This report shows the rates of solvolyses for phenyl methanesulfonyl chloride ($C_6H_5CH_2SO_2Cl$, I) in ethanol, methanol, and aqueous binary mixtures incorporating ethanol, methanol, acetone, 2,2,2-trifluroethanol (TFE) and 1,1,1,3,3,3-hexafluoro-2-propanol (HFIP) are reported. Three representative solvents, studies were made at several temperatures and activation parameters were determined. The thirty kinds of solvents gave a reasonably precise extended Grunwald-Winstein plot, coefficient (R) of 0.954. The sensitivity values (l = 0.61 and m = 0.34, l/m = 1.8) of phenyl methanesulfonyl chloride (I) were smaller than those obtained for benzenesulfonyl chloride ($C_6H_5SO_2Cl$, II; l = 1.01 and m = 0.61) and 2-propanesulfonyl chloride ($(CH_3)_2CHSO_2Cl$, III; l = 1.28 and m = 0.64). As with the two previously studied solvolyses, an $S_N2$ pathway with somewhat ionization reaction is proposed for the solvolyses of I. The activation parameters, ${\Delta}H^{\neq}$ and ${\Delta}S^{\neq}$, were determined and they are also in line with values expected for a bimolecular reaction mechanism. The kinetic solvent isotope effect of 2.34 in $CH_3OH/CH_3OD$ is in accord with a bimolecular mechanism, probably assisted by general-base catalysis.
The nucleophilic substitution reactions of Y-O-aryl phenyl phosphonochloridothioates with substituted anilines ($XC_6H_4NH_2$) and deuterated anilines ($XC_6H_4ND_2$) are kinetically investigated in acetonitrile at $55.0^{\circ}C$. The deuterium kinetic isotope effects (DKIEs) invariably increase from an extremely large secondary inverse ($k_H/k_D$ = 0.439; min) to a primary normal ($k_H/k_D$ = 1.34; max) as both substituents of nucleophile (X) and substrate (Y) change from electron-donating to electron-withdrawing. These results are opposite to the DKIEs on Y-O-aryl methyl phosphonochloridothioates, and can be rationalized by the gradual transition state (TS) variation from backside to frontside attack. The trigonal bipyramidal pentacoordinate TS is proposed for a backside attack, while the hydrogen-bonded, four-center-type TS is proposed for a frontside attack. The negative values of the cross-interaction constants (${\rho}_{XY(H)}$ = -0.38 for $XC_6H_4NH_2$ and ${\rho}_{XY(D)}$ = -0.29 for $XC_6H_4ND_2$) indicate that the reactions proceed by a concerted $S_N2$ mechanism.
The nucleophilic substitution reactions of 1,2-phenylene phosphorochloridate (1) with substituted anilines ($XC_6H_4NH_2$) and deuterated anilines ($XC_6H_4ND_2$) are investigated kinetically in acetonitrile at $-15.0^{\circ}C$. The studied substrate of 1,2-phenylene phosphorochloridate is cyclic five-membered ring of phosphorus ester, and the anilinolysis rate of 1 is much faster than its acyclic analogue (4: ethyl phenyl chlorophosphate) because of extremely small magnitude of the entropy of activation of 1 compared to 4. The Hammett and Bronsted plots exhibit biphasic concave upwards for substituent X variations in the nucleophiles with a break point at X = 3-Me. The values of deuterium kinetic isotope effects (DKIEs; $k_H/k_D$) change from secondary inverse ($k_H/k_D$ < 1) with the strongly basic anilines to primary normal ($k_H/k_D$ > 1) with the weakly basic anilines. The secondary inverse with the strongly basic anilines and primary normal DKIEs with the weakly basic anilines are rationalized by the transition state (TS) variation from a predominant backside attack to a predominant frontside attack, in which the reaction mechanism is a concerted $S_N2$ pathway. The primary normal DKIEs are substantiated by a hydrogen bonded, four-center-type TS.
Solvolyses of isopropylsulfonyl chloride (IPSC) in water, D_2O,\;CH_3OD$, and in aqueous binary mixtures of acetone, ethanol and methanol are investigated at 25, 35 and 45$^{\circ}C$. The Grunwald-Winstein plot of first-order rate constants for the solvolytic reaction of IPSC with $Y_{Cl}$ (based on 2-adamantyl chloride) shows marked dispersions into three separate lines for three aqueous mixtures with a small slope (m < 0.30). The extended Grunwald-Winstein plots for the solvolysis of IPSC show better correlation. The kinetic solvent isotope effects determined in water and methanol are in consistent with the proposed mechanism of the general base catalyzed and/or $S_AN/S_N2$ reaction mechanism for IPSC solvolyses based on mass law and stoichiometric solvation effect studies.
The nucleophilic substitution reactions of bis(N,N-dimethylamino) phosphinic chloride (3) with substituted anilines ($XC_6H_4NH_2$) and deuterated anilines ($XC_6H_4ND_2$) are investigated kinetically in acetonitrile at $65.0^{\circ}C$. The anilinolysis rate of 3 is rather slow to be rationalized by the conventional stereoelectronic effects. The magnitudes of ${\rho}_X$ (= -6.42) and ${\beta}_X$ (= 2.27) values are exceptionally great. The deuterium kinetic isotope effects (DKIEs; $k_H/k_D$) are secondary inverse ($k_H/k_D$ = 0.69-0.96). A concerted $S_N2$ mechanism involving a backside attack is proposed on the basis of secondary inverse DKIEs and the variation trend of the $k_H/k_D$ values with X. The anilinolyses of six phosphinic chlorides in MeCN are briefly reviewed by means of DKIEs, steric effects of the two ligands, positive charge of the reaction center phosphorus atom, and selectivity parameters to obtain systematic information on phosphoryl transfer reaction mechanism.
The solvolysis rate constants of 5-dimethylamino-naphthalene-1-sulfonyl chloride ($(CH_3)_2NC_{10}H_6SO_2Cl$, 1) in 31 different solvents are well correlated with the extended Grunwald-Winstein equation, using the $N_T$ solvent nucleophilicity scale and $Y_{Cl}$ solvent ionizing scale with sensitivity values of $0.96{\pm}0.09$ and $0.53{\pm}0.03$ for l and m, respectively; the correlation coefficient value was 0.955. These l and m values can be considered to support an $S_N2$ reaction pathway having a transition state (TS) structure similar to that of the benzenesulfonyl chloride reaction. This interpretation is further supported by the activation parameters, i.e., relatively small positive ${\Delta}H^{\neq}$ (12.0 to $15.9kcal{\cdot}mol^{-1}$) and large negative ${\Delta}S^{\neq}$ (-23.1 to $-36.3cal{\cdot}mol^{-1}{\cdot}K^{-1}$) values, and the solvent kinetic isotope effects (SKIEs, 1.34 to 1.88). Also, the selectivity values (S = 1.2 to 2.9) obtained in binary solvents are consistent with the proposed mechanism.
Solvolyses with the reaction center being the sulfur of 4-(chlorosulfonyl)biphenyl ($C_6H_5C_6H_4SO_2Cl$, 1) was studied under solvolytic conditions and the extended Grunwald-Winstein equation was applied. The thirty five kinds of solvents gave a reasonable extended Grunwald-Winstein plot with a correlation coefficient (R) of 0.940. The sensitivity values (l = 0.60 and m = 0.47) of 1 were smaller than those obtained for benzenesulfonyl chloride ($C_6H_5SO_2Cl$, 2; l = 1.10 and m = 0.61) proposed to undergo dissociative $S_N2$ mechanism. These l and m values for the solvolyses of 1 can be considered to support a $S_N2$ pathway with some ionization reaction. The activation parameters, ${\Delta}H^{\neq}$ and ${\Delta}S^{\neq}$, were determined and they are also in line with values expected for a bimolecular reaction. The kinetic solvent isotope effect (KSIE) of 1.26 is also in accord with a bimolecular mechanism, probably assisted by general-base catalysis.
Nucleophilic addition reactions of benzylamines (BA; $XC_6H_4CH_2NH_2$) to $\alpha-cyano-\beta$-phenylacrylamides (CPA; $YC_6H_4CH=C(CN)CONH_2$) have been investigated in acetonitrile at 25.0 ${^{\circ}C}$. The rate is first order with respect to BA and CPA and no base catalysis is observed. The addition of BA to CPA occurs in a single step in which the addition of BA to $C_{\beta}$ of CPA and proton transfer from BA to $C_{\alpha}$ of CPA take place concurrently with a four-membered cyclic transition state structure. The magnitude of the Hammett ($\rho_X$) and Bronsted ($\beta_X$) coefficients are rather small suggesting an early tansition state (TS). The sign and magnitude of the crossinteraction constant, $\rho_XY$ (= −D0.26), is comparable to those found in the normal bond formation processes in the $S_N2$ and addition reactions. The normal kinetic isotope effect ($k_H/k_D\;{\gt}$ 1.0) and relatively low ${\Delta}H^{\neq}$ and large negative ${\Delta}S^{\neq}$ values are also consistent with the mechanism proposed.
The solvolysis rate constants of allyl chloroformate ($CH_2=CHCH_2OCOCl$, 3) in 30 different solvents are well correlated with the extended Grunwald-Winstein equation, using the $N_T$ solvent nucleophilicity scale and $Y_{Cl}$ solvent ionizing scale, with the sensitivity values of $0.93{\pm}0.05$ and $0.41{\pm}0.02$ for l and m, respectively. These l and m values can be considered to support a $S_N2$ reaction pathway. The activation enthalpies (${\Delta}H^{\neq}$) were 12.5 to 13.4 $kcal{\cdot}mol^{-1}$ and the activation entropies (${\Delta}S^{\neq}$) were -34.4 to -37.3 $cal{\cdot}mol^{-1}{\cdot}K^{-1}$, which is also consistent with the proposed bimolecular reaction mechanism. The solvent kinetic isotope effect (SKIE, $k_{MeOH}/k_{MeOD}$) of 2.16 was also in accord with the $S_N2$ mechanism. The values of product selectivity (S) for the solvolyses of 3 in alcohol/water mixtures was 1.3 to 3.9, which is also consistent with the proposed bimolecular reaction mechanism.
Solvolysis rates of isopropenyl chloroformate (3) in water, $D_2O$, $CH_3OD$ and in aqueous methanol, ethanol, 2,2,2-trifluoroethanol (TFE), acetone, 1,4-dioxane as well as TFE-ethanol at 10 ${^{\circ}C}$ are reported. Additional kinetic data for pure water, pure ethanol and 80%(w/w) 2,2,2-trifuoroethanol (T)-water (W) at various temperatures are also reported. These rates show the phenomena of maximum rates in specific solvents (30% (v/v) methanol-water and 20% (v/v) ethanol-water) and, variations in relative rates are small in aqueous alcohols. The kinetic data are analyzed in terms of GW correlations, steric effect, kinetic solvent isotope effects (KSIE), and a third order model based on general base catalysis (GBC). Solvolyses based on predominately stoichiometric solvation effect relative to medium solvation are proceeding in 3 and the results are remarkably similar to those for p-nitrobenzoyl chloride (4) in mechanism and reactivity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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