Advanced
Hydrolysis of N-Cyclopropanecarbonyl-4-methylimidazole and N-Propionyl-4-methylimidazole
Hydrolysis of N-Cyclopropanecarbonyl-4-methylimidazole and N-Propionyl-4-methylimidazole
Journal of the Korean Chemical Society. 2009. Dec, 53(6): 814-818
Copyright © 2009, The Korean Chemical Society
  • Received : September 24, 2009
  • Accepted : November 30, 2009
  • Published : December 20, 2009
Download
PDF
e-PUB
PubReader
PPT
Export by style
Article
Author
Metrics
Cited by
TagCloud
About the Authors
종팔 이

Abstract
Keywords
서론
N -acylimidazole의 가수분해반응은 생체내의 효소 반응과 아미드의 반응성에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있다는 관점에서 많은 연구가 이루어져 왔다. 1 - 2 최근 연구에서 N -Cyclopropanecarbonylimidazole(A)의 가수분해반응은 산(H 3 O + ) 촉매반응과 pH에 무관한반응이 관찰되었으며, 염기(OH - ) 촉매반응의 경우 pH 9-10 부근에서 속도결정 단계가 변하는 매우 특이한 결과가 관찰되었다. (A)와 유사한 구조를 가진 N -Cyclopropanecarbonyl-4-nitroimidazole(B)의 경우는 이탈기의 치환기 NO 2 기로 인해 H 3 O + 촉매반응은 관찰되지 않았지만, (A)의 이탈기인 imidazolium ion 보다 pKa가 작은데도 불구하고 OH - 촉매반응이 (A)에서와 같이 속도결정단계가 변하는 현상은 매우 특이한 물질이 아닐 수 없다. 3 반면, (A), (B)와 유사한 구조로서 acyl group이 지방족 선형인 N -propionylimidazole과 N -propionyl-4-nitroimidazole의 경우는 앞의 물질들과 동일한 촉매반응이 관찰되나 OH - 촉매반응의 경우 속도결정단계가 변하지 않음을 보였다. 4
N -acylimidazole류의 가수분해반응은 일반적으로 H 3 O + 촉매반응, pH에 무관한반응 그리고 OH - 촉매반응이 관찰되나 OH - 촉매반응에서 속도결정 단계가 변하는 경우는 매우 이례적인 결과가 아닐 수 없다. N -acylimidazole류의 반응성이 비 이상적으로 관찰되는 경우는 acyl group과 이탈기의 종류에 따라 그리고 전이상태나 중간체의 안정도에 따라 나타나는 현상으로 예측된다.
앞서 서술한 바와 같이 N -acylimidazole의 acyl group이 지방족 선형에서 지방족 고리로 바뀔 때 염기성 가수분해반응의 특징이 달라지는 현상은 이들 물질들에 대한 체계인적 연구의 필요성을 느낀다.
본 연구는 N -acylimidazole의 이탈기는 같고 acyl group이 지방족 고리에서 선형으로 바뀔 때 가수분해반응의 특징을 살펴보기 위하여 N -cyclopropanecarbonyl-4-methyl-imidazole( 1a )과 N -propionyl-4-methylimidazole( 1b )을 반응기질로 선택하였다.
실험
반응기질의 합성 및 확인: N -cyclopropanecarbonyl-4-methylimidazole( 1a )과 N -propionyl-4-methylimidazole( 1b )의 합성은 4-methylimidazole에 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-Cyclopropanecarbonyl-4-methylimidazole(1a); 갈색 고체; m.p 70 ~ 72 ℃, 1 H NMR (CDCl 3 , 200 MH Z ) δ 1.09-1.19 (dd, J = 3.2 MH Z , 2H, cyclopropane), 1.21-1.34 (dd, J = 3.15 MHz, 2H, cyclopropane), 2.10 (m, 1H, cyclopropane), 2.24 (s, 3H, CH 3 ), 7.25 (s, 1H, Imidazole), 8.18 (s, 1H, Imidazole); FT-IR (KBr, cm -1 ), 1254 (C-N), 1717 (C=O); Mass ( m/z ): 150 (M + ).
N-Propionyl-4-methylimidzole(1b); 연노랑 고체l; m.p 67 ℃, 1 H NMR (CDCl 3 , 200 MHz), δ 1.23-1.31 (t, 3H, CH 3 ), 2.28 (s, 3H, CH 3 ), 2.78-2.89 (q, 2H, CH 2 ), 7.15 (s, 1H, Imidazole), 8.06 (s, 1H, Imidazole); FT-IR (KBr, cm -1 ), 1338 (C-N), 1732 (C=O); Mass ( m/z ): 138 (M + ).
반응속도 측정: 두 반응기질의 가수분해 반응속도 측정은 분광광도기에 의해 25 ℃에서 물질들의 최대흡수파장 (λ max = 216 ~ 244 nm)의 사라짐에 따른 흡광도 감소를 일정 시간마다 측정하여, ln(A o -A t ) vs. 시간에 대한 그래프의 기울기로부터 계산 된 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 0.5 M 이 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( kobs )의 대수 값을 . 1 에 나타내었다.
. 1 의 pH-rate profile을 살펴보면, 두 반응기질 모두 pH 7 이하에서 H 3 O + 촉매반응과 pH 7 ~ 8사이에서 pH에 무관한 반응이 관찰되며 pH 9 이상에서 OH - 촉매반응이 일어남을 알 수 있다. 또한 두 반응기질의 짝산의 pH에 무관한 반응이 1a 의 경우 pH 3 이하, 1b 의 경우 pH 5 이하에서 관찰되었다. 그러므로 kobs 는 (1)식과 같이 나타낼 수 있다.
PPT Slide
Lager Image
(1)식에서 k1 과 Ka는 반응기질의 짝산의 물반응 속도상수와 해리상수이며, ko kOH 는 중성반응기질의 물반응 속도상수와 OH - 촉매반응 속도상수를 나타낸다. 각 반응기질의 촉매속도상수인 k1 , kH , kO 그리고 kOH 1 에 나타내었다.
PPT Slide
Lager Image
Plot of logkobs vs pH for hydrolysis of N-cyclopropanecarbonyl-4-methylimidazole (1a: ■) and N-propionyl-4-methylimidazole (1b: ●) in H2O (μ = 0.5 M with KCl) at 25 ℃.
Rate constants for hydrolysis ofN-cyclopropanecarbonyl-4-methylimidazole(1a) andN-propionyl-4-methylimidazole(1b) in H2O (μ = 0.5 M with KCl) at 25 ℃
PPT Slide
Lager Image
apH < 9.11 bpH > 9.11 ckH2O/kD2O
- H3O+촉매반응
PPT Slide
Lager Image
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( kH )가 크게 나타날 것으로 예상된다.
1 에서 보는바와 같이, 반응기질 1b kH 값이 1a 보다 약 47배 빠르게 나타난다. 이와 같은 결과는 1b 1a 보다 쉽게 양성자를 받아 짝산을 만든다는 것을 의미하며, 두 반응기질의 pH-rate profile로부터 반응기질의 양성자화의 척도인 p Kaapp. 값이 1b 1a 보다 약 1.0 정도 큰 값을 가짐을 알 수 있다.
특정 산 촉매반응의 속도법칙에서 kH = k1 /K a ( kH 는 H 3 O + 촉매반응 속도상수 , K a 는 반응기질의 짝산(SH + )의 해리상수 그리고 k1 은 SH + 의 반응속도상수)이므로 반응기질의 짝산의 p Ka 값이 클수록 kH 는 큰 값을 가지게 되므로, 1b kH 값이 1a 보다 크게 나타남은 타당한 결과이다.
한편, acyl group이 반응기질 1b 와 같이 지방족 선형구조인 N -acylimidazole류의 kH 값을 보면 N -acetylimidazole의 경우 5 acyl group이 반응기질 1b 보다 작은데도 불구하고 약 5배 정도 작은 값을 가짐은 acyl group이 커짐에 따라 kH 값도 크게 나타나는 속도론적 특이성을 가짐을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 acyl group이 반응기질 1b 보다 큰 N -(β-phenylpropionyl)imidazole의 kH 값이 6 N -acetylimidazole 보다 약 3배 정도 크게 관측되는 결과와도 유사한 현상임을 알 수 있다.
- pH에 무관한 반응
중성인 반응기질에 물의 공격으로 진행되는 pH에 무관한 반응은 1 에서 보는 바와 같이 1b 의 k o 값이 1a 보다 크게 나타난다. 이는 전이상태에서 카르보닐 탄소의 양전기적 특성이 acyl group의 영향에 의해 1b 1a 보다 크게 진전될 것으로 예상된다.
한편, 두 반응기질에 대한 D 2 O용매 동위원소 효과는 1.10 정도로 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 kH2O/kD2O = 2.7 ‒ 3.5 7 의 값을 보이나 N -acylimidazole의 구조적 차이에 따라 본 반응에서와 같이 D 2 O용매 동위원소 효과가 나타나지 않는 경우도 종종 관찰된다.
PPT Slide
Lager Image
- OH-촉매반응
kOH 값은 1b 1a 보다 빠르게 나타난다. 일반적으로 kOH 값에 기여하는 효과는 이탈기의 p ka 값이 작을수록 크게 나타난다. 그러나 본 반응에서는 이탈기가 두 반응기질에서 동일하기 때문에 OH - 의 친핵적 공격이 유리 할수록 kOH 값이 클 것으로 예상된다. 카르보닐 탄소와 alkyl group과의 전자적 상호작용이 1a 보다 1b 가 클 것으로 예상되므로 kOH 값이 1b 가 크게 나타남은 타당한 결과임을 예측할 수 있다.
한편, 두 반응기질에 대한 OH - 촉매반응의 특징은 OH - 의 농도증가에 따라 kobs 값은 1차 비례하여 증가함을 보이고 있다. 이는 N -cyclopropanecarbonylimidazole과 N -cyclopropanecarbonyl-4-nitroimidazole의 OH - 촉매반응이 pH 9.0 부근에서 속도결정단계가 변하는 결과와 비교해 볼 때 매우 특이한 결과가 아닐 수 없다. 3
일반적으로 알려진 N -acylimidazole의 OH - 촉매반응은 식 (2)와 같이 사면체 중간체를 거쳐 두 단계로 진행된다고 알려져 있다. 속도결정단계는 중간체의 안정도에 따라 달라질 수 있으므로 N -cylclopropanecarbonylimidazole 유도체들의 OH - 촉매반응은 이탈기의 치환기에 따라 중간체의 안정도가 크게 변할 것으로 예상된다.
PPT Slide
Lager Image
- 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, 염기촉매반응과 같은 2분자 반응에서 전형적으로 나타나는 결과이며, 8 본 반응기질과 유사한 N -acylimidazole 유도체들의 가수분해반응에서 관찰된 결과와 유사한 경향성을 보이고 있다. 4
Thermodynamic parameters for hydrolysis reactions ofN-cyclopropanecarbonyl-4-methylimidazole (1a),N-propionyl-4methyl-imidazole(1b) in H2O (μ = 0.5 M with KCl) at 25 ℃
PPT Slide
Lager Image
aacid region. bbasic region.
결론
  • 1.N-cyclopropanecarbonyl-4-methylimidazole(1a)과N-propionyl-4-methylimidazole(1b)의 가수분해반응은 H3O+촉매반응과 OH-촉매반응 그리고 pH 에 무관한 반응이 관찰되었다.
  • 2.1b의 큰 pKa값은 H3O+촉매반응 속도상수(kH)가1b가1a보다 클 것이라는 예상과 일치하였다.
  • 3. 두 반응기질의 OH-촉매반응은 이탈기에 의해 반응 중간체의 안정도가 크게 달라질 수 있음을 예측할 수 있었다.
이 논문은 동아대학교 학술연구비 지원에 의하여 연구되었음
References
Lee J. P. , Bembe R. , Fife T. H. 1997 J. Org. Chem. 62 2872 -    DOI : 10.1021/jo960508d
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
Lee J. P. , Bang H. Y. , Koo I. S. 2006 Bull. Korean Chem. Soc. 27 123 -    DOI : 10.5012/bkcs.2006.27.1.123
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
Fife T. H. 1993 Acc. Chem. Res. 26 325 -    DOI : 10.1021/ar00030a005
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