64 H. FELTKAMP, N. C. FRANKLIN, K. D. THOMAS und W. BRUGEL Bd. 683

Konstellationsanalyse mit Hilfe der Kernresonanzspektroskopie, 111)

U B E R DIE KONSTELLATION SUBSTITUIERTER CYCLOHEXY LAMINE

von HERBERT FELTKAMP, NORMAN C. FRANKLIN und KLAUS DIETER THOMAS, gemeinsam mit WERNER BRUGEL

Herrn Professor Dr. Dr. h . c. Walter Hiickel zum 70. Geburtstug gewidmet

Aus dem Pharmazeutisch-Chemischen Institut der Universitat Tiibingen und dem Hauptlaboratorium der Badischen Anilin- & Soda-Fabrik AG, Ludwigshafen

Eingegangen am 1. Juli 1964

Durch Analyse der Bandenbreite und der chemischen Verschiebung der Signale der X-Protonen im Kernresonanzspektrum substituierter Cyclohexylamine werden die AG-Werte fur die Amino-, die N-Methyl-amino- und die Isopropyl-

Gruppe bestimmt. Einige typische Spektren werden diskutiert.

Uber die Konstellation substituierter Cyclohexylamine und uber die erforderliche Energie, um eine Aminogruppe aus der aquatorialen in die axiale Lage zu bringen, war bis zu den kurzlichen Untersuchungen von SIC HER^) sowie ELIEL und Mitarbei- tern3) wenig bekannt. In der vorliegenden Arbeit wird uber Ergebnisse zu diesem Thema berichtet, die an einem umfangreichen Versuchsmaterial erhalten worden sind.

Die Gleichgeivichfskonsfanten wurden zunachst nach der von ELIEL 3) angegebenen Methode gemessen. Hierbei wird die Lage des Gleichgewichtes aus der Beziehung (1) ermittelt: -7 - - 7

K = A - (1) T - 7,

T, ist dabei die chemische Verschiebung des Signals vom 1-standigen Proton (X-Proton) im Spektrum einer Vergleichssubstanz, die die Aminogruppe in Aquatorialstellung tragt ; T, ist die chemische Verschiebung des X-Protons im dazugehorigen Isomeren mit axialer Aminogruppe und T der an der untersuchten Substanz gemessene Wert.

Aus den gleichen Kernresonanzspektren wurde die Gleichgewichtskonstante aul3er- dem nach der analogen Gleichung (2 ) mit Hilfe der Bandenbreite errechnet4.5); dabei sind die Bandenweiten W,, We und W analog T,, 7 , und 7 definiert.

W, - w w - W,

K =

1) I . Mitteilung: H. FELTKAMP und N. C. FRANKLIN, Liebigs Ann. Chem. 683, 55 (1965),

2) J. SICHER, J. JONAS und M. TICH~, Tetrahedron Letters [London] 1963, 825. 3) E. L. ELIEL, E. W. DELLA und T. H. WILLIAMS, Tetrahedron Letters [London] 1963, 831. 4) F. A. L. ANET, J. Amer. chem. SOC. 84, 1053 (1962). 5 ) R. U. LEMIEUX und J. W. LOWN, Tetrahedron Letters [London] 1963, 1229.

voranstehend.

1965 Konstellationsanafyse mit Hilfe der Kernresonanzspektroskopie, I1 65

Aus K wird der Wert fiir die freie Enthalpie dG nach folgender Beziehung er-

AG = - RT.lnK (3) rechnet :

Sind mehrere Substituenten am Ring vorhanden, so setzen sich die AG-Werte fiir die einzelnen Substituenten additiv zusammen.

Andere Verfahren zur Konstellationsanalyse, wie z. B. kinetische Messungen, wurden nicht durchgefiihrt, da sie aus zahlreichen Criinden unzuverlassige Werte liefern konnen6). ,So erklaren sich auch Differenzen zwischen den nach verschiedenen Methoden erhaltenen Er- gebnissen.

Die bei der Anwendung der Kernresonanzspektroskopie zur Konstellationsanalyse erforderlichen Voraussetzungen, die nicht ohne weiteres bewiesen werden konnen, sind bereits in der voranstehenden Mitteilung 1) naher erlautert worden; hierauf wird im folgenden zuriickgegriffen.

ANALYSE MIT HILFE DER CHEMISCHEN VERSCHIEBUNC (Tab. 1 )

Unter der Voraussetzung, daB ein Substituent in 4-Stellung die .chemische Ver- schiebung des 1-standigen X-Protons nicht verandert, kann man die entsprechenden Signale, z. B. der 4-tert.-Butyl-cyclohexylamine, als Bezugspunkte und T~ wahlen, wie es auch ELIEL 3) getan hat. Indessen bringt schon der Ubergang Zuni 3-tert.-Butyl- cyclohexylamin und zum trans-P-Decalylamin eine deutliche Verschiebung der Signale, die der haufig gemachten Annahnie widerspricht, daB die Substituenten in 3- wie in 4-Stellung keinen oder den gleichen EinfluB ausiiben. Wenn aber entfernter stehende Substituenten einen EinfluB haben, dann besteht durchaus die Moglichkeit, daB dieser auch verschieden groB ist. Immerhin scheinen die bisherigen Messungen keinen Hin- weis darauf zu geben, daB diese Unterschiede fur Alkyl-Substituenten zu groBeren Fehlern fiihren.

Die Signale der 4-tert.-Butyl-cyclohexylamine und der 4-Methyl-cyclohexylamine werden um denselben Betrag verschoben, wenn man von der 4- zur 3-Stellung uber- geht (Tab. 1). Die Stellung des Substituenten hat also einen groBeren EinfluB als die Art desselben. So wird womoglich der EinfluB der 4-tert.-Rutyl-Gruppe auf die Ver- schiebung des X-Protons durch die 4-standige CH3-Gruppe im untersuchten 4-Methyl- cyclohexylamin kompensiert. Dafiir, daB ein solcher EinfluB besteht, spricht die Beobachtung, daB die Signale beim trans-P-Decalylamin an anderer Stelle liegen als beim 3-tert.-Butyl-cyclohexylamin (Tab. 1). Hatte die 4-Stellung keinen EinfluB, so miiBten sich die Signale an derselben Stelle befinden.

Die Folgerung daraus muB sein, daB man 4-substituierte Cyclohexylarnine auf das 4-tert.-Butyl-cyclohexyIarnin und 3-substituierte Amine auf das 3-tert.-Butyl-cyclohexyl- arnin zu beziehen hat.

6 ) H. KWART und T. TAKESHITA, J. Amer. chem. SOC. 86, 1161 (1964).

5 Liebigs Ann. Chem. Bd. 683

66 H. FELTKAMP, N. C. FRANKLIN, K. D. THOMAS und W. BRUGEL Bd. 683

In 2-Stellung substituierte Cyclohexylamine sollten zur Konstellationsanalyse nur mit groRter Vorsicht herangezogen werden, da die Nachbargruppe vor allem die chemische Verschiebung der X-Protonen in einer bisher nicht vorauszusehenden Weise stark beeinflufit (Tab. 1).

Tabelle 1 . Chemische Verschiebung T und Bandenbreite W der Signale der X-Protonen Die Zahlen in Klammern geben die Werte fur die entsprechenden N-Methyl-Verbindungen

der genannten Amine an.

Amin Reinsubstanz Losung in CHC13 T I P P ~ I w[Hz l ~ [ P P ~ I W [Hzl

trans-4-tert.-Butyl-cyclohexylamin trans-4-tert.-Butyl-cyclohexylamin-[ND~] cis-4-tert.-Butyl-cyclohexylamin cis-4-tert.-Butyl-cyclohexylamin-[ND~] cis-3-tert.-Butyl-cyclohexylamin cis-3-tert.-Butyl-cyclohexylamin-[ND~] trans-3-tert.-Butyl-cyclohexylamin-[ND~] trans-9-Decalyl-cis-amin trans-P-Decalyl-cis-amin-[ND2] trans-P-Decalyl-trans-amin trans-~-Decalyl-tran~-amin-[ND~] Cyclohexylamin Cyclohexylamin-[ND2] trans-2-Methyl-cyclohexylamin trans-2-Methyl-cyclohexylamin-[ND2] cis-2-Methyl-cyclohexylamin cis-2-Methyl-cyclohexylamin-[ND2] * )

cis-3-Methyl-cyclohexylamin cis-3-Methyl-cyclohexylamin-[ND~] *)

trans-3-Methyl-cyclohexylamin rrans-3-Methyl-cyclohexylamin-[ND21*) trans-4-Methyl-cyclohexylamin trans-4-Methyl-cyclohexylamin-[ND~] cis-4-Methyl-cyclohexylamin cis-4-Methyl-cyclohexylamin-[ND21*) cis-3-Isopropyl-cyclohexylamin trans-3-Isopropyl-cyclohexylamin-[ND~]

7.53 7.53 6.95 6.97 - - -

7.42 7.42 6.80 6.82 7.44 7.45 7.92 7.92 7.17 (7.54) 7.18 (7.55) 7.45 (7.73) 7.47 (7.73) 6.95 (7.32) 6.95 (7.32) 7.50

30 7.48 (7.92) 31 7.48 1 1 6.85 (7.30) 11 6.87 - 7.42 - 7.42 - 6.71 30 7.31 30 7.35 11.5 6.75 11 6.78 27.5 7.42 27.5 7.40 19 7.87 19 7.87 11 (10.5) 7.12 (7.52) 1 1 (10.5) 7.13 (7.53) 28.5 (29) 7.37 (7.67) 28.5 (29) 7.38 (7.68) 17 (14.5) 6.92 (7.30) 17 (15.5) 6.95 (7.32) ? 7.45

30 (?) 31 ? (12) 11.5 29.5 29 12.5 31.5 31 12 12 ? 27 19.5 18 12 (?) 11 (?) 28.5 (?) 28.5 (?) 18 (15.5) 18 (16) 30

7.53 31 7.45 28.5 7.10 (7.47) 18 (15.5) 7.07 (7.47) 17.5 (15) 7.12 (7.47) 17 (15.5) 7.08 (7.47) 17.5 (15.5)

- 7.31 28 -

- - 6.83 14.5 *) Entsprechend -[ND -CH3] bei den N-Methyl-Verbindungen.

ANALYSE MIT HILFE DER BANDENBREITE (Tab. 2)

Eine Abhangigkeit der Kopplungskonstanten und damit der Bandenbreite des Signals der X-Protonen vom Losungsmittel und von der 3- im Vergleich zur 4-Stellung des Alkyl-Substituenten am Ring konnte bei den vorliegenden Messungen nicht beobachtet werden (Tabb. 1 und 2). Doch darf das nicht dariiber hinwegtauschen, daR Fehlerquellen vor allem in der Schwierigkeit liegen, die Bandenbreite nicht aufgeloster Signale genau zu messen.

1965 Konstellationsanalyse rnit Hilfe der Kernresonanzspektroskopie, I I 67

Die beiden am Gleichgewicht beteiligten Konstellationen a und e eines 3- bzw. 4-substituierten Cyclohexylamins konnen als AzB2X-System betrachtet werden. Dabei sind allerdinps in der Konstellation a die Kopplungskonstanten JAX und JBX sehr ahnlich.

H A H X

Aus den Mittelwerten der Tab. 1 und den im Fall des cis-3-Methyl-cycluhexylamins gemessenen Werten fur J,, konnen die einzelnen Kupplungskunstanten ermittelt werden. Der fur JAX aus den1 Spektrum von cis-3-Methyl-cyclohexylamin entnommene Wert stellt direkt die Kopplungskonstante J,, dar, da er fast unabhangig von einem etwa vorliegenden Gleichgewicht ist. Das gilt nicht fur JBX; der am cis-3-Methyl-cyclohexyl- amin gemessene Wert mu13 etwas niedriger als die Kopplungskonstante J,, sein, da auch das cis-Isomere zu einem geringen Prozentsatz in der Konstellation rnit axialen Substituenten vorliegen sollte. Aus der Beziehung 2J,, + 2J,, = 30.3 kann man die Kopplungskonstante J, rnit Hilfe der an fixierten Ringen gemessenen Bandenbreiten errechnen (vgl. Tab. 2). Tatsachlich liegt sie rnit 11.6 Hz etwas uber dem am cis- 3-Methyl-cyclohexylamin gemessenen Wert von 10.5 Hz. Ebenfalls aus den an fixierten Systemen (Tab. 2) gemessenen Werten laBt sich J,, errechnen nach 2 J,, + 2 J,, = 11.5.

Die an der Aufspaltung der Signale beteiligten Kopplungskonstanten haben dem- nach folgende Werte, die mit fruher 7) gemessenen ubereinstimmen:

J,, = 11.6 HZ J,, = 3.5 HZ J,, = 2.3 Hz

Da es sich in beiden Fallen um AzBzX-Systeme handelt, die bei einer Aufspaltung erster Ordnung zu einem Nonett rnit den relativen Intensitaten 1 : 2 : 1 : 2 : 4 : 2 : 1 : 2 : 1 aufspalten (Abb. 1, I), muDte die Bandenbreite immer in 1/4 der Bandenhohe gemessen werden. Weil aber die Konstellation a sehr ahnliche Kopplungskonstanten JAX und JBX aufweist, werden in diesem Spektrum Uberlappungen auftreten, durch die sich die Hohe der einzelnen Signale andert. Wenn diese Uberlappung vollstandig ist, d. h. wenn JAX = JBX ist, dann entsteht ein A4X-System, das zu einem Quintett rnit den Intensitaten 1 :4 :6 :4 : 1 aufspaltet (Abb. 1 , 11). Die Bandenbreite muBte hier in 116

der Bandenhohe gemessen werden. Ein ApB2X-System rnit ahnlichen Kopplungs- konstanten sollte also zur Erniittlung der richtigen Bandenbreite zwischen 114 und 116 der Bandenhohe gemessen werden, so daD bei Messung der Bandenbreite in 1/5 der Bandenhohe verlaBliche Werte erhalten werden durften. In derselben Hohe konnen auch die Signale von rasch umklappenden Cyclohexan-Derivaten gemessen werden. Diese Uberlegungen gelten aber nur dann, wenn die Signale nicht aufgelost sind.

7) H. BOOTH und N. C. FRANKLIN, Chern. and Ind. 1963, 954. S

ti8 H. FELTKAMP, N. C. FRANKLIN, K . D. THOMAS und W. BRUCEL Bd. 683

Abbildung 1 Aufspaltung 1. Ordnung des X-Teiles eines A2BzX-Systems (I) und eines A4X-Systems (11)

1st dagegen das X-Signal aufgelost, so kann die Entfernung der auI3eren Signale ohne Rucksicht auf die Bandenhohe gemessen werden. Hier sind aber, offenbar gering- fugige, Abweichungen von der wahren Bandenbreite denkbar, wenn die erkennbaren Einzelsignale durch Uberlappungen zustande kommen.

Tabelle 2. Bandenbreiten in fixierten und in umklappenden Systemen Die Zahlen in Klammern geben die Werte fur die entsprechenden N-Methyl-Verbindungen

der genannten Amine an.

Fixiertes System Bandenbreite [Hz] Reinsubstanz Losung in CHCIS

NH2- und Alkylgruppe aquatorial trans-4-tert.-Butyl-cyclohexylamin trans-4-tert.-Butyl-cyclohexylamin-[ND~] trans-F-Decalyl-cis-amin trans-P-Decalyl-cis-amin-[ND2] cis-3-tert.-Butyl-cyclohexylamin cis-3-tert.-Butyl-cyclohexylamin-[N D2]

NHZ-Gruppe axial, Alkylgruppe aquatorial cis-4-tert.-Butyl-cyclohexylamin cis-4-tert.-Butyl-cyclohexylamin-[ND~] trans-P-Decalyl-trans-amin trans-fi-Decalyl-trans-amin-[ND~] trans-3-tert.-Butyl-cyclohexylamin

30 30 31 31 30 31.5 30 31 - 29.5

29 Mittelwert 30.3 -

1 1 (12) - 1 1 11.5 11.5 12 1 1 12

Mittelwert 11.5 12.5 -

Umklappendes System Reinsubstanz Losung in CHC13

trans-3-Methyl-cyclohexylamin trans-3-Methyl-cyclohexylamin-[ND~] * )

cis-4-Methyl-cyclohexylamin cis-4-Methyl-cyclohexylamin-~ND~] * )

*) Entsprechend -[ND-CHJ bei den N-Methyl-Verbindungen.

17 (15.5) 18 (15.5) 17 (14.5) 18 (16) 18 (15.5) 17.5 (15) 17 (15.5) 17.5 (15.5) Mittelwert 17.5 (15.5)

1965 Konstellationsanalyse rnit Hilfe der Kernresonanzspektroskopie, I1 69

AnlaB zu weiteren Fehlern kann das Auftreten eiiier ,,long-range-coupling" geben, die durch nochmalige Aufspaltung der auBeren Signale eine Bandenverbreiterung zu bewirken vermag. Sie ist wahrscheinlich auch dafur verantwortlich, da8 die meisten Signale nicht oder nur unvollstandig aufspalten. Die so bewirkten Abweichungen der Bandenbreite sind aber gering und werden dadurch kompensiert, daI3 auch die Signale der Bezugssubstanzen durch ,,long-range-coupling" verbreitert werden.

DIE AG-WERTE

In den Gleichungen (1 ) und (2) gehen die MeBwerte als Differenzen in einen Quoti- enten ein. Sie verlieren daher nahezu jeden Aussagewert, wenn der Zahler gegen den Nenner oder der Nenner gegen den Zahler klein wird. Der Unterschied in der che- mischen Verschiebung zwischen axialen und aquatorialen X-Protonen betragt aber nur 30-40 Hz. Die apparativ bedingte Ungenauigkeit darf mit + 1 Hz angenommen werden. Die MeBgenauigkeit fur die Bandenbreite und das Zentrum langer, flacher und nicht aufgeloster Signale kann oft gering sein. So sind einigermaI3en verlaBliche Ergebnisse nur dann zu erwarten, wenn die Substanzen, deren Cleichgewicht gemessen werden soll, Cleichgewichtskonstanten aufweisen, die von 1 nicht sehr verschieden sind.

Aus diesen Grunden wurde der AG- Wert der Aminogruppe nicht am Cyclohexylamin selbst, sondern an den 3- und 4-Methyl-cyclohexylarninen gemessen. Der aus den Gleichungen (1) und (3) erhaltene Wert fur AG setzt sich dann aus AG,,, und ACCH3 zusammen. AGCH, wurde mit 1.7 kcal/Mol eingesetzt3). Beide Methoden (chemische Verschiebung bzw. Bandenbreite) fuhren zu ubereinstimmenden Ergebnissen (Tab. 3), die im Einklang rnit den Befunden von ELIEI.~) stehen.

Tabelle 3. AG-Werte fur den ubergang einer Amino-, einer N-Methyl-amino- und einer Isopropyl-Gruppe aus der aquatorialen in die axiale Lage am Cyclohexan-Ring

Losungsmittel : Chloroform.

Untersuchtes Cyclohexylamin

AG[kcal/Mol] aus chem. Banden- Bezugs-

cyclohexylamin Verschiebung breite -~ -~

cis-4-Methyl- 4-tert.-Butyl- 1.30 (1.05Ia) 1 1.23b) trans-3-Methyl- 3 -tert .-Butyl- 1.22 N-Methyl-cis-4-methyl- N-Methyl-4-tert.-butyl- 1.1 N- Methyl-trans-3-methyl- N-Methyl-3-tert.-butyl-e) 1 .o 1 0 .9~)

trans-3-Isopropyl- 3-terL-Butyl- 2.2 2.25d) a) In Klammern = AG-Wert der Reinsubstanz. b) Mittelwert von cis- und trans-Amin, bezogen auf Mittelwert von angegebenen Bezugssubstanzen + trans-

P-Decalylamin. c) Mittelwert von cis- und trans-N-Methyl-amin, bezogen auf Mittelwert von angegebenen Bezugssubstanzen +

4-tert.-Butyl-cyclohexylamin + trans-B-Decalylamin. d) Bezogen auf Mittelwert von angegebener Bezugssubstanz + 4-tert.-Butyl-cyclohexylamin + trans-~-Decalyl-

amin. e) Berechneter Wert.

70 H. FELTKAMP, N. C. FRANKLIN, K. D. THOMAS und W. BRUGEL Bd. 683

Wahrend die erste Methode hohe Anforderungen an die Auswahl der Bezugs- substanzen stellt und die chemische Verschiebung vom verwendeten Losungsmittel abhangig ist (Tab. 3), scheint die zweite Methode allgeineiner anwendbar zu sein, da die Bandenbreite von der Grofie der Kopplungskonstanten abhangt, die durch Faktoren aufierhalb des Molekuls im allgemeinen nicht beeinflufit wird. Damit wird es auch moglich, den eigentlichen Mefifehler klein ZLI halten, indeni der Mittelwert aus verschiedenen Messungen an unterschiedlichen Substanzen und bei verschiedenen Bedingungen gebildet wird (Tab. 3).

In gleicher Weise wurde versucht, aus den Kernresonanzspektren die Gleichgewichts- konstante fur sirbstituierte N-Methyl-cyclohexylamine zu ermitteln. Dieses Vorhaben wurde dadurch erschwert, dafi das Signal des X-Protons beim N-Methyl-trans-4-tert.- butyl-cyclohexylamin von den Ring-Protonen uberlappt wird und daher weder in seiner Lage noch in seiner Breite exakt gemessen werden kann. Dagegen liegt das Signal des X-Protons im N-Methyl-cis-4-tert.-butyl-cyclohexylamin frei. Die Breite dieses Signals entspricht rnit 12 Hz genau der Breite des Signals eines primaren Amins rnit axialer Aminogruppe. Das deutet darauf hin, dafi die Kopplungskonstanten durch die N-Methylierung nicht beeinflufit werden. Man konnte dann als Breite des Ver- gleichssignals mit aquatorialer Aminogruppe wieder 30.3 Hz einsetzen. Dafur spricht auch die Tatsache, dafi im Spektrum des N-Methyl-cis-3-methyl-cyclohexylamins die Kopplungskonstanten JAx und JBx zu 10.5 und 3.5 Hz gemessen werden, obwohl ein Teil des Signals der X-Protonen unter dem der N-Methyl-Gruppe liegt. Diese Werte stimmen mit den am cis-3-Methyl-cyclohexylamin gemessenen vollig uberein (Tab. 3).

Ein zweiter Weg, den AG-Wert fur die NHCH3-Gruppe zu messen, besteht darin, die Lagen der Signale fur das X-Proton in den fixierten Konstellationen festzulegen. Nicht uberlappt und gut zu messen ist das Signal des X-Protons im N-Methyl-cis- 4-tert.-butyl-cyclohexylamin, das in Chloroformlosung bei 7.30 T liegt. Die Lage des entsprechenden Signals vom trans-Isomeren ist nicht so genau zu bestimmen, liegt aber bei etwa 7.92 r . Der Unterschied in der chemischen Verschiebung zwischen axialem und aquatorialem X-Proton ist damit ungefahr so grofi wie in den nicht- methylierten Aminen.

Auch die chemische Verschiebiig in den 3-substituierten, fixierten N-Methyl-aminen lafit sich mit einiger Sicherheit bestimmen. Das Zentrum des Signals fur das X-Proton im N-Methyl-cis-3-methyl-cyclohexylamin liegt bei 7.73 7. Da dieses Isomere zum grofiten Teil in der Konstellation mit aquatorialen Substituenten vorliegt, mufi das vollig fixierte System einen ganz ahnlichen Wert fur T besitzen, der aber ein klein wenig hoher ist. Dieser Unterschied betragt bei den entsprechenden primaren Methyl- cyclohexylaminen und ihren fixierten Bezugssubstanzen ungefahr 0.04 T (vgl. Tab. 1). So kann der Wert fur die chemische Verschiebung des X-Protons in einem fixierten, 3-substituierten N-Methyl-cyclohexylamin rnit ziemlicher Sicherheit als 7.77 r ange- nommen werden.

1965 Konstellationsanalyse mit Hilfe der Kernresonanzspektroskopie, I1 71

Aus Tabelle 1 geht ebenfalls hervor, dal3 sich die chemische Verschiebung stellungs- isomerer Substanzen mit aquatorialem X-Proton um 0.1 5 T unterscheidet, je nachdem ob der Substituent in 3- oder in 4-Stellung steht. So kann man, ausgehend vom Signal des N-Methyl-cis-4-tert.-butyl-cyclohexylamins, die Lage des entsprechenden Signals im 3-substituierten Isomeren mit ungefahr 7.15 T annehmen.

Mit Hilfe von drei verschiedenen Bezugssystemen laBt sich so der dG-Wert der NHCH3-Gruppe bestimmen (Tab. 3). Erstaunlicherweise ergeben sich dabei Werte, die unter dem AG-Wert der freien Aminogruppe liegen.

Wenn auch die beiden Analysen mit Hilfe einer nur berechneten Bandenlage keine groRe Beweiskraft besitzen, so ist doch hier die Messung der Bandenbreite genau durchzufiihren; und gerade diese Messung ergibt den niedrigsten Wert fur AG (0.9 kcal/Mol).

Es bedarf also offenbar geringerer Energie, eine N-Methyl-aminogruppe aus der Aquatorial- in die Axialstellung zu bringen als eine primare Aminogruppe. Eine Er- klarung fur dieses Verhalten kann noch nicht gegeben werden. Man konnte dabei an einen Entropieeffekt denken, da die freie Drehbarkeit der Methylaminogruppe in der Axialstellung starker behindert sein wird als in der Aquatorialstellung.

Die Kenntnis des AG-Wertes der Aminogruppe ermoglicht es, die GroBe von d C fur andere Substituenten zu uberprufen. Das wurde rnit Hilfe der Gleichungen (l), ( 2 ) und (3) fiir die Zsopropylgruppe am trans-3-Isopropyl-cyclohexylamin vorgenommen. Das Ergebnis (Tab. 3) steht in guter Ubereinstimmung mit dem von ALLINGER und Mitarbeitern 8) auf anderem Wege erhaltenen Wert von 2.1 kcal/Mol.

Der Versuch, den AG-Wert fur die Dimethylaminogruppe auf demselben Weg zu erhalten, scheitert daran, daB die Signale der X-Protonen von den Signalen anderer Protonen im Mole- kiil iiberlappt werden.

DISKUSSION DER NMR-SPEKTREN

Ring-Protonen Die chemische Verschiebung zwischen axialen und aquatorialen Ring-Protonen der

CH2-Gruppe am Cyclohexanring wird allgemein rnit 0.8 - 1 T angenommen. In einem fixierten Cyclohexanring sollten daher die beiden Protonenarten getrennt sicht- bar sein. In einem rasch umklappenden Cyclohexanring wird dagegen ein schmales Signal erwartet, da die einzelnen Protonen haufig aus der axialen in die aquatoriale Stellung und zuruck ubergehen.

Abbildung 2a zeigt ein Cyclohexan-Derivat einheitlicher Konstellation. Das Signal der Ring-Protonen ist zwischen 8 und 9 T zu erkennen und zeigt zwei durch weitere Aufspaltungen unterteilte Hauptbanden, deren Zentren ungefahr 0.7 T voneinander entfernt sind. Abbildung 2b zeigt das zugehorige Isomere, das aber in einem rasch umklappenden Gleichgewicht vorliegt. Die Ring-Protonen erscheinen hier in einem schmalen Signal bei ungefahr 8.6 T.

8) N. L. ALLINGER, L. A. FREIBERG und S.-E. Hu, J. Amer. chem. SOC. 84, 2836 (1962).

72 H. FELTKAMP, N. C. FRANKLIN, K . D. THOMAS und W. BRUGEL Bd. 683

DaB auch fixierte Cyclohexanringe ein schmales Signal fiir die CH2-Protonen des Ringes zeigen konnen, fanden erstmals MULLER und TOSCH~) am 1-Methyl-4-tert.- butyl-cyclohexan. Sie fuhrten dies auf den Einflul3 eines axialen Alkylsubstituenten zuriick. DaB dieser EinfluB aber nicht nur von einem Alkylsubstituenten, sondern auch

7.67 8.27 X.97 9.05 10.0

7.36 9 x.5x

Abbildung 2

5 IO.0

a

b

NMR-Spektren von 2-Methyl-N-methyl-N-deutero-cyclohexylamin a: trans-Form b : cis-Form

von anderen Substituenten bewirkt werden kann, ist in dieser Arbeit gezeigt worden. Als ein Beispiel dafur sei das NMR-Spektrum des cis-4-tert.-Butyl-cyclohexylamins gewahlt (Abb. 3). Hier betragt die Breite des Signals, gemessen in 1/4 der Bandenhohe, nicht mehr als 15 Hz. Dal3 es sich tatsachlich um ein fixiertes System handelt, geht daraus hervor, dal3 sich die Form des Signals bei hohen Teniperaturen nicht andert.

9) N. MULLER und W. C. TOSCH, J. chem. Physics 37, 1167 (1962).

1965 Konstellationsanalyse mit Hilfe der Kernresonanzspektroskopie, 11 73

Der gleiche Effekt ist irnrner dann vorhanden lo), wenn ein fixiertes Cyclohexanring- System einen oder mehrere axiale Substituenten tragt. Das Signal der Ring-Protonen ist zwar oft nicht so schmal, wie in dern hier gezeigten Beispiel, aber immer einwandfrei schrnaler als im Spektrum eines Molekiils mit ausschliel3lich aquatorialen Substi- t uen ten.

6.95 X.54 9.04 9.15 10.0

cis- Form ($

a

Abb. 3

Abb. 4

7.87 X.08 8.67 0 IS

Abbildung 3. NMR-Spektrum von cis-4-tert.-Butyl-cyclohexylamin Abbildung 4. NMR-Spektrum von N.N-Dimethyl-cis-4-tert.-butyl-cyclohexylamin

Eine nahere Analyse des Spektrums von N.N-Diniethyl-cis-4-tert.-butyl-cyclohexyl- amin (Abb. 4), das zunachst eine Ausnahme zu rnachen schien, ergibt, daB die beiden Signale bei 8.08 und 8.67 -r nicht die der axialen bzw. aquatorialen Ring-Protonen sind. Das Signal bei 8.08 ‘c entspricht drei Protonen und diirfte sich aus dem X-Proton und zwei der Diniethylarninogruppe benachbarten Protonen zusanirnensetzen (vgl. Lit. 10)). Das Signal bei 8.67 ‘c setzt sich aus den restlichen axialen und aquatorialen King-Protonen zusammen. Auch hier bewirkt der axiale Substituent also ein schmales gerneinsanies Signal fur axiale und ayuatoriale Ring-Protonen.

10) H. FELTKAMP, N. C. FRANKLIN, W. KRAUS und W. BRUGEL, Liebigs Ann. Chem. 683, 75 (1965), nachstehend.

74 H. FELTKAMP, N. C. FRANKLIN, K. D. THOMAS und W. BRUGEL Bd. 683

Welcher Art der EinfluR eines axialen Substituenten auf die chemische Verschiebung der Ring-Protonen ist, kann noch nicht entschieden werden.

Methyl-Protonen

Das Signal der Protonen der am Ring stehenden CHpGruppe wird durch das be- nachbarte Proton aufgespalten. Die Art dieser Aufspaltung ist offenbar davon abhan- gig, ob das benachbarte Proton axial oder aquatorial steht. Eine Erklarung hierfur geben MUSHER 11) sowie MULLER~). Im Zusammenhang dieser Arbeit interessiert vor allem, da13 man aus der Form des Signals entscheiden kann, ob die Methylgruppe in der Wquatoriallage fixiert ist (Abb. 2a) oder axial bzw. in einem Gleichgewicht vorliegt (Abb. 2 b).

Wir danken der DEUTSCHEN FORSCHUNGSGEMEINSCHAFT fur die groDziigige Unterstiitzung dieser Arbeit und dem DEPARTMENT OF SCIENTIFIC AND INDUSTRIAL RESEARCH fur die Ge- wahrung eines NATO Post-doctoral Research Fellowship an N. C. FRANKLIN.

B E S C H R E I B U N G DER VERSUCHE Die Kernresonanzspektren der in Tab. 1 genannten Amine wurden rnit dern VARIAN-Gerat

A 60 bei 60 MHz teils von den reinen Substanzen, sonst in Chloroformlosung aufgenommen. Darstellung und Trennong der Cyclonlkylamine sind bereits beschrieben 12).

11) J. I. MUSHER, Spectrochirn. Acta [London] 16, 835 (1960) [C. A. 55, 116 (1961)l. 12) K. D. THOMAS, Dissertation Univ. Tiibingen 1961; H. FELTKAMP, Arch. Pharrnaz. 295,

764 (1962).