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Methodenartikel

Mikrowellen-unterstützte intramolekulare dehydrierende Diels-Alder-Reaktionen zur Synthese von funktionalisierten Naphthaline / Solvatochrome Dyes

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⸱

DOI:

10.3791/50511

⸱

1. April 2013

 ,  , 
1Department of Chemistry, University of Pittsburgh

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Mikrowellen-unterstützte intramolekulare dehydrierende Diels-Alder (DA) Reaktionen liefern prägnante Zugang zu funktionalisierten Cyclopenta [ B] Naphthalin Bausteine. Der Nutzen dieser Methodik wird von einem Schritt Umwandlung der dehydrogenative DA Cycloaddukte in neue solvatochromen Fluoreszenzfarbstoffen via Buchwald-Hartwig Palladium-katalysierten Kreuzkupplungen demonstriert.

Zusammenfassung

Funktionalisierte Naphthaline müssen Anwendungen in einer Vielzahl von Forschungsgebieten von der Synthese von Naturstoffen oder biologisch aktive Moleküle an die Herstellung von neuen organischen Farbstoffen. Obwohl zahlreiche Strategien berichtet worden zu Naphthalin Gerüsten zuzugreifen, viele Verfahren noch vorhandenen Einschränkungen in Bezug auf Einbindung der Funktionalität, die wiederum engt den Bereich der verfügbaren Substraten. Die Entwicklung von vielseitigen Verfahren für den direkten Zugang zu substituierten Naphthalinen ist daher äußerst wünschenswert.

Die Diels-Alder-(DA) Cycloadditionsreaktion ist ein leistungsfähiges und attraktives Verfahren zur Bildung von gesättigten und ungesättigten Ringsysteme aus leicht erhältlichen Ausgangsmaterialien. Eine neue mikrowellenunterstützte intramolekulare dehydrierende Umsetzung von DA Styrenyl hierin beschriebenen Derivate erzeugt eine Vielzahl funktionalisierter cyclopenta [b] Naphthaline, die nicht unter Verwendung von bestehenden Synthesemethode werden konntes. Beim Vergleich mit konventionellen Heizung beschleunigt Mikrowellenbestrahlung Reaktionsgeschwindigkeiten, erhöht Ausbeuten und begrenzt die Bildung von unerwünschten Nebenprodukten.

Die Nützlichkeit dieses Protokoll wird weiterhin durch die Umsetzung eines DA Cycloaddukt in eine neuartige solvatochromen Fluoreszenzfarbstoff über eine Buchwald-Hartwig-Palladium-katalysierten Kreuzkupplungsreaktion demonstriert. Fluoreszenz-Spektroskopie, als eine informative und empfindliche analytische Technik, spielt eine wichtige Rolle in der Forschung Bereichen wie Umwelt, Medizin, Pharmakologie und Zellbiologie. Der Zugang zu einer Vielzahl von neuen organischen Fluorophoren durch die Mikrowellen-unterstützte dehydrierende DA Reaktion bereitgestellt ermöglicht Weiterentwicklung in diesen Bereichen.

Einleitung

Kleinmolekül Design und die Synthese ist für die Entwicklung einer Reihe von wissenschaftlichen Bereichen, Arzneimitteln, Pestiziden, organischen Farbstoffen und weiteren 1 umfasst. Die Diels-Alder (DA) und Dehydro-Diels-Alder (DDA) Reaktionen sind besonders leistungsfähige Werkzeuge für die Synthese von kleinen zyklische und aromatische Verbindungen 2-4. Zusätzlich stellen thermische dehydrierende DA Reaktionen von Styrol mit Dienen Alkin Dienophilen eine potentiell vorteilhafte Weg zur Synthese von aromatischen Verbindungen, die durch anfängliches Bilden Cycloaddukte, die weiter unter oxidativen Bedingungen 5 kann aromatisieren. Durch den Einsatz einer thermischen intramolekulare dehydrierende Umsetzung von Styrol DA Diene mit Alkinen, die Probleme, die typischerweise mit dem Verwenden Styrol als Dien, wie unerwünschte [2 + 2]-Cycloaddition 5,6 und 7 und Polymerisationsreaktionen Armen Regioselektivität, gemindert werden und Naphthalinverbindungen zugeordneten erzeugt werden.

Die thermische intramolekulare dehydrierende DA-Reaktion von Styrolen mit Alkinen ist nicht ohne erhebliche Probleme. Erstens leiden die meisten Reaktionen von geringen Ausbeuten, lange Reaktionszeiten und hohe Reaktionstemperaturen 8-11. Zusätzlich haben viele Reaktionen nicht fördern ausschließliche Bildung des Naphthalinrings Produkt; sowohl Naphthalin und dihydronaphthalin erzeugt werden, oft als untrennbare Mischungen säulenchromatographisch 11,12. Die Haltegurte des Vorläufers Styrol-inen sind auch beschränkt auf Heteroatome und / oder Carbonylgruppen enthalten. Nur ein Beispiel ist für eine gesamte Kohlenstoff enthaltenden Haltegurt berichtet, erfordern Bedingungen von 250 ° C für 48 Stunden ordentlich um Naphthalin Formation 10 zu erhalten.

Neben begrenzte Auswahl innerhalb der Halteseile der Ausgangsmaterialien, eines von den schwersten Einschränkungen dieser Methodik der Mangel an Funktionalität unter herkömmlichen thermischen Bedingungen toleriert.Die Alkinterminus des Ausgangsmaterials entweder unsubstituiert oder mit einem angehängten Phenyl oder Trimethylsilyl (TMS)-Einheit 8-13. In einem Fall wird ein Ester am Alkinterminus gezeigt, um die dehydrierende DA Reaktion eingehen, aber diese Ergebnisse in einer Mischung aus Naphthalin und dihydronaphthalin Produkten 11. Eine spätere Vorschlag sieht vor, dass eine TMS-Gruppe angehängt Alkinterminus notwendig, exklusive Naphthalin Bildung in hohen Ausbeuten 10 zu erreichen ist. Der Mangel an vielfältigen Funktionalität für thermische dehydrierende DA Reaktionen berichtet schränkt die Möglichkeiten dieser Reaktion in Richtung der Anordnung von einzigartigen Naphthalin Strukturen.

Der Wunsch nach Veränderung in Naphthalin Strukturen stammt aus ihrer Funktion als kleines Molekül-Bausteine ​​in mehreren wissenschaftlichen Bereichen, insbesondere organische Fluoreszenzfarbstoffe 14,15. Die ausgezeichnete räumliche Auflösung und Antwortzeiten von kleinen organic Farbstoffe zum Überwachen Echtzeitereignissen 16 hat zur Entwicklung von Hunderten von kommerziell erhältlichen fluoreszierenden Verbindungen führte. Viele dieser Farbstoffe sind Naphthaline mit diskreten photophysikalischen und chemischen Eigenschaften 15. Die Wahl Fluoreszenzfarbstoffe mit spezifischen Eigenschaften einzelner Funktionen zu überwachen ist eine Herausforderung, was zu einem steigenden Bedarf für neue Klassen von Fluorophoren mit vielfältiger photophysikalischen Eigenschaften. Zu diesem Zweck würde ein thermischer intramolekulare dehydrierende Umsetzung von DA Styrolen mit Alkinen der Diversifizierung eines einzigartigen Naphthalin Gerüst ermöglicht potentiell vorteilhafte mit Anwendung auf die Entwicklung neuer Naphthalin enthaltenden Fluoreszenzfarbstoffe.

Als Alternative zu herkömmlichen Heizung ist mikrowellenunterstützte Chemie vorteilhaft, weil sie eine gleichmäßigere Erwärmung der chemischen Probe, die zu höheren Ausbeuten führt, schnellere Reaktionsgeschwindigkeiten, mildere Reaktionsbedingungen bietets, und oft unterschiedliche Selektivität der Produkte 17. Verwendung mikrowellenunterstützte gegenüber herkömmlichen Heizbedingungen für die intramolekulare dehydrierende Umsetzung von DA Styrole dient, viele der Probleme mit dieser Methodik verbunden durch Reduktionsreaktion von Tagen auf Minuten zunehmende zuvor schlechte Ausbeuten, Senken Reaktionstemperaturen und bietet mehr selektive Bildung beseitigen des gewünschten Produktes Naphthalin. Mikrowellen-unterstützte Reaktionsbedingungen können auch eher um den Einbau einer größeren Vielfalt von Funktionen in den Naphthalin-Produkte, die bisher unerreichbar war zu erleichtern. Nur eine vorherige Beispiel wurde berichtet Verwendung mikrowellenunterstützte Bedingungen für die dehydrierende DA Reaktion, bei der eine 90% ige Ausbeute von sowohl Naphthalin und dihydronaphthalin in weniger als 15 min bei 170 ° C 12 wurde erhalten.

Hierin wird eine Mikrowellen-unterstützte intramolekulare Dehydrogenase gemeldetnativen DA Reaktion Styrenyl Derivate, die die ausschließliche Bildung von funktionalisierten und vielfältige Naphthalin Produkten in weniger als 30 min und in hohen bis quantitativen Ausbeuten 18 führt. Die Nützlichkeit dieses Protokoll wird weiterhin durch die einstufige Umwandlung eines Produktes in ein Naphthalin neuartige solvatochromen Fluoreszenzfarbstoffs mit photophysikalischen Eigenschaften, die dem des populären handelsüblichen Farbstoff Prodan 19 konkurrieren demonstriert.

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Protokoll

Ein. Mikrowellen-unterstützte Dehydrierende DA Reaction

  1. Hinzufügen des para-Chlor-Styrolderivat (0,045 g, 0,18 mmol) und 1,2-Dichlorethan (3 ml) zu einer 2-5 ml Mikrowellenbestrahlung Phiole mit einem Rührstab, eine Lösung zu schaffen 0,060 M ausgestattet. Diese Konzentration wird verwendet, da höhere Konzentrationen zu der Bildung von unerwünschten Produkten führen.
  2. Verschließen Sie die Mikrowellenbestrahlung Fläschchen und platzieren Sie es in der Mikrowellen-Synthesizer Hohlraum.
  3. Bestrahlen der Lösung bei 180 ° C für 200 min unter Rühren und mit festen Haltezeit auf. Die Haltezeit ist, wie lange Bestrahlung wird an der vorgesehenen Temperatur erfolgen. Die Reaktionsmischung wird sich goldene Farbe. Längere Reaktionszeiten sind nicht nachteilig auf die Ausbeute der Umsetzung.
  4. Bestätigen Sie die Reaktion abgeschlossen ist durch Dünnschichtchromatographie (TLC) unter Verwendung von 5% Ethylacetat / Hexan als Eluens. Visualisieren Sie die DC-Platte mit UV-Licht und Kaliumpermanganat färben. Der Rf des reactant und Produkt sind 0,2 und 0,25 sind.
  5. Übertragen der Reaktion auf ein Szintillationsfläschchen unter Verwendung von 1 ml 1,2-Dichlorethan, um die Mikrowelle Reaktionsgefäß spülen. Dies führt zu etwa 3 ml Lösung in dem Szintillationsfläschchen.
  6. Konzentrieren die Inhalte des Szintillationsfläschchen unter vermindertem Druck bei 40 ° C unter Verwendung eines Rotationsverdampfers (10-30 mm Hg). Verdampfen des Lösungsmittels erfordert 5-10 min, und 45 mg eines rohen braunen Öls erhalten werden. Das Rohöl ist stabil und kann auf unbestimmte Zeit ohne Zersetzung gelagert werden.
  7. Das rohe Öl durch Filtration über eine Pipette Kieselgel mit 5% Ethylacetat / Hexanen als Elutionsmittel gereinigt, um 41 mg von Naphthalin als weißer Feststoff gewinnen.
  8. Bestätigen die Identität des Produkts durch 1 H Kernspinresonanz (NMR)-Spektroskopie mit deuteriertem Chloroform (CDCl 3) als Lösungsmittel. Für ein 300-MHz-NMR-Spektrometer, das 1 H-NMR-Spektrum des Naphthalins wie folgt: 7,80 (d, J = 1,8 Hz, 1H), 7,72 (d, J = 9,0 Hz, 1H), 7,70 (s, 1H), 7,38 (dd, J = 1,8, 9,0 Hz, 1H), 3.07 (t, J = 7,1 Hz , 4H), 2.66 (s, 3H), 2,18 (p, J = 7,1 Hz, 2H) ppm.

2. Buchwald-Hartwig Palladium-katalysierten Kreuzkupplung

  1. Fügen Ruphos Palladacyclus (3 mg, 0,004 mmol) in einem Ofen getrocknet 0.5-2 ml Biotage Mikrowellenbestrahlung Fläschchen mit einem Rührstab und Kappe das Fläschchen ausgestattet.
  2. Evakuieren und füllen das Fläschchen mit Stickstoff dreimal durch Durchstechen des Septums der Kappe mit einem kleinen Nadel. Nach Spülen des Fläschchens abgeschlossen ist, entfernen Sie die Nadel. Die Mikrowellenbestrahlung Fläschchen wird als geschlossenes Rohr während der Reaktion fungieren, und die besten Ergebnisse erhalten, wenn minimalen Luft vorhanden ist in dem Reaktionsgefäß.
  3. Durch das Septum, fügen Lithiumbis (trimethylsilyl) amid (0,32 ml einer 1,0 M Lösung in THF, 0,32 mmol) mit einer Spritze unter Rühren zugegeben. Die Lösung färbt sich rot.
  4. Nach Rühren für 2-10 min, fügen Naphthalin (0,038 g,0,16 mmol) in 0,3 ml wasserfreiem Tetrahydrofuran (THF) über eine Spritze. Zusätzliche THF (bis zu 0,2 ml) verwendet werden, um das Naphthalin vollständig auflösen werden.
  5. Nach 2-10 min Rühren hinzufügen, Dimethylamin (0,12 ml einer 2,0 M Lösung in THF, 0,24 mmol) über eine Spritze und senken das Reaktionsgefäß in einen vorgewärmten 85 ° C Ölbad.
  6. Die Reaktionsmischung wird für 3 Stunden bei 85 ° C, oder bis die Reaktion vollständig durch TLC. Das Reaktionsgemisch wird dunkelbraun in der Farbe. Für TLC, nutzen 20% Ethylacetat / Hexan als Elutionsmittel und visualisieren die erhaltene Platte mit UV-Licht und Kaliumpermanganat färben. Die R f der Edukt und Produkt sind 0,5 bzw. 0,4.
  7. Die Reaktion wird auf Raumtemperatur, entfernen Sie die Kappe der, und wird die Reaktion mit gesättigter wässriger Ammoniumchlorid-Lösung (10 ml).
  8. Verwendung einer 60 ml-Scheidetrichter, trennt die wäßrige Schicht von der organischen Schicht. Die wässrige Schicht dreimal mit Ethylacetat (12 ml).
  9. Die organischen Schichten im Scheidetrichter und waschen einmal mit Salzlösung (15 ml).
  10. Die vereinigten organischen Schichten über Natriumsulfat für 10 min, und entfernen Sie dann das Natriumsulfat durch Schwerkraft Filtration.
  11. Verwendung eines Rotationsverdampfers konzentriert die erhaltene Lösung unter vermindertem Druck bei 30 ° C (10 bis 30 mmHg). Verdampfen des Lösungsmittels erfordert 5-10 min, und ein rohes braunes Öl erhalten werden.
  12. Das Rohprodukt wird durch Kieselgel-Säulenchromatographie mit einer 1,5 cm Chromatographiesäule und 5% Ethylacetat / Hexanen als Elutionsmittel gereinigt. Der Farbstoff wird mit 27 mg eines gelben Feststoffs erhalten werden.
  13. Bestätigen die Identität des Produkts durch 1 H-NMR-Spektroskopie unter Verwendung von CDCl 3 als Lösungsmittel. Für ein 400-MHz-NMR-Spektrometer, das 1 H-NMR-Spektrum für das Farbstoff ist wie folgt: 7,64 (d, J = 9,0 Hz, 1H), 7,56 (s, 1H), 7,11 (dd, J = 2,5, 9,0 Hz, 1H ), 6,87 (d, J = 2,5 Hz, 1H), 3.02 (s, 6H), 3,02 bis 2,87 (m, 4H), 2,65 (s, 3H), 2.12 (p, J = 7,3 Hz, 2H) ppm.

3. Herstellung des Farbstoffs Lösung für Photophysikalische Studies

  1. Übertragen 1 mg des Farbstoffs in einem sauberen, trockenen 10 ml-Messkolben und verdünnen das Volumen mit Dichlormethan (DCM), um eine 0,4 x 10 -3 M Stammlösung des Farbstoffs zu erhalten.
  2. Übertragen 253 ul der Stammlösung zu einem zweiten 10 ml Messkolben und verdünnen das Volumen mit DCM eine 1 x 10 -5 M Lösung des Farbstoffs vorzubereiten. Diese Lösung wird verwendet, um sowohl die UV-Vis und die Fluoreszenzdaten für den Farbstoff zu sammeln.

4. UV-Visible Absorption Spectroscopy

  1. Füllen Sie zwei Quarz-Spektralphotometer Zellen mit DCM. Dies sind die Blindproben. Legen Sie sie in den UV-Vis-Spektralphotometer Hohlraum. Berühren Sie niemals die optischen Flächen der Zelle. Behandeln Sie die Zellen an der Spitze der Seitenplatten, die nicht stellen, die optische Achse.
  2. Stellen Sie die instrumentelle Parametereine Schlitzbreite von 2 und eine Erfassungsrate von 480 nm / min. Wählen Sie einen Namen für die Probe und wählen Sie einen Erfassungsbereich von 600 bis 200 nm.
  3. Sammeln Sie die Hintergrund-Spektrum, entfernen Sie die Probenzelle aus dem Gerät, entleeren und spülen mit mehreren Portionen der 1 x 10 -5 M Farbstofflösung vor dem Befüllen. Überfüllen vermeiden die Zelle. Vor dem Einsetzen der Küvette wieder in die Halterung, wischen die Zellenfenster mit einem sauberen Linsengewebe.
  4. Sammeln das Absorptionsspektrum der Probe ist. Das Absorptionsmaximum liegt bei 377 nm beobachtet.
  5. Sorgfältig reinigen Quarz Spektralphotometer Zellen mit Wasser, Aceton und Ethanol, bevor Sie UV-Vis-Absorptions-Analysen auf anderen Proben.
  6. Verwenden Sie Excel oder Origin-Software zu plotten und Analyse der gesammelten Daten.

5. Fluoreszenz-Emission Spectroscopy

  1. Füllen Sie eine Quarz-Fluorometer Zelle mit der 1 x 10 -5 M Farbstofflösung und legen Sie es in den spectrofluorometer. Hautkontakt mit den optischen Flächen der Zelle.
  2. Festlegen der instrumentelle Parameter: Anregungswellenlänge bei 334 nm, Schlitzbreite 2, Erfassungsrate von 0,1 nm / sec, Akquisition Bereich von 390 bis 750 nm. A 390 nm-Cut-on-Filter benötigt wird, um gestreutes Licht von der Emissionsquelle zu entfernen.
  3. Sammeln das Fluoreszenzemissionsspektrum der Probe. Die Fluoreszenzemission Maximum bei 510 nm beobachtet.
  4. Reinigen Sie die Quarz-Fluorometer Zelle mit Wasser, Aceton und Ethanol bevor Fluoreszenz Analysen auf anderen Proben.
  5. Verwenden Sie Excel oder Origin-Software zu plotten und Analyse der gesammelten Daten.

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Ergebnisse

Mikrowellenbestrahlung (MWI) des Styryl-Derivaten bei 180 ° C führt zu einer vollständigen Cyclopenta [b] naphthalin Bildung in weniger als 30 Minuten und in hohen bis quantitativen Ausbeuten (Abbildung 1) 18. Kein Dihydronaphthalin Nebenprodukt ist beobachtet, und durch 1 H-NMR-Spektroskopie die Produkte erscheinen rein, ohne die Notwendigkeit für zusätzliche Reinigung nach der Bestrahlung (Abbildung 2). Verschiedene Änderungen an den Naphtha...

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Diskussion

Mikrowellen-unterstützte Dehydrierende DA Reaction

Die intramolekulare dehydrierende DA Reaktion Styrenyl Vorstufen durch Mikrowellenbestrahlung (MWI) produziert diverse Naphthalin-Strukturen in hohen Ausbeuten von 71-100% und kurze Reaktionszeiten, benötigen weniger als 30 min (Abbildung 1) 18. Der schwierigste Aspekt des Durchführens der dehydrierende DA Reaktion Lösungsmittel-Auswahl, die oft kompliziert ist, weil eine Vielzahl von Lösungsmittel Merkmale berücksic...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass sie keine finanziellen Interessen haben.

Danksagungen

Wir danken der National Science Foundation (CHE0910597) und den National Institutes of Health (P50-GM067982) für die Unterstützung dieser Arbeit. Wir sind dankbar, dass Professor Michael Trakselis (University of Pittsburgh) für hilfreiche Diskussionen über Fluoreszenzmessungen. Wir erkennen an, Kristy Gogick und Robin Sloan (University of Pittsburgh) für ihre Unterstützung bei der Erhebung Fluoreszenz-Daten.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Reagenz/Material
>1,2-Dichlor– Than, ACS-Reagenz ≥ 99,0% Sigma-Aldrich319929
SiliaPlate G TLC - glasrückseitig, 250 μ mSilicycleTLG-R10011B-323
Ethylacetat, zertifiziert ACS ≥ 99,5%Fisher ScientificE14520
Hexane, zertifiziert ACS ≥ 98,5Fisher ScientificH29220
Kieselgel, StandardqualitätSorbent Technologies30930M60 A, 40-63 μ M (230 x 400 mesh)
RuPhos palladacycleStrem46-0266
StickstoffgasMatheson TRIGASNI304Stickstoff 304cf, industriell
Lithium-Bis(trimethylsilyl)amid-LösungSigma-Aldrich2257701,0 M Lösung in THF
Tetrahydrofuran wasserfrei ≥ 99,9%Sigma-Aldrich401757Inhibitorfreie
DimethylaminlösungSigma-Aldrich3919562,0 M Lösung in THF
AmmoniumchloridFisher ScientificA661-500
Natriumsulfat, wasserfrei (granuliert)FisherScientific S421-500
ChromatographiesäuleChemglassCG-1188-04½ in ID x 18 Zoll E.L.
Cyclohexan, ≥ 99,0%Fisher ScientificC556-1
Toluol wasserfrei, 99,8Sigma-Aldrich24451
1,4-Dioxan wasserfrei, 99,8Sigma-Aldrich296309
Tetrahydrofuran wasserfrei, ≥ 99,9 %Sigma-Aldrich186562250 ppm BHT als Inhibitor
DichlormethanSigma-Aldrich650463Chromasolv Plus
Chloroform, ≥ 99,8 %Fisher ScientificC298-1
wasserfreies Acetonitril, 99,8 %Sigma-Aldrich271004
Dimethylsulfoxid, ≥ 99,9%Fisher ScientificD128
Ethylalkohol Pharmco-AAPER11ACS200Absolute
Equipment
Microwave SynthesizerBiotageBiotage Initiator Exp
MikrowellenfläschchenBiotage3520160,5 – 2 ml
MikrowellenfläschchenBiotage3515212 – 5 ml
Mikrowellen-FläschchenkappeBiotage352298
MikrowellensynthesizerAnton PaarMonowave 300
Mikrowellenfläschchen G4Anton Paar99135
MikrowellenfläschchenkappeAnton Paar88882
NMR-SpektrometerBrukerAvance300 oder 400 MHz
UV-sichtbar SpektrometerPerkinElmerLamda 9
Spektralphotometer ZelleStarna Cells29B-Q-10Spectrosil Quarz, Weglänge 10 mm, semi-mikro, schwarzwandig
Spektrofluorometer HORIBA Jobin YvonFluoroMax-3 S4
Fluorometer ZelleStarna Cells29F-Q-10Spectrosil Quarz, Weglänge 10 mm, semi-micro
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Referenzen

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Mikrowellenunterst tzte dehydrogenierende Diels Alder ReaktionSynthese funktionalisierter Naphthalinesolvatochrome FluoreszenzfarbstoffeBuchwald Hartwig KreuzkupplungFluoreszenz EmissionsspektroskopieStyrol Derivat VorstufenCyclopenta naphthalen BildungPalladium katalysierte KupplungUV Vis AnalyseKieselgel Chromatographie
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