Kinetic studies on Michael-type additions of 3-butyn-2-one with substituted anilines and on nucleophilic substitution reactions of aryl benzoates

Abstract

삼중결합 물질 중의 하나인 3-butyn-2-one과 아닐린류의 친핵성 첨가반응을 수행하여 enaminone 생성 반응의 메카니즘을 규명하였다. 반응속도상수는 25.0±0.1℃ 수용액에서 분광학적 방법으로 측정하였다. 본 실험에서 반응속도상수는 아닐린의 염기도가 커질수록 증가하였으며, 아닐린의 pΚ_(2)와 좋은 직선의 Bronsted 상관관계를 보였다. 또한, 일차 반응속도론적 동위원소 효과(primary kinetic isotope effect)와 일반 산/염기 촉매작용(general acid/base catalysis)이 존재하지 않는 점으로부터 속도결정단계에 양성자 이동이 포함되지 않음을 알 수 있었다. 따라서, enaminone 형성 반응은 아민의 공격이 속도결정단계인 2단계(stepwise) 메카니즘으로 진행된다고 하겠다. 또한, 아닐린의 첨가반응이 일차아민의 첨가반응보다 뛰어난 반응성을 나타냈는데, 이는 conjugation effect로 설명할 수 있다. 그리고, 일차아민보다 반응성이 큰 아닐린과의 반응에서 βnuc값이 더 크게 나타났으므로 본 시스템에서는 reactivity-selectivity 원리가 적용되지 않는다고 하겠다. 본 반응을 self-buffer system을 이용하여 반응용액의 pH를 일정하게 한 후 반응을 수행하였더니, 꺾어진 Brφnsted 형태의 그림이 관측되었다. 이것은 낮은 pH에서 친핵체의 염기도에 따른 메카니즘의 변화가 있음을 의미한다. 전자끌게 치환기들의 경우 반응속도가 pH에 의존하는 것으로 보아, 고유 산 촉매작용(specific acid catalysis)이 존재함을 알 수 있었다. 그러나, 전자밀게 치환기들의 경우 반응속도에 미치는 pH의 효과는 거의 나타나지 않았다. 이는 전자밀게 치환기들의 반응에서 H^(+)의 농도는 무시할 정도로 작기 때문에 고유 산 촉매작용이 관측되지 않은 것으로 볼 수 있다. 따라서, 본 반응은 기질이 양성자화되지 않은 상태에서 친핵체가 공격하는 경우(k_(2))와 양성자화된 상태에서 친핵체가 공격하는 경우(k_(3))가 존재하는 것으로 볼 수 있다. 각각의 속도상수를 구한 결과, k_(3)가 k_(2)보다 10^(11)배 이상 큰 값을 나타냈다. 이는 양성자화되지 않은 기질에 친핵체가 공격하는 반응보다 양성자화된 기질에 공격하는 반응이 훨씬 빠른 속도로 진행하는 것을 나타내는 결과이다. 또한, Brφnsted 형태의 그림에서 얻은 각각의 βnuc값으로부터, 양성자화된 기질에 친핵체가 공격하는 경우(k_(3))가 양성자화되지 않은 기질에 친핵체가 공격하는 경우(k_(2))보다 친핵체의 염기도에 더 민감하게 반응하며, 전이상태에서 기질과 친핵체 사이의 결합형성정도도 더 큰 것을 알 수 있다. 위의 방법으로 계산하여 얻은 k_(2)값이 버퍼를 사용하지 않은 경우에서 실험을 통해 구한 k_(N)값과 거의 같은 값을 나타냈는데 이는 본 이론을 잘 뒷받침 해주는 것이라 하겠다. 한편, Ρ-nitropheny1 X-substituted benzoates (X-C_(6)H_(4)CO-OC_(6)H_(4)-4-NO_(2))와 hydroxide와의 반응속도상수를 10 (v/v) % 및 33 (v/v) % MeCN-H_(2)O 혼합용매에서 분광학적 방법으로 측정하였다. 반응속도상수는 아실 치환기 X의 전자끌게 능력이 커질수록 증가하는 경향을 보였으며, σ상수와 상관 지었을 때 휘어진 Hammett 그림을 보였다. 휘어진 Hammett 그림으로 보아 반응속도 결정단계는 아실 치환기의 전자적 성질에 영향을 받으며 반응은 2단계 (stepwise) 메카니즘으로 진행한다고 생각할 수 있다. 그러나, Yukawa-Tsuno 그림으로 나타내었더니 Hammett 그림과는 달리 좋은 상관관계를 보였으며, 양의 ρ_(x) 값과 큰 γ값이 얻어졌다. 따라서, 휘어진 Hammett 그림은 아실 치환기 X의 변화에 따른 속도 결정단계의 변화 때문이 아니라, 아실 부분에 있는 π-전자주게 치환기의 공명기여도 때문이라 결론지을 수 있다.;Second-order rate constants (k_(N)for Michael-type addition reactions of a series of aromatic primary amines ArNH_(2) to 3-butyn-2-one have been measured spectrophotometrically . The reactivity of ArNH_(2) studied increases with increasing their basicity. A good linear Bronsted-type plot are obtained for the non-buffer system, indicating that there is no mechanism change upon changing the basicity of the nucleophiles. Primary isotope effect and general acid/base catalysis are absent in the present system. This kinetic results have led to a conclusion that the enaminone formation reaction proceeds stepwisely through TS2 and the rate-determining step is the amine attack. However, nonlinear Bronsted-type plots are obtained for the self-buffer system, indicating there is a change in the reaction mechanism upon changing the basicity of the nucleophiles at low pH. In case of an electron withdrawing group, the reaction rate rises as pH falls. Therefore, the reaction is said to be subject to specific acid catalysis because the reaction rate depends only on the concentration of protons in the solvent. This indicates that there is rapid, reversible protonation of the substrate before the slow, rate-determining step in the reaction. However, in case of an electron donating group, the reaction rate hardly depends on the concentration of protons in the solvent. Anilines exhibit higher reactivity than aliphatic amines of similar basicity. The enaminones from ArNH_(2) show about 50∼70 nm 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. Second-order rate constants (k_(N)) have been measured spectrophotometrically for the reactions of 4-nitrophenyl X-substituted benzoates (X-C_(6)H_(4)CO-OC_(6)H_(4)-4-NO_(2)) with hydroxide in H_(2)O containing 10 (v/v) % and 33 (v/v) % MeCN at 25.0±0.l0℃. The magnitude of the k_(N) values increases with increasing the electron-withdrawing ability of the acyl substituent X. Nonlinear Hammett plots are obtained for the reactions, when the logarithmic second-order rate constants (k_(N)) are correlated with cj constants for the acyl substituent X. Such a nonlinear Hamrnett plots is suggestive of a change in the rate-determining step upon changing the acyl substituent X. However, the Yukawa-Ysuno plots are linear with positive ρ_(x) and large r values, implying that ground-state stabilization by through-conjugation of the π -electron donor substituents on the acyl moiety of the substrate is significant. Therefore, the nonlinear Hammett plots are not due to a change in the RDS but arise from large resonance demand of the π-electron donor substituents on the acyl moiety. The magnitude of the r values decreases with increasing ρ_(x) values.