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Kinetic Studies on Nucleophilic Substitution Reactions of Aryl Benzoates and Aryl Thionocarbonates, and Michael-type Additions of Sencodary Amines to Ethyl 2-Propiolate and 1-(X-Substituted phenyl)-2-propyn-1-ones

Title
Kinetic Studies on Nucleophilic Substitution Reactions of Aryl Benzoates and Aryl Thionocarbonates, and Michael-type Additions of Sencodary Amines to Ethyl 2-Propiolate and 1-(X-Substituted phenyl)-2-propyn-1-ones
Authors
김송이
Issue Date
2011
Department/Major
대학원 화학·나노과학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
엄익환
Abstract
A. Alkaline ethanolysis of 4-nitrophenyl X-substituted benzoates and Y-substittued phenyl benzoates. Second-order rate constants(kobsd) have been measured spectrophotometrically for the reactions of 4-nitrophenyl X-substituted benzoates (1a-i) and Y-substittued phenyl benzoates (2a-j) with EtOK in anhydrous ethanol at 25.0 ± 0.1 oC. Plots for kobsd vs. [EtOK] exhibits upward curvature, indicating that ion-paired EtOK is more reactive than free EtO- due to the catalytic effect of K+ ion. kEtO- and kEtOK values for the reactions of 1a-i increase as the substituent X in the non-leaving group changes from electron donating group(EDG) to electron withdrawing group(EWG). In addtion, the Hammett plots for the reactions of 1a-i with free EtO- and with ion-paired EtOK show excellent linear relationship with ρ = 3.00 and 2.47, respectively. In other words, it can be suggested that the electronic nature of substituent X has effect not on reaction mechanisms but on reactivity. On the other hand, for the reactions of 2a-j with EtOK the Hammett plot correlated with σ° results in better linearity than that correlated with σ-. Furthermore, the Brønsted-type plot is linear with βlg = -0.42, which is typical for the reactions in which the rate-determining step (RDS) is formation of an intermediate. Therefore, it has been concluded that the current reactions proceed through a stepwise mechanism with formation of an intermediate being the rate-determining step. B. Alkaline Hydrolysis of Y-Substituted Phenyl Phenyl Thionocarbonates: Effect of Changing Electrophilic Center from C=O to C=S on Reactivity and Mechanism Second-order rate constants (kOH–) have been measured spectrophotometrically for reactions of Y-substituted phenyl phenyl thionocarbonates (4a-i) with OH– in 80 mol % H2O/20 mol % DMSO at 25.0 ± 0.1 oC. The kOH– values for the reactions of 4a-i have been compared with those reported previously for the corresponding reactions of Y-substituted phenyl phenyl carbonates (3a-i) to investigate the effect of changing the electrophilic center from C=O to C=S on reactivity and mechanism. Thionocarbonates 4a-i are less reactive than carbonates 3a-i although 4a-i are expected to be more reactive than 3a-i. The Brønsted-type plot for reactions of 4a-i is linear with βlg = –0.33, a typical βlg value for reactions reported to proceed through a stepwise mechanism with formation of an intermediate being the rate-determining step (RDS). Furthermore, the Hammett plot correlated with σo constants results in much better linearity than that correlated with σ– constants, indicating that expulsion of the leaving group is not advanced in the RDS. Thus, alkaline hydrolysis of 4a-i has been concluded to proceed through a stepwise mechanism with formation of an intermediate being RDS, which is in contrast to the forced concerted mechanism reported for the corresponding reactions of 3a-i. Enhanced stability of the intermediate upon modification of the electrophilic center from C=O to C=S has been concluded to be responsible for the contrasting mechanisms. C. Kinetic and Mechanism of Nucleophilic Substitution Reactions of Y-Substituted Phenyl Phenyl Carbonates and Thionocarbonates with N3- : Effect of Changing Electrophilic Center from C=O to C=S on Reactivity and Mechanism Second-order rate constants (kN) have been measured spectrophotometrically for nucleophilic substitution reactions of Y-substituted phenyl phenyl carbonates (5a-j) and thionocarbonates (6a-j) with N3- in 80 mol % H2O/20 mol % DMSO at 25.0 ± 0.1 oC. Thionocarbonates 6a-j are more reactive than its oxygen analogue 5a-j although N3- is generally classified as a border-line base. The Brønsted-type plot for the reactions of 5a-j with N3- is linear with a βlg of -0.70. In contrast, the Brønsted-type plot for the corresponding reactions of 6a-j exhibits a downward curvature, i.e., the βlg changes from -1.10 to -0.74 as the leaving group basicity decreases. The Hammett plots obtained from reactions of 5a-j result in poor linearity when correlated with σo and σ-. However, the Yukawa-Tsuno plotfor the same reactions exhibits excellent linearity with ρ = 1.88 and r = 0.48, indicating that the reactions of 5a-j proceed thorough a concerted mechanism. On the other hand, the mechanism for reactions of 6a-j with N3- changes form a stepwise mechanism to a concerted mechanism as the leaving group basicity decreases. Since the intermediate becomes less unstable upon changing electrophilic center from C=O to C=S, the reactions proceed through a stepwise mechanism in which the departure of the leaving group is the rate-determining step. As the leaving group ability increases, however, stability of the intermediate decreases, leading to the change of reaction mechanism from a stepwise mechanism to a forced concerted mechanism. D. Kinetics and Mechanism of Nucleophilic Substitution Reactions of Y-Substituted Phenyl Phenyl Carbonates and Thionocarbonates with CN– Ion: Effect of Modification of Electrophilic Center from C=O to C=S on Reactivity and Mechanism Second-order rate constants (kN) have been measured spectrophotometrically for nucleophilic substitution reactions of Y-substituted phenyl phenyl carbonates (7a-i) and thionocarbonates (8a-i) with CN– ion in 80 mol % H2O/20 mol % DMSO at 25.0 ± 0.1 oC. The carbonates 7a-i are ca. 10 times more reactive than the thionocarbonates 8a-i. The Brønsted-type plots for the reactions of 7a-i and 8a-i are linear over 5 pKa units with βlg values of –0.39 and –0.32, respectively, indicating that the reactions proceed through the same mechanism without changing rate-determining step (RDS). The Yukawa-Tsuno plots exhibit excellent linearity with ρ = 1.10 and r = 0.39 for the reactions of 7a-i, while ρ = 0.86 and r = 0.45 for the reactions of 8a-i, implying that leaving-group departure occurs at the RDS either in a concerted mechanism or in a stepwise pathway. The current reactions have been concluded to proceed through a concerted mechanism, in which leaving-group departure is advanced only a little on the basis of the small βlg values. E. Kinetics and Mechanism of Michael-type Reactions of Ethyl Propiolate with Alicyclic Secondary Amines in H2O and MeCN: Solvent Effect on Reactivity and Transition-State Structure The amines studied in this study are less reactive toward ethyl propiolate (9) in MeCN than in H2O although they are 7 to 9 pKa units more basic in the aprotic solvent. The reactivity of morpholine and deuterated morpholine toward 9 is found to be identical, indicating that proton transfer occurs after rate-determining step (RDS). The fact that kinetic isotope effect is absent excludes a stepwise mechanism in which proton transfer occurs in RDS as well as a concerted mechanism in which nucleophilic attack and proton transfer occur concertedly through a 4-membered cyclic transition state (TS). Thus, the reactions have been concluded to proceed through a stepwise mechanism in which proton transfer occurs after RDS. Brønsted-type plots are linear with small βnuc values, i.e., βnuc = 0.29 in H2O and βnuc = 0.51 in MeCN, indicating that bond formation is not advanced significantly in RDS. The small βnuc value also supports the conclusion drawn from the study of kinetic isotope effect. F. Michael-type Reactions of 1-(X-substituted Phenyl)-2-propyn-1-ones with Alicyclic Secondary Amines in MeCN and H2O: Effect of Medium on Reactivity and Transition-State Structure Second-order rate constants (kN) have been measured spectrophotometrically for Michael–type reactions of 1-(X-substituted phenyl)-2-propyn-1-ones (10a-f) with a series of alicyclic secondary amines in MeCN at 25.0 ± 0.1 oC. The kN value increases as the incoming amine becomes more basic and the substituent X changes form an electron donating group (EDG) to an electron withdrawing group (EWG). The Brønsted-type plots are linear with βnuc = 0.48–0.51, which is typical for reactions reported previously to proceed through a concerted mechanism. However, the reactions have been concluded to proceed through a stepwise mechanism in which the proton transfer occurs after the rate-determining step (RDS) since primary deuterium kinetic isotope effect is absent. The Hammett plots for the reactions of 10a-f exhibit poor correlations but the corresponding Yukawa-Tsuno plots result in much better linear correlations with ρ = 1.57 and r = 0.46 for the reactions with piperidine while ρ = 1.72 and r = 0.39 for those with morpholine. The amines employed in this study are less reactive in MeCN than in water for reactions with substrates possessing an EDG, although they are ca. 8 pKa units more basic in the aprotic solvent. This indicates that the TS is significantly more destabilized than the ground state (GS) in the aprotic solvent. The current reaction has been concluded to proceed through a stepwise mechanism with a charge developed TS, since such charged transition state (TS) would be destabilized in the aprotic solvent due to the electronic repulsion between the negative-dipole end of MeCN and the negative charge developed partially in the TS.;(1) 25.0 ± 0.1 oC에서 무수 ethanol을 용매로 하여 4-nitrophenyl X-substituted benzoates (1a-i) 그리고 Y-substituted phenyl benzoates (2a-j)와 EtO-K+의 친핵성 치환 반응을 수행하였다. kobsd vs. [EtOK]의 그래프는 모두 위로 휘어지는 그래프를 그렸다. 이는 K+ 이온이 본 반응에서 촉매 역할을 하고, 이온쌍인 EtOK가 해리된 EtO-보다 반응성이 크다는 것을 의미한다. 1a-i와 EtO-K+의 반응에서 비이탈기에 위치한 치환기 X가 전자 밀개에서 전자 끌개로 변함에 따라 kEtO-와 kEtOK 값은 증가 하였다. 또, Hammett plots을 그려본 결과 해리된 EtO-와 이온쌍을 이룬 EtOK의 ρ 값은 각각 3.00, 2.47로 큰 ρ값을 가지며 좋은 직선을 그리는 것을 볼 수 있다. 이로써 1a-i와 EtO-K+의 반응에서 비이탈기에 위치한 치환기 X가 반응성에는 영향을 주지만 반응 메커니즘에는 영향을 미치지 않는 다는 결론을 얻었다. 한편, 2a-i와 EtO-K+의 반응에서 이탈기에 위치한 치환기 Y에 따른 반응은 σo 상수를 사용했을 때가 σ- 상수를 사용했을 때 보다 더 좋은 직선 상관관계를 나타냈다. 이로써 2a-i와 EtO-K+의 반응은 중간체가 형성되는 단계 (k1)가 속도 결정 단계인 stepwise 메커니즘으로 진행된다는 결론을 지을 수 있으며, βlg값이 -0.42라는 사실 또한 이 반응이 k1이 속도 결정 단계인 stepwise 메커니즘으로 진행된다는 결론을 뒷받침 해 준다. (2) Y-substituted phenyl phenyl thionocarbonates (4a-i)와 OH-의 반응을 25.0 ± 0.1 oC에서 80 mol % H2O/20 mol % DMSO를 용매로 하여 이차 반응 속도 상수 (kN)를 분광학적인 방법을 이용하여 측정하였다. 친전자 중심이 C=O에서 C=S로 바뀔 때 반응성과 메커니즘에 미치는 영향을 알아보기 위하여 본 반응에서의 kOH- 값과 이전에 보고된 Y-substituted phenyl phenyl carbonates (3a-i)와 OH– 반응의 kOH- 값을 비교해 보았다. 4a-i가 3a-i 보다 반응성이 클 것이라고 예측했던 것과는 달리, 4a-i는 3a-i보다 작은 반응성을 보였다. 4a-i와 OH- 반응의 Brønsted-type plot은 βlg값이 -0.33인 직선의 그래프를 얻었다. 이러한 βlg값은 중간체의 형성이 RDS인 stepwise 메커니즘으로 진행되는 반응에서 전형적으로 나타난다. 또한, Hammett plot은 σo 상수를 사용했을 때가 σ- 상수를 사용했을 때 보다 더 좋은 직선 상관관계를 보였는데, 이는 RDS에서 이탈기의 이탈이 진행되지 않음을 의미한다. 따라서 4a-i의 알칼리성 가수 분해 반응은 중간체가 형성되는 단계가 속도 결정 단계인 stepwise 메커니즘으로 진행된다고 결론지을 수 있다. 이와는 달리, 같은 조건에서 3a-i의 반응은 forced concerted 메커니즘으로 진행된다고 보고 된 바 있다. 이처럼 두 반응이 서로 다른 메커니즘으로 진행되는 이유는 친전자 중심이 C=O에서 C=S로 바뀜에 따라 중간체의 안정도가 증가되기 때문인 것으로 생각된다. (3) 25.0 ± 0.1 oC에서 80 mol % H2O/20 mol % DMSO를 용매로 하여 Y-substituted phenyl phenyl carbonates (5a-j) 및 thionocarbonates (6a-j)와 N3–의 반응의 이차 반응 속도 상수 (kN)를 분광학적인 방법을 이용하여 측정하였다. 반응 결과 thionocarbonates 6a-j가 carbonates 5a-j보다 더 큰 반응성을 보였다. 5a-j와 N3-의 반응에서 Brønsted-type plot은 βlg = 0.70인 직선이었고, 6a-j의 반응에서는 이탈기의 염기도가 감소함에 따라 βlg 값이 -1.10에서 -0.74 로 감소하며 아래로 휘어지는 그래프를 얻었다. 5a-j와 N3-의 반응에서 Yukawa Tsuno plot이 ρ = 1.88, r = 0.48로 매우 좋은 직선 상관관계를 갖는 것을 근거로, 해당 반응은 forced concerted 메커니즘을 통해 반응이 진행된다는 결론을 얻었다. 반면, forced concerted 메커니즘을 통해 진행되는 5a-j와 N3-의 반응과는 달리 6a-j와 N3-의 반응은 stepwise 메커니즘으로 진행되다가 concerted 메커니즘으로 메커니즘이 바뀐다. 이는 친전자 중심에 따른 변화가 중간체의 안정도에 영향을 미치기 때문이다. 다시 말해, 친전자성 중심이 C=O에서 C=S로 바뀌면서 중간체의 안정도가 커지기 때문에 6a-j와 N3-의 반응은 이탈기가 떨어져 나가는 단계가 속도 결정 단계인 stepwise 메커니즘으로 바뀐다. 그러나 이탈기의 이탈 능력이 증가함에 따라 중간체의 안정도가 감소하므로 다시 forced concerted 메커니즘으로 반응이 진행된다고 생각 할 수 있다. (4) 25.0 ± 0.1 oC에서 80 mol % H2O/20 mol % DMSO를 용매로 하여 CN-이온과 Y-substituted phenyl phenyl carbonates (3a-i) 그리고 thionocarbonates (4a-i)의 친핵성 치환 반응에서의 이차 반응 속도 상수 (kN)를 분광학적인 방법을 이용하여 측정하였다. 반응결과 3a-i가 4a-i 보다 약 10배 정도 큰 반응성을 보였다. 본 반응의 Brønsted-type plot의 βlg 값은 3a-i 그리고 4a-i 각각 -0.39, -0.32으로 직선을 나타냈고, 이를 근거로 하여 두 반응은 RDS의 변화 없이 같은 메커니즘으로 진행된다고 생각할 수 있다. Yukawa-Tsuno plot은 3a-i 그리고 4a-i 반응에서 각각 ρ = 1.10, r = 0.39, ρ = 0.86, r = 0.45로 매우 좋은 직선 상관관계를 나타냈다. 이는 이탈기 aryloxide의 산소원자에 음전하가 발생하였다는 것을 의미 하므로 본 반응은 concerted 메커니즘 또는 이탈기가 떨어져 나가는 단계가 RDS인 stepwise 메커니즘을 통해 진행된다고 생각 할 수 있다. 그러나 이탈기가 떨어져 나가는 단계가 RDS인 stepwise 메커니즘을 통해 진행된다고 하기에는 βlg 값이 너무 작다. 따라서 본 반응은 concerted 메커니즘으로 진행되는 것으로 결론내릴 수 있으며, βlg 값이 작은 것으로 보아 이탈기의 이탈이 조금만 진행된다고 생각할 수 있다. (5) 본 연구에서 사용된 아민은 protic solvent보다 MeCN, DMSO 등의 aprotic solvent에서 염기도가 pKa 단위로 7 ∼ 9만큼 더 큼에도 불구하고, ethyl propiolate (8)와 반응에서는 용매가 MeCN일 때 보다 H2O일 때 더 좋은 반응성을 보였다. 8과 morpholine 및 중수소로 치환된 morpholine의 반응 결과는 동일했으며, 이는 수소의 이동이 속도 결정 단계 이후에 일어남을 의미 한다. 동위 원소 효과가 나타나지 않는다는 사실에 근거하여 수소의 이동이 RDS에서 일어나는 stepwise 메커니즘 및 사각 고리형 전이 상태를 거쳐 친핵체의 공격과 수소의 이동이 동시에 일어나는 concerted 메커니즘은 제외 할 수 있다. 따라서 본 반응의 메커니즘은 수소의 이동이 속도 결정 단계 이후에 일어나는 stepwise 메커니즘인 것으로 결론지을 수 있다. Brønsted-type plot은 반응 용매가 H2O일 때의 βnuc 값은 0.29, MeCN일 때는 0.51인 직선으로, 이로부터 RDS에서 결합의 형성이 많이 진행되지는 않음을 알 수 있다. 이와 같이 작은 βnuc 값은 또한 동위 원소 효과를 이용한 연구 결과로부터 얻은 결론을 뒷받침한다. (6) 25.0 ± 0.1 oC에서 MeCN을 용매로 하여 1-(X-substituted phenyl)-2-propyn-1- ones (9a-f)와 일련의 지방족 고리형 이차 아민의 Michael-type 반응의 이차 반응 속도 상수 (kN)를 분광학적인 방법을 이용하여 측정하였다. kN 값은 공격해 오는 아민의 염기도가 커짐에 따라 그리고 치환기 X가 전자 밀개에서 전자 끌개로 변함에 따라 증가했다. Brønsted-type plot은 βnuc = 0.48 ∼ 0.51 인 직선이었고, 이러한 βnuc 값은 concerted 메커니즘을 통해 진행되는 반응에서 전형적으로 나타난다. 그러나 중수소에 의한 동위원소 효과가 나타나지 않기 때문에 본 반응은 수소의 이동이 속도 결정 단계 이후에 일어나는 stepwise 메커니즘으로 진행되는 것으로 생각할 수 있다. 9a-f와 piperidine 그리고 morpholine과의 반응에서 Hammett plot은 두 반응 모두 좋지 않은 직선 상관관계가 나타났다. 반면, Yukawa-Tsuno plot은 piperidine과의 반응에서는 ρ = 1.57, r = 0.46, morpholine과의 반응에서는 ρ = 1.72, r = 0.39 로 훨씬 나은 직선 상관관계를 보였다. 본 연구에서 사용된 아민은 aprotic solvent에서 pKa 단위로 약 8정도 더 강한 염기성을 나타내지만, 전자 밀개를 갖는 기질과의 반응에서는 용매가 H2O일 때 보다 aprotic solvent인 MeCN일 때 더 작은 반응성이 나타났다. 이와 같은 결과는 aprotic solvent에서 MeCN의 음전하를 띠는 부분과 전이 상태의 부분적인 음전하 사이의 전기적 반발로 인하여 전이 상태가 바닥상태 보다 훨씬 더 불안정해짐을 의미한다. 따라서 본 반응은 전하를 띠는 전이 상태를 거쳐 stepwise 메커니즘을 통해 진행되는 것으로 결론지을 수 있다.
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