Authors:	Kienz, Torben
Title:	Exploration of N-ferrocenyl substituted thioamides : synthesis, properties and reactivity
Online publication date:	28-Nov-2016
Year of first publication:	2016
Language:	english
Abstract:	Electron transfer reactions are fundamental for biological processes. Since the investigation of such processes in vivo are complicated or sometimes impossible, model complexes for biological system have been developed as a valuable tool. The investigation of electron transfer processes via the use of ferrocene derivatives provides insight into the influence of the bridging unit for the rate of electron transfer. Incorporation of asymmetric bridges, such as carboxamides, provides a model for protein environments and have been studied thoroughly. The thioamide as structurally related bridging unit, however, has not yet been explored with respect to electron transfer abilities. In this study, N-Ferrocenyl substituted thioamides are easily prepared from the parent carboxamides by the use of Lawesson’s reagent (2,4-bis(p-methoxyphenyl)-1,3-dithiaphosphetane-2,4-disulfide). Remarkably, the rotational barrier of the thioamides is high enough to observe E/Z isomerism in solution. IR and NMR spectroscopy give insight into the hydrogen bonding motif of the thioamides, as well as the secondary structure. The mixed-valent compounds of dinuclear complexes are investigated by electrochemical measurements, as well as UV/Vis and EPR spectroscopy. The electronic coupling HAB is calculated and compared to the parent carboxamides. The reaction pathways of ferrocenium compounds in the presence of a non-nucleophilic base are studied by means of spin trapping techniques. The formation of carbon centered ferrocenyl radicals is reported and the location of the unpaired spin in the ferrocenyl radicals could be determined. This study gives insight into the reaction of ferrocenyl radicals and stabilizing effects on them as a plausible mode of action for ferrocene based (pro-)drugs. Besides the generation of radicals N-ferrocenyl substituted thioamides show a second reactivity upon oxidation and deprotonation. A multistep reaction sequence leads to the formation of a novel N,S-heterocycle, which initiates oligomerization. Intermediates of this sequence include paramagnetic piano stool like complexes with η1-coordinated cyclopentadienyl rings, as well as super electrophilic ferrocenyl ketenimine cations, formed by elimination of hydrogen sulfide. A reaction mechanism is proposed and supported by mass spectrometry, EPR and NMR spectroscopy and DFT calculations. This work is crucial for polymeric materials with CN-backbone and heterocyclic chemistry. Für biologische Systeme ist Elektronentransfer ein fundamentaler Prozess. Da die Untersuchung solcher Prozesse in vivo kompliziert und oft unmöglich ist, wurden Modellkomplexe für biologische Systeme als nützliches Werkzeug zu deren Erforschung entwickelt. Die Untersuchung von Elektronentransfer an Ferrocenderivaten liefert Einsicht über den Einfluss der verbrückenden Gruppen auf die Geschwindigkeit des Elektronentransfers. Asymmetrisch verbrückende Gruppen, wie Carboxamide, welche ein Modell für Proteinumgebungen darstellen, wurden gründlich untersucht. Thioamide hingegen, die in ihrer geometrischen Struktur ähnlich sind, wurden bisher noch nicht im Hinblick auf ihre Elektronentransfereingenschaften erforscht. In dieser Studie wird eine einfache Synthese N-Ferrocenyl substituierte Thioamide durch den Einsatz von Lawessons Reagenz (2,4-Bis(p-methoxyphenyl)-1,3-dithiaphosphetan-2,4-disulid) aus den entsprechenden Carboxamiden berichtet. Die Rotationsbarriere von Thioamiden ist bemerkenswerterweise groß genug, um E/Z-Isomere in Lösung beobachten zu können. IR und NMR Spektroskopie geben hierbei Aufschluss über das Motiv der Wasserstoff-brückenbindungen in Thioamiden, sowie deren Sekundärstruktur. Die gemischt-valenten Verbindungen der dinuklearen Komplexe werden mittels elektrochemischer Messungen, UV/Vis-Spektroskopie und ESR-Spektroskopie untersucht. Der elektronische Kopplungsparameter HAB wird bestimmt und mit dem der entsprechenden Carboxamide verglichen. Die Reaktionswege von Ferroceniumverbindungen in Anwesenheit von nicht-nukleophilen Basen werden mittels „Spin-Trapping“ untersucht. Die Bildung von kohlenstoffzentrierten Ferrocenylradikalen wird untersucht und die Position des ungepaarten Elektrons bestimmt. Diese Forschungsarbeit gibt Aufschluss über die Reaktivität und mögliche stabilisierende Effekte von Ferrocenylradikalen. Dies könnte eine mögliche Erklärung für die Wirkungsweise von ferrocenbasierten Medikamenten sein. Bei Deprotonierung und Oxidation zeigen N-ferrocenyl substituierte Thioamide neben der Bildung von Radikalen eine zusätzliche Reaktivität. Durch eine mehrstufige Reaktionsfolge entstehen neuartige N,S-Heterocyclen, welche Oligomerisationsreaktionen einleiten können. Zwischenprodukte dieser Reaktionsfolge beinhalten paramagnetische klavierstuhlartige Komplexe mit η1-koordinierten Cyclopentadienylringen, sowie ein äußerst elektrophiles Ferrocenylketeniminkation, welches durch die Eliminierung von Schwefelwasserstoff entsteht. Es wird ein Reaktionsmechanismus postuliert und anhand von Massenspektrometrie, ESR-Spektroskopie, NMR-Spektroskopie und DFT-Rechnungen belegt. Diese Arbeit ist äußert wichtig im Hinblick auf polymere Materialen und die Chemie von heterocyclischen Verbindungen.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4571
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000008271
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	VIII, 204 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen