(A) Kinetic Study in Binary Solvent Systems : The Nitrosation Reaction of Phenylurea in CH3CN - H2O Mixtures

Abstract

생명체 내에서 암을 유발하고 돌연 변이를 일으키는 N-nitroso compound에 대해 많은 연구가 진행되어왔다. 이 화합물들이 생물체의 조직에 직접적으로 미치는 영향에 대한 메카니즘인 생물학적 연구는 활발하게 수행되고 있는 반면 반응 속도론적 연구와 benzene 고리를 포함하고 있는 N-nitroso compound에 대한 연구가 미비하므로 본 연구에서는 phenylurea의 nitrosation반응을 CH_(3)CN-H_(2)O용매에서 반응 속도론적 연구를 수행하였다. 반응 속도 측정을 위하여 아질산을 phenylurea에 대해 약 60배 정도 과량으로 넣은 상태에서 생성물인 벤젠디아조늄 이온의 시간에 따른 흡광도의 증가를 관찰하였다. phenylurea와 아질산 사이의 nitrosation 반응속도에 대해 첫째, 수소 이온 농도의 영향을 보기 위해 CH_(3)CN-H_(2)O의 혼합 용매에서 CH_(3)CN의 조성이 10 몰%와 30 몰%에서 수소이온농도 0.1M-2.OM 범위로 변화시켰다. 둘째, 용매 조성에 따른 영향을 보기 위해 수소 이온 농도를 0.3M로 일정하게 유지하고 CH_(3)CN의 mole%를 0%에서 80%까지 변화시켰다. 수용액에서는 반응초기를 제외하면 반응속도는 phenylurea와 아질산에 대해 각각 일차임이 확인되었다. 혼합 용매 조성에서도 반응 초기 부분은 수용액에서와 같이 induction period를 가지며 반응속도가 수소 이온의 농도와 CH_(3)CN의 조성에 따라 달라짐이 관찰되었다. 수소 이온 농도가 높을수록 반응속도가 빨라졌다. 그리고 CH_(3)CN의 mole%가 증가하면 반응속도가 점점 느려지다가 70 몰%이상에서는 다시 반응 속도가 점점 빨라지는 것으로 나타났다. 혼합 용매에서도 induction period가 관찰되었으므로 반응 초기에 상당량의 반응 중간체가 형성되는 것으로 생각된다. 반응 메카니즘을 수용액에서와 마찬가지로 phenylurea가 nitrosating agent와 반응해서 우선 O-nitroso compound가 형성된 후 두 개의 경로를 통해 conjugate base가 형성되는 것으로 볼 수 있다. 이중에서 하나는 최종 생성물인 벤젠디아조늄 이온을 형성하는 primary N-nitrosophenylurea로 이고 다른 하나는 secondary N-nitrosophenylurea이다. 이때 CH_(3)CN농도가 낮은 mole% 조성에서는 O-nitroso compound에서 deprotonation되는 단계가 속도 결정단계이며, CH_(3)CN의 조성이 높은 경우에는 H_(2)O에 의해서 반응이 억제되는 것으로 보아 nitrosating agent가 phenylurea에 공격(attack)하는 단계가 속도결정단계인 것으로 추정된다.;N-nitrosourea and its analogues have been widely studied due to their powerful carcinogenic and mutagenic properties. Nevertheless, in spite of undoubted interdisciplinary interest in the reactions by which N-nitrosoureas were formed, their kinetics have been much less thoroughly examined than those of N-nitrosoamines because their mechanisms assumed to be analogous to those of the latter. This paper reports a kinetic study of the reaction between nitrous acid and phenylurea(PhU), which is known to be carcinogenic to animals. The rates of the nitrosation reaction of phenylurea have been determined spectrophotometrically in the acidity range of 0.1M-2.0M HCIO_4 in acetonitrile-water mixtures at 25℃. Except the beginning part of the reaction, the reaction appeared to be the first order for phenylurea. The proposed mechanism for 0.1M-2.0M acid media involves the rapid formation of an O-nitorso compound(I) followed by two separate reaction paths. (I) is transformed to either of two conjugate bases, one of which subsequently undergoes rearrangement to secondary N-nitrosophenyurea (Ⅱ) and the other to primary N-nitrosophenylurea(Ⅲ), which is converted into benzenediazonium ion. The reaction rates are appeared to be changed by the solvent composition. Up to 60mole% acetonitrile, the reaction rates are decreased and after then increased again. Therefore, the reaction mechanism seems to be changed according to the solvent compostion. In acetonitrile-poor condition, the rate-controlling step is te loss of a proton by (Ⅰ). However in acetonitrile-rich condition, the rate-controlling step is the attack of the nitrosation agent on the phenylurea.