Effect of Modification of Electrophilic Center from C=O to C=S on Reactivity and Mechanism: Aminolyses of 4-Nitrophenyl Phenyl Carbonate and Thionocarbonate

Abstract

Pseudo-first-order rate constants(kobsd) have been measured spectrophotometrically for reactions of 4-nitrophenyl phenyl carbonate (PNPC) and thionocarbonate (PNPTC) with a series of primary and alicyclic secondary amines. The plots of kobsd vs. amine concentration are linear for the reactions of PNPC with primary and alicyclic secondary amines. The Bronsted-type plot for the reactions of PNPC with primary amines is biphasic with slopes β1=0.27 at the high pKa region and β2=0.99 at the low pKa region and the curvature center at pKa0=10.0, indicating that the reaction proceeds through an addition intermediate with a change in the rate-determining step as the basicity of amines increases. The corresponding Bronsted-type plot for the reactions with secondary amines is also biphasic with β1=0.27, β2=0.97, and pKa0=10.1, indicating that the effect of amine nature on the reaction mechanism and pKa0 is insignificant. However, primary amines have been found to be less reactive than alicyclic secondary amine. The plots of kobsd vs amine concentration are linear for the reaction of PNPTC with primary amines. The Bronsted-type plot exhibits a downward curvature for the reactions of PNPTC with primary amines, indicating that the reaction proceeds through a zwitterionic addition intermediate(T±) with a change in the rate-determining step as the basicity of amines increases. On the other hand, for reactions of PNPTC with all the alicyclic secondary amines studied, the plot of kobsd vs. amine concentration exhibits an upward curvature, suggesting that the reaction proceeds through two intermediates, e.g., a zwitterionic addition intermediate(T±) and an anionic intermediate(T-). The microscopic rate constants have been determined for the reactions of PNPTC with all the primary and secondary amines studied. The k1 value is larger for the reaction with the alicyclic secondary amine than for the one with the primary amines, while the k-1 value is much larger for the latter reaction than for the former reaction. The k3 value for the reaction with secondary amine is independent of the amine basicity. The small k2/k-1 ratio is proposed to be responsible for the deprotonation process observed in aminolyses of carbonyl or thiocarbonyl derivatives. Second-order rate constants have been measured for the reactions of 2,4-dinitrophenyl X-substituted benzoates with a series of primary amines in 80 mol % H2O 20 mol % DMSO at 25.0±0.1℃. The Bronsted-type plot for the reactions of 2,4-dinitrophenyl benzoate(DNPB) with primary amines is biphasic with slopes β1=0.36 at high pKa region and β2=0.78 at low pKa region and the curvature center at pKao=9.2, indicating that the reaction proceeds through an addition intermediate with a change in the rate-determining step as the basicity of amines increases. The corresponding Bronsted-type plot for the reactions with secondary amines is also biphasic with β1=0.34, β2=0.74 and pKao=9.1, indicating that the effect of amine nature on the reaction mechanism and pKao is insignificant. However, primary amines have been found to be less reactive than isobasic secondary amines. The microscopic rate constants associated with the aminolysis have revealed that the smaller k1 for the reactions with primary amines is fully responsible for their lower reactivity. The electron donating substituent in the nonleaving group exhibits a negative deviation from the Hammett plots for the reactions of 2,4-dinitrophenyl X-substituted benzoates with primary and secondary amines, while the corresponding Yukawa-Tsuno plots are linear. The negative deviation has been ascribed to stabilization of the ground-state of the substrate through resonance interaction between the electron donating substituent and the carbonyl functionality.;20 mol % DMSO 수용액 내에서 4-nitrophenyl phenyl carbonate (PNPC)와 4-nitrophenyl phenyl thionocarbonate (PNPTC)를 각각 일련의 일차 및 고리형 이차 아민과의 반응을 수행하고 이 반응에 대한 유사일차 반응속도상수(kobsd)를 분광학적 방법으로 측정하였다. PNPC와 일차 및 고리형 이차 아민과의 반응에서 kobsd를 아민의 농도와 상관지은 그래프는 직선관계를 보였다. 이차반응 속도상수(kN)는 아민의 염기도가 증가할수록 증가하였으며, kN을 아민의 염기도와 상관지은 Brønsted-type 그래프는 아래로 휘어지게 나타났다. 염기도가 낮은 영역에서의 기울기 β2 값은 일차, 고리형 이차 아민의 경우 각각 0.99와 0.97로 얻어졌고, 염기도가 큰 영역에서의 기울기 β1 값은 0.27로 동일하였다. 이로부터 이 반응은 첨가 중간체(T±)를 형성하며, 중간체가 분해되어 생성물이 되는 단계(k2)에서 중간체가 형성되는 단계(k1)로 속도결정단계의 변화가 생기는 메카니즘으로 진행한다고 추정할 수 있었다. 또한 반응성은 고리형 이차아민의 경우가 일차아민보다 크게 나타났다. PNPTC와 일차 아민과의 반응에서 유사일차 반응속도상수(kobsd)와 아민의 농도를 상관지은 그래프는 직선관계를 보였다. Brønsted-type 그래프는 PNPC에서와 마찬가지로 아래로 휘어지는 곡선으로 나타났다. 반면, PNPTC와 고리형 이차 아민과의 반응에서 유사일차 반응속도상수(kobsd)와 아민의 농도를 상관지은 그래프는 위로 휘어지는 곡선으로 나타났다. 이는 두 가지의 중간체, 즉 양쪽성 이온 중간체(T±)와 음이온성 중간체(T-)를 형성하며 반응이 진행한다는 것을 의미한다. 즉, PNPTC와 일차 및 고리형 이차 아민과의 반응은 아민의 종류에 따라 메카니즘이 달라진다. 각 반응의 미세단계 속도상수(k1, k-1, k2, k3)를 구하였다. k1은 일차 아민보다 고리형 이차 아민에서 더 크게 나타났고, k-1의 경우에는 그 반대의 결과를 보였다. k3는 이차아민과의 반응에서의 경우, 아민의 염기도와는 무관했다. 또한 PNPTC와 고리형 이차 아민과의 반응에서 얻어진 작은 k2/k-1은 deprotonation단계가 존재함을 뒷받침 해주는 요인임을 알 수 있었다. 4-nitrophenyl benzoate (PNPB), 4-nitrophenyl phenyl carbonate (PNPC)와 일차 아민과의 반응결과 Brønsted-type 그래프는 PNPB의 경우 직선으로 나타났지만 PNPC의 경우 아래로 휘어지는 곡선으로 나타났다. 이로부터 이들의 반응은 화합물의 변화에 의해 메카니즘이 달라진다는 것을 알 수 있었다. 또한 반응성은 PNPC가 PNPB보다 더 크게 나타났는데, 이는 k1은 유사하나 k2/k-1의 비가 PNPC의 경우가 훨씬 크기 때문이다. O-4-nitrphenyl thionobenzoate (PNPTB), 4-nitrophenyl phenyl thionocarbonate (PNPTC)와 ⅰ) 일차 아민과의 반응은 두 경우 모두 하나의 첨가중간체(T±)를 형성하며, 속도결정단계의 변화가 생기는 메카니즘으로 진행한다. 반응성은 반응중심이 C=O인 system(PNPB, PNPC)에서 얻어진 결과와는 달리 PNPTB가 PNPTC보다 약간 크게 나타났다. ⅱ) 한편 PNPTB, PNPTC와 고리형 이차 아민과의 반응은 두 경우 모두 양쪽성 이온 중간체(T±)와 음이온성 중간체(T-)를 형성하며 반응이 진행하고 미세단계 속도상수 k1 (piperazinium ion 제외), k-1, k3 모두 PNPTC가 PNPTB보다 작게 나타났다. 반응중심의 편극도 변화가 반응성과 메카니즘에 미치는 영향에 대해 알아보기 위해 PNPC와 PNPTC를 일차 아민과 반응시킨 결과를 비교하였다. 이 반응은 두 경우 모두 Brønsted-type 그래프가 아래로 휘어지는 곡선으로 나타났고 이로부터 두 반응은 동일한 메카니즘으로 진행한다는 것을 알 수 있었다. 흥미롭게도 PNPC, PNPTC의 반응성은 아민의 염기도 변화에 따라 달라지는 경향을 보였다. 즉, 염기도가 7.68보다 낮은 영역에서는 PNPTC의 반응성이 컸지만 염기도가 7.68보다 큰 영역으로 갈수록 PNPC의 반응성이 더 크게 나타났다. 이러한 결과는 각각의 미세단계 속도상수(k1, k2/k-1)를 비교함으로써 HSAB 원리에 의해 설명이 가능하였다. PNPC, PNPTC와 고리형 이차 아민과의 반응은 이 둘의 메카니즘이 서로 다르므로 각각의 미세단계 속도상수(k1, k2/k-1)만을 비교할 수 있었고 이 반응 역시 HSAB 원리에 적용된다는 것을 알 수 있었다. 2,4-dinitrophenyl benzoate (DNPB)와 일차, 고리형 이차 아민과의 반응에 대한 Brønsted-type 그래프는 두 경우 모두 아래로 휘어지는 곡선으로 나타났다. 이로부터 두 반응은 동일한 메카니즘으로 진행함을 알 수 있었다. 또한 반응성은 고리형 이차 아민이 일차 아민보다 크게 나타났다. 이는 k2/k-1의 비는 거의 동일하나 k1이 고리형 이차 아민의 경우가 더 크기 때문이다. 한편 X-치환된 2,4-dinitrophenyl benzoates와 일차 및 고리형 이차 아민과의 반응에 대한 Hammett plots는 전자 밀게인 4-MeO, 4-Me의 경우 직선으로부터 음의 편차를 보였다. 한편 Yukawa-Tsuno plot을 도시한 결과 직선으로 얻어졌다. 이로부터 꺾어진 Hammett plots는 속도결정단계의 변화가 아니라 전자 밀게 치환기와 기질의 카르보닐기 간의 공명기여에 의한 기질의 바닥상태의 안정화에 기인한 것이라는 것을 알 수 있었다.