(The) Effect of Solvent on Aminolyss of p-Nitrophenyl Acetate in Binary Solvent Systems

Abstract

물과 유기용매(DMSO, MeCN 등)의 이성분계 용매에서 반응 속도와 메카니즘에 미치는 용매 효과는 화학자틀의 관심의 대상이 되고 있다. 본 연구에서는 p-nitrophenyl acetate(PNPA)와 이차 고리 아민인 piperidine, piperazine, morpholine사이의 친핵성 치환반응에 미치는 용매 효과를 이해하기 위하여 다양한 조성의 MeCN-H_(2)O, DMSO-H_(2)O 혼합용매에서 분광학적인 방법으로 속도상수를 측정하였다. 이와 같은 ester의 aminolysis 반응은 serine protease나 cystein protease의 acylation 같이 생화학적으로 중요한 반응을 이해하는 데에도 필수적이다. MeCN-H_(2)O 혼합용매계에서 반응속도상수는 용매 중 MeCN함량이 증가할수록 30-40 mole % MeCN까지는 감소하다가 그 이후의 영역에서는 일정해지는 경향을 보였다. 이러한 용매 효과를 보다 체계적으로 연구하기 위하여 온도에 따른 반응 속도의 변화로부터 활성화 파라미터(△H^(*), △S^(*), △G^(*))를 구하고 열량계법으로 친핵체인 아민류의 용해열(△H_(sol))을 측정하여, 바닥상태(GS)와 전이상태(TS)에서 용매화 정도 차이를 비교하였다. PNPA와 음이온성 친핵체의 반응과 비교할 때, 초기의 반응 속도 감소는 GS와 TS의 하전 차이 때문이 아니라 혼합용매의 구조 변화에 기인한 것이라 생각된다. 즉, 크기가 큰 TS와 상대적으로 크기가 작은 GS사이의 cavity formation energy차이 때문에 일어나는 현상이라 할 수 있다. MeCN이 풍부한 영역에서 반응 속도가 일정해지는 경향은 GS와 TS의 탈용매화되는 정도가 거의 비슷하여 서로 상쇄되기 때문인 것으로 설명할 수 있다. 물에 MeCN을 첨가할 때 △H^(*)와 △S^(*)가 감소하였다. 본 반응에서 aryl oxide가 제거되는 단계가 속도 결정 단계이므로 용매 조성이 MeCN으로 바뀜에 따라 이탈이 덜 진행되는 tight TS로 변하는 것으로 생각할 수 있다. DMSO-H_(2) 혼합용매계에서는 DMSO 함량이 증가됨에 따라 반응 속도가 증가되었다. 이는 용질과 용매의 정전기적 상호작용에 기초한 Hughes-Ingold규칙에서 예측할 수 없는 결과이다. MeCN-H_(2)O 혼합용매계의 결과와 비교해 볼 때 본 반응은 GS보다 TS의 용매화가 더 중요하며, 편극도(polarizability)가 큰 DMSO는 전하를 띠고 크기가 큰 TS를 잘 용매화하여 안정화시키기 때문에 속도가 증가된 것으로 결론지을 수 있다. 세 아민 중 piperidine이 MeCN 첨가에 따라 속도가 가장 크게 감소하였고, DMSO의 경우에는 piperidine이 속도 증가정도가 가장 작았다. 이러한 아민의 반응성 차이는 각 용매에서 아민의 △pK_(a) 값과 일정한 상관관계가 있다. piperidine은 piperazine이나 morpholine과 같이 유기용매에서 짝산이 분자 내 수소결합(intramolecular hydrogen bonding)에 의해 안정화될 수 없다. 따라서 MeCM이나 DMSO에서 piperidine자체가 상대적으로 안정화되어 큰 반응 속도의 증가를 보이지 않는 것으로 설명할 수 있다.;The second-order rate constants had been measured spectrophoto-metrically for reactions of p-nitrophenyl acetate(PNPA) with pipendine, piperazine and morpholine in MeCN-H_(2)O mixtures of varying compositions. The rate of the present aminolysis decreased upon additions of MeCN into H_(2)0 up to near 30-40 mole % MeCN and remained nearly constant upon further additions of MeCN. The present rate trend was quite different from the one obtained for the same reaction with anionic nucleophile, which exhibited an increasing trend in the MeCN rich region. The rate behaviors shown by the amine system in the MeCN rich region and by the anionic system in the H_(2)O rich region were unexpected based on the Hughes-Ingold rules. These unusual rate trends had been attributed to change in the solvent structure and ΔpK_(a) of nucleophile upon the addition of MeCN into H_(2)O. The enthalpy(ΔH^(*)) and the entropy(ΔS^(*)) of activation were decreased indicating the TS structure became tighter in the higher MeCN concentration. The corresponding. reactions were run in DMSO-H_(2)O mixtures of varying compositions, too. Interestingly, the reactivity of amine toword PNPA in the DMSO-H_(2)O system showed an increasing rate trend as mole % DMSO increased in the reaction medium. This phenomenon was attributed to the stabilization of the charged polarizable TS in largely polarizable DMSO. Piperidine showed the least solvent effect in DMSO-H_(2)O system, which showed the largest solvent effect in MeCN-H_(2)O system. The reactivity difference of those amines appeared to be closely related with ΔpK_(a) in present reaction medium.