(The) origins of the α- effect

Abstract

물과 유기용매 (DMSO, MeCN등) 의 이성분계 용매중에서 반응속도에 미치는 용매효과는 많은 화학자들의 관심의 대상이 되고 있다. 본 연구에서는 친핵성 치환반응과 친핵성 첨가 반응을 통해 이들의 반응메카니즘과 α-효과의 원인을 규명하고자 하였다. p-Nitrophenyl-p-nitrobenzenesulfonate와 Ox^(-), p-ClPhO^(-) 의 친핵성 치환반응의 반응속도상수를 다양한 조성의 DMSO-H_(2)O 혼합용매에서 측정하였다. DMSO-H_(2)O 혼합용매에서 Ox^(-), p-ClPhO^(-) 두 친핵체에 대해 반응속도 상수는 DMSO의 함량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이는데, 이는 DMSO 함량이 증가함에 따라 음이온성 친핵체의 탈용매화가 쉽게 일어나는 것으로써 뒷받침 될 수 있다.^(1) p-CHhO^(-) 의 Bro¨nsted 형태의 도시는 linear한 직선인 반면 α-친핵체인 Ox^(-) 의 경우 2개의 linear한 직선의 합으로 나타난다. 이는 Ox^(-) 의 구조에너지로써 설명이 가능하다. 즉, DMSO 의 함량이 증가함에 따라, Ox^(-) 의 바닥 상태의 에너지가 증가하여 Ox^(-) 구조가 친핵 반응성이 떨어지는 U형태로 쉽게 interconversion이 이루어져 예상되는 반응성보다 떨어지게 된다. 그러므로 이러한 용매조성에 따른 반응성의 차이 때문에 α-효과의 크기가 bell-shape으로 나타나는 것이다. 이는 PNPA, PNPDPP의 연구 결과와도 일치한다. 따라서 용매효과 또한 α-효과의 중요한 요인으로 설명되어질 수 있다. 두번째로는 3-butyn-2-one에 대한 아민의 친핵성 첨가반응에 관한 연구이다. 1차 아민의 경우 반응 메카니즘은 primary kinetic isotope effect나 general acid / base catalysis가 없다는 점과 Bro¨nsted β_(nuc) 값으로부터 아민의 공격이 속도결정단계인 stepwise 메카니즘으로 진행됨을 알 수 있다. 그러나 α-친핵체의 경우 pimary kinetic isotope effect는 나타내었으나, general acid / base catalysis는 존재하지 않는다. 이는 α-친핵체가 one-step concerted 메카니즘으로 진행됨을 의미한다. 따라서 1차 아민류의 반응에 있어서 나타난 sp 탄소에서의 작은 α-효과는 앞서 언급한 두 친핵체들 사이의 메카니즘적 차이로 설명할 수 있다. 친핵체가 아닐린 유도체의 경우 다른 1차 아민류 보다 뛰어난 반응성을 나타내는데, 이는 conjugation effect 로 설명할 수 있다. 아닐린 유도체의 경우 치환기에 따라 반응메카니즘에 있어서 차이를 나타낸다. 치환기의 전자밀게 능력이 큰 경우 전자끌게 능력이 큰 치환기의 β_(nuc) 에 비해 상대적으로 큰 β_(nuc) 값과, primary kinetic isotope effect 가 존재하지 않는다는 점, 그리고 속도상수가 pH에 무관하다는 점으로부터 반응메카니즘은 친핵성 공격이 속도 결정단계인 stepwise 메카니즘을 거친다고 하겠다. 그러나 치환기의 전자끌개 능력이 큰 경우 pH에 따라 다른 반응속도 상수-general acid catalysis- 그리고 primary kinetic isotope effect가 존재한다는 점으로부터 속도 결정단계가 양성자의 이동 단계로 변화해 감을 알 수 있다. 마지막으로 MeCN-H_(2)O 혼합용매계에서 PNPA 와 hydroxamate와의 반응속도 상수에 대하여 이들의 염기도와의 관계를 알아보기 위해 상대적인 염기도의 차이인 ΔpKa를 측정하였다. M_(2)BHA / m-ClPhO^(-) system에 있어서의 증가되는 α-효과의 경향은 이들 두 친핵체 사이의 mole % 에 따른 ΔpKa의 차이로써 설명할 수 있다. 30 mole % 이상에서의 반응속도상수는 ΔpKa가 증가함에 따라 linear하게 변하며, m-ClPhO_(-), M_(2)BHA^(-) 에 대한 Bro¨nsted 형태의 도시의 기울기는 각각 3.55, 2.40 이며, 이는 m-ClPhO^(-) 의 반응성이 M_(2)BHA^(-) 의 반응성 보다 ΔpKa에 민감하다는 것을 나타낸다. 따라서 α-효과는 실제적으로 α-친핵체의 염기도가 증가함에 따라 감소한다. 그러므로 염기도 또한 α-효과에 대한 중요한 요인이 될 수 있지만, 염기도 하나만으로는 hydroxamate의 비정상적으로 높은 반응성을 설명할 수 없다.;Second-order rate constants have been measured spectrophotometrically for the reactions of aryl benzenesulfonates with p-ClPhO^(-) and Ox^(-) in various of DMSO-H_(2)O mixtures at 25.0±0.1℃. The reactivity of both p-ClPhO^(-) and Ox^(-) increase significantly as mole % DMSO increases in the reaction medium. The novel Bro¨nsted type plot for the reactions of PNPPNBS with p-ClPhO^(-) is linear, while the one for the Ox^(-) system is not linear. Therefore the magnitude of the α-effect shows a bell-shaped dependence on solvent composition. The conformational change of Ox^(-) upon the addition of DMSO is considered to be responsible for the break in the novel Bro¨nsted type plot and bell-shaped α-effect. Second-order rate constants have been measured spectrophotometrically for the addition reactions of 3-butyn-2-one with 1°, 2° amines in H_(2)O at 25.0±0.1℃. The reactivity of RNH_(2) shows a good linear Bro¨nsted type correlation except α-nucleophiles and aromatic amines (ArNH_(2)) which show positive deviations from the linear plot. Bro¨nsted β_(nuc) value for the reactions of 1° amines is small. Primary isotope effect and general acid / base catalysis are absent in present system. The kinetic results have led to a conclusion that the reaction proceeds via a stepwise mechanism with rate determining attack of amines to 3-butyn-2-one. However, primary kinetic isotope effect is present but general acid / base catalysis is absent for the corresponding reaction of α-nucleophiles such as NH_(2)NH_(2). These results show that the reaction mechanism for the α-nucleophiles with 3-butyn-2-one is one-step concerted mechanism. The magnitude of the α-effect in present system is unexpectly small. Therefore, the small β_(nuc) value or the difference of mechanism is considered to be responsible for the unusually small α-effect. Aromatic amines exhibit higher reactivity than aliphatic amines of similar basicity. The enamines from ArNH_(2) show about 40∼90 ㎚ longer λ_(max) than one from RNH_(2), indicating conjugation power of ArNH_(2) plays an important role for the reactivity toward the addition reaction. Interestingly, Bro¨nsted type plot for the reactions of aromatic amines to 3-butyn-2-one gives break. Nonlinear Bro¨nsted type plot for the reactions of 3-butyn-2-one to aromatic amines indicates that the reaction mechanism changes. In order to investigate the effect of basicity on the α-effect relative basicities of nucleophiles (△pKa = pKa of the conjugate acid nucleophile - pKa of the conjugate acid of reference base m-nitrophenoxide) have been measured in H_(2)O and MeCN-H_(2)O mixtures. The increasing α-effect trend shown by the M_(2)BHA^(-) / m-ClPhO^(-) system is explained by the difference in △pKa trends of these nucleophiles.