DE4240042A1

DE4240042A1 - Fullerenderivate, Verfahren zur Herstellung und deren Verwendung

Info

Publication number: DE4240042A1
Application number: DE4240042A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Aulbach; Meer Hans-Ulrich Dr Ter
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: TER MEER, HANS-ULRICH, 60431 FRANKFURT, DE
Priority date: 1992-11-28
Filing date: 1992-11-28
Publication date: 1994-06-01

Description

Fullerene sind käfigförmige Kohlenstoffallotrope der allgemeinen Formel (C_20+2m) (mit m = natürliche Zahl). Sie enthalten zwölf Fünf- sowie beliebig viele, mindestens aber zwei Sechsringe aus Kohlenstoffatomen.

Obwohl diese Verbindungsklasse erst 1985 von Kroto und Smalley nachgewiesen (Nature, 1985, 318, 162) wurde und Krätschmer und Hoffmann erst 1990 über die Darstellung makroskopischer Mengen an C₆₀ berichteten (Nature 1990, 347, 354), sind solche Verbindungen sehr schnell auf ein breites Interesse gestoßen und wurden innerhalb kürzester Zeit Gegenstand zahlreicher Forschungsarbeiten (siehe z. B. G. S. Hammond, V. J. Kuck (Editors), Fullerenes, American Chemical Society, Washington DC 1992 und Accounts of Chemical Research, Märzausgabe 1992).

Wichtige Gebiete der Fullerenforschung sind beispielsweise

- Entwicklung von Herstellungsverfahren mit hoher Ausbeute und Trennmethoden zur Isolierung der Verbindungen mit bestimmten Käfiggroßen;
- Darstellung von Fulleren-Übergangsmetallkomplexen;
- Dotieren von Fullerenen mit Alkalimetallen zur Erzeugung supraleitfähiger Verbindungen;
- Einsatz von Fullerenen als Synthesebausteine in der organischen Chemie.

Gerade das zuletzt angesprochenen Arbeitsgebiet enthält große Schwierigkeiten, da sich z. B. der Substitutionsgrad von Fullerenen bei der Derivatisierung nur schwer steuern läßt. C₆₀ enthält 30 Doppelbindungen, die prinzipiell als Reaktionszentren zur Verfügung stehen. Zudem ist eine sehr große Zahl von Stellungsisomeren möglich, sobald auch nur zwei Substituenten am Fullerengrundkörper vorhanden sind.

Weitere Probleme bereitet die geringe Löslichkeit der Fullerene in allen gängigen Lösungsmitteln.

Da man aber ein hohes Potential dieser Stoffklasse, beispielsweise im Bereich der Optoelektronik und Wirkstofforschung erwartet, wurden bereits Anstrengungen zur Derivatisierung, insbesondere von C₆₀, unternommen (siehe z. B. H. Schwarz, Angew. Chem. 1992, 104, 301 und F. Wudl et al. in G. S. Hammond, V. J. Kuck (Editors), Fullerenes, American Chemical Society, Washington DC 1992 und Accounts of Chemical Research, Märzausgabe 1992).

Es ist bereits bekannt, daß Fullerene mit Dienen zu Diels-Alder-Addukten umgesetzt werden können (z. B. G. S. Hammond, V. J. Kuck (Editors), Fullerenes, American Chemical Society, Washington DC 1992 und Accounts of Chemical Research, Märzausgabe 1992). Es ist weiterhin bekannt, Fullerene in einer 1,3- dipolaren Cycloaddition mit Diazoverbindungen umzusetzen (z. B. F. Wudl, Acc. Chem. Res., 1992, 25, 157). Die Addition von Heteroatomen direkt an das C₆₀-Gerüst ist jedoch mit dieser Reaktionsführung nicht möglich.

Untersuchungen von C₆₀ mit Aziden sind bislang nur mit einer Verbindung (p- NO₂-Ph-N₃) beschrieben. Die Reaktion muß bei hoher Temperatur (110°C) in Chlorbenzol als LM durchgeführt werden und liefert ein Produktgemisch. Die Variationsmöglichkeit der eingesetzten Azide und die Folgechemie sind sehr beschränkt.

Wünschenswert war es, Fullerene zu synthetisieren, die Struktureinheiten enthalten, die sich im Bereich der Wirkstofforschung als aktiv erwiesen haben.

Es ist bereits seit langem bekannt, daß Isoxazoline biologische Wirkungen entfalten können. Isoxazolinderivate sind z. B. als GABA-Antagonisten, CNA- Erreger, Anthelminithica, Myolytika, zur Stimulierung des Reiswachstums und als antibakteriell wirksam bekannt (siehe B. J. Wakefield und D. J. Wright, Adv. in Heterocyclic Chem. 25, 147 und die dort zitierte Literatur). Die Darstellung von Isoxazolinen durch 1,3-dipolare Cycloaddition von Nitriloxiden an Olefine ist beschrieben (u. a. R. Huisgen, Angew. Chem., 1963, 75, 604).

Es wurde nun gefunden, daß sich wohldefinierte Fullerenderivate erhalten lassen, indem Fullerene mit Nitriloxiden zu Fullerenisoxazolinen umgesetzt werden. Anschließend mögliche Umlagerungsreaktionen können zu Verbindungen mit verbrückten Annullenstrukturen führen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Fullerenderivat der Formel I

wobei die Symbole und Indices
: einen Fullerenrest der Formel C_(20+2m) mit m = 0 bis 1000, worin die Bindung an das Strukturelement -O-N=CR- durch eine Struktur der Formel IIa oder IIb

wiedergegeben wird;
R: einen gegebenenfalls ein- oder mehrfach substituierten aliphatischen, aromatischen oder araliphatischen Rest oder einen Phosphonsäureesterrest oder

mit
X = Spacergruppe, und
L: 0 oder eine natürliche Zahl von 1 bis 100 000,
n: eine natürliche Zahl von 1 bis m+10

bedeuten.

Die erfindungsgemäßen Fullerenderivate der Formel I sind potentielle Wirkstoffe, z. B. für Pharmaka und Pflanzenschutzmittel, und zeigen interessante physikalische Eigenschaften wie intrinsische Leitfähigkeit und hohe Reflektivität im Infrarotbereich. Vorteilhaft, insbesondere im Bereich der Wirkstofforschung, ist es, daß sich einzelne wohldefinierte Verbindungen der Formel I isolieren lassen.

Bevorzugt sind Verbindungen der Formel I, in denen

: einen Fullerenrest der Formel C_(20+2m) mit m = 20, 25, 28, 29;
R: R′; gegebenenfalls substituiertes Phenyl, Pyridyl, Pyrimidyl, COOR′, COOH, C₅/C₆-Cycloalkyl, OR′,

mit x = 1,4-Phenylen, -(CH₂)-_1-20, 4,4′-Biphenylen, -CO- und -CO-1,4-Phenylen-CO-,
wobei aromatische Reste gegebenenfalls durch 1 bis 5 Substituenten -R¹, -OR¹, -COOR¹, -OOCR¹, F, Cl, Br und CN substituiert sein können;
R¹: eine verzweigte oder unverzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 20 C-Atomen;
n: eine natürliche Zahl 1 bis 12

bedeutet.

Besonders bevorzugt sind Verbindungen der Formel I, worin

: C₆₀, C₇₀;
R: eine tertiäre Alkylgruppe mit 1 bis 20 C-Atomen,

R²: gleich oder verschieden, H, R³, OR³, -COOR³, -O-CO-R³, NR³R³, -NHCOR³, F, Cl und Br;
R³: gleich oder verschieden C₁-C₂₀-Alkyl, CF₃;
n: eine natürliche Zahl 1 bis 10

bedeutet.

Ganz besonders bevorzugt sind Verbindungen der Formel I, worin

: C₆₀;

R²: gleich oder verschieden C₁-C₄-Alkyl, C₁-C₄-Alkoxy, -O-CO-CH₃, -CF₃, F, Cl, Br;
n: 1, 2, 8

bedeutet.

Die erfindungsgemäßen Verbindungen der Formel I werden beispielsweise durch 1,3-dipolare Cycloaddition eines Nitriloxides an ein Fullerenmolekül hergestellt.

Dies kann prinzipiell nach den literaturbekannten Methoden zur Addition von Nitriloxiden an Olefine erfolgen, wie sie beispielsweise bei C. Grundmann, Fortschr. Chem. Forschung, Bd. 7/1, 81, beschrieben sind.

Bevorzugt ist ein Verfahren zur Darstellung von Verbindungen der Formel I, bei dem ein Fulleren der allgemeinen Formel C_(20+2m) (m = 0, 1, 2 . . . 1000) in einem aprotischen organischen Lösungsmittel, wie Toluol, CCl₄, CH₂Cl₂, Benzol, CS₂ und Chlorbenzol, mit Nitriloxiden der Formel IIIa oder IIIb

R-C≡N⊕-O⊖ (IIIa)

⊖O-⊕N≡C-X-C≡N⊕-O⊖ (IIIb)

worin R, X die in Formel I angegebenen Bedeutungen haben, in einem Temperaturbereich von -78°C bis 180°C, vorzugsweise 0 bis 110°C, umgesetzt wird.

Stabile Nitriloxide, wie 2,4,6-Trimethylphenylnitriloxid, 2,4,6- Trimethoxyphenylnitriloxid, 2,3,5,6-Tetramethyl bzw. 2,3,5,6- Tetramethoxyphenylnitriloxid (siehe auch C. Grundmann, Angew. Chem. 1964, 76, 682) können vorzugsweise in Substanz zugegeben werden.

Reaktive Nitriloxide können, wie z. B. bei Huisgen, Angew. Chem. 1963, 75, 604 angegeben, in situ aus Hydroxamsäurechloriden mit Base, aus R-CH₂-NO₂ (R siehe Formel I) mit Phenylisocyanat/NEt₃ bzw. POCl₃/NEt₃ (V. Jäger, Tetrahedron Letters, 1978, 3133) dargestellt werden.

Zur Darstellung von Verbindungen der Formel I mit n = 1 wird vorzugsweise in einem Temperaturbereich von -78°C bis +50°C, besonders bevorzugt 0°C bis 50°C, gearbeitet. Ein hoher Substitutionsgrad und damit hoher Wert für n wird erreicht, indem mit überschüssigem Nitriloxid für längere Zeit auf über 100°C erhitzt wird.

Als Fullerene werden bevorzugt reines C₆₀ und/oder C₇₀ eingesetzt, aber auch Rohfullerene, die ein Gemisch aus C₆₀ und C₇₀ als Hauptkomponenten enthalten. Es können aber auch alle anderen denkbaren Fullerene bzw. Fullerenderivate eingesetzt werden. Das Fulleren kann auch als polymergebundenes Produkt eingesetzt werden (Bull. Korean Chem. Soc. 12 (1991) 596).

Die Fullerene können durch Herstellung von Fullerenruß im Lichtbogenverfahren mit anschließender Extraktion mit einem unpolaren organischen Lösungsmittel (Rohfullerene), wie z. B. in WO 92/09279) beschrieben, gewonnen werden. Die weitere Feinauftrennung kann säulenchromatographisch erfolgen.

Die eingesetzten Fullerene sind zum Teil auch Handelsprodukte.

Die erfindungsgemäßen Verbindungen der Formel I finden beispielsweise Anwendung als Wirkstoffe, z. B. in den Bereichen Pharma, Kosmetik und Pflanzenschutz, als Zwischenprodukte zur Herstellung von Polymervernetzern, und in optoelektronischen Bauelementen.

Die Erfindung wird durch die Beispiele näher erläutert.

Beispiele

1. In einem 500-ml-Dreihalskolben mit Rührer, Tropftrichter und Innenthermometer wurden 0,34 mmol C₆₀ in 150 ml Toluol gelöst und bei 25°C eine Lösung von 0,34 mmol 2,4,6-Trimethylphenylnitriloxid in 50 ml Toluol zugetropft. Nach 24 h Rühren bei RT wurde mit Hilfe der HPLC ein Umsatz von 85% bestimmt. Nach Chromatographie über Kieselgel (CH₂Cl₂/Hexan = 11 : 1) erhält man in 25%iger Ausbeute (FAB MS: 881 (M⁺);
¹H-NMR(CDCl₃): δ = 6,98 (s, 2H); 2,58 (s, 6H); 2,30 (s, 3H).
IR (KBr): 2950 (s), 2920 (s), 2920 (s), 1620 (w), 1470 (w), 1450 (w), 1375 (w), 1270 (m), 1040 (m), 850 (s).
2. Analog Beispiel 1, jedoch werden 3,40 mmol 2,4,6- Trimethylphenylnitriloxid zugegeben und 12 h bei 110°C gerührt. Umsatz nach HPLC 98%. Die Ausbeute nach Chromatographie an betrug 17%
3. Analog Beispiel 1, jedoch mit 0,34 mmol 2,4,6- Trimethoxyphenylnitriloxyd.
Umsatz: 92%; Ausbeute an 37%. (FAB MS: 292 (M⁺);
Analyse für C₇₀H₁₁NO₄: ber. C: 90,4; H: 1,2; N: 1,5; gef. C: 88,9; H: 1,4; N: 1,4;
¹H-NMR (CDCl₃): δ = 6,18 (s, 2H); 3,83 (s, 3H); 3,76 (s, 6H).
4. Analog Beispiel 1, mit 0,17 mmol 1,4-Bisnitriloxyd-2,3,5,6- Tetramethylbenzol.
Umsatz: 86%
Ausbeute an 22%.
5. Zu einer Lösung von 0,34 mmol C₆₀ und 0,34 mmol Benzohydroxamsäurechlorid wird in einem Zeitraum von 24 h eine Lösung von 0,4 mmol NEt₃ in 50 ml Toluol zugetropft.
Umsatz: 96%
Ausbeute: 54% (Monoaddukt)
6. Analog Beispiel 5 wurde dargestellt (95% Umsatz; Ausbeute an Monoaddukt: 34%)
7. Analog Beispiel 5 wurde dargestellt (98% Umsatz; Ausbeute an Monoaddukt: 38%)
8. Zu einer Lösung von 0,16 mmol C₆₀, 0,08 mml Phenylisocyanat und 0,002 mmol Triethylamin in 100 ml Toluol wurde ein Gemisch aus 0,04 mmol Nitromethanphosphonsäureethylester, 0,002 mmol Triethylamin in 20 ml Toluol zugetropft (binnen 8 h).
Umsatz: 87%
Ausbeute an Monoaddukt: 46%
9. Analog Beispiel 8 wurde dargestellt: Umsatz: 74%
Ausbeute: 23%
9. Analog Beispiel 8 wurde dargestellt: Umsatz: 89%
Ausbeute: 24%

Claims

1. Fullerenderivat der Formel I wobei die Symbole und Indices
: einen Fullerenrest der Formel C_(20+2m) mit m = 0 bis 1000, worin die Bindung an das Strukturelement -O-N=CR- durch eine Struktur der Formel IIa oder IIb wiedergegeben wird;
R: einen gegebenenfalls ein- oder mehrfach substituierten aliphatischen, aromatischen oder araliphatischen Rest oder mit
X = Spacergruppe,
L: 0 oder eine natürliche Zahl von 1 bis 100 000 und
n: eine natürliche Zahl von 1 bis m+10
bedeuten.

2. Fullerenderivat der Formel I in Anspruch 1, wobei
: einen Fullerenrest der Formel C_(20+2m) mit m = 20, 25, 28-38;
R: R′; gegebenenfalls substituiertes Phenyl, Pyridyl, Pyrimidyl, COOR′, COOH, C₅/C₆-Cycloalkyl, OR′, mit x = 1,4-Phenylen, -(CH₂)-_1-20, 4,4′-Biphenylen, -CO- und -CO-1,4-Phenylen-CO-,
wobei die aromatischen Reste gegebenenfalls durch 1 bis 5 Substituenten R¹, OR¹, COOR¹, OOCR¹, F, Cl, Br und CN substituiert sein können;
R′: eine verzweigte oder unverzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 20 C-Atomen;
n: eine natürliche Zahl 1 bis 12
bedeutet.

3. Fullerenderivat der Formel I in Anspruch 1, wobei
: C₆₀, C₇₀;
R: eine tertiäre Alkylgruppe mit 1 bis 20 C-Atomen, R²: gleich oder verschieden, H, R³, OR³, -COOR³, -O-CO-R³, NR³R³, -NHCOR³,
R³: gleich oder verschieden C₁-C₂₀-Alkyl, CF₃;
n: eine natürliche Zahl 1 bis 12
bedeutet.

4. Fullerenderivat der Formel I in Anspruch 1, wobei
: C₆₀; R²: gleich oder verschieden C₁-C₄-Alkyl, C₁-C₄-Alkoxy, -O-CO-CH₃, -CF₃;
n: 1-12
bedeutet.

5. Verfahren zur Darstellung von Fullerenderivaten nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fulleren der allgemeinen Formel C_(20+2m) (m = 0, 1, 2 . . .) in einem aprotischen organischen Lösungsmittel, wie z. B. Toluol, CCl₄, CH₂Cl₂, Benzol, Chlorbenzol, CS₂ mit Nitriloxiden der Formel IIIa oder IIIb R-C≡N⊕-O⊖ (IIIa)⊖O-⊕N≡C-X-C≡N⊕-O⊖ (IIIb)worin R, X die in Formel I angegebenen Bedeutungen haben, in einem Temperaturbereich von -78°C bis 180°C, vorzugsweise 0 bis 110°C, umgesetzt wird.

6. Verwendung von Fullerenderivaten nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 in optischen oder elektrischen Bauelementen und als Wirkstoffe.