치환 Benzoyl Chloride 유도체들의 가용매 분해반응과 양자역학적 계산에 대한 반응성 연구

Abstract

In this study, the reaction mechanism is different depending on the type and position (ortho-, para-) of the substituted functional group in the benzoyl chloride derivative, and it is through quantum mechanical calculation using the partition function. After obtaining the thermodynamic parameters, we compared them with the experimentally obtained results and tried to consider the possibility of using quantum mechanical calculations to elucidate the reaction mechanism through calculations. The rate constants for the solvolysis reaction of 2-(trifluoromethyl)benzoyl chloride (2-F3CC6H4COCl, 1), 2-(trifluoromethoxy)benzoyl chloride (2-F3COC6H4COCl, 2), 4-(trifluoromethylthio)benzoyl chloride (4-F3CSC6H4COCl, 3) 3) were measured at 25.0℃ using the conductivity method. As a result of statistical analysis of the obtained rate constant values by the extended Grunwald-Winstein (G-W) equation, the sensitivity to solvent nucleophilicity (NT) and solvent ionizing power (YCl) for each substrate was obtained. As a result, the substrate 1 indicated l = 1.54 ± 0.27, m = 0.62 ± 0.07 in the nucleophilic solvent, and l = 0.50 ± 0.05, m = 0.90 ± 0.05 in the electrophilic solvent, and correlation coefficient (R) showed a value of 0.916, which was analyzed to follow associative SN2 (associative addition-elimination) and ionization mechanisms depending on the nature of the solvent. The substrate 2 showed a result of l = 1.36 ± 0.17, m = 0.47 ± 0.05 (R = 0.895) in the nucleophilic solvent and l = 0.24 ± 0.04, m = 1.69 ± 0.28 (R = 0.992) in the electrophilic solvent. The results show that the addition-elimination and ionization mechanisms are followed, respectively, and the substrate 3 also showed l = 1.90 ± 0.14, m = 0.57 ± 0.05 (R = 0.951) in the nucleophilic solvent, and in the electrophilic solvent, l = 0.62 ± 0.06, m = 0.93 ± 0.08 (R = 0.969), respectively, and it is followed the addition-elimination and ionization mechanisms were obtained. In addition, the activation parameters for the three substrates showed  ≠ = 11.9 ∼ 13.8 kcal/mol, ≠ = -29.5 ∼ -24.1 cal/mol K in the nucleophilic solvent, and  ≠ = 17.3 ∼ 18.8 kcal/mol, ≠ = -13.8 ∼ -8.3 cal/mol K in the electrophilic solvents, respectively. These values correspond to the mechanism determined using the Grunwald-Winstein equation, and the results of the kinetic solvent isotope effect (KSIEs) using 100% methanol-d solution also showed reasonable results. For the pure solvents EtOH, MeOH, and TFE used to obtain the above thermodynamic parameters, a calculation study using quantum mechanical partition functions was conducted. Results showing a similar trend were found. For all three substrates considered in this study, bimolecular reaction was dominant in solvent with strong nucleophilicity and unimolecular reaction pathway in solvent with strong electrophilicity, depending on the nature of the solvent. This study analyzed basic structural factors and the effects of substituents to determine how to affect the trifluoromethyl (CF3-), trifluoromethoxy (CF3O-) and trifluoromethylthio (CF3S-) substituents on the benzene ring and at the carbonyl C atom, which is the center of the solvolysis. In addition, through product analysis studies using GC, it was confirmed that substrates having a substituent at the ortho position do not undergo intramolecular reaction, and the reason why the intramolecular reaction does not proceed could be explained from the optimized structure of the substrates obtained through quantum mechanical calculation studies. Therefore, based on the results obtained through experiments and calculations, it was confirmed that in the substituted benzoyl chloride derivative, the reaction mechanism varies depending on the type and position (ortho-, para-) of the substituted functional group, and the thermodynamic parameters obtained through calculation It could be confirmed that they showed a tendency similar to the experimental values that could elucidate the reaction mechanism. Therefore, it was confirmed that the quantum mechanical calculation method applied in this study can serve as a basis to support the experimentally obtained results.|본 연구는 치환 benzoyl chloride 유도체에서 치환된 작용기(functional group)의 종류와 위치(ortho-, para-)에 따라 반응메커니즘이 달라지는 것을 규명하고, 이를 분배함수(partition function)를 이용한 양자역학적 계산을 통하여 열역학적 파라미터들을 구한 후 실험적으로 구해진 결과와 비교하고 계산을 통한 반응메커니즘 규명에 양자역학적 계산을 활용할 수 있는 가능성을 고려해 보고자 하였다.

순수 용매 및 이성분 혼합 용매 내에서 2-(trifluoromethyl)benzoyl chloride (2-F3CC6H4COCl, 1), 2-(trifluoromethoxy)benzoyl chloride (2-F3COC6H4COCl, 2), 4-(trifluoromethylthio)benzoyl chloride (4-F3CSC6H4COCl, 3)의 가용매 분해반응에 대한 속도상수를 25.0℃에서 전도도법을 이용하여 측정하였다. 얻어진 속도상수 값들을 extended Grunwald-Winstein(G-W) equation에 의해 통계적으로 분석한 결과로 각 기질에 대한 용매 친핵성도(NT)와 용매 이온화력(YCl)에 대한 민감도를 얻었다. 그 결과로 1은 친핵성 용매에서 l = 1.54 ± 0.27, m = 0.62 ± 0.07을, 친전자성 용매에서 l = 0.50 ± 0.05, m = 0.90 ± 0.05를 나타내었고, 상관 계수(correlation coefficient, R)는 0.916 값을 보여, 용매 성격에 따라 회합 SN2(associative SN2)와 이온화 메커니즘(ionization)을 따른다고 분석되었다. 기질 2는 친핵성 용매에서 l = 1.36 ± 0.17, m = 0.47 ± 0.05 (R = 0.895)의 결과를 나타내고, 친전자성 용매에서 l = 0.24 ± 0.04, m = 1.69 ± 0.28 (R = 0.992)의 결과를 나타내어, 각각 첨가-제거(addition-elimination)와 이온화 메커니즘(ionization)을 따르고, 또한 기질 3도 친핵성 용매에서 l = 1.90 ± 0.14, m = 0.57 ± 0.05 (R = 0.951)을 나타내고, 친전자성 용매에서 l = 0.62 ± 0.06, m = 0.93 ± 0.08 (R = 0.969)의 결과를 나타내어 각각 첨가-제거(addition-elimination)와 이온화 메커니즘(ionization)을 따르는 결과를 얻었다. 또한, 세 개의 기질들에 대한 활성화 파라미터들은 친핵성 용매에서 = 11.9 ∼ 13.8 kcal/mol, = -29.5 ∼ -24.1 cal/mol‧K를 보였고, 친전자성 용매에서 = 17.3 ∼ 18.8 kcal/mol, = -13.8 ∼ -8.3 cal/mol‧K를 보였다. 이들은 Grunwald-Winstein 식을 사용하여 결정한 메커니즘에 부합한 값들이며, 100% methanol-d 용액을 활용한 용매 동위 원소 효과(Kinetic solvent isotope effect, KSIEs)의 결과들도 합당한 결과를 보였다.

위의 열역학적 파라미터들을 구하기 위해 사용한 순수 용매들인 EtOH, MeOH 및 TFE에 대하여 양자역학적 분배함수를 이용한 계산 연구를 진행하였고, 이론적 계산 결과로 얻어진 열역학적 파라미터들이 실험적 결과와 비슷한 경향성을 보이는 결과를 확인할 수 있었다.

본 연구에서 고려한 세 가지 기질들은 모두 용매 성격에 따라 친핵성이 강한 용매에서는 이분자성 반응이, 친전자성이 강한 용매에서는 일분자성 반응 경로가 지배적이었다. 이는 기본적인 구조적 요인과 치환체들의 영향을 분석하여 trifluoromethyl (CF3-), trifluoromethoxy (CF3O-) 및 trifluoromethylthio (CF3S-) 치환체들이 벤젠 고리(benzene ring)와 이를 통해 반응 중심인 카보닐 C 원자에 어떤 영향을 주는지 연구하였다.

또한, GC를 사용한 생성물 분석 연구를 통해 ortho 위치에 치환기를 가지고 있는 기질들이 분자내 반응을 하지 않음을 확인하였고, 분자내 반응이 진행되지 않는 이유를 양자역학적 계산 연구를 통해 얻어진 기질들의 최적화된 구조로부터 찾아 설명하였다.

따라서 실험과 계산을 통해 얻어진 결과로 보았을 때 치환 benzoyl chloride 유도체에서는 치환된 작용기(functional group)의 종류와 위치(ortho-, para-)에 따라 반응메커니즘이 달라지는 것을 확인하였고, 계산을 통해 구한 열역학적 파라미터들은 반응메커니즘을 규명할 수 있는 실험값들과 비슷한 경향성을 보이는 것으로 확인할 수 있었다. 이에 본 연구에서 적용한 양자역학적 계산 방법이 실험적으로 구한 결과를 뒷받침해 줄 수 있는 근거가 될 수 있음을 확인하였다.