부크 월드 반응 (Buchwald -Hartwig) 메카니즘

Buchwald -Hartwig 반응은 아민과 탄소의 결합을 만드는데 대단히 유용한 유기화학 반응입니다.

이 반응에는 팔라듐 촉매와 강염기가 사용되는데, 이 시약들은 아릴할라이드와 아민이 cross-coupling을 하는데 기여를 하게 됩니다. (사용되는 강염기는 아민의 종류에 따라 pKa를 확인하여 쉽게 떼어낼 수 있도록 세기 정도를 확인해야 합니다)

반응의 시작은 아릴 할라이드에 팔라듐이 oxidative addition으로 phenyl carbon과 halide사이로 끼어들어가게 됩니다.

이 때 팔라듐은 영가(zero) 에서 phenyl carbon과 halide양쪽으로 붙잡고 있기 때문에 2가(2+)로 변하게 됩니다.

그리고 팔라듐은 아민의 비공유 전자쌍과 배위 결합을 하게 되는데 이런 과정을 ligand exchange가 일어난다고 합니다. 팔라듐이 잡고 있던 리간드 하나가 떨어져 나가고 대신 아민이 들어 오게 되는 거니까요. 이때 아민의 비공유 전자쌍이 팔라듐으로 전자를 줄수 있으려면 아민의 수소가 하나 떨어져나가 음이온으로 만들어 주어야합니다.

이때 강한 염기(base:)가 아민의 수소를 떼어내는 그 역할을 하게 됩니다.

염기는 친핵성 물질로 아민의 수소를 하나 떼어내고 반응성을 잃게 되면 수소를 하나 잃은 아민을 음이온으로 되면서 친핵성 분자로 변하게 됩니다.

이렇게 친핵성으로 바뀐 염기가 팔라듐을 공격하여 결합을 만들어 냅니다. 동시에 팔라듐에 붙어있던 할라이드(X)가 떨어져 나가게 되는 겁니다.

이 과정까지가 완성이 되면 사용된 강한 염기와 할라이드의 잔존물들이 부가물로 나오게 되는데 대부분 물에 녹는 무기물과 가스, 알콜형태로 바뀌게 되어 반응이 완료된 다음 work up과정에서 모두 제거가 가능합니다.

이제 팔라듐은 아민과 아릴 탄소의 가운데 놓이게 되고 여전히 양쪽으로 두개를 잡고 있으니 2가(2+)를 유지한 상태입니다.

다음과정은 reductive elimination인데 이과정은 팔라듐 2가(2+)가 그대로 불안정한 상태로 남아있는 것보다는 다시 제로가(0)로 돌아가는 것이 에너지적으로 안정한 상태가 되기 때문에 재배열을 만들어 냅니다.

아릴 탄소가 아민쪽으로 전자가 이동되면서 아민이 잡고 있던 팔라듐에게 전자를 주어 팔라듐을 원래의 상태로 놓아주게 됩니다.

이제 자유의 몸이 된 팔라듐은 다시 아릴할라이드와 같이 산화반응으로 들어갈 수 있는 자리가 있는지 돌아다니며 남아있는 아릴 할라이드를 찾아 다시 위의 과정을 반복하게 됩니다.