Mechanistic studies on nucleophilic substitution reactions of aryl benzoates with neutral and anionic nucleophiles

Abstract

4-nitrophenyl X-substituted benzoates(PNPB)와 일련의 고리형 이차 아민과의 반응속도 상수를 20몰 % DMSO 수용액에서 분광학적 방법으로 측정하였다. Hammett 식에 적용한 결과 반응에 사용된 모든 아민에 대해 아실 치환기 X가 전자 끌개로 변할 때 아래로 휘어진그래프를 나타냈다. 반면에 BrØnsted 그래프는 반응에 사용된 모든 기질에 대해 큰 기울기를 갖는 직선을 보였다. 꺾여진 Hammett 그래프는 아실 치환기 X의 변화에 따른 속도 결정단계의 변화를 의미하는 반면, 직선의 BrØnsted 그래프는 아민의 염기도가 변하더라도 속도결정단계의 변화는 없는 것을 의미한다. 이 시스템에서 적용한 Yukawa-Tsuno 그래프는 양의 기울기와 큰 r값을 갖는 직선의 모습을 보이는데 이것을 휘어진 Hammett 그래프가 아실 치환기 변화에 따른 속도결정단계의 변화 때문이 아니라 아실 부분에 있는 전자주게 치환기의 공명수요 때문에 나타나는 현상이라고 설명할 수 있었다. 2,4-dinitrophenyl X-substituted benzoates(DNPB)와 4-chloro-2-nitro-phenylX-substituted benzoates (NCPB)와 일련의 고리형 이차 아민과의 반응에 관한 연구에서도 역시 Hammett 그래프는 꺾여진 반면 Yukawa-Tsuno 그래프는 하나의 직선으로 나타났다. 한편, BrØnsted 그래프는 아민의 염기도가 증가함에 따라 휘어졌으며 DNPB와 NCPB에서 pΚ_(a)^(0) 가 각각 9.1 과 10.4 로 나타났고 이를 통해 각 시스템에서의 미세단계반응 속도상수를 계산하였다. 4-nitrophenyl X- substituted benzoates(PNPB)와 2,4-dinitrophenyl X-substituted benzoates(DNPB)와 일차 아민과의 반응에서 전자는 직선 형태의 BrØnsted 그래프를 나타내었으나 후자의 경우 pΚ_(a)^(0)=9.1을 전후로 휘어지는 곡선을 얻었다. 즉 PNPB의 경우 아민 염기도 변화에 따라 속도결정단계의 변화가 없는 것을 의미하고, DNPB의 경우 속도결정단계가 k_(2)단계에서 k_(1)단계로 변화함을 의미한다. 2,4-dinitrophenyl X-substituted benzoates와 일련의 피리딘 유도체와의 반응은 직선 모양의 BrØnsted 형태의 그래프를 보인다. 이는 주어진 아민 영역에서 속도결정단계의 변화가 없음을 의미하며 DNPB와 1차 2차 3차 아민과의 반응을 비교하였다. 한편 4-nitrophenyl X-substituted benzoates와 이것의 C-O-C 부분을 황원자로 대체한 S-4-nitrophenyl thiobenzoate를 반응기질로 하고, 고리형 이차 아민을 친핵체로 한 가아민 분해반응에서 반응속도상수를 측정하여 황원자가 포함된 반응의 메커니즘에 관해 연구하였다. 이 반응에서 황 에스테르의 이차반응속도 상수는 산소 에스테르보다 크게 나타난다. 또한 BrØnsted 형태의 그래프가 pΚ_(a)^(0)=10.4를 기준으로 휘는 것으로부터 속도결정단계는 아민의 염기도가 증가함에 따라 k_(2)단계에서 k_(1)단계로 변화함을 알 수 있었다. 중성 친핵체 이외에 OH^(-), CN^(-), N_(3)^(-)와 같은 음이온성 친핵체를 사용하여 2,4- dinitrophenyl X-substituted benzoate와 반응시켜 메커니즘을 연구하였다. 본 시스템에서 연구한 결과 반응의 속도 결정단계는 친핵체의 공격단계인 k_(1)단계인 것으로 나타났다. 음이온성 친핵반응에 있어서도 꺽인 Hammett 그래프를 얻었으나 Yukawa-Tsuno 방정식을 도입하여 적용한 경우 하나의 직선을 얻을 수 있었다. 마지막으로 기질의 X 치환기 변화에 따른 알파효과의 경향을 살펴보고자 4-nitrophenyl X-substituted benzoate와 Ox^(-), Cl-PhO^(-)를 반응시켜 보았다. 그 결과 동일 기질을 hydrazine과 glyg1y와 반응시켰을 경우 치환기의 전자 끄는 능력이 증가함에 따라 알파효과가 감소하였던 것과 대조적으로 본 시스템에서 치환기 변화에 따라 알파효과는 별다른 영향이 없는 것으로 나타났다. 이와 같이 친핵체의 종류에 따라 알파효과의 크기가 서로 상이하게 나타난 것은 친핵체의 종류에 따라 반응 메커니즘이 변하기 때문이라는 결론을 내릴 수 있었다.;Second-order rate constants (k_(N)) have been measured spectrophotometri -cally for the reaction of 4-nitrophenyl X-substituted benzoates with a series of alicyclic secondary amines in H_(2)O containing 20 mole % dimethyl sulfoxide at 25.0℃. The magnitude of the k_(N) values increases with increasing the basicity of amines and with increasing the electron withdrawing ability of the acyl substituent X. The Hammett plots obtained are not linear but show a break or curvature a s the acyl substituent X becomes electron withdrawing ones for all the amines studied, while the Bronsted-type plots are linear with large β_(nuc) values for all the substrates investigated. The nonlinear Hammett plots suggest a change in the rate determining step upon changing the acyl substituent X, whereas the linear Bronsted-type plots indicate that the rate determining step does not change upon changing amine basicity. The Yukawa-Tsuno plots obtained are also linear with positive ρ_(x) and large r values, suggesting that the nonlinear Hammett plots are not due to a change in the rate-determining step upon changing the acyl substituent X, but due to resonance demand of the π -electron donor substituent on the acyl moiety. The magnitude of the ρ_(x) and β_(nuc) values increases with increasing the basicity of amines and with increasing the electron withdrawing ability of the acyl substituent X, respectively, while that of the r values decreases with increasing ρ_(x) values and amine basicity. A kinetic study is reported for the reaction of the anionic nucleophiles OH^(-), CN^(-) and N_(3)^(-) with aryl benzoates containing substituents on the benzoyl a s well as the aryloxy moiety, in 80 mol % H_(2)O - 20 mol % dimethyl sulfoxide a t 25.0℃. Hammett log k vs. σ plots for these systems are consistently non-linear. However, a possible traditional explanation in terms of a mechanism involving a tetrahedral intermediate with curvature resulting from a change in rate-determining-step, is considered but rejected. The proposed explanation involves ground-state stabilization through resonance interaction between the benzoyl substituent and the electrophilic carbonyl center in the two-stage mechanism. Accordingly, the data are nicely accommodated on the basis of the Yukawa-Tsuno equation which gives linear plots for all three nuceophiles. Literature reports of the mechanism of acyl transfer processes are re-considered in this light.