Bullvalen
Bullvalen ist ein ungesättigter polycyclischer, verbrückter Kohlenwasserstoff mit einer Käfigstruktur, der trotz eines Cyclopropan-Strukturelements äußerst stabil ist.
| Strukturformel | |||||||||||||
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| Allgemeines | |||||||||||||
| Name | Bullvalen | ||||||||||||
| Andere Namen | Tricyclo[3.3.2.02,8]deca-3,6,9-trien (IUPAC) | ||||||||||||
| Summenformel | C10H10 | ||||||||||||
| Kurzbeschreibung | kristalliner Feststoff[1] | ||||||||||||
| Externe Identifikatoren/Datenbanken | |||||||||||||
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| Eigenschaften | |||||||||||||
| Molare Masse | 130,19 g·mol−1 | ||||||||||||
| Aggregatzustand | fest | ||||||||||||
| Schmelzpunkt | |||||||||||||
| Siedepunkt | ab 400 °C: Zersetzung zu Naphthalin und Wasserstoff[2] | ||||||||||||
| Sicherheitshinweise | |||||||||||||
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| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa). | |||||||||||||
Geschichte und Name
Der Ursprung des Namens Bullvalen ist nicht sicher bekannt. Möglicherweise basiert er auf dem Spitznamen von William „Bull“ Doering, der 1963 gemeinsam mit Wolfgang Richard Roth aufgrund theoretischer Berechnungen die Eigenschaften des Moleküls vorhersagte.[4][5] Die Erstsynthese gelang im gleichen Jahr Gerhard Schröder durch Photolyse eines dimeren Cyclooctatetraen unter Abspaltung von Benzol.[6]
Darstellung
Bullvalen ist synthetisch aus Cyclooctatetraen zugänglich. Durch Erhitzen von Cyclooctatetraen 1 erhält man ein Gemisch der beiden dimeren C16H16-Verbindungen 2 und 3.[7] Aus der pentacyclischen Verbindung 3, die ein Homotropiliden-Strukturelement aufweist, erhält man photochemisch durch UV-Bestrahlung Bullvalen 4 unter Abspaltung von Benzol 5.[6]
Eigenschaften und Reaktionen
Bullvalen bildet farblose Kristalle mit einem Schmelzpunkt von 96 °C. Erst bei 400 °C zerfällt die Substanz in Naphthalin und Wasserstoff. Die Verbindung geht die zu erwartenden Additionsreaktionen ein, indem jeweils 4 Mol Brom oder Wasserstoff für drei Doppelbindungen und den Cyclopropanring verbraucht werden. Durch wiederholte Bromierung und anschließender Dehydrobromierung sind substituierte Bullvalenderivate leicht zugänglich.[8] Die Brombullvalene wiederum können durch bekannte Substitutionsreaktionen in Aryl-, Alkyl- oder Fluorbullvalene überführt werden.
Struktur
Im Bullvalen sind die drei Kohlenstoffatome eines Cyclopropanrings über drei Vinylenbrücken sternförmig mit einem Methinrest zu einer überraschend stabilen tricyclischen Struktur verbunden.
Der Grund liegt in der Stabilisierung des Systems durch Valenzisomerie, in diesem Fall durch eine [3,3]-sigmatrope Umlagerung, der sogenannten Cope-Umlagerung. In einem diskreten Bullvalenmolekül liegen drei mögliche Cope-Systeme vor. Über einen sechsgliedrigen Übergangszustand bricht bei der Cope-Umlagerung im Bullvalender Cyclopropanring auf und unter Verschiebung der Doppelbindungen wird ein neuer Cyclopropanring gebildet. Infolge der spezifischen Struktur des Bullvalens geht aus dieser Umlagerung jedoch wieder ein Bullvalenmolekül hervor, nur nehmen die Kohlenstoffatome individuell andere Plätze im neuen Molekül ein. Man bezeichnet dieses Phänomen auch als entartete Cope-Umlagerung
jeweiligen Valenzisomeren der intramolekularen Cope-Umlagerung
Ab 100 °C erfolgen die Cope-Umlagerungen zwischen den mehr als 1,2 Millionen Valenzisomeren (genau 10!/3 = 1.209.600 Möglichkeiten) so rasch, dass das 1H-NMR-Spektrum der Wasserstoffatome nur mehr ein einziges, scharfes Signal bei 4,2 ppm aufweist.[9][10] Das bedeutet, dass bei dieser Temperatur alle Wasserstoffatome gleichwertig sind und führte zum Ausdruck der „fluktuierenden Struktur“. Diese Annahme konnte durch Röntgenstrukturanalyse bei Raumtemperatur und Neutronenbeugungsexperimente bei 100 K bewiesen werden.[1]
