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Hydrolysis of N-Propionylbenzimidazole and N-Propionyl-5-nitrobenzimidazole
Hydrolysis of N-Propionylbenzimidazole and N-Propionyl-5-nitrobenzimidazole
Journal of the Korean Chemical Society. 2008. Aug, 52(4): 450-453
Copyright © 2008, The Korean Chemical Society
  • Received : May 27, 2008
  • Published : August 20, 2008
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종팔 이
용희 이

Abstract
Keywords
서 론
아미드류는 식 (1)과 같이 공명현상으로 인해 낮은 반응성을 가짐은 잘 알려져 있다.
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그러나, N -acylimidazole의 공명현상은 식 (2)과 같이 이탈기 이미다졸에서 우세하게 일어나 3번 질소원자에 음 하전이 진전된다고 알려져 있으며, 1 이는 N -acetylimidazole의 분자궤도함수 계산 2 에서도 카르보닐 탄소 0.287+, N-1 원자 0.475+ 그리고 N-3 원자 0.23- 의 하전을 가짐을 확인한 바 있다.
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그러므로, N -acylimidazole의 반응성은 카르보닐 탄소에 친핵성 공격이 일반 아미드보다 쉽게 일어날 것이 예상된다. 이와 같은 구조적 특징을 지닌 N -acylimidazole들은 acyl group과 이탈기 imidazole의 구조적 차이에 따라 종종 특이한 반응이 관찰되기도 한다. 예를 들면. N -acetyl-2,4,5-triphenylimidazole( A )의 가수분해반응은 3 pH 4~9 사이의 넓은 영역에서 pH에 무관한 반응(물 반응)과 pH 9 이상에서 OH - 촉매반응만이 관찰되었으며, 촉매반응의 속도상수를 살펴보면 물반응 k o =1.1×10 -3 s -1 (25℃), OH - 촉매반응 k OH =180 M -1 · s -1 (25℃)로써, 이탈기에 치환기가 없는 N -acetylimidazole ( B ) 4 의 k o =8.3×10 -5 (25℃)값과 k OH =316 M -1 ·s -1 (25℃) 값을 비교하면, A 의 k o 값은 B 의 k o 보다 큰 이탈기를 가진 물질인데도 불구하고 같은 온도에서 약 41배나 빠르게 나타났으며, k OH 값은 0.7배 정도 작은 값을 보이고 있다.
또한, acyl group은 같고 이탈기 imidazole에 2개의 phenyl group을 갖는 N -acetyl-4, 5-diphenylimidazole의 경우 3 k o =1.5×10 -3 s -1 (15℃), k OH =1580 M -1 ·s -1 (15℃)로써 B 보다 큰 이탈기를 가지고 있음에도 불구하고 k o 값과 k OH 값 모두가 온도가 낮은 데도 큰 값을 보임은 속도론적 특이성을 가지고 있음을 예측할 수 있다.
본 연구는 선행 연구된 물질들이 이탈기 imidazole에 phenyl group과 같은 큰 치환기를 가질 때 비이상적인 속도론적 특징이 나타나므로, 이탈기가 큰 반응물질인 N -propionylbenzimidazole( 1a )과 N -propionyl-5-nitrobenzimidazole( 1b )의 가수분해반응을 고찰해 보고자 한다.
실 험
- 반응기질의 합성 및 확인
N -propionylbenzimidazole( 1a )과 N -propionyl-5-nitrobenzimidazole( 1b )의 합성은 10 mmol의 propionyl chloride에 대응되는 benzimidazole 10 mmol을 triethylamine 존재 하에서 천천히 가하여 환류시켰다. 반응의 진행 상태는 TLC상에서 확인하였으며, 정제과정을 거친 후 반응기질을 얻었다. 각 물질의 물리적 특성과 분광학적 자료는 다음과 같다.
- N-Propionylbenzimidzole(1a)
흰색 고체, m.p 80~81℃, 1 H NMR(CDCl 3 , 200 MH Z ) δ1.28(t, J=7.3H Z , 3H), 3.05(q, J=7.3Hz, 2H), 7.39(t,t, J=2.1Hz, 3H), 7.79(t, J=2.5Hz, 2H), 8.24(t, J=2.5Hz, 2H), 8.40(s, 1H); FT-IR (KBr, cm -1 ), 1276(C-N), 1715(C=O), 3421(N-H); Mass(m/z): 174(M + ).
- N-Propionyl-5-nitrobenzimidazole(1b)
연한 노란색고체, m.p.110-112℃, 1 H NMR (CDCl 3 , 200 MHz), 1.42(t, J=1.3Hz, 2H), 3.11(q, J=6.5Hz, 3H), 7.86(d, J=8.8Hz, 1H), 8.34(t, J=2.0Hz, 2H), 8.65(t, J=9.1Hz, 2H), 9.16(s, 1H); FT-IR(KBr, cm -1 ), 1328(C-N), 1733(C=O), 3454(N-H); Mass(m/z): 219(M + ).
- 반응속도 측정
두 반응기질의 가수분해 반응속도 측정은 25℃에서 물질들의 최대흡수파장(λ max =232~248 nm)의 사라짐에 따른 흡광도 감소를 일정 시간마다 측정하여 ln(A 0 -A t ) vs. 시간에 대한 그래프의 기울기로부터 계산 된 값을 얻을 수 있는 Hewelett Packad사의 89532 K Kinetic software (Serial No. 325GOO380)를 이용하여 반감기의 10배까지의 흡광도 값을 측정하여 반응속도상수를 계산하였다. 반응속도 측정에 사용한 완충용액은 HCl (pH=1.0~2.4), formate (pH=2.5~4.15), acetate (pH=4.15~4.92), MES (pH=5.5~6.7), cacodylate (5.0~7.4), imidazole(pH=6.2~8.0), N -ethylmorpholine (pH=6.6~8.6), tris (pH=7.0~9.0), carbonate (pH=9.6~11.0) 그리고 phosphate (pH=10.9~12.0)를 이온세기가 0.5M이 되도록 KCl용액으로 조절하였으며, 완충용액의 pH는 사용직전 25℃로 조절된 용액을 DP-215M pH meter를 이용하여 측정하였다. 가수분해 반응이 완충용액에 의해 촉매작용을 받으므로, 완충용액의 농도가 zero가 되는 지점까지 외연장하여 반응속도상수를 계산하였으며, 촉매반응속도 상수는 완충용액의 농도를 나눈 값을 평균하여 계산하였다.
결과 및 고찰
- 속도법칙
반응기질 1a 1b 의 가수분해 반응속도를 유사일차반응으로 진행시켜 분광광도법으로 측정하였다. pH의 변화를 따라 관측된 속도상수(k obs )의 대수 값을 1 에 나타내었다.
1 의 pH-rate profile을 살펴보면 1a 의 경우 pH 5 이하에서 H 3 O + 촉매반응과 pH 8 이상에서 OH - 촉매반응이 관찰되며 pH 7 부근의 좁은 영역에서 pH에 무관한 반응이 일어남을 알 수 있다. 그러나 1b 의 경우, pH 8 이하에서 pH 1 부근 까지 pH에 무관한 반응과 pH 8 이상에서 OH - 촉매반응만이 관찰되고 있다. 그러므로 k obs 는 식 (3)으로 나타낼 수 있다.
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반응기질 1a 의 k obs 는 식 (1)의 모든 항을 가질 것이며, 1b 의 경우는 pH 1 부근의 강산성영역에서도 H 3 O + 촉매반응이 관찰되지 않으므로 식 (3)의 2번째 항과 3번째 항의 합으로 k obs 를 나타낼 수 있다. 각 반응기질의 촉매반응 속도상수인 k H , k O 그리고 k OH 값을 1 에 나타내었다.
- H3O+촉매반응
H 3 O + 촉매반응은 1 에서와 같이 반응기질의 짝산과 물 분자의 반응이므로 반응기질의 양성자화가 용이할수록 물 분자의 공격이 유리하게 되어 H 3 O + 촉매반응 속도상수(k H )가 크게 나타날 것으로 예상된다.
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Plot of logkobs vs. pH for hydrolysis of N-propionyl-5-nitrobenzimidazole (■: 1b) and N-propionylbenzimidazole (●: 1a) in H2O with μ=0.5M KCl at 25℃.
Rate constants for hydrolysis ofN-propionylbenzimidazole(1a),N-propionyl-5-nitrobenzimidazole(1b) andN-acetylbenzimidazole(2a) in H2O with μ=0.5M KCl at 25℃
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*The data were taken from ref. 5.
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1 에서 보는바와 같이, 반응기질 1a의 k H 값은 1a와 유사한 구조인 N -acetylbenzimidazole(2a)의 k H 값 보다 작은 값을 보인다. 이와 같은 결과는 반응기질의 양성자화의 측도인 pKa app . 값이 2a 의 경우 1.8을 가지며 5 , 1a의 경우는 1 에서 보는 바와 같이 강산영역에서 pH에 무관한 반응이 관찰되지 않으므로 1a 의 pKa app .는 1.0 보다 작을 것으로 예측된다.
특정 산 촉매반응의 속도법칙에서 k H =k 1 /Ka (k H 는 H 3 O + 촉매반응 속도상수, K a 는 반응기질의 짝산(SH + )의 해리상수 그리고 k 1 은 SH + 의 반응속도상수) 이므로 반응기질의 짝산의 pKa 값이 클수록 k H 는 큰 값을 가지게 되므로, 1a 의 k H 값이 2a 보다 작게 나타나는 현상은 타당한 결과임을 알 수 있다.
한편, 반응기질 1b 의 H 3 O + 촉매반응은 관찰되지 않는다. 이는 이탈기의 치환기가 강한 전자 끌개인 -NO 2 로 인해 benzimidazole의 3번 질소 원자에 양성자화가 일어날 수 없을 정도로 낮은 전자 밀도를 만들기 때문으로 사료되며, 이와 같은 결과는 이탈기에 -NO 2 group을 가지는 모든 N -acylimidazole과 N -acylbenzimidazole에서 나타나는 현상이다.
- pH에 무관한 반응
1 에서 보는 바와 같이, 1a 의 k o 값이 2a보다 작음을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 k o 값도 반응기질의 짝산의 pka값에 의존됨을 의미하며, 1a 의 짝산의 pka가 2a 보다 작음으로 타당한 결과로 판단된다. 그러나 1b의 k o 값은 1a 보다 25배정도 빠르게 나타나고 있다. 이와 같은 결과는 1b 의 이탈기의 -NO 2 치환기로 인해 3번 질소 원자에 양성화는 불리하지만 카르보닐 탄소의 양하전은 1a 보다 클 것으로 예상한다면 물 분자의 공격은 1a보다 휠씬 유리할 것임으로 예상되며 타당한 결과임을 알 수 있다. 그러나 D 2 O용매 동위원소 효과는 관찰되지 않는 것으로 보아 물 분자의 공격은 2 에서 보는 바와 같이 단일분자로 공격할 것으로 예상된다.
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- OH-촉매반응
두 반응기질 1a 1b 의 OH - 촉매반응은 1 에서 보는 바와 같이 OH - 농도 증가에 따라 k obs 가 1차 비례함을 알 수 있다. k OH 값은 1b 1a 보다 약 7배 빠르게 나타난다. k OH 값에 기여하는 효과는 이탈기의 pka값이 작을수록, 이탈기의 치환기가 전자끌개일수록 크게 나타난다. 두 반응기질 1a 1b 의 이탈기의 pka값을 보면 benzimidazole이 12.8(25℃) 4-nitrobenzimidazole이 9.1(25℃)을 가짐은 중성분자에 OH - 이 공격하여 이탈기의 pka값이 작은 반응기질이 보다 쉽게 이탈될 것으로 예상한다면 1a 보다 1b 의 k OH 값이 크게 나타남은 타당한 결과임을 예측할 수 있다. 그러나 반응기질 1b 의 -NO 2 기에 의한 속도증가 효과는 그다지 크지 않다. 이와 같은 이유는 반응기질 1b 의 이탈기가 상당히 큰 benzimidazole이므로 5번 위치의 -NO 2 치환기와 카르보닐 탄소와의 전자적 상호작용은 이탈기가 작은 imidazole을 가진 반응기질보다 원거리 작용이 예상되므로 -NO 2 기에 의한 속도 증가 효과가 크게 나타나지 않을 것으로 판단 된다. 이탈기가 imidazole인 N -(β-phenylpropionyl)-4-nitroimidazole과 N -(β-phenylpropionyl)imidazole의 k OH 값을 비교하면 전자가 후자보다 약 32배 정도 빠르게 관측됨은 7 위의 설명이 타당한 예측이라 사료된다.
- 활성화파라미터
2 에 각 반응물질들의 가수분해반응에서 얻은 활성화 파라미터 △E , △H 및 △S 값을 나타내었다. 각 반응 영역에서 △S 값이 △H 보다 크게 나타남을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 산, 염기 촉매반응과 같은 2분자 반응에서 전형적으로 나타나는 결과이며, 8 본 반응기질과 유사한 N -cyclopropionylimidazole 유도체들의 가수분해반응에서 관찰된 결과와 유사한 경향성을 보이고 있다. 9
Thermodynamic parameters for hydrolysis ofN-propionylbenzimidazole(1a) andN-propionyl-5-nitrobenzimidazole(1b) in H2O with μ=0.5M KCl at 25℃
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1)acid region 2)neutral region 3)basic region
결 론
N -propionylbenzimidazole( 1a )과 N -propionyl-5-nitrobenzimidazole( 1b )의 가수분해반응은 1a 의 경우 H 3 O + 촉매반응, OH - 촉매반응 및 pH 에 무관한 반응이 관찰되었으며, 1b 는 pH 에 무관한 반응과 OH - 촉매반응만이 관찰되었다.
pH에 무관한 반응에 대한 두 반응기질의 속도상수(k o )는 반응기질에 대한 양성자화의 용이함보다 이탈기의 치환기 효과가 더 크게 기여됨을 보였고, OH - 촉매반응에 대한 속도상수는 이탈기의 pKa값에 의해 영향을 받았다.
한편, H 3 O + 촉매반응의 속도상수(k H )를 반응기질 1a 와 유사한 구조를 가지는 N -acetylbenzimidazole( 2a )와 비교하면 양성자화가 용이한 2a 가 큰 값을 가지므로 1a 의 겉보기 pKa 값이 2a 보다 작음을 예상할 수 있었다.
이 논문은 동아대학교 학술연구비 지원에 의하여 연구되었음.
References
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