Cinnamonitrile의 알카리 가수분해(加水分解) 반응(反應)메카니즘 (II)

Kinetics and Mechanism of Alkalie Hydrolysis of Cinnamonitrile (II)

pH 7.0~14.0의 중성에서 강염기성 용액에 이르는 넓은 pH 범위에서 Cinnamonitrile의 알카리 가수분해 반응속도 상수를 $25^{\circ}C$의 50% methanol 물 혼합용매로 부터 측정하여 실험사실을 잘 설명할 수 있는 반응 속도식을 유도하여 가수분해 반응 메카니즘을 제안하고, 반응 속도론적으로 고찰 검토하였으며 (Z)형의 형태에 관하여 분자의 안정성과 반응성을 알아보기 위하여 cinnamonitrile의 분자궤도 함수를 EHT와 CNDO/2방법으로 계산하였다. (1) Cinnamonitrile의 전체 에너지 계산 결과로부터 ${\theta}_1$ 회전에 따르는 형태의 안정도는 (E)형을 포함하여 (E)-planar > (E)-gauche > (Z)-gauche > (Z)-planar이였고 (E)-gauche와 (Z)-gauche의 에너지 차는 1.94Kcal/mole이였다. 따라서 반응은 가장 안정한 (E)-planar의 $C_7({\alpha})$ 원자에 chydroxide 이온이나 물분자의 첨가로 ${\alpha}C-{\beta}C$ 결합이 분열하게 된다. (2) pH7.0~14.0 범위에서 측정한 반응속도상수로 부터 유도된 전체 반응속도식은 다음과 같다. $$k_t=k_o+k^{\prime}[OH^-]=({\frac{1.41{\times}10^{-14}+1.21{\times}10^{-7}/[H_3O^+]}{2.65{\times}10^{-7}+1.64/[H_3O^+]})+9.14{\times}10^9/[H_3O^+]$$ (3) 분자 궤도함수의 계산 결과와 반응 속도식을 토대로 하여 pH10.0~14.0에서는 hydroxide 이온의 첨가로 가수분해가 진행되는 Scheme(I)과 같은 Michael형의 친핵성 첨가반응 메카니즘을 그리고 pH7.0~10.0사이의 중성 용액중에서는 물분자의 첨가로 반응이 진행되는 Scheme(II)와 같은 가수분해 반응메카니즘을 제안하였다. (4) pH10.0~12.0사이의 약 알칼리성 용액중에서는 Scheme(I)과 Scheme(II)의 두 반응이 서로 경쟁적으로 일어나는 대단히 복잡한 일련의 가수분해 반응이 진행됨을 알았으며 분해 생성물은 공히 benzaldehyde와 methylnitrile 그리고 acetic acid 이였다. 앞으로의 과제는 cinnamonitrile 의 ${\alpha}{\cdot}{\beta}$ 탄소불포화 이중결합에 미치는 치환기에 의한 자유에너지 직선성의 상관관계와 물 L-cysteine 및 hydrogene cyanide 등의 서로 다른 친핵체들과의 반응으로 부터 이들의 친핵 첨가반응성을 검토하고자 한다.

Confonmation of (Z)-cinnamonitrile have been studied by molecular orbital theoretically using extended Huckel theory(EHT) and CNDO/2 molecular orbital calculation methods. The results indicate that the stability of conformation is(Z)-gauch>(Z)-planar. The rate constants for alkalie hydrolysis of cinnamonitrile at pH 7.0-14.0 range have been determined by ultra-violet spectrophotometry in 50% methanol at $25^{\circ}C$ and the following rate equation which can be applied over wide pH range was obtained; $${\therefore}k=({\frac{1.41{\times}10^{-14}+1.21{\times}10^7/[H_3O^+]}{2.65{\times}10^{-7}+1.64/[H_3O^+]})+9.14{\times}10^9/[H_3O^+]$$ The rate equation reveals that, at pH 7.0-10.0, the reaction is initiated by the addition of water molecule to unsaturated cabon-carhon double bond of cinnamonitrile and ${\alpha}C-{\beta}C$ bond scission follow subsequently in neutral and alkalie media. At pH 12.0-14.0, in strong alkalie solution, that so-called Michael type nucleophilic addition that the over-all rate constants is only dependent upon the concentration of hydroxide ion occurs competitively and are very complicated. Hence, the reaction mechanism of alkalie hydrolysis of cinnamonitrile which did not carefully before can be fully explained.