서 론
Amide의 반응성 연구에 대한 model 화합물로서는
N
-acylimidazole이 선택된다. 이는 일반 아미드에 비해 식(1)과 같이 분자내 공명현상이 이탈기 이미다졸에서 우세하게 일어나 3번 질소원자에 음 하전이 진전되기 때문이며,
1
이는
N
-acetylimidazole의 분자궤도
함수 계산
2
에서도 카르보닐 탄소 0.287+, N-1원자 0.475+ 그리고 N-3 원자 0.23- 의 하전을 가짐을 확인한 바 있다. 그러므로,
N
-acylimidazole의 반응성은 카르보닐 탄소에 친핵성 공격이 일반 아미드보다 쉽게 일어날 것으로 예상된다. 이와 같은 구조적 특징을 지닌
N
-acylimidazole들은 acyl group과 이탈기 imidazole의 구조적 차이에 따라 종종 비이상적인 반응이 관찰되기도 한다.
예를 들면, acyl group이 hetero고리화합물인
N
-furoyl-2-phenylimidazole과
N
-thenoyl-2-phenylimidazole의 가수분해반응은 산성영역에서 속도결정단계가 변하는 현상이 관찰되었으며, acyl group이 방향족인
N
-benzoyl-2-phenylimidazole의 가수분해반응은 산성영역에서 일양성자종과 이양성자종이 모두가 관여됨을 알 수 있었다.
3
,
4
그러나 큰 이탈기를 가진
N
-benzoyl-4,5-diphenylimidazole의 경우에는 산성영역에서
N
-benzoyl-2-phenylimidazole과는 달리 일양성자종 만이 반응에 관여함을 알 수 있었다.
5
또한, 비이상적인 속도현상이 관찰된 경우를 보면
N
-acetyl-2,4,5-triphenylimidazole(
A
)6과
N
-acetylimidazole(
B
)
7
에서 pH에 무관한반응의 속도상수가 (
A
)가 (
B
)에 비해 아주 큰 이탈기를 가짐에도 불구하고 같은 온도에서 약 17배 정도 빠르게 나타났으며, 염기촉매속도상수는 (
A
)보다 이탈기가 작은
N
-acetyl-4,5-diphenylimidazole(
C
)가 (
B
)보다 약 5배 빠르게 관측됨은
N
-acylimidazole이 구조적 차이에 따라 속도론적 특이성을 가지고 있음을 예측 할 수 있다.
본 연구는
N
-acylimidazole의 acyl group이 지방족 고리에서 선형으로 변할 때 가수분해반응의 특징을 살펴보기 위하여
N
-cyclopropanecarbonylimidazole(
1a
)과
N
-propionylimidazole(
1b
)을 반응기질로 선택하였다.
실 험
반응기질의 합성 및 확인
:
N
-cyclopropanecarbonylimidazole(
1a
)과
N
-propionylimidazole(
1b
)의 합성은 imidazole에 대응되는 acid chloride를 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-Cyclopropanecarbonylimidazole(1a)
; 갈색oil;
1
H NMR (CDCl
3
, 200MHz), δ 0.99-1.09(dd, J=3.36Hz, 2H), 1.14-1.22(dd, J=3.03Hz, 2H), 2.04-2.16(m, 1H), 6.94(s, 1H), 8.13(s, 1H); FT-IR(KBr, cm
-1
), 1234(C-N), 1720(C=O); Mass(m/z): 136(M
+
).
N-Propionylimidzole(1b)
; 흰색 고체; m.p 80~81℃,
1
H NMR(CDCl
3
, 200MH
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); Mass(m/z): 174(M
+
).
반응속도 측정
: 두 반응기질의 가수분해 반응속도 측정은 분광광도기에 의해 25℃에서 물질들의 최대흡수파장 (λ
max
= 232~243nm)의 사라짐에 따른 흡광도 감소를 일정 시간마다 측정하여, ln(A
o
-A
t
) vs 시간에 대한 그래프의 기울기로부터 계산된 값을 얻을 수 있는 Hewelett Packad사의 89532K 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
와
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 6 이하에서 H
3
O
+
촉매반응과 pH 6~8 사이에서 pH에 무관한 반응이 관찰되며, pH 8 이상에서 OH
‑
촉매반응이 일어나며 pH 9~10사이에서 변곡점이 나타나는 특이한 현상이 관찰된다. 반면
1b
의 경우, OH
‑
촉매반응은
1a
와는 달리 OH
-
농도증가에 따라 k
obs
는 일차 비례하여 증가하며,
1a
에서 관찰된 pH 9 근방에서의 변곡점은 관찰되지 않았다. H
3
O
+
촉매반응은
1a
와 유사하게 pH7이하에서 관찰되었으며, pH에 무관한 반응은 거의 관찰되지 않았다. 그러므로 k
obs
는 (1)식과 같이 나타낼 수 있다.
(1)식에서
k
1
과 Ka는 반응기질의 짝산의 물반응 속도상수와 해리상수이며,
k
o
와
k
OH
는 중성반응기질의 물반응 속도상수와 OH
‑
촉매반응 속도 상수를 나타낸다. 각 반응기질의 촉매속도상수인 k
1
, k
H
, k
O
그리고 k
OH
를
1
에 나타내었다.
Plot of logkobs vs pH for hydrolysis of N-cyclopropanecarbonylimidazole(1a:●) and N-propionylimidazole(1b:■) in H2O (μ = 0.5M with KCl) at 25℃.
Rate constants for hydrolysis ofN-cyclopropanecarbonylimidazole(1a) andN-propionylimidazole(1b) in H2O (μ = 0.5M with KCl) at 25℃
- 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.
1
에서 보는바와 같이, 반응기질
1b
의 k
H
값이
1a
보다 약 19배 빠르게 나타난다. 이와 같은 결과는 반응기질의 양성자화의 척도인 pKa
app
. 값이
1b
가
1a
보다 약 0.6 정도 크게 나타난다. 특정 산촉매반응의 속도법칙에서 k
H
= k
1
/K
a
( 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,
1b
의 k
H
값이
1a
보다 작게 나타나는 현상은 타당한 결과임을 알 수 있다.
한편, acyl group이 반응기질
1b
와 같이 지방족 선형구조인
N
-acylimidazole류의 k
H
값을 보면
N
-acetylimidazole의 경우
7
acyl group이 반응기질
1b
보다 작은데도 불구하고 약 5배 정도 작은 값을 가짐은 acyl group이 커짐에 따라 k
H
값도 크게 나타나는 속도론적 특이성을 가짐을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 acyl group이 반응기질
1b
보다 큰
N
-(β-phenylpropionyl)imidazole의 k
H
값이
8
N
-acetylimidazole 보다 약 3배 정도 크게 관측되는 결과와도 유사한 현상임을 알 수 있다.
- pH에 무관한 반응
. 1
에서 보는바와 같이
1b
는 거의 pH에 무관한 반응이 관찰되지 않으며
1a
의 k
o
값은
1a
와 유사한 구조인
N
-acetylimidazole(k
o
= 8.3 x 10
-5
)
7
값보다는 약 2배 정도 작게 나타난다. 이는 물의 공격이 카르보닐 탄소에서 일어나므로 acyl group과 카르보닐 탄소와의 전자적 상호작용이 클수록 k
o
값은 클 것으로 예상된다.
한편
1a
의 pH에 무관한 반응에 대한 D
2
O용매 동위원소 효과는 1.21로 그다지 큰 효과를 보이지 않음은 중성 반응기질에 물 분자의 공격이
2
에서 보는 바와 같이 단일분자의 공격이 우세하게 일어날 것으로 예상된다.
N
-acylimidazole류의 pH에 무관한 반응에 대한 D
2
O용매 동위원소 효과는 대략 k
H2O
/k
D2O
= 2.7 - 3.5
8
의 값을 보이나
N
-acylimidazole의 구조적 차이에 따라 본 반응에서와 같이 D
2
O용매 동위원소 효과가 관찰되지 않는 경우도 종종 관찰된다.
- OH—촉매반응
k
OH
값은
1b
가
1a
보다 빠르게 나타난다. 일반적으로 k
OH
값에 기여하는 효과는 이탈기의 pk
a
값이 작을수록 크게 나타난다. 그러나 본 반응에서는 이탈기가 두 반응기질에서 동일하기 때문에 OH
‑
의 친핵적 공격이 유리 할수록 k
OH
값이 클 것으로 예상된다. 카르보닐 탄소와 alkyl group과의 전자적 상호작용이
1a
보다
1b
가 클 것으로 예상되므로 k
OH
값이
1b
가 크게 나타남은 타당한 결과임을 예측할 수 있다.
한편 두 반응기질에 대한 OH
‑
촉매반응의 특징을 보면
1b
의 경우 OH
‑
의 농도증가에 따라 k
obs
값은 1차 비례하여 증가하나,
1a
의 경우 pH 9-10사이에서 k
obs
vs pH 그래프가 끊으짐을 보이고 있다. 이와 같은 결과는 OH
‑
촉매반응이 pH가 변함에 따라 반응 메카니즘이 변함을 의미 한다.
일반적으로 알려진
N
-acylimidazole의 OH
-
촉매반응은 식 (2)와 같이 사면체 중간체를 거쳐 진행된다고 알려져 있다.
그러므로 반응기질
1a
의 OH
-
촉매반응은 식(2)와 같이 사면체 중간체를 거쳐 두 단계로 진행될 것으로 예상되며 pH가 증가함에 따라 속도결정단계가 변할 것으로 예상된다.
Lee 등
9
은
N
-cyclopropanecarbonylimidazole의 가수분해반응에서 이탈기의 치환기 효과로부터 OH
-
촉매반응 메카니즘이 pH 9.11 이하에서는 중간체의 생성단계(①)가, pH 9.11 이상에서는 중간체의 분해단계(②)가 각각 속도결정단계임을 밝힌바 있다.
그러나 본 반응에서와 같이 단지 acyl group이 선형에서 고리 형으로 변함에 따라 OH
‑
촉매반응의 특징이 매우 다르게 나타나는 현상은 매우 특이한 결과로 참고 될 수 있을 것이다.
- 활성화파라미터
2
에 각 반응물질들의 가수분해반응에서 얻은 활성화 파라미터 ΔE
‡
, ΔH
‡
및 ΔS
‡
값을 나타내었다. 각 반응 영역에서 ΔS
‡
값이 ΔH
‡
보다 크게 나타남을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 산, 염기 촉매반응과 같은 2분자 반응에서 전형적으로 나타나는 결과이며,
10
본 반응기질과 유사한
N
-cyclopropionylimidazole 유도체들의 가수분해 반응에서 관찰된 결과와 유사한 경향성을 보이고 있다.
11
Thermodynamic parameters for hydrolysis reaction ofN-cyclopropanecarbonylimidazole(1a) andN-propionylimidazole(1b) in H2O (μ = 0.5M with KCl) at 25 ℃
1) acid region 2) basic region
결 론
N
-cyclopropanecarbonylimidazole(
1a
)과
N
-propionylimidazole(
1b
)의 가수분해반응은 H
3
O
+
촉매반응과 OH
‑
촉매반응이 두 반응기질 모두에서 관찰되었으며 pH에 무관한 반응은
1a
에서만 관찰되었다.
1b
의 큰 pK
a
값은 H
3
O
+
촉매반응 속도상수(k
H
)가
1b
가
1a
보다 클 것이라는 예상과 일치하였다.
1a
의 OH
‑
촉매반응은 pH의 변화에 따라 속도결정단계가 변하는 매우 특이한 현상이 관찰되었으며, OH
‑
의 친핵성 공격은 반응기질의 이탈기 효과보다는 alkyl group과 카르보닐 탄소의 전자적 상호작용의 효과가 크게 작용됨을 예측할 수 있었다.
이 논문은 동아대학교 학술연구비 지원에 의하여 연구되었음.
Pullman B.
,
Pullman A.
1963
Quantum Biochemistry
Wiley Interscience
New York
381 -
Lee J. P.
,
Park H. S.
,
Uhm T. S.
1998
Bull. Korean Chem. Soc.
19
1298 -
Jencks W. P.
,
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234
1272 -
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Bentley T. W.
2007
Bull. Korean Chem. Soc.
28
2377 -
DOI : 10.5012/bkcs.2007.28.12.2377