A Mechanistic study on the nucleophilic substitution reaction of aryl benzoates with secondary alicyclic amines and aryloxides

Abstract

Second-order rate constatnts have been measured spectrophotometrically for the reactions of Y-substituted pheny1 X-substituted benzoates (X-C_6 H_4 CO_2 C_6 H_4 -Y) with secondary alicyclic amines and Z-substitued phenoxides in H_2 O containing 20 mole % DMSO at 25.0±0.1°C. The Kobs values give good linear correlations with concentration of nucleophiles for all the amines used, indicating that no general acid/base catalysis operates is the present system. Linear Hammett plots are obtained for the aminolyses of ary1 benzoated when σ^+ constants are used, regardless of the basicity of amines used, indicating that the substituent(X) on the acy1 moiety does not influence the reaction mechanism in the present system. Broensted-type plots (log K_app vs. pKa of amines) exihibit negative curvatures from the linearity for the benzoate esters with good leaving group(Y=2, 4-(NO_2)_2, 4-Cl-2-NO_2) as the amine basicity increases. Similar curvatures are also obtained for the aminolyses of ary1 benzoates with piperidine as the basicity of the leaving aryloxide decreases, regardless of the electronic nature of the acy1 substituent(X). The finding of such nonlinear Broensted-type plots clearly indicates that the present aminolyses would proceed via a stepwise mechnism, in which the rate-determing step depends on the electronic nature of the substituents on the leaving groiup(Y) and nucleophile(Z). The center of the curvature in the Broensted-type plots(pK_0) moves to higher pKa value as the acy1 substituent X changes from an electron donating group to an electron withdrawing group, indicating that electron withdrawal from acy1 group of the substrate favors amine expulsion relative to phenixide from the tetrahedral intermediate. On the coutraty, as expexted, the position of pK_0 becomes lower as the electron withdrawing ability of the substituent Y on the leaving moiety increases. Unlike the aminolyses of the ary1 benzoates, nonlinear Hammett plots are obtained for the reactions with Z-substiued phenoxidesm when the logarithmic second-order rate constants are correlated with σ(or σ^+) constants for the susbstituent X on the acy1 moiety. The finding of such monlinear Hammett plots suggests that the present reaction of ary1 benzoates with aryloxides would proceed via a stepwise mechnism in which the rate-determining step depends on the electronic nature of the substituent on the acy1 moiety. However, the plots of logk vs pKa of nucleophilic aryloxides give linear Broensted correlations, regardless of the substituent X on the acy1 moiety, indicating that the reaction of all the aryloxides used in the present system proceeds in a comon mechanism. Due to extremely slow reaction rate and large experimental error involved from backward reaction, the reactions with aryloxides having lower basicity than the leaving phenoxide have nor been performed. ; Y-substitude pheny1 X-substitude benzoate(X-C_6 H_4 CO_2 C_6 H_4 -Y)와 고리형 이차 아민류 및 Z-substituted phenozide와의 이차반응 속도상수를 25.0±0.1°C 20몰 % DMSO 수용액에서 분광학적인 방법으로 측정하였다. 본 실험에서 사용된 모든 아민들에 대하여 K_obs값들은 친핵제의 농도와 좋은 직선관계를 보였으므로 일반 산/염기 촉매작용이 일어나지 않았다. ary1 benzoate류의 aminolyses에 대하여 σ^+(x)상수를 사용하여 Hammett그림을 그렸을 때 사용된 아민의 염기도에 관계 없이 좋은 직선관계를 보였다. 이로부터 아실 치환기(X)는 반응 메카니즘에 거의 영향을 주지 않았음을 알 수 있었다. 좋은 이탈기(Y=2, 4-(NO_2 )_2, 4-C1-2-NO_2)를 갖는 benzoate ester들은 아민의 염기도가 증가함에 따라 직선으로부터 음의 편차를 보이는 꺽어진 broensted 형태의 그림을 보였다. 이와 유사한 결과가 ary1 benozoate류와 piperidine의 반응에서도 나타났는데 이탈기의 염기도가 감소함에 따라 직선으로부터 음의 편차를 보이는 꺾어진 Broensted형태의 그림을 보였다. 이와 같은 꺾어진 Broensted형태의 그림은 본 반응이 이탈기와 친핵제에 위치한 치환기(Y, Z)의 전자성질에 따라 속도결정단계가 변화되는 stepwise 메커니즘으로 진행된다는 증거가 되는 것이다. Broensted형태의 그림에서 곡선의 중심(pK_0)은 아실 치환기(X)가 전자주게에서 전자끌게로 바뀜에 따라 증가하였다. 이것은 아실기에 위치한 전자끌게 치환기는 tetrahedral intermediate에서 aryloxide보다 아민의 이탈을 보다 용이하게 할 것을 의미한다. 반대로 이탈기의 전자끌게 능력이 증가하면 예측한대로 pK_0값이 감소되었다. 한편 아민류의 반응과는 달리 Z-substitued phenoxide들과 ary1 benozoate류의 반응에서 이차속도 상수의 대수값과 아실 치환기(X)의 σ(또는 σ^+)상수를 상관지었을 때에 꺽거진 Hammett그림이 얻어진다. 이러한 꺾어진 Hammet그림은 ary1 benzote들과 aryloxide들의 반응에서 반응속도 결정단계가 아실 치환기의 전자적 성질에 의해 영향을 받으며 반응은 stepwise메카니즘으로 진행함을 의미한다. 반면 친핵제인 aryloxide들과 반응속도상수의 대수값은 아실 치환기의 전자적 성질에 관계없이 모두 직선의 Broensted관계를 보였다. 이것은 본 시스템에서 사용된 aryloxide들은 동일한 메커니즘으로 반응한다는 것을 의미한다. 이탈기보다 낮은 염기도를 갖는 aryloxide와의 반응은 반응속도가 매우 느리고 역반응이 일어나 실험오차가 크기 때문에 실험을 수행하지 않았다.