sind die betrachteten Teilchen nicht kugelsymmetrisch so muss statt des Faktors 6 ein zu bestimmender Faktor c eingeführt werden. Typische Werte für D in flüssigen Systemen bei Raumtemperatur liegen zwischen 10-9 und 10-12 m2s-1.

Messmethode und Pulssequenz der diffusionsbezogenen NMR-Spektroskopie Als eine Erweiterung zur klassischen 2D-NMR-Spektroskopie kann die Einführung weiterer Parameter angesehen werden, die von molekularen Eigenschaften wie Größe, Form, Masse und Ladung abhängen. Diese Informationen sind in den „spin hamiltonians“ und damit in den klassischen Spektren nicht enthalten. Geeignet sind nur solche Parameter, die alle Kerne eines Moleküls gleichermaßen beeinflussen. Dies gilt für die Transporteigenschaften von Molekülen und Ionen wie sie auch in Diffusionsmessungen bestimmt werden. Die Grundidee ist bei diesen Verfahren immer gleich und geht noch auf die ersten Arbeiten von Hahn zurück132: Es wird eine experimentelle Variable eingeführt, die das Antwortsignal beeinflusst. Die erhaltenen Datensätze werden bezogen auf diese Variable ausgewertet, so dass ein Spektrum entsteht, dass die Abhängigkeit von ebendieser Variable (hier eine Transporteigenschaft) wiedergibt. Für die Messung von translatorischen Bewegungen, also der Diffusion, werden gepulste Feldgradienten eingesetzt, deren Intensität variabel ist (pulsed field gradient spin-echo (PGSE) oder pulsed magnetic field gradient (PFG)).130 Alle NMR-Diffusionsexperimente basieren auf der Tatsache, dass der Selbstdiffusionskoeffizient D aus der Signalabschwächung berechnet werden kann, wenn Amplitude und Dauer des Feldgradienten bekannt sind. Man erhält also diffusionsbezogene Spektrensätze, indem die Fläche der Gradientenpulse g erhöht und anschließend die Veränderung der Signalintensität gegen g2 aufgetragen wird (diffusion-ordered spectroscopy (DOSY)). Die logarithmische Auftragung der normierten Signalintensitäten (S/S0) gegen die Gradientenstärke wird nach den Entwicklern dieser Methode auch als Stejskal-Tanner-Plot bezeichnet.133

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Abbildung 28: Signalabschwächung in Abhängigkeit des Feldgradienten g

Abbildung 29: Stejskal-Tanner-Plot des oben gezeigten Datensatzes

Für DOSY-NMR werden Gradientenspulen hoher Qualität benötigt, die eine aktive Abschirmung besitzen und konstante Gradienten auf die Probe einstrahlen können. Die Polarität dieser Gradienten sollte umkehrbar sein und die Pulsfläche sollte 10 ppm überstreichen. Die eingestrahlten Pulse induzieren in der metallischen Umgebung der Probe und im Magneten Wirbelströme (eddy currents), die wiederum langsam abklingende Magnetfelder in der Probe verursachen. Dadurch entstehen Verzerrungen in den Spektren. Es gibt einige bauliche Methoden, diese Wirbelströme zu verringern, diese

2. Allgemeiner Teil

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sind jedoch meist nicht besonders effektiv. Eine gute Möglichkeit ist die Abschirmung des Magnetfelds der Gradientenspule außerhalb der zu messenden Probe.131 Auch durch die Wahl geeigneter Pulssequenzen lassen sich Wirbelströme effektiv reduzieren. Die bei den meisten modernen Experimenten eingesetzte Sequenz ist die BPP-LED-Pulsfolge134 (bipolar pulsed pairs longitudinal eddy current delay). Dabei wird der kurze Gradientenpuls durch zwei Pulse entgegengesetzter Polarität ersetzt. Zwischen diesen beiden Pulsen liegt ein 180°-Radiofrequenzpuls. Die Pulsfolge lautet also (g-180°-(-g)). Der effektive Gradient ist in beiden Fällen gleich, aber durch die entgegengesetzten Polaritäten heben sich die entstehenden Wirbelströme gegenseitig auf. Sind die Abstände zwischen den Pulsen klein ( = 1 mS) können auf diese Weise bis zu 95% der Wirbelströme unterdrückt werden.

Abbildung 30: Pulssequenz für ein bpp-led-DOSY-Experiment

Die Signalabschwächung ist dann mit den experimentellen Parametern über die folgende Gleichung verknüpft135:

3lnln 22

0

Dg

S

SE

g

Gleichung 6

S ist die Signalintensitat, das gyromagnetische Verhältnis, g die Stärke des Feldgradienten, D der Diffusionskoeffizient, die Dauer des eingestrahlten Gradienten und das Intervall zwischen den zwei Gradientenpulsen. Über dieses Verfahren sind in den letzten Jahren die Selbstdiffusionskoeffizienten von Anionen und Kationen verschiedener ionischer Flüssigkeiten unabhängig voneinander bestimmt worden.136

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Bestimmung von Dissoziationsgrad und Aggregationszahlen Handelt es sich bei den Proben um schwache Elektrolytlösungen, kann nach einer modifizierten Nernst-Einstein-Gleichung der Dissoziationsgrad des Elektrolyts bestimmt werden. Dies ist von Watanabe und Hayamizu et al. am Beispiel nicht funktionalisierter ionischer Flüssigkeiten gezeigt worden.135

DDkT

NeD

2

Gleichung 7

Dabei ist D die Leitfähigkeit der Probe, N die Zahl der Kationen pro Volumen, D+ und D- die Diffusionskoeffizienten von Kation und Anion und der Dissoziationsgrad. Es soll bereits hier darauf hingewiesen werden, dass der Dissoziationsgrad kein Maß für die Zahl der Ionenpaare in der Lösung ist, auch wenn der Name dies andeutet. Tatsächlich reflektiert den Grad der Ordnung im Gesamtsystem, wobei die Ordnung umso größer ist, je kleiner ist. Wie bereits oben erläutert, ist der Selbstdiffusionskoeffizient eines Ions zu großen Teilen eine Funktion seiner Größe und Form und über die Stokes-Einstein Gleichung kann der hydrodynamische Radius rH dieses Ions bestimmt werden (siehe Gl. 3) Während jedoch die Temperatur und die Viskosität der Probe leicht messbar sind, muss der Faktor c aus Gl. 5 in einem komplexen Verfahren ermittelt werden. Ein semiempirischer Ansatz zur Bestimmung von c durch Gleichung 8 wurde von der Gruppe von Wirtz entwickelt.

Gleichung 8

Durch Einsetzen in die Stokes-Einstein-Gleichung erhält man:

Gleichung 9

rsolv ist der hydrodynamische Radius des Lösungsmittels und rH der des Solutes. c wird dann durch Iteration mit einem berechneten theoretischen Radius des Solutes als Startwert bestimmt.137 Eine vereinfachte Methode für metallorganische Spezies wurde kürzlich beschrieben.138 Im Zuge unserer eigenen Arbeiten haben wir die Methode für ionische Flüssigkeiten adaptiert.120 Unter der Voraussetzung, dass der hydrodynamische Radius rHst des

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Lösungsmittels bekannt ist und als interner Standard verwendet werden kann, vereinfacht sich die Stokes-Einstein-Gleichung drastisch zu:

sa

H

sa

st

H

st

st

sa

rc

rc

DD Gleichung 10

Das Suffix sa steht für die (IL)Probe, st steht für den Standard, also das Lösungsmittel. Da also die Diffusionskoeffizienten gemessen werden und c durch Iteration bestimmt werden kann, kann der hydrodynamische Radius von Anion und Kation der IL sehr einfach bestimmt werden. Nimmt man nun vereinfachend wieder kugelsymmetrische Ionen an, kann aus den Radien das Volumen der Ionen berechnet werden. Die Volumina können dann mit theoretisch berechneten Werten verglichen werden. Für ionische Flüssigkeiten ist es sinnvoll, das Verhältnis des gemessenen Volumens des Anions oder Kations zum berechneten Volumen des Ionenpaares VcalcIP zu bestimmen, das die durchschnittliche Aggregationszahl N- bzw. N+ darstellt.

IP

calcVVN

//

Gleichung 11

Eine Aggregationszahl von 1 beschreibt ein Kontaktionenpaar (CIP) und ein Wert von 0,5 vollständig dissoziierte Ionen. Höhere Aggregationszahlen N>1 können als höhere Aggregate interpretiert werden.138,139 All diese Annahmen sind nur dann sinnvoll, wenn es sich bei dem verwendeten Lösungsmittel um ein sog. „unschuldiges“ Lösungsmittel handelt, welches kaum oder gar nicht mit den Ionen wechselwirkt, da sonst die Solvathülle die Messungen verfälscht. Gut geeignet für Aggregationsmessungen mit DOSY-NMR-Spektroskopie ist Dichlormethan. 2.5.2 Dielektrische Relaxationsspektroskopie Bei der dielektrischen Relaxationsspektroskopie, kurz DRS, wird die Wechselwirkung einer Probe mit einem sich zeitlich ändernden elektrischen Feld untersucht.140 Dabei spielen verschiedene Mechanismen eine Rolle, je nachdem, wie das Medium auf das angelegte Feld reagiert. Zu einem Mechanismus gehört ein charakteristischer Frequenzbereich, der umgekehrt proportional zur Dauer des Prozesses ist. Mit ansteigender Frequenz spielen folgende Polarisationen eine Rolle:

1. Die dielektrische Relaxation ist im Ganzen betrachtet eine Folge der Bewegung von Dipolen und Ladungsträgern.

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2. Die ionische Verschiebungspolarisation entsteht durch die Leitfähigkeit von Ionen und durch Grenzflächen und Raumladungspolarisationseffekte.

3. Die Orientierungspolarisation entsteht durch die Ausrichtung der (permanenten oder induzierten) Dipole im elektrischen Feld. Die Dauer dieses Prozesses ist stark abhängig von der Viskosität und damit auch der Temperatur des Mediums.

4. Die intramolekulare Polarisation ist die Deformation der Elektronenwolken durch das äußere elektrische Feld.

Abbildung 31: schematische Darstellung eines dielektrisches Relaxations-Spektrums

Die durch das elektrische Feld in der Probe erzeugte Polarisation entspricht dem Produkt des makroskopischen Dipolmomentes der Probe und deren Volumen. Die Polarisation kann entweder als Funktion der Zeit oder als Funktion der Frequenz aufgezeichnet werden, wobei letzteres üblicher ist. Das Antwortsignal wird dann meist als Funktion der komplexen Permittivität angegeben (s. Gleichung 12). Diese beinhaltet alle Beiträge die zur Gesamtpolarisation beitragen und von der Frequenz abhängen. Sie spiegelt somit die Dynamik des untersuchten Systems wieder.

02)(ˆˆ

i Gleichung 12

k entspricht der elektrischen Leitfähigkeit der Probe, o ist die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und i2 = -1.

'''ˆ i Gleichung 13

’() gibt an, in wie weit die Polarisation der Probe dem sich mit der Frequenz ändernden elektrischen Feld folgen kann. Bei niedrigen Frequenzen entspricht sie der

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statischen Permittivität, also der dielektrischen Konstante der Probe. Bei sehr hohen Frequenzen (1-30 THz) wird ein Plateau erreicht, das ∞ entspricht. Es ist definiert als der Bereich, in dem keine Orientierungspolarisation mehr möglich ist. ∞ enthält damit nur Beiträge der intramolekularen Polarisierbarkeit.141 Zwischen diesen beiden Grenzwerten liegt der Dispersionsbereich, in dem die Probe elektromagnetische Strahlung absorbiert. In diesem Bereich wird als Antwortsignal der dielektrische Verlust ’’ erhalten. Obwohl ‘ und ‘‘ durch die Kramer-Kronig-Gleichung miteinander verknüpft sind, sollten sie getrennt voneinander bestimmt werden. Da viele Effekte zum Antwortsignal beitragen, ist es oft schwierig, diese aus dem Gesamtspektrum herauszulesen. Der erste Schritt zur Analyse eines Spektrums ist daher dessen Beschreibung mit einem geeigneten mathematischen Modell. Je nach Modell werden dabei die Fitparameter Si (Amplitude), i (Relaxationszeit) oder i (Resonanzfrequenz) erhalten, die die Natur der Lösung beschreiben. Für detailliertere Erläuterungen zur Datenanalyse sei hier auf die Fachliteratur verwiesen. Gegenüber anderen Techniken weist die DRS einige Vorteile auf141:

Es können Mischungen aller Lösungsmittel und Salze untersucht werden. Die dielektrische Konstante kann direkt bestimmt werden. Schwache Ion-Ion-Wechselwirkungen und SSIPs lassen sich sicher detektieren. Die Bestimmung verschiedener supramolekularer Aggregate wie z.B. Micellen

ist möglich. Man erhält Informationen über die Solvatation, die Thermodynamik und die

Kinetik der gelösten Stoffe. Durch die hohe Bandbreite können Prozesse beobachtet werden, die auf sehr unterschiedlichen Zeitskalen stattfinden (Nano- bis- Femtosekunden). Demgegenüber steht eine Reihe von Nachteilen, die zum Teil technisch bedingt sind. Die Spektrometer haben nur eine begrenzte Bandbreite, so dass ein vollständiges Spektrum meist nicht mit einem Gerät, sondern nur in Kombination mehrerer Geräte aufgenommen werden kann. Durch die bereits erwähnten Überlappungen verschiedener Effekte kommt es zu einer leichten Messungenauigkeit. Problematischer ist jedoch der Mangel an Referenzdaten, die zur Auswertung benötigt werden. Insbesondere bei Temperaturen ≠ 25 °C ist die Datenlage ungenügend, wodurch sich auch größere Fehler einschleichen können. Hinzu kommt, dass die Methode bei kleinen Frequenzen limitiert ist, da ‘‘ kleiner wird als der Fehler im Antwortsignal.141

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Durch die Kombination verschiedener Spektrometer und die Verwendung physikalisch sinnvoller Modelle und Annahmen lassen sich die meisten dieser Nachteile jedoch gut in den Griff bekommen.

3. Ergebnisse und Diskussion

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3. Ergebnisse und Diskussion In vielen Fällen wird die Enantioselektivität der asymmetrischen Hydrierung durch einen chiralen Katalysator gesteuert. Andere Möglichkeiten der Stereokontrolle bieten enzymatische Reaktionen, die Verwendung enantiomerenreiner, natürlich vorkommender Edukte („chiral pool“), die Einführung chiraler Auxiliare während der Synthese oder eine an die Reaktion anschließende Racematspaltung. Eine bislang wenig erforschte Variante ist der Chiralitätstransfer über interionische Wechselwirkungen. Dabei wurde der Effekt der chiralen Erkennung zwischen Ionen bereits 1931 von Pfeiffer beschrieben142. Das chirale Gegenion Camphersulfonat (CSS) ist in der Lage, durch diastereoselektive Wechselwirkungen an einem konfigurativ labilen komplexierten Metallkation Stereoselektivität zu erzeugen. Dieser Effekt lässt sich auf ionische Flüssigkeiten übertragen. Vorarbeiten in dieser Arbeitsgruppe haben gezeigt, dass die Hydrierung von in Ethanol gelöstem [N-(3‘-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (25) an dem achiralen Katalysator Ruthenium auf Aktivkohle (Ru/C) zu einem signifikanten Enantiomerenüberschuss im chiralen Kation der Produkt-IL führte.19

Abbildung 32: Hydrierung einer IL mit keto-funktionalisiertem prochiralen Kation und enantiomerenreinem Anion

Bei der Interpretation dieser Ergebnisse ging man davon aus, dass die Chiralität nur durch eine intensive Wechselwirkung der chiralen Anions mit dem prochiralen Kation übertragen werden konnte. Eine chirale Vergiftung der Katalysatoroberfläche durch das Gegenion Camphersulfonat, wie sie in ähnlicher Weise für Tartrate beschrieben wurde, konnte durch ein Kontrollexperiment ausgeschlossen werden. Dazu wurde das neutrale prochirale Substrat Acetophenon unter den gleichen Bedingungen (60 °C, 60 bar H2) hydriert wie die ionische Flüssigkeit. Dem System wurde Natrium [(+)-(S)-Camphersulfonat] als chirales Katalysatorgift in ausreichender Menge zugesetzt, um die gesamte Katalysatoroberfläche zu belegen, dennoch konnte im Produkt kein Enantiomerenüberschuss festgestellt werden.19 Der Effekt der Chiralitätsübertragung während einer Reaktion durch interionische Wechselwirkungen wurde im Rahmen dieser Arbeit bezüglich der Polarität des


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Reaktionsmediums, der Konzentration der gelösten Reaktanden sowie der sterischen und elektronischen Eigenschaften der beteiligten Ionen genauer untersucht. Zusätzlich wurde versucht, das Konzept auf andere Reaktionen zu übertragen. 3.1 Keto-funktionalisierte Imidazolium-ILs mit Camphersulfonat-Anionen 3.1.1 Synthese Zunächst wurden fünf verschiedene prochirale imidazolbasierte ILs synthetisiert und in der asymmetrischen Hydrierung untersucht. Alle basierten auf dem chiralen Anion (+)-(S)-Camphersulfonat und einem Imidazoliumkation, das an einem der beiden Stickstoffatome eine keto-funktionalisierte Seitenkette trug. [N-(3‘-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (25) diente als Beispiel für ein N,N-dialkyliertes Imidazoliumsalz mit relativ kurzer Seitenkette. Um eine Aussage über den möglichen Einfluss des Abstandes des prochiralen Carbonyl-C vom Imidazolring und damit dem Zentrum der positiven Ladung treffen zu können, wurde [N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (26) synthetisiert, in dem die Seitenkette um zwei zusätzliche CH2-Gruppen verlängert war. Ebenso wurden die beiden protonierten ILs [N-(3‘-Oxobutyl)-imidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (27) und [N-(5‘-Oxohexyl)-imidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (28) hergestellt. Diese bieten die Möglichkeit, durch einfache basische Aufarbeitung der hydrierten IL chirale und neutrale Aminoalkohole zu erhalten. Als fünftes System diente [N-(5‘-Oxohexyl)-1,2-dimethylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (29). In diesem war das acide Proton am C-2 des Imidazolrings durch eine Methylgruppe substituiert.

Abbildung 33: Synthese von [N-(3‘-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat]

Im ersten Schritt der Synthese von 25 wurde aus 1-Methylimidazol und stöchiometrischen Mengen von enantiomerenreiner (+)-(S)-Camphersulfonsäure das Salz 30 gebildet (s. Abb. 33). Dieses wurde anschließend in einer Michael-artigen Reaktion mit Methylvinylketon zur prochiralen IL [N-(3‘-Oxobutyl)-N-methylimidazolium]


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[(+)-(S)-Camphersulfonat] 25 umgesetzt. 25 ist ein hochviskoses, leicht braunes Öl, sehr hygroskopisch sowie luft- und temperaturstabil. Für die Synthese von [N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (26) wurde eine andere Syntheseroute gewählt. Zunächst wurde 1-Methylimidazol mit 1-Chlor-5-hexanon lösungsmittelfrei alkyliert, wobei die entsprechende Chlorid-IL erhalten wurde. Diese wurde im zweiten Schritt über einen Anionentauscher zum Camphersulfonat umgesetzt. Durch ständige Kontrolle des Eluats mit Silbernitratlösung konnte ein vollständiger Austausch im Rahmen der Nachweisgrenze für Cl- sichergestellt werden.

Abbildung 34: Synthese von [N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat]

Analog zu dieser Route konnte ebenfalls die in C-2 Position substituierte IL 29 dargestellt werden. Als Edukt wurde 1,2-Dimethylimidazol verwendet.

Abbildung 35: Synthese von [N-(5‘-Oxohexyl)-1,2-dimethylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat]

Das Produkt wurde als weißer Feststoff erhalten, der insgesamt eine deutlich schlechtere Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln zeigte als die nicht substituierten ILs. Für die Synthese der beiden protischen ILs 27 und 28 wurden zunächst die neutralen Imidazolderivate N-(3‘-Oxobutyl)imidazol (31) und N-(5‘-Oxohexyl)imidazol (32) hergestellt. Diese Zwischenstufen waren im Gegensatz zu den ionischen Zwischenprodukten leicht durch Säulenchromatografie zu reinigen. 31 konnte wie bereits für 25 beschrieben durch eine Michael-artige Reaktion aus Imidazol und Methylvinylketon erhalten werden und war temperaturempfindlich. Die Zersetzung auf Grund der thermodynamisch bevorzugten Retro-Michael-Reaktion zu den Edukten setzte bereits bei Raumtemperatur ein. 32 konnte durch Umsetzung von Imidazol und 1-Chlor-5-hexanon in einer Phasentransferkatalyse in NaOH dargestellt werden und


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war, wie vermutet, im Gegensatz zu 31 stabil. Beide Imidazole konnten durch Zugabe stöchiometrischer Mengen von (+)-(S)-Camphersulfonsäure leicht zu den entsprechenden protischen ILs umgesetzt werden.

Abbildung 36: Synthese der protonierten imidazoliumbasierten Camphersulfonate

3.1.2 Hydrierung und Bestimmung des erhaltenen Enantiomerenüberschusses Bei den Hydrierungen der verschiedenen ionischen Flüssigkeiten musste durch die Wahl gleichbleibender Reaktionsbedingungen die Vergleichbarkeit der einzelnen Versuche untereinander gewährleistet werden. Sofern nicht anders aufgeführt, wurden alle Versuche in einem 300 ml Parr-Autoklaven bei 60 °C und 60 bar Wasserstoffdruck für eine Dauer von 16 Stunden durchgeführt. Zum Teil waren zum Erreichen des Vollumsatzes längere Reaktionszeiten notwendig. Der Reaktor war mit einer internen Kühlung, einem Thermofühler und einem Heizmantel ausgestattet. Über zwei Gaseinlassventile konnte der Reaktortopf mit Argon bzw. Wasserstoff befüllt werden. Der Druck wurde nach beendeter Reaktion über das Gasauslassventil abgelassen. Die Durchmischung erfolgte über einen Gaseintragsrührer bei 1200 U/min, so dass ein guter Wasserstoffeintrag in das Reaktionssystem gewährleistet war. Um die Abhängigkeit des Chiralitätstransfers von der Konzentration der IL zu untersuchen, wurde meist eine Versuchsreihe mit sechs verschiedenen Konzentrationen (0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,3 und 0,5 mol/l) durchgeführt. Die ILs wurden vor dem Hydrieren im Vakuum getrocknet, um den Wassergehalt zu minimieren. Anschließend wurden sie in dem entsprechenden Lösungsmittel in der gewünschten Konzentration gelöst und mit dem festen Katalysator versetzt. Im Vergleich zu den in der Literatur beschriebenen Versuchen wurde jedoch die Katalysatormenge von 50 Gew.% (bezogen auf die IL) auf 10 Gew.% reduziert. Die Reaktion war auch mit geringerer Katalysatorbeladung nach der beschrieben Zeit beendet und auch der Enantiomerenüberschuss war reproduzierbar. Die Verringerung


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ermöglichte neben der erheblichen Kosteneinsparung auch eine deutliche Vereinfachung und Beschleunigung der Aufarbeitung der Hydrierungsprodukte, da geringere Mengen des sehr feinen Katalysators abfiltriert werden mussten. Nach Beendigung der Reaktion und dem Abfiltrieren des Katalysators wurde das Lösungsmittel entfernt und so das Reaktionsprodukt erhalten. Die Bestimmung des Enantiomerenüberschusses war bei allen Systemen mit einer mehrstufigen Derivatisierung verbunden, da keine Möglichkeit gefunden wurde, den ee direkt zu bestimmen. Für alle dialkylierten Imidazolium-ILs wurde im Anschluss an die Hydrierung ein Austausch des Camphersulfonats gegen das [NTf2]--Anion vorgenommen. Durch die Umsetzung mit enantiomerenreinem -Methoxy--trifluormethylphenylessigsäurechlorid (Moschersäurechlorid) in trockenem Dichlormethan und unter Schutzgas wurden zwei diastereomere Ester erhalten, von denen der Diastereomerenüberschuss durch 19F-NMR-Spektroskopie bestimmt werden konnte. Der Reaktionsmischung wurden geringe Mengen Amin zugesetzt, um das Gleichgewicht auf die Produktseite zu verschieben.

Abbildung 37: Synthese diastereomerer Ester aus hydroxy-funktionalisierten chiralen Imidazolium-Kationen und Moschersäurechlorid

Die aufwendige Probenvorbereitung war notwendig, da das reaktive Moschersäurechlorid mit dem Camphersulfonat oder eventuell vorhandenem Wasser Nebenreaktionen eingeht, die die Auswertung der Spektren erschweren. Die Spektren wurden unter Verwendung einer Kapillare mit dem internen Standard Trifluortoluol aufgenommen und auf diesen referenziert. Zudem wurden die chemischen Verschiebungen der Signale der häufigsten Nebenprodukte (nicht umgesetztes Moschersäurechlorid, durch Hydrolyse entstandene freie Moschersäure oder Reaktionsprodukte mit dem zugesetzten Amin) durch Blindproben bestimmt, so dass die Signale der diastereomeren Ester zweifelsfrei zugeordnet werden konnten. Der Diastereomerenüberschuss wurde aus den Integralstufenhöhen der Signale der beiden


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Ester bestimmt und entsprach dem ee im Kation der hydrierten IL. Diese Methode lieferte zuverlässig und reproduzierbar die gewünschten Enantiomerenüberschüsse, sofern die Reaktion vollständig ablief, keine weiteren Signale durch Verunreinigungen in der IL im Spektrum vorhanden waren und der Shim am Spektrometer gut eingestellt war. In diesem Fall waren die Signale der Ester ausreichend aufgelöst.

Abbildung 38: Beispiel eines 19F-NMR-Spektrums zur Bestimmung des Enantiomerenünerschusses im Kation [N-(5‘-hydroxohexyl)-N-methylimidazolium]

Da diese Voraussetzungen nicht bei allen Proben gegeben waren, wurden von jeder hydrierten IL mehrere Proben derivatisiert, um eine verlässliche Aussage über den ee treffen zu können. Da aus den protonierten ILs 27a und 28a durch Neutralisation neue, ungeladene Verbindungen gewonnen werden können, wurde versucht, für diese Systeme eine einfachere Methode zur ee-Bestimmung zu entwickeln, um so die o. g. arbeits- und kostenintensive Methode zu ersetzten. Das Kation des Hydrierungsproduktes 27a sollte durch Waschen mit verdünnter Natronlauge neutralisiert und anschließend mit Dichlormethan aus der wässrigen Phase extrahiert werden. In einer Lösung der protonierten IL besteht jedoch ein Gleichgewicht zwischen der ionischen Form und den neutralen Molekülen Camphersulfonsäure und N-(3‘-Oxobutyl)imidazol. Dieses


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Gleichgewicht verschiebt sich umso mehr nach rechts, je unpolarer das Lösungsmittel ist. Dies führte dazu, dass stets etwas temperaturempfindliches N-(3‘-Oxobutyl)imidazol in der Reaktionsmischung vorlag und sich unter den Reaktionsbedingungen der Hydrierung zersetze. Durch diese Zersetzungsreaktion wurde das Gleichgewicht noch stärker nach rechts verschoben.

Abbildung 39: Gleichgewicht zwischen der neutralen und der ionischen Form der protonierten IL in Lösung

Wie die Lage des Gleichgewichtes war auch der Gehalt an Zersetzungsprodukten im Produkt abhängig von der Polarität des Lösungsmittels. Während nach der Hydrierung in wässrigen Systemen kaum Zersetzungsprodukte gefunden wurden, waren es in Ethanol schon erhebliche Mengen. Bei Verwendung von THF als Lösungsmittel konnte nach der Hydrierung von 27 kaum das Wunschprodukt gefunden werden. Durch die Vielzahl der Nebenprodukte und damit auch der nach der Extraktion mit Dichlormethan erhaltenen Substanzen war die ee-Bestimmung problematisch. Die einzelnen Spezies konnten im NMR nicht bestimmt werden und auch im GC-Spektrum war eine Zuordnung nicht zuverlässig möglich. Es wurde daher auf die oben beschriebene Methode mit Moschersäurechlorid zurückgegriffen. Diese ermöglichte, wenn auch begrenzt, die Auswertung der in Wasser und Ethanol erhaltenen Proben. Sämtliche in THF hydrierten Proben mussten aufgrund der hohen Menge an Zersetzungsprodukten verworfen werden. Für die IL mit der 5‘-Oxohexylseitenkette (28) traten wegen der nicht stattfindenden Retro-Michael-Reaktion diese Probleme nicht auf. Der neutrale chirale Aminoalkohol 33 konnte durch Neutralisation und Extraktion mit Dichlormethan in sauberer Form erhalten werden.

Abbildung 40: Hydrierung einer protonierten IL und Isolierung des chiralen Aminoalkohols


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Zur Bestimmung des Enantiomerenüberschusses wurde ein GC-Spektrum unter Verwendung einer chiralen Säule aufgenommen. Dabei konnte keine Trennung der der Enantiomere erreicht werden. Zur Verbesserung der Aufspaltung wurde die Hydroxygruppe mit dem Derivatisierungsreagenz MBTFA (N-Methyl-bis(trifluoracetamid)) umgesetzt. Es konnte keine wesentliche Verbesserung der Aufspaltung erreicht werden. Dies war vermutlich auf die Aminfunktionen des Imidazols zurückzuführen, die ebenfalls zu stärkerem Tailing führen, jedoch nicht derivatisiert werden konnten. Da eine Bestimmung mir gaschromatografischen Methoden nicht möglich war, wurde der Aminoalkohol unter Eiskühlung mit enantiomerenreinem (S)-Camphansäurechlorid und Tripropylamin als Base umgesetzt.

Abbildung 41: Veresterung des chiralen Aminoalkohols 33 mit enantiomerenreinem Camphansäurechlorid

Nach Aufarbeitung und Reinigung der Produktmischung durch Säulenchromatografie über Kieselgel wurden die diastereomeren Ester 34 erhalten. Der Diastereomerenüberschuss konnte im 1H-NMR-Spektrum bestimmt werden, da die Signale der beiden Methylgruppen am Camphangerüst eine ausreichende Aufspaltung zeigten.


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Abbildung 42: Bestimmung des Enantiomerenüberschusses im Kation von [N-(5‘-Hydroxohexylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat]

3.1.3 Wechselspiel von Ionenpaarbildung und Enantiomerenüberschuss Wie bereits zu Beginn des Kapitels beschrieben, wurde für die Hydrierung von [N-(3‘-Oxobutylimidazol)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (25) in Ethanol eine signifikante Chiralitätsübertragung vom Anion auf das prochirale Kation während der Hydrierung beobachtet. Bereits in den Vorversuchen konnte eine Abhängigkeit des Chiralitätstransfers von der Konzentration der Lösung beobachtet werden und wurde auf die Bildung von Ionenpaaren zurückgeführt. Neben der Konzentrationsabhängigkeit des Enantiomerenüberschusses wurden im Rahmen dieser Arbeit eine Reihe weiterer Abhängigkeiten gefunden, die in den folgenden Abschnitten diskutiert werden. Konzentrationsabhängigkeit Der in der Literatur beschriebene Trend wurde in einer Reproduktion der Ergebnisse bestätigt. Als weitere Arbeitsgrundlage wurde angenommen, dass die Informationsübertragung nur dann möglich ist, wenn zwischen Anion und Kation


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während der Hydrierung ein enger Kontakt besteht, sie also ein Ionenpaar (CIP) bilden. Die Bildung der Ionenpaare ist, wie in Kap. 2.2 beschrieben, ebenfalls stark konzentrationsabhängig. Weiterhin wurde bei allen weiteren Betrachtungen angenommen, dass die Verhältnisse in der Lösung mit denen an der Katalysatoroberfläche vergleichbar sind. In Tabelle 3 sind die Enantiomerenüberschüsse für das Kation von 25a nach der Hydrierung bei verschiedenen Konzentrationen aufgeführt. Man erkennt, dass der ee bis zu einem Maximalwert von 94 % bei einer Konzentration von 0,3 mol/l ansteigt und anschließend wieder abnimmt. Bei niedrigen Konzentrationen werden auch nur geringe ees erzielt, offensichtlich solvatisiert Ethanol in diesem Bereich die einzelnen Ionen der IL gut, Anion und Kation haben kaum direkten Kontakt zueinander.

Tabelle 3: Enantiomerenüberschüsse im Kation von 25a in Abhängigkeit der Konzentration in Ethanol

Konzentration / [mol/l]

Konzentration / [mol/mol]

Ethanol

ee im Kation 25a / %

0,05 2,92 18

0,1 5,83 55

0,15 8,75 72

0,2 11,66 64

0,3 17,49 94

0,5 29,16 80

Mit steigender Konzentration nimmt auch die Anzahl der CIPs zu, während der Anteil an vollständig solvatisierten Ionen oder nur durch ihre Solvathüllen getrennten Ionenpaaren abnimmt. Dadurch wird der Chiralitätstransfer effektiver. Nimmt die Konzentration jedoch über einen Maximalwert hinaus zu (hier 0,3 mol/l) nimmt der ee wieder ab. Der Kontakt zwischen den Anionen und Kationen muss also wieder schwächer werden. Dies lässt sich durch die Bildung von höheren Aggregaten aus mehreren Ionenpaaren erklären. In diesen ist der Kontakt möglicherweise weniger eng oder die sterische Anordnung der Ionen zueinander für einen effektiven Chiralitätstransfer weniger günstig. Clusterbildung oder Aggregation wurde bereits für verschiedene ILs bei höheren Konzentrationen gefunden (Kap. 2.2). Diese Konzentrationsabhängigkeit des Enantiomerenüberschusses zeigte sich, wenn auch in unterschiedlichem Ausmaß, für alle weiteren Hydrierungsversuche. In den Vorarbeiten war von N. Müller19 bereits mit einem neutralen Substrat nachgewiesen worden, dass keine chirale Vergiftung der Katalysatoroberfläche durch das chirale Anion erfolgt. In einem weiteren Referenzexperiment sollte die Vergleichbarkeit der Verhältnisse in der Lösung und am Katalysator gezeigt werden.


67

Dazu wurde eine 1:1-Mischung aus 25 und achiralem [N-(3‘-Oxobutylimidazol)-N-methylimidazolium] [Methylsulfat] in einer Gesamtkonzentration von 0,3 mol/l in Ethanol hydriert. Bei dieser Konzentration wurde für 25 der höchste ee gefunden, d.h. der Kontakt von Anion und Kation ist optimal. Unter der Voraussetzung, dass die in Lösung vorliegenden Spezies an der Katalysatoroberfläche bestehen bleiben, wurde erwartet, dass sich durch die Zugabe eines achiralen Anions der ee signifikant verringert, da ein großer Teil der prochiralen Kationen in Gegenwart des achiralen Anions hydriert wird. Tatsächlich sank der ee von 94% auf 19%. Das zeigt, dass die Ionenpaare für den Zeitraum der Hydrierung am Katalysator stabil sind. Lösungsmittelabhängigkeit Wenn die Effektivität des Chiralitätstransfers von der Ionenpaarbildung abhängt, muss auch die Polarität des Lösungsmittels einen entscheidenden Einfluss haben. Analog zu den Experimenten in Ethanol wurde daher eine Reihe von Hydrierungen in Wasser durchgeführt. In Tabelle 4 kann man erkennen, dass hier die Enantiomerenüberschüsse deutlich geringer ausfielen, was durch die stärkere Solvatationskraft des polareren Wassers verursacht wird. Im Bereich geringer Konzentration liegen deutlich mehr Ionen komplett solvatisiert vor als in Ethanol bei gleicher Konzentration. Zudem wurde der maximale ee von 54 % bereits bei einer Konzentration von 0,15 mol/l erreicht. Die ideale Ionenpaarkonfiguration wird möglicherweise in Wasser gar nicht gebildet oder ist wesentlich instabiler.

Tabelle 4: Enantiomerenüberschüsse im Kation von 25a in Abhängigkeit verschiedener Lösungsmittel


Ethanol Wasser THF

ee im Kation 25a / % ee im Kation 25a / % ee im Kation 25a / %

0,05 18 8 29

0,1 55 27 56

0,15 72 54 75

0,2 64 42 58

0,3 94 4 40

0,5 80 3 29

Zusätzlich wurden die Hydrierungen für [N-(3‘-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] auch in THF durchgeführt. Aufgrund der geringeren Polarität dieses Lösungsmittels wurden mehr Kontaktionenpaare und damit ein sehr effektiver Chiralitätstransfer erwartet. Es stellte sich jedoch heraus, dass bei geringen Konzentrationen (0,05-0,15 mol/l) die Enantiomerenüberschüsse annähernd mit denen


68

in Ethanol vergleichbar waren und bei höheren Konzentrationen der IL bereits deutlich abfielen. Der maximale ee von 75 % wurde bereits bei 0,15 mol/l erreicht. Vermutlich bilden sich in THF bereits deutlich eher größere Aggregate der ionischen Flüssigkeit in Lösung, durch die die Chiralitätsübertragung behindert wird. Weiterhin fällt beim Vergleich der Lösungsmittel Wasser, Ethanol und THF auf, dass in Ethanol die Konzentrationsabhängigkeit des Enantiomerenüberschusses am stärksten ausgeprägt ist. Vermutlich erlaubt Ethanol konzentrationsabhängig verschiedene Arten der Ionenkonfiguration in denen die chirale Induktion unterschiedlich effektiv ist. Die Hydrierungen vergleichbarer Systeme wurden daher, sofern möglich, in diesem Lösungsmittel durchgeführt. Der sterische Einfluss der keto-funktionalisierten Seitenkette Neben dem sicherlich großen Einfluss des Lösungsmittels sollte auch die Abhängigkeit des Abstandes zwischen der prochiralen Ketogruppe und dem Imidazoliumkern auf den Enantiomerenüberschuss untersucht werden. Diese Experimente ermöglichten ein besseres Verständnis der sterischen Einflussfaktoren für einen effektiven Chiralitätstransfer.

Abbildung 43: Variation des Abstandes zwischen der prochialen Ketogruppe und dem Imidazoliumkern

Daher wurde [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (26), in dem der Abstand um zwei CH2-Gruppen vergrößert war, unter den gleichen Bedingungen in Ethanol und THF hydriert wie [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat]. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt. In beiden Lösungsmitteln waren die Verläufe der Enantiomerenüberschüsse in Abhängigkeit der Konzentration annähernd vergleichbar. Es fiel jedoch auf, dass bei sehr geringen Konzentrationen (0,05 mol/l) in beiden Lösungsmitteln deutlich höhere Enantiomerenüberschüsse für die IL mit der längeren Seitenkette erhalten wurden. Der maximal erreichte ee fiel für [N-(5’-Hydroxohexyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (26a) aber sowohl in Ethanol als auch in THF geringer aus.


69

Tabelle 5: Enantiomerenüberschüsse in den Kationen von 25a und 26a nach Hydrierung in Ethanol und THF.


Ethanol THF

ee im Kation 25a / % ee im Kation 26a / % ee im Kation 25a / % ee im Kation 26a / %

0,05 18 35 29 57

0,1 55 40 56 52

0,15 72 82 75 70

0,2 64 67 58 38

0,3 94 45 40 24

0,5 80 14 29 29

Der Grund für diesen Verlauf konnte noch nicht geklärt werden. Annahmen hierzu müssen als Spekulation betrachtet werden. Eine Möglichkeit wären Wasserstoffbrückenbindungen zwischen dem aciden C-2-Proton und der Ketogruppe der Seitenkette oder der Sulfonatgruppe des Anions. Während vermutlich in beiden Fällen H-Brücken mit dem Anion ausgebildet werden können, werden bei der intramolekularen Wasserstoffbrückenbindung zwei unterschiedlich große Ringe gebildet, in denen die Ketogruppe von einer Seite durch den Imidazolring abgeschirmt wird.

Abbildung 44: Mögliche intramolekulare Wasserstoffbrückenbildung im prochiralen Kation

Die bei der Ausbildung der Wasserstoffbrückenbindungen frei werdende Energie wurde für beide Ringsysteme mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie bestimmt*. Wie erwartet ist die Ausbildung des 7-Ringes im [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] mit 21,0 kJ/mol gegenüber 11,2 kJ/mol für den 9-Ring im [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] energetisch bevorzugt. Durch die Verlängerung der Seitenkette verändert sich also die Konformation des Kations in Lösung, wodurch auch ein Effekt auf die Chiralitätsübertragung hervorgerufen wird. Da nicht geklärt werden konnte, inwieweit die Ringbildung konzentrationsabhängig ist und ob sie sich günstig oder ungünstig auf die Ionenpaarbildung auswirkt, bleibt offen, ob dies tatsächlich die alleinige Ursache für die unterschiedlichen Verläufe der Enantiomerenüberschüsse war.

* Verwendet wurde ein GGA Funktional PW91 mit DND Basissatz.


70

Der Einfluss intermolekularer Wasserstoffbrückenbindungen Die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen dem aciden C-2-Proton und der Sulfonatgruppe des Anions sollte die Bildung von engen Ionenpaaren fördern. Um dies zu überprüfen, wurde das Proton durch eine Methylgruppe substituiert, wodurch die Wasserstoffbrückenbindungsbildung nahezu vollständig unterdrückt wurde. Die so erhaltene IL 29 wurde ebenfalls unter Standardbedingungen in Ethanol und THF hydriert. Allerdings war die Löslichkeit der IL in THF begrenzt, daher wurden nur die Proben bis zu einer Konzentration von 0,2 mol/l eingesetzt. Tatsächlich war der erhaltene Enantiomerenüberschuss bei dem substituierten System in beiden Lösungsmitteln bei fast allen Konzentrationen deutlich geringer. Lediglich bei sehr verdünnten Lösungen in THF wurden vergleichbare ees erzielt. Auffällig war auch, dass der ee mit bis zu 56 % (c = 0,15 mol/l in THF) immer noch signifikant hoch war.

Tabelle 6: Enantiomerenüberschüsse im Kation von 29a nach Hydrierung in Ethanol und THF


Ethanol THF

ee im Kation 26a / % ee im Kation 29a / % ee im Kation 26a / % ee im Kation 29a/ %

0,05 35 7 57 53

0,1 40 34 52 41

0,15 82 21 70 56

0,2 67 39 38 16

0,3 45 38 24 nicht löslich

0,5 14 11 29 nicht löslich

Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Wasserstoffbrückenbildung zwischen Anion und Kation einen entscheidenden Einfluss hat. Zusätzlich zur stets vorhandenen Coulomb’schen Anziehung zwischen den gegensätzlich geladenen Ionen, die zur Bildung von Ionenpaaren führt, werden diese vermutlich durch die H-Brücken stabilisiert und so der Chiralitätstransfer verbessert. Es wäre allerdings auch möglich, dass zusätzlich zu dem Effekt der räumlichen Nähe von Anion und Kation auch die exakte sterische Anordnung eine Rolle spielt, z.B. die Abschirmung einer diastereotopen Seite durch das Anion. Mit den bisher vorliegenden Daten konnte hierzu noch keine Aussage getroffen werden. Hydrierung von protonierten Systemen Zusätzlich zu den dialkylierten Systemen wurden auch die protonierten ILs 27 und 28 in der Hydrierung eingesetzt. Dies war aus mehreren Gründen interessant.


71

Zunächst sollte der Einfluss des Protons bzw. der Methylgruppe am Stickstoff auf den Chiralitätstransfer geklärt werden. Außerdem sollten aus den Reaktionsprodukten durch basische Aufarbeitung die chiralen Aminoalkohole gewonnen werden und so die Anwendbarkeit der Methode auf die Synthese chiraler, hoch funktionalisierter, ungeladener Produkte ausgeweitet werden. Zudem sollte sich die Enantiomerenanalytik vereinfachen. Wie bereits in Kap. 3.1.2 gezeigt, war letzteres nicht der Fall, insbesondere nicht für [N-(3’-Oxobutyl)imidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (27). Diese IL konnte wegen des vorliegenden Gleichgewichtes zwischen den ionischen und neutralen Spezies und der Temperaturempfindlichkeit des neutralen 3’-Oxobutylimidazols (31) nur in Wasser und Ethanol hydriert werden (s.o.), da hier das Gleichgewicht weit genug auf der Seite der IL lag. Vergleicht man die erhaltenen Enantiomerenüberschüsse der korrespondierenden ILs 25a und 27a nach der Hydrierung in Wasser, fällt auf, dass sie sich kaum unterscheiden. Dies lässt zwei Schlussfolgerungen zu. Zunächst kann man davon ausgehen, dass das Gleichgewicht bei der Hydrierung von 27 nahezu vollständig auf der Seite der ionischen Spezies lag, da keine Zersetzungsprodukte gefunden wurden. Zum anderen scheint die N-Methylgruppe keinen wesentlichen Einfluss auf die Ionenpaarbildung zu haben. Unterschiede zeigten sich erst bei hohen Konzentrationen. Die protonierte IL hatte scheinbar eine höhere Tendenz zur Aggregatbildung.

Tabelle 7: Vergleich der Enantiomerenüberschüsse im Kation von 25a und 27a nach Hydrierung in Wasser und Ethanol


Wasser Ethanol

ee im Kation 25a / % ee im Kation 27a / % ee im Kation 25a / % ee im Kation 27a/ %

0,05 8 - 18 -

0,1 27 36 55 28

0,15 54 41 72 -

0,2 42 50 64 44

0,3 4 38 94 54

0,5 3 36 80 44

In Ethanol wurden dagegen für die hydrierte IL 27 deutlich geringere Enantiomerenüberschüsse gefunden als für die methylierte IL 25. Nach den obigen Überlegungen ist dies jedoch weniger auf den Einfluss der Alkylgruppe zurückzuführen, sondern eher das Resultat der veränderten Gleichgewichtslage. Durch den erhöhten Anteil neutraler Moleküle in Ethanol im Vergleich zu Wasser wurde die mittlere Wechselwirkung zwischen der Imidazolspezies und der chiralen


72

Camphersulfonsäure geschwächt. Dies führte zu einer verringerten Anzahl bzw. Destabilisierung der Ionenpaare (CIPs) und damit zu einem weniger effektiven Chiralitätstransfer. Im Anschluss an die Versuche mit [N-(3’-Oxobutyl)imidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (27) wurde ein Versuch bei verdünnter Konzentration (0.09 mol/l in Ethanol) mit [N-(5’-Oxohexyl)imidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat]) (28) durchgeführt. Auf das screening der gesamten Konzentrationsreihe wurde hier verzichtet, da kein wesentlicher Erkenntniszuwachs zu erwarten war. Es sollte gezeigt werden, dass so tatsächlich stabile chirale Aminoalkohole synthetisiert werden konnten. Nach der Bestimmung des ees über die Veresterung mit Camphansäurechlorid wurde jedoch nur ein ee von 8% gefunden. Dies war weniger als erwartet. Sowohl der Enantiomerenüberschuss für [N-(3’-Hydroxobutyl)imidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (27a) war bei dieser Konzentration in Ethanol deutlich höher (ca. 28 %), als auch der entsprechende ee für [N-(5’-Hydroxohexyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (26a) (ca. 40 %). Vermutlich liegt bei IL 28 das Gleichgewicht in Ethanol noch stärker auf der Seite der neutralen Spezies als für die entsprechende protonierte IL 27 mit der kürzeren Seitenkette. Bei genügender Optimierung der Reaktionsbedingungen wäre es sicherlich möglich, höhere Enantiomerenüberschüsse zu erzielen. Dennoch muss bezweifelt werden, dass über interionische Wechselwirkungen die chirale Information so effektiv übertragen werden kann, dass diese Methode zur Synthese chiraler Aminoalkohole eingesetzt werden kann. 3.1.4 Untersuchung der Ionenassoziation mit analytischen Methoden Die bei der Hydrierung der keto-funktionalisierten Imidazolium Camphersulfonate erhaltenen Ergebnisse sollten durch eine unabhängige analytische Methode verifiziert werden. Wie bereits in Kap. 2.5 gezeigt wurde, ist die diffusionsbezogene NMR-Spektroskopie (DOSY-NMR) eine sehr vielfältige und leistungsstarke Methode, um Transporteigenschaften von diffundierenden Teilchen in Lösungen zu messen. Die Diffusionskoeffizienten der Ionen einer IL können unabhängig voneinander bestimmt werden. Durch die Kombination der Diffusionskoeffizienten mit Leitfähigkeitsmessungen kann der Dissoziationsgrad der IL in der Lösung bestimmt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde für verschiedene keto-funktionalisierte Imidazolium ILs in mehreren Lösungsmitteln bestimmt.


73

Zusätzlich wurde eine Methode zur Bestimmung der Aggregationszahl N für ionische Flüssigkeiten adaptiert. Bestimmung des Dissoziationsgrades Zur Bestimmung der Diffusionskoeffizienten von Anionen (D-) und Kationen (D+) der ionischen Flüssigkeiten wurden DOSY-Spektren mit der bpp-led-Pulssequenz aufgenommen. Die Auftragung der normierten Signalintensitäten (S/S0) gegen den steigenden Feldgradienten (Stejskal-Tanner-Plot) führte zu einer Geraden aus deren Steigung sich die Koeffizienten berechnen ließen. Um aussagefähige Werte zu erhalten, mussten bei der Probenvorbereitung und der Messung einige Punkte berücksichtigt werden. Zunächst wurden alle Proben unter Schutzgas eingewogen und die Öffnung der Probenröhrchen verschmolzen, um sicherzustellen, dass die Konzentration sich nicht durch Verdunstung des Lösungsmittels veränderte. Es wurden Proben von den Konzentrationen angesetzt, die während der Hydrierung die maximale chirale Induktion zeigten bzw. von den benachbarten Konzentrationen. Die Messungen erfolgen bei erhöhter Temperatur (30 bzw. 40 °C), um die Verhältnisse im Reaktor besser wiederzugeben. Eine noch höhere Temperatur zu wählen, war nicht sinnvoll, da eine homogene Aufheizung des Probenröhrchens im Spektrometer nicht gewährleistet war. Dies hätte zu einer Überlagerung der Eigendiffusion und des Stofftransportes auf Grund des Temperaturgradienten geführt. Je nach Konzentration und damit Viskosität der Probe mussten sowohl die Dauer des eingestrahlten Gradientenpulses als auch die Zeit zwischen den Gradientenpulsen angepasst werden. Bei konzentrierten Proben wurden diese verlängert ( 2 ms und = 200 mS), um eine signifikante Signalabschwächung zu erhalten. Für verdünnte Proben wurden kürzere Zeiten verwendet ( = 1 ms und = 100 mS), um auch für höhere Feldgradienten noch aus dem Rauschen auflösbare Signale zu erhalten. Schließlich wurden sowohl für das Anion als auch für das Kation mehrere Signale ausgewählt, die sich nicht mit anderen überlagerten und aus diesen der Mittelwert der Signalintensität ermittelt. Es wurde jeweils auf die Signalintensität bei niedrigstem Feldgradienten S0 normiert. Aus den Stejskal-Tanner-Plots wurden über Gleichung 6 die Diffusionskoeffzienten bestimmt. Um den Dissoziationsgrad nach der modifizierten Stokes-Einstein-Gleichung berechnen zu können, musste zusätzlich die Leitfähigkeit der Probe bei gleicher Temperatur und Konzentration bestimmt werden. Dies erfolgte mit einer mit


74

Platinmohr beschichteten Platinelektrode. Alle Proben wurden vor und während der Messungen in einem Thermostaten temperiert, um isotherme Bedingungen zu garantieren. In dem gewählten Konzentrationsrahmen war die Leitfähigkeit direkt proportional zu Konzentration und Temperatur. In Tabelle 8 sind die erhaltenen Werte für die IL 25 in Ethanol zusammengefasst.

Tabelle 8: Berechnung des Dissoziationsgrades für [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] in Ethanol

T = 40 °C, Ethanol

c / [mol/l] D / [mS/cm] D+/ [m2/s] D- / [m

2/s]

0,15 1,70 1,22 * 10-9

7,46 * 10-10

0,16

0,2 2,09 2,59 * 10-9

2,44 * 10-9

0,06

0,3 2,80 7,85 * 10-9

9,73 * 10-9

0,01

0,5 4,22 7,34 * 10-10

3,80 * 10-10

0,21

Bei der Interpretation der erhaltenen Werte für ist zu beachten, dass diese lediglich die relative Ordnung in einem System beschreiben. Je geringer , desto höher ist die Ordnung im System. Obwohl der Name und die Größenordnung der Werte zwischen 0 und 1 dieses vermuten lassen, handelt es sich nicht um den Prozentsatz der dissoziierten Ionenpaare. Da für den Chiralitätstransfer innerhalb der IL [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] 25 eine starke Abhängigkeit von der Polarität des Lösungsmittels gefunden wurde, sollte zunächst diese Beobachtung mit Hilfe der Analytik näher untersucht und verifiziert werden. Dazu wurden die Werte von für 25 in Wasser, Ethanol und THF bei verschiedenen Konzentrationen bestimmt.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

c(25) / [mol/l]

Dissoziationsgrad von 25 in Ethanol


75

Abbildung 45: Abhängigkeit des Dissoziationsgrades von der Konzentration von 25 in Ethanol und Wasser

Der Verlauf von in Ethanol und Wasser spiegelte den Verlauf der Enantiomerenüberschüsse wider und das Minimum von (maximale Ordnung) wurde tatsächlich bei der Konzentration gefunden, bei der die höchste chirale Induktion erfolgte. Während auf dem linken Ast der Kurve vermutlich ein höherer Anteil dissoziierter Ionnepaare vorliegt (SIs oder SSIPs), überwiegt auf dem rechten ansteigenden Ast eher die Aggregation zu höhermolekularen Clustern. Diese erhöht die Unordnung im System, da sich in den Aggregaten wiederum Kontaktionenpaare lösen können. Weiterhin fiel auf, dass die Absolutwerte von in Wasser deutlich größer waren als in Ethanol. Da Wasser eine höhere Polarität aufweist als Ethanol, liegt der Anteil dissoziierter Ionenpaare von 25 bei gleicher Konzentration höher, damit erhöht sich die Unordnung im System und wird größer. Gleichzeitig wurden bei der Hydrierung von 25 in Wasser generell kleinere Enantiomerenüberschüsse im Kation des Produktes gefunden. Auch in diesem stimmten die Ergebnisse aus den Hydrierungen mit den analytischen Daten überein. Die für THF erhaltenen Daten waren nicht so eindeutig zu interpretieren.

0,66

0,68

0,7

0,72

0,74

0,76

0,78

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

c(25) / [mol/l]

Dissoziationsgrad von 25 in Wasser


76

Abbildung 46: Abhängigkeit des Dissoziationsgrades von der Konzentration von 25 in THF

Die im Vergleich zu den in wässrigen und ethanolischen Lösungen um etwa eine Größenordnung verringerten -Werte gaben wieder, dass in THF eine deutlich höhere Ordnung vorliegen sollte als in den polaren Lösungsmitteln. Diese höhere Ordnung schien aber kein Vorteil für den Chiralitätstransfer zu sein, da in THF geringere ees erhalten wurden als in Ethanol. Eine Vermutung war, dass hier zwar geordnete Strukturen aus Anionen und Kationen gebildet wurden, diese jedoch in einem anderen, für den Chiralitätstransfer ungünstigeren räumlichen Verhältnis zueinander standen als in Wasser oder Ethanol. Möglich wären Quadrupole oder noch höher aggregierte Spezies. Auch der Verlauf der Kurve gab den Verlauf der Enantiomerenüberschüsse nicht so eindeutig wieder wie in den oben diskutierten Fällen. Während bei höheren Konzentrationen wie erwartet anstieg und eine deutliche Aggregation der IL vermuten ließ, blieb der Wert bei Konzentrationen kleiner 0,2 mol/l annähernd konstant. Anhand der Schwankungen im ee, der in diesem Konzentrationsbereich maximal wurde, könnte man wiederum vermuten, dass hier verschiedene kleinere aber definierte Aggregate vorlagen, die aber einen unterschiedlich effektiven Chiralitätstransfer erlaubten. Eine eindeutige Aussage war mit den vorhandenen Daten nicht möglich. Für die substituierten Analoga von 25, [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] 26 und [N-(5’-Oxohexyl)-1,2-dimethylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] 29, wurden die DOSY-Daten in Ethanol aufgenommen, da in diesem Lösungsmittel die besten Enantiomerenüberschüsse erzielt wurden.

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

c(25)/ [mol/l]

Dissoziationsgrad von 25 in THF


77

Abbildung 47: Abhängigkeit des Dissoziationsgrades von der Konzentration von 26 und 29 in Ethanol

Beeindruckenderweise wurden auch in diesen Fällen Minima für bei der Konzentration maximalen Chiralitätstransfers gefunden. Die Absolutwerte von lagen in der gleichen Größenordnung wie für [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (25) in Ethanol. Die Kombination aus DOSY-NMR und Leitfähigkeitsmessung stellt also eine leistungsfähige Methode dar, den Konzentrationsbereich für die Bildung geordneter Strukturen und damit für einen wahrscheinlichen maximalen Chiralitätstransfer zu bestimmen. Dies kann bei künftigen Experimenten bereits im Vorfeld als schnelle Methode zur Abschätzung des Konzentrationsbereiches und damit zur Minimierung des Material- und Zeitaufwandes eingesetzt werden. Ein Nachteil der Methode ist

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35

c(26) / [mol/l]


0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

c(29) / [mol/l]



78

allerdings die ungenügende Aussage über die genauen Verhältnisse in der Lösung. Weder die Zahl der Ionen, die an einer gebildeten Spezies beteiligt sind (Ionenpaar, Quadrupol o.ä.) noch die sterische Anordnung der Ionen zueinander innerhalb einer solchen Spezies kann bestimmt werden. Letzteres könnte evtl. durch NOE-Experimente möglich sein. Bestimmung der Aggregationszahl N Um präzisere Aussagen über das System IL/Lösungsmittel zu ermöglichen, sollte die bei verschiedenen Konzentrationen vorliegende Aggregationszahl N bestimmt werden, also die mittlere Zahl der Teilchen, die an der in Lösung vorliegenden Spezies beteiligt sind. Eine Methode zur Bestimmung von N wurde von Macchioni für organometallische Komplexe entwickelt und hier am Lehrstuhl für ionische Flüssigkeiten angepasst.120,138,139 Das Verfahren beruht ebenfalls auf DOSY-Messungen, die allerdings in Dichlormethan durchgeführt werden mussten, um die Wechselwirkungen zwischen Solvat und Solvens zu minimieren. Andernfalls würden neben den Ionenclustern auch Ionen-Lösungsmittel-Cluster detektiert und so das Messergebnis verfälschen. Aus diesem Grund war ein direkter Vergleich der erhaltenen Aggregationszahlen mit den erhaltenen Enantiomerenüberschüssen nicht möglich. Die Hydrierungen zusätzlich in Dichlormethan durchzuführen war ebenfalls nicht sinnvoll, da Dichlormethan den heterogenen Katalysator erheblich hemmt. Trotz dieses Nachteils wurden von dem Experiment wertvolle Hinweise zur Clustergröße der betrachteten ILs in organischen Lösungsmitteln erwartet. Die Probenvorbereitung und Vermessung verlief wie bei der Bestimmung des Dissoziationsgrades, allerdings wurde der gesamte messbare Konzentrationsbereich (1·10-4 bis 2 mol/l) untersucht und die Temperatur während der Messung betrug 20 °C. Aus den ermittelten Diffusionskoeffizienten wurden unter Verwendung des Lösungsmittels als internem Standard die hydrodynamischen Radii von Anion und Kation bestimmt. Dazu wurde die vereinfachte Stokes-Einstein-Gleichung verwendet.

sa

H

sa

st

H

st

st

sa

rc

rc

DD Gleichung 14

Das Suffix sa steht für die IL-Probe (sample), st steht für den Standard, also das Lösungsmittel, c wurde durch Iteration bestimmt. Zur besseren Übersichtlichkeit wurde hier nur der für die Hydrierungsergebnisse relevante Konzentrationsbereich bis etwa 1 mol/l ausgewählt.


79

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

N

c(25) / [mol/l]

Aggregationszahl von 25 in Dichlormethan

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

N

c(26) / [mol/l]



80

Abbildung 48: Aggregationszahlen der verschiedenen [N-Methylimidazolium] [Camphersulfonate] in CD2Cl2

Für das ursprüngliche System [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (25) wurden bis zu Konzentrationen von 0,2 mol/l tatsächlich Aggregationszahlen zwischen 1 und 2, also Kontaktionenpaare und Quadrupole gefunden. Die Bildung dieser Spezies schien also wie bereits nach den Hydrierungen vermutet, eine Voraussetzung für einen erfolgreichen Chiralitätstransfer zu sein. Für IL 26, die eine um 2 CH2-Spacer verlängerte Seitenkette aufwies, wurden im gleichen Konzentrationsbereich leicht verringerte Aggregationszahlen gefunden, was auch die geringere asymmetrische Induktion erklärt. Es war bemerkenswert, dass für die C-2-substituierte IL [N-(5’-Oxohexyl)-1,2-dimethylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (29) über einen größeren Konzentrationsbereich dissoziierte Ionen (N ≈ 0,5) gefunden wurden als für die nicht substituierten Systeme. Dies bestätigte erneut die hohe Bedeutung des aciden C-2-Protons bzw. der Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zur Ionenpaarbildung. Trotz des prinzipiellen Nachteils durch die Festlegung des Lösungsmittels auf Dichlormethan konnte durch die erhaltenen Ergebnisse die Bedeutung der Ionenpaarbildung für den Chiralitätstransfer weiter untermauert werden. Dielektrische Relaxationsspektroskopie In einem weiteren Ansatz, die experimentell gefundenen Effekte mit analytischen Daten zu erklären und die Vorgänge bei der Ionenpaarbildung und Aggregation besser zu quantifizieren, wurde [N-(3‘-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (25) als Testsystem mit dielektrischer Relaxationsspektroskopie

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

N

c(29) / [mol/l]



81

(DRS) untersucht. Dazu wurde die komplexe dielektrische Permettivität () in Abhängigkeit der Frequenz zwischen 10 MHz und 20 GHz aufgenommen. Diese Arbeiten und insbesondere die Datenauswertung fanden im Rahmen eines Kooperationsprojektes mit Prof. H. Weingärtner an der Ruhr-Universität Bochum statt. Um optimale Messbedingungen zu garantieren, wurde THF als Lösungsmittel gewählt. Auf Grund seiner geringen Polarität und Viskosität ist in THF die Mode* des Lösungsmittels nur schwach ausgeprägt und gut von der Mode des Ionenaares getrennt. Die DRS-Daten umspannen den Konzentrationsbereich von 0,05 bis 1 mol/l und geben damit ein präzises Bild von der Ionenpaarbildung und den interionischen Wechselwirkungen in den Lösungen wider, für die die katalytischen Daten erhoben wurden. Aus () kann über die Kramers-Kronig-Gleichung der dielektrische Verlust ‘‘ bestimmt werden, der als überlagerte Information auch den Ohm‘schen Verlust enthält, aus dem wiederum die elektrische Leitfähigkeit abgeleitet werden kann. Aus der Leitfähigkeit lassen sich Rückschlüsse auf den Anteil der geladenen Spezies in der Probe und den effektiven Dissoziationsgrad eff ziehen. Abbildung 49 zeigt den Verlauf der molaren Leitfähigkeit = /c über drei Größenordnungen der IL-Konzentration von c = 0,01 bis 1 mol/l. Bei geringen Konzentrationen (c < 0,05 mol/l) gilt:

eff = , Gleichung 15

wobei 0 die Grenzleitfähigkeit für eine unendliche Verdünnung von 25 in THF ist. Diese wurde mit Hilfe der Viskosität des Lösungsmittels (Walden Regel) und der Ionengröße (Stokes) von ähnlichen, bekannten Systemen zu

0 = 85 Scm2/mol

abgeschätzt. Bei höheren Konzentrationen, wie sie in den katalytischen Experimenten vorlagen, wird die Leitfähigkeit durch die sich erhöhende Viskosität der Lösung beeinflusst und wird besser durch den folgenden Ausdruck beschrieben: eff =

, mit

0 als der Viskosität des reinen THF. Die Viskositäten der Probelösungen sind in Tabelle 9 angegeben.

Tabelle 9: Viskositätsdaten für 25 in THF bei 25 °C

* Als Moden werden in der Physik die stationären Eigenschaften stehender und fortlaufender Wellen bezogen auf ihre longitudinale und transversale Energieverteilung bezeichnet. Ein Spektrum wird als monomodal bezeichnet, wenn die Kurve nur ein Maximum aufweist. Bei zwei Maxima spricht man von bimodalen, bei mehreren Maxima von multimodalen Spektren.


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Konzentration c / [mol/l]

Viskosität/ [mPa s]

0,05 0,463

0,1 0,505

0,15 0,555

0,2 0,597

0,3 0,778

0,5 1,38

Abbildung 49: Abhängigkeit der molaren Leitfähigkeit (in Scm2/mol, Quadrate, durchgezogene Linie, linke Achse) und des effektiven Dissoziationsgrades eff (gestrichelte Linie, rechte Achse) von der Konzentration von 25 in THF

In Abb. 49 ist neben der molaren Leitfähigkeit auch der Verlauf des effektiven Dissoziationsgrades angegeben (gestrichelte Linie). eff wird mit steigender Konzentration von 25 schnell kleiner und durchschreitet bei c = 0,025 mol/l ein Minimum. In diesem Bereich überwiegt das Gleichgewicht zwischen freien Ionen und Ionenpaaren. Über das Ostwald’sche Verdünnungsgesetz (Gleichung 16) kann daraus eine Ionenpaarassoziierungskonstante von KA = 1,5 · 107 l/mol bestimmt werden.

Gleichung 16

Mit dem elektrostatischen Modell nach Bjerrum wird für das verwendete System ein maximales KA von 5 · 105 l/mol erwartet. Die Abweichung wird durch nicht-elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den Ionen der IL verursacht, insbesondere durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen dem aciden Proton am C-


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2-Atom des Imidazoliumrings und dem Anion. Dies legt auch die starke Verschiebung der C-2-Protonen von 9,87 bis 9,79 ppm im 1H-NMR-Spektrum nahe.

Abbildung 50: Gefittetes Spektrum des dielektrischen Verlustes nach Korrektur des Ohm’schen Verlustes von 25 in THF bei 25 °C.

Genauere Informationen zu den in der Lösung vorliegenden Spezies ließen sich aus den DR-Spektren gewinnen. In Abb. 50 ist für eine Konzentration von 25 von c = 0,2 mol/l der gefittete dielektrische Verlust ‘‘() (nach der Korrektur des Ohm‘schen Verlustes) gegen die Frequenz aufgetragen. Das Spektrum des reinen THF ist monomodal. Zwar konnten mit dem verwendeten Spektrometer nur der Frequenzbereich bis ca. 20 GHz abgedeckt werden, die Ergebnisse stimmen dort aber sehr gut mit den Literaturdaten überein, die bis zu Frequenzen von 100 GHz bekannt sind (gestrichelte Linie). Das Maximum von ‘‘() bei 70 GHz konnte mit der vorhandenen Ausrüstung nicht aufgezeichnet werden. Mit der Zugabe von 25 nimmt die Intensität dieses Hochfrequenzsignals ab, während eine Solvatmode bei kleineren Frequenzen erscheint. Auch hier lag die THF-Mode im nicht messbaren Bereich (gestrichelte Linie). In den bimodalen Spektren sind sowohl Beiträge des Lösungsmittels wie der IL enthalten. Dabei war die IL-Mode für alle Konzentrationen breiter als für einen einfachen Relaxationsprozess zu erwarten gewesen wäre. Vermutlich überlappen die Beiträge verschiedener Prozesse. Die IL-Mode wurde mit Hilfe der symmetrischen Cole-Cole Relaxationszeitverteilung parametrisiert (Gleichung 17).

Gleichung 17


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Dabei ist der Beitrag der k-ten Mode zur Permettivität. Die Parameter sind die Relaxationsamplitude Sk, die zentrale Relaxationszeit k und ein empirischer Parameter 0 ≤ h < 1, der die Spanne der Relaxationszeitverteilung beschreibt. Für ein monodisperses System ist h = 0. Die Ergebnisse sind in Abb. 51-53 dargestellt.

Abbildung 51: Verlauf des Weitenparameters h mit der Konzentration

Der Verlauf des empirischen Parameters h spiegelt eine breite Verteilung der Relaxationszeiten des Solvats wider. Bei sehr kleinen Konzentrationen von 25 kann h gegen 0 extrapoliert werden, was dafür spricht, dass in diesem Bereich Ionenpaare die vorherrschende relaxierende Spezies darstellen. Zwar besitzen auch freie Ionen ein elektrisches Dipolmoment, dieses ist jedoch vergleichbar klein und es liegen auch nur geringe Konzentrationen freier Ionen vor. Aus den Relaxationszeiten 1 des Solvats (Abb. 52) wurde über die hydrodynamische Stokes-Einstein-Debye-Gleichung (SED) das effektive Volumen und damit auch der „Stokes-Radius“ R der solvatisierten Spezies bestimmt. Eine Extrapolation in den Bereich großer Verdünnungen ergab R 0,25 nm. Obwohl die Methode nicht exakt ist, erlaubte sie doch die Abschätzung, dass eher CIPs vorlagen als die größeren, durch Lösungsmittel getrennten SSIPs. Der Anstieg von R mit höheren Konzentrationen zeigt die beginnende Assoziation der solvatisierten Ionen zu Kontaktionenpaaren und schließlich zu neutralen Quadrupolen.


85

Abbildung 52: Verlauf der Relaxationszeit und des effektiven hydrodynamischen Radius R von 25 (Die gestrichelte Linie basiert auf einer Extrapolation der gemessenen Viskositätsdaten.)

Aus dem Verlauf der Relaxationsamplitude S1 (s. Abb. 53) konnte mit dem Cavell-Modell das effektive Dipolmoment bestimmt werden. Dieses war ebenfalls konzentrationsabhängig und konnte für hohe Verdünnungen auf den Wert m = 20 D (1 D = 3,30 · 10-30 C·m). Dieser Wert entspricht den Erwartungen für Kontaktionenpaare großer organischer Ionen. Die Verringerung des effektiven Dipolmomentes mit steigender Konzentration ist wiederum die Folge der Bildung von Aggregaten mit kleinerem Dipolmoment, wie zum Beispiel neutralen Quadrupolen mit antiparalleler Anordnung der zugrunde liegenden Ionenpaare.


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Abbildung 53: Verlauf der statischen dielektrischen Konstante der Lösung und der Solvatbeitrag S1 zu

Für Konzentrationen c > 0,3 mol/l durchlaufen h, 1 und R Maxima. In diesem Konzentrationsbereich beginnen Ionenpaare und Quadrupole in der überschüssigen IL zu redissoziieren, was wahrscheinlich zu Strukturen ähnliche wie in Salzschmelzen führt. Nach Auswertung der in der DRS erhaltenen Daten kann davon ausgegangen werden, dass [N-(3‘-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] (25) in THF bei hoher Verdünnung hauptsächlich als neutrales Ionenpaar neben wenigen freien Ionen vorliegt. Dies erklärt, warum bei einer Konzentration von 0,05 mol/l in THF höhere Enantiomerenüberschüsse (29%) erzielt wurden als in Ethanol (18%). Mit steigender Konzentration von 25 bilden sich größere Ionencluster, zunächst hauptsächlich neutrale Quadrupole, die sich bei sehr hohen Konzentrationen in der IL selbst wieder auflösen, wodurch die Ordnung im System verloren geht. Damit wird auch erklärbar, warum nach Überschreitung eines Maximalwertes der Konzentration sich die Chiralitätsübertragung verschlechtert. Die ursprüngliche Hypothese, dass sich höhere Aggregate bilden, konnte durch die DRS deutlich verfeinert werden. Interessant ist der Vergleich der Absolutwerte der Konzentrationen bei denen mit DRS ein minimaler eff gefunden wurde (0,025 mol/l) mit dem Werten aus der Katalyse und den DOSY-Experimenten (0,15 mol/l). Dies deutet darauf hin, dass in


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dem hier untersuchten System der beste Chiralitätstransfer nicht wie ursprünglich angenommen im Ionenpaar sondern, eher in kleineren, sehr geordneten Aggregaten wie Quadrupolen stattfindet. 3.2 Keto-funktionalisierte Imidazolium-ILs mit anderen chiralen Anionen Die bisherigen Untersuchungen, die sich auf das chirale Anion [(+)-(S)-Camphersulfonat] beschränken, sollten auf andere chirale Anionen ausgeweitet werden. Der Fokus lag dabei auf der Untersuchung eines möglichen Einflusses der ladungstragenden Gruppe des Anions auf die Stärke der interionischen Wechselwirkungen. Nach den Betrachtungen zur Polarität von IL-Anionen (Kap. 2.2) war dies wahrscheinlich. Es sollten daher zusätzlich zum bisher betrachteten Sulfonat auch chirale Sulfate und Carboxylate eingesetzt werden. 3.2.1 Auswahl verschiedener Anionen und Entwicklung der Syntheserouten Als mögliche geeignete Carboxylate wurden die Anionen von Milchsäure, Mandelsäure und Tetrahydrofuran-2-carbonsäure ausgewählt.

Abbildung 54: Chirale Carbonsäuren zur Synthese von keto-funktionalisierten Imidazolium Carboxylaten

Als Vertreter eines chiralen Sulfats wurde das Umesterungsprodukt aus Methylsulfat und (S)-2-Methylbutanol ausgewählt.

Abbildung 55: Das chirale Alkylsulfat kann durch Umesterung mit Methylbutanol erhalten werden

Synthese der Carboxylate Zunächst sollten die verschiedenen [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [Carboxylate] synthetisiert werden, da mit dem entsprechenden Camphersulfonat die höchsten Enantiomerenüberschüsse erhalten wurden. Analog zur beschriebenen Route für das Camphersulfonat wurde 1-Methylimidazol mit je einem Äquivalent der Säure umgesetzt. Bei der anschließenden Michael-Addition von Methylvinylketon konnte


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jedoch auch nach mehrtägigem Refluxieren in Ethanol kein vollständiger Umsatz erreicht werden. Die Säurestärke der nur mittelstarken Carbonsäuren reichte nicht aus, um die schwache Base Methylimidazol (pKB = 6,6) vollständig zu protonieren, was die weitere Umsetzung erschwerte. Da eine direkte Umsetzung nicht erfolgreich war, wurde aus [Methylimidazolium] [Chlorid] und Methylvinylketon [N-(3’Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [Chlorid] hergestellt, aus dem im nächsten Schritt durch Anionenaustausch die Carboxylate gewonnen werden sollten.

Abbildung 56: Michael-Addition von Methylvinylketon an [Methylimidazolium] [Chlorid]

Zur Herstellung des Lactats wurde das erhaltene Chlorid über einen mit [Natrium] [(S)-Lactat] beladenen Anionentauscher eluiert. Über dieses Verfahren kann eine hohe Reinheit des Produktes erreicht werden, da das Chlorid nahezu vollständig ausgetauscht wird. Zudem werden durch die Verwendung von [Natrium] [Lactat] statt wässriger Milchsäurelösung Verunreinigungen mit dimerisierter Milchsäure vermieden. Allerdings führte der stark basische Anionentauscher zu einer vollständigen Racemisierung des Lactats, da in -Position zur Carbonylgruppe leicht deprotoniert werden kann. Die Racemisierung ließ sich durch chirale GC nachweisen. In Abbildung 57 sind die Spektren von Milchsäuremethylester dargestellt, der durch Veresterung aus enantiomerenreinen [Natrium] [Lactat] bzw. dem Eluat der Anionentauschersäule erhalten wurde.

Abbildung 57: GC-Spektrum von enantiomerenreinem (S)-Milchsäuremethylester (links) und Milchsäuremethylester aus Lactat nach Kontakt mit einem basischen Anionentauscher (rechts)


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Zusätzlich zur Racemisierung des Anions war auch das Kation unter den basischen Bedingungen der Säule nicht stabil, im 1H-NMR-Spektrum konnten zusätzliche Signale von Zersetzungsprodukten gefunden werden. Vermutlich wird durch die basische Umgebung die Retro-Michael-Reaktion begünstigt.

Abbildung 58: Mechanismus der Retro-Michael-Reaktion unter basischen Bedingungen

Da ein Anionenaustausch über die Säule ausschied, wurden verschiedene Alternativen getestet. Eine Umsetzung von [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [Chlorid] mit Silber(I)oxid zum Hydroxid, das dann direkt mit der Carbonsäure umgesetzt werden kann, schied aufgrund des ebenfalls basischen Charakters des Silberoxids aus. Auch die Umsetzung des Chlorids mit den entsprechenden Natriumcarboxylaten in trockenem Aceton war unbefriedigend. Der Austausch verlief nicht vollständig, der Chloridgehalt in der erhaltenen IL war zu hoch. Zudem konnte auch hier eine Zersetzung des Kations beobachtet werden. Durch den Einsatz selbst hergestellter Silbercarboxylate konnte das Silberchlorid vollständig ausgefällt werden, die erhaltene IL war nach Silbernitrattest chloridfrei. Allerdings hatte diese Methode einige entscheidende Nachteile: Der Umsatz der Carbonsäure mit Ag2O zum Silbercarboxylat verlief nicht vollständig, die genaue Konzentration an Silbercarboxylat in der Lösung war also nicht bekannt. In der Folge wurde nach Zugabe dieser Lösungen zum [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [Chlorid] bis zum negativen Cl--Nachweis ein Kation/Anion-Verhältnis von 1/1,6 erhalten. Zudem wurden auch hier Zersetzungsprodukte des Kations gefunden. Als die konjugierten Basen von schwachen Säuren (pKS ~ 3-4) sind Carboxylate selbst ausreichend basisch, um das acide Proton am C-2 des Imidazoliumkations zu abstrahieren, und begünstigen so die Retro-Michael-Reaktion. Dieses Problem tritt bei einer Kombination mit den Salzen von starken Säuren (pKS ~ 0-2) wie Chlorid, Sulfat oder Sulfonat nicht auf. Die [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium]-ILs mit diesen Anionen waren stabil. Aufgrund der Vielzahl der synthetischen Probleme wurden als Alternative [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Mandelat] und [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Tetrahydrofuran-2-carboxylat] hergestellt. Als gemeinsames Zwischenprodukt der


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Syntheserouten wurde wie oben beschrieben [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Chlorid] durch Alkylierung von Methylimidazol mit 1-Chlor-5-hexanon synthetisiert. Der Einsatz einer Anionenaustauschersäule schied für die Salzmetathese aus Kostengründen aus, da größere Mengen der Säure zum Beladen der Säule benötigt wurden. Auf der Grundlage der Erfahrungen mit den [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium]-Salzen wurde ein Austauschverfahren mit Hilfe von Ag2O entwickelt. Das Chlorid wurde in wässriger Lösung mit equimolaren Mengen von Mandelsäure bzw. Tetrahydrofuran-2-carbonsäure und einem leichten Überschuss an Silber(I)oxid stark gerührt. Der Reaktionsfortschritt konnte über den Chloridgehalt in der wässrigen Lösungen leicht verfolgt werden war innerhalb weniger Minuten komplett.

Abbildung 59: Synthese von [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Carboxylat] durch Anionenmetathese mit Silber(I)oxid

Der Niederschlag konnte leicht abfiltriert werden. Bei zu langer Reaktionsdauer löste sich Silber in der entstandenen IL, konnte jedoch in heißem Aceton wieder ausgefällt werden. Die so erhaltenen Carboxylate enthielten nach ICP-Analyse weniger als 1 Gew.% Silber und konnten in der Hydrierung eingesetzt werden. Synthese der Sulfate Zur Synthese der chiralen Sulfate wurden als Edukte die neutralen keto-funktionalisierten Imidazole 31 und 32 verwendet. Diese konnte durch Zugabe equimolarer Mengen Dimetylsulfat leicht in die entsprechenden Methylsulfat-ILs umgesetzt werden, die im nächsten Schritt mit dem chiralen Alkohol (S)-2-Methylbutanol unter Säurekatalyse umgeestert wurden.


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Abbildung 60: Synthese chiraler keto-funktionalisierter Imidazolium Alkylsulfate

Die Umesterung erfolgte am Rotationsverdampfer, um sich bildendes Methanol aus der Reaktionsmischung zu entfernen und das Gleichgewicht auf die Seite der Produkte zu verschieben. Es wurde ein Überschuss des chiralen Alkohols verwendet, da ein Teil kontinuierlich mit dem Methanol abgezogen wurde. Nach der vollständigen Umsetzung konnte überschüssiger Alkohol durch Extraktion mit Diethylether aus dem Produkt entfernt werden. Neben dem Alkylsulfat mit zentraler Chiralität sollte ein Sulfat mit axialer Chiralität in der Hydrierung getestet werden, um den Einfluss von sterischen Faktoren auf die Ionenpaarbildung besser beurteilen zu können. Als Edukt wurde die starke Säure (R)-1,1‘-Binaphtyl-2,2‘-bis(sulfon)amid (BINBAM-H) verwendet, die von Dipl.-Chem. Marcel Treskow (AK Giernoth, Uni Köln) zur Verfügung gestellt wurde. Obwohl das gewünschte Produkt [N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(R)-1,1‘-Binaphtyl-2,2‘-bis(sulfon)amid] 38 wasserunlöslich ist, war eine einfache Kombination von [N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Chlorid] und BINBAM-H unter Ausfällung des Produktes nicht möglich. Unter Zugabe von Ag2O konnte zwar das Produkt erhalten werden, dieses war aber stark verunreinigt. Daher wurde 38 durch einen Kationenaustausch über eine mit dem gewünschten Kation beladenen Amberlite-Säule hergestellt. Anders als bei den zuvor beschriebenen Ionentauschern, konnte hier nicht mit wässrigen Lösungen gearbeitet werden, da das unlösliche Produkt auf der Säule verblieb. Es konnte durch Waschen der Säule mit Ethanol und anschließendem Trocknen am Vakuum als brauner Feststoff erhalten werden.

Abbildung 61: Synthese einer keto-funktionalisierten Imidazolium-IL mit enatiomerenreinem Anion mit axialer Chiralität


92

3.2.2 Hydrierung und Bestimmung des erhaltenen Enantiomerenüberschusses Da die Hydrierungen von [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(+)-(S)-Camphersulfonat] in Ethanol die besten Ergebnisse gezeigt hatte, sollte auch die weiteren Hydrierungen in Ethanol durchgeführt werden. Allerdings war dies für die Alkylsulfate nicht möglich, da diese in Ethanol nicht stabil waren und sich durch eine schnelle Umesterung das Ethylsulfat bildete. In weniger polaren organischen Lösungsmitteln, die für die Hydrierung geeignet waren, waren beide Alkylsulfate nicht löslich, es wurde daher Dimethylformamid (DMF) getestet.

Tabelle 10: Löslichkeiten von 37 und 38 als Voraussetzung für deren Hydrierung

Lösungsmittel Löslichkeit Anmerkung THF nein 1,4-Dioxan nein Dichlormethan ja führt zu einer Inhibierung des Katalysators

Acetonitril ja Hydrierung des Lösungsmittels unter den Reaktionsbedingungen wahrscheinlich

Dimethylformamid ja Wegen der leichten Umesterung des Alkylsulfates musste unter möglichst wasserfreien Bedingungen gearbeitet werden. Zwar wurde trockenes, kommerzielles DMF verwendet, jedoch betrug der Wassergehalt nach Karl-Fischer-Titration noch immer 600 ppm. Da zudem die IL selbst leicht hygroskopisch war und nicht unter komplett inerten Bedingungen hydriert werden konnte, war mit einem erheblich höheren Wassergehalt während der Hydrierung zu rechnen. Dies führte bei einer IL-Konzentration von 0,1 mol/l zu einer Zersetzung des Anions von etwa 50 %. Die Hydrierung von 37 konnte daher nicht durchgeführt werden. Ein ähnliches Bild bezüglich der Stabilität während der Hydrierung ergab sich für [N-(5’-Oxohexyl]-N-methylimidazolium] [Tetrahydrofuran-2-carboxylat] (36). Zwar war diese IL auch bei erhöhten Temperaturen in Ethanol stabil, nach der Hydrierung wurden jedoch Zersetzungsprodukte des Anions gefunden. Man kann vermuten, dass unter den Reaktionsbedingungen eine Ringöffnung und evtl. ein Oligomerisierung stattfindet. Eine weitere Möglichkeit wäre die Hydrierung der Carbonylgruppe im Anion. Dies war jedoch unwahrscheinlich, da dazu im Allgemeinen harschere Bedingungen notwendig


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sind. (> 150 °C, > 100 bar H2). Der Zersetzungsmechanismus wurde nicht weiter untersucht, da das System für den Einsatz in der Hydrierung ungeeignet war. Als stabil in Ethanol, auch unter Reaktionsbedingungen, erwies sich [N-(5’-Oxohexyl]-N-methylimidazolium] [Mandelat] 35. Diese IL wurde unter Standardbedingungen hydriert und dabei die Abhängigkeit des Enantiomerenüberschusses von der Konzentration bestimmt. Die Bestimmung des ee erfolgte analog zu den Camphersulfonaten durch Veresterung mit Moschersäurechlorid und anschließender 19F-NMR-Spektroskopie. Auch bei der Hydrierung der BINBAM-IL 38 traten Löslichkeitsprobleme auf. Wie für 37 beschrieben, war nur eine Hydrierung in Dimethylformamid möglich. Diese wurde in einem ersten Test in einer Konzentration von 0,05 mol/l unter Standardbedingungen (60 °C, 60 bar H2, 10 Gew% Ru/C) durchgeführt. Da nach der üblichen Reaktionsdauer von 16 Stunden die Reaktion noch nicht vollständig abgelaufen war, wurde diese auf 60 Stunden verlängert. Nach vollständiger Hydrierung des Eduktes wurde der Katalysator aus der Reaktionsmischung abfiltriert und das Lösungsmittel in einer Hochvakuumdestillation entfernt. Als Produkt wurde ein gräulicher Feststoff erhalten. Da das BINBAM-Anion im Unterschied zum Camphersulfonat oder den Carboxylaten bei der Veresterung der Hydroxygruppe mit dem Moschersäurechlorid keine Nebenreaktionen eingehen sollte, sollte auf den Anionentausch zum [NTf2]—Anion verzichtet werden. Das Produkt war jedoch in Dichlormethan schlecht löslich, so dass wie bei den zuvor beschriebenen Versuchen ein Anionentausch durchgeführt wurde. Dazu wurde zu einer Suspension des Produktes in Dichlormethan eine wässrige Lösung von 1,2 Äquivalenten [Li] [NTf2] gegeben. Durch den ablaufenden Anionentausch löste sich das Hydrierungsprodukt und aus der organischen Phase wurde das [N-(5‘-Hydroxohexyl)-N-methylimidazolium] [NTf2] erhalten. Die Umsetzung mit enantiomerenreinem Moschersäurechlorid zu den diastereomeren Estern und die anschließende Analyse durch 19F-NMR-Spektroskopie ergaben einen Enantiomerenüberschuss von 25 %. Dass bereits bei geringen Konzentrationen der IL ein signifikanter Enantiomerenüberschuss erhalten wurde, zeigt, dass auch mit dem sterisch anspruchsvollen BINBAM-Anion stabile Ionenpaare oder Quadrupole in Lösung gebildet werden. Eine chirale Induktion erfolgt auch bei axialer Chiralität im Anion. Eine genauere und vergleichende Betrachtung dieser Ergebnisse ist bisher nicht möglich, da der Verlauf der Enantiomerenüberschüsse in Abhängigkeit der Konzentration noch nicht untersucht wurde und durch die Verwendung von DMF als


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Lösungsmittel eine direkte Vergleichbarkeit mit anderen Hydrierungsergebnissen nicht gegeben ist. 3.2.3 Wechselspiel von Ionenpaarbildung und Enantiomerenüberschuss Generell blieb auch beim Mandelat der bei den Camphersulfonaten gefundene Trend erhalten. Die chirale Induktion war auch hier eindeutig von der Konzentration während der Hydrierung abhängig, wenn auch in geringerem Ausmaß. Die Ionenpaarbildung schien weniger sensibel auf Konzentrationsänderungen zu reagieren.

Tabelle 11: Vergleich der Enantiomerenüberschüsse im Kation des Camphersulfonats 25 und des analogen Mandelats 35 nach Hydrierung in Ethanol


Ethanol

ee im Kation 25a / % ee im Kation 35a / %

0,05 35 62

0,1 40 56

0,15 82 57

0,2 67 66

0,3 45 60

0,4 - 45

0,5 14 33

Unter der Berücksichtigung des Fehlers der ee-Bestimmung von ca. 5 % konnte man sogar annehmen, dass der Enantiomerenüberschuss für Konzentrationen bis 0,3 mol/l nahezu konstant blieb. Für das Mandelat wurden nach der Hydrierung fast ausnahmslos höhere Enantiomerenüberschüsse erzielt, der maximale ee betrug jedoch nur 66 %. Dies war deutlich weniger als für das entsprechende Camphersulfonat (82 %). Im Mittel sollte die interionische Wechselwirkung in der Mandelat IL also höher sein. Für eine Interpretation der Ergebnisse war ein Vergleich der beiden Anionen hilfreich. Die Carboxylatgruppe des Mandelats zeigt eine höhere Wasserstoffbrückenbindungsbasizität als das Sulfonat (s. Kap. 2.2). Dadurch wurden die Ionenpaare stabilisiert.

Abbildung 62: Vergleich der eingesetzten Anionen Camphersulfonat und Mandelat


95

Zudem besitzt das Mandelat eine Hydroxygruppe in -Position, die zusätzliche H-Brücken zum Imidazolring oder der Carbonylgruppe des Kations ausbilden kann. Es wäre möglich, dass durch diese spezifische sterische Anordnung der funktionellen Gruppen das chirale Zentrum des Anions in engere räumliche Nähe zum prochiralen Kohlenstoff des Kations gebracht wird und so eine starke chirale Induktion ermöglicht. Auch -stacking zwischen den beiden planaren aromatischen Ringen von Anion und Kation ist denkbar. Warum der maximale ee trotz dieser Vielzahl von Wechselwirkungen nicht höher war als 66 % konnte nicht eindeutig geklärt werden. Möglicherweise wirken die beschriebenen Effekte nicht kooperativ, sondern führen bei der Hydrierung zu unterschiedlichen Konformationen. Dies ist jedoch spekulativ. Am Beispiel der Mandelat-IL wurde auch die Temperaturabhängigkeit der chiralen Induktion untersucht. Die Veränderung der Reaktionstemperatur könnte die Ionenpaarbildung durch veränderte thermische Bewegung der Ionen beeinflussen. Die Literatur liefert in diesem Punkt keine eindeutigen Aussagen. 35 wurde bei gleichbleibender Konzentration von 0,15 mol/l in Ethanol in einem Temperaturfenster von 50-90 °C hydriert und der Enantiomerenüberschuss im hydrierten Kation bestimmt.

Tabelle 12: Temperaturabhängigkeit der chiralen Induktion am Beispiel von [N-(5’-Oxohexyl]-N-methylimidazolium] [(R)-Mandelat]

Temperatur / [°C]

Ethanol

ee im Kation 35a / %

50 57

60 61

70 65

80 66

90 55

Die erzielten Enantiomerenüberschüsse unterschieden sich im Rahmen des Fehlers der Bestimmungsmethode mit Moschersäurechlorid. Die bedeutete zum einen, dass die gewählte Bestimmungsmethode zu grob war, um eventuelle kleinere Änderungen im ee zu verfolgen, zum anderen, dass die Ionenpaarbildung in diesem Temperaturbereich durch eine Temperaturänderung nur wenig beeinflusst wurde. 3.2.4 Kinetische Messungen Am Beispiel der Mandelat-IL sollte die Kinetik der heterogen katalysierten Hydrierung genauer bestimmt werden, um das Reaktionssystem als Ganzes besser zu verstehen.


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Dazu wurde der Fortschritt der Reaktion bei gleichbleibender Startkonzentration von 0,15 mol/l in Ethanol bei verschiedenen Temperaturen mit 1H-NMR-Spektroskopie verfolgt. Durch die Hydrierung der Carbonylgruppe änderte sich sowohl die Lage als auch das Kopplungsmuster der benachbarten Protonen. Am deutlichsten konnte der Reaktionsfortschritt an der endständigen Methylgruppe des Kations verfolgt werden. Während sie im nicht hydrierten Kation eine Verschiebung von 2,1 ppm (Singulett) aufwies, lag sie im Produkt bei 1,10 ppm (Duplett). Der Umsatz wurde aus dem Verhältnis beider Integrale bestimmt. Der Fehler dieser Methode lag bei etwa 2 %. Die Abnahme des Eduktes mit der Zeit ist in Abb. 64 als Konzentrations-Zeit-Profil dargestellt.

Reaktionsbedingungen: V = 150 ml, EtOH, p(H2) = 60 bar, 10 Gew% Ru/C

Abbildung 63: Konzentrations-Zeit-Profil der Hydrierung von 35 bei verschiedenen Temperaturen

Für die Auswertung der erhobenen Daten wurden die jeweils ersten und letzten Datenpunkte verworfen. Zu Beginn der Reaktion muss eine Aktivierungsphase des Katalysators berücksichtigt werden, in der sich die Bedeckung der Katalysatoroberfläche auf ein stabiles Niveau einstellt („steady-state“), gegen Ende der Reaktion fällt der Sättigungseffekt stark ins Gewicht. Bestimmung der Reaktionsordnung n In einem heterogen katalysierten System liegen in der Bulkphase, an der Katalysatoroberfläche und an den aktiven Zentren unterschiedliche Konzentrationen

0,000

0,025

0,050

0,075

0,100

0,125

0,150

0 200 400 600 800

c(3

5)

/ [m

ol / l]

t / [min]

Konzentrations-Zeit-Profil

60 °C

70 °C

80 °C

90 °C


97

vor, von denen aber nur die der Bulkphase durch Messungen zugänglich ist. Zur Vereinfachung wird das System daher oft als pseudo-homogen betrachtet und nur die Gesamtreaktionsrate r, die effektive Geschwindigkeitskonstante k’ und die Aktivierungsenergie der Gesamtreaktion EA,app bestimmt. Dazu wird angenommen, dass sowohl die Adsorption des Reaktanden R an die aktiven Zentren des Katalysators als auch die Desorption des Produktes nicht den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt darstellen. Während aber die Desorptionsgeschwindigkeit keinen Einfluss auf die Reaktionsrate hat, geht die Adsorption mit in das Geschwindigkeitsgesetz ein, da sie die Konzentration der Reaktanden an den aktiven Zentren bestimmt. Diese wird als konstant angenommen („steady-state“).

Abbildung 64: Schematische Darstellung der Reaktionsschritte an einer Katalysatoroberfläche

Für die Reaktionsgeschwindigkeit ergibt sich ein recht komplizierter Ausdruck, der stark vereinfacht werden kann, wenn nur die effektive Geschwindigkeitskonstante k’ in einem Potenzansatz berücksichtigt wird (s. Gleichung 18). Diese enthält alle anderen Konstanten und kann im Gegensatz zu diesen auch leicht experimentell bestimmt werden.

n

rück

hinrück

hin

Ri Rk

kk

Rkkk

Rkkk

dt

Pdtr ]['

][1

1][][)(

2,1

,12,1

2,1

2

Gleichung 18

Dabei sind [R] und [P] die Konzentrationen des Reaktanden bzw. des Produkts und R der Bedeckungsgrad der aktiven Zentren mit Reaktand. n ist die Reaktionsordnung.


98

Hier wird deutlich, dass die Reaktionsordnung nicht feststeht und ebenso wie k’ bestimmt werden muss. Dies ist über die Differentialmethode möglich. Dazu werden zunächst die Reaktionsraten r(ti) aus den experimentellen Daten über Gleichung 19 bestimmt. Diese werden dann doppelt logarithmisch gegen die Konzentration [R] aufgetragen. Die Reaktionsordnung lässt sich dann aus der Steigung und k’ aus dem Ordinatenabschnitt bestimmen (s. Gleichung 18).

)()()(

11

11

iiii

ii

ittit

cctr

Gleichung 19

In Abbildung 65 ist die graphische Bestimmung von n und k’ gezeigt. Trotz der relativ starken Streuung der Datenpunkte konnte durch Residuenanalyse gezeigt werden, dass ein lineares Verhalten vorliegt (s. Anhang). Die erhaltenen Werte sind in Tabelle 13 zusammengefasst.

Abbildung 65: Bestimmung von Reaktionsordnung und Geschwindigkeitskonstante über die Differentialmethode

Eine gebrochene Reaktionsordnung zwischen n = 0 und n = 1, wie sie hier erhalten wurde, ist typisch für heterogen katalysierte Reaktionen. Die Grenzfälle von 0 und 1 beschreiben eine vollständig bedeckte Katalysatoroberfläche (R = 1) bzw. eine fehlende Bedeckung der aktiven Zentren (R = 0). Letzteres entspricht einer nicht katalysierten Reaktion. Eine genauere Interpretation des Wertes ist jedoch ohne

Bestimmung der Reaktionsordnung n

y = 0.78x - 6.28

R2 = 0.92

y = 0.75x - 5.78

R2 = 0.96

y = 0.76x - 5.18

R2 = 0.96

y = 0.77x - 4.37

R2 = 0.95

-10.5

-10.0

-9.5

-9.0

-8.5

-8.0

-7.5

-7.0

-6.5

-6.0

-5.5

-7 -6 -5 -4 -3 -2ln [R]

ln r

(t)

60°C

70°C

80°C

90°C


99

weiteres nicht möglich, da ein Wert zwischen 0 und 1 bedeutet, dass eine Konsekutivreaktion mit wenigstens zwei Elementarschritten vorliegt. Hierzu wären weitere Messungen notwendig.

Tabelle 13: Reaktionsordnung und Geschwindigkeitskonstante bestimmt aus Abbildung 65

Temperatur / [°C]

Reaktionsordnung n

effektive Geschwindigkeitskonstante k' / [mol/l min]

60 0,78 1,88 * 10-3

70 0,75 3,09 * 10-3

80 0,76 5,87 * 10-3

90 0,77 12,63 * 10-3

Bestimmung der Aktivierungsenergie EA,app Die ermittelten Geschwindigkeitskonstanten waren, erwartungsgemäß, abhängig von der Temperatur. Nach Arrhenius gilt:

RTEAeATk/

)(

Gleichung 20

und damit RT

EATk A ln)(ln Gleichung 21

Dabei ist A der präexponentielle Faktor, EA die Aktivierungsenergie der betrachteten Reaktion, R die Gaskonstante und T die Temperatur. Die Aktivierungsenergie der Gesamtreaktion konnte nun aus den erhaltenen Geschwindigkeitskonstanten über einen Arrheniusplot bestimmt werden. Dazu wurden die Werte für ln k’ gegen die reziproke Temperatur aufgetragen. Aus der Steigung ergab sich eine Aktivierungsenergie von EA,app = 63,8 kJ/mol und aus dem Ordinatenabschnitt ein präexponentieller Faktor von A = 1,74∙107 mol/l min.


100

Abbildung 66: Bestimmung der Aktivierungsenergie der heterogenkatalysierten Hydrierung von 35

3.2.5 Untersuchung der Ionenassoziation mit analytischen Methoden Auch für die Mandelat-IL wurde der Dissoziationsgrad durch die Kombination aus Diffusions- und Leitfähigkeitsmessungen bestimmt.

Tabelle 14: Berechnung des Dissoziationsgrades für [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(R)-Mandelat] in Ethanol

T = 30 °C, Ethanol

c / [mol/L] D / [mS/cm] D+/ [m2/s] D- / [m

2/s]

0,05 0,8 1,30 * 10-9

1,25 * 10-9

0,17

0,1 1,3 1,17 * 10-9

1,12 * 10-9

0,15

0,15 1,79 9,64 * 10-10

9,42 * 10-10

0,17

0,2 2,14 1,64 * 10-9

1,60 * 10-9

0,09

0,3 2,74 7,28 * 10-10

6,84 * 10-10

0,18

0,4 3,53 8,31 * 10-10

7,72 * 10-10

0,15

0,5 4,33 7,17 * 10-10

6,90 * 10-10

0,17

Wie auch für die Camphersulfonate wurde der Verlauf der Enantiomerenüberschüsse qualitativ richtig wiedergegeben. Über einen breiten Konzentrationsbereich war weitgehend konstant und wies mit < 0,2 einen verhältnismäßig geringen Absolutwert auf. Das System hatte also eine relativ hohe Ordnung und auch die geringere Abhängigkeit des erzielten Enantiomerenüberschusses von der Konzentration wurde

Bestimmung der Aktivierungsenergie EA,app

y = -7672.71x + 16.67

R2 = 0.99

-7.0

-6.0

-5.0

-4.0

0.0027 0.0028 0.0029 0.0030 0.0031

T-1 / [K-1]

lnk'


101

bei diesen Messungen korrekt wiedergegeben. Wie bei den zuvor betrachteten Systemen durchschritt bei genau der Konzentration ein Minimum, bei der während Hydrierung eine maximale chirale Induktion erfolgte. Allerdings wird die starke Ausprägung des Minimums nicht von den Enantiomerenüberschüssen widergespiegelt.

Abbildung 67: Abhängigkeit des Dissoziationsgrades von der Konzentration von 35 in Ethanol

Auch in diesem Beispiel stimmten experimentelle und analytische Daten gut überein, so dass von einer generellen Anwendbarkeit der Methode zur Vorhersage der Konzentrationsbereiche maximalen Chiralitätstransfers ausgegangen werden kann. 3.3 Pyridinium-ILs mit chiralen Anionen Neben der Variation der chiralen Anionen sollte das Konzept von den prochiralen Imidazoliumkationen auf die ebenfalls aromatischen Pyridiniumkationen übertragen werden. Es wurden verschiedene 3-substituierte Pyridinderivate ausgewählt, die durch die Hydrierung in die entsprechenden chiralen Piperidine umgewandelt werden sollten. Zusätzlich wurden verschiedene chirale Säuren eingesetzt, da diese einen Einfluss auf die chirale Induktion gezeigt hatten.

Abbildung 68: Hydrierung von 3-substituierten Pyridinium-ILs zu doppelt chiralen Piperidinium-ILs

0,06

0,09

0,11

0,14

0,16

0,19

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

c(35) / [mol/l]



102

3.3.1 Synthese Die verschiedenen Systeme wurden durch einfaches Protonieren der Pyridine mit den jeweiligen chiralen Säuren hergestellt. Einige der erhaltenen Salz waren Feststoffe mit einem Schmelzpunkt von > 100 °C, fielen streng genommen also nicht mehr unter die ionischen Flüssigkeiten. Da es bei den geplanten Experimenten jedoch um die Entwicklung eines Grundverständnisses für interionische Wechselwirkungen von organischen Ionen in Lösung ging, die nicht von dieser (willkürlich gesetzten) Definition abhängen, wurden die Substanzen trotzdem hydriert. Der Einfachheit halber werden auch die Salze mit höheren Schmelzpunkten hier als ionische Flüssigkeiten bezeichnet.

Abbildung 69: In der asymmetrischen Hydrierung getestete Pyridinium ILs

3.3.2 Hydrierung und Bestimmung des erhaltenen Enantiomerenüberschusses Die Durchführung dieser Experimente lag zeitlich vor der Optimierung der Reaktionsparameter für die imidazolbasierten ionischen Flüssigkeiten. Die Bedingungen unterschieden sich daher in einigen Punkten. Sämtliche Hydrierungen wurden in einem Mehrfachreaktor durchgeführt, so dass in einem Versuch mehrere Konzentrationen getestet werden konnten. Der Reaktor war mit einem Thermofühler und einem Heizmantel ausgestattet. Über ein Gaseinlassventil konnte der Reaktortopf mit Wasserstoff befüllt werden. Der Druck wurde über das Gasauslassventil abgelassen. Die Durchmischung erfolgte über einen Magnetrührstab, der von einem externen Magnetrührer angetrieben wurde. Jeweils 5 Proben wurden


103

in verschraubbaren Reagenzgläsern mit einer gasdurchlässigen Gummidichtung mit einem Probenhalter in einen 600 ml Parr-Autoklaven eingesetzt und bei 80 °C und 80 bar Wasserstoffdruck für eine Dauer von 24 Stunden hydriert. Die ILs wurden entsprechend der gewünschten Konzentrationen (zwischen 0,04 und 1,4 mol/l) in 2,5 ml Dichlormethan (39 – 42) bzw. Wasser (43) gelöst und mit dem Katalysator (25 Gew.% bezogen auf die IL) versetzt. Durch diese hohe Katalysatormenge fiel die Inhibierung des Rutheniums kaum ins Gewicht. Die Hydrierung lief in fast allen Fällen vollständig ab. Ob die unvollständige Umsetzung tatsächlich durch eine Inhibierung oder durch einen schlechten Wasserstoffeintrag in die teils pastösen Reaktionsmischungen bedingt war, wurde nicht überprüft. Nach Beendigung der Reaktion und dem Abfiltrieren des Katalysators wurde das Lösungsmittel abdestilliert und so das Reaktionsprodukt erhalten. Aus diesem wurde durch basische Aufarbeitung mit 0,1 M Natronlauge und anschließender Extraktion das deprotonierte Piperidinderivat erhalten. Dieses konnte nach der Derivatisierung mit MBTFA über die chirale GC auf den Enantiomerenüberschuss untersucht werden. 3.3.3 Wechselspiel von Ionenpaarbildung und Enantiomerenüberschuss Aus allen pyridinbasierten ILs wurden unabhängig von der gewählten Konzentration nach der Hydrierung racemische Piperidine erhalten. Auf Basis der in Kapitel 3.1 und 3.2 dargestellten Ergebnisse lassen sich hierfür zwei mögliche Erklärungen finden. Zum einen handelt es sich bei den hier gezeigten Systemen um protische ILs. Wie für die protonierten Systeme 27 und 28 gezeigt werden konnte, liegt besonders in den weniger polaren organischen Lösungsmitteln wie dem hier verwendeten Dichlormethan ein Gleichgewicht zwischen den neutralen und ionischen Spezies vor, dass eher auf der Seite der neutralen Edukte liegt. Daher sind im Mittel nur schwache Wechselwirkungen und eine schlechte Chiralitätsübertragung zu erwarten. Allerdings wurde die Hydrierung von 43 in Wasser durchgeführt und auch hier wurde ein racemisches Gemisch erhalten, während für 27 signifikante ees von bis zu 60 % gefunden wurden. Da in Wasser das neutrale Butylpyridin nicht löslich ist, musste hier ein erheblicher Teil des Eduktes in ionischer Form vorgelegen haben. Daraus folgt, dass zusätzlich zur Problematik der unklaren Gleichgewichtslage bei den Pyridinium-ILs ebenfalls strukturelle Parameter eine entscheidende Rolle spielen. Möglich wäre, dass der planare Ring des Pyridins mit seinem geringen sterischen Anspruch die diastereotopen Seiten des prochiralen Zentrums nur ungenügend


104

abschirmt. Wahrscheinlicher ist, dass in diesen Systemen, und hier insbesondere bei den Carboxylaten 40, 42 und 43, nur schwache Wasserstoffbrückenbindungen zwischen dem chiralen Anion und dem prochiralen Kation ausgebildet werden konnten. Es konnte aber gezeigt werden, dass dies eine maßgebliche Voraussetzung für die Bildung von CIPs und Quadrupolen und damit den effektiven Chiralitätstransfer ist. Insgesamt bestätigen die Versuche mit den pyridinbasierten ILs die Ergebnisse aus den vorangestellten Kapiteln. Protische Systeme mit geringer Neigung zu Bildung von Wasserstoffbrücken sind für einen Chiralitätstransfer über interionische Wechselwirkungen nicht gut geeignet. 3.4 (1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium-ILs mit prochiralen Anionen Anschließend an die Experimente mit verschiedenen chiralen Anionen (Kap. 3.2) und verschiedenen prochiralen Kationen (Kap. 3.3), stellte die Inversion des Charakters der IL-Ionen (Träger der chiralen Information, prochirales Gegenion) ein interessantes Experiment dar, um die Anwendbarkeit des Konzeptes zu erweitern. Als chirales Kation wurde (1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium gewählt. Dieses Kation kann mit geeigneten Anionen sowohl über das konjugierte -Elektronensystem als auch über Wasserstoffbrückenbindungen wechselwirken. Dabei hat sich letzteres als der entscheidendere Aspekt herausgestellt.143 Um das bereits beschriebene Problem des Gleichgewichtes zwischen neutralen und ionischen Spezies zu vermeiden, wurde das Ephedrin zuvor zweifach methyliert. 3.4.1 Synthese Aus kommerziell erhältlichem (1R,2S)-Ephedrin wurde zunächst über eine in der Literatur beschriebene Leuckart-Wallach-Reaktion Methylephedrin in guter Ausbeute erhalten.27 Die anschließende Methylierung zum (1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium-Kation wurde abweichend von der Literatur nicht mit Dimethylsulfat, sondern mit Methyliodid durchgeführt. Dies bot zwei entscheidende Vorteile. Das entstandene Iodid fiel als weißer Feststoff aus der Reaktionslösung aus, so dass die Methylierung vollständig ablief und das Produkt in reiner Form erhalten wurde. Dies war bei der Umsetzung mit Dimethylsulfat nicht der Fall. Hinzu kam, dass das Iodid im Gegensatz zum Methylsulfat in den meisten Fällen über eine Anionentauschersäule leichter und flexibler gegen andere Anionen ausgetauscht werden konnte.


105

Abbildung 70: Synthese von [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [Iodid]

Für die Hydrierung prochiraler Anionen wurden die Salze der Brenztraubensäure (Pyruvate) und der Phenylglyoxylsäure (Phenyglyoxylate) ausgewählt. Durch die Hydrierung entstehen aus diesen die Anionen Lactat und Mandelat. Der Anionenaustausch zum Pyruvat erfolgte über eine mit Brenztraubensäure beladene Dowex-Säule. Da Phenylglyoxylsäure für diesen Weg zu teuer war, wurde das Iodid wie für 35 beschrieben direkt mit der Säure und Silber(I)oxid umgesetzt.

Abbildung 71: Anionenaustausch zu Dimethylephedrinium-ILs mit prochiralen Anionen

3.4.2 Hydrierung und Bestimmung des erhaltenen Enantiomerenüberschusses [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [Pyruvat] (45) wurde in Ethanol unter Standardbedingungen in verschiedenen Konzentrationen hydriert. Da der Reaktionsfortschritt im Vergleich zu den Imidazolium-ILs verlangsamt war, wurden die Proben für 36 Stunden hydriert, um einen vollständigen Umsatz zu gewährleisten. Das erhaltene Produkt wurde in Methanol aufgenommen und langsam über eine stark saure Kationentauschersäule (H+-Form) eluiert. Dabei wurde das Dimethylephedrinium entfernt und gleichzeitig durch die Protonen die Veresterung der Milchsäure zum Milchsäuremethylester katalysiert. Dieser konnte über die chirale GC leicht auf einen Enantiomerenüberschuss analysiert werden.


106

Abbildung 72: Aufarbeitung der aus der Hydrierung erhaltenen Dimethylephedrinium-ILs 45a und 46a

Da aus vorherigen Versuchen bekannt war, dass Lactat leicht racemisiert, sollte in einem Blindversuch sichergestellt werden, dass das Lactat auf der Säule stabil war. Dazu wurde enantiomerenreines [Natrium] [(S)-Lactat] unter den gleichen Bedingungen verestert. Im GC-Spektrum wurde nur ein Signal für den entsprechenden Ester gefunden. Phenylglyoxylat neigt unter den gewählten Bedingungen nicht zu Racemisierung, auf einen gesonderten Nachweis wurde verzichtet. 3.4.3 Wechselspiel von Ionenpaarbildung und Enantiomerenüberschuss Nach der Analyse der erhaltenen Proben von Milchsäuremethylester über chirale GC war deutlich, dass unter den vorliegenden Bedingungen während der Hydrierung kaum chirale Induktion stattfand. Es wurden ausschließlich Enantiomerenüberschüsse von 1 bis 2 % erhalten.

Tabelle 15: Enantiomerenüberschüsse im Kation von 45a nach Hydrierung in Ethanol


Ethanol

ee im Anion von 45a / %

0,05 1

0,1 2

0,15 2

0,2 1

0,3 1

Wenn man einen geringen Fehler bei der Messung und Integration voraussetzt, kann man von der Bildung von Racematen ausgehen. Ein signifikanter Einfluss der


107

Konzentration bestand hier nicht, so dass auf die Hydrierung der höchst konzentrierten Probe verzichtet wurde. Um auszuschließen, dass das gebildete Lactat unter den Reaktionsbedingungen durch Keto-Enol-Tautomerie racemisierte, wurde enantiomerenreines [Natrium] [(S)-Lactat] für 24 Stunden unter gleichen Bedingungen im Reaktor belassen und anschließend aufgearbeitet.

Abbildung 73: Mögliche Racemisierung des Lactats durch Keto-Enol-Tautomerie unter den Reaktionsbedingungen

Für den erhaltenen Milchsäuremethylester würde ein Enantiomerenüberschuss von 94 % ermittelt. Eine Racemisierung des während der Hydrierung gebildeten Lactats in signifikantem Ausmaß konnte somit ausgeschlossen werden. Die Hydrierung verlief ohne eine chirale Induktion durch das enantiomerenreine Kation. Nach den bisher erhaltenen Erkenntnissen war dies entweder auf das Fehlen von Ionenpaaren oder auf eine ungünstige sterische Anordnung von Kation und Anion in dem Ionenpaar zurückzuführen. In jedem Fall musste die spezifische Wechselwirkung zwischen den Ionen verbessert werden, um eine Induktion zu erhalten. Hier wurde der Ansatz gewählt, durch die Einführung einer Phenylgruppe in das Anion --Wechselwirkungen zwischen dem Anion und dem Dimethylephedriniumkation zu ermöglichen, um so die Bildung von sterisch definierten CIPs oder Quadrupolen zu fördern. (1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium Phenylglyoxylat (46) wurde in einer Konzentration von 0,15 mol/l unter Standardbedingungen hydriert. Auch nach 24 h konnte kein Umsatz festgestellt werden. Die Reduktion von Phenylglyoxylsäure mit Wasserstoff schien deutlich harschere Bedingungen zu fordern, wenn sie im gewählten Reaktionssystem überhaupt möglich ist. Zwar sind Reduktionen literaturbekannt, jedoch wurden dabei stets Borane, Hydridüberträger oder biokatalytische Verfahren eingesetzt. Die Bestimmung der benötigten Reaktionsparameter zu Hydrierung von 46 ging über den Rahmen dieser Arbeit hinaus.


108

3.5 Übertragung des Konzeptes auf andere Reaktionstypen Um die Bandbreite der möglichen Anwendungen dieses Konzeptes zur Chiralitätsübertragung in den Bereich der homogenen Katalyse zu erweitern, wurde die Hydroformylierung von ungesättigten ionischen Flüssigkeiten mit [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] als chiralem Kation und verschiedenen prochiralen Anionen untersucht. Zum Zeitpunkt dieser Arbeiten lagen keine publizierten Beispiele zur Hydroformylierung von ionischen Flüssigkeiten vor. Als Grundlage dienten die bisher unveröffentlichten Versuche zur Hydroformylierung von achiralen, imidazolbasierten Vinylsulfonat-ILs von W. Wei. Die Hydroformylierung ist die homogen katalysierte Addition von Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid an olefinische Verbindungen unter Bildung von Aldehyden. Die Reaktion verläuft unter erhöhtem Druck, als Katalysatoren dienen meist Rhodium- oder Cobaltkomplexe.

Abbildung 74: Allgemeines Reaktionsschema der Hydroformylierung

Die asymmetrische Hydroformylierung (AHF) bietet theoretisch Zugang zu einem sehr breiten Spektrum an interessanten Produkten wie chiralen Aminen, Iminen, Alkoholen oder Säuren.144 Allerdings ist eine gute Kontrolle der Regio- und Stereoselektivität in Kombination mit gleichzeitig hoher katalytischer Aktivität schwierig und in vielen Fällen tritt Racemisierung während oder nach der Reaktion auf. Um die Bildung einer zu großen Anzahl möglicher Stereo- und Regioisomere zu vermeiden, stehen Substrate mit endständigen Doppelbindungen in der Entwicklung der Reaktion im Fokus. Bei deren Hydroformylierung entstehen nur zwei konstitutionsisomere Aldehyde, das iso- und das n-Produkt. Das lineare Produkt ist achiral, die zwei möglichen Stereoisomere des iso-Produktes sind, sofern das Molekül keine weitere Stereozentren enthält, Enantiomere.

Abbildung 75: Mögliche Produkte der asymmetrischen Hydroformylierung einer endständigen Doppelbindung


109

Der Reaktionsmechanismus unterscheidet sich grundsätzlich von den bisher untersuchten heterogen katalysierten Reaktionen. Für die Diskussion der Ergebnisse und vor allem der möglichen verschiedenen Wechselwirkungen der Ionen der eingesetzten IL untereinander und mit dem Katalysatorkomplex ist im Folgenden der Katalysezyklus der asymmetrischen Hydroformylierung schematisch dargestellt.

Abbildung 76: Mechanismus der asymmetrischen Hydroformylierung an einem Rhodium-BINAPHOS Katalysator145

Aus dem Katalysator wird durch die Abspaltung eines CO-Liganden die aktive Spezies AH1 gebildet, die eine freie Koordinationsstelle aufweist. Diese wird unter Ausbildung einer -Bindung durch ein Olefin besetzt. In einem irreversiblen Schritt werden die Rh-Alkylspezies AH3 bzw. AH8 gebildet, sodass an dieser Stelle des Zyklus die Regioselektivität bestimmt wird. Sie unterliegt in der Regel einer kinetischen Steuerung und wird durch die Art und Anordnung der Liganden bestimmt. Der am Rhodium ungesättigte Alkylkomplex AH3 addiert einen CO-Liganden, der in die Rh-C-Bindung insertiert wird. Unter Abspaltung des Reaktionsproduktes wird die aktive Spezies AH1 zurückgebildet.145,146


110

3.5.1 Synthese der zu untersuchenden ionischen Flüssigkeiten Es wurden drei verschiedene chirale ionische Flüssigkeiten auf Basis des [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium]-Kations mit verschiedenen prochiralen Anionen synthetisiert: [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [Vinylsulfonat] (47), [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [4-Pentenoat] (48) und [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [Methylcrotonat] (49).

Abbildung 77: In der asymmetrischen Hydroformylierung eingesetzte [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] -ILs mit prochiralen Anionen

Von den letzten beiden wurde zusätzlich das jeweilige EMIM – Analogon hergestellt, um ein gesichert racemisches Hydroformylierungsprodukt zu erhalten. Dies sollte die Analytik der möglicherweise nicht-racemischen Produkte absichern und erleichtern. Die Synthese erfolgte wie bereits beschrieben aus dem Halogenid über eine Anionentauschersäule. 3.5.2 Hydroformylierungsbedingungen und -parameter Alle Hydroformylierungen wurden halbkontinuierlich in einem Parr Reaktor mit einem Volumen von 250 ml durchgeführt, der mit einem Gaseintragsrührer, einer Heizung und Probenahme, sowie einem Spülgassystem ausgestattet war. Die Reaktionstemperatur betrug im Standardversuch 70 °C, der Druck wurde bei 15 bar konstant gehalten. Als Precursor wurde Rh(acac)(CO)2 eingesetzt. Das Verhältnis IL/Precursor/Ligand betrug 250/1/8. Zur Wahl des geeigneten Liganden wurden zwei Hydroformylierungen mit Triphenylphosphin (TPP) bzw. Triphenylphosphintrisulfonat (TPPTS) in Acetonitril bzw. Wasser durchgeführt. Da mit TPPTS ein besseres iso/n-Verhältnis (5/1 statt 1,75/1) in deutlich geringerer Reaktionszeit (3 Std. statt 7 Tage) erhalten wurde, wurde standardmäßig TPPTS als Ligand verwendet. 3.5.3 Bestimmung der Regioselektivität Das iso/n-Verhältnis wurde aus der Integralstufenhöhe der Signale im 1H-NMR-Spektrum der Aldehydwasserstoffe bestimmt. Das iso-Isomer zeigte ein Dublett bei 9,57 ppm, das n-Isomer ein Triplett bei 9,59 ppm. Zur Bestimmung des Anteils an


111

nicht umgesetztem Edukt wurden die Signale der olefinischen Protonen bei 5,17, 5,33 und 6,33 ppm verwendet.

Abbildung 78: 1H-NMR Spektrum der Reaktionsmischung der Hydroformylierung von 47 Reaktionsbedingungen: T = 70 °C, p = 15 bar CO/H2, c(IL) = 0,05 mol/l, V = 100 ml, IL/Kat/TPP: 250:1:8, Reaktionszeit: 1 Tag

Bei der Reaktionsverfolgung mit beiden getesteten Liganden war auffällig, dass das Edukt zwar komplett abreagierte, die Signale für die Produkte jedoch deutlich geringere Signalintensitäten (SI) aufwiesen als erwartet. Dies galt insbesondere für die Protonen der Aldehydgruppen. Auch in allen weiteren Hydroformylierungen von 47 konnte die geringe Signalintensität für diese Protonen beobachtet werden. Eine Bildung von Nebenprodukten erfolgte nicht. Der Effekt wurde durch


112

Referenzexperimente auf einen durch Keto-Enol-Tautomerie ermöglichten Wasserstoff-Deuterium-Austausch zurückgeführt. Dazu wurden von der Reaktionsmischung 1H-NMR-Spektren in verschiedenen deuterierten Lösungsmitteln aufgenommen. Dabei sollte die Signalintensität der Aldehydprotonen mit der Acidität des Lösungsmittels korrelieren. Die Acidität und damit die Austauschwahrscheinlichkeit der verwendeten Lösungsmittel war: D2O (pKS = 14) > Ethanol-d5 (pKS = 16) > Aceton-d6 (pKS = 20) > DMSO-d6 (pKS = 31) Zusätzlich wurde eine Probe im acidesten der vermessenen Lösungsmittel (D2O) nach kurzer Wartezeit bzw. nach drei Stunden Wartezeit vermessen. Dabei sollte die Integralstufenhöhe mit zunehmender Standzeit abnehmen, wenn ein Wasserstoff-Deuteriumaustausch durch die Keto-Enol-Tautomerie stattfindet.

Abbildung 79: Signale der Aldhehydprotonen von 47a im 1H-NMR-Spektrum in unterschiedlichen Lösungsmitteln (grün: DMSO-d6, rot: Aceton-d6, orange: D2O)

Die Ergebnisse der Versuche sind in Tabelle 16 zusammengefasst.

Tabelle 16: Vergleich der Signalintensitäten (SI) in verschiedenen deuterierten Lösungsmitteln. Für die CH3-Gruppe wurde bei vorliegendem iso/n-Verhältnis eine theoretische SI von 1,91 erwartet, für das Aldehydproton eine SI von 1.

Lösungsmittel D2O D2O, 3h Ethanol-d5 DMSO-d6 Aceton-d6

SI (Aldehyd) 0,15 0,11 0,44 0,55 0,68

SI (CH3,iso) 1,15 1,12 überlagert 1,71 2,02


113

Wie erwartet wurden in D2O die niedrigste und in Aceton-d6 und DMSO-d6 höhere SI gefunden. Zudem nahm die SI in D2O mit längerer Standzeit tatsächlich ab. Interessant war auch die deutliche Diskrepanz zwischen den SI der Aldehydsignale und denen der CH3-Gruppe des iso-Isomers. Das Signal der CH3-Gruppe lag deutlich näher am rechnerischen Erwartungswert, da die CH3-Gruppe auf Grund der geringeren Acidität der Protonen von dem durch die Keto-Enol-Tautomerie verursachten Austausch weitgehend unberührt blieb.

Abbildung 80: Schematische Darstellung des H-D-Austausches durch Keto-Enol-Tautomerie in aciden Lösungsmitteln

Wurde der Probe in deuteriertem Wasser zusätzlich Salzsäure zugegeben, wurden für die Aldehydprotonen Signalintensitäten von 0,85 (statt 1) erreicht. Der Austausch mit Deuterium der schwachen Säure D2O wurde also durch die weit acideren Protonen der Salzsäure kompensiert. Da der Verlust an Integralstufenhöhe aber nicht vollständig geklärt werden konnte, wurde auf das Erstellen einer genaueren Kinetik für die Bestimmung der Reaktionsordnung verzichtet. Eine weitere Problematik dieser Gleichgewichtsreaktion war die Racemisierung des Aldehyds in -Position. Aldehyde, bei denen die Keto-Enol-Tautomerie eine signifikante Rolle spielt, sollten leicht racemisieren und wären für die asymmetrische Hydroformylierung nur bedingt geeignet. Unter Umständen kann das Ausmaß der Racemisierung durch die Zugabe einer Säure reduziert werden. Umfang und Geschwindigkeit der Racemisierung bei der Hydroformylierung von Vinylsulfonsäure-ILs ist bisher nicht geklärt, dennoch wurden zunächst zur besseren Parametrisierung der Reaktionsbedingungen und zur Entwicklung einer geeigneten Analytik weitere Versuche durchgeführt.


114

3.5.4 Bestimmung der Stereoselektivität Es sollte eine zuverlässige Methode entwickelt werden, den eventuellen Enantiomerenüberschuss im Anion des Hydroformylierungsproduktes 47a zu ermitteln. Dazu sollte die chirale HPLC verwendet werden. Die Regioisomere ließen sich bereits auf einer achiralen C18-reversed-phase-Säule gut voneinander trennen.

Abbildung 81: Trennung der Regioisomere des Anions von 47a durch achirale HPLC

Versuche zur Trennung der Enantiomere des Anions wurden auf einer chiralen C18-reversed-phase-Säule durchgeführt. Dabei wurden die Kationen zuvor über Amberlite-Säulen gegen Natrium ausgetauscht, um einen Einfluss des chiralen Ephedriniumkations auszuschließen und die durch die Wechselwirkungen mit den Kationen unterschiedlichen Laufzeiten zu eliminieren. Es wurde ein Screening diverser Lösungsmittel durchgeführt. Getestet wurden Kombinationen aus Wasser, Methanol, Isopropanol und Acetonitril. Dabei zeigte sich, dass die Zugabe einer geringen Menge an Wasser notwendig ist, um eine ausreichende Löslichkeit des Substrats zu gewährleisten und dass eine mittlere Retentionszeit über die Kombination aus einem hohen Anteil an Methanol/Isopropanol/Acetonitril und einer geringen Menge an Wasser resultiert. Die Trennungswirkung ist bei mittleren Retentionszeiten normalerweise gut. Aber für keine der getesteten Lösungsmittelkombinationen wurde eine Trennung erzielt. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung des Enantiomerenüberschusses ist die Derivatisierung zu Diastereomeren, die sich per NMR-Spektroskopie unterscheiden

Iso-Isomer

n-Isomer


115

lassen. Dabei ist eine möglichst vollständige Umsetzung wichtig, um kinetische Effekte auszuschließen. Um den Einfluss des Kations während der Derivatisierung zu eliminieren, wurden alle Proben über einen mit Natrium oder Protonen beladenen Kationentauscher (Amberlite) ausgetauscht. Es wurden vier verschiedene Derivatisierungsmethoden getestet. Zunächst wurde das Natriumsalz 50 mit einem chiralen Aminosäureester bzw. einem chiralen Diol umgesetzt, um diastereomere Imine bzw. Acetale zu erhalten.

Abbildung 82: Übersicht über die verschiedenen Derivatisierungsmethoden zur Bestimmung des Enantiomerenüberschusses im Anion 47a.


116

Problematisch waren bei beiden Reaktionen die stark unterschiedlichen Löslichkeiten der Substrate in organischen Lösungsmitteln. Das bei der Gleichgewichtsreaktion entstehende Wasser wurde durch einen mit MgSO4 gefüllten Filter unterhalb des Rückflusskühlers entfernt, um einen vollständigen Umsatz zu erzielen. Nach der Aufarbeitung konnte in beiden Fällen die Produkte nicht nachgewiesen werden. Daher wurde 50 mit einem leichten Überschuss NaBH4 zum entsprechenden Alkohol 51 umgesetzt. Dieser wurde in zwei weiteren Derivatisierungsversuchen analog zu den hydroxo-funktionalisierten Imidazoliumkationen mit Moschersäurechlorid bzw. Camphansäurechlorid umgesetzt. Auch hier konnte kein Umsatz zum gewünschten Produkt erzielt werden. Für das Hydroformylierungsprodukt 47a konnten also keine Enantiomerenüberschüsse ermittelt werden. Daher wurden Versuche mit den oben beschriebenen Carboxylat-ILs 48 und 49 durchgeführt. Zum einen sind neutrale Carbonsäuren bereits erfolgreich hydroformyliert worden147 und auch eine mögliche Aufarbeitung der Carboxylate war aus den Versuchsreihen mit den Imidazolium- und Ephedrinium-ILs bekannt. Allerdings neigen kurzkettige, ungesättigte Carbonsäuren, die in der Hydroformylierung aktiver sind als ihre langkettigen Analoga, bereits bei niedrigen Temperaturen zur Polymerisation. Als Kompromiss zwischen hoher Aktivität, niedriger Polymerisationsgeschwindigkeit und kommerzieller Verfügbarkeit der Säure wurden 4-Pentenoat und 3-Methylcrotonat als Anionen gewählt. [EMIM] [4-Pentenoat] und [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [4-Pentenoat] wurden unter Standardbedingungen hydroformyliert. Wegen der im Vergleich zum Vinylsulfonat-Anion größeren Kettenlänge ergab sich wie erwartet zum einen eine deutlich verringerte Reaktionsgeschwindigkeit (1 Woche statt 3 Stunden) und ein schlechteres iso/n-Verhältnis von 1:2,3 für die Ephedrinium- IL und 1:5 für die EMIM-IL.

Abbildung 83: Hydroformylierung von [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [4-Pentenoat] (48) unter Standardbedingungen

Wie auch bei den Vinylsulfonaten wurde eine verringerte Signalintensität der Aldehydprotonen im 1H-NMR-Spektrum gefunden, die wiederum auf einen H-D-


117

Austausch mit dem deuterierten Lösungsmittel zurückgeführt wurde. Wie erwartet war das Ausmaß des Austausches aber deutlich geringer als bei den Vinylsulfonaten. Nur das iso-Isomer der Produktmischung ist chiral, daher stellte das gefundene Isomerenverhältnis einen prinzipiellen Nachteil des 4-Pentenoats dar, da nur etwa ein Drittel des Produktgemisches zur Bestimmung des Enatiomerenüberschusses geeignet war. Zur Analyse des erhaltenen Gemisches wurde zunächst über einen mit Protonen beladenen Kationentauscher die freie Carbonsäure gewonnen und diese anschließend mit SOCl2 in Methanol zum Methylester umgesetzt. Die drei so erhaltenen Ester wurden auf der chiralen GC analysiert. Allerdings war für beide Produktmischungen aus den Hydroformylierung mit dem EMIM- bzw. dem Ephedrinium-Kation keine eindeutige Zuordnung der Signale möglich. Auch hier konnte der ee nicht bestimmt werden.

Abbildung 84: Derivatisierung der Hydroformylierungsprodukte von 48 zu Bestimmung des Enantiomerenüberschusses

Um das iso:n-Verhältnis zu verbessern, wurde IL 49 in der Hydroformylierung eingesetzt. Durch die innenständige Doppelbindung mit zwei Methylresten konnten zwar theoretisch mehr Stereoisomere entstehen, jedoch sollte eine Hydroformylierung in -Position zur Carboxylatgruppe auf Grund der sterischen Hinderung bevorzugt sein. Dies wurde zunächst in der Hydroformylierung der neutralen Säure getestet. Tatsächlich wurde fast ausschließlich das gewünschte chirale Produkt erhalten.

Abbildung 85: Hydroformylierung von 3-Methylcrotonsäure

Allerdings war die Reaktionsgeschwindigkeit sehr niedrig, so dass die Reaktionstemperatur auf 100 °C erhöht wurde, um einen Reaktionsfortschritt zu erhalten. Bei der Hydroformylierung der entsprechenden (1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium-IL 49 konnte auch nach 10 Tagen trotz erhöhter Temperatur und erhöhter Katalysatormenge nur ein Umsatz von 4% festgestellt werden. Die Reaktion wurde daher abgebrochen. Der hohe sterische Anspruch des Anions schien die Aktivität zur Doppelbindung zu stark herabzusetzen. Auch für diese IL konnte also


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keine asymmetrische Induktion zwischen chiralem Kation und prochiralem Anion während der Reaktion nachgewiesen werden. Ein anderer Punkt war allerdings bei der Entwicklung dieser Reaktion auffällig. Das iso:n-Verhältnis war deutlich von der Konzentration der IL in der Reaktionsmischung abhängig. Dies entspräche einer konzentrationsabhängigen Kontrolle der Regioisomere durch Ionenwechselwirkungen. Der Effekt wurde am Beispiel der IL [(1R,2S)-N,N,-Dimethylephedrinium] [Vinylsulfonat] (47) näher untersucht. Des Weiteren wurde ein Einfluss des verwendeten Kations festgestellt. Dieser Effekt wurde im Rahmen dieser Arbeit jedoch nicht näher analysiert. 3.5.5 Einfluss der Konzentration der IL auf die Regioselektivität Zunächst wurde ein Einfluss der Katalysatorkonzentration auf die Regioselektivität ausgeschlossen, indem eine 0,1 molare Lösung von [(1R,2S)-N,N,-Dimethylephedrinium] [Vinylsulfonat] (47) unter Standardbedingungen (IL/Rh/Lig.: 250/1/8, T = 70 °C, p = 15 bar) und mit 50 % verringerter Katalysatormenge hydroformyliert wurde. Eine Änderung des iso/n-Verhältnisses war aus den erhaltenen NMR-Spektren nicht zu erkennen. Aus Versuchen mit [EMIM] [Vinylsulfonat] war weiterhin bekannt, dass sich die Selektivität kaum mit der Reaktionstemperatur ändert, jedoch mit einem zunehmendem Rhodium/Ligand-Verhältnis abnahm. Der Grund dafür ist die geringere Regioselektivität des Precursorkomplexes, der selbst auch katalytisch aktiv ist. Weiterhin wurden Lösungen verschiedener Konzentrationen von 47 unter Standardbedingungen umgesetzt. Die Reaktion war in allen Fällen nach wenigen Stunden abgeschlossen und es wurde eine deutliche Abhängigkeit der Regioselektivität von der Konzentration der IL gefunden. Dieser Effekt war bisher nicht bekannt. Je höher die Konzentration von 47, desto höher war der Anteil des iso-Produktes in der Reaktionsmischung.

Tabelle 17: Abhängigkeit der Regioselektivität von der Konzentration des Eduktes in der Reaktionsmischung

Konzentration 47 / [mol/l]

iso/n

0,05 5 / 1

0,1 14 / 1

0,15 22 /1

0,2 110 / 1


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Da der Effekt noch nicht genauer untersucht wurde, kann über die genaue Ursache bisher nur spekuliert werden. Grundsätzlich muss aber die entscheidende Wechselwirkung während des selektivitätsbestimmenden Schrittes erfolgen. Das bedeutet, dass eine Modifikation des Katalysators durch das Substrat oder eine direkte Wechselwirkung des Katalysators mit dem Substrat vorliegen muss. Theoretisch wäre auch eine indirekte Beeinflussung des Reaktionsverlaufs über den pH-Wert der Lösung denkbar. Im vorliegenden Fall ändert sich der pH mit der Substratkonzentration jedoch nicht. Der in diesen Versuchen eingesetzte kationische Rhodium(I)-Katalysator kann auf zwei Arten durch 47 verändert werden. Zum einen wäre die Koordination des chiralen Kations (1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium als Ligand über das aromatische -Elektronensystem möglich. Unter den gewählten Reaktionsbedingungen (T = 70 °C, p(CO/H2) = 15 bar, Rh/TPPTS = 1/8) war dies in signifikantem Umfang zwar unwahrscheinlich, konnte aber nicht ausgeschlossen werden. Wahrscheinlicher war der Austausch des Anions des ursprünglichen Katalysators [Rh(TPPTS)3(CO)2] [acac] gegen Vinylsulfonat, da dieses in der Reaktionsmischung in 250-fachen Überschuss bezogen auf Acetylacetonat vorlag. Dieser Austausch sollte konzentrationsabhängig sein, da der Molenbruch der IL bezogen auf das Lösungsmittel größer wird. Zudem ist die Stärke der interionischen Wechselwirkungen von der Konzentration abhängig. Eine derartige Beeinflussung der Regioselektivität über Wechselwirkungen zwischen dem kationischen Katalysator und dessen Gegenion wurde für Palladiumkomplexe bereits gezeigt.148 Diese Ergebnisse lassen sich aber nicht direkt übertragen. Um die Vermutung des Anionentausches zu bestätigen, müsste in einem weiteren Versuch das Verhältnis zwischen IL und Katalysator deutlich zugunsten des Katalysators variiert werden, so dass deutlich mehr Acetylacetonat in der Reaktionsmischung vorliegt. Im oben beschriebenen Versuch zur Variation der Katalysatorkonzentration war der Überschuss an Vinylsulfonat in beiden Fällen signifikant, so dass er keine Aussage über den Anionentausch zuließ. Eine weitere Möglichkeit, die Regioselektivität der Reaktion zu beeinflussen, wären direkte Wechselwirkungen zwischen dem Dimethylephedrinium-Kation und dem koordinierten Vinylsulfonat während der Reaktion. Dabei wären sowohl reine Ionenpaarwechselwirkungen als auch Wasserstoffbrückenbindungen denkbar. Auch diese sind konzentrationsabhängig. So wäre eine sterische Hinderung eines der Produkte möglich, sofern das Kation während des Katalysezyklusses eine gleichbleibende Position gegenüber dem Anion annimmt. Weiterhin wäre eine


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Änderung der Polarität des Vinylsulfonats möglich: Die allgemein hohe iso-Selektivität der Hydroformylierung des Vinylsulfonats ergibt sich aus der kurzen Kettenlänge und aus dem induktiven Effekt ((+I)-Effekt) des koordinierten Sulfonats. Durch eine Wechselwirkung des Sulfonats mit einem Kation könnte sich die Elektronendichte verringern und damit der (+I)-Effekt verringert werden. Um diesen Einfluss genauer zu untersuchen, wären Versuche mit [Natrium] [Vinylsulfonat] sinnvoll. Als sehr hartes Kation sollte Natrium eine erhebliche Änderung des induktiven Effektes im Vinylsulfonat im Vergleich zum weichen Dimethylephedrinium-Kation hervorrufen. Ergeben sich für beide Vinylsulfonat-Salze unter gleichen Reaktionsbedingungen die gleiche Regioselektivitäten, würde die auf die Ionenwechselwirkung zwischen Vinylsulfonat und dem kationischen Komplex als entscheidenden Einfluss hindeuten. Insgesamt wird aus den bisherigen Ergebnissen zur asymmetrischen Hydroformylierung deutlich, dass auf Grund des stark veränderten Reaktionsmechanismusses und der Vielzahl von Wechselwirkungsmöglichkeiten die Ergebnisse aus der heterogen katalysierten Hydrierung nicht ohne weiteres auf homogen katalysierte Reaktionen zu übertragen sind. Hier muss noch weitere Forschungsarbeit geleistet werden. Für die Hydroformylierung ist der Effekt der konzentrationsabhängigen Regiokontrolle ein sehr interessantes und lohnendes Arbeitsgebiet. Für die asymmetrische Induktion durch interionische Wechselwirkungen sollte jedoch eher die homogene Hydrierung gewählt werden, da hier auf eine bereits entwickelte Enantiomerenanalytik zurückgegriffen werden kann und auch das Problem der Regioselektivität entfällt.

4. Zusammenfassung und Ausblick

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4. Zusammenfassung und Ausblick Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Effektivität der Chiralitätsübertragung innerhalb einer ionischen Flüssigkeit von einem enantiomerenreinen Ion auf das prochirale Gegenion während der asymmetrischen Hydrierung untersucht. Dabei wurde ein achiraler heterogener Katalysator eingesetzt. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der Höhe der asymmetrischen Induktion und der Assoziation der Ionen der IL in der Lösung hergestellt werden. Als bestimmende Parameter wurden die Polarität des verwendeten Lösungsmittels, die Konzentration der IL in der Lösung, die Fähigkeit zur Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen und die Basizität des Anions identifiziert. Durch die Verwendung und Kombination von Leitfähigkeitsmessungen, DOSY-NMR-Spektroskopie und dielektrischer Relaxationsspektroskopie konnte dieser Zusammenhang eindrucksvoll bestätigt werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die asymmetrische Hydrierung von verschiedenen imidazolbasierten ionischen Flüssigkeiten untersucht, die aus einem keto-funktionalisierten prochiralen Kation und dem chiralen enantiomerenreinen Gegenion (-)-(S)-Camphersulfonat bestanden. Die IL wurde in einem Lösungsmittel mit einem achiralen heterogenen Katalysator unter H2-Druck hydriert.

Abbildung 86: Hydrierung eines keto-funktionalisierten CIL-Kations in Gegenwart des enantiomerenreinen chiralen Gegenions.

Der Enantiomerenüberschuss im hydroxy-funktionalisierten Kation der Produkt-IL wurde durch eine Veresterung mit enantiomerenreinem Moschersäurechlorid und anschließender 19F-NMR-Spektroskopie aus dem Verhältnis der Integralstufenhöhen bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass die Intensität des Kontaktes von Anion und Kation und damit der erhaltene Enantiomerenüberschuss unter anderem von der Konzentration der IL abhängig ist. Für das System [N-(3‘-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(-)-(S)-Camphersulfonat (25) wurde in Ethanol ein maximaler ee von 94 % bei einer Konzentration von 0,3 mol/l erreicht, sowohl bei höheren als auch bei geringeren Konzentrationen brach der ee ein.


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Ein ähnliches Verhalten wurde für die Hydrierungen in verschiedenen Lösungsmitteln beobachtet. Sowohl in Wasser als auch in dem im Vergleich zu Ethanol unpolareren THF wurden bei gleicher Konzentration tendenziell geringere Enantiomerenüberschüsse im Kation erhalten. Dies konnte durch die verschiedenen Ionenassoziationen erklärt werden. Während das polare Wasser eine höhere Solvatationskraft aufweist und so in der Lösung eher vollständig solvatisierte Ionen vorliegen, bilden sich in THF keine Ionenpaare sondern höher aggregierte Spezies, in denen Anion und Kation nicht über die erforderliche sterische Anordnung verfügen. Während der Einfluss der Länge der Seitenkette und damit der Einfluss der Entfernung der prochiralen Carbonyleinheit von der ladungstragenden Gruppe gering war, wurde durch die Methylierung der C-2 Position des Imidazolringes in IL 29 die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Anion und Kation unterbunden. Durch die rein elektrostatischen Wechselwirkungen konnten die Ionenpaare nicht im gleichen Ausmaß stabilisiert werden, wie es für das analoge unmethylierte System 26 der Fall war. Dadurch wurde der Enantiomerenüberschuss im Kation erheblich verringert. Die Anwendbarkeit des Konzeptes auf chirale Carboxylate wurde am Beispiel der IL [N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(R)-Mandelat] (35) gezeigt. Auch für diese IL bildete sich das typische Konzentrationsprofil aus. Interessanterweise ist dies jedoch deutlich schwächer ausgeprägt als bei den Camphersulfonaten. Die Ionenpaarbildung schien in dieser IL deutlich weniger auf Verdünnung zu reagieren. Unter dem Vorbehalt eines relativen Fehlers von 5 % bei der Bestimmung des ee konnte hier eine gleichbleibende asymmetrische Induktion für Konzentrationen bis 0,3 mol/l beobachtet werden. Lediglich bei höheren Konzentrationen wurde der ee geringer. Als Ursache wird hier die höhere Wasserstoffbrückenbindungsbasizität des Carboxylates vermutet, wodurch die Ionenpaare über einen relativ großen Konzentrationsbereich stabilisiert werden. Ein weiterer möglicher stabilisierender Faktor ist das -stacking zwischen den aromatischen Ringsystemen in Anion und Kation.

Abbildung 87: Hydrierung von [N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(R)-Mandelat] (35)


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Am Beispiel der Mandelat IL wurde das System mechanistisch genauer untersucht. So konnte zum einen gezeigt werden, dass der Enantiomerenüberschuss bei gleichbleibender Konzentration von 0,15 mol/l von der gewählten Reaktionstemperatur in einem Temperaturfenster von 60-90 °C unabhängig ist, zum anderen wurde die Kinetik der Reaktion bestimmt. Über das Konzentrations-Zeit-Profil wurden die effektiven Reaktionsraten r‘ und die effektiven Geschwindigkeitskonstanten k‘ für oben genannte Temperaturen ermittelt und aus diesen über die Arrheniusgleichung die Reaktionsordnung von n = 0,8, ein präexponentieller Faktor von A = 1,74∙107 mol/l min und eine Aktivierungsenergie von EA = 64 kJ/mol bestimmt. Die Inversion des Konzeptes auf ein chirales Kation und ein prochirales Anion ([(1R,2S)-Dimethylephedrinium] [Pyruvat]), war bisher nicht erfolgreich. Vermutlich wurden durch die Hydroxygruppe des Kations keine ausreichend stabilen Wasserstoffbrückenbindungen zum Anion gebildet, um einen effektiven Chiralitätstransfer zu gewährleisten. Neben der Bestimmung des Enatiomerenüberschusses sollte die Art der Ionenpaarung auch mit einer unabhängigen analytischen Methode bestimmt werden. Durch die Kombination von Leitfähigkeitsmessungen und diffusionsbezogener NMR-Spektroskopie (DOSY-NMR) konnte der Dissoziationsgrad der IL in Lösung für die in den Hydrierungen verwendeten Konzentrationen bestimmt werden. Für alle beschrieben Systeme wurde dabei der geringste Dissoziationsgrad bei der Konzentration gefunden, bei der ein maximaler ee und damit eine maximale asymmetrische Induktion vorlag. Das Absinken von bei steigenden Konzentrationen konnte mit der Bildung von geordneten Strukturen wie Kontaktionenpaaren oder Quadrupolen aus solvatisierten Ionen erklärt werden. Stieg die Konzentration jedoch über einen bestimmten Maximalwert hinaus an, bildeten sich höhere Aggregate in denen sich auch die Kontaktionenpaare wieder auflösten. In der Folge entstand eine weniger geordnete Struktur und sowohl als auch der ee waren bei diesen Konzentrationen geringer. Im Vergleich zu Ethanol waren die in Wasser gemessenen -Werte deutlich höher, was die höhere Solvatationskraft und die geringeren Enantiomerenüberschüsse in diesem Lösungsmittel wiederspiegelte. Da dieser Zusammenhang auch für die weiteren imidazolbasierten CILs bestand, kann davon ausgegangen werden, dass durch die Kombination aus Leitfähigkeits- und DOSY-Messungen der Konzentrationsbereich für maximalen Chiralitätstransfer vorausgesagt werden kann.


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Da nur ein relatives Maß für die Ordnung im System ist und nicht quantitativ bewertet werden kann, wurde über die Messung des hydrodynamischen Radius durch DOSY-NMR und eine vereinfachte Stokes-Einstein-Gleichung auch die Aggregationszahl N bestimmt. Eine Aggregationszahl von N = 1 repräsentiert dabei ein Ionenpaar, somit steht N = 0,5 für ein vollständig solvatisiertes Ion. N wurde für die imidazoliumbasierten Camphersulfonate 25, 26 und 29 in einem Konzentrationsbereich von 1·10-4 bis 2 mol/l bestimmt. Für das dialkylierte System 25 wurden bis zu Konzentrationen von 0,2 mol/l tatsächlich Ionenpaare und Quadrupole gefunden, für IL 26 wurden in diesem Konzentrationsbereich solvatisierte Ionen nachgewiesen. Erst ab einer Konzentration von 0,3 mol/l lagen Ionenpaare bzw. Quadrupole vor. Noch deutlicher war der Effekt bei der trialkylierten IL 29. Hier wurden über einen größeren Konzentrationsbereich solvatisierte Ionen gefunden. Dieses Ergebnis steht in guter Übereinstimmung zu der Vermutung dass Wasserstoffbrückenbindungen über das acide C-2 Proton maßgeblich zur Ionenpaarbildung beitragen. In einem weiteren Ansatz die Ionenpaarbildung quantitativ zu untersuchen, wurde in Kooperation mit Prof. Weingärtner von der Ruhr-Universität Bochum IL 25 mit dielektrischer Relaxationsspektroskopie (DRS) untersucht. Auch mit dieser Methode konnte bestätigt werden, dass bei geringen Konzentrationen die Tendenz zur Ionenpaarbildung weniger ausgeprägt ist und mit der Konzentration langsam ansteigt, wodurch bei der Hydrierung ein höherer Enantiomerenüberschuss erzielt werden kann. Für das Beispielsystem konnte gezeigt werden, dass sich oberhalb einer bestimmten Maximalkonzentration neben Ionenpaaren auch signifikante Mengen an Quadrupolen bilden, die bei weiterer Zugabe von IL im Excessvolumen der IL kollabieren. Interessanterweise stimmte die Konzentration, bei der der geringste Dissoziationsgrad festgestellt wurde (0,025 mol/l) nicht mit der Konzentration überein, bei der in der Hydrierung der höchste Enantiomerenüberschuss erhalten wurde (0,15 mol/l). Dies deutet darauf hin, dass die asymmetrische Induktion nicht im Ionenpaar, sondern in kleineren, definierten Aggregaten wie z.B. Quadrupolen besonders effektiv ist. Mit diesen Arbeiten wurde das erste Mal erfolgreich der Chiralitätstransfer bei der katalytischen Hydrierung mit der Elektrolyttheorie verbunden. Um die Breite des Konzeptes zu prüfen, wurde es für die homogen katalysierte Hydroformylierung von ionischen Flüssigkeiten mit einem ungesättigten prochiralen Anion und dem enantiomerenreinen Kation N,N-Dimethylephedrinium getestet. Dabei konnte gezeigt werden, dass bei der Hydroformylierung von [(1R,2S)-Dimethylephidirinium] [Vinylsulfonat] (47) wie erwartet zwei Regioisomere gebildet


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wurden, von denen das Hauptisomer chiral war. Zwar konnte bisher keine Enantiomerenanalytik für dieses Anion entwickelt werden, so dass keine Erkenntnisse zur Enantioselektivität vorliegen, es wurden aber interessante Effekte bei der Regioselektivität beobachtet, die ebenfalls auf eine Abhängigkeit der Selektivität von der Ionenpaarbildung hinweisen.

Abbildung 88: Hydroformylierung des Vinylsulfonat-Anions in Gegenwart eines enantiomerenreinen Kations.

Zum einen war die Regioselektivität abhängig von dem gewählten Kation –es wurden neben dem Ephedrin weitere Kationen getestet-, zum anderen konnte eine Abhängigkeit von der Konzentration der IL in der Lösung bei gleichbleibendem IL/Katalysator-Verhältnis gezeigt werden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Konzept zur Chiralitätsübertragung durch interionische Wechselwirkung in der heterogen katalysierten Hydrierung von keto-funktionalisierten ILs erfolgreich angewendet werden kann. Der Hauptaspekt für künftige Arbeiten auf diesem Gebiet und eine interessante Erweiterung des Projektes ist jedoch die Übertragung des Konzeptes auf die homogene Katalyse. Erste Ergebnisse wurden bereits in der homogenen Hydroformylierung von Vinylsulfonat–ILs gesammelt, bei der die interionische Wechselwirkung zu einer konzentrationsabhängigen hohen iso/n-Selektivität im Anion der Produkt-IL führte. An diesem Beispiel wurde jedoch auch deutlich, dass es in der homogenen Katalyse eine Vielzahl von Parametern und Wechselwirkungsmöglichkeiten mit Einfluss auf die Ionenpaarbildung und damit die Selektivität gibt, die bisher kaum untersucht wurden. Um ein grundlegendes Verständnis möglicher Wechselwirkungen zu entwickeln, sollten zunächst Versuche zur homogenen Hydrierung durchgeführt werden. Zum einen werden dabei keine Regioisomere gebildet, zum anderen wurde bereits eine zuverlässige Analytik zur Bestimmung des Enantiomerenüberschusses entwickelt. Hinzu kommt, dass in den


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letzten Jahren bereits interessante Ergebnisse aus der ACDC (asymmetric counterion directed catalysis) veröffentlicht wurden.149 Bei der ACDC werden Katalysatoren mit achiralem Kation und einem chiralen, enantiomerenreinen Gegenionen in der homogenen Katalyse von (bisher) neutralen Substraten eingesetzt, was zu hohen Stereoselektivitäten führt. Die asymmetrische Induktion muss also während des konfigurationsbestimmenden Schrittes über interionische Wechselwirkungen des kationischen Katalysatorkomplexes mit dem chiralen Gegenion erfolgen. Die in der homogenen Katalyse als Katalysatoren eingesetzten Metallkomplexe sind meist kationisch oder neutral. In Kombination mit der zu hydrierenden ionischen Flüssigkeit ergeben sich daraus verschiedene Möglichkeiten der Wechselwirkung und Ionenpaarbildung. Während ein kationischer Katalysatorkomplex sowohl mit seinem eigenen Gegenion wie mit dem Anion der IL wechselwirken kann, ist dies bei einem neutralen Katalysator nicht möglich. Daher eignet sich letzteres System gut als Referenz. Ein erster interessanter Versuch ist die Hydrierung des bereits beschrieben [(1R,2S)-Dimethylephedrinium] [Phenylglyoxylat] mit einem achiralen kationischen Katalysator. Das prochirale Anion sollte über die Keto-Gruppe an das Metall koordinieren und über die Carboxylat-Gruppe mit dem chiralen Gegenion wechselwirken. Ein Enantiomerenüberschuss im Produkt kann dann nur von dieser Ionenpaarbildung induziert worden sein.

Abbildung 89: Homogene asymmetrische Hydrierung von prochiralen keto-funktionalisierten Anionen in Gegenwart eines enantiomerenreinen Kations.

Eine Alternative zum [Phenylglyoxylat] als Anion sind verwandte Sulfonate wie [2-Oxo-2-phenylethansulfonat] (52), die ebenfalls die Fähigkeit zur Wasserstoffbrückenbindung besitzen. Zudem wurde die asymmetrische homogene Hydrierung von 52 mit chiralen BINAP-basierten Katalysatoren bereits 1999 von Noyori beschrieben, so dass hier auch ein Vergleich mit Literaturdaten möglich wäre.150


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Im zweiten Schritt kann eine IL mit einem prochiralen keto-funktionalisierten Kation und chiralem Anion eingesetzt werden. Dieses sollte das ursprüngliche Anion des Katalysatorkomplexes durch seine bedeutend höhere Konzentration verdrängen und den Komplex so in-situ chiral modifizieren. Ein geeignetes Kation ist das durch die Phenylgruppe aktivierte [N-(Phenylpropan-1-on)-N-methylimidazolium] (53).

Abbildung 90: Prochirales Kation für die homogene Hydrierung mit aktivierter Keto-Gruppe.

Sollten diese Experimente erfolgreich sein, wäre es als Fernziel möglich, einen kationischen Katalysatorkomplex mit chiralen Liganden einzusetzen, um kooperative Effekte wie chirale Verstärkung oder Abschwächung zu beobachten. Mit den in der asymmetrischen homogenen Hydrierung gewonnenen Erfahrungen wäre es anschließend wieder möglich, nochmals in die asymmetrische homogene Hydroformylierung einzusteigen oder die allgemeine Anwendbarkeit des Konzeptes in der homogenen Katalyse zu überprüfen indem z.B. olefinische Doppelbindungen in prochiralen Anionen oder Kationen asymmetrisch hydriert werden. Die bereits entwickelten Techniken zum Monitoring von Aggregation und Ionenpaarbildung (DOSY-NMR, Leitfähigkeitsmessungen, DRS) haben sich als sehr leistungsfähig erwiesen. Eine wertvolle Ergänzung wären 2D-NOE-Experimente, mit denen die relative Anordnung von Anion und Kation im Ionenpaar bzw. Quadrupol bestimmt werden kann. Dies kann weiteren Aufschluss über H-Brücken-Bildung und -Wechselwirkungen geben, insbesondere bei den Konzentrationen, bei denen sich der Chiralitätstransfer als besonders effektiv herausgestellt hat. Diese Messungen sind nicht trivial, da die Abstände zwischen den koppelnden Kernen in Anion und Kation groß sind. Die NOE-Signale sind nur schwer zu messen. Hier bietet sich eine Kooperation mit PD Ralf Giernoth (Universität Köln) an, in dessen Arbeitsgruppe bereits große Erfahrungen mit heteronuklearer 2D-NOE-Spektroskopie von ionischen Flüssigkeiten gesammelt wurden. Eine weitere Möglichkeit, die relative Anordnung von Anion und Kation zueinander genauer zu betrachten, sind theoretische Simulationen des Ionenpaars und des Quadrupols jeweils einer IL mit effektivem bzw. wenig effektivem Chiralitätstransfer. So können Strukturmuster bestimmt werden, die gute Voraussetzungen für eine starke asymmetrische Induktion darstellen. Da die bisherigen Ergebnisse andeuten,


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dass vorrangig CIPs und Quadrupole einen hohen Enatiomerenüberschuss erzeugen, müssen nur zwei bzw. vier Moleküle modelliert werden. Dadurch ist der Rechenaufwand erheblich geringer, als wenn eine Lösung mit bestimmter Zusammensetzung modelliert werden sollte.

4.1 Summary

During the course of this work, the efficiency of chirality transfer within an ionic liquid from an enantiopure ion to its prochiral counter ion during catalytic asymmetric hydrogenation has been investigated. The catalyst employed was a completely achiral heterogeneous catalyst. The degree of chirality transfer was successfully connected to the ion association of the ionic liquid’s ions in solution. The main parameters to drive ion speciation in solution were identified as the polarity of the solvent, the concentration of the ionic liquid in solution, the ability to form hydrogen bonds, and the basicity of the anion. This correlation has been approved by a combination of conductivity measurements, DOSY-NMR-spectroscopy and dielectric relaxation spectroscopy. In the first part of this thesis, the asymmetric hydrogenation of different imidazolium-based ionic liquids was investigated. The latter consisted of a keto-functionalized prochiral cation and the enantiopure counter anion (-)-(S)-camphorsulfonate. The IL was hydrogenated in solution using an achiral heterogeneous catalyst and 60 bar of hydrogen pressure.

Abbildung 91: Hydrogenation of a keto-functionalized IL cation in the presence of its enantiopure counter ion.

The enantiomeric excess in the hydroxy-functionalized cation of the product IL was determined from the intensity of the NMR signals after esterification of the hydroxy-function with enantiopure mosher’s acid chloride and subsequent 19F-NMR analysis. Results showed a dependency of the intimacy of the ion contact, (and therefore the


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enantiomeric excess), on the concentration of the ionic liquid in solution. For [N-(3’-oxobutyl)-N-methylimidazolium][(-)-(S)-camphorsulfonate] in ethanol a maximum ee of 0,3 % was found for a concentration of 0,3 mol / l. Both for higher and lower concentrations lower ees were obtained. Similar behavior was observed for hydrogenations in different solvents. In water as well as in THF, which is apolar in comparison to ethanol, the enantiomeric excesses in the cation after hydrogenation were by trend lower than in ethanol. This can be explained by different ion association modes. While in polar water the higher extent of solvation leads mostly to completely dissociated single ions, in THF higher aggregated species prevail in which the chiral anion and the prochiral cation do not have the specific steric arrangement needed for effective chirality transfer. The influence of the length of the oxoalkyl side chain, and therefore the influence of the distance between the prochiral carbonyl function and the center of charge was negligible. More significant was the methylation of the C-2 position in the imidazolium ring in IL 29 which led to suppression of H-bond formation. By mere electrostatic interaction the resulting ion pairs could not by stabilized to the same extend as in the analogous but unmethylated IL 26 in which H-bond formation is possible. This led to a significant drop in the ee of the hydrogenated cation. The concept was applied accordingly to [N-[5’-oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(R)-mandelate] having a chiral carboxylate as anion. Like in all cases investigated here, the typical concentration profile was found. Interestingly, in case of the mandelate the profile was much less pronounced as found for the camphorsulfonates and ion pair formation seems to be less influenced by concentration. Taking a relative mistake for the determination of the ee of approximately 5 % into account, a constant asymmetric induction up to a concentration of 0,3 mol / l was observed. Only for higher concentrations a lower ee value was found. This effect is supposed to be due to the higher hydrogen bond basicity (compared to the sulfonates) which stabilizes the ion pairs over a wider range of concentration. As a second possible stabilizing factor, -stacking between the two aromatic ring systems of anion and cation might play a role.

Abbildung 92: Hydrogenation of [N-(5‘-oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(R)-mandelate]


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The kinetics of the system were investigated with the mandelate ionic liquid. It could be demonstrated that the enantiomeric excess at a given concentration of 0,15 mol / l is independent from the reaction temperature in a temperature range from 60-90 °C. For these temperatures, the effective reaction rate r’ and the effective time constants k’ were determined from the concentration-time-profiles. With the help of the Arrhenius plot, an effective reaction order of n = 0,8, a preexponential factor of A = 1,74 · 107 mol / l, and an activation energy of EA = 64 kJ / mol were found. Trials to invert the concept to a chiral cation and a prochiral counter anion ([(1R,2S)-dimethylephedrinium] [pyruvate]) were unsuccessful so far. Presumably, hydrogen bonds formed between the hydroxy group of the cation to the anion were not stable enough to grant effective chirality transfer. Apart from measuring the enantiomeric excess, ion association was followed by an independent analytical method. By a combination of conductivity measurements and diffusion-ordered NMR spectroscopy (DOSY-NMR), the degree of dissociation of the ionic liquid in solution was determined for the concentrations tested in hydrogenation experiments. Smallest values of were found at the concentration of maximum ee and therefore maximum asymmetric induction for all systems described here. A decrease in with increasing IL concentration could be explained by formation of ordered structures like contact ion pairs or quadruples from single ions. When surpassing a certain maximum concentration, higher aggregates formed in which ion pairs re-dissociated. As a consequence, the structure was less ordered and increased again while lower enantiomeric excesses were found at these concentrations. Compared to ethanol, -values were significantly higher in water, reflecting higher solvation capability and lower ees in this solvent. As this correlation was also found for the other imidazolium-based CILs, it can be assumed that by combination of conductivity and DOSY-NMR measurements it is indeed possible to predict the concentration range for maximum chirality transfer. As is only a relative measure and cannot be interpreted quantitatively, the determination of the hydrodynamic radius via DOSY-NMR and a simplified Stokes-Einstein equation allowed the calculation of aggregation number N. While N = 1 represents a contact ion pair, N = 0,5 stands for fully solvated single ions. For the imidazolium-based camphorsulfonates 25, 26, and 29 N was determined in a


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concentration range from 1·10-4 to 2 mol / l. For the dialkylated cation in 25 ion pairs and quadruples were found for concentrations up to 0,2 mol / l, whereas single ions were detected in this concentration range for IL 26. The effect was even more pronounced for the trialkylated IL 29. Single ions were found over an even wider concentration range. This result is in good agreement with the assumption that hydrogen bonds via the acid C-2 proton play an important role in ion pair formation. In a second approach to quantify ion pair formation, IL 25 was analyzed with dielectric relaxation spectroscopy (DRS) in cooperation with Prof. Herrmann Weingärtner at the Ruhr Universität Bochum. As in the NMR experiments, it was shown that the tendency to form ion pairs is less pronounced in diluted systems and increases slowly with increasing concentration, leading to higher enantiomeric excesses during hydrogenation. In case of IL 25, we were able to detect the formation of quadruples above a given maximum concentration, which collapse in the excess volume of the IL if concentration is increased further. Interestingly, this maximum concentration (0,025 mol / l) did not correspond to the concentration at which the highest ee was found (0,15 mol / l). This is a hint that the most effective chirality transfer does not take place in the ion pair but in the quadruple. This work successfully correlates for the first time chirality transfer in catalytic hydrogenation to electrolyte theory. In order to prove the general validity of the concept, a homogeneous catalyzed hydroformylation of ionic liquids with an unsaturated prochiral anion and the enantiopure cation N,N-dimethylephedrinium was investigated. As expected, two regioisomers were formed during hydroformylation of [(1R,2S)-dimethylephedrinium] [vinylsulfonate] (47). Of this mixture, the main isomer was chiral. Unfortunately, no analytical method was found to determine the ee of this isomer but an interesting effect was observed concerning regioselectivity that suggest a dependency of selectivity on ion pair formation.

Abbildung 93: Hydroformylation of the vinylsulfonate anion in presence of an enantiopure cation.


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By testing other cations it was shown that regioselectivity was influenced by the nature of the cation. Additionally, for a constant proportion between IL and catalyst selectivity changed depending on IL concentration in solution.

5. Experimenteller Teil

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5. Experimenteller Teil 5.1 Lösungsmittel und Reagenzien Lösungsmittel für Synthesen und Katalysen waren von spektroskopischer Reinheit. Methylimidazol (Aldrich, > 99%), 1-Chlor-5-Hexanon (ABCR, > 97%) und Methyliodid (Sigma-Aldrich, 99 %) wurden vor der Verwendung unter Argonatmosphäre destilliert und bei -18 °C unter Schutzgas aufbewahrt. Alle anderen Chemikalien wurden ohne weitere Reinigung verwendet. Amberlite IR-120 (Merck, Kapazität: 1,9 mmol/ml, Partikelgröße: 0,3 – 1,18 mm) Brenztraubensäure (Fluka, 98%) (1S)-(+)-Campher-10-sulfonsäure (Sigma-Aldrich, 99%) 1,2-Dimehtylimidazol (Sigma-Aldrich, 98%) Dimethylsulfat (Riedel de Haën, > 99%) Dowex 1X8 (Fluka, Kapazität: 1,2 mmol/ml, Partikelgröße 50-100 mesh) (1R,2S)-(-)-Ephedrin (Sigma-Aldrich, 98%) Imidazol (Fluka, 99%) [Lithium] [Bis(trifluormethylsulfonyl)imid] (Merck, 99%) (R)-Mandelsäure (Aldrich, > 99%) -Methoxy--(trifluormethyl)-phenylacetylchlorid (Aldrich, > 99%) Methylvinylketon (Aldrich, > 99%) [Natrium] [Vinylsulfonat] (25%ig, ABCR, technisch) Phenylglyoxylsäure (Fluka, > 98%) L-(-)-3-Phenylmilchsäure (Sigma-Aldrich, 98%) Ruthenium auf Kohle (5% Ru) (Sigma-Aldrich) Silber(I)oxid (Fluka, 99%) (2R,3R)-(+)-Weinsäure (KMF optiChem, 99,5%) 5.2 Anmerkungen zur Analytik 5.2.1 NMR NMR Messungen wurden mit einem Jeol ECX 400 MHz Spektrometer durchgeführt. Die Spektren wurden bei 20 °C aufgenommen und auf das Lösungsmittel referenziert. Bei der Interpretation der Aufspaltungsmuster im 1H-Spektrum wurden folgende Abkürzungen verwendet: s Singulet d Duplet


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t Triplet m Multiplet br breites Signal Die 13C-NMR-Spektren wurden 1H-breitbandentkoppelt aufgenommen, das Substitutionsmuster wurde anhand des J-modulierten Spinecho-Spektrums (ATP-Spektrum, Attached Proton Test) ermittelt: u = C, CH2, d = CH, CH3

5.2.2 Bestimmung der Selbstdiffusionskoeffizienten mit bpp-led-DOSY-NMR Die Messungen wurden an einem Jeol ECX 400 MHz Spektrometer mit einem 2-Kanal-(HF, LF)-Probenkopf durchgeführt. Die Spektren wurden auf das Lösungsmittel referenziert. Die bpp-led-DOSY-Messungen wurden entsprechend publizierten Messroutinen durchgeführt.119,151 Die Abschwächung des Echo-Signals ist mit den experimentellen Parametern über folgende Gleichung verknüpft:

3lnln 22

0

Dg

S

SE

g

Gleichung 22

S ist die Intensität des Spinecho-Signals, das gyromagnetische Verhältnis, g die Stärke des Feldgradienten, D der Diffusionskoeffizient. ist die Dauer des eingestrahlten Feldgradienten und das Intervall zwischen den Gradientenpulsen. wurde zwischen 100 und 200 mS variiert, die Werte für betrugen zwischen 1 und 2 mS. Der eingestrahlte Feldgradient wurde zwischen 0,01 und 0,3 Tm-1 gewählt . Die Temperatur konnte über einen Kryostaten und eine Heizspule variiert werden. 5.2.3 GC Die GC Chromatogramme wurden an einem Varian 3900 aufgenommen, der mit einem Flammenionisationsdetektor und einem Varian CD 8410 Autosampler ausgerüstet war. Als chirale Säule wurde eine Varian CP Chirasil-Dex verwendet (25 m x 0,32 mm). 5.2.4 HPLC HPLC Chromatogramme wurden an einer Jasco-Anlage aufgenommen, bestehend aus einem LG 2080 Entgaser, einem LG 2080-2 Mischer, einer PU-2080 Plus Pumpe, einem AS 2055 Plus Autosampler und einem UV 2075 Plus Detektor. Als achirale Säule wurde eine C18-Reversed-Phase Säule verwendet (Jasco Phenomex; 250 x 4,6 mm; Typ: GY5U-ODS3-100A; BNO: 009-4097-EO). Als chirale Säule wurde


135

eine C18-Reversed-Phase Säule verwendet (Macherey Nagel; Nucleodex Gamma-PM, 200 x 4 mm, Ser. 5076914, Batch 5015). Es wurden ausschließlich Lösungsmittel der Güte „HPLC grade“ verwendet. Vor jeder Messung wurde die Spule des Injektors mindestens dreimal mit Wasser gespült und die gesamte Anlage mit dem entsprechenden Lösungsmittelgemisch gespült, bis eine gerade Baseline erreicht wurde. 5.2.5 UV-Vis-Spektrometrie Die Aufnahme der UV-Vis-Spekren erfolgte mit einem Analytik Jena Specord 205 Spektrometer. 5.2.6 DSC Die DSC Messungen wurden an einem Netzsch DSC 204 unter Stickstoffatmosphäre in verschlossenen Aluminiumpfannen durchgeführt. Die Probe wurde mit einer Kühlrate von 2 K/min auf -60 °C abgekühlt, wobei alle 10 K die Temperatur für 5 Minuten gehalten wurde. Nach Abkühlen auf -120 °C in einem Schritt wurde die Probe mit einer Rate von 5 K/min auf 60°C erhitzt. Die Glaspunkte (Tg, Onset der Wärmekapazitätsänderung) und Schmelzpunkte wurden aus der Heizkurve ermittelt. 5.2.7 TGA Die Temperaturstabilität wurde über Thermogravimetrie an einem Netzsch TG 209 bestimmt. Die Proben wurden 30 Minuten auf 80 °C gehalten und anschließend mit 10 K/min bis auf 450 °C geheizt. 5.2.8 Viskosität Die Viskosität wurde unter Argonatmosphäre mit einem Anton Paar Physica MCR 100 Rheometer bei variabler Scherrate 1-1000 s-1gemessen. 5.2.9 Karl-Fischer-Titration Der Wassergehalt wurde durch Karl-Fischer-Titration mit einem Metrohm 756 KF bestimmt. 5.2.10 Schmelzpunktsbestimmung Schmelzpunkte wurden mit einem HWS Mainz Laboratoriumstechnik SG 2000 bestimmt.


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5.2.11 Dichtebestimmung Die Bestimmung der Dichte erfolgte an einem Anton Paar DMA 4500 Dichtemessgerät. 5.2.12 Leitfähigkeit Die Leitfähigkeit wurde in einer Leitfähigkeitszelle (LTA 1, WTW, Zellkonstante K = 1, mit Platinmohr beschichtete Pt-Elektrode) unter Wechselstrom bestimmt. Der Apparat wurde vor einer Messreihe mit 0,01 M KCl-Standard-Lösung kalibriert ( = 1,413 mS/cm bei 298 K). Alle Proben wurden vor und während der Messungen in einem Thermostaten temperiert, um isotherme Bedingungen zu garantieren. 5.3 Allgemeine Arbeitsvorschriften Soweit nicht anders beschrieben wurden alle Experimente unter Argonatmosphäre durchgeführt. Die allgemeinen Arbeitsanweisungen beziehen sich auf standardisierte Versuche. Abweichende Bedingungen werden gesondert aufgeführt. AAV 1: Synthese der Pyridinium ILs Das Pyridinderivat (Nicotinsäuremethylester oder 3-Butylpyridin) wurde gelöst und portionsweise mit stöchiometrischen Mengen der entsprechenden Säure versetzt. Nach 2 Stunden wurde das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt und der verbliebene Feststoff im Hochvakuum getrocknet. Das Produkt wird in quantitativer Ausbeute erhalten. AAV 2: Hydrierung der Pyridinium-ILs Die Hydrierungen wurden in einem 600 ml Parr Autoklaven durchgeführt, der mit einem Spülgaseinlass, einem Thermoelement, einem Wasserstoffeinlass und einem Heizmantel ausgestattet war. In den Reaktortopf konnten bis zu 5 Proben in Reagenzgläsern eingesetzt werden. Die Probengläser wurden mit einem gasdurchlässigen Deckel verschraubt. Die Durchmischung erfolgte über einen Magnetrührer unter dem Reaktortopf. Die IL wurde in 2,5 g Dichlormethan gelöst und mit dem Katalysator versetzt (5 % Ru/C, 25 Gew.% bezogen auf die IL). Die Mischung wurde im Autoklaven bei 80 °C und 80 bar Wasserstoffdruck hydriert (16-24 Std.). Nach dem Abkühlen wurde der Wasserstoffdruck abgelassen und der Katalysator abfiltriert. Nach Entfernen des Lösungsmittels wurde das Produkt getrocknet und in Dichlormethan aufgenommen.


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Das Anion wurde durch Waschen mit 0,1 M NaOH entfernt. Die organische Phase wurde über MgSO4 getrocknet und das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt. Nach dem Trocken im Hochvakuum wurden die Piperidine als gelblich-braune Flüssigkeiten erhalten. AAV 3: Hydrierung der Imidazolium- und Ephedrinium-ILs Die Hydrierungen wurden in einem 300 ml Parr Autoklaven durchgeführt, der mit einem Gaseintragsrührer, einem Thermoelement, einem Wasserstoffeinlass und einem Heizmantel ausgestattet war. Vor der Hydrierung wurde die IL gründlich bei 45 °C im Vakuum getrocknet, um den Wassergehalt zu minimieren. Die IL wurde in 100 ml Lösungsmittel gelöst (evtl. unter leichter Erwärmung) und mit dem Katalysator versetzt (5 % Ru/C, 10 Gew.% bezogen auf die IL). Die Mischung wurde im Autoklaven bei 60 °C, 60 bar Wasserstoffdruck und einer Rührerdrehzahl von 1200 U/min bis zum Vollumsatz hydriert (16-24 Std.) Nach dem Abkühlen wurde der Wasserstoffdruck abgelassen und der Katalysator abfiltriert. Nach Entfernen des Lösungsmittels wurde das Produkt als viskoses braunes Öl erhalten. AAV 4: Anionenaustausch zum BTA Die hydrierte IL wurde in Dichlormethan gelöst und mit einer wässrigen Lösung von 1,2 Äquivalenten Li [NTf2] heftig gerührt. Nach 30 Minuten wurde die Hälfte der wässrigen Phase entfernt und mit destilliertem Wasser aufgefüllt. Dies wurde noch zwei Mal wiederholt. Anschließend wurde die organische Phase abgetrennt und über MgSO4 getrocknet. Die [NTf2]-IL wurde nach Entfernen des Lösungsmittels in bis zu 60 % Ausbeute als viskoses Öl erhalten. AAV 5: Veresterung mit -Methoxy--(trifluormethyl)-phenylacetylchlorid zur Bestimmung des Enantiomerenüberschusses Die nach AAV 4 erhaltene ionische Flüssigkeit wurde unter Argonatmosphäre in trockenem Dichlormethan gelöst und mit Moschersäurechlorid (-Methoxy--(trifluormethyl)-phenylacetylchlorid) versetzt. Nach leichtem Erwärmen wurde zum vollständigen Umsatz Tripropylamin zugegeben. Von den diastereomeren Estern wurden 19F-NMR-Spektren aufgenommen, um den Diastereomerenüberschuss zu bestimmen.


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AAV 6: Veresterung von Carboxylat-ILs zu Carbonsäuremethylestern über einen Kationentauscher Eine Amberlite IR-120 Säule (H+-Form, Kapazität 1,9 mmol/ml) wurde mit Methanol gründlich gespült. Anschließend wurde eine 0,1 M methanolische Lösung der IL langsam (1 Tropfen / 4 Sek.) über die Säule gespült. Das Eluat wurde vom Lösungsmittel befreit und im Hochvakuum getrocknet. Man erhält das Produkt in nahezu vollständiger Ausbeute. Die Säule kann durch Spülen mit 2 M HCl regeneriert werden. AAV 7: Anionentauscherpräparation Eine Dowex 1-X8 Säule (Cl--Form, Kapazität = 1,2 mmol/ml) wurde mit 2 M NaOH gewaschen bis der Nachweis von Chlorid mit Silbernitrat negativ verlief. Anschließend wurde mit Wasser bis zu einem neutralen pH gespült und mit einer 0,1 M wässrigen Lösung der gewünschten Säure beladen. Vor dem Austausch wurde wieder mit Wasser bis zu einem neutralen pH gespült. 5.4 Synthese der beschriebenen Verbindungen [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (25)

In einem Kolben wurde Methylimidazol (35,35 g, 0,43 mol) in Dichlormethan (250 ml) vorgelegt und portionsweise mit (+)-Campher-10-sulfonsäure (100 g, 0,43 mol, 1,0 Äq.) versetzt. Nach zwei Stunden wurde das Lösungsmittel abgezogen und der weiße Feststoff in Ethanol (400 ml) aufgenommen. Die Lösung wurde mit Methylvinylketon (71,67 ml, 60,34 g, 0,861 mol, 2,0 Äq.) 3 Tage refluxiert. Das Lösungsmittel wurde am Rotationsverdampfer entfernt und das Produkt (0,41 mol, 157,64 g, 95%) für 2 Tage bei 40 °C im Hochvakuum getrocknet. 1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): = 0.73 (s, 3H, 9-H), 1.03 (s, 3H, 9-H), 1.25-1.32 (m, 2H, 2ax-H und 3ax-H), 1.77-1.86 (m, 2H, 3eq-H und 4-H), 1.93 (t, 1H, 5ax-H, 3J = 1.8 Hz), 2.11 (s, 3H, 8-H), 2.20-2.26 (m, 1H, 5eq-H), 2.38 (d, 1H, 7-H, 3J = 5.8 Hz), 2.62 (m, 1H, 2eq-H), 2.88 (d, 1H, 7-H, 3J = 5.9 Hz), 3.14 (t, 2H, 6-H,


139

3J = 2.6 Hz), 3.84 (s, 3H, 4-H), 4.31 (t, 2H, 5-H, 3J = 2.6 Hz), 7.69 (dt, 2H, 1-H und 2-H, 3J = 8.9 Hz, 4J = 0.7 Hz), 9.11 (s, 1H, 3-H). 13C-NMR (DMSO-d6, 100,4 MHz, ppm): = 19.47 (d, C-9), 20.03 (d, C-9), 24.14 (u, C-2), 26.33 (u, C-3), 29.59 (d, C-8), 35.59 (d, C-4), 41.93 (u, C-5), 42.16 (d, C-4), 42.22 (u, C-6), 44.68 (u, C-7 o. C-8), 46.92 (u, C-5), 47.2 (u, C-7 o. C-8), 58.22 (u, C-1), 122.38 (d, C-1), 123.29 (d, C-2), 136.88 (u, C-3), 216.22 (u, C-7). Wassergehalt: 0,61% Glaspunkt: -36.9 °C und -3.7 °C Zersetzungstemperatur: 145,2 °C 1,0 % Massenverlust 162,3 °C Onset 191,3 °C Onset Dichte:

Viskosität: Temperatur / [°C] 40 60 80 40 neu Viskosität / [mPa s] 1620 352 102 1530 [N-(3’-Hydroxobutyl)-N-methylimidazolium] [NTf2]

[N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (25) wurde nach AAV 3 hydriert und nach AAV 4 eine Anionmetathese durchgeführt.

1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): = 1.09 (d, 3H, 8-H, 3J = 6.2 Hz), 1.71-1.93 (m, 2H, 6-H), 2.45 (d, 1H, 9-H, 3J = 5.0 Hz), 3.53-3.61 (m, 1H, 7-H), 3.81 (s, 3H,

Temperatur / [°C]

Dichte / [g/ml]

30 1,223

40 1,218

50 1,211

60 1,204

70 1,198

80 1,191


140

4-H), 4.23 (t, 2H, 5-H, 3J = 7.7 Hz), 7.68 (s, 1H, 1-H), 7.75 (s, 1H, 2-H), 9.09 (s, 1H, 3-H). N-(3’-Oxobutyl)-imidazol (31)

In einem Kolben mit Tropftrichter wurden Imidazol (29,31 g, 0,43 mol), [1-Butyl-2,3-dimethylimidazolium] [Chlorid] (11,27 g, 0,06 mol, 0,15 Äq.) und Wasser (300 ml) vorgelegt und auf 5 °C abgekühlt. Methylvinylketon (46,5 ml, 39,18 g, 0,56 mol, 1,3 Äq.) wurde langsam zugetropft und die Mischung 12 Stunden gerührt, wobei sie sich langsam erwärmte. Die Lösung wurde vier Mal mit Dichlormethan extrahiert, um das [BMMIM] [Cl] abzutrennen, das in der wässrigen Phase verblieb. Die vereinigten organischen Phasen wurden über MgSO4 getrocknet und das Lösungsmittel im Vakuum abgezogen. Das erhaltene braune Öl wurde durch Säulenchromatographie über Kieselgel gereinigt (Dichlormethan/Ethanol, 8/1). Das Produkt wurde als farblose Flüssigkeit in 65 % Ausbeute erhalten (38,90 g, 0,28 mol) und ist bereits bei Raumtemperatur instabil. Es muss daher bei -18 °C gelagert oder sofort umgesetzt werden. 1H-NMR (400 MHz, CDCl3, ppm): = 0.81 (s, 3H, 7-H), 2.81 (t, 2H, 5-H, 3J = 6.4 Hz), 4.09 (t, 2H, 4-H, 3J = 6.4 Hz), 6.80 (s, 1H, 2-H), 6.86 (s, 1H, 3-H), 7.36 (s, 1H, 1-H). 13C-NMR (100,4 MHz, CDCl3, ppm): = 30.03 (u, C-7), 40.93 (d, C-5), 44.24 (d, C-4), 118.95 (u, C-3), 129.20 (u, C-2), 137.21 (u, C-1), 204.95 (d, C-6). [N-(3’-Oxobutyl)imidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (27)

N-(3-Oxobutyl)-imidazol (38,90 g, 0,28 mol) wurde in Dichlormethan (300 ml) bei 10 °C gelöst und portionsweise mit (+)-Campher-10-sulfonsäure (65,04 g, 0,28 mol, 1,0 Äq.) versetzt. Nach zwei Stunden wurde das Lösungsmittel im Vakuum entfernt und das Produkt als rötlich-braunes Öl erhalten (104,02 g, 0,28 mol, 100 %). Das Produkt war temperaturempfindlich.


141

1H-NMR (400 MHz, CDCl3, ppm): = 0.82 (s, 3H, 9-H), 1.06 (s, 3H, 9-H), 1.35-1.41 (m, 1H, 2ax-H), 1.72-1.79 (m, 1H, 3ax-H), 1.86-1.90 (m, 1H, 4-H), 1.94-2.06 (m, 2H, 3eq-H und 5ax-H), 2.16 (s, 3H, 8-H), 2.26-2.33 (m, 1H, 5eq-H), 2.55-2.58 (m, 1H, 2eq-H), 2.86 (d, 1H, 7-H, 3J = 14.6 Hz), 3.18 (t, 2H, 6-H, 3J = 6.0 Hz), 3.34 (d, 1H, 7-H, 3J = 14.8 Hz), 4.53 (t, 2H, 5-H, 3J = 6.0 Hz), 6.59 (br, 1H, 4-H), 7.35 (d, 2H, 1-H und 2-H, 3J = 4.6 Hz), 9.11 (s, 1H, 3-H). 13C-NMR (100,4 MHz, CDCl3, ppm): = 19.81 (d, C-9), 24.61 (u, C-2), 27.01 (u, C-3), 29.97 (d, C-8), 42.60 (d, C-4), 42.88 (u, C-5), 43.41 (u, C-6), 43.74 (u, C-5), 47.66 (u, C-7 o C-8), 48.08 (u, C-7 o. C-8), 58.39 (u, C-1), 120.08 (d, C-1), 122.15 (d, C-2), 135.91 (u, C-3), 205.81 (u, C-6), 216.66 (u, C-7). Glaspunkt: -17,3 °C Zersetzungstemperatur: 164,4 °C 1,0 % Massenverlust 287,3 °C Onset [N-(3’-Hydroxobutyl)imidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (27a)

[N-(3’-Oxobutyl)imidazolium] [(+)-Camphersulfonat] wurde nach AAV 3 hydriert. 1H-NMR (400 MHz, CDCl3, ppm): = 0.77 (s, 3H, 9-H), 1.00 (s, 3H, 9-H), 1.12 (d, 3H, 8-H, 3J = 5,8 Hz), 1.31–1.37 (m, 1H, 2ax-H), 1.54-1.70 (m, 2H, 6-H), 1.82-2.01 (m, 4H, 5ax-H, 4-H, 3-H), 2.24-2.29 (m, 1H, 5eq-H), 2.46-2.52 (m, 1H, 2eq-H), 2.74 (d, 1H, 7-H, 2J = 14,4 Hz), 3.22 (d, 1H, 7-H, 2J = 14,4 Hz), 3.71 (br, 1H, 7-H), 4,26-4.41 (m, 2H, 5-H), 7.44 (s, 1H, 1-H), 7.50 (s, 1H, 2-H), 8.90 (s, 1H, 3-H). 13C-NMR (100,4 MHz, CDCl3, ppm): = 19.67 (d, C-9), 19.70 (d, C-9), 23.27 (d, C-8), 24.47 (u, C-2), 27.01 (u, C-3), 38.56 (u, C-6 oder C-5), 42.49 (d, C-4), 42.77 (u, C-6 oder C-5), 46.37 (u, C-7 oder C-8), 47.29 (u, C-7 oder C-8), 48.00 (u, C-5), 58.33 (u, C-1), 64.09 (d, C-7), 124.38 (d, C-1), 129.35 (d, C-2), 135.21 (d, C-3), 217.37 (u, C-6).


142

[N-(5’Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Chlorid]

In einem Kolben wurden Methylimidazol (8,22 g, 0,10 mol) und 1-Chlor-5-hexanon (14,7 ml, 0,11 mol, 1,1 Äq.) vorgelegt und drei Tage auf 75 °C erhitzt. Überschüssiges 1-Clor-5-hexanon wurde anschließend unter Hochvakuum bei 100 °C abdestilliert. Das Produkt wurde als brauner Feststoff erhalten.

1H-NMR (400 MHz, CDCl3, ppm): = 1.26 (q, 2H, 6-H, 3J = 7.4 Hz), 1.63 (q, 2H, 7-H, 3J = 7.6 Hz), 1.81 (s, 3H, 10-H), 2.25 (t, 2H, 8-H, 3J = 7.1 Hz), 3.79 (s, 3H, 4-H), 4.07 (t, 2H, 5-H, 3J = 7.2 Hz), 7.44 (t, 2H, 1-H, 2-H, 3J = 2.3 Hz), 10.15 (s, 1H, 3-H). 13C-NMR (100,4 MHz, CDCl3, ppm): = 19.4 (u, C-7), 29.0 (u, C-6), 29.7 (d, C-10), 36.1 (d, C-4), 41.9 (u, C-8), 49.1 (u, C-5), 122.0 (d, C-1), 123.3 (d, C-2), 137.1 (u, C-3), 207.8 (u, C-9). Wassergehalt: 0,55 % Schmelzpunkt: 84,0 °C Zersetzungstemperatur: 154,6 °C 1,0 % Massenverlust 272,0 °C Onset [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (26)

Die 0,1 M wässrige Lösung von [N-(5’Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [Chlorid] wurde langsam über einen mit (+)-Camphersulfonat beladenen Anionentauscher (Dowex 1X8) gesäult. Das Eluat wurde getrocknet und die IL als gelbe viskose Flüssigkeit erhalten (37,92 g, 0,09 mol, 91 %). Das Produkt war nach Silbernitrat-Test chloridfrei. 1H-NMR (400 MHz, CDCl3, ppm): = 0.74 (s, 3H, 9-H), 1.00 (s, 3H, 9-H), 1.24 (m, 1H, 2ax-H), 1.47 (q, 2H, 6-H, 3J = 7.4 Hz), 1.61-1.68 (m, 1H, 3ax-H), 1.75-1.85 (m,


143

3H, 4-H und 7-H), 1.85-1.97 (m, 2H, 3eq-H und 5ax-H), 2.04 (s, 3H, 10-H), 2.18-2.23 (m, 1H, 5eq-H), 2.45 (t, 2H, 8-H, 3J = 7.0 Hz), 2.61 (m, 1H, 2eq-H), 3.19 (d, 2H, 7-H, 2J = 14.5 Hz), 3.95 (s, 3H, 4-H), 4.23 (t, 2H, 5-H, 3J = 7.2 Hz), 7.45 (s, 1H, 1-H), 7.47 (s, 1H, 2-H), 7.70 (d, 1H, 7-H, 2J = 14.4 Hz), 9.74 (s, 1H, 3-H). 13C-NMR (100,4 MHz, CDCl3, ppm): = 19.89 (d, C-9), 19.92 (u, C-7), 20.01 (d, C-9), 24.55 (u, C-2), 27.10 (u, C-3), 29.39 (u, C-6), 30.11 (d, C-10), 36.45 (d, C-4), 42.33 (u, C-5), 42.60 (d, C-4), 43.03 (u, C-8), 47.29 (u, C-7 o. C-8), 47.95 (u, C-7 o. C-8), 49.50 (u, C-5), 58.59 (u, C-1), 122.07 (d, C-1), 123.49 (d, C-2), 138.31 (u, C-3), 208,48 (u, C-9), 217.21 (u, C-6). Wassergehalt: 1,51 % (hygroskopisch) Glaspunkt: -37,4 °C Schmelzpunkt (DSC): 13,6 °C Zersetzungstemperatur: 186,1 °C 1,0 % Massenverlust 317,5 °C Onset Dichte:

Temperatur / [°C]

Dichte / [g/ml]

20 1,196

30 1,189

40 1,182

50 1,175

60 1,169

70 1,162

80 1,158

Viskosität: Temperatur / [°C] 20 25 40 60 80 20 neu

Viskosität / [mPa s] 1790 1220 389 113 44 2140

[N-(5’-Hydroxohexyl)-N-methylimidazolium] [NTf2]

[N-(5’-Hydroxohexyl)-N-methylimidazolium] [(+)-Camphersulfonat] wurde nach AAV 3 hydriert und anschließend nach AAV 4 eine Anionmetathese durchgeführt.


144

1H-NMR (400 MHz, CD2Cl2, ppm): = 1.11 (d, 3H, 10-H, 3J = 6.2 Hz), 1.30-1.46 (m, 4H, 6-H, 7-H), 1.80-1.91 (m, 2H, 8-H), 3.69-3.77 (m, 1H, 9-H), 3.88 (s, 3H, 4-H), 4.15 (t, 2H, 5-H, 3J = 7.5 Hz), 7.28 (s, 1H, 1-H), 7.31 (s, 1H, 2-H), 8.60 (s, 1H, 3-H). N-(5-Oxohexyl)-imidazol (32)

Natriumhydroxid (18,18 g, 0,46 mol, 2,0 Äq.) wurde in Wasser vorgelegt und nach dem Abkühlen mit Imidazol (15,48 g, 0,23 mol) versetzt. Nach Abkühlen auf RT wurden Tetrabutylammoniumchlorid in katalytischen Mengen und 1-Chlor-5-hexanon (30,6 g, 30,0 ml, 0,23 mol, 1,0 Äq.) zugegeben und die Mischung 3 Tage bei 45 °C gerührt. Die dunkelgelbe organische Phase wurde abgetrennt und die wässrige Phase mit Dichlormethan extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden mehrfach mit Wasser bis zu einem neutralen pH gewaschen, über MgSO4 getrocknet und das Lösungsmittel abgezogen. Das gelbe Rohprodukt würde durch Säulenchromatographie über Kieselgel gereinigt (Ethanol/Dichlormethan: 1/9). Ausbeute: 29,88 g (0,18 mol, 80 %) 1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 1.47-1.55 (m, 2H, 6-H), 1.68-1.76 (m, 2H, 5-H), 2.07 (s, 3H, 9-H), 2.40 (t, 2H, 7-H, 3J = 7.0 Hz), 3.89 (t, 2H, 4-H, 3J = 7.0 Hz), 6.86 (s, 1H, 1-H), 6.99 (s, 1H, 2-H), 7.41 (s, 1H, 3-H). 13C-NMR (CDCl3, 100,4 MHz, ppm): = 20.49 (u, C-6), 29.89 (d, C-9), 30.38 (u, C-5), 42.59 (u, C-7), 46.78 (u, C-4), 118.71 (d, C-1), 129.30 (d, C-2), 136.94 (d, C-3), 207.98 (C-8). [N-(5’-Oxohexyl)imidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (28)

N-(5‘-Oxohexyl)-imidazol (1,39 g, 8,4 mmol) wurde in Dichlormethan (10 ml) gelöst und portionsweise mit (S)-(+)-Campher-10-sulfonsäure (1,94 g, 8,4 mmol, 1,0 Äq.) versetzt.


145

Nach zwei Stunden wurde das Lösungsmittel entfernt, die IL im Hochvakuum getrocknet und als viskoses gelbes Öl in quantitativer Ausbeute erhalten. 1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 0.73 (s, 3H, 9-H), 0.98 (s, 3H, 9-H), 1.26-1.32 (m, 1H, 2ax-H), 1.48 (q, 2H, 6-H, 3J = 7.4 Hz), 1.64-1.71 (m, 1H, 3ax-H), 1.76-1.83 (m, 3H, 7-H, 4-H), 1.86-1.94 (m, 1H, 3eq-H), 1.94-1.97 (m, 1H, 5ax-H), 2.04 (s, 3H, 10-H), 2.18-2.25 (m, 1H, 5eq-H), 2.44 (t, 2H, 8-H, 3J = 7.0 Hz), 2.51-2.58 (m, 1H, 2eq-H), 2.74 (d, 1H, 7-H, 2J = 14.4 Hz), 3.22 (d, 1H, 7-H, 2J = 14.4 Hz), 4.20 (t, 2H, 5-H, 3J = 7.2 Hz), 7.22 (s, 1H, 1-H), 7.39 (s, 1H, 2-H), 8.99 (s, 1H, 3-H). 13C-NMR (CDCl3, 100,4 MHz, ppm): = 19.82 (d, C-9), 19.86 (d, C-9), 19.99 (u, C-7), 24.50 (u, C-2), 27.02 (u, C-3), 29.56 (u, C-6), 30.04 (d, C-10), 42.34 (u, C-5), 42.57 (d, C-4), 42.92 (u, C-8), 47.46 (u, C-7 oder C-8), 48.01 (u, C-7 oder C-8), 49.12 (u, C-5), 58.47 (u, C-1), 120.80 (d, C-1), 120.94 (d, C-2), 135.63 (u, C-3), 208.20 (u, C-9), 216.99 (u, C-6). Glaspunkt: -39,4 °C Schmelzpunkt (DSC): 71,0 °C Zersetzungstemperatur: 189,1 °C 1,0 % Massenverlust 290,6 °C Onset [N-(5’-Hydroxohexyl)imidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (28a)

[N-(5’-Oxohexyl)imidazolium] [(+)-Camphersulfonat] wurde nach AAV 3 hydriert.

1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 0.79 (s, 3H, 9-H), 1.03 (s, 3H, 9-H), 1.09 (d, 3H, 10-H, 3J = 6.1 Hz), 1.31-1.45 (m, 5H, 6-H, 7-H, 2ax-H), 1.69-1.76 (m, 1H, 3ax-H), 1.79-1.99 (m, 4H, 8-H, 3eq-H, 4-H), 2.01-2.03 (m, 1H, 5ax-H), 2.24-2.31 (m, 1H, 5eq-H), 2.55-2.62 (m, 1H, 2eq-H), 2.79 (d, 1H, 7-H, 2J = 14.9 Hz), 3.27 (d, 1H, 7-H, 2J = 14.4 Hz), 3.68-3.73 (m, 1H, 9-H), 4.19-4.31 (m, 2H, 5-H), 7.33 (s, 1H, 1-H), 7.43 (s, 1H, 2-H), 9.06 (s, 1H, 3-H).


146

N-(5’-Hydroxohexyl)-imidazol

Das Hydrierungsprodukt 28a wurde mit 0,2 M NaOH-Lösung versetzt und das Gemisch 6-mal mit Dichlormethan extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden über MgSO4 getrocknet und das Lösungsmittel im Vakuum entfernt. Bezogen auf die in der Hydrierung eingesetzte Menge (8,33 mmol) betrug die Ausbeute 64 % (0,89 g, 5,3 mmol). 1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 1.14 (d, 3H, 9-H, 3J = 6.2 Hz), 1.25-1.49 (m, 4H, 5-H und 6-H), 1.68-1.82 (m, 2H, 7-H), 3.69-3.78 (m, 1H, 8-H), 3.90 (t, 2H, 4-H, 3J = 7.2 Hz), 6.87 (s, 1H, 1-H), 6.99 (s, 1H, 2-H), 7.41 (s, 1H, 1-H). (1S,4R)-6-(1H-Imidazol-1-yl)hexan-2-yl-4,7,7-trimethyl-3-oxo-2-oxabycyclo-[2.2.1]-heptan-1-carboxylat (34)

In einem Kolben wurde N-(5’-Hydroxohexyl)-imidazol (400 mg, 2,38 mmol) mit Tripropylamin (1,34 ml, 1,02 g, 7,13 mmol, 3,0 Äq.) in Pyridin (5 ml) vorgelegt und unter Eiskühlung mit (S)-(-)-Camphansäurechlorid versetzt. Nach 16 h wurde die Reaktion durch Zugabe von Wasser abgebrochen. Das erhaltene Gemisch wurde 2-mal mit Dichlormethan extrahiert, die vereinigten organischen Phasen über MgSO4 getrocknet und das Lösungsmittel entfernt. Das Rohprodukt wurde durch Säulenchromatographie über Kieselgel gereinigt (Ethanol/Dichlormethan: 1/9). Da das Produkt nicht ausreichend UV-aktiv war, wurden die DC-Platten in Cer-Anfärbereagenz getaucht und mit dem Heißluftfön getrocknet. (Anfärbereagenz: 2 g Phosphormolybdänsäure, 1 g Cer(IV)sulfat, 10 g konz. Schwefelsäure, 90 g Wasser). 1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 0.85 und 0.87 (s,s, 3H, 13-H oder 14-H), 0.96 und 0.97 (s,s, 3H, 13-H oder 14-H), 1.04 (s, 3H, 12-H), 1.19 und 1.20 (d,d, 3H, 9-H), 1.22-1.33 (m, 2H, 5-H oder 6-H), 1.46-1.55 (m, 1H, 7-H), 1.57-1.96 (m, 6H, 5-H


147

oder 6-H, 7-H, 10-H, 11-H), 2.26-2.37 (m, 1H, 11-H), 3.93 (t, 2H, 4-H, 3J = 7.1 Hz), 4.91-4.99 (m, 1H, 8-H), 6.89 (s, 1H, 8-H), 7.02 (s, 1H, 2-H), 7.66 (s, 1-H, 3-H). [3-(5’-Oxohexyl)-1,2-dimethylimidazolium] [Chlorid]

1H-NMR (400 MHz, CDCl3, ppm): = 1.37-1.44 (m, 2H, 8-H), 1.62-1.69 (m, 2H, 7-H), 1.95 (s, 3H, 11-H), 2.38 (t, 2H, 9-H, 3J = 6.9 Hz), 2.64 (s, 3H, 5-H), 3.84 (s, 3H, 4-H), 4.13 (t, 2H, 6-H, 3J = 7.3 Hz), 7.59 (d, 1H, 2-H, 3J = 2.0 Hz), 7.64 (d, 1H, 1-H, 3J = 2.0 Hz). 13C-NMR (100,4 MHz, CDCl3, ppm): = 10.07 (d, C-5), 19.65 (u, C-8), 28.63 (u, C-7), 29.76 (d, C-11), 35.42 (d, C-4), 42.01 (u, C-9), 48.16 (u, C-6), 121.21 (d, C-1), 122.67 (d, C-2), 143.27 (u, C-3), 208.00 (u, C-10). Glaspunkt: -17,7 °C Zersetzungstemperatur: 227,3 °C 1,0 % Massenverlust 286,5 °C Onset [3-(5’-Oxohexyl)-1,2-dimethylimidazolium] [(+)-Camphersulfonat] (29)

1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 0.72 (s, 3H, 9-H), 1.01 (s, 3H, 9-H), 1.21-1.28 (m, 1H, 2ax-H), 1.46-1.58 (m, 3H, 8-H, 3ax-H), 1.70-1.77 (m, 3H, 7-H, 5ax-H), 1.85-1.94 (m, 2H, 3eq-H, 4-H), 2.05 (s, 3H, 11-H), 2.19 (dt, 1H, 5eq-H), 2.46 (t, 2H, 9-H, 3J = 7.0 Hz), 2.48 (d, 1H, 2-H, 3J = 2 Hz), 2.60 (d, 1H, 7-H, 2J = 14,4 Hz), 2.65 (s, 3H, 5-H), 2.62-2.71 (m, 1H, 2eq-H), 3.11 (d, 1H, 7-H, 2J = 14,6 Hz), 3.85 (s, 3H, 4-H), 4.14 (t, 2H, 6-H, 3J = 7.3 Hz), 7.53 (d, 1H, 1-H, 3J = 2.2 Hz). 13C-NMR (CDCl3, 100,4 MHz, ppm): = 10.02 (d, C-5), 19.80 (d, C-9), 20.04 (u, C-8), 20.06 (d, C-9), 24.40 (u, C-2), 27.00 (u, C-3), 28.86 (u, C-7), 30.01 (d, C-11), 35.49 (d, C-4), 42.34 (u, C-5), 42.49 (d, C-4), 42.90 (u, C-9), 46.81 (u, C-8 o. C-


148

7), 47.71 (u, C-8 o. C-7), 48.34 (u, C-6), 58.50 (u, C-1), 121.35 (d, C-1), 122.98 (d, C-2), 143.80 (u, C-3), 208.27 (u, C-10), 217.06 (u, C-6). Wassergehalt: 0,18 % Schmelzpunkt: 102 °C Zersetzungstemperatur: 254,2 °C 1,0 % Massenverlust 335,8 °C Onset [3-(5’-Hydroxohexyl)-1,2-dimethylimidazolium] [NTf2]

[3-(5’-Oxohexyl)-1,2-dimethylimidazolium] [(+)-Camphersulfonat] wurde nach AAV 3 hydriert und nach AAV 4 eine Anionmetathese durchgeführt. 1H-NMR (CD2Cl2, 400 MHz, ppm): = 1.12 (d, 3H, 11-H, 3J = 6.2 Hz), 1.38-1.49 (m, 4H, 7-H, 8-H), 1.71-1.88 (m, 2H, 9-H), 2.56 (s, 3H, 5-H), 3.68-3.74 (m, 1H, 10-H), 3.75 (s, 3H, 4-H), 4.03 (t, 2H, 6-H, 3J = 7.6 Hz), 7.12 (d, 1H, 1-H, 3J = 2.0 Hz), 7.20 (d, 1H, 2-H, 3J = 2.1 Hz). [N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [Methylsulfat]

N-(3’-Oxobutyl)-imidazol (6,53 g, 0,05 mol) wurde in trockenem Dichlormethan gelöst und auf 0°C abgekühlt. Das im doppelten Volumen Dichlormethan gelöste Dimethylsulfat (5,96 g, 4,48 ml, 0,05 mol, 1,0 Äq.) wurde über ein Septum langsam zugetropft. Es wurde 12 Std. gerührt, wobei sich die Lösung langsam erwärmte. Das Lösungsmittel wurde im Vakuum entfernt und die IL als rotes viskoses Öl erhalten (13,24 g, 0,05 mol, 99 %).


149

1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): = 2.08 (s, 3H, 8-H), 3.12 (t, 2H, 6-H, 3J = 6.3 Hz), 3.59 (s, 3H, 9-H), 3.87 (s, 3H, 4-H), 4.33 (t, 2H, 5-H, 3J = 6.2 Hz), 7.35 (s, 1H, 2-H), 7.49 (s, 1H, 3-H), 9.15 (s, 1H, 1-H). 13C-NMR (DMSO-d6, 100.4 MHz, ppm): = 30.43 (u, C-8), 36.54 (u, C-4), 42.79 (d, C-6), 44.64 (d, C-5), 53.92 (u, C-9), 123.73 (u, C-3), 124.33 (u, C-2), 138.13 (d, C-1), 206.93 (d, C-7).

[N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(S)-2-Methyl-butylsulfat] (37)

[N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [Methylsulfat] (13,24 g 0,05 mol) und (S)-2-Methylbutanol (8,07 ml, 6,61 g, 0,075 mol, 1,5 Äq.) wurden im Kolben vorgelegt und auf 50 °C erhitzt. 1,5 mol% Methansulfonsäure wurden als Katalysator zugegeben. Die Reaktionsmischung wurde am Rotationsverdampfer auf 70 °C erhitzt, wobei das sich bildende Methanol kontinuierlich abgezogen wurde (300 – 6 mbar). Nach fünf Stunden wurden nochmals 0,5 Äq. chiraler Alkohol zugegeben und für weitere 30 Minuten gerührt. Reste an Methanol und überschüssiger Alkohol wurden unter Vakuum aus dem Produkt abdestilliert. Die IL wurde fünf Mal mit Diethylether gewaschen und im Vakuum getrocknet. Ausbeute: 14,42 g (0,045 mol, 90 %).

1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): = 0.83 (m, 6H, 9-H and 12-H), 1.06 (m, 1H, 10a-H), 1.36 (m, 1H, 10b-H), 1.54 (m, 1H, 11-H), 2.12 (s, 3H, 8-H), 3.15 (t, 2H, 6-H, 3J = 6.6 Hz), 3.49 (dd, 1H, 13a-H, 3J = 6.5 Hz), 3.54 (dd, 1H, 13b-H, 3J = 6.2 Hz), 3.83 (s, 3H, 4-H), 4.31 (t, 2H, 5-H, 3J = 6.6 Hz), 7.67 (s, 1H, 2-H), 7.71 (s, 1H, 3-H), 9.08 (s, 1H, 1-H). 13C-NMR (DMSO-d6, 100.4 MHz, ppm): = 11.90 (u, C-9), 17.18 (u, C-12), 26.70 (d, C-10), 30.36 (u, C-4), 34.78 (u, C-11), 36.56 (u, C-8), 42.87 (d, C-6), 44.70 (d, C-5), 71.08 (d, C-13), 123.41 (u, C-3), 124.26 (u, C-2), 137.79 (d, C-1). Glaspunkt: -54,6 °C Zersetzungstemperatur: 122,8 °C 1,0 % Massenverlust 141,2 °C Onset Dichte:

Temperatur / [°C]

Dichte / [g/ml]


150

20 1,240

30 1,233

40 1,226

50 1,219

60 1,213

70 1,206

80 1,200

Viskosität:

Temperatur / [°C] 20 25 40 60 80 20 neu

Viskosität / [mPa s] 4780 2920 845 237 92 3650

[N-(3’-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [Chlorid]

1-Methylimidazolium Chlorid (20,0 g, 0,17 mol) wurde in Ethanol (300 ml) vorgelegt und Methylvinylketon (28,14 ml, 23,7 g, 0,34 mol, 2,0 Äq.) langsam zugegeben. Die Reaktionsmischung wurde drei Tage refluxiert und das Lösungsmittel und überschüssiges Methylvinylketon abdestilliert. Nach Trocknen im Hochvakuum wurde das Produkt als braunes viskoses Öl (29,83 g, 0,16 mol, 93 %) erhalten. 1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): = 2.11 (s, 3H, 8-H), 3.19 (t, 2H, 6-H, 3J = 6.3 Hz), 3.86 (s, 3H, 4-H), 4.33 (t, 2H, 5-H, 3J = 6.4 Hz), 7.78 (s, 1H, 2-H), 7.85 (s, 1H, 3-H), 9.47 (s, 1H, 1-H). 13C-NMR (DMSO-d6, 100.4 MHz, ppm): = 30.86 (u, C-8), 36.74 (u, C-4), 43.36 (d, C-6), 44.75 (d, C-5), 123.54 (u, C-3), 124.41 (u, C-2), 138.13 (d, C-1). Glaspunkt: -43,1 °C Schmelzpunkt (DSC): -69,2 °C Zersetzungstemperatur: 123,3 °C 1,0 % Massenverlust 161,7 °C Onset Dichte:

Temperatur / [°C]

Dichte / [g/ml]

20 1,187

30 1,180


151

40 1,174

50 1,168

60 1,162

70 1,156

80 1,150

Viskosität:

Temperatur / [°C] 20 25 40 60 80 20 neu

Viskosität / [mPa s] 938 575 166 50 22 1010

[N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Mandelat] (35)

[N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Chlorid] (8,63 g, 0,04 mol) und (R)-Mandelsäure (6,09 g, 0,04 mol, 1,0 Äq.) wurden in Wasser gelöst. Ag2O (6,0 g, 1,3 Äq. bezogen auf Ag) wurden zugegeben und die Mischung 10-15 Minuten heftig gerührt. Die Reaktion war vollständig, als mit Silbernitrat kein Chlorid in der wässrigen Phase mehr nachgewiesen werden konnte. Das ausgefallene AgCl und überschüssiges Ag2O wurden abfiltriert und das Wasser am Rotationsverdampfer entfernt. In der IL gelöstes elementares Silber kann durch Ausfällen in heißem Aceton entfernt werden. Ausbeute: 10,0 g (0,03 mol, 83 %).

1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 1.37 (m, 2H, 6-H), 1.64 (m, 2H, 7-H), 2.04 (s, 3H, 10-H), 2.38 (t, 2H, 8-H, 3J = 7.0 Hz), 3.63 (s, 3H, 4-H), 3.96 (t, 2H, 5-H, 3J = 7.3 Hz), 4.77 (s, 1H, 17-H), 7.11 (m, 5H, 12-H – 16-H), 7.41 (s, 1H, 2-H), 7.43 (s, 1H, 3-H), 9.86 (s, 1H, 1-H). 13C-NMR (CDCl3, 100.4 MHz, ppm): = 19.73 (d, C-7), 29.05 (d, C-6), 30.02 (u, C-10), 35.97 (u, C-4), 42.13 (d, C-8), 49.32 (d, C-5), 74.61 (u, C-17), 121.65 (u, C-3), 122.99 (u, C-2), 126.54 und 128.03 (u, C-12 – C-16), 138.39 (d, C-11), 143.42 (d, C-1), 176.73 (d, C-18), 208.26 (d, C-9). Glaspunkt: -35,2 °C Zersetzungstemperatur: 104,4 °C 1,0 % Massenverlust 189,6 °C Onset


152

Dichte: Temperatur /

[°C] Dichte / [g/ml]

20 1,173

30 1,166

40 1,159

50 1,153

60 1,146

70 1,140

80 1,134


Viskosität / [mPa s] 997 608 181 56 25 1080

[N-(5’-Hydroxohexyl)-N-methylimidazolium] [Mandelat] (35a)

[N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Mandelat] (35) wurde nach AAV 3 hydriert. 1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 0.97 (d, 3H, 10-H, 3J = 6.2 Hz), 1.14 (m, 2H, 6-H), 1.24 (m, 2H, 7-H), 2.32 (t, 2H, 8-H, 3J = 7.0 Hz), 3.51 (s, 3H, 4-H), 3.54 (m, 1H, 9-H), 3.83 (t, 2H, 5-H, 3J = 6.8 Hz), 4.71 (s, 1H, 17-H), 7.07 (m, 5H, 12-H – 16-H), 7.33 (s, 1H, 2-H), 7.35 (s, 1H, 3-H), 9.37 (s, 1H, 1-H). 13C-NMR (CDCl3, 100.4 MHz, ppm): = 21.84 (d, C-7), 23.53 (u, C-10), 29.78 (d, C-6), 35.98 (u, C-4), 38.09 (d, C-8), 49.46 (d, C-5), 66.64 (u, C-9), 74.60 (u, C-17), 121.86 (u, C-3), 123.06 (u, C-2), 126.66 und 127.83 (u, C-12 bis C-16), 138.28 (d, C-1), 143.50 (d, C-11), 177.11 (d, C-18). [N-(5’-oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Tetrahydrofuran-2-carboxylat]

Die Verbindung wurde analog zu [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [Mandelat] synthetisiert.


153

1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 1.52 (m, 2H, 6-H), 1.85 (m, 4H, 7-H und 4a,b-H), 1.96 (m, 1H, 3a-H), 2.08 (s, 3H, 10-H), 2.20 (m, 1H, 3b-H), 2.49 (t, 2H, 8-H, 3J = 7.0 Hz), 3.76 (m, 1H, 5a-H), 3.95 (m, 1H, 5b-H), 3.99 (s, 3H, 4-H), 4.26 (m, 3H, 5-H und 2-H), 7.22 (s, 1H, 2-H), 7.24 (s, 1H, 3-H), 11.25 (s, 1H, 1-H). 13C-NMR (CDCl3, 100.4 MHz, ppm): = 19.78 (d, C-4), 25.73 (d, C-7), 29.47 (d, C-6), 30.10 (u, C-10), 30.91 (d, C-3), 36.17 (u, C-4), 42.39 (d, C-8), 49.72 (d, C-5), 68.53 (d, C-5), 79.61 (u, C-2), 121.75 (u, C-2), 123.38 (u, C-3), 139.78 (d, C-1), 178.80 (d, C-1), 208.35 (d, C-9). Zersetzungstemperatur: 185,2 °C 1,0 % Massenverlust 231,4 °C Onset Dichte:

Temperatur / [°C]

Dichte / [g/ml]

20 1,174

30 1,167

40 1,160

50 1,153

60 1,146

70 1,138

80 1,130


Viskosität / [mPa s] 2270 1370 387 112 45 2130

[N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(R)-1,1‘-Binaphtyl-2,2‘-bis(sulfon)amid] (38)

Eine 0,05 M Lösung von BINBAM-H wurde langsam über eine mit [N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] beladenen Amberlitesäule eluiert. Das sich dabei bildende Produkt war wasserunlöslich und wurde durch Zugabe von Ethanol von der Säule gespült. Das erhaltene Eluat wurde am Rotationsverdampfer eingeengt und der Rückstand im Hochvakuum getrocknet. Das Produkt wurde als brauner Feststoff erhalten.


154

1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 1.25-1.33 (m, 2H, 6-H), 1.50-1.58 (m, 2H, 7-H), 1.93 (s, 3H, 10-H), 2.18-2.32 (m, 2H, 8-H), 3.52 (s, 3H, 4-H), 3.88-3.76 (m, 2H, 5-H), 6.98 (s, 1H, 1-H), 7.04 (s, 1H, 2-H), 7.15-7.22 (m, 4H, Aryl-H), 7.44-7.74 (m, 2H, Aryl-H), 7.89 (d, 2H, Aryl-H, 3J = 8.2 Hz), 7.99 (d, 2H, Aryl-H, 3J = 8.7 Hz), 8.13 (d, 2H, Aryl-H, 3J = 8.6 Hz), 8.81 (s, 1H, 3-H). 13C-NMR (CDCl3, 100.4 MHz, ppm): = 19.82 (u, C-7), 29.12 (u, C-6), 30.06 (d, C-10), 36.24 (d, C-4), 42.22 (u, C-8), 49.32 (u, C-5), 122.85 (d, C-1 oder Aryl-C), 123.41 (d, C-1 oder Aryl-C), 127.15 (d, Aryl-C), 127.65 (d, Aryl-C), 128.10 (d, Aryl-C), 128.15 (d, Aryl-C), 128.52 (d, Aryl-C), 129.24 (d, Aryl-C), 132.23 (d, Aryl-C), 133.45 (d, Aryl-C), 134.60 (d, Aryl-C), 136.17 (u, C-3 oder Aryl-C), 139.41 (u, C-3 oder Aryl-C), 208.91 (u, C-9). Schmelzpunkt (DSC): 51,4 °C Zersetzungstemperatur: 306,7 °C 1,0 % Massenverlust 361,5 °C Onset

[N-(5‘-Hydroxohexyl)-N-methylimidazolium] [(R)-1,1‘-Binaphtyl-2,2‘-bis(sulfon)amid] (38a)

[N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(R)-1,1‘-Binaphtyl-2,2‘-bis(sulfon)amid] (38) wurde nach AAV 3 60 Stunden in DMF hydriert.

1H-NMR (CD2Cl2, 400 MHz, ppm): = 0.99 (d, 3H, 10-H, 3J = 6,2 Hz), 1.13 (m, 4H, 6-H, 7-H), 1.53-1.75 (m, 2H, 8-H), 3.55 (s, 3H, 4-H), 3.58-3.64 (m, 1H, 9-H), 3.90-3.97 (m, 2H, 5-H), 7.00 (s, 1H, 1-H), 7.07 (s, 1H, 2-H), 7.15 (d, 2H, Aryl-H, 3J = 8,7 Hz), 7.21-7.26 (m, 2H, Aryl-H), 7.49-7.53 (m, 2H, Aryl-H), 7.94 (d, 2H, Aryl-H, 3J = 8,2 Hz), 8.02 (d, 2H, Aryl-H, 3J = 8,6 Hz), 8.11 (d, 2H, Aryl-H, 3J = 8,7 Hz), 8.80 (s, 1H, 3-H).


155

[Nicotiniummethylester] [(S)-(-)-Camphersulfonat] (39)

[Nicotiniummethylester] [(S)-(-)-Camphersulfonat] wurde nach AAV 1 synthetisiert. 1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): = 0.74 (s, 3H, 9-H), 1.03 (s, 3H, 9-H), 1.25-1.37 (m, 2H, 2ax-H, 3ax-H), 1.79-1.89 (m, 2H, 3eq-H, 4-H), 1.94-1.96 (m, 1H, 5ax-H), 2.21-2.28 (m, 1H, 5eq-H), 2.49 (d, 1H, 7-H, teilweise unter dem Lösungsmittelsignal), 2.59-2.65 (m, 1H, 2eq-H), 2.96 (d, 1H, 7-H, 2J = 14.4 Hz), 3.93 (s, 3H, 7-H), 7.88-7.91 (m, 1H, 4-H), 8.63-8.66 (m, 1H, 3-H), 8.97-8.99 (m, 1H, 5-H), 9.23 (s, 1H, 1-H), 10.55 (br, 1H, 8-H). 13C-NMR (CDCl3, 100,4 MHz, ppm): = 19.86 (c, C-9), 19.89 (d, C-9), 24.79 (u, C-2), 27.11 (d, C-7), 27.14 (u, C-3), 42.74 (d, C-4), 43.05 (u, C-5), 47.90 (u, C-7 oder C-8), 48.18 (u, C-7 oder C-8), 58.58 (u, C-1), 129.64 (d, C-4), 143.61 (d, C-3), 145.43 (d, C-5), 145.47 (u, C-2), 146.26 (d, C-1), 217.18 (u, C-6). Schmelzpunkt (DSC): 79,5 °C Zersetzungstemperatur: 144,6 °C 1,0 % Massenverlust 160,6 °C Onset [Nicotiniummethylester] [(R)-3-Phenyllactat] (40)

[Nicotiniummethylester] [(R)-3-Phenyllactat] wurde nach AAV 1 synthetisiert und als gelblicher, wachsartiger Feststoff erhalten. 1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): = 2.96 (dd, 1H, 3-H, 3J = 7.4 Hz, 2J = 13.8 Hz), 3.20 (dd, 1H, 3-H, 3J = 4.1 Hz, 2J = 14.0 Hz), 3.93 (s, 3H, 7-H), 4.46 (m, 1H, 2-H), 7.19-7.29 (m, 5H, 5-H, 6-H, 7-H), 7.46-7.49 (m, 1H, 4-H), 8.11 (br, 1H, 8-H), 8.36 (m, 1H, 3-H), 8.75 (m, 1H, 5-H), 9.17-9.18 (m, 1H, 1-H).


156

13C-NMR (DMSO-d6, 100,4 MHz, ppm): = 40.27 (u, C-3), 52.06 (d, C-7), 70.97 (d, C-2), 123.43 (d, C-7), 126.29 (d, C-4), 126.47 (u, C-4 oder C-2), 127.94 (d, C-5), 129.34 (d, C-6), 137.10 (u, C-4 oder C-2), 137.57 (d, C-3), 149.42 (d, C-5), 151.97 (d, C-1), 165.02 (d, C-6), 176.07 (u, C-1). Schmelzpunkt (DSC): breiter Schmelzbereich zwischen 40 und 100 °C Zersetzungstemperatur: 126,1 °C 1,0 % Massenverlust 168,4 °C Onset 3-(Methoxycarbonyl)-piperidin

[Nicotiniummethylester] [(S)-(-)-Camphersulfonat] und [Nicotiniummethylester] [(R)-3-Phenyllactat] wurden nach AAV 2 hydriert und basisch aufgearbeitet.

1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 1.38-1.49 (m, 1H, 4-H), 1.59-1.68 (m, 2H, 3-H, 4-H), 1.85 (br, 1H, 8-H), 1.93-1.98 (m, 1H, 3-H), 2.40-2.47 (m, 1H, 2-H), 2.58-2.64 (m, 1H, 5-H), 2.76-2.81 (m, 1H, 1-H), 2.88-2.93 (m, 1H, 5-H), 3.11-3-16 (m, 1H, 1-H), 3.65 (s, 3H, 7-H). [Butylpyridinium] [(S)-(-)-Camphersulfonat] (41)

[Butylpyridinium] [(S)-(-)-Camphersulfonat] wurde nach AAV 1 synthetisiert und als weißer Feststoff erhalten. 1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 0.79 (s, 3H, 9-H), 0.89 (t, 3H, 9-H, 3J = 7,4 Hz), 1.04 (s, 3H, 9-H), 1.29-1.38 (m, 3H, 2ax-H, 8-H), 1.58-1.66 (m, 2H, 7-H), 1.77-1.87 (m, 2H, 4-H, 3ax-H), 1.92-2.03 (m, 2H, 3eq-H, 5ax-H), 2.24-2.31 (m, 1H, 5eq-H), 2.58-2.66 (m, 1H, 2eq-H), 2.76 (t, 1H, 6-H, 3J = 7.7 Hz), 2.87 (d, 1H, 7-H, 3J = 14.8 Hz), 3.32 (d, 1H, 7-H, 3J = 14.8 Hz), 7.80-7.84 (m, 1H, 4-H), 8.15 (d, 1H,


157

3-H, 3J = 8.1 Hz), 8.71 (s, 1H, 5-H), 8.77 (d, 1H, 1-H, 3J = 5.4 Hz), 12.16 (br, 1H, 10-H). 13C-NMR (CDCl3, 100,4 MHz, ppm): = 13.70 (d, C-9), 19.85 (d, C-9), 19.88 (d, C-9), 22.09 (u, C-8), 24.69 (u, C-2), 27.07 (u, C-3), 32.52 (u, C-6 und C-7), 42.69 (d, C-4), 43.02 (u, C-5), 47.60 (u, C-7 oder C-8), 48.05 (u, C-7 oder C-8), 58.56 (u, C-1), 126.45 (d, C-4), 140.18 (d, C-3), 141.95 (d, C-5), 142.49 (u, C-2), 144.65 (d, C-1), 217.08 (u, C-6). Schmelzpunkt (DSC): 65,0 °C Zersetzungstemperatur: 146,6 °C 1,0 % Massenverlust 275,8 °C Onset [Butylpyridinium] [(R)-3-Phenyllactat] (42)

[Butylpyridinium] [(R)-3-Phenyllactat] wurde nach AAV 1 synthetisiert. 1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): = 0.93 (t, 3H, 9-H, 3J = 7.3 Hz), 1.31-1.40 (m, 2H, 8-H), 1.56-1.64 (m, 2H, 7-H), 2.65 (t, 2H, 6-H, 3J = 7.7 Hz), 2.94-2.99 (m, 1H, 3-H), 3.21 (dd, 1H, 3-H, 3J = 3.9 Hz, 2J = 14.0 Hz), 4.42-4.45 (m, 1H, 2-H), 7.17-7-37 (m, 4H, 4-H, 5-H, 6-H, 7-H), 7.67-7.69 (m, 1H, 3-H), 8.04 (br, 1H, 10-H), 8.42-8.45 (m, 2H, 4-H, 5-H). 13C-NMR (DMSO-d6, 100,4 MHz, ppm): = 13.79 (d, C-9), 22.23 (u, C-8), 32.70 (u, C-7), 33.03 (u, C-6), 40.79 (u, C-3), 71.59 (d, C-2), 124.23 (d, C-7), 126.56 (d, C-4), 128.30 (d, C-5), 129.69 (d, C-6), 137.67 (u, C-4), 138.39 (d, C-3), 139.51 (u, C-2), 144.51 (d, C-5), 147.12 (d, C-1), 177.35 (u, C-1). Glaspunkt: -48,2 °C Zersetzungstemperatur: 177,2 °C 1,0 % Massenverlust 155,9 °C Onset Viskosität: Temperatur / [°C] 20 25 40 60 80 20 neu

Viskosität / [mPa s] 677 388 97,5 25,2 9,7 744


158

[Butylpyridinium] [Hydrogentartrat] (43)

[Butylpyridinium] [Hydrogentartrat] wurde nach AAV 1 synthetisiert.

1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): = 0.82 (t, 3H, 9-H, 3J = 7.4 Hz), 1.20-1.27 (m, 2H, 8-H), 1.44-1.52 (m, 2H, 7-H), 2.46-2.48 (m, 2H, 2-H), 2.52 (t, 2H, 6-H, 3J = 7.7 Hz), 4.31 (s, 2H, 3-H), 7.25-7.28 (m, 1H, 4-H), 7.57 (d, 1H, 3-H, 3J = 7.8 Hz), 8.34-8.37 (m, 2H, 1-H und 5-H). 13C-NMR (DMSO-d6, 100,4 MHz, ppm): = 14.09 (d, C-9), 21.38 (u, C-8), 31.95 (u, C-7), 32.96 (u, C-6), 71.97 (d, C-2), 123.37 (d, C-4), 135.91 (d, C-3), 138.12 (u, C-2), 146.64 (d, C-5), 149.66 (d, C-1), 173.92 (u, C-1). Glaspunkt: -15,3 °C Zersetzungstemperatur: 125,7 °C 1,0 % Massenverlust 181,1 °C Onset 2-Butylpiperidin

[Butylpyridinium] [(S)-(-)-Camphersulfonat], [Butylpyridinium] [(R)-3-Phenyllactat] und [Butylpyridinium] [Hydrogentartrat] wurden nach AAV 2 hydriert und basisch aufgearbeitet. 1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 0.73-0.83 (m, 3H, 9-H), 0.83-0.98 (m, 1H, 3-H), 1.04-1.21 (m, 5H, 2-H, 6-H, 7-H oder 8-H), 1.29-1.44 (m, 2H, 7-H oder 8-H), 1.55-1.59 (m 1H, 4-H), 1.73-1.76 (m, 1H, 4-H), 2.12-2.18 (m, 1H, 3-H), 2.43-2.49 (m, 2H, 1-H), 2.96 (t, 2H, 5-H, 3J = 10.8 Hz).


159

(1R,2S)-N-Methylephedrin

(1R,2S)-(-)-Ephedrin (30,00 g, 0,182 mol) wurde bei 0 °C in einem Kolben vorgelegt und Ameisensäure (600 ml) zugegeben. Anschließend wurde Formalinlösung (35%ig, 0,327 mol, 25,84 ml, 1,8 Äq.) zugetropft. Das Eisbad wurde entfernt und nach dem Auftauen die Reaktionsmischung für zwei Tage unter Rückfluss auf 115 °C erhitzt. Die überschüssige Ameisensäure wurde abdestilliert. Die verbliebene Lösung wurde mit 20 % NaOH auf einen basischen pH gebracht. Dabei fiel das Produkt als weißer Feststoff aus. Das Produkt wurde abfiltriert und mit Wasser gewaschen. Abschließend wurde im HV getrocknet. Ausbeute: 27,92 g (0,156 mol, 86 %) 1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): = 1.05 (d 3J = 12 Hz, 3H, 8-H), 3.17 (s, 9H, 9-H), 3.60 (m, 1H, 7-H), 5.43 (br, 1H, 6-H), 6.04 (d 3J = 4.1 Hz, 1H, 5-H), 7.20-7.39 (m, 5H, 1-H, 2-H und 3-H). 13C-NMR (DMSO-d6, 100,4 MHz, ppm): = 5.3 (d, C-8), 50.4 (d, C-9), 67.1 (d, C-5), 72.2 (d, C-7), 124.4 (d, C-3), 126.0 (d, C-2), 126.8 (d, C-1), 140.6 (u, C-4). [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [Iodid] (44)

Unter Argonatmosphäre und Eiskühlung wurde (1R,2S)-N-Methylephedrin (27,92 g 0,156 mol) in trockenem Dichlormethan (700 ml) vorgelegt. Methyliodid (30,95 g, 0,218 mol, 1,4 Äq.) wurde auf das Doppelte mit trockenem Dichlormethan verdünnt und anschließend langsam zugetropft. Die Reaktionsmischung wurde über Nacht gerührt und anschließend das Lösungsmittel im Rotationsverdampfer abgezogen. Trocknen im HV ergab das Produkt als weißes feines Pulver (45,63 g, 0,142 mol, 91 %).


160

1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 0.59 (d, 3J = 5,0 Hz, 3H, 8-H), 2.74 (s, 9H, 9-H), 3.17 (m, 1H, 7-H), 4.90 (br, 1H, 6-H), 5.37 (d, 3J = 4.2 Hz, 1H, 5-H), 6.67-6.88 (m, 5H, 1-H, 2-H und 3-H). 13C-NMR (DMSO-d6, 100,4 MHz, ppm): = 5.7 (d, C-8), 50.4 (d, C-9), 67.1 (d, C-5), 83.9 (d, C-7), 124.0 (d, C-3), 125.7 (d, C-2), 127.0 (d, C-1), 141.2 (u, C-4). [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [Pyruvat] (45)

Eine 0,1 M wässrige Lösung von [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [Iodid] (7,61 g, 23,7 mmol) wurde über eine nach AAV 7 mit Pyruvat beladene Dowex-Säule eluiert. Das nach Silbernitrattest iodidfreie Eluat wurde am Rotationsverdampfer eingeengt und im Hochvakuum getrocknet. Dabei blieb ein weißer Feststoff zurück (6,65 g, 23,6 mmol, 99 %). 1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): = 1.08 (d, 3H, 8-H, 3J = 6,6 Hz), 2.02 (s, 3H, 3-H), 3.22 (s, 9H, 9-H), 3.66 (q, 1H, 7-H, 3J = 6,7 Hz), 5.55 (s, 1H, 5-H), 6.82 (br, 1H, 6-H), 7.26-7.30 (m, 1H, 1-H), 7.36-7.44 (m, 4H, 2-H und 3-H). 13C-NMR (CDCl3, 100,4 MHz, ppm): = 6.79 (d, C-8), 26.86 (u, C-3), 51.79 (d, C-9), 67.93 (d, C-5), 74.48 (d, C-7), 125.47 (d, C-3), 126.98 (d, C-2), 127.97 (d, C-1), 141.55 (u, C-4), 169.22 (u, C-2), 204.11 (u, C-1). Schmelzpunkt (DSC): 134,8 °C Zersetzungstemperatur: 176,7 °C 1,0 % Massenverlust 196,2 °C Onset Milchsäuremethylester

[(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [Pyruvat] wurde nach AAV 3 hydriert und nach AAV 6 verestert.


161

1H-NMR (CDCl3, 400 MHz, ppm): = 1.42 (d, 3H, 3-H, 3J = 7.0 Hz), 3.79 (s, 3H, 1-H), 4.31 (q, 1H, 2-H, 3J = 7.0 Hz). GC: (60 °C, heizen auf 180 °C mit 10 K/min) 4,3 min ((D)-Milchsäuremethylester), 4,8 min ((S)-Milchsäuremethylester) [(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [Phenylglyoxylat] (46)

[(1R,2S)-N,N-Dimethylephedrinium] [Iodid] (10,0 g, 0,031 mol) und Phenylglyoxylsäure (4,67 g, 0,031 mol, 1,0 Äq.) wurden in Wasser gelöst (100 ml) und der Kolben in Alufolie eingeschlagen, um den Lichteinfall zu minimieren. Nach Zugabe von Ag2O (4,67 g, 0,02 mol, 1,3 Äq. bezogen auf Ag) wurde die Mischung stark gerührt und die wässrige Phase alle 5 Minuten mit Silbernitrat auf Iodidfreiheit getestet. Nach negativem Test wurden AgCl und Ag2O abfiltriert und das Wasser am Rotationsverdampfer abgezogen. In der IL gelöstes Silber wurde durch Ausfällen in heißem Ethanol entfernt. Ausbeute: 9,31 g (0,027 mol, 87 %) 1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): = 1.08 (d, 3H, 8-H, 3J = 6,6 Hz), 3.22 (s, 9H, 9-H), 3.65 (q, 1H, 7-H, 3J = 6,5 Hz), 5.56 (s, 1H, 5-H), 6.82 (s, 1H, 6-H), 7.23-7.80 (m, 1H, 1-H, 2-H, 3-H, 4-H, 5-H und 6-H). 13C-NMR (D2O, 100,4 MHz, ppm): = 6.44 (c, C-8), 52.06 (d, C-9), 69.51 (d, C-5), 74.70 (d, C-7), 125.58, 128.12, 128.78, 129.18, 129.62 (d, C-1, C-2, C-3, C-4 und C-5), 132.16 (u, C-4), 135.05 (d, C-6), 140.45 (u, C-3), 172.76 (u, C-1), 182.52 (u, C-2). Schmelzpunkt (DSC): 133,7 °C Zersetzungstemperatur: 200,2 °C 1,0 % Massenverlust 228,2 °C Onset

6. Literaturverzeichnis

162

6. Literaturverzeichnis 1 Eine breite Übersicht geben die folgenden Reviews: a) K. Seddon, Nature

Materials 2003, 2, 363 b) C. Chiappe, D. Pieraccini, J. Phys. Org. Chem. 2005, 18, 275 c) M. Koel, Crit. Rev. Anal. Chem. 2005, 35, 177 d) S. Lee, Chem. Commun. 2006, 1049 e) R. A. Sheldon, Green Chem. 2005, 7, 267 f) F. Endres, S. Z. El Abedin, Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 2101 g) R. Gläser, Chemie Ingenieur Technik 2006, 78, 869 h) O. A. El Seoud, A. Koschella, L. C. Fidale, S. Dorn, T. Heinze, Biomacromolecules 2007, 8, 2629 i) N. V. Plechkova, K. R. Seddon, Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 123 j) P. Hapiot, C. Lagrost, Chem. Rev. 2008, 108, 2238 k) F. Zhou, Y. Liang, W. Liu, Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2590 l) K. J. Fraser, D. R. MacFarlane, Aust. J. Chem. 2009, 62, 309 m) H. Ohno, Y. Fukaya, Chem. Lett. 2009, 38, 2 n) Š. Toma, M. Mečiarová, R. Šebesta, Eur. J. Org. Chem. 2009, 321 o) D. Han, K. H. Row, Molecules 2010, 15, 2405.

2 a) A. Berthod, L. He, D. W. Armstrong, Chromatographia 2001, 53, 63-68 b) J. Ding, T. Welton, D. W. Armstrong, Anal. Chem. 2004, 76, 6819.

3 a) S. A. A. Rizvi, S. A. Shamsi, Anal. Chem. 2006, 78, 7061 b) V. Maier, J. Horáková, J. Petr, D. Drahoňovský, J. Ševčík, J. Chromatogr. A 2006, 1103, 337 c) Y. François, A. Varenne, E. Juillerat, D. Villemin, P. Gareil, J. Chromatogr. A 2007, 1155, 134 d) C. D. Tran, I. Mejac, J. Chromatogr. A 2008, 1204, 204.

4 J. Howarth, K. Hanlon, D. Fayne, P. McCormac, Tetrahedon Lett. 1997, 38, 3097.

5 M. J. Earle, P. B. McCormac, K. R. Seddon, Green Chem. 1999, 23. 6 M. Schmitkamp, D. Chen, W. Leitner, J. Klankermayer, G. Franciò, Chem.

Commun. 2007, 4012. 7 R. Gausepohl, P. Buskens, J. Kleinen, A. Bruckmann, C. W. Lehmann, J.

Klankermayer, W. Leitner, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 3689. 8 B. Pégot, G. Vo-Thanh, D. Gori, A. Loupy, Tetrahedron Lett. 2004, 45, 6425. 9 S. Garre, E. Parker, B. Ni, A. D. Headley, Org. Biomol. Chem. 2008, 6,

3041. 10 a) S. I. Lukyanov, Z. S. Zidi, S. V. Shevkunov, Fluid Phase Equil. 2005,

233, 34 b) K. Liu, M. Pu, H. Li, B. Chen, Huaxue Wuli Xuebao 2005, 18,


163

331 c) T. Kato, N. Nanbu, Y. Sasaki, T. Ohsaka, F. Kitamura, Electrochem. 2005, 73, 589 d) Z. Liu, S. Huang, W. Wang, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 12978 e) T. I. Morrow, E. J. Maginn, ACS Symposium Series 2003, 856, 162 f) W. R. Carper, Z. Meng, P. Wasserscheid, A. Doelle, Proc. Electrochem. Soc. 2002, 973 g) S. Tsuzuki, H. Tokuda, K. Hayamizu, M. Watanabe, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 16474 h) Y. Wang, H. Li, S. Han, J. Chem. Phys. 2005, 123, 174501/1 i) P. A. Hunt, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 4844 j) M. G. Del Popolo, J. Kohanoff, R. M. Lynden-Bell, C. Pinilla, Acc. Chem. Res. 2007, 40, 1156 k) P. A. Hunt, I. R. Gould, B. Kirchner, Aus. J. Chem. 2007, 60, 9 l) P. A. Hunt, B. Kirchner, T. Welton, Chem. Eur. J. 2006, 12, 6762 m) T. Köddermann, D. Paschek, R. Ludwig, ChemPhysChem 2007, 8, 2464 n) V. S. Nguyen, M. H. Matus, D. J. Grant, M. T. Nguyen, D. A. Dixon, J. Phys. Chem. A 2007, 111, 8844 o) W. Jiang, Y. Wang, G. A. Voth, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 4812 p) K. Fujii, Y. Soejima, Y. Kyoshoin, S. Fukuda, R. Kanzaki, Y. Umebayashi, T. Yamaguchi, S.-I. Ishiguro, T. Takamuku, J. Phys. Chem. B 2008, 112, 1359.

11 a) M. Kanakubo, Y. Hiejima, T. Aizawa, Y. Kurata, A. Wakisaka, Chem. Lett. 2005, 34, 706 b) S. Dorbritz, W. Ruth, U. Kragl, Adv. Synth. Catal. 2005, 347, 1273.

12 a) H. Tokuda, S. Tsuzuki, M. A. B. H. Susan, K. Hayamizu, M. Watanabe, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 19593 b) A. Wulf, K. Fumino, D. Michalik, R. Ludwig, ChemPhysChem 2007, 8, 2265. c) Y. Zhao, S. Gao, J. Wang, J. Tang, J.,Phys. Chem. B 2008, 112, 2031.

13 a) B. Fazio, A. Triolo, G. D. Marco, J. Raman Spec. 2008, 39, 233 b) T. Köddermann, C. Wertz, A. Heintz, R. Ludwig, ChemPhysChem 2006, 7, 1944.

14 T. Köddermann, C. Wertz, A. Heintz, R. Ludwig, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 3697.

15 L. Cammarata, S. G. Kazarian, P. A. Salter, T. Welton, Phys. Chem. Chem. Phys. 2001, 3, 5192.

16 K. R. Seddon, A. Stark, M. J. Torres, Pure and Appl. Chem. 2000, 72, 2275. 17 A. G. Avent, P. A. Chaloner, M. P. Day, K. R. Seddon, T. Welton, J. Chem.

Soc. Dalton Trans. 1994, 3405. 18 J. Dupont, P. A. Z. Suarez, R. F. de Souza, R. A. Burrow, J.-P. Kintzinger,

Chem. Eur. J. 2000, 6, 2377.


164

19 P. S. Schulz, N. Müller, A. Bösmann, P. Wasserscheid, Angew. Chem. Int.

Ed. 2007, 46, 1293. 20 M. Y. Machado, R. Dorta, Synthesis 2005, 2473. 21 K. Fukumoto, M. Yoshizawa, H. Ohno, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2398. 22 M. Treskow, J. Neudörfl, R. Giernoth, Eur. J. Org. Chem. 2009, 3693. 23 J. Ding, D. W. Armstrong, Chirality 2005, 17, 281. 24 C. Baudequin, D. Brégeon, J. Levillain, F. Guillen, J.-C. Plaquevent, A.-C.

Gaumont, Tetrahedron: Asymmetry 2005, 16, 3921. 25 A. Winkel, P. V. G. Reddy, R. Winkel, Synthesis 2008, 999. 26 X. Chen, X. Li, A. Hu, F. Wang, Tetrahedron: Asymmetry 2008, 19, 1. 27 P. Wasserscheid, A. Bösmann, C. Bolm, Chem. Commun. 2002, 200. 28 a) O. N. V. Buu, A. Aupoix, N. D. T. Hong, G. Vo-Thanh, New. J. Chem.

2009, 33, 2060 b) V. Kumar, C. Pei, C. E. Olsen, S. J. C. Schäffer, V. S. Parmar, S. V. Malhotra, Tetrahedron: Asymmetry 2008, 19, 664.

29 O. Diels, K. Alder, Justus Liebigs Ann. Chem. 1928, 98. 30 W. Oppolzer, Angew. Chem. 1984, 96, 840. 31 C.-E. Yeom, H. W. Kim, Y. J. Shin, B. M. Kim, Tetrahedron Lett. 2007, 48,

9035. 32 S. Doherty, P. Goodrich, C. Hardacre, J. G. Knight, M. T. Nguyen, V. I.

Pârvulescu, C. Paun, Adv. Synth. Catal. 2007, 349, 951. 33 F. Fu, Y.-C. Teo, T.-P. Loh, Org. Lett. 2006, 8, 5999. 34 J. K. Park, P. Sreekanth, B. M. Kim, Adv. Synth. Catal. 2004, 346, 49. 35 Y. J. Shin, C.-E. Yeom, M. J. Kim, B. M. Kim, Synlett 2008, 1, 89. 36 K. Takahashi, H. Nakano, R. Fujita, Chem. Commun. 2007, 263. 37 E. Janus, I. Goc-Maciejewska, M. Łożyński, J. Pernak, Tetrahedron Lett. 2006,

47, 4079. 38 K. Bica, G. Gmeiner, C. Reichel, B. Lendl, P. Gaertner, Synthesis 2007,

1333. 39 O. N. V. Buu, A. Aupoix, G. Vo-Thanh, Tetrahedron 2009, 65, 2260. 40 R. Noyori, Angew. Chem. 2002, 114, 2108. 41 J. F. Young, J. A. Osborn, F. H. Jardine, G. Wilkinson, Chem. Commun.

1965, 7, 131. 42 a) W. S. Knowles, M. J. Sabacky, Chem. Commun. 1968, 10, 1445 b) L.

Horner, H. Siegel, H. Büthe, Angew. Chem. Int. Ed. 1968, 7, 942.


165

43 W. Zhang, Y. Chi, X. Zhang, Acc. Chem. Res. 2007, 40, 1278. 44 Y. Chauvin, L. Mussmann, H. Olivier, Angew. Chem. Int. Ed. 1996, 34, 2698. 45 a) H. L. Ngo, A. Hu, W. Lin, Chem. Commun. 2003, 1912 b) H. L. Ngo, A.

Hu, W. Lin, Tetrahedron Lett. 2005, 46, 595 c) Z. Yinghuai, K. Carpenter, C. C. Bun, S. Bahnmueller, C. P. Ke, V. S. Srid, L. W. Kee, M. F. Hawthorne, Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 3792 d) M. Berthod, J.-M. Joerger, G. Mignani, M. Vaultier, M. Lemaire, Tetrahedron. Asymmetry 2004, 15, 2219 e) K. L. Boyle, E. B. Lipsky, C. S. Kalberg, Tetrahedron Lett. 2006, 47, 1311 f) W. Xiong, Q. Lin, H. Ma, H. Zheng, H. Chen, X. Li, Tetrahedron. Asymmetry 2005, 16, 1959 g) J. Wang, R. Qin, H. Fu, J. Chen, J. Feng, H. Chen, X. Li, Tetrahedron: Asymmetry 2007, 18, 847 h) J. Wang; J. Feng, R. Qin, H. Fu, M. Yuan, H. Chen, X. Li, Tetrahedron: Asymmetry 2007, 18, 1643 i) E. Öchsner, K. Schneiders, K. Junge, M. Beller, P. Wasserscheid, Appl. Cat. A: General 2009, 364, 8 j) T. Floris, P. Kluson, L. Bartek, H. Pelantova, Appl. Cat. A: General 2009, 366, 160.

46 a) A. Berger, R. F. de Souza, M. R. Delgado, J. Dupont, Tetrahedron: Asymmetry 2001, 12, 1825 b) K. L. Fow, S. Jaenicke, T. E. Müller, C. Sievers, J. Mol. Catal. 2008, 279, 239.

47 S. Li, Y. J. Zhang, J. Y. Piao, H. Yoon, C. E. Song, J. H. Choi, J. Hong, Chem. Commun. 2003, 2624.

48 a) X. Feng, B. Pugin, E. Küsters, G. Sedelmeier, H.-U. Blaser, Adv. Synth. Catal. 2007, 349, 1803 b) K. N. Gavrilov, S. E. Lyubimov, O. G. Bondarev, M. G. Maksimova, S. V. Zheglov, P. V. Petrovskii, V. A. Davankov, M. T. Reetz, Adv. Synth. Catal. 2007, 349, 609.

49 D. Chen, M. Schmitkamp, G. Franciò, J. Klankermayer, W. Leitner, Angew. Chem Int. Ed. 2008, 47, 7339.

50 K. P. C. Vollhardt, Organische Chemie, 4. Aufl., Weinheim: Wiley-VCH, 2005. 51 S. Luo, L. Zhang, X. Mi, Y. Qiao, J.-P. Cheng, J. Org. Chem. 2007, 72,

9350. 52 R. T. Dere, R. R. Pal, P. S. Patil, M. M.Salunkhe, Tetrahedron Lett. 2003,

44, 5351. 53 Z. Wang, Q. Wang, Y. Zhang, W. Bao, Tetrahedron Lett. 2005, 46, 4657. 54 B. Ni, Q. Zhang, A. D. Headley, Tetrahedron Lett. 2008, 49, 1249. 55 Q. Zhang, B. Ni, A. D. Headley, Tetrahedron 2008, 64, 5091.


166

56 Y. Qian, S. Xiao, L. Liu, Y. Wang, Tetrahedron: Asymmetry 2008, 19, 1515. 57 Y.-S. Lin, C.-Y. Lin, C.-W. Liu, T.Y.R. Tsai, Tetrahedron 2006, 62, 872. 58 G. Masson, C. Housseman, J. Zhu, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 4614. 59 a) Y. Hayashi, K. Okado, I. Ashimine; M. Shoji, Tetrahedron Lett. 2002, 43,

8683. b) T. Oishi, H. Oguri, M. Hirama, Tetrahedron: Asymmetry 1995, 6, 1241.

60 M. K. Kundu, S. B. Mukherjee, N. Balu, R. Padmakumar, S. V. Bhat, Synlett 1994, 444.

61 a) F. Coelho, W. P. Almeida, D. Veronese, C. R. Mateus, E. C. S. Lopes, R. C. Rossi, G. P. C. Silveira, C. H. Pavam, Tetrahedron 2002, 58, 7437 b) W. P. Almeida, F. Coelho, Tetrahedron Lett. 1998, 39, 8609.

62 D. Basavaiah, A. J. Rao, T. Satyanarayana, Chem. Rev. 2003, 103, 811. 63 J. N. Rosa, C. A. M. Afonso, A. G. Santos, Tetrahedron 2001, 57, 4189. 64 E. J. Kim, S. Y. Ko, C. E. Song, Helv. Chim. Acta 2003, 86, 894. 65 V. K. Aggarwal, I. Emme, A. Mereu, Chem. Commun. 2002, 1612. 66 S. Chowdhury, R. S. Mohan, J. L. Scott, Tetrahedron 2007, 63, 2363. 67 H. Gong, C.-q. Cai, N.-f. Yang, L.-w. Yang, J. Zhang, Q.-h. fan, J. Mol.

Catal. A: Chemical 2006, 249, 236. 68 a) M. J. Earle, P. B. McCormac, K. R. Seddon, Chem. Commun. 1998, 2245

b) K. Nobuoka, S. Kitaoka, K. Kunimitsu, M. Iio, T. Harran, A. Wakisaka, Y. Ishikawa, J. Org. Chem. 2005, 70, 10106 c) K. Nobuoka, S. Kitaoka, M. Iio, T. Harran, Y. Ishikawa, Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 5891.

69 a) C. Chiappe, V. Conte, D. Pieraccini, Eur. J. Org. Chem. 2002, 2831 b) M. Badri, J.-J. Brunet, R. Perron, Tetrahedron Lett. 1992, 33, 4435.

70 a) P. N. Rebelo, V. Najdanovic-Visak, Z. P. Visak, M. N. da Ponte, J. Szydlowski, C. A. Cerdeirina, J. Troncoso, L. Romani, J. M. S. S. Esperanca, H. J. R. Guedes, H. C. de Sousa, Green Chem. 2004, 6, 369 b) K. A. Fletcher, S. N. Baker, G. A. Baker, S. Pandey, New J. Chem. 2003, 27, 1706.

71 C. Reichardt, Green Chem. 2005, 7, 339. 72 S. Zahn, F. Uhlig, J. Thar, C. Spickermann, B. Kirchner, Angew. Chem. Int.

Ed. 2008, 47, 3639. 73 P. A. Hunt, B. Kirchner, T. Welton, Chem. Eur. J. 2006, 12, 6762.


167

74 C. Heinemann, T. Müller, Y. Apeloig, H. Schwarz, J. Am. Chem. Soc., 1996,

118, 2023. 75 L. Crowhurst, P. R. Mawdsley, J. M. Perez-Arlandis, P. A. Salter, T. Welton,

Phys. Chem. Chem. Phys. 2003, 5, 2790. 76 a) J. L. Abboud, M. J. Kamlet, R. W. Taft, J. Am. Chem. Soc. 1977, 99,

8325 b) M. J. Kamlet, J. L. Abboud, R. W. Taft, J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 6027 c) R. W. Taft, J.-L. M. Abboud, M. Kamlet, M. H. Abraham, J. Sol. Chem. 1985, 14, 153 d) M. J. Kamlet, J. L. Abboud, M. H. Abraham, R. W. Taft, J. Org. Chem. 1983, 48, 2877.

77 C. Reichardt, E. Harbusch-Görnert, Liebigs Ann. Chem. 1983, 721. 78 Y. Wu, T. Sasaki, K. Kazushi, T. Seo, K. Sakurai, J. Phys. Chem. B 2008,

112, 7530. 79 R. Lungwitz, S. Spange, New. J. Chem. 2008, 32, 392. 80 C. Schröder, T. Rudas, G. Neumayr, S. Benkner, O. Steinhauser, J. Chem.

Phys. 2007, 127, 234503. 81 T. Takamuku, Y. Kyoshoin, T. Shimomura, S. Kittaka, T. Yamaguchi, J. Phys.

Chem. B 2009, 113, 10817. 82 L. Zhang, Z. Xu, Y. Wang, H. Li, J. Phys. Chem. B 2008, 112, 6411. 83 W. Liu, T. Zhao, Y. Zhang, H. Wang, M. Yu, J. Sol. Chem. 2006, 35, 1337. 84 J. N. Phillips, Trans. Faraday Soc. 1955, 51, 561. 85 T. Singh, A. Kumar, Colloids and Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects 2008,

318, 263. 86 M. Blesic, M. H. Marques, N. V. Plechkova, K. R. Seddon, L. P. Rebelo, A.

Lopes, Green Chem. 2007, 9, 481. 87 T. Singh, A. Kumar, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 7843. 88 B. L. Bhargava, M. L. Klein, J. Phys. Chem. B 2009, 113, 9499. 89 H. Wang, J. Wang, S. Zhang, X. Xuan, J. Phys. Chem. B 2008, 112, 16682. 90 J. D. Tubbs, M. M. Hoffmann, J. Sol. Chem. 2004, 33, 381. 91 N. S. Isaacs, Physical Organic Chemistry, 1st ed. New York: Longman

Scientific & Technical, 1987. 92 S. Katsuta, K. Imai, Y. Kudo, Y. Takeda, H. Seki, M. Nakakoshi, J. Chem.

Eng. Data 2008, 53, 1528. 93 D. Nama, P. G. A. Kumar, P. S. Pregosin, T. J. Geldbach, P. J. Dyson,

Inorg. Chim. Acta 2006, 359, 1907.


168

94 T. Köddermann, C. Wertz, A. Heintz, R. Ludwig, ChemPhysChem 2006, 7,

1944. 95 J. Hunger, A. Stoppa, R. Buchner, G. Hefter, J. Phys. Chem. B 2008, 112

12913. 96 S. A. Katsyuba, T. P. Griaznova, A. Vidiš, P. J. Dyson, J. Phys. Chem. B

2009, 113, 5046. 97 W. Li, Z. Zhang, J. Zhang, B. Han, B. Wang, M. Hou, Y. Xie, Fluid Phase

Equil. 2006, 248, 211. 98 C. S. Consorti, P. A. Z. Suarez, R. F. de Souza, R. A. Burrow, D. H.

Farrar, A. J. Lough, W. Loh, L. H. M. da Silva, J. Dupont, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 4341.

99 R. W. Berg, A. Riisager, R. Fehrmann, J. Phys. Chem. A 2008, 112, 8585. 100 D. F. Kennedy, C. J. Drummond, J. Phys. Chem. B, 2009, 113, 5690. 101 R. Katoh, M. Hara, S. Tsuzuki, J. Phys. Chem. B 2008, 112, 15426. 102 R. C. Remsing, Z. Liu, I. Sergeyev, G. Moyna, J. Phys. Chem. B 2008, 112,

7363. 103 T. Takamuku, Y. Honda, K. Fujii, S. Kittaka, Anal. Sciences 2008, 24, 1285. 104 P. Wasserscheid, T. Welton, Ionic Liquids in Synthesis, 2nd ed., Weinheim:

Wiley-VCH, 2003. 105 P. Wasserscheid, B. Driessen-Hoelscher, R. van Hal, H. C. Steffens, J.

Zimmermann, Chem. Commun. 2003, 2038. 106 S. Himmler, S. Hörmann, R. van Hal, P. S. Schulz, P. Wasserscheid, Green

Chem. 2006, 8, 887. 107 P. J. Dyson, D. J. Ellis, T. Welton, D. G. Parker, Chem. Commun. 1999, 25. 108 S. Himmler, A. König, P. Wasserscheid, Green Chem. 2007, 9, 935. 109 Y. Wu, T. Sasaki, K. Kazushi, T. Seo, K. Sarurai, J. Phys. Chem. B 2008,

112, 7530. 110 M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh, Spektroskopische Methoden in der organischen

Chemie, 7. Aufl., Stuttgart: Thieme, 2005. 111 K. Kaltenböck, Chromatographie für Einsteiger, 1. Aufl., Weinheim: Wiley-VCH,

2008. 112 H. Fribolin, Ein- und zweidimensionale NMR-Spektroskopie: Eine Einführung, 4.

Aufl., Weinheim: Wiley-VCH, 2006.


169

113 a) M. Raban, K. Mislow, Tetrahedron Lett. 1965, 6, 4249 b) W. H. Pirkle, J.

Am. Chem. Soc. 1966, 88, 1837 c) W. H. Pirkle, S. D. Beare, J. Am. Chem. Soc. 1968, 90, 6250.

114 U. Skogsberg, L. Thunberg, S. Allenmark, Chirality 2001, 13, 272. 115 a) H. Navrátilová, R. de Gelder, Z. Kříž, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2

2002, 2093 b) J. Buddrus, H. Herzog, K. Risch, Anal. Chem. 1994, 66, 40. 116 a) J. Lacour, C. Ginglinger, C. Grivet, G. Bernardinelli, Angew. Chem. Int. Ed.

1997, 36, 608 b) C. Ginglinger, D. Jeannerat, J. Lacour, Tetrahedron Lett. 1998, 39, 7495 c) J. Lacour, C. Goujon-Ginglinger, V. Buss, G. Bernardinelli, Org. Lett. 2000, 2, 4185 d) J. Lacour, L. Vial, C. Herse, Org. Lett. 2002, 4, 1351 e) V. Hebbe, A. Londez, C. Goujon-Ginglinger, F. Meyer, J. Uziel, S. Jugé, J. Lacour, Tetrahedron Lett. 2003, 44, 2467.

117 D. Bwambok, H. M. Marwani, V. E. Ferdinand, S. O. Fakayode, M. Lowry, I. Negulescu, R. M. Strongin, I. M. Warner, Chirality 2008, 20, 151.

118 Y. Ishida, H. Miyauchi, K. Saigo, Chem. Commun. 2002, 2240. 119 S. Yu, S. Lindeman, C. Tran, J. Org. Chem. 2008, 73, 2576. 120 P. S. Schulz, K. Schneiders, P. Wasserscheid, Tetrahedron: Asymmetry 2009,

20, 2479. 121 W. Vycudilik, Z. Rechtsmedizin 1977, 80, 197. 122 a) V. Schurig, J. Chromatogr. A 2001, 906, 275 b) V. Schurig, Chirality 1998,

10, 140. 123 a) V. A. Davankov, Chromatographia 1989, 27, 475 b) C. Roussel, A. Del

Rio, J. Pierrot-Sanders, P. Piras, N. Vanthuyne, J. Chromatogr. A 2004, 1037, 311 c) C. Ravelet, E. Peyrin, J. Sep. Sci. 2006, 29, 1322 d) Y. Okamoto, T. Ikai, Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 2593 e) M. Lämmerhofer, W. Lindner, J. Chromatogr. A 1996, 741, 33.

124 A. Stojanivic, M. Lämmerhofer, D. Kogelnig, S. Schiesel, M. Sturm, M. Galanski, R. Krachler, B. K: Keppler, W. Lindner, J. Chromatogr. A 2008, 1209, 179.

125 a) S. Kowalska, B. Buszewski, J. Sep. Sci. 2006, 29, 2625 b) P. Stepnowski, A. Müller, P. Behrend, J. Ranke, J. Hoffmann, B. Jastorff, J. Chromatogr. A 2003, 993, 173.

126 S. Zhou, H. Yu, L. Yang, H. Ai, J. Chromatogr. A 2008, 1206, 200. 127 M. J. Ruiz-Angel, A. Berthod, J. Chromatogr. A 2008, 1189, 476.


170

128 M. Lämmerhofer, W. Lindner, J. Chromatogr. A 1996, 741, 33. 129 M. J. Ruiz-Angel, A. Berthod, J. Chromatogr. A 2006, 1113, 101. 130 P. Stilbs, Prog. NMR Spectrosc. 1987, 19, 1. 131 C. S. Johnson Jr, Prog. NMR Spectrosc. 1999, 34, 203. 132 R. E. Gordon, J. H. Strange, Faraday Symp. Chem. Soc. 1979, 153. 133 a) E. O. Stejskal, J. E. Tanner, J. Chem. Phys. 1965, 42, 288 b) J. E.

Tanner, Rev. Sci. Instrum. 1965, 36, 1086 c) E. O. Stejskal, J. Chem. Rev. 1965, 43, 3597.

134 a) R. F. Karlicek, I. J. Lowe, J. Mag. Reson. 1980, 37, 75 b) R. M. Cotts, M. J. R. Hoch, T. Sun, J. T. Marker, J. Mag. Reson. 1989, 83, 252 c) G. Wider, V. Dotsch, K. Wüthrich, J. Mag. Reson. A 1994, 108, 255.

135 a) K. Hayamizu, Y. Aihara, S. Arai, C. Garcia Martinez, J. Phys. Chem. B 1999, 103, 519 b) A. Noda, K. Hayamizu, M. Watanabe, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 4603.

136 a) H. Ming, T. C. Pochapsky, J. Phys. Chem. B 1997, 101, 4485 b) G. Annat, D. R. MacFarlane, M. Fortyth, J. Phys. Chem. B, 2007, 111, 9018.

137 a) A. Gierer, K. Wirtz, Z. Naturforsch. A 1953, 8, 522 b) A. Spernol, K. Wirtz, K., Z. Naturforsch. A 1953, 8, 532.

138 D. Zuccaccia, A. Macchioni, Organometallics 2005, 24, 3476. 139 A. Macchioni, G. Ciancaleoni, C. Zuccaccia, D. Zuccaccia, Chem. Soc. Rev.

2008, 37, 479. 140 F. Kremer, A. Schönhals, Broadband dielectric spectroscopy, Berlin: Springer,

2003. 141 R. Buchner, G. Hefter, Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 8984. 142 a) P. Pfeiffer, K. Quehl, Ber. Dtsch. Chem. Ges. 1931, 64, 2667 b) S.

Bergmann, R. Franz, P. Gut, M. Kol. J. Lacour, Chem. Commun. 2006, 850. 143 a) E. J. Valente, J. Zubkowski, D. S Eggleston, Chirality 1992, 4, 494 b) E.

J. Valente, T. N. Smith, M. E. Harris, Chirality 2001, 13, 244. 144 a) C. Botteghi, S. Paganelli, A. Schionato, M. Marchetti, Chirality 1991, 3,

355 b) F. Ungváry, Coord. Chem. Rev. 2007, 251, 2087. 145 T. Horiuchi, E. Shirakawa, K. Nozaki, H. Takaya, Organometalics 1997, 16,

2981. 146 J. Carbo, A. Lledos, D. Vogt, C. Bo, Chem. Eur. J. 2006, 12, 1457.


171

147 J. Rudolph, J. Schmidt-Leithoff, R. Paciello, B. Breit, T. Smejkal, (BASF SE,

Germany), 2009, PCT Int. Appl. 45pp. 148 E. Drent, P. Budzelaar, J. Org. Chem. 2000, 593, 211. 149 a) G. Hamilton, E. J. Kang, M. Mba, F. D. Toste, Science 2007, 317, 496

b) D. Chen, B. Sundaraju, R. Krause, W. Leitner, ChemCatChem 2010, 2, 55 c) S. Liao, B. List, Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 628 d) C. Li, C. Wang, B. Villa-Marcos, J. Xiao, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 14450 e) P. Garcia-Garcia, F. Lay, C. Rabalakos, B. List, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 4363 f) X. Wang, B. List, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 1119.

150 M. Kitamura, M. Yoshimura, N. Kanda, R. Noyori, Tetrahedron 1999, 55, 8769.

151 a) N. Furukawa, Y. Sugihara, H. Fujihara, J. Org. Chem. 1989, 54, 4222 b)

J.-L. Hsu, J.-M. Fang, J. Org. Chem. 2001, 66, 8573.

I

7. Anhang 7.1 Diffusionskoeffizienten zur Bestimmung des Dissoziationsgrades

Anhang 1: Mittels DOSY-NMR bestimmte Diffusionskoeffizienten D+ und D- von [N-(3‘-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(-)-(S)-Camphersulfonat] (25) und der daraus berechnete Dissoziationsgrad

T = 40 °C, Ethanol

c / [mol/l] D+/ [m2/s] D- / [m

2/s]

0,15 1,22 * 10-9 7,46 * 10-10 0,16

0,2 2,59 * 10-9 2,44 * 10-9 0,06

0,3 7,85 * 10-9 9,73 * 10-9 0,01

0,5 7,34 * 10-10 3,80 * 10-10 0,21

T = 40 °C, Wasser

c / [mol/l] D+/ [m2/s] D- / [m

2/s]

0,05 1,27 * 10-9 9,04 * 10-10 0,77

0,1 1,13 * 10-9 9,01 * 10-10 0,75

0,15 1,14 * 10-9 9,27 * 10-10 0,68

0,2 9,87 * 10-10 7,44 * 10-10 0,76

0,3 9,93 * 10-10 7,75 * 10-10 0,66

0,5 9,29 * 10-10 8,20 * 10-10 0,56

T = 30 °C, THF

c / [mol/l] D+/ [m2/s] D- / [m

2/s]

0,05 1,45 * 10-8 1,55 * 10-8 0,0002

0,1 1,09 * 10-8 1,06 * 10-8 0,0003

0,15 7,42 * 10-9 7,54 * 10-9 0,0004

0,2 8,30 * 10-9 8,41 * 10-9 0,0003

0,3 4,89 * 10-10 5,43 * 10-10 0,0069

0,5 2,10 * 10-10 2,37 * 10-10 0,0180

Anhang 2: Mittels DOSY-NMR bestimmte Diffusionskoeffizienten D+ und D- von [N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(-)-(S)-Camphersulfonat] (26) und der daraus berechnete Dissoziationsgrad

T = 40 °C, Ethanol

c / [mol/l] D+/ [m2/s] D- / [m

2/s]

0,05 7,93 * 10-10 7,07 * 10-10 0,14

0,1 3,72 * 10-10 6,93 * 10-10 0,31

0,15 2,22 * 10-9 2,46 * 10-9 0,06

0,2 8,96 * 10-10 1,10 * 10-9 0,14

0,3 5,37 * 10-10 6,01 * 10-10 0,22

II

0,5 6,05 * 10-10 3,96 * 10-10 0,23

Anhang 3: Mittels DOSY-NMR bestimmte Diffusionskoeffizienten D+ und D- von [N-(5‘-Oxohexyl)-1,2-dimethylimidazolium] [(-)-(S)-Camphersulfonat] (29) und der daraus berechnete Dissoziationsgrad

T = 40 °C, Ethanol

c / [mol/l] D+/ [m2/s] D- / [m

2/s]

0,05 1,14 * 10-9 1,00 * 10-9 0,21 0,1 1,00 * 10-9 9,28 * 10-10 0,18 0,15 4,38 * 10-10 4,16 * 10-10 0,35 0,2 1,91 * 10-8 1,92 * 10-8 0,01 0,3 3,04 * 10-9 2,88 * 10-9 0,05 0,5 2,55 * 10-9 2,56 * 10-9 0,05

Anhang 4: Mittels DOSY-NMR bestimmte Diffusionskoeffizienten D+ und D- von [N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(R)-Mandelat] (35) und der daraus berechnete Dissoziationsgrad

T = 30 °C, Ethanol

c / [mol/l] D+/ [m2/s] D- / [m

2/s]

0,05 1,30 * 10-9 1,25 * 10-9 0,17

0,1 1,17 * 10-9 1,12 * 10-9 0,15

0,15 9,64 * 10-10 9,42 * 10-10 0,17

0,2 1,64 * 10-9 1,60 * 10-9 0,09

0,3 7,28 * 10-10 6,84 * 10-10 0,18

0,4 8,31 * 10-10 7,72 * 10-10 0,15

0,5 7,18 * 10-10 6,90 * 10-10 0,17

III

7.2 Leitfähigkeitsmessungen

Anhang 5: Leitfähigkeit von [N-(3‘-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(-)-(S)-Camphersulfonat] (25) in Ethanol

Konzentration / [mol/l] T / [°C] T / [K] / [mS/cm]

0 30 303 0,015 0,05 30 303 0,665 0,1 30 303 1,112 0,15 30 303 1,486 0,2 30 303 1,875 0,3 30 303 2,420 0,5 30 303 3,580 0 40 313 0,018

0,05 40 313 0,779 0,1 40 313 1,276 0,15 40 313 1,704 0,2 40 313 2,090 0,3 40 313 2,800 0,5 40 313 4,220 0 50 323 0,022

0,05 50 323 0,845 0,1 50 323 1,480 0,15 50 323 1,916 0,2 50 323 2,480 0,3 50 323 3,270 0,5 50 323 4,920 0 60 333 0,026

0,05 60 333 1,045 0,1 60 333 1,665 0,15 60 333 2,130 0,2 60 333 2,910 0,3 60 333 3,700 0,5 60 333 5,490

Anhang 6: Leitfähigkeit von [N-(3‘-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(-)-(S)-Camphersulfonat] (25) in Wasser


0,05 30 303 2,52 0,1 30 303 4,59 0,15 30 303 6,25 0,2 30 303 7,83 0,3 30 303 10,5 0,5 30 303 14,17 0,05 40 313 2,99 0,1 40 313 5,43 0,15 40 313 7,47 0,2 40 313 9,35 0,3 40 313 12,45 0,5 40 313 16,96

IV

0,05 50 323 3,49 0,1 50 323 6,28 0,15 50 323 8,68 0,2 50 323 10,92 0,3 50 323 14,65 0,5 50 323 21,5 0,05 60 333 3,99 0,1 60 333 7,22 0,15 60 333 10,1 0,2 60 333 12,43 0,3 60 333 16,99 0,5 60 333 24

Anhang 7: Leitfähigkeit von [N-(3‘-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(-)-(S)-Camphersulfonat] (25) in THF

Konzentration / [mol/l] T / [°C] T / [K] / [S/cm]

0,05 22,2 295,2 8 0,1 22,2 295,2 17 0,15 22,1 295,1 26 0,2 22,1 295,1 38 0,3 22,2 295,2 65 0,5 22,2 295,2 122 0,05 25,3 298,3 8 0,1 25,3 298,3 19 0,15 25,1 298,1 31 0,2 25,1 298,1 39 0,3 25,2 298,2 72 0,5 25,2 298,2 135 0,05 30 303 9 0,1 30 303 20 0,15 30 303 36 0,2 30 303 43 0,3 30 303 81 0,5 30 303 149 0,05 35 308 9 0,1 35 308 24 0,15 35 308 40 0,2 35 308 46 0,3 35 308 87 0,5 35 308 164 0,05 40 313 10 0,1 40 313 25 0,15 40 313 44 0,2 40 313 51 0,3 40 313 96 0,5 40 313 184

V

Anhang 8: Leitfähigkeit von [N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(-)-(S)-Camphersulfonat] (26) in Ethanol


0,05 30 303 0,636

0,1 30 303 1,041

0,15 30 303 1,425

0,2 30 303 1,750

0,3 30 303 2,360

0,5 30 303 3,420

0,05 40 313 0,716

0,1 40 313 1,185

0,15 40 313 1,614

0,2 40 313 1,990

0,3 40 313 2,730

0,5 40 313 3,995

0,05 50 323 0,807

0,1 50 323 1,339

0,15 50 323 1,809

0,2 50 323 2,280

0,3 50 323 3,100

0,5 50 323 4,650

0,05 60 333 0,886

0,1 60 333 1,519

0,15 60 333 1,980

0,2 60 333 2,600

0,3 60 333 3,510

0,5 60 333 5,190

Anhang 9: Leitfähigkeit von [N-(5‘-Oxohexyl)-1,2-dimethylimidazolium] [(-)-(S)-Camphersulfonat] (29) in Ethanol

Konzentration /

[mol/l] T / [°C] T / [K] / [mS/cm]

0,05 30 303 0,694 0,1 30 303 1,081 0,15 30 303 1,404 0,2 30 303 2,160 0,3 30 303 2,900 0,5 30 303 4,060 0,05 40 313 0,792 0,1 40 313 1,223 0,15 40 313 1,621 0,2 40 313 2,460 0,3 40 313 3,360 0,5 40 313 4,740

VI

0,05 50 323 0,892 0,1 50 323 1,381 0,15 50 323 1,816 0,2 50 323 2,840 0,3 50 323 3,830 0,5 50 323 5,500 0,05 60 333 0,989 0,1 60 333 1,556 0,15 60 333 2,060 0,2 60 333 3,190 0,3 60 333 4,260 0,5 60 333 3,270

Anhang 10: Leitfähigkeit von [N-(5‘-Oxohextyl)-N-methylimidazolium] [(R)-Mandelat] (35) in Ethanol


0.05 30 303 0.8 0.1 30 303 1,30 0.15 30 303 1,75 0.2 30 303 2,14 0.3 30 303 2,74 0.4 30 303 3,53 0.5 30 303 4,33

VII

7.3 Diffusionskoeffizienten zur Bestimmung der Aggregationszahl N

Anhang 11: Mittels DOSY-NMR bestimmte Diffusionskoeffizienten D+ und D- von [N-(3‘-Oxobutyl)-N-methylimidazolium] [(-)-(S)-Camphersulfonat] (25) und die daraus berechneten Aggregationszahlen N+ bzw. N-

T = 20 °C, CD2Cl2


D+ / [m2/s] D- / [m

2/s] DDCM / [m2/s]

VH+ N+ VH- N-

1,87 1,54 * 10-11 1,41 * 10-11 1,54 * 10-10 50170,18 46,17 64725,32 59,56

1,32 6,98 * 10-11 6,47 * 10-11 5,39 * 10-11 23082,92 21,24 28833,45 26,53

8,35 * 10-1 2,06 * 10-10 1,88 * 10-10 1,18 * 10-9 9814,25 9,03 12753,60 11,74

4,17 * 10-1 4,67 * 10-10 4,45 * 10-10 1,92 * 10-9 3724,12 3,43 4259,19 3,92

2,09 * 10-1 6,87 * 10-10 6,76 * 10-10 2,46 * 10-9 2548,22 2,34 2669,10 2,46

5,23 * 10-2 1,04 * 10-9 1,03 * 10-9 2,93 * 10-9 1343,43 1,24 1378,93 1,27

2,61 * 10-2 1,10 * 10-9 1,08 * 10-9 3,00 * 10-9 1233,35 1,13 1302,19 1,20

1,30 * 10-2 1,20 * 10-9 1,17 * 10-9 2,95 * 10-9 952,20 0,88 1015,58 0,93

6,52 * 10-3 1,23 * 10-9 1,20 * 10-9 3,21 * 10-9 1114,32 1,03 1175,96 1,08

3,26 * 10-3 1,34 * 10-9 1,36 * 10-9 3,20 * 10-9 875,73 0,81 844,43 0,78

1,63 * 10-3 1,41 * 10-9 1,59 * 10-9 3,24 * 10-9 799,75 0,74 595,38 0,55

8,15 * 10-4 1,46 * 10-9 1,61 * 10-9 3,23 * 10-9 729,89 0,67 575,69 0,53

4,08 * 10-4 1,52 * 10-9 1,49 * 10-9 3,33 * 10-9 719,97 0,66 752,55 0,69

2,04 * 10-4 1,56 * 10-9 1,69 * 10-9 3,25 * 10-9 633,52 0,58 525,06 0,48

1,02 * 10-4 1,77 * 10-9 1,65 * 10-9 3,16 * 10-9 439,81 0,40 517,21 0,48

Anhang 12: Mittels DOSY-NMR bestimmte Diffusionskoeffizienten D+ und D- von [N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(-)-(S)-Camphersulfonat] (26) und die daraus berechneten Aggregationszahlen N+ bzw. N-

T = 20 °C, CD2Cl2


D+ / [m2/s] D- / [m

2/s] DDCM / [m2/s]

VH+ N+ VH- N-

1,22 8,15 * 10-11 7,85 * 10-11 6,68 * 10-10 27833,14 24,67 31059,36 27,53

6,10 * 10-1 6,04 * 10-10 5,96 * 10-10 2,23 * 10-9 2806,16 2,49 2903,48 2,57

3,05 * 10-1 1,40 * 10-9 1,40 * 10-9 3,42 * 10-9 950,78 0,84 950,78 0,84

1,52 * 10-1 1,13 * 10-9 3,12 * 10-9 5,47 * 10-9 421,16 0,37 421,16 0,37

7,62 * 10-2 5,69 * 10-9 5,67 * 10-9 7,81 * 10-9 248,47 0,22 248,47 0,22

3,81 * 10-2 4,26 * 10-9 4,35 * 10-9 7,34 * 10-9 381,70 0,34 394,57 0,35

1,91 * 10-2 4,65 * 10-9 4,65 * 10-9 7,04 * 10-9 310,34 0,28 310,34 0,28

9,53 * 10-3 4,17 * 10-9 4,26 * 10-9 7,02 * 10-9 394,57 0,35 369,12 0,33

4,76 * 10-3 3,83 * 10-9 3,85 * 10-9 6,49 * 10-9 394,57 0,35 381,70 0,34

2,38 * 10-3 4,05 * 10-9 4,17 * 10-9 6,65 * 10-9 369,12 0,33 344,79 0,31

1,19 * 10-3 4,41 * 10-9 4,54 * 10-9 6,86 * 10-9 321,56 0,28 310,34 0,28

VIII

Anhang 13: Mittels DOSY-NMR bestimmte Diffusionskoeffizienten D+ und D- von [N-(5‘-Oxohexyl)-1,2-dimethylimidazolium] [(-)-(S)-Camphersulfonat] (29) und die daraus berechneten Aggregationszahlen N+ bzw. N-

T = 20 °C, CD2Cl2


D+ / [m2/s] D- / [m

2/s] DDCM / [m2/s]

VH+ N+ VH- N-

2,03 1,63 * 10-10 1,58 * 10-10 9,47 * 10-10 10191,91 8,61 11128,53 9,40

1,02 3,96 * 10-10 3,94 * 10-10 1,78 * 10-9 4315,71 3,65 4380,13 3,70

5,09 * 10-1 8,26 * 10-9 8,19 * 10-10 2,60 * 10-9 1838,78 1,55 1875,31 1,58

2,54 * 10-1 3,18 * 10-9 3,26 * 10-9 5,54 * 10-9 421,16 0,36 394,57 0,33

1,27 * 10-1 3,47 * 10-9 3,43 * 10-9 6,05 * 10-9 421,16 0,36 434,89 0,37

6,36 * 10-2 4,53 * 10-9 4,38 * 10-9 7,61 * 10-9 394,57 0,33 421,16 0,36

3,18 * 10-2 3,45 * 10-9 3,50 * 10-9 6,10 * 10-9 434,89 0,37 421,16 0,36

1,59 * 10-2 4,32 * 10-9 4,29 * 10-9 6,77 * 10-9 333,04 0,28 344,79 0,29

7,95 * 10-3 3,53 * 10-9 3,50 * 10-9 6,48 * 10-9 477,87 0,40 477,87 0,40

3,97 * 10-3 3,24 * 10-9 3,28 * 10-9 6,28 * 10-9 539,46 0,46 523,60 0,44

IX

7.4 Kinetische Messungen zur Hydrierung von [N-(5‘-Oxohexyl)-N-methylimidazolium] [(R)-Mandelat]

Anhang 14: Zeitabhängiger Umsatz bei der Hydrierung von [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium][(R)-Mandelat] (35) bei 60 °C. Grau hinterlegte Daten wurden zur Berechnung der Reaktionsordnung und der Aktivierungsenergie verwendet.

60 °C

t / min Umsatz / [%] c(35) / [mol / l]

0 0,0 0,15

20 6,3 0,14

40 11,9 0,13

60 18,2 0,12

90 23,8 0,11

120 30,3 0,1

168 39,9 0,09

210 47,7 0,08

260 54,6 0,07

300 62,8 0,06

345 69,6 0,05

415 76,5 0,04

470 83,0 0,03

540 85,2 0,02

650 92,3 0,01


70 °C

t / min Umsatz /

[%] c(35) / [mol / l]

0 0,0 0,15

30 7,2 0,14

60 16,5 0,13

90 25,5 0,11

120 37,9 0,09

150 47,9 0,08

180 56,5 0,07

210 62,8 0,06

240 68,7 0,05

270 74,6 0,04

300 80,7 0,03

330 85,2 0,02

X

360 88,8 0,02

390 91,1 0,01

450 94,8 0,01

480 96,2 0,01

510 96,6 0,01

540 97,8 0,00

600 99,0 0,00


80 °C

t / min Umsatz /

[%] c(35) / [mol / l]

0 0 0,15

45 39,5 0,09

90 61,6 0,06

135 71,7 0,04

180 84,7 0,03

225 94,3 0,01

270 97,6 0


90 °C

t / min Umsatz /

[%] c(35) / [mol / l]

0 0,0 0,15

10 11,8 0,13

20 17,5 0,12

30 29,2 0,11

40 48,5 0,08

50 57,0 0,06

60 66,2 0,05

70 72,7 0,04

80 81,2 0,03

90 86,2 0,02

100 89,6 0,02

110 91,4 0,01

120 94,9 0,01

130 96,9 0,00

XI

7.5 Residuenanalyse* Um die Linearität einer Funktion zu überprüfen, kann eine Residuenanalyse durchgeführt werden. Die Residuen di sind die vertikalen Abstände der experimentell ermittelten Datenpunkte von der Regressionsfunktion

iii yyd ˆ for i = 1,…N

Dabei ist iy der theoretische Wert, der sich aus den angenommenen Regressionsparametern ergibt. In der grafischen Darstellung sind auf der Abszisse die gleichen Werte enthalten wie im Grafen der experimentellen Werte, auf der Ordinate sind die positiven und negativen Abweichungen aufgetragen. Liegt ein lineares Verhalten vor, zeigen die Residuen eine Normalverteilung um die Nulllinie herum.

Anhang 18: Normalverteilte Residuen um die Nulllinie

Anhang 19: Charakteristische Verteilungsmuster von Residuen von sinusförmigen oder quadratischen Regressionsfunktionen

* Dieses Unterkapitel basiert auf folgender Literaturstelle: W. Funk, V. Dammann, G. Donnevert,

Qualitätssicherung in der Analytischen Chemie, 2nd Ed., Wiley-VCH, Weinheim, 2005.

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0 2 4 6 8 10

d

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0 2 4 6 8 10 12

d

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0 2 4 6 8 10 12

d

XII

Ist dies nicht der Fall, lassen sich die experimentellen Daten nicht mit einer linearen Regression beschreiben und ein anderes Regressionsmodell wie eine Sinusfunktion

)sin( ctxay oder eine quadratische Funktion

cbxaxy 2 bilden den Verlauf der Daten evtl. genauer ab.

Anhang 20: Residuenanalyse zur Überprüfung der Linearität der erhaltenen Daten für den ln(r) gegen ln(c)-Plot zur Bestimmung der Reaktionsordnung bei der Hydrierung von [N-(5’-Oxohexyl)-N-methylimidazolium][(R)-Mandelat] (35) bei 60 °C

Zeit / min ln(c(35))

Reaktions-geschwindigkeit

r ln (r) ln(r)ber d Reaktionsordnung

n Geschw.- konst. k

60 ‐2,098013 0,000357 ‐7,937775 ‐7,908779 0,028996 0,7776 0,0019

90 ‐2,168929 0,000303 ‐8,103429 ‐7,963926 0,139504

120 ‐2,258090 0,000310 ‐8,080180 ‐8,033261 0,046919

168 ‐2,406280 0,000290 ‐8,145630 ‐8,148500 0,002870

210 ‐2,545294 0,000240 ‐8,336231 ‐8,256602 0,079629

260 ‐2,686778 0,000252 ‐8,287405 ‐8,366626 0,079221

300 ‐2,885981 0,000265 ‐8,236891 ‐8,521535 0,284644

345 ‐3,087848 0,000179 ‐8,629826 ‐8,678514 0,048688

415 ‐3,345290 0,000161 ‐8,735349 ‐8,878712 0,143363

470 ‐3,669077 0,000104 ‐9,167281 ‐9,130502 0,036779

540 ‐3,807663 0,000078 ‐9,465233 ‐9,238272 0,226960

00

00

00

00

00

00

00

00

-04 -04 -03 -03 -02

d

ln(c)

Residuenanalyse T = 60 °C

XIII





n Geschw.- konst. k

120 ‐2,373544 0,000560 ‐7,487574 ‐7,550995 0,063421 0,7461 0,0031

150 ‐2,549125 0,000465 ‐7,673473 ‐7,681987 0,008514

180 ‐2,729529 0,000373 ‐7,895274 ‐7,816578 0,078695

210 ‐2,885981 0,000305 ‐8,095199 ‐7,933300 0,161899

240 ‐3,058672 0,000295 ‐8,128535 ‐8,062136 0,066399

270 ‐3,267541 0,000300 ‐8,111728 ‐8,217963 0,106235

300 ‐3,542185 0,000265 ‐8,235781 ‐8,422862 0,187081

330 ‐3,807663 0,000203 ‐8,504771 ‐8,620922 0,116152

360 ‐4,086376 0,000148 ‐8,821682 ‐8,828857 0,007175

390 ‐4,316239 0,000100 ‐9,210340 ‐9,000347 0,209994

450 ‐4,853632 0,000085 ‐9,372859 ‐9,401270 0,028410

00

00

00

00

00

00

00

-05 -05 -04 -04 -03 -03 -02

d

ln(c)


XIV





n Geschw.- konst. k

45 ‐2,399647 0,001027 ‐6,881438 ‐6,985428 0,103990 0,7702 0,0059

90 ‐2,854233 0,000537 ‐7,530133 ‐7,335528 0,194605

135 ‐3,159428 0,000385 ‐7,862267 ‐7,570575 0,291692

180 ‐3,774437 0,000377 ‐7,884150 ‐8,044226 0,160076

225 ‐4,761824 0,000215 ‐8,444873 ‐8,804664 0,359792

270 ‐5,626821 0,000075 ‐9,498022 ‐9,470844 0,027178

315 ‐6,319969 0,000038 10,169191 10,004673 0,164518





n Geschw.- konst. k

30 -2,242431 0,002325 ‐6,064035 ‐6,089679 0,025644 0,7663 0,0126

40 -2,560708 0,002085 ‐6,172986 ‐6,333564 0,160578

50 -2,741090 0,001328 ‐6,624458 ‐6,471784 0,152673

60 -2,981829 0,001178 ‐6,744362 ‐6,656254 0,088107

00

00

00

00

00

00

00

00

00

-07 -06 -06 -05 -05 -04 -04 -03 -03 -02

d

ln(c)


XV

70 -3,195403 0,001125 ‐6,789972 ‐6,819909 0,029937

80 -3,568433 0,001013 ‐6,895333 ‐7,105748 0,210416

90 -3,877622 0,000630 ‐7,369791 ‐7,342669 0,027122

100 -4,160484 0,000390 ‐7,849364 ‐7,559416 0,289947

110 -4,350528 0,000398 ‐7,830316 ‐7,705040 0,125275

120 -4,873050 0,000413 ‐7,793274 ‐8,105430 0,312156

130 -5,370888 0,000195 ‐8,542511 ‐8,486906 0,055605

00

00

00

00

00

00

00

00

00

-06 -06 -05 -05 -04 -04 -03 -03 -02

d

ln(c)


XVI

7.6 Hydroformylierung der Vinylsulfonat-ILs

Anhang 24: Übersicht über die Hydroformylierungen von Vinylsulfonat-ILs

Kation c(IL) / [mol/l]

IL / Rh Lig / Rh T / [°C] p / [bar] iso/n-

Selektivität

[EMIM] 0,038 1000 16 70 50 38

0,038 1500 16 70 50 85

0,038 2000 16 70 50 83

0,038 2500 16 70 50 89

0,038 1000 8 70 50 95

0,038 1000 20 70 50 83

0,038 1000 4 70 50 21

0,055 1500 4 70 50 47

0,073 2000 4 70 50 43

0,018 500 4 70 50 70

0,038 1000 4 70 40 58

0,038 1000 4 70 30 53

0,038 1000 4 70 60 52

0,038 1000 4 80 50 56

0,038 1000 4 60 50 >100

0,038 1000 4 90 50 51

[HMIM] 0,038 1000 16 70 50 50

[EMMIM] 0,038 1000 16 70 50 110

Untersuchung der interionischen Wechselwirkungen in ... · [Po6]: V. Strehmel, H. Rexhausen, P....

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