Advanced
Hydrolysis of N-Cyclopropanecarbonylimidazole and N-Propionylimidazole
Hydrolysis of N-Cyclopropanecarbonylimidazole and N-Propionylimidazole
Journal of the Korean Chemical Society. 2009. Apr, 53(2): 213-217
Copyright © 2009, The Korean Chemical Society
  • Received : March 10, 2009
  • Published : April 20, 2009
Download
PDF
e-PUB
PubReader
PPT
Export by style
Article
Author
Metrics
Cited by
TagCloud
About the Authors
종팔 이

Abstract
Keywords
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
PPT Slide
Lager Image
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 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.
PPT Slide
Lager Image
(1)식에서 k 1 과 Ka는 반응기질의 짝산의 물반응 속도상수와 해리상수이며, k o k OH 는 중성반응기질의 물반응 속도상수와 OH 촉매반응 속도 상수를 나타낸다. 각 반응기질의 촉매속도상수인 k 1 , k H , k O 그리고 k OH 1 에 나타내었다.
PPT Slide
Lager Image
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℃
PPT Slide
Lager Image
a) pH <9.11 b) pH >9.11
- 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 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.
PPT Slide
Lager Image
- 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.
PPT Slide
Lager Image
- OH—촉매반응
k OH 값은 1b 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.
PPT Slide
Lager Image
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 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 ℃
PPT Slide
Lager Image
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 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.
References
Fife T. H. 1993 Acc. Chem. Res. 26 325 -    DOI : 10.1021/ar00030a005
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 -
Lee J. P. , Lee S. S. 2002 Bull Korean Chem. Soc. 23 151 - 153    DOI : 10.5012/bkcs.2002.23.1.151
Lee J. P. , Lim G. T. , Lee Y. H. , Lee S. S. , Koo I. S. , Ryu Z. H. 2003 Bull Korean Chem. Soc. 24 1357 - 1360    DOI : 10.5012/bkcs.2003.24.9.1357
Lee J. P. , Bembi R. , Fife T. H. 1997 J. Org. Chem. 62 2872 -    DOI : 10.1021/jo960508d
Jencks W. P. , Carriuolo J. 1959 J. Biol. Chem. 234 1272 -
Fife T. H. , Natarajan R. , Werner M. H. 1987 J. Org. Chem. 52 740 -    DOI : 10.1021/jo00381a006
Lee J. P. , Park C. H. , Sung D. D. , Koo I. S. 2008 Bull. Korean Chem. Soc. 29 1403 -    DOI : 10.5012/bkcs.2008.29.7.1403
Koo I. S. , Kwon E. J. , Choi H. J. , Yang K. Y. , Park J. K. , Lee J. P. , Lee I. C. , Bentley T. W. 2007 Bull. Korean Chem. Soc. 28 2377 -    DOI : 10.5012/bkcs.2007.28.12.2377
Lee J. P. , Bang H. Y. , Koo I. S. 2006 Bull. Korean Chem. Soc. 27 123 -    DOI : 10.5012/bkcs.2006.27.1.123