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Activation of Aromatic Carbon-Hydrogen Bonds by Palladium Trifluoroacetate Complexes
Activation of Aromatic Carbon-Hydrogen Bonds by Palladium Trifluoroacetate Complexes
Journal of the Korean Chemical Society. 2006. Oct, 50(5): 369-373
Copyright © 2006, The Korean Chemical Society
  • Received : August 10, 2006
  • Published : October 20, 2006
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동환 김
두종 백
영애 황

Abstract
Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -phosphine 및 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -sulfide 계를 촉매로 사용하여 styrene의 아릴화반응을 연구하였다. 주 생성물인 trans -stilbene의 수율은 phosphine 치환체의 염기도가 증가할수록 높아졌고 입체장애가 클수록 낮아졌다. arylphosphine에서 styrene으로 aryl 기가 이동하는 현상은 동일한 arylphosphine에 대하여 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 의 경우가 더 높은 염기도를 가진 Pd(CH 3 CO 2 ) 2 의 경우보다 더 많이 나타났으므로 이 반응은 Pd 이온이 먼저 aryl 기에 공격을 하는 친전자성 메커니즘에 의해 진행된다고 본다. 한편 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -sulfide보다 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -phosphine 계가 더 효과적인 촉매로 작용하였다.
Keywords
서 론
전이금속 착화합물을 촉매로 사용하여 탄소-수소 결합을 활성화시키는 반응은 유기합성을 하는 데 매우 중요한 반응이다. 1 그 중에서도 올레핀의 아릴화반응은 천연물 화합물의 합성에 유용한 반응으로 알려져 있다. Heck은 올레핀의 아릴화반응에서 Pd염이 Rh이나 Ru 착화합물보다 더 효과적인 촉매라고 보고한 바 있다. 2
올레핀은 원래 전자가 풍부한 화합물로서 일반적으로 친전자체와 반응하지만 금속에 배위된 올레핀은 그 전자밀도가 배위에 의하여 금속으로 이동함에 따라 친핵체와도 반응할 수 있다. 특히 Pd에 배위되어 활성화된 올레핀이 arene의 친핵적인 공격을 받아 아릴화반응이 일어나는 과정은 벤젠고리의 탄소-수소 결합을 활성화시키면서 진행되고, 아릴화 올레핀은 여러 가지 천연물에서 발견되는 물질로 촉매화학을 이용한 반응에서 매우 중요한 자리를 차지한다.
이제까지 발표된 올레핀의 아릴화반응에서 일반적으로 생성되는 화합물들은 styrene의 경우 1 과 같다. 3
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Fujiwara가 제안한 Pd(II)염 촉매에 의한 올레핀의 아릴화반응 메커니즘은 (1) 아세트산과 같은 극성용매에 녹인 Pd(II)염(PdX 2 )과 arene(ArH)이 반응하여 Pd-aryl의 σ-착화합물을 만드는 단계, (2) 그 후 올레핀이 다시 배위하여 π-착화합물을 만드는 단계, (3) 배위된 올레핀이 Pd-aryl 결합 사이에 삽입되는 단계, (4) 마지막으로 아릴화된 올레핀, 금속 상태의 Pd, 산(HX)으로 분해되는 단계를 포함한다. 4 Shue는 이 반응의 속도결정단계는 Pd(II)염의 Pd-X 결합이 끊어지고 Pd-aryl 결합이 형성되는 과정임을 밝혔다. 3 이로써 Pd와 약하게 결합하는 acetate ligand가 존재할 때 벤젠에 의해 더 쉽게 치환될 수 있어 수율을 높일 수 있다고 발표하였다. 4
이에 대하여 본 연구진은 Pd(CH 3 CO 2 ) 2 -phosphine을 촉매로 사용한 방향족 탄소-수소 결합의 활성화 반응을 기존의 촉매보다 더 온화한 조건에서 진행하여 주생성물인 trans -stilbene의 수율을 높이고 다른 생성물에 대한 선택성이 탁월함을 발표한 바 있으며, 5 이어서 Pd(NO 3 ) 2 -phosphine 착화합물을 촉매로 사용하여 연구한 결과를 발표하였다. 6 또한, Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -phosphine 및 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -sulfide 착화합물이 지방족 탄소-수소 결합의 활성화에도 우수한 촉매 역할을 하는 것을 확인하여 발표한 바 있어 7 본 논문에서는 이들 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -phosphine 및 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -sulfide 착화합물을 방향족 탄소-수소 결합의 활성화 반응에 촉매로 사용함으로써 Pd(II)염의 음이온의 영향 및 phosphine 뿐 아니라 sulfide의 치환체 영향 등을 연구하여 발표하고자 한다. CF 3 CO 2 - 을 음이온으로 선택한 이유는 CH 3 CO 2 - 이온보다 비교적 약한 염기로서 Pd-O 2 CCF 3 결합이 Pd-O 2 CCH 3 에 비해 약할 것으로 예상되어 본 반응의 첫 번째 단계인 Pd와 음이온성 리간드가 해리하는 단계만을 고려할 때는 반응이 Pd(CH 3 CO 2 ) 2 의 경우보다 더 효과적으로 진행되리라 기대하였다. 한편, 올레핀이 배위한 후 Pd와 aryl 기와의 결합 사이에 삽입되는 반응이 중요한 요인으로 작용한다면 음이온성 리간드의 염기도가 클수록 Pd-aryl 결합이 쉽게 끊어질 수 있을 것으로 보아 반대로 Pd(CH 3 CO 2 ) 2 의 경우가 더 효과적으로 진행된다고 볼 수 있어 어떤 요인이 더 중요하게 작용하는가를 비교연구하는 것이 흥미 있는 일이다. 한편, trans -stilbene은 벤젠 용매에서뿐만 아니라 aryl 치환체를 가진 phosphine에서도 생성된다는 것이 발표된 바 있고, 5 , 8 본 연구에서도 벤젠과 arylphosphine의 경쟁적인 거동을 연구하고 Pd(CH 3 CO 2 ) 2 의 경우와 비교하여 그 메커니즘을 살펴보고자 한다.
실 험
- 시약 및 기기
시약. Palladium(II) trifluoroacetate, phosphines, sulfides, trans -stilbene, n -hexadecane은 Aldrich에서, styrene은 Sigma에서 특급 시약으로 구입하여 다른 정제과정없이 사용하였다. 모든 시약용 용매는 적당한 건조제를 이용하여 질소 하에서 증류하여 사용하였고, 질소(99.9999%)와 산소(99.99%)는 동아 가스에서 구입하여 사용하였다. Silica gel 60는 E. Merck 사에서 판매 되는 것을 이용하였다.
기기. 1 H NMR은 Gemini Varian-300(300 MHz)로 측정하였고, 아릴화반응에는 Parr mini reactor 4842가 사용되었으며, gas chromatography는 Hewlett Packard 5890 Series II spectrometer에 capillary column은 HP-5(Crosslinked 5% PH ME Silicone)를 이용하였고 GCMS를 이용한 분석은 Varian GCMS-3400 spectrometer(DB-5 column)를 사용하였다. 융점은 Mitamura Riken Kogyo MEL-TEMP II로 측정하였다. 원소분석은 KIST(Elementar Analysensysteme GmbH Vario EL)에 의뢰하였다.
아릴화반응
- 최적 비율 결정
Pd(CF 3 CO 2 ) 2 0.10 g (0.30 mmol)과 styrene 0.35 mL(3.0 mmol)의 혼합물에 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 와 P(C 6 H 5 ) 3 의 몰비가 2:1, 3:2, 1:1, 1:2, 1:3이 되도록 P(C 6 H 5 ) 3 을 가하고 반응물인 벤젠 70 mL를 용매로 사용하여 55 ℃, 50 psi O 2 하에서 Parr 고압반응기에서 20시간 동안 반응시켜 수율이 가장 높게 되는 최적 비율을 결정하였다. 이 때 styrene의 양이 너무 적은 경우 생성물질이 적어 분리가 어렵고, 너무 많은 경우 올레핀의 이중합체가 많이 생성되므로 Pd와 styrene의 몰비는 1:10일 때가 가장 적당하였다. Pd(CF 3 CO 2 ) 2 와 phosphine의 몰비는 1:1일 때 가장 높은 수율을 나타내어 이후 모든 반응에서 몰비를 1:1로 하여 실험하였다.
- 일반적인 실험방법
Pd(CF 3 CO 2 ) 2 0.10 g (0.30 mmol), PR 3 (R = C 6 H 5 , p -CH 3 OC 6 H 4 , p -CH 3 C 6 H 4 , C 6 H 11 , C 6 F 5 , OC 4 H 9n ) 또는 SR' 2 (R'=C 6 H 5 , CH 2 CH 2 CH 3 ) 0.30 mmol과 styrene 0.35 mL (3.0 mmol)를 벤젠 70 mL에 녹여 Parr 고압반응기에서 55 ℃, 50 psi O 2 하에서 20시간 동안 반응시켰다. 반응 후 실온으로 온도가 내려가면 용액을 둥근바닥 플라스크로 옮긴 후 농축시키고, n -hexane을 사용하여 silica gel column으로 분리하였다. 이 때 Pd 금속을 제거하고 얻은 생성물을 n -hexadecane을 내부 표준물질로 사용하여 GC 또는 GC-MS로 확인하였다. 가능한 경우에는 위의 용액을 다시 silica gel column으로 분리한 후 TLC, mp 측정으로 확인하고, NMR, 원소분석으로 확인하였다. 3 모든 실험은 재현성을 위해 3회 이상 반복하였다. 생성물의 수율은 사용된 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 의 몰수를 기준으로 계산하였고 모든 생성물의 확인은 본 연구실에서 이미 발표한 논문에 수록되어 있다. 5
결과 및 고찰
본 반응에서 촉매로 사용하는 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -phosphine 착화합물의 Pd와 phosphine의 최적 몰비를 결정하기 위하여 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 와 P(C 6 H 5 ) 3 을 2:1, 3:2, 1:1, 1:2, 1:3의 몰비로 표준물질인 n -hexadecane 존재 하에서 벤젠과 styrene의 혼합용액에 가하여 Parr 고압반응기에서 55 ℃, 50 psi O 2 하에서 20 시간 동안 반응시켰다. 이 때 비율이 1:1에서 가장 높은 수율(272%)의 trans -stilbene을 얻을 수 있었고, 비율이 증가함에 따라 수율이 감소하는 경향이 나타났는데, 이는 과량의 phosphine이 Pd의 배위자리를 차지함으로써 아릴화반응을 방해하기 때문이라고 추정되며, 또 상대적으로 낮은 비율일 때도 수율이 낮았는데 이로써 phosphine의 존재가 반응의 수율을 높이는데 효과적이라는 것을 알 수 있다( 1 ). 본 반응에서 사용된 모든 다른 phosphine에 대해서도 같은 비율로 진행하였다.
Effect of Molar Ratio of Pd(CF3CO2)2to P(C6H5)3on the Yields oftrans-Stilbene.a
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aReaction condition: 55 ℃, 50 psi O2, 20 hr. bYields are based on the Pd(CF3CO2)2 used. Pd(CF3CO2)2: 0.30 mmol, styrene: 0.35 mL (3.0 mmol), benzene: 70 mL.
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위 실험에서 얻은 바와 같이, styrene과 벤젠의 반응에 가장 효과적인 촉매로 작용할 수 있는 몰비인 1:1의 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -phosphine (PR 3 : R=C 6 H 5 , p -CH 3 C 6 H 4 , p -CH 3 OC 6 H 4 , o -CH 3 C 6 H 4 , C 6 H 11 , C 6 F 5 , OC 4 H 9 n ) 또는 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -sulfide (SR' 2 : R'=C 6 H 5 , CH 2 CH 2 CH 3 )를 사용하여 2 에 보인 바와 같은 생성물을 얻었다.
본 연구에서는 올레핀이 벤젠과 반응하여 주생성물인 trans -stilbene( 1 )을 생성할 뿐 아니라, arylphosphine의 경우에는 그들의 aryl 기와도 반응하여 1 에서의 생성물 외에 화합물 4 가 추가로 생성되었다. 그리고 본 연구진에서 발표한 바 있는 Pd(CH 3 CO 2 ) 2 -phosphine 착화합물을 촉매로 사용한 경우보다 일반적으로 주생성물의 수율이 현저하게 낮은 것으로 보아 이 반응의 속도결정단계는 Pd-aryl 결합에 올레핀이 삽입하는 단계라고 생각된다.
2 는 phosphine이나 sulfide에 있는 치환체의 종류에 따라 주생성물인 trans -stilbene의 수율이 현저히 변화하고 있음을 나타내고 있다. 치환체의 전자적인 효과를 나타내는 Tolman’s substituent constant와 입체적인 영향을 나타내는 Tolman’s cone angle θ를 Table 에 포함하여 9 이들 치환체의 전자적, 입체적 조건이 수율에 어떠한 변화를 가져오는지를 보여주었다.
Arylation of Styrene to Formtrans-Stilbene Catalyzed by Pd(CF3CO2)2-phosphine or Pd(CF3CO2)2-sulfide.a
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aPd(CF3CO2)2: 0.30 mmol, styrene: 0.35 mL (3.0 mmol), benzene: 70 mL. bTolman’s substituent constant. cTolman’s cone angle. dYields of trans-stilbene (1) are based on Pd catalyst used.
여러 phosphine과 sulfide중 P(C 6 H 5 ) 3 는 P( p -CH 3 OC 6 H 4 ) 3 , P( p -CH 3 C 6 H 4 ) 3 과 비교해 볼 때, 세 가지가 다 같이 θ가 145˚로 입체장애가 같은 정도이고 염기도는 χ 가 4.3으로 다른 두 phosphine의 3.4, 3.5보다 조금 낮았지만 본 연구에서 가장 높은 수율(272%)을 나타내었다. 이러한 경향은 전에 발표한 Pd(CH 3 CO 2 ) 2 -phosphine 착화합물을 촉매로 사용했을 때 phosphine의 염기도가 커질수록 수율이 높아졌던 결과와는 다른 양상을 보이고 있는 것처럼 보인다. 그 이유는 P(C 6 H 5 ) 3 의 phenyl기가 Pd로 이동하여 styrene과 반응하는 경향이 크다는 점으로 설명할 수 있다. 8 이 경우 2 의 조성비에서 보인 바와 같이 P(C 6 H 5 ) 3 과 용매인 벤젠이 올레핀과의 반응에서 경쟁이 일어나더라도 모두 trans -stilbene( 1 )을 생성하지만 P( p -CH 3 OC 6 H 4 ) 3 이나 P( p -CH 3 C 6 H 4 ) 3 의 경우에는 화합물 4 를 생성하기 때문이다. 염기도가 매우 낮은 치환체를 가진 P(C 6 F 5 ) 3 의 경우에는 trans -stilbene( 1 )과 화합물 4 의 조성이 21.3%와 78.7%로서 4 가 훨씬 많이 얻어져 pentafluorophenyl기의 이동 현상이 현저하게 큰 것을 나타내었고 따라서 주생성물의 수율도 45%로 매우 낮았다.
또한 전기음성도가 높은 치환기를 가진 P(OC 4 H 9 n ) 3 의 경우( χ =6.5)는 119%로서 P( p -CH 3 OC 6 H 4 ) 3 , P( p -CH 3 C 6 H 4 ) 3 의 경우와 비슷한 수율을 가지고 있는 것도 마찬가지로 특이한 현상이다. 이러한 결과도 P에 aryl 기 대신에 alkyl 기 또는 alkoxy 기가 결합된 경우에는 치환기의 이동현상이 없기 때문인 것으로 설명할 수 있다. 염기도가 큰 지방족 치환체를 가진 P(C 6 H 11 ) 3 의 경우에도 cyclohexyl 기의 이동현상이 나타나지 않았고 입체적 장애로 말미암아 수율이 더 낮아지게 되었다(66%).
Sulfide의 경우에는 phosphine의 경우보다 수율이 낮았다. 특히 같은 치환체를 가진 P(C 6 H 5 ) 3 와 S(C 6 H 5 ) 2 를 비교했을 때 272%와 75%로 큰 차이가 났으며 styrene의 이중합체인 3 의 생성이 많은 것도 수율이 낮은 원인이 될 수 있고 이것은 Pd(CH 3 CO 2 ) 2 를 촉매로 사용했을 때와 같은 경향이었다.
Arylphosphine에서 aryl 기의 이동반응에 대해서 지금까지 두 가지 메커니즘이 알려져 있는데, 8 3 에서 보는 바와 같이 하나는 Pd에 배위된 P(C 6 H 5 ) 3 의 phosphonium 이온에 acetate ligand의 산소원자가 공격하게 되면 P의 phenyl 기가 Pd의 비어있는 배위자리로 이동하게 되고 이 배위된 phenyl 기가 올레핀과 반응하는 것으로 알려진 친핵성 메커니즘이고, 또 하나는 Pd 2+ 이온이 arylphosphine의 전자가 풍부한 phenyl 기를 공격함으로써 phenyl기의 이동이 일어나게 되는 친전자성 메커니즘이다.
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Mechanism of Phenyl Migration of Arylphosphine Proposed by Kikukawa.8
앞에서 보여준 바와 같이 전기 음성도가 큰 P(C 6 F 5 ) 3 의 경우에는 화합물 4 의 조성이 78.7%로서 본 연구에서의 주생성물인 trans -stilbene(21.3%)보다 훨씬 더 많이 얻어졌다. 참고로 Pd(CH 3 CO 2 ) 2 를 촉매로 사용하여 같은 반응을 하였을 때와 비교해 보면, 4 의 비율이 32%로 훨씬 낮았고 또한 P( p -CH 3 C 6 H 4 ) 3 의 경우에도 1%로서 본연구의 30.6%에 비해 매우 낮게 나타남을 볼 수 있다. 9 따라서 일반적으로 염기도가 더 낮은 CF 3 CO 2 의 Pd 염을 촉매로 사용하였을 때 arylphosphine의 aryl 기가 더 많이 이동하는 것으로 나타났으므로, aryl 기의 이동현상은 acetate ligand에 있는 산소 원자의 전자밀도가 클 때 더 잘 일어나게 되는 친핵성 메커니즘이라기보다는 trifluoromethyl기에 의해 Pd 원자의 전자밀도가 부족하게 됨으로써 일어나게 되는 친전자성 메커니즘으로 진행된다는 것이 더 타당할 것으로 보인다.
결 론
Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -phosphine 및 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -sulfide 계를 촉매로 사용하여 styrene의 아릴화반응을 연구하였다. 주 생성물인 trans -stilbene의 수율은 phosphine 치환체의 염기도가 증가할수록 높아졌고, 입체장애가 클수록 낮아졌다. 일반적으로 염기도가 상대적으로 낮은 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 의 경우가 Pd(CH 3 CO 2 ) 2 의 경우보다 수율이 더 낮은 것으로 보아 이 반응에서 속도 결정단계는 Pd-aryl 결합에 올레핀이 삽입하는 반응이라 볼 수 있다. 주생성물은 styrene이 벤젠과의 반응에서 뿐만 아니라 arylphosphine에서 aryl 기가 Pd로 이동함으로서도 생성되었는데, aryl 기의 전기음성도가 높을수록 더 많은 이동이 일어났다. 그리고 동일한 arylphosphine에 대하여 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 의 경우가 더 높은 염기도를 가진 Pd(CH 3 CO 2 ) 2 의 경우보다 더 많은 이동이 일어났으므로 이 반응은 Pd 이온이 먼저 aryl 기에 공격을 하는 친전자성 메커니즘에 의해 진행된다고 본다. 한편 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -sulfide보다 Pd(CF 3 CO 2 ) 2 -phosphine 계가 더 효과적인 촉매로 작용하였다.
본 연구는 2006년도 상명대학교 자연과학연구소의 연구비로 이루어졌으며 이에 감사드립니다.
References
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