스즈키 반응

스즈키 반응(Suzuki reaction)은 스즈키-미야우라(Suzuki-Miyaura) 반응이라고도 하며, 1979년 팔라듐(palladium)을 촉매로 이용하여 유기할로젠 화합물과 유기붕소 화합물을 간단하고 효율적으로 결합시키는 방법을 발표한 연구로부터 시작되었다.^{1) 2)}

발표된 최초의 스즈키-미야우라 반응 (출처: 대한화학회)

목차

스즈키 교수는 홋카이도대학에서 학사·박사 학위를 받았으며, 같은 대학에서 조교수가 되었다. 미국 퍼듀대학에서 박사연구원으로 일하였고 퇴임까지 홋카이도대학 교수로 재임하였다. 2010년에 스즈키 반응의 개발 공로로 헥(Heck)교수와 네기시(Negishi) 교수와 함께 노벨 화학상을 수상하였다.

1968년 헥(Richard F. Heck)이 처음 팔라듐 촉매와 알켄 화합물을 사용한 탄소-탄소 교차 짝지움(cross coupling) 반응을 발견하였고, 1977년 네기시(Negishi Ei-ichi)가 유기아연 등의 시약을 사용하여 이 반응을 보다 대중화시켰으며, 1979년 스즈키는 유기붕소 화합물을 이용하여 산업 친화적으로 적용하는 데 성공하였다. 이 반응의 중요한 개선은 약염기와 아릴보론산(arylboronic acid)을 이용한 것에서 비롯되었다. 이후 다양한 기질에 적용될 수 있는 반응 조건이 개발되었고 산업적으로 적용될 수 있도록 개선되었으며 다양한 유기붕소 화합물도 개발되었다.

이 반응들은 높은 안정성과 낮은 유독성으로 인해 현대 의약품 산업에 있어서 중간체 합성은 물론, 농업용 화합물, 플라스틱·반도체·OLED 발광 물질과 같은 소재를 개발하는 데 크게 기여하였다. 중간체 및 최종 생산품의 대량 생산 과정을 단순화하고 에너지 소모와 환경오염 물질도 함께 줄이는 효과도 있어 화합물 제조 산업에 일대 혁신을 불러왔다.

스즈키 반응의 장점을 간단히 요약하면 다음과 같다.

스즈키 반응 조건의 특성 중 하나는 붕소 화합물의 친핵성을 증가시키고 온화한 조건에서 반응이 일어날 수 있도록 염기를 첨가하는 점이다. 기존 반응과 비교하여 생성물 면에서 특별한 유용성 중 하나는 바이아릴(biaryl) 화합물들을 합성할 수 있는 반응이며 다양한 바이아릴 유도체들을 용이하게 얻을 수 있는 적용 결과이다.³⁾

바이아릴 화합물 합성 (출처: 대한화학회)

반응 메커니즘은 팔라듐 금속이 각 단계에 관여하는 반응과 그 경로에서 산화 환원 단계를 거치면서 촉매 과정이 수행되는 것으로 제시된다.

팔라듐 금속[Pd(0), 1]이 할로젠 화합물 2에 산화적 첨가반응에 의하여 유기 팔라듐 중간체 3을 형성한다. 염기에 의하여 할로젠이 치환된 중간체 4가 형성되며, 이 중간체와 보론산 5와 염기로부터 형성되는 보론산 음이온 복합체 6이 친핵체로 작용하여 금속 교환반응을 유발하게 되어 유기팔라듐 중간체 8을 형성한다. 중간체 8은 환원적 제거반응으로 짝지움 반응 생성물인 9를 생성한다. 중간체 8에서 팔라듐은 2+의 산화수를 갖는데 환원되어 최초의 팔라듐 금속 1으로 재생되고 촉매 순환을 지속한다.

스즈키 반응 메커니즘 (출처: 대한화학회)

스즈키 반응을 이용하여 복잡한 구조의 천연물을 합성한 예는 아주 많다. 천연물 믹살아마이드(myxalamide) 합성은 최종 단계에서 스즈키 반응을 사용한 한 예이다.⁴⁾

스즈키 반응의 적용: 천연물 믹살아마이드(myxalamide)의 합성 (출처; 대한화학회)

스즈키 반응에 사용되는 붕소 화합물 유도체들은 반응성에서 다소 차이를 나타낸다. 하지만 안정성 및 보관의 용이점 등에서 좀 더 차별되어 다양한 유도체들이 개발되었다.

다양한 유기붕소 화합물 (출처: 대한화학회)

1. Miyaura, N.; Yamada, K.; Suzuki, A. Tetrahedron Lett. 1979, 20, 3437.
2. Miyaura, N.; Suzuki, A. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1979, 866.
3. Miyaura, N.; Suzuki, A. Chem. Rev., 1995, 95, 2457.
4. Mapp, A. K.; Heathcock, C. H. J. Org. Chem. 1999, 64, 23.