Mechanistic Studies on Aminolyses of Y-Substituted Phenyl X-Substituted Thionobenzoates and on Michael-type Additions of Amines to 1-Aryl-2-propyn-1-ones

Abstract

반응중심의 편극도 변화가 반응성과 메카니즘에 미치는 영향에 대해 알아보기 위해 4-nitrophenyl benzoate (PNPB, 1c), Ο-4-nitrophenyl thionobenzoate (PNPTB, 2c)와 일련의 피리딘 유도체와의 반응에 대한 유사일차 속도상수 (kobsd)를 80 mol % H₂O/ 20 mol % DMSO 용액 내에서 분광학적인 방법으로 측정하였다. PNPB 및 PNPTB와 피리딘 유도체와의 반응에서 kobsd를 피리딘의 농도에 상관 지었을 때 직선의 상관관계를 보였으며, 반응성은 PNPTB가 PNPB보다 좋은 것으로 나타났다. Brønsted-type plot은 PNPB의 경우 기울기가 1.06인 직선으로 나타났으나, PNPTB의 경우에는 피리딘 유도체의 염기도가 증가함에 따라 기울기가 1.38에서 0.38로 감소하였다. 이를 통해 C=O에서 C=S로의 반응중심의 변화가 반응의 메카니즘에 영향을 미쳤다는 것을 알 수 있었다. O-4-nitrophenyl X-substituted thionobenzoates (2a-e)와 일련의 피리딘 유도체와의 반응에서 Brønsted-type plot에서 휘어지는 점의 pK_(a) (pK^(0)_(a))는 비이탈기의 치환기의 종류에 상관없이 9.3으로 동일하게 나타났다. 이는 비이탈기의 전자적 성질이 pK^(0)_(a)에 영향을 미치지 않는다는 것을 의미한다. O-4-nitrophenyl X-substituted thionobenzoate와 4-aminopyridine의 반응에서 Hammett plot은 비이탈기의 치환기가 전자 밀개인 4-MeO와 4-Me인 경우 직선으로부터 음의 편차를 보였다. 그러나 Yukawa-Tsuno plot을 도시한 결과 좋은 직선 상관관계를 나타냈다. 이를 통해 Hammett plot에서 음의 편차를 보인 기질은 전자 밀개 치환기와 C=S 반응중심 간의 공명 상호작용에 의한 바닥상태의 안정화 때문에 반응성이 떨어진다는 것을 알 수 있었다. 한편, Y-substituted phenyl thionobenzoates (3a-g)와 일련의 피리딘 유도체와의 반응을 수행하여 이탈기의 치환기가 반응성과 반응 메카니즘에 어떠한 영향을 미치는지를 알아보았다. 이탈기 aryloxide의 염기도가 감소할수록 반응성은 증가한다는 것을 알 수 있었다. 이탈기의 짝산의 pKa와 이차반응속도 상수 kN을 도시한 Brønsted-type plot은 피리딘의 염기도가 큰 4-oxypyridine과 4-dimethylaminopyridine의 경우 휘어지는 형태로 나타났으며, 염기도가 작은 3,4-dimethylpyridine의 경우에는 직선으로 나타났다. 휘어지는 Brønsted-type plot은 이탈기의 염기도 변화에 따라 속도결정단계가 변하는 stepwise 메카니즘으로 진행함을 의미한다. 반면, 3,4-dimethylpyridine의 경우 직선의 기울기 βlg 값이 -1.22로 크게 나타났으므로 중간체에서 이탈기가 떨어져나가 생성물이 되는 k2가 속도결정단계인 stepwise 메카니즘으로 진행함을 알 수 있었다. Y-substituted phenyl thionobenzoates (3a-g)와 세 가지 일차 아민과의 반응을 수행하여 반응 메카니즘에 이탈기의 치환기와 아민의 염기도가 미치는 영향에 대해 알아보았다. 이 반응의 k_(obsd)와 아민의 농도를 상관지은 그래프는 이탈기와 아민의 염기도에 따라 원점을 지나는 직선 혹은 위로 휘어지는 곡선의 형태로 나타났다. 위로 휘어지는 곡선은 양쪽성 이온 중간체 (T^(±)와 음이온성 중간체 (T^(－)의 두 가지 중간체를 형성하며 반응이 진행함을 보여주는 증거이므로 이 실험 결과를 통해 이탈기와 아민의 염기도에 따라 반응 메카니즘이 달라진다는 것을 알 수 있었다. 마지막으로 X-substituted-phenyl-2-propyn-1-one (4a-f)와 고리형 이차 아민과의 Michael-type 반응을 H₂O와 MeCN에서 수행하여 2차 반응속도상수 (kN)을 측정하였다. 고리형 이차아민과 4a-f의 반응에 대해 얻어진 Brønsted-type plot은 직선의 형태를 나타냈으며, 반응 용매가 H₂O에서 MeCN으로 변함에 따라 기울기(βnuc)가 0.27에서 0.38로 증가하는 것으로 나타났다. 또한 이 반응의 Hammett plot에서 치환기 X가 4-MeO인 기질은 직선으로부터 음의 편차를 타나내었는데, 공명 기여도를 나타내는 r 값을 고려하여 Yukawa-Tsuno plot을 도시한 결과 좋은 직선 상관관계를 나타냈다. 이를 통해 Hammett plot에서 음의 편차를 보인 기질은 전자 밀개 치환기와 carbonyl 기 사이의 공명 상호작용에 의한 바닥상태의 안정화 때문에 직선에서 떨어진 반응성을 나타낸다는 것을 알 수 있었다.;1. Reactions of 4-nitrophenyl benzoate and O-4-nitrophenyl X-substituted thionobenzoates with a series of pyridines Pseudo-first-order rate constants (k_(obsd)) have been measured spectrophotometically for reactions of 4-nitrophenyl benzoate (1c) and O-4-nitrophenyl X-substituted thionobenzoates (2a-e) with a series of pyridines in 80 mol % H₂O / 20 mol % DMSO at 25.0 ± 0.1 ℃. O-4-nitrophenyl thionobenzoate (2c) is more reactive than its oxygen analogue 1c toward all the pyridines studied. The Brønsted-type plot is linear with βnuc = 1.06 for the reactions of 1c, but is curved for the corresponding reactions of 2c with βnuc value decreasing from 1.38 to 0.38 as the pyridine basicity increases, indicating that the reaction mechanism is also influenced on changing the electrophilic center from C=O to C=S. The curvature center of the curved Brønsted-type plots (defined as pK^(0)_(a)) occurs at pK_(a) = 9.3 regardless of the electronic nature of the substituent X in the nonleaving group. 2. Reactions of Y-substituted phenyl thionobenzoates with a series of pyridines Second-order rate constants have been measured for the reactions of Y-substituted phenyl thionobenzoates (3a-g) with a series of pyridines in 80 mol % H₂O / 20 mol % DMSO at 25.0 ± 0.1℃. The kN increases as the substituent Y becomes a stronger EWG. The Brønsted-type plots for the reactions of 3a-g with 4-oxypyridine and 4-dimethylaminopyridine are curved downwardly as the leaving group becomes less basic. The reactions are suggested to proceed through a zwitterionic tetrahedral intermediate (T^(±)) with a change in the RDS. However, the Brønsted-type plot for the reactions of 3a-g with 3,4-dimethylpyridine is linear with large βlg (-1.22), indicating that the reactions proceed through an addition intermediate in which its breakdown to the products is the RDS. 3. Reactions of Y-substituted phenyl thionobenzoates with a series of primary amines Second-order rate constants have been measured for the reactions of Y-substituted phenyl thionobenzoates (3a-g) with a series of primary amines in 80 mol % H₂O 20 mol % DMSO at 25.0 ± 0.1℃. The plot of k_(obsd) vs amine concentration exhibits an upward curvature when the amine basicity is low or the leaving group is highly basic. Such an upward curvature indicates that the reaction proceed through two tetrahedral intermediates (a zwitterionic T^(±) and its deprotonated anionic T^(-)). 4. Michael-type reactions of 1-Aryl-2-propyn-1-ones with a series of alicyclic secondary amines Second-order rate constants (kN) have been measured for the Michael-type reactions of 1-aryl-2-propyn-1-ones (4a-f) with a series of alicyclic secondary amines in H₂O at 25.0 ± 0.1 ℃. Primary amines have been found to be less reactive than isobasic secondary amines. Brønsted-type plot is linear with a small βnuc value (βnuc = 0.27) for the reactions of 1-phenyl-2-propyn-1-one (4c) with alicyclic secondary amines. The Hammett plots for the reactions with alicyclic secondary amines show poor correlation, i.e., the substrates having an electron-donating substituent (4a) exhibit a negative deviation from the Hammett plots. However, the Yukawa-Tsuno plots for the same reactions exhibit a good linear correlation, indicating that the negative deviation shown by 4a is due to stabilization of the ground state through resonance interaction.