Ru-catalyzed Intramolecular Olefination ;Kinetic Studies on Azidolysis and Hydrolysis of Aryl Benzenesulfonates

Abstract

In part 1, various cycloalkene derivatives were synthesized using ruthenium catalyst. Transition metal-catalyzed cyclization is one of the popular methods in organic chemistry. The cyclic alkene derivatives were prepared via decarbonylative cyclization between aldehydes and terminal alkynes in the presensce of ruthenium catalyst. Previously, our group found the optimal conditions for the decarbonylative olefination by using RuCl3·(H2O)X as a catalyst in 2.0 M concentration of DMF/acetonitrile (8/2) at 150 ℃ for 8 h. On the basis of the former study, I extended our study into the decarbonylative intramolecular olefination. Various conditions were examined and the 7-membered cyclic alkene derivatives were generated in 72 % yield using Ru2Cl4(CO)6 catalyst in DMF at 150 ℃ for 0.5 h. The 5- and 6- membered cyclic alkene derivatives were synthesized in 29 and 26 % yields under these conditions, respectively. Intramolecular reactions is generally conducted under high diluted condition. However, in our case, the higher yield was obtained in more concentrated solution. When the reaction time increased, the undesirable olefin isomerization was observed. The decarbonylaitve cyclization of 9-alkynal did not work. Further investigation on the synthesis of heterocyclic alkenes is currently underway. In part 2, the kinetic studies for the reactions of aryl benzenesulfonates with the anionic nucleophiles (N3- and OH-) in 80 mol % H2O / 20 mol % DMSO at 25.0 ℃ were carried out. The mechanism for nucleophilic substitution reactions of carbonyl, phosphoryl, and sulfonyl compounds has received considerable attention because of their importance in biological processes and synthetic applications. First, the reactions of 2,4-dinitrophenyl X-substituted benzenesulfonates with N3- proceed through the S-O bond and C-O bond pathways competitively. When the substituent X changes electron-withdrawing group to electron-donating group in the benzenesulfonyl moiety, the fraction of S-O bond fission decreases rapidly. Since the reaction site of S-O bond fission is closer to the substituent X than that of the C-O bond fission, the ρx value (1.87) of the S-O bond fission is larger than that (0.56) of C-O bond fission. The small ρx value suggests that the reaction for C-O bond fission proceed a stepwise mechanism in which departure of leaving group occurs after the rate-determining step. Second, the reactions of Y-substituted-phenyl 4-nitrobenzenesulfonates with N3- proceed through the concerted mechanism on the basis of the kinetic results that the Brønsted-type plot is linear with βlg = -0.63 and the Yukawa-Tsuno plot is excellent linear with ρY = 2.10 and r = 0.22. Third, the reactions of Y-substituted-phenyl 4-nitrobenzenesulfonates with OH- proceed through the concerted mechanism on the basis of the kinetic results that the Brønsted-type plot is linear with βlg = -0.51 and the Yukawa-Tsuno plot is excellent linear with ρY = 1.85 and r = 0.25.; 본 논문에서는 총 두 개의 장으로 구성되어 있다. Part 1 에서는 ruthenium 촉매를 사용하여 cycloalkene이 만들어지는 방법에 대해서 연구하였다. Transition metal을 사용하여 cycloalkene을 만드는 방법은 다양한 유기 합성에 있어서 널리 사용된다. 그 중에서도 한 분자내의 aldehyde와 terminal alkyne이 만나서 decarbonylation이 일어나는 방법을 통하여 cycloalkene을 합성하고자 하였다. 분자 간의 decarbonylaitve olefination 실험에 있어서, RuCl3·(H2O)X를 촉매로 하여 DMF와 acetonitrile이 8:2 인 용매 2.0 M에서 150도에서 8시간동안 반응하였을 때 가장 좋은 반응성이 나타난다는 것을 확인 하였다. 이 실험을 토대로 decarbonylaitve intramolecular olefination 실험을 진행하였다. 다양한 조건에서 실험을 진행시켜본 결과, Ru2Cl4(CO)6를 촉매로 하여 DMF 용매 하에 150 ℃에서 30분간 반응 시켰을 때 7-membered cyclic alkene derivatives가 72 %의 수율로 얻어졌다. 5 와 6-membered cyclic alkene derivatives에서도 각각 29 %와 26 %의 수율을 얻을 수 있었다. 일반적으로 diene의 intramolecular coupling에 있어서 묽은 농도가 선호된다. 하지만, 이 반응에서는 농도를 진하게 할수록 수율이 더 높아졌다. 원하지 않는 olefin isomerization은 반응시간이 길어질수록 일어나며, ruthenium 촉매에 의해서 발생한다는 것을 알 수가 있었다. 이를 방지하기 위해 1,4-benzoquinone을 사용하여 보았지만 효과가 없었다. 이에 대한 정확한 이유를 얻기 위해서는 추가적인 실험이 필요하다. 5, 6보다도 7 member ring 에서의 수율이 높았기에 더 큰 사이즈의 ring 합성을 시도해보았지만, cyclononene derivatives가 합성되지는 않았다. 이를 토대로, heterocyclic alkene에 대한 합성방법이 연구 중에 있다. Part 2에서는, aryl benzenesulfonates와 음이온 친핵체인 N3-, OH-을 80 mol % H2O / 20 mol % DMSO를 용매로 하여 25 ℃에서 실험을 진행하였다. Carbonyl, phosphoryl, and sulfonyl compounds의 nucleophilic substitution reactions에 관한 메커니즘은 합성뿐만 아니라 생화학적으로도 중요하기에 많은 관심을 받고 있다. 먼저, 2,4-dinitrophenyl X-substituted benzenesulfonates와 N3-의 반응을 통해서 S-O bond fission 과 C-O bond fission이 경쟁적으로 일어나는 것을 확인 하였다. 치환체인 X가 electron-withdrawing group에서 electron-donating group으로 바뀌면, S-O bond fission이 급격하게 감소하였다. Inductive effect에 의해서 치환체 X는 C-O bond 보다도 상대적으로 거리가 가까운 S-O bond의 reaction site에 더 많은 영향을 준다. 따라서 Hammett plot에서 ρx 값이 S-O bond에서는 1.87의 값을 C-O bond에서는 0.56의 값을 나타내었다. 또한 C-O bond fission의 작은 ρx 값은 C-O bond fission이 이탈기가 떨어져나간 후가 RDS인 stepwise mechanism으로 진행하는 SNAr reaction임을 나타내었다. 두 번째로, Y-substituted-phenyl 4-nitrobenzenesulfonates과 N3-을 반응시킨 결과 Brønsted-type plot에서 βlg값이 –0.63인 직선을 나타내었고, Yukawa-Tsuno plot에 있어서도 ρY값이 2.10, 그리고 r은 0.22인 상관관계 0.990의 좋은 직선을 얻을 수가 있었다. 이를 토대로 concerted mechanism이 진행된다는 것을 제안하였다. 세 번째로는. Y-substituted-phenyl 4-nitrobenzenesulfonates 와 OH-를 반응 시켰다. 그 결과, Brønsted-type plot은 βlg가 –0.51인 직선을 나타내었고, Yukawa-Tsuno plot에서 ρY값이 1.85, r은 0.25인 상관관계 0.997의 훌륭한 직선을 얻을 수 있다. 이를 토대로 concerted mechanism 진행된다는 것을 제안하였다.