9,10-Bis(thiophen-2-ylethinyl)anthracen (BTEA)

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Synthese von 9,10-Bis(thiophen-2-ylethinyl)anthracen
(BTEA, 9,10-Bis(thien-2-ylethinyl)anthracen, 9,10-bis(thiophen-2-ylethynyl)anthracene)

BTEA ist ein Fluoreszenzfarbstoff und weist eine große Ähnlichkeit zum 9,10-Bis(phenylethinyl)anthracen auf, jedoch sind hier keine Phenyl- sondern Thiophen-2-yl-Gruppen (auch Thien-2-yl-, oder 2-Thienyl-) über Ethinylgruppen mit dem Anthracenkern verknüpft. Da die heterocyclischen Fünfringe aromatisch sind, geht vom BTEA eine helle Fluoreszenz aus, die der des BPEA ähnelt. Das UV-Vis Spektrum des BTEA ist dem des BPEA nahezu gleich. Das benötigte 2-Ethinylthiophen wurde in zwei Stufen aus kommerziellen Edukten synthetisiert. Als Nebenprodukt wurde das monoalkinylierte 2-((10-Bromanthracen-9-yl)ethinyl)thiophen (BrTEA) isoliert, welches sich für asymmetrische 9,10-Anthracenylenfarbstoffe eignet oder als eigenständiger Substituent dienen kann.




Geräte:

verschiedene (Mehrhals-)Rundkolben oder Schlenkrohre, Septen, Spritzen, Mikroliterspritze, Magnetheizrührer mit Ölbad, Rückflusskühler, Möglichkeit zur Vakuumfiltration, Rotationsverdampfer, Argon


Chemikalien:

2-Bromthiophen
Trimethylsilylacetylen
Diethylamin
Tetrahydrofuran
Kupfer(I)-iodid
Bis(triphenylphosphan)palladium(II)-chlorid
Dichlormethan
Natriumsulfat, wasserfrei

Kieselgel

Kaliumcarbonat
Methanol
Diethylether
9,10-Dibromanthracen
Salzsäure konz.
Magnesiumsulfat, wasserfrei

Toluol
Hexan
Ethylacetat

---

Trimethyl(thiophen-2-ylethinyl)silan
2-Ethinylthiophen
9,10-Bis(thiophen-2-ylethinyl)anthracen
2-((10-Bromanthracen-9-yl)ethinyl)thiophen


Hinweis: Vorsicht beim Umgang mit Diethylether, Funkenbildung vermeiden.


Durchführung:

THF und Diethylamin wurden vorbereitend absolutiert: vorgetrocknetes THF wurde über Natrium unter Verwendung eines Metallkühlers refluxiert, das Diethylamin 4 Stunden über gepulvertem Kaliumhydroxid refluxiert und unter Argon abgefüllt.

Trimethyl(thiophen-2-ylethinyl)silan



10 mL THF (abs.), 1,06 mL 2-Bromthiophen, 210 mg Pd(PPh₃)₂Cl₂, 30 mg Kupfer(I)-iodid und 1,7 mL Diethylamin (abs.) werden in einem Schlenkrohr entgast und mit 1,8 mL Trimethylsilylacetylen versetzt. Die Lösung wird unter Argon über Nacht bei Raumtemperatur (27 °C, Ölbad) gerührt, anschließend mit 50 mL Wasser versetzt und mit Dichlormethan extrahiert (3 x 40 mL). Die vereinigten Phasen werden mit einer gesättigten Natriumchloridlösung gewaschen und über Natriumsulfat getrocknet. Danach wird das Lösungsmittel unter vermindertem Druck abgezogen. Der ölige Rückstand wird in wenig n-Hexan aufgenommen,über ein kurzes Kieselgelpad filtriert und mit Hexan eluiert. Das Lösungsmittel wird anschließend im Vakuum entfernt und es verbleibt ein leicht gelbliches Öl.

Ausbeute: 1,94 g (98,5 % d.Th.)


2-Ethinylthiophen



1,84 g Trimethyl(thiophen-2-ylethinyl)silan werden in 5 mL Methanol gelöst, anschließend mit 2,88 g fein gepulvertem Kaliumcarbonat versetzt und 30 min bei Raumtemperatur (27 °C, Ölbad) gerührt. Die Mischung wird mit 30 mL Wasser versetzt, gerührt und anschließend mit Diethylether extrahiert (2 x 30 mL). Die vereinigten organischen Phasen werden mit Natriumsulfat getrocknet und das Lösungsmittel im Vakuum abgezogen. Es verbleibt eine braune Flüssigkeit, die zur weiteren Aufreinigung destilliert werden kann.

Ausbeute: 997 mg (90,3 % d.Th.)


9,10-Bis(thiophen-2-ylethinyl)anthracen



In einem Schlenkrohr werden 444 mg 9,10-Dibromanthracen, 37 mg Kupfer(I)-iodid und 92 mg Pd(PPh₃)₂Cl₂ in 15 mL Diethylamin (abs.) vorgelegt und entgast. Dann werden 277 µL 2-Ethinylthiophen zugespritzt, die Lösung 30 min bei Raumtemperatur (27 °C, Ölbad) gerührt und anschließend 13 Stunden im Ölbad auf 70 °C erhitzt. Die abgekühlte Lösung wird vorsichtig (!) in 50 mL Salzsäure (15%) getropft (starke Hitzeentwicklung) und anschließend mit Dichlormethan extrahiert (4 x 30 mL). Die vereinigten organischen Phasen werden über Magnesiumsulfat getrocknet, über ein Kieselgelpad filtriert und mit Dichlormethan eluiert. Anschließend wird das Lösungsmittel im Vakuum entfernt, der verbleibende Feststoff an Kieselgel gebunden und säulenchromatografisch gereinigt (Hexan - Hexan/Ethylacetat 4:1). Dabei eluiert zuerst Dibromanthracen, anschließend das monoalkinylierte Nebenprodukt (BrTEA), gefolgt vom Hauptprodukt. Die Hauptfraktion wurde aus Toluen kristallisiert.

Ausbeute:
BTEA: 1. Fraktion 50,8 mg (9,8 % d.Th.)
BrTEA: 42,6 mg (8,9 % d.Th)


Entsorgung:

Die Lösungsmittel werden soweit möglich recycelt, andernfalls in die entsprechenden halogenfreien oder halogenhaltigen Abfälle gegeben. Kontaminiertes Kieselgel wird gesondert entsorgt. Die wässrigen Phasen wird den wässrigen kontaminierten Abfällen oder dem Schwermetallabfall zugeführt. Die halogenierten Edukte oder Nebenprodukte werden dem halogenhaltigen Abfall zugeführt. Das Produkt wird aufgehoben oder dem halogenfreien Abfallzugeführt.


Erklärung:

Mit der Sonogashira-Hagihara-Kupplung können nicht nur Arylalkine an Haloaromaten gekuppelt werden sondern auch andere terminale Alkine. Dabei ist Trimethylsilylacetylen (TMSA) neben 2-Methyl-3-butin-2-ol in der organischen Synthese das wichtigste Acetylenäquivalent. Beide sind flüssig und damit besser handhabbar als Acetylen und darüber hinaus monofunktional, so dass gezieltere Monosubstituionen möglich sind und keine Doppelsubstitutionen und Probleme mit der Dosierung von Gasen auftreten. Die beiden terminalen Alkine lassen sich in palladiumkatalysierten Kupplungsreaktionen leicht an Aromaten binden, welche nach Abspaltung der Schutzgruppe als freies Arylalkin vorliegen und sich für weitere Reaktionen eignen. Somit ist es möglich, beliebige Haloaromaten (bevorzugt Brom- oder Iodaromaten) über Ethinylbrücken zu verknüpfen. Diese Vorgehensweise wird auch genutzt um das 2-Ethinylthiophen zu synthetisieren. Nach Abspaltung der TMS-Schutzgruppe liegt das terminale Alkin vor und wird in einer zweiten Sonogashira-Kupplung mit 9,10-Dibromanthracen zum BTEA umgesetzt.



Die schlechte Ausbeute und die Bildung größerer Mengen BrTEA könnte mit den nicht optimierten Reaktionsbedinungen oder ungenügend reinem 2-Ethinylthiophen zu erklären sein.


Bilder:


Umlaufapparatur mit getrocknetem Diethylamin


Beendete Reaktion zum TMS-geschützen Ethinylthiophen


Isoliertes Trimethyl(thiophen-2-ylethinyl)silan


Entschützung


Isoliertes, nicht destilliertes 2-Ethinylthiophen


BTEA-haltige Lösung nach Reinigung über ein Kieselgelpad


Rohes BTEA (enthält noch Edukt und monoalkinyliertes Nebenprodukt)


Säulenchromatographie


Dibromanthracen eluiert


BTEA eluiert


Isoliertes BrTEA


BTEA nach Kristallisation aus Toluol


Mein Dank gilt Stepfan für die gute Zusammenarbeit.

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Bemerkungen:

- 2-Ethinylthiophen ist recht teuer (97%, 1 g 500,-; 90% 500 mg 100,-) und sollte daher selbst hergestellt werden, bei größeren Mengen sollte destilliert werden, da sich das Ethinylthiophen damit auf ausreichende Reinheit für weitere Reaktionen bringen lässt, hier wurde aber aufgrund der gringen Menge darauf verzichtet. Der eigentlich geplante erste Ansatz missglückte mangels ausreichendem Equipment leider. So wurde 2-Bromthiophen mit 2-Methyl-3-butin-2-ol im 10 g Maßstab zum entsprechenden Alkin umgesetzt, wobei sich das Entschützen (Retro-Faworski-Reaktion) als experimentell schwieriger gestaltete, da de Reaktionsmischung weit über den Siedepunkt der gewünschten Komponenten erhitzt werden muss und diese nur in einer Kühlfalle ausreichend kondensiert werden können.



Sonogashira Reaktion zum 2-Methyl-4-(thiophen-2-yl)but-3-in-2-ol


verfestiges 2-Methyl-4-(thiophen-2-yl)but-3-in-2-ol (roh)

- Zur Aufarbeitung sollte besser verdünntere Salzsäure genommen werden, da die Neutralisationswärme doch ein wenig unterschätzt wurde und Teile des Produktes verspritzt sind.
- Die letzte Stufe wird vielleicht noch einmal wiederholt um eine bessere Ausbeute erzielen. Das BTEA kristallisiert gerade noch aus Toluol aus, da es nach der Säule - trotzer guter DC - in keiner schönen Form vorlag, der nicht kristallisierbare Rest wurde getrocknet und in Dichlormethan gelöst und eigent sich für Chemilumineszenz-Experimente
- mit dem BrTEA ist bereits ein weiterer Farbstoff in Arbeit.

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Update [12.04.2015]:

Um das BrTEA zu nutzen wurde in einer kleinen Reaktion (7,3 mg) folgender Farbstoff (2-((10-Phenylanthracen-9-yl)ethinyl)thiophen, PTEA) erfolgreich hergestellt und isoliert:



Dabei handelt es sich um einen gelben Feststoff mit intensiver hellblauer Fluoreszenz (in Lösung). Der Umsatz der Reaktion (Suzuki Bedingungen mit 10 eq. PhB(OH)₂) war vollständig wie die DC zeigte (Hexan).

Für einen weiteren Farbstoff, dem das BrTEA als Ausgangsstoff dient, ist bereits in Planung, jedoch ist dafür zuvor die Synthese eines "Zwischenstückes" notwendig. Da es sich dabei nur um Aneinanderreihung von Sonogashira-Kupplungen und Entschützungen handelt scheint es mir wenig sinnvoll dazu einen eigenen Artikel zu schreiben und ich werde die Resultate an dieser Stelle posten.

Update [19.04.2015]:

Das (noch geschützte) "Zwischenstück" wurde erfolgreich hergestellt und wird momentan gesäult, da auch hier sowohl ein mono- und ein dialkinyliertes Produkt entstanden ist mussten diese leider erneut getrennt werden, wobei das monoalkinylierte wiederum als asymmetrisches Zwischenstück für andere Synthesen dienen kann.



Update [25.04.2015]:

Das Zwischenstück ist erfolgreich entschützt und steht nun für die Umsetzung zur Verfügung. Parallel dazu wurde mit dem monoalkinylierten Nebenprodukt in einer Suzuki-Kupplung Mit Phenylboronsäure das entsprechende p-Terphenyl gewonnen welches ebenfalls momentan entschützt wird um die beiden damit geplanten Farbstoffe parallel zu synthetisieren.



Update [30.04.2015]:

Sooo... Nachem jetzt 3 Synthesen hintereinander in der jeweils letzten Stufe mehr oder weniger fehlgeschlagen sind ist mein Motivation für weitere Farbstoffe aus dem Gebiet erstmal weg, der Vollständigkeit halber hier der eigentliche Plan:



Wie die Farbstoffe zusammengebaut werden sollten sieht man denke ich, da die Vorstufen alle oben mal auftauchen. Während der Reaktion hat man auch jeweils eine Änderung der Fluoreszenz der Lösung gesehen, gerade beim Aufarbeiten für die DC fluoresziert 1 sehr schön grün, jedoch konnte ich auf der recht wirren DC das Produkt nicht wirklich identifizieren. Da gleichzeitig Farbstoff 2 in der DC auch nicht zu erkennen war (beide Reaktionen Sonogashira-Bedinungen 50 h, Triethylamin) hab ich sie nur gefällt und getrocknet und erstma zu den Rückstellproben gestellt. Wenn ich irgendwann wieder Lust auf die Anthracenylenfarbstoffe habe werde ich das Thema wieder aufgreifen, dabei jedoch 1 neu synthetisieren, diesmal aber mit Phenylethinylgruppen 4 statt der Thienylethinylgruppen um mehr Ausgangsmaterial zur Verfügung zu haben. Um das 4,4'-Dibrombiphenyl noch zu nutzen wollte ich noch "schnell" das Quaterphenyl 3 machen um wenigstens noch etwas innerhalb dieses Projektes zustande gebracht zu haben, aber als auch dass dann irgendwie im Kieselgel hängen blieb und die DC auch nicht so toll aussah hatte es sich mit der Motivation ganz erledigt. Naja was soll's irgendwann werde ich das Ganze sicherlich mal wieder aufgreifen.



Ich habe fertig.

P.S.: Das ganze Lab fluoresziert jetzt mal wieder...

[lemmi]

[EDIT: Grammatik und Rechtschreibung korrigiert. Alle Tempi ins Präsens gesetzt. Verschoben]

[NI2]

Die Tempi waren beabsichtigt so gesetzt. Wir hatten uns vor längerem mal geeinigt, dass aufwändigere Artikel bei denen evtl auch Fehler passiert sind ebenfalls im Präteritum formuliert sein dürfen um einen protokollartigen Stil in schriftlicher Form zu haben. Da die Ausbeute hier unterirdisch ist war das ganze so gewählt.

[lemmi]

Sowas hatte ich sogar halb vermutet (hätte dich vorher konsultieren sollen )

Nur war die Verwendung der Tempi uneinheitlich. Du hattest mal Präteritum und mal Präsens gesetzt. Und da habe ich - den üblichen Gepflogenheiten entsprechend - das Präsens verwendet. Du kannst es von mir aus ins Präteritum zurücksetzen, aber dann bitte alles!

[NI2]

Ja ich weiß, das ist auch üblich. Aber dieser Artikel war ein wenig experimenteller und man könnte auch noch ein paar analytische Sachen ergänzen, z.b. durch Messung von Fluoreszenz und Absorptionsspektren, da die ähnlichkeit (auch der Spektren) zum BPEA sehr hoch ist, was den schönen aromatischen Charakter des Thiophens zeigt.

Werde nochmal drüber fliegen und schaun ob man es so lassen kann oder doch alles ins Prät. setzen sollte. In den Bemerkungen sind ja einige Kommentare zum Ganzen.

[Phil]

Sieht gut aus, das Molekül. Ich weiss aus eigener Erfahrung, man denkt super es geht sieht nicht so schwierig aus und schwupp kommen schon die ersten Probleme. mach mal Pause und schaue einige Wochen später nochmals ob es geht.

[NI2]

Hier scheint das Problem zu sein, dass mir die Erfahrung in Bezug auf optimale Reaktionsbedingungen fehlte. Wie sich zeigte wird für Sonogashiras an Thiophen gerne Diethylamin als Base verwendet, wohingegen man sonst überlicherweise Triethylamin nimmt, da ich einmal das absolutierte DEA da hatte habe ich es auch für die letzte Stufe genommen evtl lag da der Fehler, so dass TEA die bessere Wahl gewesen wäre. Geplant war das ganz ja in einem größeren Ansatz mit mehr Edukt, aber ja, das steht ja alles oben

[Vanadium]

Eine sehr schöne Synthese! Ich selbst besitze nur eine kleine Menge BPEA, allerdings in Form wunderschöner orangener Kristalle!

Wie macht ihr es denn mit dem Säulen? Habt ihr wirklich so riesige Mengen Hexan vorrätig? Ich würde dazu tendieren, aufgereinigtes Leichtbenzin zu verwenden, welches nur 2 Euro pro Liter kostet. Ethylacetat ist ja nicht so kritisch, da die benötigten Mengen oft geringer sind. Oder gewinnt ihr die Lösungsmittel zurück? Das sollte ja bei Hexan und EtOAc aufgrund
Des geringen Sdp. Unterschieds schwierig werden..

Was mir noch aufgefallen ist: Die Säule in dem Artikel wurde ja extrem hoch gepackt. Ist das notwendig um die Stoffe zu trennen oder war das eher so "mal lieber etwas höher"?
Meine Säulen sind wirklich selten höher als 15cm.

[NI2]

Danke. BPEA kristallisiert auch schon, aber das BTEA ist schon der Knaller

Jain, Hexan hatte ich zeitweise in größerer Menge vorrätig, bin aber dazu übergegangen zum Säulen nur noch Reinigungsbenzin zu nehmen, nachdem ich es am Roti abgezogen habe, Die Menge der Verunrinigungen im Reinigungsbenzin ist nicht groß, aber es stört einfach. Zurückgewinnen lohnt sich bei dieser Mischung nicht. Mit ausreichender Kühlleistung kann man aber das Abrotierte Lösungsmittel destillieren und in der Mischung erneut für die Säule einsetzen, ggf. muss es aber durch Überprüfen des Laufverhaltens neu eingestellt werden. FÜr eine weitere Säule würde ich es aber nicht benutzen.

Ja, die Säule ist recht groß, das liegt einfach daran, dass man sich manchmal bei den Proportionen ziemlich verschätzt

[Vanadium]

Ja das Bild sieht wirklich gigantisch aus!

Demnächst werde ich mir mal nen Vorrat Reinigungsbenzin kaufen und destillieren. Wielang ich mir immer gedacht hab "Ich kann ja hier nicht Säulen meine LöMis sind viel zu wertvoll und habe zu wenig"- bis ich auf das Reinigungsbenzin gekommen bin!

Haha ist mir auch schon so oft passiert!