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다킨 산화
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다킨 산화(영어: Dakin oxidation, 또는 다킨 반응(영어: Dakin reaction))는 유기 산화환원 반응으로, 오르토- 또는 파라-하이드록실화된 페닐 알데하이드 (2-하이드록시벤즈알데하이드 또는 4-하이드록시벤즈알데하이드) 또는 케톤이 염기에서 과산화 수소 (H2O2)와 반응하여 벤젠다이올과 카복실산염을 형성한다. 전반적으로 카보닐기는 산화되고 H2O2는 환원된다.
바이어-빌리거 산화와 밀접하게 관련된 다킨 산화는 헨리 드라이스데일 다킨의 이름을 따서 명명되었지만, 다킨-웨스트 반응과는 혼동해서는 안 된다.
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반응 메커니즘
다킨 산화는 (1) 하이드로과산화물 이온의 친핵성 첨가로 시작하여 카보닐 탄소에 첨가되어 (2) 사면체형 중간체를 형성한다. 이 중간체는 붕괴되어 [1,2]-아릴 이동, 수산화물 제거 및 (3) 페닐 에스터를 형성한다. 이어서 페닐 에스터는 가수분해된다. 용액으로부터 수산화물 이온이 에스터 카보닐 탄소에 친핵성으로 첨가되어 (4) 두 번째 사면체형 중간체를 형성하고, 이 중간체는 붕괴되어 (5) 페녹사이드 이온을 제거하고 카복실산을 형성한다. 마지막으로, 페녹사이드는 카복실산으로부터 산성 수소를 추출하여 (6) 최종 생성물을 얻는다.[1][2][3]
반응 속도에 영향을 미치는 요인
요약
관점
다킨 산화는 두 가지 속도 제한 단계를 가진다: 하이드로과산화물이 카보닐 탄소에 친핵성으로 첨가되는 단계와 [1,2]-아릴 이동 단계이다.[2] 따라서 전체 산화 속도는 하이드로과산화물의 친핵성, 카보닐 탄소의 친전자성, [1,2]-아릴 이동 속도에 따라 달라진다. 카보닐 탄소의 알킬 치환기, 아릴 고리에서 하이드록실기와 카보닐기의 상대적 위치, 고리에 다른 작용기의 존재, 반응 혼합물의 pH는 이러한 속도 제한 단계에 영향을 미치는 네 가지 요인이다.
알킬 치환기
일반적으로 페닐 알데하이드가 페닐 케톤보다 반응성이 높은데, 이는 케톤 카보닐 탄소가 알데하이드 카보닐 탄소보다 친전자성이 낮기 때문이다.[1] 이러한 차이는 반응 혼합물의 온도를 높임으로써 완화될 수 있다.[4]
하이드록실기와 카보닐기의 상대적 위치
약염기 조건에서 o-하이드록시 페닐 알데하이드와 케톤은 p-하이드록시 페닐 알데하이드와 케톤보다 빠르게 산화된다. o-하이드록시 화합물에서 하이드록실기가 양성자화되면, 하이드록실 수소와 카보닐 산소 사이에 분자 내 수소 결합이 형성되어 카보닐 탄소에 양전하를 띤 공명 구조를 안정화시키고, 이로 인해 카보닐 탄소의 친전자성이 증가한다 (7). 이러한 안정화가 없는 p-하이드록시 화합물의 카보닐 탄소는 친전자성이 낮다. 따라서 하이드록실기가 양성자화되었을 때 o-하이드록시 화합물이 p-하이드록시 화합물보다 빠르게 산화된다.[2]
m-하이드록시 화합물은 m-벤젠다이올과 카복실산염으로 산화되지 않는다. 오히려 페닐 카복실산을 형성한다.[1][2] 이는 아릴 고리의 이동성 변화로 설명될 수 있다. 카보닐기에 오르토 또는 파라 위치에 있는 하이드록실기는 카보닐 탄소에 결합된 아릴 탄소에 전자 밀도를 집중시킨다 (10c, 11d). 페닐기는 이동성이 낮지만, 이동하는 탄소의 전자 밀도가 높으면 이동성이 증가하여 [1,2]-아릴 이동을 촉진하고 반응이 계속 진행되도록 한다. m-하이드록시 화합물은 이동하는 탄소에 전자 밀도를 집중시키지 않으며 (12a, 12b, 12c, 12d), 아릴기의 이동성은 낮게 유지된다. 가장 높은 이동성을 가진 벤질 수소가 대신 이동하여 (8) 페닐 카복실산을 형성한다 (9).
아릴 고리의 다른 작용기
페닐 수소를 카보닐기에 오르토 또는 파라 위치에 있는 전자-공여 그룹으로 치환하면 이동하는 탄소의 전자 밀도가 증가하고, [1,2]-아릴 이동을 촉진하며, 산화를 가속화한다. 카보닐기에 메타 위치에 있는 전자-공여 그룹으로 치환하면 이동하는 탄소의 전자 밀도는 변하지 않는다. 비치환 페닐 그룹의 이동성이 낮기 때문에 수소 이동이 우세하다. 카보닐기에 오르토 또는 파라 위치에 있는 전자-수용 그룹으로 치환하면 이동하는 탄소의 전자 밀도가 감소하고 (13c), [1,2]-아릴 이동을 억제하며, 수소 이동을 선호한다.[1]
pH
하이드로과산화물 음이온은 중성 과산화수소보다 더 반응성이 높은 친핵체이다. 결과적으로 pH가 과산화수소의 pKa에 가까워지고 하이드로과산화물 농도가 증가함에 따라 산화가 가속화된다. 그러나 pH가 13.5보다 높으면 산화가 발생하지 않는데, 이는 두 번째 과산화 산소의 탈양성자화 때문일 수 있다. 두 번째 과산화 산소의 탈양성자화는 단일 산화물 음이온이 제거되기에는 너무 염기성이므로 [1,2]-아릴 이동을 방해할 것이다 (2).[2]
하이드록실기의 탈양성자화는 하이드록실 산소로부터의 전자 공여를 증가시킨다. 하이드록실기가 카보닐기에 오르토 또는 파라 위치에 있을 때, 탈양성자화는 이동하는 탄소의 전자 밀도를 증가시켜 더 빠른 [1,2]-아릴 이동을 촉진한다. 따라서 [1,2]-아릴 이동은 양성자화된 하이드록실기보다 탈양성자화된 하이드록실기를 선호하는 pH 범위에서 촉진된다.[2]
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변형
산 촉매 다킨 산화
다킨 산화는 온화한 산성 조건에서도 발생할 수 있으며, 염기 촉매 메커니즘과 유사한 메커니즘을 따른다. 메탄올, 과산화수소 및 촉매성 황산 존재 하에 카보닐 산소는 양성자화되고 (14), 그 후 과산화수소가 친핵체로 카보닐 탄소에 첨가되어 사면체형 중간체를 형성한다 (15). 분자 내 양성자 이동 (16, 17) 후, 사면체형 중간체는 붕괴되고, [1,2]-아릴 이동이 일어나며, 물이 제거된다 (18). 메탄올이 카보닐 탄소에 친핵성으로 첨가되어 또 다른 사면체형 중간체를 형성한다 (19). 두 번째 분자 내 양성자 이동 (20, 21) 후, 사면체형 중간체는 붕괴되어 페놀을 제거하고 카보닐 산소에서 양성자화된 에스터를 형성한다 (22). 마지막으로, 카보닐 산소의 탈양성자화는 최종 생성물을 생성하고 산 촉매를 재생시킨다 (23).[5]
붕산 촉매 다킨 산화
산 촉매 반응 혼합물에 붕산을 첨가하면 카보닐기에 메타 위치에 전자-공여 그룹을 갖거나 카보닐기에 오르토 또는 파라 위치에 전자-수용 그룹을 갖는 페닐 알데하이드 또는 케톤 반응물을 사용하는 경우에도 페놀 생성물에 비해 페닐 카복실산 생성물의 수율이 증가한다. 붕산과 과산화수소는 용액에서 복합체를 형성하며, 이 복합체가 카보닐 탄소에 첨가되면 수소 이동보다 아릴 이동을 선호하여 페놀 수율을 극대화하고 페닐 카복실산 수율을 감소시킨다.[6]
메틸트라이옥소레늄 촉매 다킨 산화
이온성 액체 용매와 촉매성 메틸트라이옥소레늄 (MTO)을 사용하면 다킨 산화가 극적으로 가속화된다. MTO는 과산화수소와 복합체를 형성하여 과산화수소가 카보닐 탄소에 첨가되는 속도를 증가시킨다. 그러나 MTO는 페놀과 페닐 카복실산 생성물의 상대적 수율을 변경하지 않는다.[7]
요소 촉매 다킨 산화
요소와 과산화수소를 혼합하면 요소-과산화수소 복합체 (UHC)가 생성된다. 용매 없는 페닐 알데하이드 또는 케톤에 건조 UHC를 첨가하면 다킨 산화도 가속화된다. MTO와 마찬가지로 UHP는 과산화수소의 친핵성 첨가 속도를 증가시킨다. 그러나 MTO 촉매 변형과는 달리, 요소 촉매 변형은 잠재적으로 독성 있는 중금속 폐기물을 생성하지 않는다. 또한 피리딘-N-산화물과 같은 산화 아민의 합성에 적용되었다.[4]
합성 응용
다킨 산화는 주로 벤젠다이올[8] 및 알콕시페놀[1][9] 합성하는 데 사용된다. 예를 들어, 카테콜은 o-하이드록시 및 o-알콕시 페닐 알데하이드와 케톤으로부터 합성되며,[8] 카테콜아민,[10] 카테콜아민 유도체, 그리고 일반적인 항산화제 및 중합 억제제인 4-tert-부틸카테콜을 포함한 여러 화합물의 합성 출발 물질로 사용된다. 다킨 산화의 다른 합성적으로 유용한 생성물로는 여러 향료의 전구체인 과이아콜; 일반적인 사진 현상제인 하이드로퀴논; 포장 식품을 보존하는 데 일반적으로 사용되는 두 가지 항산화제인 2-tert-부틸-4-하이드록시아니솔 및 3-tert-부틸-4-하이드록시아니솔이 있다.[7] 또한, 다킨 산화는 높은 항생제, 항균제 및 항종양 활성을 나타내는 천연 화합물인 인돌퀴논의 합성에 유용하다.[11]
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같이 보기
- 바이어-빌리거 산화
- 베크만 자리옮김
- 라이머-티만 반응
각주
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