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울만 반응

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울만 반응
이름이 붙여진 대상 프리츠 울만
반응 유형 짝지음 반응
식별자
유기화학 포털 ullmann-reaction
RSC ontology ID RXNO:0000040

울만 반응(영어: Ullmann reaction) 또는 울만 짝지음(영어: Ullmann coupling)은 프리츠 울만의 이름을 따서 명명되었으며, 구리의 도움으로 두 개의 아릴 또는 알킬 그룹을 결합시킨다. 이 반응은 울만과 그의 학생 비엘레츠키가 1901년에 처음 보고했다. 이후 팔라듐과 니켈도 효과적으로 사용될 수 있음이 밝혀졌다.[1][2]

울만 반응 개요
울만 반응 개요

아릴-아릴 결합 형성은 현대 유기 합성의 기본적인 도구로, 천연물 합성, 의약품, 농약, 상업용 염료 및 여러 고리 방향족 탄화수소 개발 등 다양한 분야에 응용된다. 1세기 이상의 역사를 가진 울만 반응은 주로 구리를 더 높은 산화 상태로 사용하는 최초의 전이 금속 중 하나였다. 이아릴 짝지음이 산업적으로 중요한 의미를 가짐에도 불구하고, 울만 반응은 초기 개발 단계에서 여러 문제에 시달렸다. 그러나 현대에는 다른 촉매 금속에 비해 구리의 몇 가지 장점 때문에 울만 반응에 대한 관심이 다시 높아졌다.

메커니즘

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울만 반응의 반응 과정은 광범위하게 연구되었다. 전자 스핀 공명은 유리기 중간체를 배제한다. 이는 2008년 하트위그와 공동 연구자들이 수행한 일련의 실험에서 확인되었다.[3] 팔라듐 촉매에서 관찰되는 산화 첨가 / 환원 제거 순서는 구리(III)가 거의 관찰되지 않기 때문에 구리에서는 가능성이 낮다. 이 반응은 유기구리 화합물 (RCuX)의 형성을 포함하며, 이는 친핵성 방향족 치환을 통해 다른 아릴 반응물과 반응한다. 시그마 결합 자리옮김과 같은 대체 메커니즘도 제안되었다.[4][5][6] 아래에 제시된 간략화된 메커니즘은 일반적으로 받아들여진다.[7]

범위

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프리츠 울만과 그의 학생 비엘레츠키가 이 반응을 처음 보고했다.[8] 이 획기적인 결과는 전이 금속이 아릴 탄소-탄소 결합 형성에 도움을 줄 수 있음을 처음으로 보여주었다.

고전적인 울만 이아릴 짝지음의 전형적인 예는 오르토-클로로나이트로벤젠을 구리-합금으로 2,2'-다이바이페닐로 전환하는 것이다.[9][10]

2 C
6H
4(NO
2)Cl + 2 Cu → (C
6H
4(NO
2))
2 + 2 CuCl

이 반응은 상당히 정교한 기질에도 적용되었다.

울만 반응
울만 반응

울만 반응의 전통적인 버전은 화학량론적인 당량의 구리와 가혹한 반응 조건을 필요로 하며, 수율이 불규칙하다는 평판을 가지고 있었다. 따라서 전통적인 울만 반응은 원자 경제성이 낮고 유독한 아이오딘화 구리(I)를 생성했다. 이러한 문제들 때문에 많은 개선점과 대체 절차가 도입되었다.[11][12][13]

고전적인 울만 반응은 전자가 부족한 아릴 할라이드(따라서 위의 2-나이트로페닐 클로라이드 예시)에 제한적이며 가혹한 반응 조건을 필요로 한다. 팔라듐과 니켈을 사용하는 현대 울만 반응 변형은 반응의 기질 범위를 넓혔고 반응 조건을 더 온화하게 만들었다. 그러나 수율은 일반적으로 여전히 보통 수준이다.[14] 유기 합성에서 이 반응은 종종 헥 반응, 히야마 짝지음, 소노가시라 짝지음과 같은 팔라듐 짝지음 반응으로 대체된다.

바이페닐렌은 이전에 2,2-다이아이오도바이페닐 또는 2,2-다이아이오도바이페닐로늄 이온을 출발 물질로 사용하여 합리적인 수율로 얻어졌다.

울만 바이페닐렌 합성

5원 고리 닫힘은 더 쉽지만, 이 접근 방식을 사용하여 더 큰 고리도 만들어졌다.

Ring close sonogashira
현대 개발에는 이종 구리 촉매와 나노입자의 사용도 포함된다. 이는 촉매를 제품에서 쉽게 분리할 수 있어 폐기물과 비용을 줄이기 때문에 매우 바람직하다.[15] 구리 나노입자의 경우, 촉매 활성은 크기와 응집체 형성에 따라 달라졌다.

울만 짝지음을 위한 두자리 리간드

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2000년경, 다양한 두자리 리간드가 울만 반응의 효율을 향상시키는 것으로 밝혀졌다. 두자리 리간드는 더 온화한 반응 조건과 더 높은 작용기 허용도를 가능하게 했다. 여기에는 아미노산, 하이드록시퀴놀, 시프 염기, 그리고 많은 다른 O-O 또는 N-N 두자리 리간드가 포함되었다.[16][17][18] 이러한 초기 두자리 시스템은 울만 반응의 실용성을 높였지만 여전히 단점이 있었다. 높은 양의 구리와 리간드가 필요했고, 극히 어려운 아릴 염화물 활성화는 여전히 불가능했다. 이러한 문제는 2015년에 특수 옥살릭 다이아민 리간드(옥살아마이드 리간드) 설계로 해결되어 울만 반응이 산업적으로 적용 가능하게 되었다.[19]

비대칭 및 대칭 짝지음

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바이아릴 화합물의 울만 합성은 카이랄 반응물로부터 카이랄 생성물을 생성하는 데 사용될 수 있다.[20] 넬슨과 공동 연구자들은 비대칭 바이아릴 화합물의 합성을 연구하여 열역학적으로 제어되는 생성물을 얻었다.[20]

울만 비대칭 반응

생성물의 부분입체이성질체 비율은 보조 옥사졸린 그룹의 더 큰 R 그룹에 따라 증가한다.

비대칭 울만 반응은 드물게 추구되지만, 두 짝지음 구성 요소 중 하나가 과량일 때 달성되었다.[12]

산업 응용

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수성 울만 반응은 파일럿 플랜트 규모에서 사용되었다.[21]

같이 보기

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각주

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  1. ↑ Yin; Liebscher, Jürgen (2007년 1월 1일). 《Carbon−Carbon Coupling Reactions Catalyzed by Heterogeneous Palladium Catalysts》 (영어). 《Chemical Reviews》 107. 133–173쪽. doi:10.1021/cr0505674. ISSN 0009-2665. PMID 17212474. 
  2. ↑ Nelson, Todd D.; Crouch, R. David (2004년 11월 23일). 《Cu-, Ni-, and Pd-Mediated Homocoupling Reactions in Biaryl Syntheses: The Ullmann Reaction》. 《ChemInform》 35. doi:10.1002/chin.200451250. ISSN 0931-7597. 
  3. ↑ Tye, Jesse W.; Weng, Zhiqiang; Johns, Adam M.; Incarvito, Christopher D.; Hartwig, John F. (2008년 7월 1일). 《Copper Complexes of Anionic Nitrogen Ligands in the Amidation and Imidation of Aryl Halides》. 《Journal of the American Chemical Society》 130. 9971–9983쪽. Bibcode:2008JAChS.130.9971T. doi:10.1021/ja076668w. ISSN 0002-7863. PMC 2819338. PMID 18597458. 
  4. ↑ Derek van Allen, PhD Thesis, 매사추세츠 대학교 애머스트 2004. Electronic thesis
  5. ↑ Bacon, R. G. R.; Hill, H. A. O. (1964). 《210. Metal ions and complexes in organic reactions. Part I. Substitution reactions between aryl halides and cuprous salts in organic solvents》. 《Journal of the Chemical Society (Resumed)》. 1097쪽. doi:10.1039/jr9640001097. ISSN 0368-1769. 
  6. ↑ Weingarten, Harold (December 1964). 《Mechanism of the Ullmann Condensation 1》 (영어). 《The Journal of Organic Chemistry》 29. 3624–3626쪽. doi:10.1021/jo01035a046. ISSN 0022-3263. 
  7. ↑ Sambiagio, Carlo; Marsden, Stephen P.; Blacker, A. John; McGowan, Patrick C. (2014년 4월 22일). 《Copper catalysed Ullmann type chemistry: from mechanistic aspects to modern development》 (영어). 《Chemical Society Reviews》 43. 3525–3550쪽. doi:10.1039/C3CS60289C. ISSN 1460-4744. PMID 24585151. 
  8. ↑ Ullmann, F.; Bielecki, Jean (May 1901). 《Ueber Synthesen in der Biphenylreihe》 (영어). 《Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft》 34. 2174–2185쪽. doi:10.1002/cber.190103402141. ISSN 0365-9496. 
  9. ↑ Reynold C. Fuson; E. A. Cleveland (1940). 《2,2'-Dinitrobiphenyl》. 《Org. Synth.》 20. 45쪽. doi:10.15227/orgsyn.020.0045. 
  10. ↑ Fanta, P.E. (1974). 《The Ullmann Synthesis of Biaryls》. 《Synthesis》 1974. 9–21쪽. doi:10.1055/s-1974-23219. PMID 21016995. S2CID 30018391. 
  11. ↑ Beletkaya, I.P.; Cheprakov, A.V. (2004). 《Copper in Cross Coupling Reactions: The Post Ullman Chemistry》. 《Coord. Chem. Rev.》 248. 2337–2364쪽. doi:10.1016/j.ccr.2004.09.014. 
  12. ↑ 가 나 J. Hassan; M. Sevignon; C. Gozzi; E. Schulz; M. Lemaire (2002). 《Aryl–Aryl Bond Formation One Century after the Discovery of the Ullmann Reaction》. 《Chemical Reviews》 102. 1359–1470쪽. doi:10.1021/cr000664r. PMID 11996540. 
  13. ↑ Sambiagio, Carlo; Marsden, Stephen P.; Blacker, A. John; McGowan, Patrick C. (2014년 4월 22일). 《Copper catalysed Ullmann type chemistry: from mechanistic aspects to modern development》 (영어). 《Chemical Society Reviews》 43. 3525–3550쪽. doi:10.1039/C3CS60289C. ISSN 1460-4744. PMID 24585151. 
  14. ↑ Nelson, T. D.; Crouch, R. D. (2004). 《Cu, Ni, and Pd Mediated Homocoupling Reactions in Biaryl Syntheses: The Ullmann Reaction》. 《Org. React.》 63. 265쪽. doi:10.1002/0471264180.or063.03. ISBN 0-471-26418-0. 
  15. ↑ Sambiagio, Carlo; Marsden, Stephen P.; Blacker, A. John; McGowan, Patrick C. (2014년 4월 22일). 《Copper catalysed Ullmann type chemistry: from mechanistic aspects to modern development》 (영어). 《Chemical Society Reviews》 43. 3525–3550쪽. doi:10.1039/C3CS60289C. ISSN 1460-4744. PMID 24585151. 
  16. ↑ Ma, Dawei; Zhang, Yongda; Yao, Jiangchao; Wu, Shihui; Tao, Fenggang (1999년 4월 27일). 《ChemInform Abstract: Accelerating Effect Induced by the Structure of α-Amino Acid in the Copper-Catalyzed Coupling Reaction of Aryl Halides with α-Amino Acids. Synthesis of Benzolactam-V8.》. 《ChemInform》 30. doi:10.1002/chin.199917212. ISSN 0931-7597. 
  17. ↑ Cristau, Henri-Jean; Cellier, Pascal P.; Spindler, Jean-Francis; Taillefer, Marc (2004년 10월 29일). 《Highly Efficient and Mild Copper-Catalyzed N- and C-Arylations with Aryl Bromides and Iodides》. 《Chemistry – A European Journal》 10. 5607–5622쪽. doi:10.1002/chem.200400582. ISSN 0947-6539. PMID 15457520. 
  18. ↑ Fagan, Paul J.; Hauptman, Elisabeth; Shapiro, Rafael; Casalnuovo, Albert (2000년 5월 1일). 《Using Intelligent/Random Library Screening To Design Focused Libraries for the Optimization of Homogeneous Catalysts: Ullmann Ether Formation》. 《Journal of the American Chemical Society》 122. 5043–5051쪽. Bibcode:2000JAChS.122.5043F. doi:10.1021/ja000094c. ISSN 0002-7863. 
  19. ↑ 《Assembly of Primary (Hetero)Arylamines via CuI/Oxalic Diamide-Catalyzed Coupling of Aryl Chlorides and Ammonia》. doi:10.1021/acs.orglett.5b03230.s001. 2023년 12월 8일에 확인함. 
  20. ↑ 가 나 Nelson, T.D.; A.I. (1994). 《The asymmetric Ullman reaction, 2. The synthesis of enantiomerically pure C2-Symmetric Binaphtyls》. 《J. Org. Chem.》 59. 2655–2658쪽. doi:10.1021/jo00088a066. 
  21. ↑ Buchwald, Stephen L.; Mauger, Christelle; Mignani, Gerard; Scholz, Ulrich (2006). 《Industrial-Scale Palladium-Catalyzed Coupling of Aryl Halides and Amines –A Personal Account》. 《Advanced Synthesis & Catalysis》 348. 23–39쪽. doi:10.1002/adsc.200505158. S2CID 55030715. 
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