Aziridines serve as versatile building blocks for organic synthetic chemistry and play a pivotal role in biologically relevant reactions. Thus, the regioselectivity in aziridine ring-opining reaction is highly important to get a target product. Aziridines usually prefer nucleophilic attack at the less-substituted carbon (C3) due to minimal steric hindrance. Occasionally, however, there are some exceptions where the more-substituted carbon (C2) undergoes nucleophilic attack. In this study, we examined the regioselectivity of aziridine ring-opening with quantum chemical DFT calculation methods including density functional theory [B3LYP/ 6-31+G(d)]. The energy profiles of aziridine ring-opening were obtained, the activation barriers $(\Delta E^‡)$ were compared, and then the regioselectivity was determined. The analysis of reactant properties provided good explanation for regioselectivity. It was demonstrated that the unusual ring-opening occurs along the C2-N bond, activated by the concerted interaction between electron-donating aryl group and electron-withdrawing pyridine moiety.
아지리딘은 유기합성화학의 전구체(building block)로 쓰이며 효소, 항체, 단백질을 포함하는 생물학적으로 연관된 반응에서 중요한 역할을 하는 분자이다. 따라서 원하는 생성물을 얻기 위해서는 아지리딘 고리열림 반응의 자리선택성에 대한 이해가 필수적이다. 대부분의 경우 아지리딘은 입체장애가 적은 C3 탄소에서 친핵성 치환반응이 일어난다. 그러나, 어떤 경우에는 입체장애가 더 많은 C2 탄소에서 친핵성 치환반응이 일어난다고 보고가 되었지만 아직 이론적으로 이러한 실험결과를 뒷받침한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 이와 같은 아지리딘 고리열림 반응의 특이한 자리선택성을 범밀도함수(DFT) 이론에 기초한 양자화학적인 계산방법을 이용하여 조사하였다. 아지리딘 분자 자체의 특성을 분석함은 물론, 고리열림 반응의 전이상태 에너지를 비교한 결과 C2 고리열림 반응이 선호되는 것으로 나타났다. 이것은 아지리딘 분자 내에서 전자를 주는 벤젠과 전자를 당기는 Tosyl(혹은 Pyridine)기의 상호작용에 의해 C2-N 결합길이가 C3-N보다 더 많이 늘어나기 때문이다. 특히 아지리딘에 Pyridine이 존재할 경우 분자 내에 존재하는 약한 수소결합에 의해 C2-N 결합이 활성화되고 C3-N결합은 불활성화되어 C2 고리열림 반응이 더욱 선호되었다. 또한 벤젠에 붙은 치환기(X)의 추가적인 전자주게 효과에 의해 C2-N 결합이 늘어나 C2 고리열림 반응이 촉진됨이 확인되었다.
