Kinetic Studies on Nucleophilic Substitution Reactions of Thionocabonate, O-Aryl Thionobenzoates and 2,4-Dinitrohalobenzenes

Abstract

1) Pseudo-first-order rate constants (k_(obsd)) have been measured spectrophotometrically for reactions of 4-nitrophenyl phenyl carbonate (1) and thion℃arbonate (2) with a series of alicyclic secondary amines in 80 mol % H₂O/20 mol % DMSO at 25.0 ± 0.1℃. The plots of k_(obsd) vs amine concentration are linear for the reactions of 1. On the contrary, the plots for the corresponding reactions of 2 curve upward as a function of increasing amine concentration, indicating that the reactions pr℃eed through two intermediates (i.e., a zwitterionic tetrahedral intermediate T± and its deprotonated form T^(-)). The Brønsted-type plot for the reactions of 1 with secondary amines exhibits a downward curvature (i.e., the slope decreases from 0.98 to 0.26 as the pK_(a) of amines increases, implying that the reactions pr℃eed through T± with a change in the rate-determining step (RDS). The k_(N) values are larger for the reactions of 1 with secondary amines than for those with primary amines of similar basicity. Dissection of k_(N) values for the reactions of 1 into the microscopic rate constants (i.e., k_(1) and k_(2)/k_(-1)ratio) has revealed that k_(1) is larger for the reactions with secondary amines than for those with isobasic primary amines, while the k_(2)/k_(-1)ratio is nearly identical. On the other hand, for reactions of 2, secondary amines exhibit larger k_(1) values but smaller k_(2)/k_(-1) ratios than isobasic primary amines. The smaller k_(2)/k_(-1) ratio has been suggested to be a plausible cause of the deprotonation pr℃ess observed for the reactions of 2 with secondary amines. 2) A kinetic study is reported for aminolysis of O-Y-substituted phenyl thionobenzoates (3a-f) and O-4-nitrophenyl X-substituted thionobenzoates (4a-f) in 80 mol % H₂O/20 mol % DMSO at 25.0 ± 0.1℃. The reaction pr℃eeds through one or two intermediates (i.e., a zwitterionic tetrahedral intermediate T± and its deprotonated form T^(-)) depending on the basicity difference between the nucleophile and nucleofuge, i.e., the reaction pr℃eeds through T± when the leaving aryloxide is less basic than the attacking amine but through T± and T^(-) when the leaving group is more basic than the amine. However, the reaction mechanism is not influenced by the electronic nature of the substituent X in the nonleaving group. The Hammett plot for the reactions of 4a-f with benzylamine is consisted of two intersecting straight lines, which might be interpreted as a change in the rate-determining step (RDS). However, the Yukawa-Tsuno plot for the same reactions exhibits an excellent linear correlation, indicating that the nonlinear Hammett plot is not due to a change in the RDS but caused by stabilization of the ground state of the substrate through resonance interaction between the electron-donating substituent X and the thion℃arbonyl moiety. 3) A kinetic study is reported for aminolysis of O-Y-substituted phenyl thionobenzoates (3a-f) and O-4-nitrophenyl X-substituted thionobenzoates (4a-f) in 80 mol % H₂O/20 mol % DMSO at 25.0 ± 0.1℃. The reaction proceeds through one or two intermediates (i.e., a zwitterionic tetrahedral intermediate T± and its deprotonated form T^(-)) depending on the basicity difference between the nucleophile and nucleofuge. The Hammett plots for the reactions of 4a-f with glygly and hydrazine are consisted of two intersecting straight lines, which might be interpreted as a change in the rate-determining step (RDS). However, the Yukawa-Tsuno plot for the same reactions exhibits an excellent linear correlation, indicating that the nonlinear Hammett plot is not due to a change in the RDS but caused by stabilization of the ground state of the substrate through resonance interaction between the electron-donating substituent X and the thionocarbonyl moiety. also, The magnitude of the α-effect is observed to be independent on the electronic nature of the substituent X and Y. 4) The plot of k_(obsd) vs amine concentration exhibits an upward curvature for both reactions of O-2,4-dinitrophenyl thionobenzoate (DNPTB), O-4-nitrophenyl thionobenzoate (PNPTB) and O-4-acetylphenyl thionobenzoate (PAPTB) with all the amines studied. Such an upward curvature suggests that the reaction pr℃eeds through two intermediates, e.g., a zwitterionic addition intermediate (T±) and its depretonated anionic species (T-). The microscopic rate constants (k_(1), k_(2)/k-1, and k_(3)/k_(2)) have been determined for the reactions of DNPTB, PNPTB and PAPTB with all the amines studied. The Brønsted-type plots for the k_(1) values are linear with β_(1) values 0.44, 0.44 and 0.53 for the reactions of DNPTB, PNPTB and PAPTB, respectively. The Brønsted-type plots for the k_(2)/k-1 ratios are also linear with -β_(-1) values 0.08,0.39 and 0.35 for the reactions of PNPTB and PAPTB, respectively. However, the k_(3)/k_(2) ration remains nearly constant (ca. 103) upon changing the amine basicity, supporting the proposal that the k_(2) and k_(3) values are insensitive to the amine basicity. The k_(1), k_(2)/k-1 values for the reactions of DNPTB are larger than those for the reactions of PAPTB. The small k_(2)/k-1 ratio is proposed to be responsible for the deprotonation process observed in aminolyses of carbonyl or thiocarbonyl derivatives. 5) The magnitude of the α-effect for reactions of 4-nitrophenyl X-substituted thionobenzoates with a pair of anionic nucleophiles is independent of th electronic nature of the substituent X in the nonleaving group. also the reaction mechanism is not influenced by the electronic nature of the substituent X in the nonleaving group. The Hammett plots for the reactions of 4a-f with OX^(-) and ClPhO^(-) are consisted of two intersecting straight lines, which might be interpreted as a change in the rate-determining step (RDS). However, the Yukawa-Tsuno plot for the same reactions exhibits an excellent linear correlation, indicating that the nonlinear Hammett plot is not due to a change in the RDS but caused by stabilization of the ground state of the substrate through resonance interaction between the electron-donating substituent X and the thionocarbonyl moiety. 6) A kinetic study is reported for nucleophilic substitution reactions of 2,4-dinitro-X-halobenzene with piperidine and N-butylamine in MeCN and H₂O at 25.0 ± 0.1℃. The reaction in MeCN results in an upward curvature in k_(obsd) vs. [amine]. On the contrary, the corresponding plot for the reaction in H₂O is linear. 2,4-dinitro-X-halobenzenes are more reactive towards secondary amines in MeCN than in H₂O. The solvent effect plots for the reactions of2,4-dinitro-X-halobenzens with secondary amine and primary amines exhibits a linear electronagativity.;본 논문은 aryl thionobenzoates 및 관련 화합 물류의 친핵성 치환반응에 관한 것으로 각 반응의 논문개요는 다음과 같다. 첫째, 80 mol % H₂O/20 mol % DMSO 수용액 내에서 4-nitrophenyl phenyl carbonate (1)와 thionocabonate (2) 을 각각 일련의 고리형 이차아민과의 반응을 수행하고 이 반응의 대한 유사 일차 반응속도 상수(k_(obsd))를 분광학적 방법으로 측정하였다. 4-nitrophenyl phenyl cabonate (1) 와 고리형 이차아민과의 반응에서 k_(obsd)를 아민의 농도와 상관지은 그래프는 직선관계를 보였으나, thionocabonate(2) 와 고리형 이차아민과의 반응에서는 유사일차 반응 속도상수(k_(obsd))와 아민의 농도를 상관지은 그래프는 아민의 농도가 증가 할수록 위로 휘어지는 곡선으로 나타났다. 이는 두 가지의 중간체, 즉 양쪽성 이온 중간체 (T^(±))와 음이온 성 중간체(T^(-))를 형성하며 반응이 진행한다는 것을 의미한다. 또한 4-nitrophenyl phenyl carbonate (1) 와 고리형 이차아민과의 반응에서 이차반응 속도상수(k_(N))는 아민의 염기도가 증가할수록 증가하였으며, k_(N)과아민의 염기도를 상관지은 Brønsted-type 그래프는 아래로 휘어지게 나타났다. 기울기는 아민의 염기도가 증가할수록 0.98에서 0.26으로 감소함을 보였으며 이로부터 이 반응은 양쪽성 이온첨가 중간체(T^(±))를 형성하며, 중간체가 분해되어 생성물이 되는 단계(k_(2))에서 중간체가 형성되는 단계(k_(1))로 속도결정단계(RDS)의 변화가 생기는 메커니즘으로 진행한다고 할 수 있다. 또한 k_(N)은 화합물1 (PNPC) 과 일차아민의 반응보다 고리형 이차아민과의 반응이 더 크게 나타났다. 각반응의 미세단계 속도상수(k_(1), k_(2)/k_(-1)) 을 구하였다. k_(1)의 값은 비슷한 염기도를 갖는 일차아민 보다 고리형 이차아민에서 더 크게 나타났으며, k_(2)/k_(-1)의 비는 거의 동일한 값을 갖는다. 그러나 PNPTC와 고리형 이차아민과의 반응에서의 k_(1)의 값은 크게 나타났다. 반면 k_(2)/k_(-1)의 비는 고리형 이차아민이 일차아민보다 작은 값을 갖는다. 위의 연구는 반응중심의 편극도 변화(C=O → C=S) 와 아민의 구조적 성질이 반응성과 반응 메커니즘에 중요한 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 둘째, 80 mol % H₂O/20 mol % DMSO 수용액 내에서 O-Y-substituted phenyl thionobenzoates (3a-f)와 O-4-nitrophenyl X-substituted thionobenzoates (4a-f) 의 가 아민 분해반응을 수행하였다. 이 반응을 통해서 하나 또는 두 개의 중간체 (양쪽성 이온 첨가 중간체(T^(±))와 이것의 deprotonation 된 형태의 음이온 성 첨가 중간체(T^(-))를 거쳐 반응이 진행하였다. 이것은 친핵체와 이탈기의 염기도 차이에 의존한다. 이탈되는 aryloxied의 염기도가 공격하는 아민의 염기도 보다 작을 때 양쪽성 이온 첨가 중간체 를 형성하며 반응을 진행하는 반면 이탈기의 염기도가 아민 염기도 보다 클 때는 양쪽성 이온 첨가중간체와 음이온 성 중간체 두 개의 중간체를 형성하며 반응을 진행하였다. 그러나 기질의 비이탈기에 치환된 X 의 전자적 성질은 반응 메커니즘에 영향을 미치지 않으며 O-4-nitrophenyl X-substituted thionobenzoates (4a-f) 와 benzylamine 과의 반응에 대한 Hammett 그래프는 두 개의 교차된 선으로 나타났다. 이것은 속도결정단계(RDS)가 변화하는 것이라고 해석할 수 있다. 그러나 이와 같은 반응에 대한 Yukawa-Tsuno 그래프는 좋은 직선상관 관계를 갖는 것을 확인하였다. 이를 통해 Hammett 그래프에서 음의 편차를 보인 기질은 전자 밀개 치환기와 carbonyl기 사이의 공명 상호 작용에 의한 바닥상태의 안정화 때문에 직선에서 떨어진 반응성을 나타낸 다는 것을 알 수 있다. 셋째, 80 mol % H₂O/20 mol % DMSO 수용액 내에서 O-Y-substituted phenyl thionobenzoates (3a-h) O-4-nitrophenyl X-substituted thionobenzoate(4a-f)와 정상친핵체인 glycylglycine과 이와 비슷한 염기도를 가지는 알파친핵체인 hydrazine의 반응을 기질의 이탈기와 비이탈기를 변화시켰을 때 알파효과에 미치는 영향을 알아보고자 한다. 기질의 이탈기의 치환기를 바꿨을 때 한 개의 중간체를 형성하며 반응이 진행되거나 두 개의 중간체를 거쳐 반응이 진행됨을 알 수 있다. 또한 알파효과의 크기는 기질의 이탈기의 전자적 성질에 무관하게 나타났으며, 기질의 비이탈기의 치환기를 바꿨을 때는 꺾인 Hammett 그래프를 얻었으나 Yukawa-Tsuno 그래프는 하나의 직선으로 나타났다. 또한 알파효과의 크기는 치환기 X의 전자적 성질에 무관하게 나타났다. 넷째, 80 mol % H₂O/20 mol % DMSO 수용액 내에서 O-2,4-dinitrophenyl thionobenzoate (DNPTB), O-4-nitrophenyl thionobenzoate (PNPTB), O-4-acetyl phenyl thiono benzoate (PAPTB) 와 일련의 고리형 이차 아민과의 반응을 수행하였다. k_(1), k_(2)/k_(-1)은 DNPTB, PNPTB, PAPTB 순으로 크게 나타났다. 그러나 k_(3)/k_(2)는 아민의 염기도와 상관없이 거의 일정한 값을 보였으며 이는 k_(2), k_(3)값이 아민의 염기도와 무관하기 때문이다. 또한 k_(2)/k_(-1)비는 deprotonation 단계가 존재함을 설명할 수 있는 요인임을 알 수 있다. 다섯째, 80 mol % H₂O/20 mol % DMSO 수용액 내에서 O-4-nitrophenyl X-substituted thionobenzaoates (4a-e) 와 음이온성 친핵체 OX^(-), 4-ClPhO^(-)의 알파효과를 알아보았다. 비이탈기의 치환기 X를 전자 끌개에서 전자밀개로 바꿈에 따라서 전자밀개는 직선에서 떨어짐을 보였으며 꺾인 Hammett 그래프를 Yukawa-Tsuno 그래프는 좋은 직선상관 관계를 갖는 것을 확인하였다. 음이온성 친핵체의 알파효과는 치환기 X의 전자적 성질에 무관하다는 것을 알 수 있다. 여섯째, 용매를 MeCN 과 H₂O에서 2,4-Dinitro-X-Halobenzenes 과 고리형 이차아민 (piperidine), 일차아민(N-butylamine)의 용매효과와 메커니즘을 알아보고자 가 아민분해 반응을 수행하였다. 용매가 MeCN일 때 치환기 F 와 piperidridine과의 반응은 두 개의 중간체를 거쳐 반응이 진행되며 용매가 물일 때 한 개의 중간체를 형성하며 반응이 진행됨을 확인하였다. 그러나 일차아민과의 반응에서는 용매에 상관없이 한 개의 중간체를 형성하며 반응이 진행된다. 용매효과는 일차아민, 이차아민 모두 MeCN 일 때가 H₂O 일 때 보다 더 좋은 반응성을 보이며 치환기 X의 전기음성도가 증가할수록 반응성은 증가함을 보였다.