Journal Information
Journal ID (publisher-id): chemical
Title: 대한화학회지
Translated Title (en): Journal of the Korean Chemical Society
ISSN (print): 1017-2548
ISSN (electronic): 2234-8530
Publisher: 대한화학회Korean Chemical Society
Silene(C=Si)의 합성이 Ishikawa에 의해 시도된 1,1,1,2,2-pentamethyl-2-phenyldisilane1의 광반응에 관한 논문 이후로, 많은 논문들이 발표되었으며 최근2까지도 발표되어 왔다. 그런데 silene은 최외각 껍질로 2p 오비탈을 가진 비금속탄소 원자와 3p 오비탈을 가진 준금속 실리콘 원자의 결합으로 인해 충분한 오비탈 겹칩이 부족하여 구조적으로 불안하다. 그래서 대부분의 연구들에서는 관련 광반응들에서 합성된 불안한 silene을 methanol과 같은 다른 분자와 분자간 반응을 시킨 후, 이때 생성되는 반응 생성물으로부터 silene의 생성을 확인하였다. 그러나, 광반응으로부터 생성된 silene을 분자내 반응을 통하여 확인한 연구는 없었다. 그래서 저자들은 1-(2-(allyoxy)phenyl)-1,1,2,2,2-pentamethyldisilane3을 합성한 후 광반응으로부터 생긴 silene을 분자내 반응을 통하여, 새로운 실리콘이 포함된 헤테로고리 화합물들을 합성하고자 시도 하였으며, 그 이후로 현재까지 관련 연구를 계속하여 오고 있다. 한편, 지금까지 알려진 벤젠의 이성질체로는 benzvalene, bicycle[2,2,0]hexa-2,5-diene(Dewar benzene), fulvene, 그리고 prismane이 있는데, 벤젠에 빛을 쪼이면 benzvalene4,5 과 bicycle[2,2,0]hexa-2,5-diene(Dewar benzene)6,7이 생기고, benzvalene의 빛반응으로부터는 fulvene8,9이 생기고, benzvalene의 열반응으로부터는 prismane10,11이 생성된다고 알려져있다. 그런데 벤젠의 빛반응 결과 생성되는 화합물중에, 벤젠고리가 분해되어 사슬로 변한 것은 지금까지 알려져 있지 않다. 저자들이 silene 합성 관련 광반응연구를 계속하다가 보니, 최근에 매우 흥미로운 연구결과를 얻었는데, 그것은 벤젠고리가 분해되어 사슬로 변한 화합물의 생성에 관한 연구들이었다. 지금까지 3-(2-(1,1,2,2,2-pentamethyldisilyl) phenoxy)propan-1-ol12, 1,2-bis(2-(2-(1,1,2,2,2-pentamethyldisilyl) phenoxy)ethoxy)benzene,13 1,1,2,2,2-pentamethyl-2-(2-(prop-2-yn-1-yloxy)phenyl)disilane,14 그리고 1,2-bis(2-(1,1,2,2,2-pentamethyldisilyl) phenoxy)ethane15의 광반응들에서 이런 결과들을 얻었으며, 저자들은 이번 연구에서는 연구목표를 벤젠으로부터 사슬 화합물 합성을 목표로 하여 광반응물, 1,1,1,2,2-pentamethyl-2-(2-(2-phenoxyethoxy)phenyl)disilane 2을 설계하였고, 이에 대한 광반응을 하였다. 그 결과 매우 흥미로운 연구결과를 얻게 되어 본 논문에서 발표를 하고자한다.
결과 및 고찰▼
이번 연구에 필요한 빛반응을 위한 화합물 2의 합성은 Scheme 1에서 보여지는 바와 같다. 초음파 반응기, MicroSYNTH을 사용하여 반응시켰으며, 물을 반응 용매로, 염기로는 sodium hydroxide (NaOH)를 사용하였고, tetra-n-butyl ammonium iodide를 상 전이 촉매(phase transfer catalyst, PTC)로 사용하여 2-(2-(1,1,2,2,2-pentamethyldisilyl)phenoxy)ethyl 4-methylbenzenesulfonate 1과 phenol의 상 전이 반응(phase transfer reaction)을 하여 87%의 수율로 화합물 2를 합성하였다. 화합물 113의 합성은 이미 발표된 논문에서와 같이 하였다. 비극성인 벤젠을 용매로 사용하여 화합물 2에 빛을 조사하면, 어떤 연구결과를 얻을 수 있는지를 알기 위해 화합물 2를 벤젠용매 하에서 300 nm 빛을 쪼였다. 그 결과 Scheme 2에서 보여지는 바와 같이, 빛 반응 생성물(3E, 5E)-6-(trimethylsilyl)hexa-3,5-dien-2-one 4 (12% 수율) 와 1,2-diphenoxyethane 5 (9% 수율)가 얻어졌으며, 이외에도 여러가지 구조를 알 수 없는 분해 화합물들이 생성되었다. 한편, 많은 phenyldisilane 화합물들의 광반응에 관한 연구결과, 반응 경로가 다음과 같이 4가지가 있다는 것이 잘 알려져 있다. 즉, path a는 1,3-trimethylsilyl 라디칼의 이동을 거쳐 silatriene이 형성되는 경로이고,16 path b는 반응물에 빛을 조사하여 들뜬 상태가 된 후, methanol과 같은 친핵체의 공격을 받아서 실리콘과 실리콘사이의 결합이 끊어지는 경로이고,17 path c는 반응물이 들뜬 상태에서 silylene (SiMe2)이 제거되는 경로이다.18 또한, path d는 silene (C=Si)이 형성된 후, 친핵체의 공격을 받아서 새로운 화합물이 생성되는 경로이다.19 화합물 2의 광반응에서 기대되었던 매우 흥미로운 결과는 화합물 4의 생성이다. Scheme 4에 화합물 4의 생성 mechanism이 설명되어있다. 화합물 2에 300 nm 자외선을 조사하면 들뜬 상태가 된 후, phenyldisilane의 광반응 경로 중, a 경로로 진행되어 중간체, (6-(dimethylsilylene)-5-(2-phenoxyethoxy) cyclohexa-2,4-dien-1-yl)trimethylsilane 3이 생성되는 것으로 설명된다. 다음으로는 중간체 3에 있는 silene (C=Si) 부분의 탄소원자에 산소원자가 분자내 공격을 하고, 그 다음에 실리콘 원자가 탄소원자를 공격하면 oxirane 고리를 가진 중간체, (1-(dimethyl(2-phenoxyethyl)silyl)-7-oxabicyclo[4.1.0] hepta-3,5-dien-2-yl)trimethylsilane 10이 생성되는 것으로 설명된다. 다음 단계에서는 중간체 10의 phenoxy 부분에 있는 산소 원자가 실리콘 원자를 공격함으로써 치환된 방향족 화합물이 제거되면, 중간체, 7-oxabicyclo[4.1.0] hepta-3,5-dien-2-yltrimethylsilane 11이 생성되는 것으로 설명된다. 마지막 단계로는 방향성을 잃어버려서 매우 불안정한 중간체 11이 이중결합의 재배열을 하게 되면서, 3개의 짝지은 이중결합을 가진 안정하면서 매우 흥미로운 광반응 생성물 4가 생성되는 것으로 설명된다. 빛반응이 아니라 열을 이용하여 전혀 다른 반응물으로부터 화합물 4를 합성하는 연구는 Olsson20과 Szabo에 의해서 알려져있다. 빛반응 생성물 5는 반응물 2가 빛을 받아서 들뜬 상태 2*가 된 후, phenyl과 pentamethyldisilanyl기 사이의 결합이 끊어져서 생성되는 것으로 설명된다. 빛반응 용매를 극성이면서 양성자를 줄 수 있는 메탄올로 바꾸었을 때의 연구 결과를 보기 위하여, 반응물 2의 빛반응 연구를 300 nm 빛을 쪼여서 메탄올 용매 하에서 하여, 빛반응 생성물 dimethyl(2-(2-phenoxyethoxy)phenyl)silane 6 (7% 수율), trimethyl(2-(2-phenoxyethoxy)phenyl)silane 7 (13% 수율), 그리고 dimethyl(2-phenoxyethoxy)(2-(2-phenoxyethoxy)phenyl)silane 9 (17% 수율)를 얻었으며, 이외에도 여러가지 구조를 알 수 없는 분해 화합물들이 생성되었다(Scheme 3). 화합물 6의 생성은 들뜬 상태의 화합물 2*에 있는 pentamethyldisilanyl의 β 실리콘 원자에 반응 용매인 메탄올의 친핵성 공격으로 설명되는 path b로 진행된 것으로 생각된다. 또한, 화합물 2*에서 silylene이 제거되는 path c를 거쳐서 빛반응 생성물 7이 생성된 것으로 여겨진다. 반응 경로 중에서 path d를 거쳐서 silene 화합물 8이 생성된 후, silene의 실리콘 원자에 2-phenoxyethanolate의 친핵성 공격으로 예상하지 못 했던 새로운 화합물 9가 생성된 것으로 여겨진다. 여기서 2-phenoxyethanolate는 반응물 2가 들뜬 상태 2*가 된 후, phenyl과 phenoxyethoxy기 사이의 결합이 끊어져서 생성된 것으로 설명된다. 그러나 빛반응 생성물로 2-phenoxyethanol은 얻어지지 않았다. 빛반응 생성물 4, 5, 6, 7 그리고 9의 구조는 1H NMR, 13C NMR, FT-IR, UV, 그리고 mass 스펙트럼들을 해석하여 확인하였다. 화합물 4의 구조 확인은 이전의 논문들의 data12와 비교하여 확인 하였으며, 화합물 5의 구조는 Aldrich 사에서 시판하는 시약과 비교하여 확인하였다. 화합물 6에 있는 디메틸실릴기에 있는 수소는 1H NMR 스펙트럼에서 δ 4.30에서 칠중선으로 나타나고, FT-IR 스펙트럼에서는 Si-H 신축 방식에 기인한 흡수가 2116.5 cm-1에서 나타났다. 그 외에 다른 스펙트럼 자료는 반응물 2와 비슷하였다. 또한, 빛반응 생성물 7도 반응물 2에 있는 pentamethyldisilanyl기 대신에 trimethylsilyl기가 스펙트럼에 나타나는 것 외에는 비슷한 스펙트럼 자료를 나타내어서 생성물 7의 구조를 확인할 수 있었다. 화합물 9의 경우에는 1H NMR 스펙트럼에서 방향족 수소의 갯수가 14개이고, δ 4.33과 4.06에서 각각 4개의 수소가 있는 것으로부터 구조를 확인 할 수 있었다. 또한, 13C NMR peak의 수가 19개라는 것으로부터도 구조를 정할 수 있었다.
실험 방법▼
1,1,1,2,2-pentamethyl-2-(2-(2-phenoxyethoxy)phenyl)disilane 2의 합성
Phenol (0.33 g, 3.55 mmol), sodium hydroxide (0.47 g, 11.8 mmol), tetrabutylammolum iodide (8.7 mg, 0.02 mmol) 그리고 물(7 mL)를 50 mL two-neck flask에 차례대로 넣는다. 상온에서 30분간 이 용액을 교반한다. 2-(2-(1,1,2,2,2-pentamethyldisilyl) phenoxy)ethyl 4-methylbenzenesulfonate 1 (1 g, 2.37 mmol)을 위 반응 flask에 넣는다. MicroSYNTH 기기에 이 반응 flask를 넣고, 500W로 60 ℃에서 2시간 반응시킨다. 반응이 끝난 것을 TLC를 통하여 알아낸 후, 이 반응 flask에 물(10 mL)를 넣고 반응 용액의 pH를 4.5로 맞추기 위해 소량의 묽은 염산 용액을 가한다. Ethyl acetate (20 mL)를 3번 사용하여 반응 용액으로부터 원하는 생성물을 추출한다. 추출한 ethyl acetate용액에 소금물(20 mL)을 가하여 씻은 후, 적당량의 MgSO4를 사용하여 ethyl acetate 용액에서 물을 제거한다. Rotary evaporator를 사용하여 감압 농축한 후, 컬럼용매로 n-hexane : ethyl acetate = 200 : 1을 사용하여 컬럼 크로마토그래피를 하여 원하는 생성물 2 (0.71 g, 87% yield)을 얻었다. 2; 1H NMR (CDCl3, 500 MHz) δH 7.43 (1H, d, J = 7.5 Hz), 7.37 (3H, m), 7.04 (2H, t, J = 7.5 Hz), 7.00 (2H, d, J = 8.5 Hz), 6.90 (1H, d, J = 8 Hz), 4.38 (4H, s), 0.42 (6H, s), 0.10 (9H, s); 13C NMR (CDCl3, 125 MHz) δC 162.9, 158.6, 135.4, 130.3, 129.6, 127.6, 121.1, 120.9, 114.6, 109.6, 66.1, 65.9, -1.62, -3.30; UV (CH2Cl2) λmax 272, 279 nm; FT-IR (NaCl) 3064.3, 2945.7, 1586.2, 1496.5, 1435.7, 1225.5, 1045.2, 833.1 cm-1; MS (70 eV) m/z 344 (M+); MS m/z (%) 344 (M+, 51), 313 (100), 288 (11), 224 (10), 194 (41), 149 (75), 135 (30), 120 (22); HRMS (M+) calcd for C19H28O2Si2 344.1628, found 344.1610.
용매로 벤젠을 사용한 1,1,1,2,2-pentamethyl-2-(2-(2-phenoxyethoxy) phenyl)disilane 2의 빛 반응
1,1,1,2,2-pentamethyl-2-(2-(2-phenoxyethoxy)phenyl) disilane 2 (172 mg)을 벤젠(1 L)에 녹여서 5 × 10-4 M 농도의 용액을 만든 후, 벤젠 용액 속의 공기를 질소 기체로 교환하기 위해1시간동안 질소 기체를 계속 bubbling 시킨다. RUL 300 nm lamp가 장치된 Rayonet photochemical reactor, RPR-208에 이 용액을 넣고1.5시간동안 빛을 쪼인다. 빛반응 용액을 rotary evaporator에서 감압 농축한 후, n-hexane : ethyl acetate = 30 : 1을 사용하여 컬럼 크로마토그래피를 한다. 좀 더pure한 생성물을 얻기 위하여 n-hexane : ethyl acetate = 10 : 1의 용매를 사용하여 normal phase HPLC를 하여 빛반응 생성물(3E, 5E)-6-(trimethylsilyl)hexa-3,5-dien-2-one 4 (10 mg, 12% yield)와 1,2-diphenoxyethane 5 (9.6 mg, 9% yield) 를 얻었다.
용매로 메탄올을 사용한 1,1,1,2,2-pentamethyl-2-(2-(2-phenoxyethoxy) phenyl)disilane 2의 빛 반응
1,1,1,2,2-pentamethyl-2-(2-(2-phenoxyethoxy)phenyl) disilane 2 (172 mg)을 메탄올(1 L)에 녹여서 5 ×10-4 M 농도의 용액을 만든 후, 메탄올 용액 속의 공기를 질소 기체로 교환하기 위해1시간동안 질소 기체를 계속 bubbling 시킨다. RUL 300 nm lamp가 장치된 Rayonet photochemical reactor, RPR-208에 이 용액을 넣고1.5시간동안 빛을 쪼인다. 빛 반응 용액을 rotary evaporator에서 감압 농축한 후, n-hexane : ethyl acetate = 30 : 1을 사용하여 컬럼 크로마토그래피를 한다. 이 경우에 rf값이 0.45 되는 위치에서 생성물 6이 얻어지고, rf 값이 0.35 되는 위치에서는 생성물 7과 9가 one spot으로 되어 있다. 생성물 7 과 9를 분리하기 위하여, 이 혼합물을 n-hexane : methylene chloride = 1 : 5의 용매를 사용하여 컬럼 크로마토그래피를 하여, rf 값이 0.7 되는 위치에서 생성물 7을 얻었고, rf 값이 0.4 되는 위치에서 생성물 9를 얻었다. 좀 더pure한 생성물을 얻기 위하여 생성물 6의 경우에는 n-hexane : ethyl acetate = 10 : 1의 용매를 사용하여 normal phase HPLC를 하여 빛반응 생성물 6을 얻었다. 또한, n-hexane : methylene chloride = 1 : 10의 용매를 사용하여 normal phase HPLC 를 하여 빛반응 생성물 7 과 9를 얻었다. 이렇게 하여 빛반응 생성물 dimethyl(2-(2-phenoxyethoxy)phenyl) silane 6 (9.5 mg, 7% yield), trimethyl(2-(2-phenoxyethoxy) phenyl)silane 7 (18.6 mg, 13% yield), 그리고 dimethyl(2-phenoxyethoxy)(2-(2-phenoxyethoxy)phenyl)silane 9 (34.7 mg, 17% yield)를 얻었다. 6; 1H NMR (CDCl3, 500 MHz) δH 7.21 (4H, m), 6.88 (5H, m), 4.30 (1H, septet, J = 5 Hz), 4.23 (4H, s), 0.24 (6H, d, J = 5 Hz); 13C NMR (CDCl3, 125 MHz) δC 163.0, 158.5, 135.9, 130.9, 129.5, 129.4, 125.7, 120.9, 114.5, 109.9, 66.3, -3.85; UV (CH2Cl2) λmax 271, 277 nm; FT-IR (NaCl) 3043.1, 2987.2, 2116.5, 1598.7, 1496.5, 1240.0, 1172.5, 1046.2, 887.1 cm-1; MS (70 eV) m/z 272 (M+); MS m/z (%) 272(M+, 47), 271 (100), 257 (12), 244 (6), 215 (72), 195 (3), 177 (18), 161 (6), 150 (5), 121 (48); HRMS (M+) calcd for C16H20O2Si 272.1233, found 272.1292. 7; 1H NMR (CDCl3, 500 MHz) δH 7.59 (1H, d, J = 5 Hz), 7.36 (1H, td, J = 10, 5 Hz), 7.30 (2H, t, J = 10 Hz), 6.97 (2H, td, J = 10, 5 Hz), 6.92 (2H, d, J = 10 Hz), 6.85 (1H, d, J = 5 Hz), 4.29 (4H, m), 0.38 (9H, s); 13C NMR (CDCl3, 125 MHz) δC 162.9, 158.8, 135.6, 131.1, 129.7, 128.2, 121.2, 120.9, 114.7, 110.1, 66.3, 66.0, 1.80; UV (CH2Cl2) λmax 271, 277 nm; FT-IR (NaCl) 3004.6, 2982.4, 1587.1, 1497.5, 1437.7, 1274.7, 1237.1, 1045.2, 793.6 cm-1; MS (70 eV) m/z 286 (M+); MS m/z (%) 286 (M+, 9), 268 (6), 234 (10), 208 (17), 194 (4), 146 (7), 120 (100), 92 (13), 76 (34); HRMS (M+) calcd for C17H22O2Si 286.1389, found 286.1302. 9; 1H NMR (CDCl3, 500 MHz) δH 7.59 (1H, d, J = 5 Hz), 7.40 (1H, d, J = 10 Hz), 7.31 (2H, t, J = 10 Hz), 7.27 (2H, t, 5 Hz), 7.00 (2H, m), 6.95 (3H, d, J = 5 Hz), 6.89 (3H, d, J = 10 Hz), 4.33 (4H, s), 4.06 (4H, s), 0.44 (6H, s); 13C NMR (CDCl3, 125 MHz) δC 163.1, 159.1, 158.7, 135.8, 131.6, 129.7, 129.6, 126.2, 121.3, 121.1, 120.8, 114.8, 114.7, 110.3, 69.2, 66.4, 66.2, 62.1, -0.72; UV (CH2Cl2) λmax 271, 277 nm; FT-IR (NaCl) 3065.3, 3004.6, 2986.2, 1599.7, 1587.1, 1496.5, 1275.7, 1236.2, 751.2 cm-1; MS (70 eV) m/z 408 (M+); MS m/z (%) 408 (M+, 5), 393 (82), 299 (11), 288 (7), 271 (10), 229 (19), 211 (85), 195 (11), 177 (19), 161 (54), 135 (45), 121 (25), 107 (27), 91 (46), 77 (100); HRMS (M+) calcd for C24H28O4Si 408.1757, found 408.1701.
결 론▼
빛반응 용매로 벤젠을 사용하여 반응물 2에 300 nm의 빛을 쪼여서 빛반응 생성물 4와 5를 얻었다. 반응물 2의 구조에 있는 벤젠 고리가 분해되어 사슬 형태의 구조가 된 화합물 4의 생성은 매우 흥미로웠다. 화합물 2의 들뜬 상태에서, pentamethyldisilanyl기에서 trimethylsilyl기가 떨어져 나와서 벤젠 고리로 1,3-이동을 하면 silatriene 화합물 3이 된다. 그리고 나서 oxirane이 형성되는 단계를 거쳐서 매우 불안한 중간체 11이 되고, 이 화합물이 이중결합의 재배열을 통하여 안정한 화합물 4가 생성되는 것으로 설명된다. 화합물 5의 생성은 들뜬 상태의 화합물 2*에서 실리콘과 벤젠 고리의 결합이 끊어진 것으로 설명된다. 메탄올을 용매로 300 nm 빛을 쪼여서 빛반응을 하면, 생성물 6, 7, 그리고 9가 얻어진다. 화합물 6은 용매인 메탄올이 들뜬 상태의 화합물 2*에 있는 실리콘 원자에 대한 친핵성 공격을 하여 생성되었음을 알 수 있었고, 화합물 7은 silylene의 제거에 의해서 생성된 것으로 설명된다. 또한, 화합물 9는 빛을 쪼여서 생긴 silene화합물 8에 2-phenoxyethanolate의 친핵성 공격으로부터 생성되었음을 알 수 있었다.