Kinetic Studies on Nucleophilic Substitution Reactions of 2,4-Dinitrofluorobenzene, Aryl 2-Thiophenecarbxylates, Benzoates, and Phenyl Carbonates

Abstract

본 논문은 아래와 같이 3 가지 친핵성 치환반응에 관한 것으로 각각의 논문개요는 아래와 같다. (1) Aryl 2-thiophenecarboxylates의 가 아민 분해반응 20 mol % DMSO 수용액에서 Y-substituted phenyl 2-thiophenecar- boxylates (1a-h)와 일련의 고리형 2차 아민과의 가 아민 분해반응을 유사 일차반응 조건에서 수행하고 유사 일차반응 속도상수 (kobsd)를 분광학적으로 측정하였다. 화합물 1a-h와 piperidine의 Brønsted-type 그래프는 아래로 휘어졌다. Brønsted-type plot에서 휘어지는 곳의 중심을 pKao라 하며 상기 반응에서 pKao는 6.4이다. 이와 같이 휘어진 그래프에서 이탈기의 염기도가 작을 때와 클 때의 기울기를 각각 βlg1 과 βlg2 하며 이 값은 각각 -0.31, -1.30으로 얻어졌다. 이로부터 1a-h의 가 아민 분해 반응은 2 단계 stepwise 메커니즘으로 진행하며 속도결정단계는 pKa = 6.4 전후에서 변한다고 주장할 수 있었다. Brønsted 그래프가 휘어지거나 꺾이는 곳 즉, pKao에서는 k2/k-1 = 1 이 된다. 기질 1a-h의 반응에서의 pKa° = 6.4이고 친핵체인 piperidine의 짝산의 pKa는 11.02이므로 pKa°는 친핵체의 짝산의 pKa 보다 약 5정도 작은 값을 갖는다. 이것은 아민의 염기도가 이탈기의 염기도보다 4 - 5 pKa 정도 더 큰 값을 갖게 되면 속도결정단계가 변한다는 일반적인 보고들과 일치하는 것이다. 반면, 1a-h 와 morpholine의 반응인 경우 βlg 값이 -1.29로 큰 음의 값을 나타내었다. 이로부터 이 반응은 중간체에서 이탈기가 떨어져나가 생성물이 되는 단계가 속도결정단계인 stepwise 메카니즘으로 진행함을 알 수 있었다. 또, 상기 반응 결과를 본 실험실에서 이미 보고한 바 있는 Y-substituted phenyl 2-furoates (2a-h)의 가 아민 분해반응과 비교하여 비이탈기가 2-furoyl에서 2-thiophenecarbonyl로 변했을 때 반응성과 반응 메커니즘에 미치는 영향을 연구하였다. 그 결과 1a-h는 대응하는 2a-h 보다 반응성이 낮았으나 반응 메커니즘과 pKao 값은 동일하였다. (2) 2,4-dinitrofluorobenzene의 SNAr 가 아민 분해반응 물과 MeCN 두 용매에서 2,4-dinitrofluorobenzene (DNFB, 3)과 일련의 고리형 2차 아민과의 SNAr 반응에 대한 kobsd를 분광학적 방법으로 측정하였다. 용매가 물일 때는 kobsd와 아민의 농도를 상관 지은 그래프는 원점을 지나는 직선이었다. 이것은 아민에 의한 일반 염기 촉매작용이 없다는 것을 의미하며, 이 직선의 기울기로부터 이차 반응 속도상수 kN 값을 구할 수 있었다. 그러나 용매가 MeCN 일 때는 kobsd와 아민의 농도를 상관 지은 그래프가 위로 휘어지는 곡선으로 나타났다. 이와 같이 위로 휘어지는 곡선은 아민에 의한 일반 염기 촉매작용이 있다는 것을 의미한다. 용매가 MeCN 일 때 각 미시단계의 속도상수 (k1, k2/k-1, 그리고 k3/k-1) 는 사용한 아민 모두 k2/k-1은 1 보다 작았고, k3/k2 는 100 보다 컸다. k2/k-1이 1 보다 작다는 것은 양쪽성 이온 중간체의 형성이 속도결정단계 전에 일어 난다는 것을 의미하고, k3/k2 이 100 보다 크다는 것은 아민의 농도가 0.01 M 보다 진할 때 k3 단계가 주도적이라는 것을 의미한다. 또, 용매가 물일 때 βnuc값은 0.52이고, 용매가 MeCN 일 때의 βnuc 값은 0.83 ± 0.01 이었다. (3) Aryl benzoates 및 aryl phenyl carbonates 시스템에서의 알파효과 20 mol % DMSO 수용액에서 Y-substituted phenyl phenyl carbonates (4a-h)와 Y-substituted phenyl benzoates (5a-i)를 반응 기질로 하고 4-chlorophenoxide (4-ClPhO^(-)와 2,3-butanedione monoximate (Ox^(-)를 각각 정상 친핵체와 대응하는 알파 친핵체로 선정하여 친핵성 치환반응을 수행하였다. Hammett plot은 치환기 Y의 σo 와 σ^(-) 상수를 사용했을 때 모두 상관관계가 좋지 않았다. 그러나 Yukawa-Tsuno plot은 Hammett plot보다 더 나은 직선의 상관관계를 보였다. Yukawa-Tsuno 방정식에서 r 값은 반응중심의 resonance 기여도를 나타내며 기질 4a-h와 5a-i 반응에서 r 값은 0.4 ± 0.1이었다. 이것은 반응이 1 단계로 진행하든지 2 단계로 진행하든지 관계 없이 전이상태에서 이탈기가 떨어진다는 것을 의미한다. 반응 메커니즘에 대한 또 다른 정보를 얻기 위하여 4-nitrophenyl phenyl carbonate (4f)와 4-nitrophenyl benzoate (5f) 와 Z-substituted phenoxides의 반응을 수행하였다. 이 반응의 Brønsted-type plot은 직선이었으며 기울기 βnuc는 각각 0.53과 0.72이었다. 이와 같은 βnuc은 전형적인 1 단계 반응에서 관측되는 값이다. 따라서 이 반응들은 1 단계로 진행하며 결합형성은 benzoate가 carbonate보다 조금 더 많이 진행하였다고 주장할 수 있었다. 한 편, 알파 친핵체인 Ox^(-)가 정상 친핵체인 4-ClPhO^(-) 보다 50 - 100 정도 (4a-h의 반응) 또는 100-200 정도 (5a-i의 반응) 높은 반응성, 즉 알파효과를 보였다. 그러나 알파효과의 크기는 이탈기의 치환기 Y의 성질과는 무관하게 거의 일정하였다. 만일 전이상태 안정화가 알파효과의 원인이라면 치환기 Y와 알파효과의 크기는 좋은 상관관계를 보였을 것이다. 따라서 알파효과의 크기와 치환기 Y는 아무 상관관계를 보이지 않는다는 사실로부터 두 친핵체 Ox^(-)와 4-ClPhO^(-)의 바닥상태 에너지 차이가 알파효과의 주 원인이라는 결론을 내릴 수 있었다.;1. Aminolysis of Aryl 2-Thiophenecarboxylates and 2-Furoates Second-order rate constants (kN) have been measured for reactions of Y-substituted phenyl 2-thiophenecarboxylates (1a-h) with morpholine and piperidine in 80 mol % H₂O / 20 mol % DMSO at 25.0 ± 0.1oC. The Brønsted-type plot for the reactions of 1a-h with morpholine is linear with β_(lg) = -1.29, indicating that the reactions proceed through a tetrahedral zwitterionic intermediate (T±). On the other hand, the Brønsted-type plot for the reactions of 1a-h with piperidine exhibits a downward curvature, implying that a change in the rate-determining step occurs on changing the substituent Y in the leaving group. Dissection of kN into microscopic rate constants (i.e., k₁ and k₂/k_(-1) ratio) has revealed that k1 is smaller for the reactions of 1a-h than for those of Y-substituted phenyl 2-furoates (2a-h), while the k₂/k_(-1) ratio is almost the same for the reactions of 1a-h and 2a-h. It is also reported that modification of the nonleaving group from the furoyl (2a-h) to the thiophenecarbonyl (1a-h) does not influence pKao (defined as the pKa at the center of the Brønsted curvature) as well as the k₂/k_(-1) ratio. 2. SNAr Aminolysis of 1-Fluoro-2,4-dinitrobenzene with Secondary Amines A kinetic study is reported for nucleophilic substitution reactions of 2,4-dinitro-1-fluorobenzene (DNFB, 3) with a series of secondary amines in MeCN and H₂O at 25.0 oC. The reaction in MeCN results in an upward curvature in the plot of kobsd vs. [amine], indicating that the reaction proceeds through a rate-limiting proton transfer (RLPT) mechanism. On the contrary, the corresponding plot for the reaction in H₂O is linear, implying that general base catalysis is absent. The ratios of the microscopic rate constants for the reactions in MeCN are consistent with the proposed mechanism, e.g., the facts that k₂/k_(-1) < 1 and k3/k2 > 102 suggest that formation of a Meisenheimer complex occurs before the rate-limiting step and the deprotonation by a second amine molecule becomes dominant when [amine] > 0.01 M, respectively. The Brønsted-type plots for k1k2/k_(-1) and k₁k₂/k(-1) are linear with βnuc values of 0.82 and 0.84, respectively, which supports the proposed mechanism. The Brønsted-type plot for the reactions in H₂O is also linear with βnuc = 0.52 which has been interpreted to indicate that the reaction proceeds through rate-limiting formation of a Meisenheimer complex. DNFB is more reactive towards secondary amines in MeCN than in H₂O. The enhanced basicity of amines as well as the increased stability of the intermediate whose charges are delocalized through resonance are responsible for the enhanced reactivity in the aprotic solvent. 3. The Origin of the α-Effect : Reactions of Aryl Phenyl Carbonates and Aryl Benzoates with Butane-2,3-dione Monoximate and 4-Chlorophenoxide A kinetic study is reported for nucleophilic substitution reactions of Y-substituted-phenyl phenyl carbonates (4a-h) and Y-substituted phenyl benzoates (5a-i) with 4-chlorophenoxide (4-ClPhO^(-)) and 2,3-butanedione monoximate (Ox^(-)) in 80 mol % H₂O / 20 mol % DMSO at 25.0 ± 0.1oC. The Hammett plots correlated with σo and σ? constants exhibit highly scattered points. In contrast, the Yukawa-Tsuno plots for the same reactions result in significantly better correlation with r values of 0.52, 0.39 (4a-h) and 0.53, 0.45 (5a-i) for the reactions with 4-ClPhO^(-) and Ox^(-), respectively, indicating that the leaving group departure occurs at the rate-determining step either in a concerted pathway or in an addition-elimination mechanism with the elimination step being the RDS. The Brønsted-type plot for reactions of 4-nitrophenyl phenyl carbonate and 4-nitrophenyl benzoate with a series of aryloxides is linear with βnuc = 0.53 and 0.72, being typical for reactions which proceed through a concerted mechanism. Ox^(-) is ca. 50 - 100 and 100-200 fold more reactive than its reference nucleophile, 4-ClPhO^(-). The plot of log kOx^(-)/k4-ClPhO^(-) vs. pKa of the conjugate acid of the leaving group results in a slope close to zero, indicating that the α-effect in this system is independent of the electronic nature of the substituent Y in the leaving group. The origin of the α-effect pattern found in this study is discussed in terms of ground-state and transition-state effects.