전이 금속 촉매 교차 커플링 (Transition metal catalyzed cross-coupling) 매커니즘 및 기본 원리

 

안녕하세요. 이번 글에서는 전이 금속 촉매 교차 커플링 반응(Transition metal catalyzed cross-coupling reaction)의 기본에 대해 배워보도록 하겠습니다.

 

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1. 전이 금속이란?

 

전이 금속이란 주기율표의 4~12족에 속하는 원소들로 화학 결합에 참여가 가능한 d orbital (또는 f orbital)을 가지고 있는 원소들입니다.

d orbital은 s와 p block 사이에서 전이될 수 있다는 의미에서 '전이'라는 명칭이 붙었습니다.

d orbital에는 부분적으로 전자가 채워져 있으며, 다른 원소들에 비해 상대적으로 전자를 주고 뺏기가 수월하여 촉매로써 역할하기에 좋은 원소입니다.

 

 

2. 18-electron rule

18-electron rule은 전이 금속 복합체(특히 유기금속 복합체)의 전자 구성과 안정성(stability)을 얘기할 때 가장 중요시 되는 규칙입니다.

이 규칙은 전자 배치가 해당 원소와 같은 주기의 비활성 기체의 전자 배치와 같은 안정적인 복합체를 이룰 때, 'coordinatively saturated'되었다고 합니다.

즉, 전이 금속이 결합이든 비결합이든 원자가 전자가 18개를 가지고 있을 때 가장 안정하다는 것입니다.

각각의 전이 금속은 고유의 원자가 전자의 개수가 다르므로 최대로 이룰 수 있는 결합의 개수도 각각의 금속 원소마다 다릅니다.

 

전이 금속의 전자 배치*

전이 금속 고유의 전자 배치는 위와 같습니다.

위의 식에서 [noble gas]는 해당 원소의 바로 전 주기의 비활성 기체의 전자 배치이며, n은 해당 원소의 주양자수입니다.

예를 들어 Fe를 보면 주기율표의 4번째 줄에 위치하여 주양자수는 4입니다.

따라서 [noble gas]는 Ar이며, n=4을 대입하여 위와 같은 전자 배치가 나오는 것입니다.

 

 

그렇게 전이 금속 복합체가 안정적인 복합체를 이루기 위해 작용기나 리간드 등과 결합하면 위와 같은 구조를 가지게 됩니다.

이때 결합을 이룬 수에 따라 coordination number는 4~6 사이의 값을 가지게 됩니다.

 

 

리간드마다 전자를 공유하는 개수가 다릅니다.

carbonyl (CO), triphenylphosphine (PPh3), alkene (C=C), alkyne, tertiary amine (NR3), nitrile (R-CN)은 전자 2개를 전이 금속에게 줄 수 있습니다.

반면 일반 alkyl group (R), halogen (X), hydrogen (H)은 전이 금속이 중성(Neutral)일 때는 전자 1개를 주고, 전이 금속이 oxidized state에 있을 때는 전자 2개를 줍니다.

 

18-electron rule에 부합하지 않더라도 안정한 예외 금속과 리간드도 있으나, 이 글에서는 기본 원리만 다루기 때문에 생략하겠습니다.

 

 

3. 전이 금속 촉매 교차 커플링 기본 반응 매커니즘 (General catalytic cycle of a transition-metal-catalyzed cross-coupling reaction)

Sci Rep   8 , 10729 (2018)

 

이제 전이 금속 촉매를 이용한 교차 커플링 반응 사이클의 기본 매커니즘을 알아보겠습니다.

교차 커플링 반응의 촉매 사이클은 크게 oxidative addition, transmetalation, reductive elimination 세 스텝으로 나뉩니다.

각각의 스텝을 자세히 보면 아래와 같습니다.

 

 

(1) Oxidative addition

- 반응물과 금속 촉매 간의 coordination이 일어납니다. 전이 금속의 coordination number와 oxidative state가 증가합니다.

 

(2) Transmetalation

- 더 electropositive한 금속(main group metal)에서 덜 electropositive한 금속(transition metal)로 유기 화합물의 전이가 일어납니다. 

 

(3) Reductive elimination

- 금속 촉매가 반응물로부터 떨어집니다. oxidative addition의 반대 단계로, 전이 금속의 coordination number와 oxidation state가 감소합니다.

 

 

4. 전이 금속 촉매 교차 커플링 반응 예시

 

전이 금속 촉매 반응 예시입니다.

cross-coupling 반응에는 주로 팔라듐(Pd) 촉매가 흔히 사용됩니다.

팔라듐의 전자 배치는 [Kr] 4d10 5s0 5p0으로 원자가 전자 10개를 가지고 있으며, 18-electron rule을 충족하여 가장 안정한 복합체를 이루기 위해서는 8개의 전자를 받을 수 있습니다. 따라서 2개의 전자를 줄 수 있는 리간드 (ex. PPh3) 4개와 결합할 수 있습니다.

안정적인 촉매 복합체 PdL4에서 시작하여 촉매 활성화를 위해 리간드 두 개가 제거되어 oxidation state 0가에서 촉매 사이클이 시작합니다.

 

가장 먼저 반응물과 oxidative addition이 일어나고, transmetalation을 통해 또다른 반응물(Ar')이 촉매에 coordination됩니다.

이때 두 반응물이 멀리 떨어져 있으면 cross-coupling이 일어나기 힘드므로, isomerization을 통해 두 반응물이 가까이(cis) 존재하게 됩니다.

이후 reductive elimination이 일어나면서 두 반응물 간 cross-coupling이 일어나고, 촉매는 다시 원래 상태인 L2Pd(0) 가 됩니다.

이렇게 두 aryl group의 C-C bond formation이 일어날 수 있습니다.

 

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이번 글에서는 전이 금속 촉매의 기본 원리와 전이 금속 촉매 교차 커플링 반응의 기본 매커니즘에 대해 살펴보았습니다.

각각의 스텝에 대한 더욱 자세한 설명은 다른 글에서 상세히 다루도록 하겠습니다.

감사합니다.

 

 

[출처]

*Transition metal reagents and catalysts: Innovations in organic synthesis by Jiro Tsuji (2000, Wiley)