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Journal of the Korean Chemical Society (JKCS)

ISSN 1017-2548(Print)
ISSN 2234-8530(Online)
Volume 18, Number 4
JKCSEZ 18(4)
August 20, 1974 

Structure and Reactivity of Alkylchloroformates. MO Theoretical Interpretations on Halide Exchange Reaction

염화 포름산 알킬의 구조와 반응성. 할로겐화 이온 교환반응에 대한 분자궤도론적 고찰
Bon-Su Lee, Ikchoon Lee

이본수, 이익춘
염화포름산 알킬의 할로겐화 이온 교환반응을 반응속도론적으로 연구하고, 이의 전자 구조적 특성을 CNDO/2 MO계산으로 연구하였으며 이로부터 구조와 반응성 간의 관계를 논의하였다. 염화포름산 알킬의 에너지면에서의 가장 안정한 입체배치가 알킬기와 염소원자 사이가 서로 트랜스인 입체배치임을 알았으며, 결합주위의 회전장애가 π-전자 비편재화에 기인됨을 밝혔다. 염화포름산 알킬은 하전분리가 심한 극성물질이며, 이것이 카르보닐 산소와 알콕시 산소의 효과 및 염소의 효과에 기인됨을 밝혔다. 반응속도에 미치는 용매효과는 (CH3)2CO>CH3CN》MeOH순으로 반응성이 감소되는 작용을 나타냈으며, 친핵성도는 양성자성 용매중에서 I->Br->Cl-, 비양자성 용매 중에서 Cl->Br->I-이었으며 알킬기의 기여는 CH3->C2H5->i-C3H7-순이었다. 초기상태와 천이상태의 안정화 기여를 기초로 용매효과를 해석하였으며 초기상태 탈용매화의 특성으로 친핵성도를 논의하였다. 이 반응에 대하여 가장 유리한 메카니즘을 첨가-제거 메카니즘으로 제안하였다. 염화포름산 알킬의 반응성을 결정하는 구조적 요인은 하전, C-Cl 결합에 대하여 σ*인 LUMO의 에너지준위 및 이 MO에서 C-Cl결합의 반결합세기임을 밝혔다.

CNDO/2 MO theoretical studies and kinetic studies of halide exchange reactions for alkylchloroformates have been carried out in order to investigate structure-reactivity relationship of alkylchloroformates. From the result of energetics, it was concluded that the most stable configuration of alkylchloroformate is that in which alkyl group and chlorine are trans to each other, and that the hindered rotation about the bond between the carbonyl carbon and alkoxy-oxygen bond is attributed to the π-electron delocalization. It has been found that the large charge separation is due to -M effect of carbonyl and alkoxy oxygens and-I effect of chlorine. The order of rates in solvents studied was (CH3)2 > CO > CH3CN ≫ MeOH. The nucleophilic order showed the qualitative trends of I- > Br- > Cl- in protic solvent, and of Cl- > Br- > I- in dipolar aprotic solvents. Alkyl group contribution has the decreasing order of CH3-> C2H- ≫ i-C3H7-. The solvent effect has been interpreted on the basis of initial and final state contribution. A transition state model has been suggested, and it has been proposed that the most favorable mechanism is the addition-elimination. From the results of activation parameters and electronic properties, an energy profile has been proposed. Structural factors determining reactivities of alkylchloroformates have been shown to be charge, energy level of σ* LUMO to C-Cl bond and σ* antibonding strength with respect to C-Cl bond in this MO. Charge and polarizability of nucleophile, and the interaction of these effects with solvent structures are also found to be important.

223 - 238
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