Second-order rate constants (kN) have been measured spectrophotometrically for reactions of 3,4-dinitrophenyl 2-thiophenecarboxylate (2) with a series of alicyclic secondary amines in 80 mol % $H_2O$/20 mol % dimethyl sulfoxide at 25.0 ${^{\circ}C}$. The Brønsted-type plot exhibits a downward curvature for the aminolysis of 2. The curved Brønsted-type plot is similar to that reported for the corresponding reactions of 2,4-dinitrophenyl 2- thiophenecarboxylate (1). The reactions of 1 and 2 have been suggested to proceed through the same mechanism, i.e., through a zwitterionic tetrahedral intermediate ($T^{\pm}$) with a change in the rate-determining step. Substrate 2 is less reactive than 1 toward weakly basic amines (e.g., $pK_a$ < 10.4) but becomes more reactive as the basicity of amines increases further. Dissection of kN into the microscopic rate constants has revealed that the reaction of 2 results in a smaller $k_2/k_{-1}$ ratio but larger $k_1$ than the corresponding reaction of 1. Steric hindrance exerted by the ortho-nitro group has been suggested to be responsible for the smaller $k_1$ value found for the reactions of 1.
Kinetic studies of the reactions of a-bromoacetanilides [YC6H4NHC(=O)CH2Br] with substituted benzylamines (XC6H4CH2NH2) have been carried out in dimethyl sulfoxide at 35.0 oC. The Hammett plots for substituent (Y) variations in the substrate (log kN vs. sY) are biphasic concave upwards/downwards with breaks at Y = 4-Cl (sY = 0.23). The Hammett coefficients rY and the cross-interaction constant rXY (= +0.16) are positive for sY 0.23, while the rY values are positive/negative [rY > 0 for X = (4-MeO and 4-Me) and rY < 0 for X = (H, 4-Cl and 3-Cl)] and the rXY (= -1.51) value is negative for sY ³ 0.23. Based on these and other results, the benzylaminolyses of a-bromoacetanilides are proposed to proceed through rate-limiting expulsion of the bromide leaving group from a zwitterionic tetrahedral intermediate, T, with a bridged transition state for s Y 0.23, while the reaction proceeds through concerted mechanism with an enolate-like TS in which the nucleophile attacks the a-carbon for s Y ³ 0.23.
A kinetic study is reported on nucleophilic substitution reactions of 4-nitrophenyl isonicotinate (7) with a series of cyclic secondary amines in MeCN. The plots of $k_{obsd}$ vs. [amine] curve upward for the reactions with weakly basic amines (e.g., morpholine, 1-(2-hydroxyethyl)piperazine, and piperazine) but are linear for those with strongly basic amines (e.g., piperidine and 3-methylpiperidine). The curved plots for the reactions with the weakly basic amines are typical for reactions reported previously to proceed through uncatalyzed and catalyzed routes with two intermediates (e.g., a zwitterionic tetrahedral intermediate $T^{\pm}$ and its deprotonated form $T^-$). In contrast, the linear plots for the reactions with the strongly basic amines indicate that the catalytic route (i.e., the deprotonation process to yield $T^-$ from $T^{\pm}$ by a second amine molecule) is absent. The Br${\o}$nsted-type plots for $Kk_2$ and $Kk_3$ (i.e., the rate constants for the uncatalyzed and catalyzed routes, respectively) exhibit excellent linear correlations with ${\beta}_{nuc}$ = 0.99 and 0.69, respectively. The effect of amine basicity on the reaction mechanism is discussed in detail.
Second-order rate constants have been determined spectrophotometrically for the reaction of phenyl 4-nitrophenyl carbonate with a series of primary amines in $H_2O$ containing 20 mol % DMSO at 25.0 ${\circ}$C. The Bronsted-type plot is linear with a ${\beta}_{nuc}\;0.69 {\pm} 0.04$, which is slightly smaller than the ${\beta}_{nuc}$ values for the reactions of 4-nitrophenyl acetate ( $\beta_{nuc}= 0.82 {\pm} 0.03$) and benzoate ( $\beta_{nuc} = 0.76 {\pm} 0.01$), indicating that the reaction proceeds through a tetrahedral zwitterionic intermediate $T^{\pm}$. The carbonate is more reactive than the corresponding acetate and benzoate. The changing Me (or Ph) to PhO has resulted in a decrease in the ${\beta}_{nuc}$ value without changing the reaction mechanism but an increase in the reactivity. The electronic effect of the substituent in the nonleaving group appears to be responsible for the enhanced reactivity of the carbonate compared with the corresponding acetate and benzoate.
In the aminolysis of phenacyl bromides ($YC_6H_4COCH_2Br$) with benzylamines ($XC_6H_4CH_2NH_2$) in acetonitrile, the Bronsted βx (βnuc) values observed are rather low ( βX = 0.69-0.73). These values are similar to those (βx $^~_=$ 0.7) for other aminolysis reactions of phenacyl compounds with anilines and pyridines, but are much smaller than those ( βx = 1.1-2.5) for the aminolysis of esters with benzylamines which are believed to proceed stepwise with rate-limiting expulsion of the leaving group. The relative constancy of the βx values (βx $^~_=$ 0.7) irrespective of the amine, leaving group and solvent can be accounted for by a bridged type transition state in the rate-limiting expulsion of the leaving group. Thus the aminolysis of phenacyl derivatives are proposed to proceed stepwise through a zwitterionic tetrahedral intermediate ($T^{\pm}$), with rate-limiting expulsion of the leaving group from $T^{\pm}$. In the transition state, the amine is bridged between the carbonyl and α-carbons, which leads to negligible effect of amine on the leaving group expulsion rate.
Second-order rate constants (kN) have been determined spectrophotometrically for reactions of 2,4-dintrophenyl 2-furoate (2) with a series of alicyclic secondary amines in 80 mol % H2O/20 mol % dimethyl sulfoxide (DMSO) at 25.0 oC. The furoate 2 is more reactive than 2,4-dintrophenyl benzoate (1) toward all the amines studied. The higher acidity of 2-furoic acid (pKa = 3.16) compared with benzoic acid (pKa = 4.20) has been suggested to be responsible for the reactivity order, at least in part. The Brønsted-type plots for the reactions of 1 and 2 are curved downwardly, indicating that the aminolyses of both 1 and 2 proceed through a zwitterionic tetrahedral intermediate (T±) with a change in the rate-determining step on changing the amine basicity. Dissection of the kN values into their microscopic rate constants has revealed that the pKao and k2/k-1 ratios for the reactions of 1 and 2 are identical, indicating that the nature of the nonleaving group (i.e., benzoyl and 2-furoyl) does not affect the reaction mechanism. The k1 values have been found to be larger for the reactions of 2 than for those of 1, which is fully responsible for the fact that the former is more reactive than the latter.
Pseudo-first-order rate constants $k_{amine}$ have been measured spectrophotometrically for the reactions of benzyl 4-pyridyl carbonate 6 with a series of alicyclic secondary amines in $H_2O$ at $25.0^{\circ}C$. The plots of $k_{amine}$ vs. [amine] curve upward, indicating that the reactions proceed through a stepwise mechanism with two intermediates, a zwitterionic tetrahedral intermediate $T^{\pm}$ and its deprotonated form $T^-$. This contrasts to the report that the corresponding reactions of benzyl 2-pyridyl carbonate 5 proceed through a forced concerted pathway. The $k_{amine}$ values for the reactions of 6 have been dissected into the second-order rate constant $Kk_2$ and the thirdorder rate constant $Kk_3$. The Br${\o}$nsted-type plots are linear with ${\beta}_{nuc}=0.94$ and 1.18 for $Kk_2$ and $Kk_3$, respectively. The $Kk_2$ for the reaction of 6 is smaller than the second-order rate constant $k_N$ for the corresponding reaction of 5, although 4-pyridyloxide in 6 is less basic and a better nucleofuge than 2-pyridyloxide in 5.
The rates of the aminolysis of S-phenyl substituted-acetate series $(RC(=O)SC_6H_4Z$, with R=Me, Et, i-Pr, t-Bu and Bn) with benzylamines $(XC_6H_4CH_2NH_2)$ are not correlated simply with the Taft's polar $({\sigma}^{\ast})$ and/or steric effect constants $(E_s)$ of the substituents due to abnormally enhanced rate of the substrate with R=Et. Furthermore, the cross-interaction constant, ${\rho}x_z$ , is the largest with R=Et. These anomalous behaviors can only be explained by invoking the vicinal bond $({\sigma})$-antibond $({\sigma}^{\ast})$ charge transfer interaction between C-$C{\alpha}$ and C-S bonds. In the tetrahedral zwitterionic intermediate, $T^{\pm}$ , formed with R=Et the vicinal ${\sigma}_{c-c}-{\sigma}^{\ast}_{c-s}$ delocalization is the strongest with an optimum antiperiplanar arrangement and a narrow energy gap, ${\Delta}{\varepsilon}={\varepsilon}_{{\sigma}^{\ast}}-{\varepsilon}_{\sigma}$. Due to this charge transfer interaction, the stability of the intermediate increases (with the concomitant increase in the equilibrium constant K (= $k_a/k_{-a}$)) and also the leaving ability of the thiophenolate leaving group increases (and hence $k_b$ increases) so that the overall rate, $k_n\;=\;Kk_b$, is strongly enhanced. Theoretical support is provided by the natural bond orbital (NBO) analyses at the B3LYP/6-31+$G^{\ast}$ level. The anomaly exhibited by R=Et attests to the stepwise reaction mechanism in which the leaving group departure is rate limiting.
Second-order rate constants ($k_N$) have been measured spectrophotometrically for the reactions of benzyl 2-pyridyl carbonate $\mathbf{3}$ and $t$-butyl 2-pyridyl carbonate $\mathbf{3}$ with a series of alicyclic secondary amines in MeCN at $25.0{\pm}0.1^{\circ}C$. Substrate $\mathbf{4}$ is much less reactive than $\mathbf{3}$ and the steric hindrance exerted by the bulky $t$-Bu group in $\mathbf{4}$ has been attributed to its decreased reactivity. The Br${\o}$nsted-type plots for the reactions of $\mathbf{3}$ and $\mathbf{4}$ are linear with ${\beta}_{nuc}=0.57$ and 0.45, respectively. Thus, the reactions have been concluded to proceed through a concerted mechanism, although the current reactions were expected to proceed through a stepwise mechanism with a zwitterionic tetrahedral intermediate $T^{\pm}$. It has been proposed that the rate of leaving-group expulsion is accelerated by the intramolecular H-bonding interaction in $T^{\pm}$ and the "push" provided by the RO group through the resonance interaction. Thus, the enhanced nucleofugality forces the reactions to proceed through a concerted mechanism. The reactivity-selectivity principle (RSP) is not applicable to the current reaction systems, since the reaction of the less reactive $\mathbf{4}$ results in a smaller ${\beta}_{nuc}$ than that of the more reactive $\mathbf{3}$. Steric hindrance exerted by the bulky $t$-Bu group in $\mathbf{4}$ has been suggested to be responsible for the failure of the RSP.
Second-order rate constants ($k_N$) have been measured spectrophotometrically for the reactions of benzyl 2-pyridyl carbonate $\mathbf{7}$ and $t$-butyl 2-pyridyl carbonate $\mathbf{8}$ with a series of alicyclic secondary amines in $H_2O$ at $25.0^{\circ}C$. Substrate $\mathbf{8}$ is less reactive than $\mathbf{7}$. Steric hindrance exerted by the bulky $t$-Bu group of $\mathbf{8}$ has been suggested to be responsible for the decreased reactivity. The Br${\o}$nsted-type plots for the reactions of $\mathbf{7}$ and $\mathbf{8}$ are linear with ${\beta}_{nuc}=0.49$ and 0.44, respectively, which is typical for reactions reported previously to proceed through a concerted mechanism. Aminolyses of $\mathbf{7}$ and $\mathbf{8}$ were expected to proceed through a zwitterionic tetrahedral intermediate $T^{\pm}$, which would be stabilized through an intramolecular H-bonding interaction. However, the kinetic results suggest that the reactions proceed through a concerted mechanism. The H-bonding interaction in $T^{\pm}$ has been suggested to accelerate the rate of leaving-group expulsion from $T^{\pm}$. Another factor that might accelerate expulsion of the leaving group is the "push" provided by the RO group in $T^{\pm}$ through resonance interactions. Thus, it has been concluded that the enhanced nucleofugality through the H-bonding interaction and the "push" provided by the RO group forces the reactions to proceed through a concerted mechanism.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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