Azafullerene, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung

Fullerene sind käfigförmige Kohlenstoffallotrope der allgemeinen Formel (C ₂ o ₊ 2r ' wobei 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, 162) 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 zu isolieren.

Cyclopropanderivate wurden beispielsweise durch die Umsetzung von Fullerenen in 1 ,3-dipolaren Cycloadditionen mit Diazomethanderivaten unter Stickstoffeliminierung (siehe z.B. F. Wudl et al., Acc. Chem. Res. 1992, 25, 157 und F. Diederich et al., Helv. Chem. Acta 1993, 76, 1231 ), in [2 + 1 ] Carbenadditionen mit nucleophilen Glycosylidencarbenen (siehe z.B. A. Vasella et al., Angew. Chem. 1992, 104, 1388) und durch Umsetzung mit stabilisierten

σ-Halocarbanionen (z.B. C. Bingel, Chem. Ber. 1993, 126, 1957) erhalten.

Erste Beispiele für die den Cγclopropanderivaten entsprechenden Stickstoffheterocγclen wurden beschrieben. So erhält man bei der thermisch aktivierten Umsetzung von C ₆₀ mit Benzyl- und Alkoxymethylen-aziden 5-6-Ring Azafulleroide (M. Prato, Q. Chan Li, F. Wudl, J. Am. Chem. Soc. 1993, 1 5,1 148). 6-6-Ring Fullerenaziridine mit Carbamatstruktur werden durch die thermisch aktivierte Umsetzung von C ₆₀ mit Azidoameisensäureestern dargestellt (T. Ishida, K. Tanaka, T. Nogami, Chem. Lett. 1994, 561 ; N.R. Banks et al., J. Chem. Soc, Chem. Commun. 1994, 1365).

Während Ishida et al. das von ihnen hergestellte 6-6-Ring Fullerenaziridin-Derivat mit Carbamatstruktur nach 8 Stunden in siedendem ortho-Dichlorbenzol ohne Veränderungen zurückerhalten, beschreiben Banks et al., daß das von ihnen untersuchte 6-6-Ring Fullerenaziridin mit Carbamatstruktur durch Refluxieren in Tetrachlorethan zu einem Fulleren-4,5-oxazol isomerisiert.

Die Bildung von Aziridinen aus Olefinen mit verschiedenen Reagenzien, wie die direkte Nitrenaddition an Olefine oder die 1 ,3-dipolare Cycloaddition von Aziden an Olefine, gefolgt von der Zersetzung des intermediär gebildeten Triazols, ist bekannt (J. E.G. Kemp, Comprehensive Organic Synthesis, Vol. 7, Hrsg.: B.M. Trost, J. Fleming, Pergamon Press, Oxford, 1991 , 469).

Bekannt ist auch die mit Säure durchgeführte Spaltung der N-tert.- Butyloxycarbonyl-Gruppe (siehe z.B. T.W. Greene in Protective Groups in Organic Synthesis, 1981 , Wiley & Son S. 232).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, neue Fullerenderivate mit interessanten Eigenschaften für den Einsatz in der Optoelektronik und der Wirkstofforschung sowie einfache Verfahren zu deren Herstellung zu finden.

Es wurde nun überraschend gefunden, daß sich Azafullerene unter milden

Bedingungen durch Spaltung eines eine N-tertiär-Butyloxycarbonyl-Gruppe tragenden Fullerenderivates erhalten lassen.

Desweiteren wurde überraschend gefunden, daß diese Azafullerene sich in die entsprechenden Kohlenstoff-ärmeren Stickstoffheterofullerene umwandeln lassen. Weiterhin konnte gezeigt werden (s. Beispiel 4), daß sich die Azafullerene zu neuen Fullerenderivaten umsetzen lassen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Fullerenderivat mit Aziridinstruktur der Formel I

worin die Symbole und Indices folgende Bedeutung haben:

F: ein Fullerenrest der Formel C ₂ o-ι- ₂ m ^m ' ^t m = 2 bis 100 und/oder ein Fullerenaddukt davon; und n: eine natürliche Zahl von 1 bis 10 -ι- m.

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

F: ein Fullerenrest der Formel C ₂ o ₊ 2m ^{mit m =} 20, 25, 28 und/oder 29 und/oder ein Fullerenaddukt davon; und n: eine natürliche Zahl von 1 bis 10 + m

Der Stickstoff ist dabei über eine vormalige 5-Ring-5-Ring Doppelbindung an den Fulleren-Grundkörper angebunden.

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

F: ein Fullerenrest CQ und/oder C ₇₀ und/oder ein Fullerenaddukt davon; und n: eine natürliche Zahl von 1 bis 6.

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

^F: C ₆₀ n: 1 oder 2.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Fullerenderivaten der Formel I, bei dem man ein Fullerenderivat der Formel II, an neutralem Aluminiumoxid in einem unpolaren Lösungsmittel zu I umsetzt:

I I

n

Als unpolares Lösungsmittel können eine Vielzahl von Lösungsmitteln eingesetzt werden, bevorzugt werden jedoch aromatische Lösungsmittel, wie z.B. Toluol, Benzol und/oder Chlorbenzol verwendet. Besonders bevorzugt ist Toluol.

Aluminiumoxid wird bevorzugt in der neutralen Form eingesetzt. Neben dem pH- Charakter kann auch die Aktivität des Aluminiumoxides eine Rolle spielen. Prinzipiell können aber alle im Handel erhältlichen Aluminiumoxide verwendet werden.

Die oben genannte Umsetzung kann in einem Temperaturbereich von -78 bis 1 10°C erfolgen. Bevorzugt ist jedoch eine Umsetzungstemperatur im Bereich von 0 bis 50°C, besonders bevorzugt Raumtemperatur.

Die Umsetzung kann dabei in allen dem Fachmann bekannten und für diese Umsetzung geeigneten Vorrichtungen durchgeführt werden. Besonders bevorzugt findet die Umsetzung auf einer Säule geeigneter Größe statt.

Die Verbindungen der Formel II sind beispielsweise zugänglich durch die Umsetzung von Fulleren oder Fullerenaddukten mit tert.-Butyloxycarbonylazid unter thermischen Bedingungen (T. Ishida et al., Chem. Lett. 1994, 561 ; N.R. Banks et al., J. Chem. Soc, Chem. Commun. 1994, 1365).

Als Fullerene werden bevorzugt reines C ₆₀ und/oder C ₇₀ eingesetzt aber auch Rohfullerene, die als Hauptkomponenten ein Gemisch aus C ₆₀ und C ₇₀ enthalten. Es können aber auch alle anderen bekannten Fullerene bzw. Fullerenaddukte eingesetzt werden.

Die Fullerene können durch Herstellung von Fullerenruß im Lichtbogenverfahren mit anschließender Extraktion mit einem unpolaren, organischen Lösungsmittel, wie z.B. in der WO 92/04279 beschrieben, als Rohfulleren gewonnen werden. Die weitere Feinauftrennung kann säulenchromatographisch erfolgen.

Die eingesetzten Fullerene sind zum Teil auch Handelsprodukte.

Fullerenaddukte lassen sich durch Addition verschiedener Reagenzien an die Doppelbindungen der Fullerene erhalten (siehe z.B. R. Taylor, D.R.M. Walton, Nature 363 (1993) 685 und A. Hirsch, Angew. Chem. 105 (1993) 1 1 ).

Die erfindungsgemäßen Verbindungen der Formel I sind beispielsweise in der Optoelektronik und in der Wirkstofforschung oder als Bausteine für die Synthese neuer Fullerenderivate einsetzbar.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Stickstoffheterofullerenderivate der Formel III

worin die Symbole und Indices folgende Bedeutung haben:

FN: ein Fullerenrest der Formel C _{20 + 2rτ x} N _x ^mit rn = 2 bis 100 und/oder ein

Fullerenaddukt davon; x: eine natürliche Zahl von 1 bis 10 + m. X: eine ganze Zahl von 0 bis 10 + m, vorausgesetzt, daß x + X < 10 + m ist.

Der X-Stickstoff ist dabei über eine vormalige 5-Ring-5-Ring-Doppelbindung an den FN-Grundkörper angebunden.

Bevorzugt sind Verbindungen der Formel III, in der die Symbole und Indices die folgende Bedeutung haben:

FN: ein Fullerenrest der Formel C _{20 + 2m} . _x N _x mit m = 20, 25, 28 und/oder 29 und/oder ein Fullerenaddukt davon; x: eine natürliche Zahl von 1 bis 10 + m und X: eine ganze Zahl von 0 bis 10 + m, vorausgesetzt, daß x + X ≤ 10 + m ist.

Besonders bevorzugt sind Verbindungen der Formel III, in der die Symbole und

Indices die folgende Bedeutung haben:

FN: ein Fullerenrest C ₆₀ . _X N _X oder C ₇₀ . _χ N _x und/oder ein Fullerenaddukt davon; x: eine natürliche Zahl von 1 bis 10 + m;

X: eine ganze Zahl von 0 bis 10 + m, vorausgesetzt, daß x + X 10 + m ist.

Ganz besonders bevorzugt sind Verbindungen der Formel III, in denen die

Symbole und Indices folgende Bedeutung haben:

™: C ₆₀ . _χ N _χ , x: 1 oder 2,

X: 0 oder 1 oder 2.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von

Stickstoffheterofullerenderivaten der Formel III, bei dem man ein Fullerenderivat der Formel I in einer Ammoniak-Atmosphäre beispielsweise an einem

Rheniumheizdraht bei einer Temperatur im Bereich von 600 bis 800°C zu III umsetzt.

Die Erfindung wird durch Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Herstellung eines Fulierenderivates der Formel II

291 mg (0.4 mmol) C _QQ werden in 1 10 ml 1 , 1 ,2,2-Tetrachlorethan gelöst und zum Sieden unter Argon als Schutzgas erhitzt. Dann wird eine Lösung von 0.860 mg (6 mmol) t-Butyloxycarbonylazid in 10 ml 1 ,1 ,2,2-Tetrachlorethan innerhalb von 5 min zugetropft und noch 30 Minuten erhitzt. Das Lösungsmittel wird anschließend bei 90°C und 7 mbar abdestilliert. Der Rückstand wird in ca. 100 ml Toluol gelöst und die Fullerene mit 300 ml Acetonitril ausgefällt. Der ausgefallene Niederschlag wird abfiltriert und in Toluol gelöst. Die säulenchromatographische Trennung gelingt mit 350 g Kieselgel 60 (Merck) und einem 1 :1 Gemisch aus frisch destilliertem Toluol und n-Hexan. Zunächst erhält man eine lila Fraktion von C ₆₀ (138.8 mg) und dann eine weinrote Fullerenadduktfraktion. Nach Entfernen des Lösungsmittels im Vakuum erhält man 73.1 mg (22 %, 41.5 % bezogen auf umgesetztes C ₆₀ ) schwarzbraunes Monoaddukt:

Beispiel 2

Herstellung eines Fulierenderivates der Formel I

67 mg (0.08 mmol) des isolierten Monoaddukts (aus Beispiel 1 ) werden in 30 ml Toluol gelöst und auf eine Säule gefüllt mit 80 g AI ₂ O ₃ N (ICN Alumina N, Akt. I), eingeschlämmt mit Toluol p.a., gegeben. Beim Eluieren mit Toluol beobachtet man eine Adsorption des Fullerenadduktes im oberen Bereich (1 .5 cm) der Säule. Eluiert man anschließend mit CHCI ₃ p.a. so erhält man eine weinrote Fraktion, von 57 mg (96 %) eines neuen Produktes, das weniger polar als die

Ausgangsverbindungen ist (längere Retentionszeit bei analytischer HPLC: RP 18, Toluol/CH ₃ CN 1 :1 ) und bei dem es sich um

handelt.

LDTOF MS (ohne Matrix): m/e 736.5 ±0.1 % (M + H ⁺ ), 720.

FD MS: m/e 735 C ₆₀ NH ⁺ , 720.

¹³ C-NMR (90.5 MHz, CS ₂ /(D ₆ )Aceton 10: 1 ) δ = 148.84, 145.58 (br), 145.33,

145.05, 145.00, 144.95, 144.37, 143.65, 143.56, 143.33, 143.10, 142.68,

141.33, 140.01 , 80.85 ppm.

¹ H-NMR (360 MHz, CS ₂ /(D ₆ )Aceton 10: 1 ): δ = 6.01 ppm.

FT-IR (KBr): 3265 w, 1427 m, 1 186 m, 1 177 w, 1041 w, 795 vw, 781 vw,

763 vw, 756 vw, 738 vw, 712, 705 w, 574 w, 565 m, 526 s cm ^'1 .

(s: strong, m: medium, w: weak, vw: very weak)

Beispiel 3

Herstellung eines Stickstoffheterofullerenderivates der Formel III

Das isolierte Produkt aus Beispiel 2 (C ₆₀ NH) wird als toluolische Lösung auf dem Rheniumdraht eines DCI-Einlaßsystems zunächst vom Lösungsmittel befreit und dann in ein Massenspektrometer (Finnigen-MAT 8230) eingebracht. Der Rheniumdraht wird dann innerhalb von 60 Sekunden auf etwa 700°C erhitzt. Dabei werden massenspektroskopisch in Gegenwart von Ammoniak die folgenden Kationen und Radikalkationen beobachtet: ^C 60 ⁺ - IC ₆₀ H] ⁺ , C ₅₉ NH ^{+ #} und C ₅₉ NH ₂ ⁺ und zwar im Verhältnis 9/4/6/4. Die beiden C ₅₉ -Kationen entsprechen folgender Verbindung:

Beispiel 4

Synthese von ( + )-(1 S)-Menthyloxycarbonylaziridino[60]fulleren durch nucleophile Substitution von C ₆₀ NH mit ( + )-Chlorameisensäure-(1 S)- menthylester

30 mg (0.04 mmol) C ₆₀ NH und ein Überschuß von 264 mg (1 ,21 mmol) ( + )-Chlorameisensäure-(1 S)-menthylester wurden in einer Lösung aus 20 ml 1 , 1 ,2,2-Tetrachlorethan und 4 ml Pyridin gelöst und über Nacht bei Raumtemperatur gerührt. Die Reaktionskontrolle per analyt. HPLC (LiChrosorb RP 187 μm, 25x4 mm, Toluol/Acetonitril 1 : 1 , UV-Detektion bei 300 nm) zeigte einen vollständigen Umsatz zu einer neuen Verbindung mit größerer Retentionszeit. Die Lösung wurde zur Trockne eingeengt (bei RT, 0,04 bar) und in Toluol aufgenommen. Die Fullerene wurden mit Acetonitril ausgefällt und abfiltriert. DerRückstand wurde in Toluol gelöst (weinrote Lösung) und über 50 g Kieselgel (0,06-0,2 μm) mit einem 1 : 1 Gemisch aus Toluol und n-Hexan chromatographiert. Nach Entfernen des Lösungsmittels im Vakuum erhielt man 30 mg leicht verunreinigtes Rohprodukt. Zur weiteren Reinigung wurden die Fullerene nochmals ausgefällt (mit Ethanol aus toluolischer Lösung), der Niederschlag abfiltriert und über 150 g Kieselgel mit Toluol/n-hexan 1 :1 chromatographiert. Nach Entfernen des Lösungsmittels erhielt man 15, 1 mg (40 %) braunes Monoaddukt: ( + )-(1 S)-Menthyloxycarbonylaziridino[60]fulleren.

Pos. FAB-MS mit Nitrobenzylalkohol: m/z: 918, 917 (M ⁺ ), 780, 736, 720. ¹³ C-NMR (75 MHz, (D ₂ )-1 , 1 ,2,2-Tetrachlorethan) δ = 155.93 (C = O), 145.01 ,

145.00, 144.91, 144.90, 144.64, 144.58, 144.31, 144.29, 144.18, 143.78, 143.56, 143.55, 143.53, 143.51, 142.94, 142.91, 142.54, 141.97, 141.88, 140.94, 140.80, 139.74, 80.84, 79.40, 46.86, 40.72, 34.00, 31.45, 25.98, 23.13, 21.97, 20.71, 16.03 ppm.

¹ H-NMR (300 MHz, D ₂ )-1.1.2.2-Tetrachlorethan) δ = 4.88 (dt,1H), 2.26 (m,1H), 2.14 (m,1H), 1.74 (m,2H), 1.65-1.45 (m,2H), 1.30-1.15 (m,2H), 1.09 (m,1H), 0.98 (d,3H), 0.93 (d,3H), 0.85 (d,3H) ppm. FT-IR (KBr): 2917m, 1738s, 1516s, 1428m, 1263m, 1232s, 526s cm ¹ . UV-Vis in Dichlormethan >» _max (ε): 255 (92000), 322 (27000), 410 (3600), 421 (2500) nm