Nucleophilic Substitution Reactions of Aryl Benzenesulfonates, Methanesulfonates and Related Compounds

Abstract

A. A Mechanistic Study on Alkaline Hydrolysis of Y-Substituted Phenyl Benzenesulfonates Second-order rate constants (kOH⁻) have been measured spectrophotometrically for reactions of Y-substituted phenyl benzenesulfonates (1a-h) with OH⁻ in H2O containing 20 mol % DMSO at 25.0 ± 0.1 oC. The Brønsted-type plot is linear with βlg = -0.55 including the points for the reactions of 2,4-dinitrophenyl benzenesulfonate (1a) and 4-chloro-2-nitrophenyl benzenesulfonate (1c), indicating that the ortho-nitro group on the leaving aryloxide does not exert steric hindrance in the current reactions. The Hammett plot correlated with σo constants exhibits highly scattered points, while the Hammett correlation with σ⁻ constants results in a slightly better correlation but still many points deviate from the linearity. In contrast, the Yukawa-Tsuno plot shows an excellent linear correlation with r = 0.52, implying that leaving-group departure occurs at the RDS either in a stepwise mechanism or in a concerted pathway. However, the stepwise mechanism in which the leaving group departs in the RDS is excluded since the incoming OH⁻ is much more basic and a poorer nucleofuge than the leaving aryloxide. Thus, the alkaline hydrolysis of 1a-h has been concluded to proceed through a concerted mechanism. B. The α-Effect and Mechanism of Reactions of Y-Substituted Phenyl Benzenesulfonates with Hydrogen Peroxide Ion Second-order rate constants (kHOO⁻) have been measured spectrophotometrically for nucleophilic substitution reactions of Y-substituted phenyl benzenesulfonates (1a-g) with HOO⁻ ion in H2O at 25.0 ± 0.1 oC. The Brønsted-type plot is linear with βlg = -0.72. The Hammett plot correlated with with σ⁻ constants results in much better linearity than σo constants, indicating that expulsion of the leaving group occurs in the rate-determining step (RDS) either in a stepwise mechanism or in a concerted pathway. However, a stepwise mechanism in which departure of the leaving group occurs in the RDS has been excluded since HOO⁻ ion is more basic and a poorer leaving group than the leaving Y-substituted phenoxide ions. Thus, the reactions of 1a-g with HOO⁻ ion have been concluded to proceed through a concerted mechanism. The α-nucleophile HOO⁻ ion is more reactive than its reference nucleophile OH⁻ ion although the former is ca. 4 pKa units less basic than the latter (i.e., the α-effect). TS stabilization through intramolecular H-bonding interaction has been suggested to be irresponsible for the α-effect shown by HOO⁻ ion, since the magnitude of the α-effect is independent of the electronic nature of substituent Y in the leaving group. GS destabilization through desolvation of HOO⁻ ion has been concluded to be responsible for the α-effect found in the this study. C. Pitfalls in Assessing the α-Effect: Reactions of Substituted Phenyl Methanesulfonates with HOO⁻, OH⁻ and Substituted Phenoxides in H2O We have examined the reactions of Y-substituted phenyl methanesulfonates 1a-1l with HOO⁻, OH⁻ and Z-substituted phenoxides, towards resolving the current controversy regarding the validity of the α-effect, in the gas-phase versus solution(H2O). Criteria examined in this work are: (1) Brønsted-type and Hammett plots for reactions with HOO⁻ and OH⁻. (2) Comparison of βlg values reported previously for reactions of Y-substituted phenyl benzenesulfonates 2a-2k with HOO⁻(βlg = -0.73) and OH⁻(βlg = -0.55), and for those of 1a-1l with HOO⁻(βlg = -0.69) and OH⁻(βlg = -1.35). (3) Brønsted-type plot showing extreme deviation of OH⁻ for reactions of 2,4-dintrophenyl methanesulfonate 1a with aryloxides, HOO⁻ and OH⁻; signifying extreme solvation vs. different mechanisms. The results reveal significant pitfalls in assessing the validity of current interpretations of the α-effect. The extreme negative deviation by OH⁻, must be due, in part, to the difference in their reaction mechanisms. Thus, the apparent dependence of the α-effect on leaving-group basicity found in this study has no significant meaning due to the difference in operating mechanisms. The current results argue in favor of a further criterion, i.e., a consistency in mechanism for the α- and normal-nucleophiles. D. Aminolysis of S-4-Nitrophenyl X-Substituted Thiobenzoate: Effect of Nonleaving-group Substituents on Reactivity and Mechanism A kinetic study is reported for aminolysis of S-4-nitrophenyl X-substituted thiobenzoates 3a-g in 80 mol % H2O/20 mol % DMSO at 25.0 ± 0.1 oC. Thiol esters 3a-g are 7.8～47.6 fold more reactive than the corresponding oxygen esters (i.e., 4-nitrophenyl X-substituted benzoates 1a-g). Such reactivity order appears to be in accordance with the expectation that 4-nitrothiophenoxide in 3a-g is a better nucleofuge than 4-nitrophenoxide in 1a-g since the former is 2.64 pKa units less basic than the latter. Hammett plot for the reactions of 3a-g exhibit poor correlation coefficients (R2 = 0.977～0.986) with negative deviation by substrates possessing an electron-donating group (EDG), while the Yukawa-Tsuno plots result in excellent linear correlation (R2 = 0.995～0.997) with ρ = 0.93～1.23 and r = 0.57～0.67, indicating that the negative deviation shown by substrates possessing an EDG is caused by ground-state stabilization through resonance interactions but not due to a change in rate-determining step upon changing the nonleaving-group substituent X. The value increases as the incoming amine becomes more basic and more reactive, indicating that the RSP is not operative in the current reactions. E. 1-X-2,4-Dinitrobenzenes A kinetic study is reported for nucleophilic substitution reactions of 1-X-2,4-dinitrobenzenes (1a-d) with amines in MeCN and H2O at 25.0 ± 0.1 oC. The reaction proceeds through one or two intermediates (i.e., a zwitterionic adduct MC-1-Z and its deprotonated form MC-1) depending on the nature of X, i.e., the reaction of 1a (X = F) proceeds through MC-1-Z and MC-1. However, reactions of 1b (X = Cl), 1c (X = Br) and 1d (X = I) proceed through MC-1-Z only regardless of amine basicity. The βnuc value for reactions of 1a with cyclic secondary amines is 1.00, which is consistent with the proposed mechanism in which bond formation at the RDS is fully advanced. In contrast, the βnuc values for corresponding reactions of 1b-d are approximately 0.5, indicating that the reactions proceed through a rate-determining formation of MC-1-Z. The reaction of 1a with secondary amines proceeds through MC-1-Z and MC-1 while the corresponding reaction with primary amines proceed through MC-1-Z only. It can be explained by hydrogen bonding of F, which stabilizes the transition state and increases nucleofugality of F⁻ ion. Electronegativity of halogen on reactivity has also been studied, e.g., regardless of reaction medium and the nature of amines, reactivity increases as the electronegativity of X increases. In addition, it has also been revealed that the effect of X on reactivity is more significant for the reactions performed in MeCN than in H2O. This is consistent with the report that the electronic effect becomes more sensitive as medium polarity decreases.;(A) 25.0 ± 0.1 °C 에서 20 mol % DMSO를 포함하는 H2O를 반응용매로 한 Y-substituted phenyl benzenesulfonates (1a-h)와 OH⁻ 반응의 이차반응 속도상수(kN)를 분광학적인 방법으로 측정하였다. 2,4-dinitrophenyl benzenesulfonate (1a)와 4-chloro-2-nitrophenyl benzenesulfonate (1c)를 포함한 Brønsted-type plot은 βlg가 -0.55 인 직선으로 나타났으며, 이는 이탈기인 aryloxide의 ortho 자리에 위치한 nitro기가 입체장애를 나타내지 않음을 의미한다. σ° 상수를 사용하여 그린 Hammett plot에서 점들은 매우 산재되어 있으며, σ⁻ 상수를 사용한 Hammett plot에서는 조금 더 나은 상관관계가 나타났지만 여전히 직선에서 매우 벗어난 분포를 보였다. 이와는 대조적으로 Yukawa-Tsuno plot은 r 값이 0.52 로 매우 좋은 직선의 상관관계를 나타냈다. 이와 같은 결과는 이 반응이 이탈기의 이탈이 속도결정단계인 stepwise 메커니즘 또는 concerted 메커니즘으로 진행된다고 생각할 수 있다. 그러나 OH⁻가 이탈기인 aryloxide에 비해 염기도가 크고 이탈능력이 떨어지기 때문에 속도결정단계에서 이탈기가 떨어져 나가는 stepwise 메커니즘은 제외할 수 있다. 따라서 이와 같은 결과들로부터 1a-h의 알칼리성 가수분해 반응은 concerted 메커니즘으로 진행된다는 결론을 도출할 수 있다. (B) 25.0 ± 0.1 °C H2O에서 Y-substituted phenyl benzenesulfonates (1a-g)와 HOO⁻의 반응을 수행하고 이차반응 속도상수(kHOO⁻)를 분광학적인 방법으로 측정하였다. Brønsted-type plot은 βlg값이 -0.72 인 직선이었고 Hammett plot은 σ° 상수보다 σ⁻ 상수를 사용했을 때 더 좋은 상관관계가 나타났는데, 이는 stepwise 메커니즘 또는 concerted 메커니즘의 속도결정단계에서 이탈기의 이탈이 일어남을 의미한다. 그러나 HOO⁻ 이온이 이탈기인 Y-substituted phenoxides 이온보다 염기도가 더 크고 이탈능력이 떨어지기 때문에 stepwise 메커니즘은 본 반응에서 배제할 수 있다. 따라서 1a-g와 HOO⁻ 이온의 반응은 concerted 메커니즘으로 진행된다고 결론지을 수 있다. HOO⁻ 이온은 OH⁻ 이온보다 염기도가 pKa 단위로 4만큼 작음에도 불구하고 더 큰 반응성 즉, 알파효과를 나타낸다. 알파효과의 정도는 이탈기에 위치하는 치환기 Y의 성질과 무관하다는 실험결과를 근거로 HOO⁻의 알파효과는 분자 내 수소 결합을 통한 전이상태의 안정화 때문이 아니며, HOO⁻ 이온이 OH⁻ 이온에 비해 용매화가 잘 되지 않아 바닥상태가 불안정해지기 때문으로 주장하였다. (C) 알파효과의 원인을 규명하기 위하여 H2O에서 Y-substituted phenyl methanesulfonates (1a-1l)와 HOO⁻, OH⁻ 그리고 Z-substituted phenoxides의 반응을 분광학적인 방법으로 연구하였다. 알파효과의 원인 규명을 위한 기준은 다음과 같다. (1) HOO⁻와 OH⁻ 반응의 Brønsted-type plots과 Hammett plots으로 각각의 반응에 대해 알아보았다. (2) 이전에 보고된 Y-substituted phenyl benzenesulfonates (2a-2k)의 HOO⁻(βlg= -0.72)와 OH⁻(βlg= -0.55)의 βlg값과, 본 실험 1a-1l에서 측정한 HOO⁻(βlg= -0.69)와 OH⁻(βlg= -1.35)의 βlg값을 비교해보았다. (3) Brønsted-type plot에서 2,4-dinitromethanesulfonate (1a)와 aryloxide류, HOO⁻는 좋은 직선관계를 나타냈지만 OH⁻는 음의 편차를 보였다. 여기서 나타난 음의 편차는 용매화 효과 및 메커니즘이 다르기 때문이다. 본 연구 결과를 통하여 알파효과의 원인이라고 제시된 기존의 학설들이 잘못된 것일 수 있다는 것을 알 수 있었다. 앞에서 언급하였듯이 OH⁻의 반응에서 관찰된 음의 편차는 OH⁻가 더 강하게 용매화되고 다른 메커니즘으로 반응이 진행되기 때문이다. 따라서 알파효과가 이탈기의 염기도에 의존하는 정도는 본 연구에서 발견한 바와 같이 HOO⁻와 OH⁻가 서로 다른 메커니즘으로 진행되기 때문에 큰 중요성을 갖지 못한다. (D) 80 mol % H2O/20 mol % DMSO 용액을 반응용매로 하여 S-4-nitrophenyl X-substituted thiobenzoates (3a-g)의 가 아민 분해반응을 수행하였다. Thiol esters 3a-g는 oxygen esters에 비해 7.8 배에서 47.6 배 만큼 더 빠른 반응성을 보였다. 이러한 반응성은 4-nitrothiophenoxide가 4-nitrophenoxide 보다 더 좋은 이탈기라는 사실로부터 예상했던 것과 일치하는 결과이다. 3a-g 반응의 Hammett plot은 R2 값이 0.977 에서 0.986 으로 직선의 상관관계가 좋지 않았고, 전자밀개 치환기를 갖는 기질은 음의 편차를 보였다. 반면, Yukawa-Tsuno plot은 매우 좋은 직선의 상관관계를 나타냈으며 ρ 값은 0.93～1.23, r 값은 0.57～0.67 이었다. 이는 Hammett plot에서 나타난 음의 편차의 원인이 비이탈기에 위치한 치환기 X에 따라 속도결정단계가 변하기 때문이 아니라 공명 상호작용을 통해 기질의 바닥상태가 안정화되기 때문이라는 것을 의미한다. 공격해 오는 아민이 더 강한 염기이고 반응성이 더 클수록 ρ 값은 증가했다. 이러한 결과는 반응성-선택성 원리가 본 시스템에서는 적용되지 않는다는 것을 암시한다. (E) 1-X-2,4-dinitrobenzenes (1a-d, X= F, Cl, Br, I)와 아민을 친핵체로 사용하여 친핵성 치환반응을 분광학적인 방법으로 연구하였다. 용매가 MeCN일 때, 1-fluoro-2,4-dinitrobenzene (1a)의 반응 결과 kobsd와 아민의 농도를 상관지은 그래프는 위로 휘어지는 곡선의 그래프를 나타냈다. 위로 휘어지는 그래프는 양쪽성 이온 중간체인 MC-1-Z와 여기서 일반 염기 촉매작용에 의한 양성자가 떨어져 나간 형태인 MC-1의 두 중간체를 거쳐 반응이 진행되는 것을 의미한다. 이와는 다르게 같은 조건에서 나머지 할로젠 원소 X= Cl, Br, I 인 1b, 1c, 1d는 kobsd vs [amine] 의 그래프가 직선으로 나타났다. 이것은 1a와는 달리 탈 양성자화 과정이 일어나지 않는 것을 의미하며 이탈기 X의 성질이 반응 메커니즘에 미치는 영향이 크다는 것을 의미한다. 또한, 용매가 H2O일 때 kobsd와 아민의 농도를 상관지은 그래프는 기질의 종류에 상관없이 모두 원점을 지나는 직선이었다. 이것은 아민에 의한 일반 염기 촉매작용이 없다는 것을 의미한다. 반응 용매 및 아민의 종류와 상관없이 이탈기 X의 전기음성도가 커질수록 반응속도가 증가하였다(F > Cl ≈ Br > I). X의 전기음성도가 커질수록 다시말해, X⁻의 염기도가 감소할수록 반응성이 증가한다는 사실은 이탈기의 이탈이 속도결정단계 이후에 일어난다는 것을 의미한다.