Development of New Catalytic Synthetic Methodologies: Lactam Synthesis, Cyanohydrin Dehydrogenation, and Photocatalyic Cyanation of Aryl Halides

Abstract

보다 녹색 화학적이면서도 효율적인 화학 합성법을 개발하는 것은, 유기 합성 분야뿐 아니라 인류 사회에 있어서 매우 중요한 화두이다. 널리 이용되는 대다수의 유기 합성법은 고효율이라는 장점은 있지만 1) 반응성 향상을 위한 반응물 전처리 과정이 필요하거나, 2) 고온, 고압의 혹독한 반응 조건, 3) 독성 시약 또는 4) 과량의 시약을 사용함으로써 5) 비용 및 이에 수반된 폐기물 처리 등의 문제가 있다. 화석 원료의 고갈, 기후 변화, 환경 문제에 직면한 국제사회는 이를 해결하기 위한 녹색화학적인 유기합성법 개발을 요구하고 있다. 한편, 고분자로 대표되는 상용품 생산 공정 및 의약물 기능을 향상할 높은 선택성 및 효율을 가진 유기 합성법 개발 또한 끊임없이 요구되고 있는 실정이다. <br/> 따라서 지속 가능한 녹색 화학은 21세기 화학 연구에 있어서 필수적인 규율로 자리 잡았다. 이 개념은 분자 단위 수준에서 위험한 물질의 사용 및 생성을 줄이려는 노력에서 출발한다. 이 맥락에서 화학 공정은 다음과 같은 기준에 의거하여 수행해야 한다. 1) 폐기물 생성을 지양하고, 2) 에너지 효율과 3) 원자 및 반응 단계 경제성을 추구하며, 4) 가급적 덜 해로운 합성을 도모하고, 5) 반응물의 활성화 전처리를 피해야 한다. 이에, 유기금속 촉매법은 녹색 화학 및 효율적인 유기 합성 화학이라는 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있는 해결책으로 주목 받고 있다. 기존 전통적인 합성법과는 달리, 유기금속 촉매 반응은 전이 금속과 그 리간드의 상호 작용에 의한 독특한 메커니즘을 통해 촉매 조건에서 이뤄진다. 본 연구는, 정밀하게 구상된 유기 금속 촉매를 기반으로 한 알코올 활성화와 구리-광촉매 작용이라는 두 가지 반응물 활성화 방식을 도입하여, 기초 물질로부터 고부가 가치 물질을 합성하는 친환경적이면서도 효율적인 합성법 개발 과정을 다룬다. 구체적으로는 메커니즘에 기반하여 반응성 실현 전략을 구축하고 (유기화학), 핵심 단계를 매개하는 촉매와 리간드를 디자인하여 반응성을 구현하려는 과정이 담겨 있다 (유기금속화학). 더불어, 개발한 촉매 작용을 이해하고 궁극적으로 반응 개선을 위해 전자, 입체적 성질을 기준으로 수행한 메커니즘 연구 과정이 포함된다 (촉매작용).<br/> 파트 1은 총 3가지 챕터를 통해 알코올 활성화의 개념을 소개하고 연쇄적인 탄소-질소 결합 형성 반응을 바탕으로 한 락탐 합성법 개발 및 사이아노하이드린 탈수소화 반응 개발이라는 두 적용 사례를 다룬다. 전이 금속 촉매에 의한 알코올 탈수소화 반응은 알코올 활성화 전략의 하나로서 유용한 합성 전구체인 카보닐 물질을 생성하여 추후 화학 반응에 적용할 수 있는 가능성을 열고 있다 (챕터 1). 알킬 할라이드나 산화제 등의 높은 반응성을 가진 시약을 배제한 조건에서도, 이를 적용함으로써 원자 경제적인 알코올의 탈수소화 관련 반응을 실현할 수 있다. 이에, 우리는 이리듐 촉매 하에 단계 경제적으로 질소-치환된 락탐을 합성하는 촉매법을 최초로 개발하였다 (챕터 2). 본 연구를 통해 [Cp*Ir] 유기금속 착물이 락톤과 아민으로부터 탈수소화적인 탄소-질소 결합 형성 반응을 촉매적으로 매개할 수 있음을 밝혔다. 메커니즘 연구를 통해 본 반응은 기존의 비촉매적 락탐 합성법과는 달리, 세 가지 단계(락톤으로부터 아마이드 결합 형성, 하이드록시 아마이드 중간체의 N-알킬화 반응, 아미노 아마이드 중간체의 분자 내 아마이드 교체 반응)를 통해 락탐을 생성한다는 사실을 밝혔다. 챕터 3에서는 수소 받개 없이 알코올을 탈수소화는 전략을 기반으로, 염기 없이 루테늄 촉매를 이용하여 사이아노하이드린을 탈수소화하는 촉매 반응을 최초로 개발한 과정이 서술된다. 두 자리 포스핀 리간드를 지닌 루테늄(II) 아렌 착물을 도입하여 열역학적으로 더 선호되는 방향 (시안화수소 분출을 통한 알데히드 형성 반응) 대신 반응 속도론적 지배를 통한 탈수소화 반응을 이룩하였다. 또한 촉매 활성도 및 반응 선택성 향상을 위해 루테늄 촉매를 구성하는 리간드, 배위 방식, 짝이온의 영향을 탐구하였다. 루테늄-알콕사이드 물질을 실험적으로 관찰함으로써 선택적인 탈수소화 반응이 베타-하이드라이드 제거 반응을 따름을 핵심 메커니즘으로 제시하였다. <br/> 파트 2는 두 챕터에 걸쳐 교차 짝지음 (cross-coupling) 반응을 매개하는 구리 광촉매 작용을 소개하고 방향족 할로겐 물질의 사이안화 반응에 대한 그 적용 사례를 다룬다. 전통적인 유기 반응에서 반응성 활성화를 위해 자주 사용되는 가열과는 달리, 광촉매 작용은 보다 환경 친화적인 방식으로 분자를 활성화시킬 수 있는 방법으로서 최근 주목 받고 있다. 이 방식은 빛의 조사를 통해 제공되는 광자를 이용해 광촉매를 활성화 시켜, 들뜬 광촉매로 하여금 에너지 전달 또는 단일 전자 전달(SET) 과정을 촉매적으로 매개하도록 유도한다. 한편 이 분야에서 주로 쓰이는 루테늄 및 이리듐 기반의 광-산화환원(photoredox) 촉매 작용과 비교하여, 구리 광촉매 작용은 비용, 안정성, 및 반응 활성도 면에서 그 대안으로 주목 받고 있다. 특히, 특정 구리(I) 착물의 경우 온화한 조건에서 단일 전자 전달 반응 매개뿐 아니라 교차 짝지음 반응에 직접적으로 참여하는 반응성을 가진다고 알려져 있다. 이 점에 착안하여, 챕터 5에서는 쉽게 도입 가능한 구리(I)-비스이민 촉매 하에 상온에서 방향족 할로젠 물질을 선택적으로 사이안화하는 최초의 광촉매 반응 개발을 소개한다. 기존에 개발된 이전자 전달 과정을 따르는 구리 촉매법과는 달리, 본 구리 광촉매법은 단일 전자 전달 과정을 통해 뛰어난 작용기-허용성(functional group tolerance)을 보여준다. 이 반응은 기존에 적용이 어려웠던 아민, 카르복실산 및 아미노산 등 여러 작용기의 적용이 가능하며, SN2 반응에 취약한 알킬 클로라이드에 대해 뛰어난 화학선택성 (chemoselectivity)을 보인다.<br/> 본 연구 과정을 통해, 우리는 알코올 활성화와 광촉매 작용이라는 두 종류의 반응물 활성화 전략을 통해 보다 간단한 반응물로부터 고부가 가치 물질을 생성할 수 있는 효율적이면서도 새로운 세 가지의 합성법을 구축하였다. 또한 그 합성적 효용 및 메커니즘 연구를 통해 개발된 촉매 합성법의 적용 범위를 한층 넓힐 수 있는 가능성을 제시하였다.<br/> <br/> 주요어: 유기 화학, 유기금속 촉매법, 녹색 화학, 전이 금속 촉매, 촉매-리간드 디자인, 알코올 액티베이션, 광촉매 작용, 락탐, 아실 사이아니드, 방향족 나이트릴<br/> <br/> 학번: 2013-20256<br/>