The Salting-Out Effect Enables Electrochemical Selective 1,2-Diazidation of Conjugated and Simple Olefins by Aryl Iodine Catalysis

당신이 이중 결합을 가진 탄소 원한 쌍, 마치 줄타기 선수가 와이어 위에서 균형을 잡고 있는 것과 같은 상태를 상상해 보세요. 당신은 이 와이어 양쪽에 두 개의 무겁고 화려한 깃발(아지드 그룹이라 불리는)을 걸고 싶습니다. 이 과정은 '1,2-디아지데이션(1,2-diazidation)'이라고 불립니다. 보통 이 작업은 거대한 망치처럼 작용하는 비싸고 위험한 화학 물질을 사용해야 하므로, 마치 망치로 명작을 그리려는 것과 같습니다. 또한, 지저죽한 흔적을 남기는 무거운 금속 촉매가 필요할 때도 있습니다.

하지만 허페이 공과대학교, 코넬 대학교, 정저우 대학교의 연구팀은 훨씬 더 부드러운 방법을 찾아냈습니다. 그들은 무거운 망치 대신 전기를 사용하는 '마법의 공장'을 구축했으며, 아주 작고 효율적인 배달 트럭처럼 작동하는 특별한 유기 촉매를 사용했습니다.

마법의 공장 설정
그들의 반응 용기는 2층 집과 같습니다. 1층은 '깃발'(아지드화 나트륨)이 사는 물입니다. 2층은 '줄타기 선수'(올레핀 또는 이중 결합)들이 머무는 아세토나이트릴이라는 액체입니다. 보통 이 두 층은 서로 잘 섞이지 않으며, 깃발들이 위층으로 올라가 줄타기 선수를 장식하는 것도 어렵습니다.

여기서 연구팀의 비법이 등장합니다:

1. 배달 트럭 (아릴 요오드화물): 그들은 아릴 요오드화물이라는 단순하고 저렴한 분자를 사용합니다. 이것을 두 층 사이를 오가는 셔틀 버스라고 생각하세요. 이 버스는 물에서 깃발을 태워 유기물 층으로 운반하고, 깃발이 줄타기 선수에 부착되도록 돕습니다.
2. 전기 (전원): 위험한 화학적 산화제 대신 배터리를 연결합니다. 전기는 셔틀 버스가 일을 하도록 밀어주는 깨끗하고 보이지 않는 손 역할을 하며, 버스가 깃발을 잡고 줄타기 선수에게 붙일 수 있도록 돕습니다.
3. '염석 효과' (인파 제어): 이 부분이 가장 멋진 부분입니다. 그들은 인산 칼륨($K_3PO_4$)이라는 특정 염기를 추가합니다. 이것을 클럽 문 앞의 보안 요정이라고 상상해 보세요. 보안 요정이 도착하면 물과 유기 액체를 더욱 날카롭게 분리하여, 뚜렷한 '이상계(biphasic)' 시스템(두 개의 명확한 층)을 만듭니다. 이 분리는 깃발의 전달 속도를 아주 적절하게 늦추는 데 결정적입니다. 깃발이 너무 빨리 도착하면 서로 충돌하거나 목표를 놓칠 수 있기 때문입니다. '염석 효과'는 깃발이 느리고 꾸준하며 매우 선택적으로 전달되도록 보장하여 반응을 훨씬 더 효율적으로 만듭니다.

그들이 실제로 만든 것
이 설정을 사용하여 연구팀은 매우 다양한 종류의 '줄타기 선수'들을 성공적으로 장식했습니다.

• 곡예사들: 그들은 1,3-디엔(1,3-dienes) 및 1,3-엔인(1,3-enynes, 이중 결합과 삼중 결합이 모두 있는 분자)과 같은 복잡한 무용수들에게 두 개의 깃발을 완벽하게 추가했습니다. 그들은 삼중 결합을 깨뜨리지 않고, 오직 이중 결합에만 깃발을 추가했습니다.
• 일상적인 걷는 자들: 그들은 브롬, 케톤, 심지어 콜레스테롤이나 당 분자 조각과 같은 화려한 그룹이 붙은 단순한 알켄(alkenes)에 대해서도 작업했습니다.
• 결과: 많은 경우, 그들은 41%에서 85% 사이의 수율로 원하는 생성물을 얻었습니다. 예를 들어, 특정 1,3-디엔 반응은 77%의 수율을 보였고, 1,3-엔인 반응은 70%의 수율을 보였습니다. 그들은 이 방법을 3밀리몰 규모로 확장해도 71%의 수율을 얻었으며, 이는 이 방법이 견고하다는 것을 증명합니다.

그들이 제외한 것
이 작업이 어떻게 작동하는지 알려면 무엇이 작동하지 않았는지 아는 것이 중요합니다.

• 중금속 없음: 논문은 이 과정이 "완전히 금속이 없는(metal-free)" 과정임을 명시하고 있습니다. 과거에 그들은 금속(다른 연구에서의 구리나 망간 등)을 사용해 보았지만, 여기서는 금속이 필요하지 않습니다.
• 자유 라디칼 (대부분): 그들이 '라디칼 포획제'(자유롭게 떠다니는 라디칼을 잡는 화학 물질)를 사용하여 테스트했을 때, 반응이 완전히 멈추지는 않았습니다. 이는 이 과정이 주로 무언가에 충돌하는 통제되지 않은 자유 라디칼 입자에 의해 주도되는 것이 아님을 시사합니다. 대신, 증거는 '카보카티온(carbocation)' 경로를 가리킵니다. 이것은 셔틀 버스(촉매)가 깃발을 잡고 조심스럽게 배치하는, 마치 통제된 단계별 댄스와 같습니다. 무작정 던지는 것이 아닙니다.
• 물 전용 또는 용매 전용 불가: 만약 물을 제거하면 깃발이 녹을 수 없기 때문에 반응이 실패한다는 것을 발견했습니다. 또한 물을 너무 많이 사용하면(1:1 혼합) 반응 효율이 떨어졌습니다. 물과 아세토나이트릴의 특정 비율(약 3:7)이 핵심이었습니다.
• 촉매가 없다면? 만약 아릴 요오드화물 셔틀 버스를 제거하면 반응은 거의 일어나지 않았습니다(수율 10% 미만). 전기를 끄면 아무 일도 일어나지 않았습니다. 둘 다 필수적입니다.

그들은 얼마나 확신하는가?
연구원들은 '어떻게'와 '왜'에 대해 확신하고 있지만, 신중한 언어를 사용합니다.

• 그들은 실험을 통해 이 반응이 다양한 분자에 잘 작동함을 입증했습니다.
• 그들은 메커니즘이 아릴 요오드화물이 전기에 의해 산화되어 아지드를 잡고, 특수한 중간체를 형성한 후 이중 결합을 공격하는 것이라고 제안합니다.
• 그들은 잠재적 중간체를 포획하는 실험을 바탕으로, 반응이 자유 라디칼보다는 '카보카티온' 중간체를 거친다고 제안합니다.
• 그들은 첨가제(염기)가 있을 때와 없을 때를 비교함으로써 '염석 효과'가 실제이며 필수적임을 보여주었습니다. 염기가 없으면 수율은 크게 떨어졌습니다(77%에서 45%로).

이 결과로 무엇을 할 수 있는가?
연구팀은 단순히 장식된 줄타기 선수를 만드는 데 그치지 않았습니다. 이 새로운 분자들이 마치 레고 블록과 같다는 것을 보여주었습니다.

• 이들은 '클릭 화학(click chemistry)'을 사용하여 다른 조각들과 결합해 새로운 고리(헤테로사이클)를 만들 수 있습니다.
• 이들은 아지드 깃발을 아민 그룹(1,2-디아민 만들기)으로 바꿀 수 있으며, 이는 의약품 제조에 매우 중요합니다.
• 심지어 이중 결합을 삼각형 모양(에폭사이드)으로 바꾼 뒤 세 번째 깃발을 추가하여 1,2,3-트리아지드를 만들 수도 있습니다.

요약하자면, 이 논문은 더 깨끗하고 선택적인 방식으로 복잡한 분자를 구축하는 새로운 방법을 제시합니다. 그들은 위험한 화학 물질을 전기와 교체했고, 반응 속도를 조절하기 위해 영리한 '염석' 기술을 사용했습니다. 저자들은 이 과정을 '비대칭적(asymmetric)'(특정 거울상 이성질체 버전을 만드는 것)으로 만드는 데 더 많은 작업이 필요하다고 언급하면서도, 가치 있는 화학적 빌딩 블록을 만드는 새로운 문을 성공적으로 열었습니다.