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Nucleophilc Substitution Reactions of Aryl Benzoates and Related Compounds: Factors Influencing Reaction Rate and Mechanism

Title
Nucleophilc Substitution Reactions of Aryl Benzoates and Related Compounds: Factors Influencing Reaction Rate and Mechanism
Authors
전상은
Issue Date
2005
Department/Major
대학원 화학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Doctor
Abstract
This thesis describes the results on the studies of nucleophilc substitution Reactions of a series of aryl benzoates and related compounds 1. Second-order rate constants (kN) have been determined spectrophotometrically for reactions of 2,4-dinitrophenyl X-substituted benzoates (1a-f) and Y-substituted phenyl benzoates (2a-h) with a series of alicyclic secondary amines in MeCN at 25.0 ± 0.1℃. The kN values are only slightly larger in MeCN than in H2O, although the amines studied in this study are ca. 8 pKa units more basic in the aprotic solvent than in H2O. The Yukawa-Tsuno plot for the aminolysis of 1a-f is linear, indicating that the electronic nature of the substituent X in the nonleaving group does not affect the rate-determining step or reaction mechanism. The Hammett correlation with σ- constants exhibits also good linearity with a large slope (βY = 3.54) for the reactions of 2a-h with piperidine, implying that the leaving group departure occurs at the rate-determining step. Aminolysis of 2,4-dinitrophenyl benzoate (1c) results in a linear Brønsted-type plot with a βnuc value of 0.40, suggesting that the bond formation between the attacking amine and the carbonyl carbon atom of 1c is little advanced in the transition-state. A concerted mechanism is proposed for the aminolysis of 1a-f in MeCN. The medium change from H2O to MeCN appears to force the reaction to proceed concertedly by decreasing the stability of the zwitterionic tetrahedral intermediate (T±) in the aprotic solvent. 2. Second-order rate constants (kN) have been measured spectrophotometrically for the reactions of p-nitrophenyl acetate (3) with a series of alicyclic secondary amines in H2O and in DMSO at 25.0 ± 0.1.℃ Such a solvent change from H2O to DMSO has resulted in rate enhancements. The effect of solvent on reactivity has been found to be most significant for the reaction with piperazinium ion while least significant for the reaction with piperidine. The Brønsted-type plot has been found to be linear with a large slope (nuc = 0.76-0.82) for both reactions run in H2O and in DMSO, indicating that the aminolyses proceed through rate-determining break-down of the addition intermediate. The difference in pKa values determined in DMSO and in H2O has shown a linear correlation with the difference in the second-order rate constants determined in DMSO and in H2O with a slope close to unity, suggesting that pKa is fully responsible for the rate enhancement in DMSO. 3. A kinetic study is reported for nucleophilic substitution reactions of 4-nitrophenyl phenyl carbonate (4) and 4-nitrophenyl phenyl thionocarbonate (5) with a series of primary amines. The thiono compound 5 is less reactive than its oxygen analogue 4 toward strongly basic amines but more reactive toward weakly basic CF3CH2NH2. The Brønsted-type plots obtained from the aminolyses of 4 and 5 are curved downwardly. The reactions are proposed to proceed through a stepwise mechanism with a change in the RDS on the basis of the curved Brønsted-type plots. The microscopic rate constants (k1 and k2/k-1 ratio) associated with the current aminolyses are consistent with the proposed reaction mechanism. The replacement of the C=O bond in 4 by a polarizable C=S group results in a decrease in the k1value but an increase in the k2/k-1ratio. Besides, such a modification of the electrophilic center causes a decrease in pKao, defined as the pKa at the curvature center of curved Brønsted-type plots, but does not alter the reaction mechanism. The larger k2/k-1 ratio for the reactions of 5 compared to those of 4 is proposed to be responsible for the decreased pKao value. 4. Second-order rate constants have been measured spectrophotometrically for the nucleophilic reactions of 2,4-dinitrophenyl acetate (6), p-acetylphenyl acetate (7) and p-nitrophenyl acetate(3) with m-chlorophenoxide as normal nucleophile and p-methyl-N-methylbenzohydroxamate (M2BHA-) as α-nucleophile in MeCN-H2O mixtures of varying compositions at 25.0 ± 0.1℃. The reactivity of M2BHA- towards the aryl acetates decreases upon addition of MeCN to the reaction medium up to ca. 30 mole % MeCN, followed by a gradual increase in rate upon further addition of MeCN. A similar result has been obtained for the reaction of ClPhO- with the aryl acetates. Difference in the relative basicity of the nucleophiles is largely responsible for the increasing α-effect with medium composition in this system. 5. Pseudo-first-order rate constants have been measured spectrophotometically for the reaction of the paraoxon(8) and parthion(9) with alkali metal ethoxides (EtO-M+). The plot of kobsd vs. the concentration of potassium metal ethoxide is in linear in the presence of complexing agent, 18-crown-6 ether. The plot of kobsd vs. [EtO-M+] exhibits upward curvature or downward curvature for the corresponding reactions performed in the absence of the complexing agent. In the reaction of paraoxon (8) with allaki metal ethoxides, ion paired EtO-M+are more reactive than the dissociated EtO- with the reactivity order EtO-Li+ > EtO-Na+ > EtO-K+ > EtO-, indicating that alkali metal ions clearly behave as catalysts for the dephosphorylation. However, in the reaction of parathion (9), the reactivity follows the order EtO-K+ > EtO- > EtO-Na+ > EtO-Li+, indicating that only K+ ion behaves as a catalyst and Na+ and Li+ behave as inhibitors. Consequently, the difference in the M+ ion effect arises from the differences in complexation of the M+ ion with the P〓X ( X〓O, S) site. The complexation of M+ ions with the S atom of the P = S bond would not be as strong as that with the O atom of the P〓O bond and, in turn, the enhancement of P-electrophilicity would not be as great for P〓S as for P=O, which accounts for the significant difference in the catalytic effect of the M+ ions in the dephosphorylation of 8 and 9.;본 논문은 다섯가지 유형의 aryl benzoates 및 관련 화합물류의 친핵성 치환반응에 관한 것으로 각 반응의 논문개요는 다음과 같다. 첫째, MeCN에서 2,4-dinitrophenyl X-substituted benzoates (1a-f)와 Y-substituted phenyl benzoates (2a-h)를 기질로 하고, 일련의 고리형 이차 아민을 친핵체로 하는 가아민 분해반응을 분광학적인 방법으로 연구하였다. 기질 1a-f와 piperidine 및 morpholine과의 가아민 분해반응의 이차 반응속도상수는 치환기 X를 전자밀개 그룹에서 전자끌개 그룹으로 변화시킴에 따라 증가하였다. 비이탈기에 있는 치환기 X가 반응속도에 미치는 효과를 알아보기 위하여 그린 Hammett 그래프는 직선이 아니었으나 Yukawa-Tsuno 그래프에서는 좋은 상관관계를 가지는 일직선의 그래프를 보였다. 그러므로 Hammett 그래프가 직선이 아닌 것은 속도결정단계 (RDS)의 변화에 의한 것이 아니며 전자밀개 치환기에 의한 기질의 바닥상태 안정화에 의한 것으로 사료된다. 기질 2a-h와 piperidine과의 가아민 분해반응에서의 이차반응속도상수는 치환기 Y가 전자밀개 그룹에서 전자끌개 그룹으로 변화함에 따라 증가한다. 치환기 Y가 반응속도에 미치는 효과를 알아보기 위한 Hammett 그래프에서는 σ-상수를 이용하여 그래프를 그린 것이 가장 좋은 상관관계를 가지며, 이때 기울기 ρY는 3.54로 매우 큰 값이다. ρY 값이 크다는 것은 RDS에서 이탈기가 떨어지는 단계가 많이 진행되어 있다는 것을 의미한다. 2,4-Dinitrophenyl benzoate (1c)와 일련의 고리형 이차아민과의 가아민 분해반응에서는 좋은 상관관계를 갖는 일직선의 Brønsted-type 그래프가 얻어졌으며 직선의 기울기 βnuc 값은 0.40으로 작았다. βnuc 값이 작다는 것은 전이상태에서 공격하는 아민과 기질의 carbonyl carbon 원자와의 결합형성이 많이 발달되어 있지 않다는 것을 의미한다. 이러한 모든 결과들로부터 MeCN에서 기질 1a-f의 가아민 분해반응은 concerted mechanism으로 진행된다고 주장할 수 있다. 반응 용매가 물에서 MeCN으로 바뀌면 zwitterionic tetrahedral intermediate (T±)가 불안정하게 되어 T±과정을 거치지 않는 concerted mechanism으로 진행된다고 주장할 수 있다. 둘째, 물과 DMSO에서 p-nitrophenyl acetate (3)와 고리형 이차 아민류와의 가아민 분해반응을 분광학적인 방법으로 연구하였다. 반응용매가 물에서 DMSO로 바뀌면, 기질 3과 고리형 이차 아민류와의 반응속도는 증가한다. 이러한 용매변화에 의한 반응성 증가 정도는 piperazinium ion과의 반응에서 가장 컸으며 piperidine과의 반응에서 가장 작았다. DMSO에서 고리형 이차 아민류의 pKa 값을 측정한 결과 piperazinium ion은 물보다 DMSO에서 1.04 pKa만큼 염기도가 크며 piperidine은 DMSO에서 0.5 pKa만큼 염기도가 작다. DMSO에서 구한 아민의 pKa 값을 이용하여 Brønsted-type 그래프를 그려보니 좋은 상관관계를 가지는 일직선의 그래프가 얻어졌다. βnuc 값은 물에서는 0.82, DMSO에서는 0.73으로 용매변화와는 관계없이 유사하게 큰 βnuc 값을 보였다. 큰 βnuc 값은 중간체가 분해되어 생성물이 생성되는 단계가 RDS임을 의미한다. 용매변화에 의한 아민류의 염기도 차이 (△pKa)와 이차반응 속도상수의 차이 (Δlog kN)를 상관짓는 그래프는 직선관계를 보였다. 이 결과로부터 DMSO에서의 반응속도의 증가는 아민류의 염기도 차이에 기인한 것이라 해석할 수 있다. 셋째, p-nitrophenyl phenyl carbonate (4)와 p-nitrophenyl phenyl thionocarbonate (5)를 기질로 하고, 일련의 일차 아민류를 친핵체로 하여 가아민 분해반응을 분광학적인 방법으로 연구하였다. 기질 4와 5의 반응성은 친핵체의 염기도에 따라 달랐다. 아민의 염기도가 큰 경우는 기질 4의 반응성이, 아민의 염기도가 아주 작은 CF3CH2NH2의 경우에는 기질 5의 반응성이 더 좋았다. 두 기질과 일차 아민류와의 가아민 분해반응에 대한 Brønsted-type 그래프는 아래로 휘어지는 곡선을 보였다. 이러한 결과로부터 본 가아민 분해반응은 stepwise 메커니즘을 거치며 RDS의 변화가 있다고 주장할 수 있다. 기질 4의 C〓O의 O를 S로 변화시킨 기질 5의 반응을 기질 4의 반응과 비교하였을 때 k1 값은 감소하고 k2/k-1의 비는 증가한다. 기질을 4에서 5로 변화시켰을 때 k2/k-1 = 1이 되는 pKa, 즉 pKao 값은 감소되나 반응 메커니즘에는 변화가 없다. pKao를 감소시키는 원인은 k2/k-1의 비가 증가하기 때문이라고 주장하였다. 넷째, MeCN-H2O 혼합용매에서 p-nitrophenyl acetate (3) 2,4-dinitrophenyl acetate (6), 및 p-acetylphenyl acetates (7)를 기질로 사용하고, α-효과친핵체로서 p-methyl-N-methylbenzohydroxamate (M2BHA-)를, 정상친핵체로서 m-chlorophenoxide (ClPhO-)를 사용하여 친핵성 치환반응을 분광학적인 방법으로 연구하였다. 기질 3, 6, 7과 ClPhO-의 반응성은 혼합용매에서 MeCN의 함량이 약 30 mol % 될 때까지는 감소하다가 그 이상에서는 다시 증가한다. 두 기질과 M2BHA-의 반응성 역시 MeCN의 함량이 약 30 mol % 될 때까지는 조금 감소하다가 그 이상에서는 급격하게 증가한다. 혼합용매에서 MeCN의 mol %가 증가할수록 기질들의 α-효과는 모두 증가하였으며, 기질 7과의 반응에서 α-효과가 가장 컸다. 기질에 따라 α-효과가 차이가 나기 때문에 본 반응에서는 친핵체의 바닥상태 용매화 에너지 차이가 α-효과의 유일한 원인이라고 주장할 수 없다. m-nitrophenoxide를 기준염기로 사용하여 MeCN-H2O 혼합용매에서 M2BHA-와 ClPhO-의 상대적인 염기도 (ΔpKa)를 측정하였다. M2BHA-의 ΔpKa는 MeCN의 mol %가 증가할수록 ClPhO-의 ΔpKa 보다 크게 증가한다. M2BHA-와 ClPhO-의 상대적인 염기도의 차이 ΔΔpKa (ΔpKaM2BHA-- ΔpKaClPhO-)는 반응용매 중 MeCN의 함량이 증가함에 따라 증가한다. MeCN-H2O 혼합용매에서 ΔΔpKa 값이 α-효과크기에 미치는 영향을 연구하기 위해 본 연구에서 얻어진 log kM2BHA-/kClPhO- 값과 ΔΔpKa 값을 도시하여 보았다. log kM2BHA-/kClPhO- 값은 ΔΔpKa 값과 비례하여 증가하였다. 이로부터 친핵체의 상대적인 염기도 차이는 α-효과 크기에 중요한 영향을 미친다고 해석할 수 있다. 다섯째, 무수에탄올에서 paraoxon (8)과 parathion (9)를 기질로 하고 EtO-Li+, EtO-Na+, EtO-K+, 18-crown-6-ether를 과량(EtO-K+의 5배)으로 첨가한 EtO-K+를 친핵체로 하여 친핵성 치환반응을 수행하고 각 반응의 유사일차 속도상수 kobsd를 분광학적인 방법으로 연구하였다. kobsd를 [EtOM]과 상관지은 그래프는 기질 8과 EtO-Li+, EtO-Na+, EtO-K+와의 반응에서는 위로 휘는 곡선으로 나타나며, EtO-와의 반응에서는 일직선으로 나타난다. 반응성의 크기는 EtO- < EtO-K+ < EtO-Na+ < EtO-Li+의 순서로 증가하여 모든 금속 이온에서 촉매 효과를 보인다. 반면, 기질 9에서는 기질 8과는 다른 경향을 보인다. 즉 EtO-K+와의 반응에서는 약간 위로 휘는 곡선으로 나타나고 EtO-Li+와EtO-Na+와의 반응에서는 약간 아래로 휘는 곡선으로 나타난다. 반응성의 크기는 EtO-Li+ < EtO-Na+ < EtO- < EtO-K+의 순서로 나타난다. 기질 9와의 반응에서는 K+는 촉매작용을 하지만 Li+와 Na+는 저해작용을 함을 알 수 있다. 이러한 결과는 HSAB 원리로서 설명이 가능하였다. P〓X 시스템에서의 X〓O인 paraoxon은 X〓S인 parathion보다 친전자 중심이 더 hard 하다. 또한 ion-paired ethoxide의 경우 ethoxide 음이온도 매우 hard한 화학종이므로 hard한 금속 이온일수록 더 반응성이 크게 된다. 즉, K+ < Na+ < Li+의 순으로 hard한 정도가 증가하므로 paraoxon은 EtO-Li+와의 반응성이 가장 크고 EtO-K+와 반응성이 가장 작다. 한편 parathion의 경우 P〓S bond의 S원자에 발생되는 음전하는 편극도가 큰 S원자에 고루 퍼지게 되므로 P〓S bond는 비교적 soft 하다. 따라서 hard한 금속이온과의 결합이 더 약하게 될 것이다.
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일반대학원 > 화학·나노과학과 > Theses_Ph.D
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