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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-34012
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2007/3401/


Identifizierung und asymmetrische Synthese von Spiroacetalen aus Wespen

Identification and asymmetrical synthesis of spiroacetals from wasps

Fritzsche, Matthias

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SWD-Schlagwörter: Wespen , Spiroketale , Identifikation , Asymmetrische Synthese
Freie Schlagwörter (Englisch): Spiroketals , asymmetrical synthesis , wasps
Basisklassifikation: 35.51 , 35.33 , 35.52
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Francke, Wittko (Prof. Dr. Dr. h.c. mult.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.03.2007
Erstellungsjahr: 2006
Publikationsdatum: 13.08.2007
Kurzfassung auf Deutsch: Spiroacetale sind als Substrukturen in einer breiten Vielfalt an Naturstoffen präsent. Dabei sind sie sowohl als Teilstrukturen größerer Moleküle als auch als kleinere Moleküle selbst, ohne größere Substitutionsmuster, anzutreffen. Im letzteren Fall spielen sie als flüchtige Botenstoffe bei der Kommunikation von Insekten eine bedeutende Rolle.
Die vorliegende Arbeit befasst sich einerseits mit der Identifizierung, Synthese und Aufklärung der absoluten Konfiguration von Spiroacetalen aus Wespen, desweiteren wurden fünf neue, als Naturstoff postulierte Spiroacetale synthetisiert. Durch Hetero-Diels-Alder-Reaktion wurden aus 1,3-Oxabutadienen mit exozyklischen Enolethern ungesättigte Enolether-Spiroacetale synthetisiert, die in Modellreaktionen weiter funktionalisiert wurden. Außerdem wurde die Möglichkeit untersucht, die HDA-Reaktion unter Verwendung eines chiralen Lewis-Säure-Katalysators asymmetrisch durchzuführen. Abschließend wurde das Racemisierungsverhalten von optisch angereichertem 1,6-Dioxaspiro[5.5]undecan untersucht.

In den Wespen der Gattungen Vespula, Dolichovespula und Goniozus, die in der vorliegenden Arbeit durch die Arten V. germanica, V. vulgaris, D. media, D.saxonica, G. nephantidis und G. legneri vertreten wurden, sind die folgenden Spiroacetale identifiziert und asymmetrisch synthetisiert worden:
2-Methyl-1,7-dioxaspiro[5.5]undecan, 2,8-Dimethyl-1,7-dioxaspiro[5.5]undecan, 2-Ethyl-1,7-dioxaspiro[5.5]undecan, 1,7-Dioxaspiro[5.5]undecan, 7-Ethyl-2-methyl-1,6-dioxaspiro[4.5]decan, 2-Methyl-1,6-dioxaspiro[4.5]decan, 7-Methyl-1,6-dioxaspiro[4.5]decan und 2-Ethyl-7-methyl-1,6-dioxaspiro[4.5]decan.

Die Strukturen der synthetisierten Verbindungen wurden durch NMR-Experimente abgesichert und hinsichtlich ihrer Geometrien umfassend untersucht.
Die Bestimmung der absoluten Konfigurationen der Spiroacetale in den Wespen erfolgte durch die Kopplung von Gaschromatographie an chiraler stationärer Phase und Massenspektrometrie und anschließendem Vergleich mit den Synthesesubstanzen.
Die nach Auswertung der gaschromatographisch-massenspektrometrischen Untersuchungen der Inhaltstoffe des Giftdrüsenreservoirs der Wespen Ropalidia flavopicta und Ropalidia sumatrae vorgeschlagenen fünf neuen Strukturen konnten erfolgreich synthetisiert werden: 2,8-Dimethyl-1,7-dioxaspiro[5.6]dodecan 61, 2-Ethyl-8-methyl-1,7-dioxaspiro[5.6]dodecan 62, 8-Methyl-2-propyl-1,7-dioxaspiro[5.6]dodecan 63, 2-Butyl-8-methyl-1,7-dioxaspiro[5.6]-dodecan 64 und 2,9-Dimethyl-1,8-dioxaspiro[6.6]tridecan 65 sind neue Naturstoffe. Dabei handelt es sich um eher ungewöhnliche Systeme bestehend aus einem Sechs- und Siebenring bzw. zwei Siebenringen.

Durch Hetero-Diels-Alder-Reaktion von Acrolein 83 und 2-Methylentetrahydropyran 82 konnte 1,6-Dioxaspiro[5.5]undec-2-en 84 synthetisiert werden. Ausgehend von diesem Enolether wurde durch Addition an die entstandene Doppelbindung unter Markovnikov- und anti-Markovnikov-Bedingungen eine Reihe von Modellreaktionen durchgeführt. Es wurden die folgenden Derivate synthetisiert: 2-Methoxy-1,6-dioxaspiro[5.5]undecan 89, 3-Hydroxy-1,6-dioxaspiro[5.5]undecan 90 und 3-Methoxy-1,6-dioxaspiro[5.5]undecan 91 mit verschiedenen relativen Konfigurationen und 3-Nitrito-1,6-dioxaspiro[5.5]undecan 92. Die jeweiligen Molekülgeometrien wurden anhand von NMR-Experimenten eingehend untersucht.

Der gleiche Reaktionstyp wurde verwendet, um in einer chiral katalysierten Reaktion optisch aktives 1,6-Dioxaspiro[5.5]undec-2-en 84 herzustellen. Als Katalysator diente 3-Adamantyl-5-methylsalicylaldehyd-1-aminoindan-2-ol-imin-Cr(III)Cl-Komplex 93, der in beiden chiralen Formen synthetisiert wurde. Die Reaktion lieferte das gewünschte Produkt mit einem Gehalt von bis zu etwa 40 %ee. Höhere Werte konnten auch durch Variation der Versuchsbedingungen nicht erzielt werden. Die Verwendung von Acrolein als Substrat ist problematisch. Die Wahl von Methylvinylketon als Oxabutadien-Komponente konnte dies bestätigen. Der Enantiomerenüberschuss des 1,6-Dioxaspiro[5.5]undec-2-ens 84 bleibt nach der Hydrierung zum 1,6-Dioxaspiro[5.5]undecan 13 zwar erhalten, die Enantiomerentrennung dieses Pheromons der Olivenfliege Bactrocera oleae konnte jedoch nur mittels präparativer Gaschromatographie wirklich effektiv durchgeführt werden.

In Untersuchungen des Racemisierungsverhaltens von optisch angereichertem 1,6-Dioxaspiro[5.5]undecan 13 konnte aufgezeigt werden, dass es mindestens einer moderat sauren Umgebung bedarf, damit von einer schnellen Racemisierung gesprochen werden kann. Beim bloßen Kontakt mit neutralem Wasser verändert sich der Enantiomerenüberschuss über Tage nicht.
Kurzfassung auf Englisch: The spiroacetal principle is widespread among natural products, either as a substructure of more complex molecules or being a spiroacetal itself lacking further substitution or larger groups but mostly showing shorter alkyl chains. Due to their volatility, the latter play a mojor role in insect communication.
The present thesis deals with the identification, synthesis and determination of absolute configuration of spiroacetals from wasps. Furthermore, five novel natural structures were synthesized. Unsaturated enolether-spiroacetals, derived from 1,3-oxabutadienes and exo-cyclic enolethers via Hetero-Diels-Alder reaction, were further functionalized in some model reactions. The feasibility of performing the same reaction type using a chiral Lewis-acid catalyst to produce optically enriched products was investigated. Finally, the racemisation of optically enriched 1,6-dioxaspiro[5.5]undecane under acidic conditions was examined.

In wasps of the genera Vespula, Dolichovespula and Goniozus, represented in this thesis by their species V. germanica, V. vulgaris, D. media, D.saxonica, G. nephantidis and G. legneri the following spiroacetals were identified and synthesized as pure enantiomers:
2-Methyl-1,7-dioxaspiro[5.5]undecane, 2,8-Dimethyl-1,7-dioxaspiro[5.5]undecane, 2-Ethyl-1,7-dioxaspiro[5.5]undecane, 1,7-Dioxaspiro[5.5]undecane, 7-Ethyl-2-methyl-1,6-dioxaspiro[4.5]decane, 2-Methyl-1,6-dioxaspiro[4.5]decane, 7-Methyl-1,6-dioxaspiro[4.5]decane and 2-Ethyl-7-methyl-1,6-dioxaspiro[4.5]decane.

Structural and geometrical properties of the synthesized compounds were comprehensively elucidated and specified by NMR-spectroscopy.
Absolute configurations of the natural spiroacetals in wasps were determined by combined chiral gas chromatography and mass spectrometry and comparison with synthetic reference material.
According to mass spectral data acquired from extracts of the venom glands of Ropalidia flavopicta and Ropalidia sumatrae, the sructures of five novel spiroacetals were postulated and synthesized: 2,8-dimethyl-1,7-dioxaspiro[5.6]dodecane 61, 2-ethyl-8-methyl-1,7-dioxaspiro[5.6]dodecane 62, 8-methyl-2-propyl-1,7-dioxaspiro[5.6]dodecane 63, 2-butyl-8-methyl-1,7-dioxaspiro[5.6]dodecane 64 and 2,9-dimethyl-1,8-dioxaspiro[6.6]tridecane 65. These represent uncommon ring sizes, as they consist of a six- and a seven-membered ring and two seven-membered rings, respectively.

Acrolein and 2-methylenetetrahydropyrane 82 reacted in an Hetero-Diels-Alder reaction to yield 1,6-dioxaspiro[5.5]undec-2-ene 84, which was further functionalized by addition-reactions to the enolic double bond. Some model reactions under Markovnikov as well as anti-Markovnikov conditions were performed, and the following compounds were synthesized: 2-methoxy-1,6-dioxaspiro[5.5]undecane 89, 3-hydroxy-1,6-dioxaspiro[5.5]-undecane 90 and 3-methoxy-1,6-dioxaspiro[5.5]undecane 91 with different relative configurations and 3-nitrito-1,6-dioxaspiro[5.5]undecane 92. The diverse geometries of the compounds were comprehensively studied by NMR-experiments.

The same type of HDA reaction was utilized to get optically active products using a chiral catalyst, 3-adamantyl-5-methylsalicylaldehyde-1-aminoindan-2-ol-imin-Cr(III)Cl-complex 93, that was self-prepared in both chiral forms. It was possible to reach an enantiomeric excess of up to 40 %ee, however, variation of the reaction conditions did not improve the ee-value. The educt acrolein appeared to be too reactive. This was supported by better results with methylvinylketone as the oxabutadiene moiety. Nevertheless, hydrogenation yielding the 1,6-dioxaspiro[5.5]undecane, olean 13, had no effect on the enantiomeric excess. Preparative gas chromatography was used to get olean 13, the pheromone of the olive fly Bactrocera oleae, of high optical purity.

During investigations on the racemisation behaviour of optically enriched 1,6-dioxospiro[5.5]undecane 13 it was found, that there must be at least a medium acidic environment present in order to induce noticeable racemisation within certain time. Under neutral conditions or in pure state, the compound will remain configurationally stable.

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