Evidence of a stepwise reaction mechanism for reactions of dibenzo[1,2]oxathiin 6-oxide with alicyclic secondary amines and sodium ethoxide

Abstract

본 연구는 25℃, 수용액에서 dibenzo[1,2]oxathiin 6-oxide와 일련의 2차 아민의 친핵성 치환반응 속도를 분광학적으로 연구한 것이다. 일반적으로 aminolysis 반응에서 유사일차 반응속도와 아민의 농도를 상관 지은 그래프는 general acid/base catalysis의 유무에 의해서 위로 휘어지는 곡선이나 직선을 나타낸다. 그러나 본 반응계에서 유사일차 반응속도와 아민의 농도를 상관지은 그래프는 아래로 휘어지는 곡선을 보였다. 이와 같이 아래로 휘어지는 곡선은 aminolysis 반응에서는 처음으로 관측된 것이다. 또한, 이것은 하나 이상의 중간체를 경유하는 첨가-제거 메카니즘으로 반응이 진행함을 제시해주는 증거이다. Aminolysis 반응에서 속도결정단계(rds) 변화(pK_0)는 4～5 + pK_a(lg)인 지점에서 나타난다고 알려져 있다. 본 반응에서의 이탈기의 염기도는 ～10정도이며 가장 염기도가 큰 피페리딘의 pK_a 값이 11.2인 점으로 보아 본 연구의 반응계에서 rds는 모두 제거단계(k_2)임을 예측할 수 있다. 반응 결과 관측된 아래로 휘어지는 곡선에서 포화되는 지점으로부터 k2 값을 예측 할 수 있었다. Jencks는 이탈기가 떨어지는 단계의 속도상수 k_2 값은 공격하는 아민의 종류나 염기도에 무관하고 기질의 구조와 이탈기의 염기도에만 의존하다고 주장하였다. 그러나, 연구결과 염기도가 작은 아민에 대한 k_2 값은 염기도가 큰 아민에 대한 k_2 값보다 훨씬 작게 나타났다. 이로부터 또 다른 평형단계인 K 을 도입하였다. 그리고 아래로 휘어지는 곡선은 steady state approximation으로는 설명이 불가능해서 본 반응에서는 improved steady state approximation을 도입해서 유사일차 반응속도식을 유도하였고, 유도한 식으로부터 반응중간체가 생성물로 분해되는 단계의 반응속도상수 k_2 값을 구하였다. 실험결과로부터 계산되어진 k_2 값과 유도한 식을 이용하여 nonlinear regression method로부터 반응에 포함된 모든 microconstant 값들을 구할 수 있었다. kinetic 결과와 유도한 반응식과 계산된 반응속도상수값들은 좋은 상관관계를 보였다. 각각의 microconstant 값들을 아민의 염기도와 상관지은 Bronsted 형태의 그림은 모두 좋은 직선관계를 보였고, k_1, k_-1, K, K 에 대한 Bronsted β 값은 각각 0.35, -0.16, 0.55, -1.37이었다. 또한, 이와 같이 좋은 직선 관계를 보이는 것은 계산되어진 반응 속도상수 값들이 믿을 수 있는 값들임을 의미한다. 따라서 본 반응은 빠른 속도로 중간 생성물을 생성한 후 이 중간체로부터 느린 반응 속도로 최종 반응생성물이 생성되는 첨가-제거 메카니즘으로 반응이 진행한다고 결론 지을 수 있다. 한편, 25℃ absolute ethanol 용매계에서 dibenzo[1,2]oxahiin 6-oxide와 E_tON_a의 친핵성 치환반응을 분광학적으로 연구하였다. 본 반응계에서 UV spectra는 두 개의 다른 형태를 보인다. 즉, 빠른 반응에 대한 UV spectra와 느린 반응에 대한 UV spectra가 다르게 나타나며 중간 생성물이 생성되는 단계가 UV spectra 상에서 관찰되어진다. 빠른 반응에서 유사일차 반응속도상수와 아민의 농도를 상관지은 그래프는 좋은 직선을 나타내며 이 직선의 기울기와 절편으로부터 정반응 속도상수 k_1과 역반응 속도상수 k_-1을 구할 수 있었다. 느린 반응에서 유사일차 반응속도상수와 E_tON_a의 농도를 상관지은 그래프는 아래로 휘는 곡선을 나타내는데 재현성에 문제점이 있어 앞으로 계속적인 연구가 수행되어져야 하겠다. 결론적으로 본 반응계에서는 기질에 친핵체가 빠른 속도로 공격하여 중간생성물을 형성하고 이 중간생성물로부터 느린속도로 이탈기가 떨어져서 최종 생성물이 형성되는 메카니즘으로 반응이 진행한다. ; First-order rate constants (k_obs) have been measured spectrophotometrically for the reaction of a dibenzo[1,2]oxathiin 6-oxide(1) with a series of alicyclic secondary amines in water and with sodium ethoxide in absolute ethanol at 25.0±0.1℃. UV-Vis and stopped-flow techniques have revealed that the above reaction proceeds via an addition-elimination mechanism with a stable addition intermediate, i.e., the rate of formation of an addition intermediate appears to be much faster than that of the breakdown of the intermediate to the products. For the reaction of dibenzo[1,2]oxathiin 6-oxide with a series of alicyclic secondary amines, the plot of kobs vs amine concentration shows downward curvatures as the amine concentration increases for all the amines studied. Such a downward curvature has never been observed previously for aminolysis of esters and clearly suggests that the present reaction proceeds via an intermediate, and can be used as evidence of a stepwise reaction mechanism. A rate equation fitted to the kinetic results has been derived, and all the microconstants involved for the aminolysis have been calculated from a nonlinear regression method. The resulting Bronsted-type plots are all linear, indicating that the values of these microconstants are reliable. For the fast step reaction of dibenzo[1,2]oxathiin 6-oxide with sodium ethoxide, the plot of kobs vs [E_tON_a] shows good linearity with a positive intercept. A rate equation has been derived to explain the kinetic data. The values of k_1 and k_-1 has been calculated from the slope and intercept of the plot of kobs vs [E_tON_a]. The slow step reaction (decomposition of the intermediate into the products) is identical to that of dibenzo[1,2]oxathiin 6-oxide with secondary amines. Using the derived rate equation, k_1, k_-1, and k_2 values have been calculated.