Synthesis of N-Heterocyclic Alkenes using Ruthenium Catalysts / Kinetic Study of Nucleophilic Aromatic Substitution Reactions with Azide Ion

Abstract

Part1. Synthesis of N-Heterocyclic Alkenes using Ruthenium Catalysts. The major purpose of the research presented in this thesis is the development of new way to synthesize N-heterocyclic alkenes via ruthenium-catalyzed decarbonylative olefination. Many of previous researches on decarbonylative olefinations were shown to be somewhat limited in intermolecular reactions. Therefore, research in this thesis has been started to extend the substrate scopes to enable to afford intramolecular products. Through intensive and repetitive optimization experiments of the nitrogen-tethered 7-alkynal, it has been found that 7-membered N-heterocyclic alkene was afforded to 55 % yields under the reaction conditions of 5 mol % Ru2Cl4(CO)6 and 0.5 M DMF at 150 oC for 2 h. With these reaction conditions in hand, 5, 6, and 9-alkynals were chosen as substrates for reactions and tested in an attempt to synthesize various sized N-heterocycles. As results of these experiments, it has been turned out that 5, 6 and 7-membered N-heterocyclic alkenes could be moderately produced through our reaction conditions. Further research on synthesis of natural products possessing the moieties of N-heterocyclic alkenes is currently underway. Part 2. Kinetic Study of Nucleophilic Aromatic Substitution Reactions with Azide Ion In order to fully understand nucleophilic aromatic substitution (SNAr) reactions, the mechanism of the reactions of 1-(Y-substituted-phenoxy)-2,4-dinitrobenzenes with azide ion have been explored. Based on pseudo-first-order kinetic conditions, Brønsted-type plots, Hammett plots, and Yukawa-Tsuno plot were constructed. As a result of analysis, it has been proven for the SNAr reaction with azide ion to proceed through a stepwise mechanism with loss of leaving group being the rate-determining step, which is completely contrary to commonly known mechanism of SNAr reactions. Also, the research on the effect of changing nucleophiles from strongly basic hydroxide ion to weakly basic azide ion in SNAr reactions on reaction mechanism and reactivity was done. Compared to hydroxide ion, azide ion showed unusual reactivity toward aromatic compounds activated by electron-withdrawing groups such as nitro groups. This phenomenon could be explained by two aspect; (1) solvation effect and (2) polarizability effect. The detailed explanation is presented in the following thesis.;연구 1. 루테늄 촉매를 이용한 N-heterocyclic alkenes의 합성. 졸업논문 연구의 가장 큰 목적은 루테늄 촉매 하에서 decarbonylative olefination이라는 방법을 통해 다양한 N-heterocyclic alkenes을 성공적으로 합성해내는 것이다. 기존의 decarbonylative olefination 연구는 두 분자가 반응을 하여 한 분자가 형성되는 분자 간 반응에 다소 치중되는 경향이 있었다. 따라서, 이번 연구를 통해 decarbonylative olefination이 분자 내 반응에도 유용하다는 가능성을 보여주는 것과 더불어 보다 체계적으로 N-heterocycles을 합성할 수 있는 방법을 정립하고자 한다. 우선, 최적화된 반응의 조건을 찾기 위해 다양한 반응의 조건들이 스크리닝 되었고 그 결과, 5 mol%의 Ru2Cl4(CO)6 촉매를 사용하여 150 도에서 2시간동안 반응을 보냈을 때 55 퍼센트의 수득률로 7각형의 N-heterocyclic alkene을 얻어낼 수 있었다. 같은 조건하에 5, 6각형의 N-heterocyclic alkenes의 경우에는 적당한 수득률로 합성에 성공하였지만, 9각형의 N-heterocyclic alkene은 얻을 수 없었다. 현재는 천연물 중에서 N-heterocycle 골격을 가진 인돌 알칼로이드를 합성하기 위한 연구가 진행되고 있다. 연구 2. 친핵성 방향성 치환 반응에 대한 반응속도론 연구 친핵성 방향성 치환 반응을 심도 있게 이해하기 위해, 두 개의 nitro groups으로 친전자성을 띠는 방향족 물질인 1-(Y-substituted-phenoxy)-2,4-dinitrobenzenes과 약한 염기성을 띠지만 전자분산능력이 큰 azide 이온을 반응시켜보았다. 모든 반응속도 연구는 기질 대비 친핵체의 농도를 20배 이상 진하게 하여 가상의 1차 속도 반응 조건하에 진행되었다. 그 결과 간접적으로 얻은 이차 속도 상수에 근거하여 Brønsted-type plots, Hammett plots, 와 Yukawa-Tsuno plot이 그려졌다. 그림을 분석한 결과, 친핵체가 azide 이온일 경우 반응은 두 단계로 진행되고, 반응의 속도 결정 단계는 이탈기가 탈락하는 단계였다. 다음과 같은 결과는 기존에 알려진 전형적인 친핵성 방향성 치환 반응 메커니즘과는 정반대의 결과로 azide 이온의 특성으로 설명될 수 있다.