[유기화학실험]Asymmetric Mannich Reaction

실험 목적

1. Mannich reaction 은 알데하이드, 1, 2 차 아민, 암모니아 또는 케톤을 반응물로 하여 최종 생성물로 β-aminocarbonyl compound 를 만드는 반응을 이해한다.

2. Organocatalyst인 L-proline을 이용하여 acetone, p-anisidine, aldehyde의 반응으로 β-amino ketone을 생성하는 Asymmetric mannich reaction을 이해한다.

 

실험 이론 및 원리

1. Mannich reaction

Mannich reaction은 알데하이드, 1/2차 아민, 암모니아 또는 케톤을 반응물로 하여 최종생성물로 β-amino-carbonyl compound를 만드는 반응이다. 이는 C-C결합의 형성과 amino alkylation을 포함하는 매우 유용한 합성 방법이다. 질소를 포함하고(단백질, 핵산, 생물학적 활성이 있는 화합물) 광학활성(opticalactivity)이 있는 물질을 만들 수 있 다는 점에서 다양한 분야에서 관심을 보이고 있다.

 

이처럼 광학활성을 지닌 chiral 화합물의 필요성이 크게 인식됨에 따라 “비대칭합성(asymmetric synthesis)”의 중요성이 강조되고 있다. 그러나 고전적인Mannich reaction으로부터 합성되는 물질은 racemic형태이다. 과거에는 광학이성질체의 성질에 대해 잘 알지 못하였고, 이로 인해 심각한 문제들이 발생하기도 하였다.

 

예를 들어, 광학활성을 가지는 물질을 약으로 사용하려고 할 때, 광학 이성질체(optical isomer) 중에서 한 가지 광학 이성질체만이 원하는 약효를 나타내는 약으로 사용될 수 있다. 다른 종류의 광학 이성질체 분자는 전혀 쓸모가 없거나, 심할 경우에는 독으로 작용한다.

 

이처럼 racemic 형태로 합성된 광학 이성질체는 인간에게 심각한 부작용을 일으킬 수도 있고, 각각의 순수한 이성질체로 분리하기에는 많은 시간과 노력이 필요하다. 그러므로 처음부터 한 종류의 광학 이성질체만 선택적으로 합성하는 방법을 알아내고 연구하는 것은 이제 필수적인 일이 되었다. 이는 asymmetric Mannich reaction의 발전을 촉진시켰다. 이전 반응의 약점들을 개선하기 위해서 새로운 방법의 Mannich reaction이 개발되었다. 미리 합성된 electrophile (e.g, iminium salts 또는 imines) 또는 nucleophiles (enolate, enol ethers, enamine) 을 이용하는 것이다. 이 방법은 고전적인 방법이 가지고 있던 제한들을 극복할 수 있게 한다.

 

B. List는 L-proline 촉매를 사용하여 direct asymmetric three-component Mannich reaction 방법을 개발했다. organocatalyst인 proline을 사용함으로써 비싸고 해로운 금속의 사용을 피할 수 있고, 공기 중에서 더 안정하다는 장점을 가지고 있다. 그리고 aldehyde, unmodified ketone, amine을 사용한 보다 atom-economic process이다. 즉, 위에서 설명한 direct three-component reaction의 중요한 이점은 indirect Mannich reaction은 미리합성된 enolate, imine을 요구하지만 이 반응은 미리 생성된 imine, enol을 요구하지 않는다.(direct reaction) 이 접근은 높은 enantioselectivity와 효과적인 1,2-amino alcohol 합성을 이끈다.

 

Fig. 1. direct asymmetric three-component Mannich reaction 메커니즘

L-Proline과 ketone이 반응하여 enamine이 합성된다. 두번째로 알데하이드와 아닐린이 반응하여 imine이 합성된다. 그 다음에 imine과 enamine이 반응하고 hydrolysis된다. 거울상 선택적인 Mannich 생성물이 합성된다.

1) β-amino-carbonyl compound 를 합성하는 반응이다. 이 반응은 1912 년 Carl Mannich 에 의해 처음으로 밝혀졌으며 알데하이드, 아민 유도체, 케톤이 축합하여 일어나는 반응이다. 아미노 부분이 여러가지 다른 작용기로 쉽게 전환될 수 있고 더불어 의약품, 천연물의 합성에 매우 유용한 중간체 합성법으로 사용되고 있다.

 

2) Amine HNR2 제거로 Michael acceptor 2, 유기금속 화합물의 첨가나 환원으로 1, 3-amino alcohol 3, 친핵체 첨가로 인한 NR2 치환 반응으로 functionalized 카보닐 화합물 4을 합성할 수 있다

 

3) β-amino-carbonyl compound 를 합성하는 방법은 여러 가지가 있지만 일반적으로 다음과 같은 두 가지 방법을 사용한다. 하나는 α, β-unsaturated compound 와 nitrogen nucleophile 를 이용하여 직접 C-N bond 를 형성하는 aza-Michael reaction, 다른 하나는 nitrogen 을 포함한 electrophile 인 imine 과 nucleophile 을 이용하여 N 의 바로 옆에 있는 탄소에서 C-C bond 를 형성하는 Mannich reaction 이다

 

2. ATR-FT IR

1) FT-IR spectroscopy

Spectroscopy 란 물질과 빛의 상호작용을 연구하는 학문분야를 말한다. 크게 투과(transmission)와 반사(reflection) 두 가지 방법을 사용한다. 투과(transmission)는 시료를 투과하기 전의 빛(Incident beam)과 시료를 투과한 뒤 나온 빛(Transmitted beam)을 비교하여 그 변화를 관찰하는 방법이다. 

반사(reflection)는 시료 표면에서 반사되는 빛을 이용한 분석 방법이다. 고체, 액체, 겔 상태의 시료나 코팅을 분석하는 데 유용하며, 매우 적은 양의 시료도 충분히 분석이 가능하다. 정성 분석에 매우 편리한 방법이며, 가끔 정량 분석에도 이용된다.

스펙트럼 영역(region of spectrum)	에너지 전이(energy transition)
X-선(X-ray)	결합 끊음(bond-breaking)
자외선/가시광선(ultraviolet/visible)	전자 이동(electronic)
적외선(infrared)	진동(vibrational)
마이크로파(microwave)	회전(rotational)
라디오파(radio frequency)	핵 스핀(핵스핀 자기공명, nuclear magnetic resonance) 전자스핀(전자스핀 공명, electron spin resonance)

Table 1. 파장에 따른 빛의 분류

 

2) 빛(radiation)

파장에 따라 가장 긴 파장(낮은 에너지)를 가지는 라디오파부터 마이크로선, 적외선(Infra-Red), 가시광선, 자외선, X-선, 감마선 까지 분류할 수 있으며(Figure 3), 분석의 목적에 따라 다양한 파장의 빛을 사용할 수 있다

 

3) 적외선 분광법 (Infra-Red Spectroscopy)

vibrational transition 과 rotational transition 에 의한 IR 흡수를 측정하여 화합물이 가진 고유한 작용기와 전체 골격구조를 알아낼 수 있는 방법이다. 적외선 분광법 에서는 mid-IR 을 사용하며 이는 에너지가 작기 때문에 빛을 흡수하여 electronic transition 을 일으키지 못하고 vibrational transition 과 rotational transition 만이 일어나게 한다. 이 영역에서는 분자 진동에 의한 스펙트럼이 나타나는데 이것을 분자 진동 스펙트럼 또는 적외선 스펙트럼이라 한다. 따라서, 물질의 특성적 IR 스펙트럼을 통해서 미지 물질의 확인은 물론 분자구조를 추정할 수 있게 된다.

 

4) Stretching vibrations 은 일정한 간격으로 결합길이가 증가하거나 감소할 때 나타나는 vibration

 

5) Bending vibration 이란, 결합각이 변하거나 분자 평면에 수직으로 원자들이 움직이는 경우

 

6) In plane bending 은 한 평면 안에서 결합각의 변화가 있는 경우

 

7) Scissoring 은 결합각이 감소하는 것을 말하며, Rocking 은 결합각 변화 없이 같은 평면 안에서 원자가 움직이는 경우

 

8) Out of plane bending 은 분자 평면을 벗어난 움직임

 

9) Wagging 은 atom 이 분자 평면에서 같은 방향으로 움직이는 것이고, Twisting 은 각각의 원자가 분자 평면에 서로 반대되는 방향으로 움직이는 것

 

이처럼 적외선(Infra-Red radiation)과 분자는 이렇게 상호작용하며, IR 영역 내의 각 파장에 대한 빛의 투과도를 도시 한 것이 IR spectrum

 

3. ATR-FTIR의 원리

1) 일반적으로 사용하던 IR spectrometer 는 infrared beam 이 직접 투과하는 방식으로 고체, 액체, 기체 등의 시료를 분석하였다. 하지만 ATR-FTIR 의 경우, infrared beam 을 시료에 반사시키는 방법을 이용한다. ATR(Attenuated Total Reflection)은 입사광이 반사된 뒤 시료에 닿을 때 생기는 변화를 측정한다. ATR crystal 내에서 빛이 전반사 되며 시료의 표면에 닿을 때, 시료가 빛을 흡수하게 되고, 그 때 생기는 변화를 측정하여 시료를 분석하는 것

 

2) 시료 측정 시 사용하는 ATR crystal 외에도 여러 가지 요인에 의해 spectrum 의 모양이 달라질 수 있다. ATR crystal 과 sample 의 굴절률 (ncrystal > nsample), incident IR beam 의 각도, penetration 깊이, IR beam 의 파장, 시료의 상태 등이 스펙트럼에 영향을 줄 수 있다

 

3) 빛이 시료에 침투 (penetration) 되는 깊이는 입사광의 파장에 비례하는데, 큰 wavenumber 를 가지는 빛보다 작은 wavenumber 를 가지는 빛이 더 깊게 penetration 된다. Penetration 되는 깊이 (𝑑𝑝) 를 통해 얻어지는

spectrum 의 상대적인 intensity 를 알 수 있는데, 그것을 구하는 식은 다음과 같다.

λ = 입사광의 파장, θ = 입사광이 들어오는 각도

n1 = crystal 의 굴절률, n2 = sample 의 굴절률

 

4. Polarimeter

Enantiomer란 거울상 이성질체를 말하며 서로 겹쳐지지 않는다. 일반적으로 끓는점, 녹는점, 밀도 등의 물리적인 성질이 같다. Diastereomer는 steroisomer 중에서 서로 거울상이 아닌 이성질체이며, 분자 내에 2개 이상의 chiral center가 있을 때 나타난다. 분자가 편광면을 회전시킬 수 있을 때 그 분자는 광학활성(optical activity)을 가진다고 한다. 한 종류의 enantiomer는 평면 편광된 빛의 편광면을 한 방향으로 회전시킬 수 있고, 다른enantiomer의 경우 편광면을 반대 방향으로 회전시킨다. 이러한 광학 회전은 물질, 시료의 농도, 빛이 시료를 지나는 길이, 빛의 파장에 따라 달라지며, polarimeter를 통해 측정이 가능하다.

 

여기서 편광이란, 모든 방향으로 진동하던 편광 전의 빛(Non-polarized light)이 편광판을 지나면서 특정한 방향으로 진동하는 빛(Polarized light)으로 바뀌는 것을 말한다. Polarimeter를 통해서 Specific Rotation([𝛼]𝐷)를 측정하게 되는데, 이는 광학 활성을 가지는 분자의 물리적 성질과 관련있는 값이다. 분자 내에서 전자는 모든 방향으로 똑같이 진동하지 않는다. 전자가 평면 평광된 빛과의 상호작용하면서 진동할 때 편광된 빛의 전자기장의 방향이 바뀌게 되고, 편광면이 바뀐 정도가 specific rotation값으로 나타나게 된다. 

그러나 비카이랄 분자의 경우 편광면의 전자기장의 방향을 바꿀 수 없기 때문에 편광면의 뱡향은 바뀌지 않는다. 편광면이 회전하는 각도는 화합물이 편광면을 회전시킬 수 있는 능력(Specific Rotation,[𝛼]𝐷), sample cell의 길이(l), 시료의 농도(c)에 비례한다. 𝛼=[𝛼]𝐷cl. 이는 실험적으로 결정된 값이며, specific rotation의 단위로 dm-1cm3g-1를 사용한다. 각각의 이성질체는 서로 반대 방향으로 편광면을 회전시키기 때문에 Specific Rotation,[𝛼]𝐷 값과 순수한 이성질체의 [𝛼]와의 비교를 통해 Optical purity를 계산할 수 있다.

 

실험 기구 및약

1. 실험 기구

1) Round bottom flask, Separatory funnel, Hot plate, Magnetic bar, Stand, 클램프, 약수저

2) Erlenmeyer flask, 모세관, UVlamp, 핀셋, 거름종이, 뷰흐너깔대기, 감압플라스크, 아스피레이터

3) Rotavapor, ATR-IR, Polarimeter, Column, 스포이드, 스포이드고무, 250ml 비커, 시험관

4) 삼각플라스크 100ml, 솜, TLC, Rotavapor

2. 실험 시약

1) L-proline, p-anisidine, 4-nitrobenzaldehyde, hydroxyacetone, DMSO, sat. NH4Cl

2) 무수 MgSO4, sat. NaCl, hexane, ethyl acetate, TLC, 증류수, 실리카겔, sea sand

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 둥근 바닥 플라스크에 L-proline, p-anisidine, 4-nitrobenzaldehyde 넣고 10vol% hydroxyaceton/DMSO 를 넣는다.

 

2) Room temperature 에서 2 시간동안 stirr 한다.

 

3) 반응이 완료되면 반응물을 분별깔대기로 옮기고 sat. NH4Cl solution 을 넣는다.

 

4) Hexane : EA(ethyl acetate) = 2 : 3 용액을 이용해서 유기용액층과 수용액층을 분리한다.

 

5) 층이 분리된 후 수용액층을 제거한다.

 

6) 유기용액에 sat. NaCl 수용액을 넣고 유기용액층과 수용액층을 다시 분리한다.

 

7) 층이 분리된 후 수용액층을 제거한다.

 

8) 유기용액층을 삼각플라스크에 모으고 무수 MgSO4 를 넣어 건조시킨 후 여과한다.

 

9) Rotavapor 를 이용하여 용매를 제거하고 Column chromatography 로 syn-product 를 분리한다.(전개용매, hexane : EA = 3 : 1)

 

10) 수율을 계산한다.

 

11) ATR-IR 을 이용해서 생성물을 분석한다.

 

12) Polarimeter 를 이용해서 optical purity 를 계산한다.

Optical purity = obs.[α]/[𝛼] ×100% (Specific Rotation, [𝛼]20𝐷 = -1.8 (c =0.5, CHCl3)

 

주의 사항

1. FT-IR spectroscopy에서 시료마다 흡수하는 빛의 파장이나 세기가 다르므로 정성, 정량 분석에 사용될 수 있다. 고체, 액체, 기체 등 다양한 상태의 시료 측정에 적합한 방법이나, 시료의 상태(농도, 빛이 시료를 지나가는 길이 등)에 따라 얻어지는 스펙트럼이 달라지기 때문에 시료 준비 시 주의하여야 한다.

2. 유기 용매는 후드 안에서 다룬다.

3. 분별 깔대기에서 용액을 섞을 때 내부에 과한 압력이 차지 않도록 열어서 압력을 제거해주면서 섞는다.

4. 맨 처음 반응 시간이 길기 때문에 미리 실험 설계를 한다.

실험 결과

1. 예상 결과

C-C 결합의 형성과 amino alkylation 을 포함하는 화합물이 합성 될 것이다.

2. 수득률 계산

이론상 반응물인 p-anisidine, 4-nitrobenzaldehyde의 양과 1:1로 생성물이 만들어진다.

 

3. ATR-IR 의 결과 해석

 

4. Polarimeter를 이용한 optical purity 측정

생성물의 농도와 sample cell의 길이와 측정값을 이용해 obs.[α]를 계산한다.

이론상의 [𝛼] = -1.8

두 값을 이용해서 optical purity 계산한다.