Unsymmetrische Bisaddukte von Fulleren C ₇₀ , Verfahren zu ihrer Herstellung und deren Verwendung

Fullerene sind käfigförmige Kohlenstoffallotrope der allgemeinen Formel (C _{20 +} 2rJ' ^w o ^{bei m eine} natürliche Zahl ist. Sie enthalten zwölf Fünf- sowie beliebig viele, mindestens aber zwei Sechsringe aus Kohlenstoffatomen. Obwohl diese Verbindungsklasse erst 1985 von Kroto und Smalley nachgewiesen wurde (Nature, 1985, 318, 1 62), und Krätschmer und Huffman erstmals 1990 über die Darstellung makroskopischer Mengen an C ₆₀ 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).

Da man ein hohes Potential dieser Stoffklasse, beispielsweise im Bereich der Optoelektronik und der Wirkstofforschung erwartet, wurden bereits umfangreiche Untersuchungen zur gezielten Derivatisierung, insbesondere von C ₆₀ und C ₇₀ , unternommen (siehe z.B. R. Taylor, D.R.M. Walton, Nature 1993, 363, 685 und A. Hirsch, Angew. Chem. 1993, 105, 1 189). In verschiedenen Derivatisierungsversuchen gelang es, definierte Monoaddukte von C ₆₀ und C ₇₀ zu isolieren (siehe z.B. A. Hirsch, The Chemistry of the Fullerenes, Thieme, Stuttgart, New York, 1994).

Untersuchungen zur Regioselektivität bei Mehrfachadditionen an Fullerene, insbesondere an C ₆₀ , sind Gegenstand der derzeitigen Fullerenforschung (siehe z.B. Osmylierung: J.M. Hawkins et al., J. Am. Chem. Soc. 1992, 1 14, 7954;

Cyclopropanierung: A. Hirsch, I. Lamparth, H.R. Karfunkel, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1994, 33, 437; Hydroborierung: C. C. Henderson et al., Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1994, 33, 786). Auf dem Gebiet der Mehrfachaddukte von C ₇₀ sind solche mit jeweils dem gleichen Rest bekannt (Bisiridiumkomplex: A. L. Balch, J. W. Lee, M. M. Olmstead, Angew. Chem. 1992, 104, 1400; Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1992, 31 , 1356; Cyclopropanierung: siehe z. B. WO 94/25424 und P 44 33 245.9).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen einfachen Zugang zu definierten Bisaddukten von Fulleren C ₇₀ zu finden, die einerseits als Zwischenprodukte für die Synthese neuer Fullerenderivate eingesetzt werden können, und die andererseits die physikalischen Eigenschaften der Fullerene, wie Löslichkeit und Polarität, verbessern.

Es wurde nun überraschend gefunden, daß durch sukzessive Cyclopropanierung von C ₇₀ mit zwei verschiedenen α-Halo-CH-aciden Verbindungen unsymmetrische Additionsprodukte von C ₇₀ gewonnen werden können, wobei die beiden Additionen jeweils auf unterschiedlichen Hemisphären stattfinden.

Gegenstand der Erfindung sind daher Fulleren-C ₇₀ Bisaddukte der Formel (I)

in der die Symbole und Indices die folgende Bedeutung haben:

E ¹ ,E ² ,E ³ ,E ⁴ sind entweder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus COOH, COOR, CONRR ¹ , CHO, COR, CN, P(O)(OR) ₂ und SO ₂ R, wobei R,

R ¹ einen geradkettigen oder verzweigten, ein- oder mehrfach gleich oder verschieden substituierten aliphatischen Rest C, bis C ₂₀ darstellt, in dem eine oder mehrere CH ₂ -Gruppen durch -C≡C-, -CH = CH-, -COO-, -O(C = O)-, -SiR ³ ₂ -, -CO-, Phenylendiyl und/oder bis zu jede dritte CH ₂ -Einheit durch O oder NR ³ ersetzt sein können, wobei R ³ gleich Phenyl, C.,-C ₂₀ -Alkyl oder Benzyl ist, oder R, R ¹ einen Benzylrest oder Phenylrest bedeutet, der durch 1 bis 5 Substituenten R, OH, OR, COOR, OCOR, SO ₃ H, SO ₂ CI, F, Cl, Br, NO ₂ und CN substituiert sein kann;

oder E ¹ kann mit E ² und E ³ mit E ⁴

sein;

oder E ¹ und E ³ sind Arylreste die durch 1 bis 5 Substituenten R, OH, OR, NHCOR, COOH, COOR, CONH ₂ , CONHR, CONRR ¹ , O(C = O)R, SO ₃ H, SO ₂ CI, F, Cl, Br, NO ₂ und/oder CN substituiert sein können, wobei R und R ¹ die oben genannte Bedeutung haben,

und E ² und E ⁴ sind COX-Reste, wobei X gleich H, OH, Cl, Br, OR ⁴ , NH ₂ , NHR oder NRR ¹ ist, wobei R ⁴ entweder wie R definiert

^C

folgenden Strukturen ausgewählt ist:

oder E ¹ und E ³ sind COR und E ² und E ⁴ sind R oder H, F, Cl, Br;

oder E ¹ und E ³ sind NO ₂ und E ² und E ⁴ sind R ⁵ oder H, wobei R ⁵ einen gegebenenfalls ein- oder mehrfach substituierten aliphatischen Rest C, bis C ₂₀ darstellt;

wobei entweder E ¹ anders ist als E ³ und/oder E ² anders ist als E ⁴ .

Bevorzugt sind Verbindungen der Formel (I), in der die Symbole und Indices die folgende Bedeutung haben:

E ¹ ,E ² ,E ³ ,E ⁴ sind entweder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus COOH,

COOR, CHO, COR, CN und P(O)(OR) ₂ , wobei R einen geradkettigen oder verzweigten, ein- oder mehrfach gleich oder verschieden substituierten aliphatischen Rest C, bis C ₂₀ darstellt, in dem eine oder mehrere CH ₂ -Gruppen durch -C≡C-, -CH = CH-, -COO-, -O(C = O)-, -SiR ³ ₂ -, -CO-, Phenylendiyl und/oder bis zu jede dritte CH ₂ -Einheit durch O oder NR ¹ ersetzt sein können, wobei R ¹ gleich Phenyl, C ₁ -C ₂₀ -Alkyl oder Benzyl ist, oder R einen Benzylrest oder Phenylrest bedeutet, der durch 1 bis 3 Substituenten R, OH, OR,

COOR, OCOR, SO ₃ H, SO ₂ CI, F, Cl, Br, NO ₂ und CN substituiert sein kann;

oder E ¹ kann mit E ² und E ³ mit E ⁴

sein;

oder E ¹ und E ³ sind Arylreste, vorzugsweise C ₆ -C ₁₄ -Arylreste, die durch 1 bis 3 Substituenten R, OH, OR, NHCOR, COOH, COOR, CONH ₂ , CONHR, CONRR ¹ , O(C = O)R, SO ₃ H, SO ₂ CI, F, Cl, Br, NO ₂ und/oder CN substituiert sein können, wobei R und R ¹ die oben genannte Bedeutung haben,

und E ² und E ⁴ sind COX-Reste, wobei X gleich OH, Cl, OR ⁴ ,

NH ₂ , NHR oder NRR ¹ ist, wobei R ⁴ entweder wie R definiert ist oder aus folgenden Strukturen ausgewählt ist:

oder E ¹ und E ³ sind COR und E ² und E ⁴ sind R oder H, F, Cl, Br;

wobei entweder E ¹ anders ist als E ³ und/oder E ² anders ist als E ⁴ .

Besonders bevorzugt sind Verbindungen der Formel (I), in der die Symbole und Indices die folgende Bedeutung haben:

E ¹ /E ² und E ³ /E ⁴ sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den Paaren

CO ₂ R/CO ₂ R ¹ , CO ₂ R/COR ¹ , CO ₂ R/CN, COAr/R ¹ , F, Cl oder H, COR/COR ¹ , P(O)(OR) ₂ /P(O)(OR ¹ ) ₂ , COOH/COOH, Ar/COX, wobei R, R ¹ einen . geradkettigen oder verzweigten, ein- oder mehrfach gleich oder verschieden substituierten aliphatischen Rest C ₁ bis C ₂₀ darstellt, in dem eine oder mehrere CH ₂ -Gruppen durch -C≡C-, -CH = CH-, -COO-, -O(C = O)-, -SiR ² ₂ -, -CO-, Phenylendiyl und/oder bis zu jede dritte CH ₂ - Einheit durch O oder NR ² ersetzt sein können, wobei R ² gleich Phenyl, C.,-C ₂₀ -Alkyl oder Benzyl ist, oder R, R ¹ einen Benzylrest oder Phenylrest bedeutet, der durch 1 bis 3 Substituenten Me, OH, OMe, COOR, OCOR, SO ₃ H, SO ₂ CI, F, Cl, Br, NO ₂ und CN substituiert sein kann, und Ar ein C ₆ -C ₁₄ -Arylrest, vorzugsweise ein Phenyl- oder Benzylrest ist, der wie oben beschrieben substituiert sein kann oder durch einen geradkettigen oder verzweigten, gegebenenfalls ein- oder zweifach gleich oder verschieden durch COOR ³ , CONHR ³ , CONR ³ ₂ , CONH ₂ , CON R ⁴ , COOH, OH oder OCOR ³ , COOAr, substituierten aliphatischen Rest (C _r C ₂₀ ), vorzugsweise C-.-C-. _Q , substituiert sein kann mit R ³ gleich C _r C ₆ -Alkyl, Hydroxy-(C _r C ₆ )-Alkyl, Carboxy (C _r C ₆ )-Alkyl oder (C _r C3)-Alkylcarboxyl(C _r C ₆ )-Alkyl; und mit R ⁴ gleich C^ -C^-Alkylen, in dem bis zu jede 3. CH ₂ -Einheit durch O ersetzt sein kann, das gemeinsam mit dem Amidstickstoff einen C _{l 2} -C ₁₈ -Ring bildet

und

X ist gleich OH, OR, NHR ¹ oder NR ¹ R ² , wobei R, R ¹ und R ² die oben genannte Bedeutung haben oder R aus den folgenden Strukturen ausgewählt ist:

0

^{C Q}

wobei E ¹ /E ² anders ist als E ³ /E ⁴ .

Ganz besonders bevorzugt sind Verbindungen der Formel (I), in denen die Symbole und Indices die folgende Bedeutung haben:

E :17/cE2 und E :3 / _/c E4 sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den Paaren CO ₂ Alkyl ¹ /CO ₂ Alkyl ¹ , COOH/COOH, CO ₂ Alkyl ¹ /COAIkyl ² , COAr/Ar, COAr/H, Ar/COX wobei Alkyl ¹ , Alkyl ² einen geradkettigen oder verzweigten, gegebenenfalls ein - oder mehrfach gleich oder verschieden substituierten aliphatischen Rest (C ₁ bis C ₁₀ ) darstellen, in dem eine oder mehrere CH ₂ - Gruppen durch -C≡C-, -CH = CH-, -COO-, -O(C = O)-, -SiR ² ₂ -, -CO-, Phenylendiyl und/oder bis zu jede dritte CH ₂ -Einheit durch O oder NR ² ersetzt sein können, wobei R ² gleich Phenyl, (C ₁ -C ₄ )-Alkyl oder Benzyl ist, oder ein Benzylrest oder Phenylrest bedeutet, die gegebenenfalls

durch 1 bis 2 Substituenten Me, OH, OMe, COOR, OCOR, SO ₃ H, SO ₂ CI, F, Cl, Br, NO ₂ und CN substituiert sein können, und Ar eine Phenylgruppe bedeutet, die durch einen geradkettigen oder verzweigten, gegebenenfalls ein- oder zweifach gleich oder verschieden durch COOR ³ , CONHR ³ , CONR ³ ₂ , CON R ⁴ , COOH, OH oder OCOR ³ , COOAr, substituierten aliphatischen Rest (C _r C ₆ ) substituiert sein kann, worin R ³ und R ⁴ die obengenannte Bedeutung haben und

X ist gleich OH, OR, NHR ¹ oder NR ¹ R ² , wobei R, R ¹ und R ² ebenfalls die oben genannte Bedeutung von Alkyl ¹ haben, oder R aus den folgenden Strukturen ausgewählt ist:

wobei EVE ² anders ist als E ³ /E ⁴ .

Die Darstellung der Verbindungen der Formel (I) erfolgt durch Umsetzung eines cyclopropanierten C ₇₀ -Monoadduktes, das nach bekannten Methoden zugänglich ist (siehe z. B. WO 94/25424 und P 44 33 245.9), durch eine zweite Cyclopropanierung, die nach dem gleichen Verfahren wie bei der Monoadduktherstellung durchgeführt wird .

Als Cyclopropanierungsreagenzien können einerseits käufliche, substituierte α- Halo-CH-acide Verbindungen eingesetzt werden oder man erhält die verwendeten Verbindungen nach dem Chemiker bekannten Verfahren, wie der Halogenierung von CH-aciden Verbindungen oder beispielsweise der Friedel- Crafts-Acylierung von substituierten Aromaten mit Halogenacetylhalogeniden oder der Umsetzung eines Saurehalogenids mit einem Hydroxylamid oder einem Hydroxyaromaten zu einem aktivierten Ester.

Die erhältlichen Verbindungen der Formel (I) lassen sich aber auch durch Folgereaktionen wohldefiniert herstellen, indem zum Beispiel ein Ester der Formel (I) zur entsprechenden Säure der Formel (I) verseift wird oder ein aktvierter Ester der Formel (I) mit einem Amin zu einem entsprechenden Amid der Formel (I) umgesetzt wird.

Die erfindungsgemäßen Fullerenderivate der Formel (I) dienen u. a. als Ausgangsprodukte für die Herstellung neuer, fuUerenhaltiger Derivate und können zur Herstellung von optoelektronischen Bauteilen verwendet werden.

Die Erfindung wird durch die Beispiele näher erläutert .

Alle Reaktionen wurden in einer Argonatmosphäre durchgeführt; die weitere Aufarbeitung erfolgte nicht unter Schutzgas.

Beispiel 1

Zu einer Lösung von 240 mg (0.23 mmol) Bis(tert.-butoxycarbonyl)- methanofulleren-C ₇₀ in 85 ml Toluol wurden 54 mg (0.23 mmol) Brommalonsäurediethylester und 35 mg (0.23 mmol) DBU zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde für 21 h bei Raumtemperatur gerührt und filtriert. Die Lösung wurde auf ein Volumen von 6 ml eingeengt und chromatographiert (170 g SiO ₂ , 0.063-0.1 mm). Laut HPLC entstanden hauptsächlich drei isomere Bisaddukte im Verhältnis 13 : 68 : 19. Die Elution mit i-Hexan/Toluol (Gradient von 1 /1 to 1 /6) und Toluol ergab Spuren des Ausgangsproduktes (1 3 mg, 5%) und das entsprechende Diaddukt als Isomerengemisch (227 mg, 82%). Die mit dem zweiten und dem dritten Isomer angereicherten Produktfraktionen wurden jeweils durch eine weitere Säulenchromatographie gereinigt (80 g SiO ₂ , 0.063- 0.1 mm; mit i-Hexan/Toluol Gradient). Das zweite und dritte Isomer wurden folgendermaßen charakterisiert.

Isomer II (Hauptprodukt)

R _f (SiO ₂ , Toluol) = 0.29

FAB-MS: 1212 (M\ 50%), 1111 (10%), 1012 (15%), 840 (100%)

IR (auf KBr): n[cm ^"1 ] = 2977 (m), 1746 (s), 1444 (m); 1426 (m), 1369 (m),

1246 (s), 1157 (s), 1096 (m), 845 (w), 671 (w)

^Λ H NMR (360 MHz, CDCI ₃ ): d = 4.50 (m, 4 H), 1.67 (s, 9 H), 1.65 (s, 9 H),

1.47, 1.45 (6 H)

¹³ C NMR (90 MHz, CDCI ₃ ): d = 163.55, 163.44, 162.39, 162.28, 155.78,

155.60, 155.23, 155.05, 153.03, 153.01, 152.31, 152.28, 151.73, 151.71,

151.37, 151.32, 150.59, 150.56, 149.98, 149.90, 148.98, 148.89, 147.60 (2C), 146.50, 146.47, 146.43, 146.40, 146.39, 146.37, 145.54, 145.12, 144.98, 144.96, 144.54, 144.51, 144.47, 144.41, 143.55, 143.52, 143.33, 143.15, 142.93, 142.61, 142.45, 142.29, 142.21, 142.15, 141.49, 141.44,

141.38, 141.35, 140.64, 140.55, 140.54, 140.47, 138.16 (2 C), 137.91, 137.89, 135.92, 135.91, 133.01, 132.99, 132.95, 132.86, 131.40, 131.36, 131.15, 131.12, 84.74, 84.71, 67.57, 67.25, 66.94, 66.79, 63.38, 63.36, 40.16, 38.11, 28.14 (3 C), 28.12 (3 C), 14.24, 14.23

^C 88 ^H 28°8 H213.18): ber. C 87.1, H 2.3, gef. C 88.8, H 3.0.

Isomer

R _f (SiO ₂ , Toluol) = 0.23

¹ H NMR (360 MHz, CDCI ₃ ): d = 4.50 (m, 4 H), 1.67 (s, 18 H), 1.47 (t, J =

7.0 Hz, 6 H)

¹³ C NMR (90 MHz, CDCI ₃ ): d = 163.51, 162.36, 154.56, 154.38, 152.60,

152.54, 151.43, 151.40, 149.88, 149.80, 149.43, 149.40, 148.76, 148.63,

147.53, 147.51, 142.73 (4 C), 142.63, 142.47, 142.27, 142.20, 142.15,

142.09, 141.91, 141.88, 141.48 (4 C), 137.64, 137.39, 136.80, 135.25,

131.64, 131.18, 130.59, 84.69, 66.35 (1 C), 66.27 (2 C), 66.03 (1 C), 63.32,

38.63, 36.61, 28.07, 14.18.

Beispiel 2

Analog zu Beispiel 1 wurden 50 mg (43 μmol) 4-[4-(Carbonyl-methanofulleren- C ₇₀ ) phenyl]-buttersäure-(4-nitrophenyl)-ester mit 10 mg (43 μmol) Brommalonsäure- diethylester und 6.5 mg (43 μmol) DBU bei Raumtemperatur umgesetzt. Nach 12 h Reaktionszeit wurde das Reaktionsgemisch filtriert und chromatographiert (50 g SiO ₂ , 0.063-0.1 mm) und mit Toluol und Toluol / Essigsäurediethylester 40:1 eluiert. Neben wenig Ausgangsprodukt wurden 39 mg (68%)

erhalten.

R _f (SiO ₂ , Toluol/Essigsäureethylester 40: 1 ) = 0.37

FAB-MS: 1323 (M ^" , 100%), 840 (60%).

Beispiel 3

Analog zu Beispiel 1 wurden 100 mg (86 μmol) 4-[4-(Carbonyl-methanofulleren-

C ₇₀ ) phenyl]-buttersäure-(4-nitrophenyl)-ester mit 25 mg (86 μmol)

Brommalonsäure- di-tert. -butylester und 13 mg (86 μmol) DBU in 75 ml Toluol bei Raumtemperatur umgesetzt. Nach 2 d Reaktionszeit wurde das

Reaktionsgemisch mit 5 Tropfen 1 molarerNaHSO ₄ -Lösung versetzt, anschließend wurde mit Magnesiumsulfat getrocknet, das Reaktionsgemisch filtriert und auf ein Volumen von 10 ml eingeengt.

Nach der Chromatographie an Kieselgel (75 g, 0.063-0.2 mm; 800 ml Toluol,

100 ml Toluol/Essigsäureethylester 20: 1 und 255 ml Toluol/Essigsäureethylester

25: 1 wurden 67 mg (57%)

erhalten.

R _f (SiO ₂ , Toluol) = 0.1 1 -0.17

FAB-MS: 1379 (M\ 50%), 840 (100%).

Beispiel 4

Analog zu Beispiel 1 wurden 500 mg (434 μmol) 3-[4-(Carbonyl- methanofulleren-C ₇₀ ) phenyl]-propionsäure-(4-nitrophenyl)-ester mit 128 mg (434 μmol) Brommalonsäure- di-tert. -butylester und 66 mg (434 μmol) DBU in 400 ml Toluol bei Raumtemperatur umgesetzt. Nach 5 d Reaktionszeit wurde das Reaktionsgemisch filtriert und auf ein Volumen von 50 ml eingeengt. Nach der Chromatographie an Kieselgel (200 g, 0.063-0.2 mm; Toluol/i-Hexan und Toluol) wurden 258 mg (43%)

O

erhalten.

R _f (SiO ₂ , Toluol) = 0.07

FAB-MS: 1365 (M\ 100%), 840 (50%)

Beispiel 5

100 mg (73 μmol) des in Beispiel 4 erhalten Produktes wurden mit 37 mg ( 73 μmol)

in 50 ml Toluol 6 h bei 100°C gerührt. Das Reaktionsgemisch wurde filtriert, auf ein Volumen von 20 ml eingeengt und chromatographiert. In einer ersten Chromatographie ( 50 g Kieselgel 0.063 - 0.2 mm; 700 ml Toluol, 400 ml Methylenchlorid, 400 ml Methylenchlorid/Methanol 40: 1 , 200 ml Methylenchlorid/Methanol 20: 1 ) wurden 51 mg (51 %) des C ₇₀ - Ausgangsproduktes zurückgewonnen. Die Produkt enthaltenden Fraktionen wurden vom Elutionsmittel befreit, in 4 ml Methylenchlorid aufgenommen und nochmals chromatographiert ( 50 g Kieselgel 0.063 - 0.2 mm; 700 ml Methylenchlorid / Methanol 200:3, 100 ml Methylenchlorid/Methanol 200:7 und 100 ml Methylenchlorid/Methanol 20: 1 ). Es wurden 42 mg (33% bzw. 67% bezogen auf umgesetzten aktivierten Ester)

erhalten.

R _f (SiO ₂ , Methylenchlorid/Methanol 20: 1 ) = 0.2

FAB-MS: 1733 (M ^" , 100%), 840 (80%).

Beispiel 6

1 5 mg (8 μmol) des in Beispiel 5 gewonnenen Derivates wurden in 4 ml Methylenchlorid gelöst, und 4 ml Trifluoressigsäure wurden zugegeben. Nach 30 Minuten wurde das Lösungsmittel und die Säure im Vakuum entfernt, und der Rückstand wurde mit Diethylether gewaschen. Es wurden 13 mg ( 99% )

erhalten.

MS(Elektospray): 1565 (M-H\ 60%), 1521(M-H-CO ₂ -, 100%).