Quantenmechanische Untersuchungen an Zwischenstufen von Substitutionsreaktionen: Protonierte Alkylbenzole und Amino-Trishomocyclopropenylium-Kationen

  • In der vorliegenden Arbeit wurden mittels ab initio Methoden die Strukturen und Eigenschaften sowie das Reaktionsverhalten der kationischen Zwischenstufen einer nucleophilen und einer elektrophilen Substitution untersucht. Geometrieoptimierungen wurden unter Verwendung des B3LYP-Dichtefunktionals durchgeführt, Energien und Enthalpien aus Coupled-Cluster (CCSD(T))-Rechnungen gewonnen. Standardmäßig wurde der Basissatz 6-31++G(d,p) benutzt. Im ersten Teil der Arbeit stand die Frage im Mittelpunkt, welchen Einfluss eine Aminosubstitution am Bicyclo[3.1.0]hex-3-ylium-Kation auf dessen Reaktionsverhalten im Vergleich zum Grundkörper hat und ob sich die experimentell beobachteten Produktbilder der nucleophilen Substitution mit der Annahme dieser Zwischenstufe vereinbaren lassen. Die Reaktions- und Aktivierungsenergien der beiden Teilschritte einer nucleophilen S(N)1-Reaktion an chlor-substituierten Amino-Bicyclo[3.1.0]hexanen unter Gegenwart von Methanol und Methanolat-Anionen sowie der Isomerisierungswege des intermediären Amino-Bicyclo[3.1.0]hex-3-ylium-Kations wurden in CCSD(T)-Rechnungen ermittelt. Der Einfluss des Lösungsmittels Methanol auf die Energien wurde unter Verwendung des C-PCM-Modells bestimmt. Es konnte gezeigt werden, dass die Anwesenheit eines NH2- oder Morpholin-Substituenten zwar wenig an den elektronischen Eigenschaften des Bicyclo[3.1.0]hex-3-ylium-Kations ändert, jedoch neue Reaktionswege, insbesondere Möglichkeiten zur Isomerisierung eröffnet. Die Energiebarrieren dieser Prozesse liegen jedoch durchweg über denen eines nucleophilen Angriffs, so dass die Bildung eines thermodynamisch stabilen, methoxy-substituierten Produktes die vorherrschende Reaktion bleibt und keine isomeren Kationen zu erwarten sind. Der Aminorest erzeugt aus sterischen Gründen und durch die von ihm bewirkte Erhöhung des Dipolmomentes im Trishomocyclopropenylium-Kation eine hohe Regioselektivität zugunsten eines nucleophilen Angriffs an Ringposition beta-C(3), was die aus Sicht der Experimentatoren dringendste Frage nach den Ursachen des regio- und stereochemischen Verlauf der Substitution beantwortet. Im zweiten Teil der vorliegenden Dissertation wurden die Strukturen der sigma- und pi-Komplexe der protonierten Aromaten Benzol, Toluol und Mesitylen bestimmt sowie die Energieprofile der in diesen Verbindungen ablaufenden 1,2-Hydridverschiebungen berechnet. Darüber hinaus wurden für Benzol und Mesitylen die Strukturen von Arenium-Aren-Komplexen und Arenium-Tetrachloroaluminat-Verbindungen ermittelt und die Energetik von Protonentransfers innerhalb dieser Spezies untersucht. Als Ergebnis liegt eine umfassende Datenbasis zur Energetik von intra- und intermolekularen Wasserstoffverschiebungen vor. Die von allen aufgeführten Spezies unter Verwendung der SQM-Methode simulierten Schwingungsspektren erlauben es, bestimmte Verbindungen und Zwischenstufen in Zukunft zuverlässiger und schneller zu identifizieren. Es zeigten sich durchweg sehr gute Übereinstimmungen mit Daten aus IR-, NMR-, MS- und Röntgenstruktur-Experimenten. Einige offene Fragen, wie etwa Auffälligkeiten in den Kristallstrukturen, konnten beantwortet werden. Viele bisher nur qualitativ bekannte Fakten können anhand der erarbeiteten Daten in einem neuen Licht betrachtet werden. Die vorliegenden quantenchemischen Daten bestätigen in den untersuchten Fällen die Beobachtungen der Experimentatoren und liefern darüber hinaus eine fundierte Basis für detaillierte Modellvorstellungen über den Mechanismus von Substitutionsreaktionen, die über substituierte Trishomocyclopropenylium-Kationen oder protonierte Alkylbenzole verlaufen.

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Metadaten
Verfasserangaben:Elmar Gerwalin
URN (Permalink):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-19485
Betreuer:Wilfried Meyer
Dokumentart:Dissertation
Sprache der Veröffentlichung:Deutsch
Jahr der Fertigstellung:2005
Jahr der Veröffentlichung:2005
Veröffentlichende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Titel verleihende Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Datum der Annahme der Abschlussarbeit:19.09.2005
Datum der Publikation (Server):10.05.2006
GND-Schlagwort:Ab-initio-Rechnung ; Alkylaromaten ; Quantenmechanik; Substitutionsreaktion
Fachbereiche / Organisatorische Einheiten:Fachbereich Chemie
DDC-Sachgruppen:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Lizenz (Deutsch):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vor dem 27.05.2011

$Rev: 13581 $