pericyclic reaction
1. 개요
고리형 협동반응은 고리내 단일 결합부가 한개 이상 형성되거나 깨진 상태에서 고리로 전이하는 상태로 변하는 협동 과정의 총칭이다.또한, 우드워드-호프만 법칙을 따라서 오비탈 대칭이동으로 결합이 존재하지 않는 화합물의 특정 부위에 전자가 공유되어 원래 존재하던 이중 결합의 위치도 순환적으로 전환된다.
2. 반응
고리형 협동 반응이 진행되는 대표적인 부분이 C-C간 공유결합 반응이므로 sp 형태다. 단, 순환 반응에 의해 C-이종원자간 고리형 결합이 형성될 경우 spn형태도 가능하다. 고리형 협동반응에는 아래와 같은 3가지 방법이 있다.2.1. 고리화 첨가반응
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2-methoxy-1,3-butadiene과 1-methoxy-dienophile의 고리화 첨가반응([4+2]-cycloaddition) |
고리화 첨가반응(cyclicaddition reaction)중 협동(concert)반응은 두개 이상의 불포화 유기화합물이 공유결합하여 결합수가 총체적으로 감소된 고리를 형성하는 반응이다. 각 반응물이 첨가반응을 실행할때 영향을 주는 공유결합 수에 따라서 첨가 반응의 분류가 가능한데, 보통 괄호를 써서 (i+j)로 표기한다. 예를들면 생성물의 결합에 영향을 주는 반응물 1의 공유 결합의 수를 4, 반응물 2의 공유결합수를 1로 한다면, 위 반응의 분류는 (4+1)-cycloaddition이다.
열적, 광화학적인 요소로 고리화 첨가반응을 할경우, 전자들이 바닥상태에 위치하거나 첫번째 들뜬 상태(FES, first excited state)에 있을때 오비탈 대칭으로 인해 발생되게된다.
가장 대표적인 고리화 첨가 반응은 딜스-알더 반응으로, 알케닐과 다이에닐을 열역학적 메커니즘으로 합성해 고리 화합물을 만드는 반응이다.
[5+2] cycloaddition, [3+2] cycloaddition도 상당히 유명하다. 사실 고리를 만드는 반응은 어떤 반응이든 굉장히 유용하고 좋은 반응인 편이다. [3+2]의 경우엔 오존의 ozonolysis의 반응 과정이나 sulfur ylide를 이용한 반응에서 관찰할 수 있다.
2.1.1. 딜스 알더 반응
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| 고리형 협동반응중 하나인 딜스-알더 고리화 첨가반응. 1,3-butadiene과 말레인산(diphenyl group)을 열로 반응시켜 cis-1,2,3,6-tetrahydrophthalic anhydride을 합성시킨 것이다. |
딜스-알더 반응의 특징은 아래와 같다.
1. 입체특이적인 반응
다이엔과 친다이엔체의 반응은 syn 첨가로 이루어진다.
2. 입체선택적인 반응
입체선택성엔 크게 endo-rule이 있다. endo rule은 친다이엔체에 카보닐기와 같은 pi 전자계를 가진 치환기가 달려 있는 경우, 다이엔과 반응시 다이엔 pi 오비탈과 secondary orbital interaction을 통해 에너지의 안정화가 가능해져 치환기가 다이엔 방향으로 향하는 내향첨가가 이뤄지는 선택성을 의미한다. 내향첨가 과정에서의 입체장애가 크지 않다면 endo 선택성은 매우 크게 나타난다.
3. 위치선택적인 반응
딜스-알더 반응에서의 ortho-para rule은 간단히 말해서, 부분 양전하가 가장 큰 탄소와 부분 음전하가 가장 큰 탄소 사이에 결합이 이뤄지는 것이 가장 안정하다는 것이다. 다이엔에 전자밀개(EDG)가 말단에 존재할 경우, 예컨대 methoxy기라고 하면 이것의 공명구조로 인해 다른쪽 말단에 부분 음전하가 가장 커지게 된다. 동시에, 친다이엔체에 전자끌개(EWG)가 존재할 경우 치환기가 없는 탄소의 양전하가 가장 커진다. 이러면 치환기의 위치는 6각고리 생성물 내에서 서로 ortho 위치에 존재하게 된다.
반대로 다이엔에 메틸기가 내부 탄소에 위치한다면 생성물에서는 para 위치에 치환기가 위치하게 되는 것이다.
이런 원리를 극대화한 Danishefsky's diene이라는 물질도 개발되어 있다.
4. 루이스 산촉매를 이용하여 반응속도와 endo 선택성, ortho-para rule에 의한 위치선택성을 높일 수 있다. 이는 FMO[1] 분석을 통해 알 수 있는데, dienophile의 EWG에 루이스 산이 배위되면서 이종 원자에 양전하가 발생함으로써 pi-pi 상호작용과 부분전하의 크기 등이 커지고 그 결과 활성 에너지가 감소하여 반응속도가 커지는 원리이다.
다만 최신 연구[2]에 따르면 루이스 산촉매로 인해 반응속도가 빨라지는 것은 실제로는 위와 같은 이유[3]가 아닌 루이스 산으로 인해 전이상태에서 비대칭성이 커짐으로 인한 것임이 알려져 있다. 논문을 요약하자면, 루이스 산이 친다이엔체에 도입됨으로 인해 실제로 LUMO의 에너지가 낮아지는 건 사실이다. 그러나 그러한 HOMO-LUMO gap보다 주요한 특징은 루이스 산의 도입으로 인해 생기는 다이에노필(dienophile) 내 pi 전자의 편극 효과와 더불어 발생하는 비대칭성의 강화로 인한 파울리 반발(pauli repulsion)의 감소라는 것이다.
파울리 반발은 파울리 배타원리로 인해 같은 양자상태에 존재하는 전자는 같은 공간을 점유할 수 없기에 발생하는 반발 효과라고 할 수 있다. 즉, 친다이엔체의 이중결합 내 pi 전자의 분포가 비대칭적일수록 양자상태가 달라지므로 파울리 반발도 감소하는 것이 원리이다.
게다가 친다이엔체가 비대칭하면 다이엔과 반응시 중간체(intermediate)를 형성하지 않는 협동 메커니즘(concerted mechanism)으로 반응이 진행되면서도, 활성화 장벽을 넘어가는 과정에서 단계적인 반응 경로[4]를 거치는 concerted-asynchronous mechanism을 갖게 만든다. 보충자료 이러한 asynchronousity(비동시성)가 증가할 경우, 전이상태에서 발생하는 구조 변형에 대한 압력이 감소하여[5] 활성 변형도(activation strain)가 감소하고 그 결과 반응속도가 빨라진다는 것이다.
5. 유기합성의 본좌격인 E.J. Corey의 CBS 촉매 등을 이용하면 거울상 선택성까지 가질 수 있다.[6]
2.2. 시그마결합 반응
Sigmatropic reaction|
시그마결합 반응인 1,5-diene에서의 cope-rearrangement[7][8] |
분자내부에서 한개 이상의 시그마 결합이 다른 시그마 결합으로 변환되는 총체적인 반응의 총칭이다. 그러므로, 반응전, 반응후의 분자의 시그마 결합수가 같아야한다. 또한, 휘켈 위상과 뫼비우스 위상을 따라서 수프라형과 안타라형으로 반응되는 측선이 나뉘어진다.
시그마 결합 반응에는 크게 2가지가 나뉘어지는데, 탄소 변환(C-shift), 수소 변환(H-shift)이다.
이 반응은 일반적으로 chair형의 6각형 전이상태를 가지고 이루어진다. 당연히 bulky한 치환기가 axial이 아닌 equatorial에 위치하도록 전이상태를 구성하는 것이 에너지적으로 유리하므로 입체선택성을 보이게 된다.
다만 고리형 분자에서 이루어질 때는 boat형으로 변형된 전이상태를 가지고 반응한다.
2.3. 전자순환화 반응
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cyclobutene을 1,3-butadiene으로 변형한 광화학적 반응 |
Electrocyclic reaction
대표적인 반응 중 하나는 nazarov cyclization인데, 5각고리를 만드는 중요한 반응으로 꼽힌다.
[1]
Frontier Molecular Orbital
[2]
Vermeeren, P., Tiezza, M. D., van Dongen, M., Fernández, I., Bickelhaupt, F. M., & Hamlin, T. A. (2021). Lewis Acid‐Catalyzed Diels‐Alder Reactions: Reactivity Trends across the Periodic Table. Chemistry–A European Journal, 27(41), 10610-10620.
[3]
HOMO-LUMO gap
[4]
즉, 딜스 알더 반응 중에 새로이 형성/소멸되는 결합들의 과정이 동시에 이뤄지지 않음을 의미
[5]
결합형성이 동시에 이뤄지지 않는다는 것 자체가 제약조건을 완화시키는 것이다. 두 가지 일을 동시에 하는 것보단 하나씩 하는 게 쉬운 것과 같은 이치.
[6]
다이엔의 이중결합들이 구성하는 평면에 대하여 대칭적인 분자는 친다이엔체가 접근할 때 평면의 위쪽/아래쪽 모두 거의 같은 빈도로 접근할 수 있다. 물론 한쪽 방향에 대해서 친다이엔체와 다이엔간의 알리릭 변형도(allylic strain) 등 입체장애가 존재할 수도 있기 때문에 라세믹(racemic)으로 나온다고 단정할 수 있는 건 아니지만, 딜스-알더 반응은 기본적으로 거울상 선택적인 반응은 아니다.
[7]
allyl vinyl ether의 경우에도 같은 재배열 과정을 겪는다. 참고로 3번 탄소에 OH, ONa, OK가 달려있을 경우 반응이 더욱 빨라지는데, 결합에너지가 낮아지며, keto-enol tautomerization으로 반응이 정반응 쪽으로 편향되기 때문이다.
[8]
참고로 그려진 반응은 꽤 유명한 반응인데, 원래 치환기가 없는 cope rearrangement은 평형의 에너지 차이가 별로 없어 수율이 꽤 낮은 편인데 반해 해당 반응은 수율이 높기 때문이다. 해당 반응의 driving force는 당연하게도 벤젠고리와 pi - conjugation이 가능한 생성물을 형성한다는 것에 있다.