[O.Chem] 3. Sonogashira Coupling: 알카인을 방향족 고리에 연결하는 반응

1. 반응의 의미

분자에 alkyne을 도입하고 싶다면 어떻게 해야 할까. 가장 직접적인 방법은 이미 alkyne을 갖고 있는 분자 조각을 가져다 붙이는 것이다. Sonogashira coupling은 정확히 그 방법이다.

Terminal alkyne과 aryl halide 또는 vinyl halide를 팔라듐 촉매, 구리(I) 보조촉매, 염기 존재하에서 반응시키면 R–C≡C–R′ 형태의 내부 alkyne이 만들어진다. 단순하게 쓰면 R–X와 H–C≡C–R′가 만나 새로운 C–C 결합을 형성하는 과정이다.

Sonogashira reaction의 모식

2. 역사적 배경

1975년 Sonogashira, Tohda, Hagihara가 이 반응을 보고할 당시, Cassar와 Heck도 유사한 palladium-catalyzed alkynylation을 독립적으로 연구하고 있었다. 세 팀이 거의 같은 시기에 비슷한 반응에 도달한 셈이다.

차이는 구리에 있었다. Sonogashira 조건은 구리(I) 염을 보조촉매로 함께 사용했고, 덕분에 비교적 온화한 조건에서 반응을 진행시킬 수 있었다. 이 실용적인 이점이 오늘날 이 반응이 terminal alkyne 도입의 대표적인 방법으로 자리 잡은 이유다.

3. 기본 메커니즘

Sonogashira coupling의 메커니즘은 두 흐름이 동시에 돌아가는 구조다.

팔라듐 순환. Pd(0)가 aryl halide의 C–X 결합에 산화적 첨가되어 aryl–Pd(II)–X 종을 만든다. 이후 alkynyl group이 팔라듐으로 넘어오는 transmetalation이 일어나고, 마지막으로 환원적 제거를 거쳐 aryl–alkynyl 결합이 형성되며 Pd(0)가 재생된다.

구리 보조 순환. Terminal alkyne은 염기와 구리(I) 염의 도움을 받아 copper acetylide로 전환된다. 이 copper acetylide가 팔라듐 순환의 transmetalation 단계에 alkynyl group을 공급하는 역할을 한다. 구리가 팔라듐과 alkyne 사이의 중간 전달자인 셈이다.

Sonogashira reaction의 catalytic cycle

4. 왜 유용한가

Alkyne은 분자 안에서 여러 역할을 한다. 직선형 구조 덕분에 분자의 형태를 뻗게 만들 수 있고, π-system을 연장해 광학적·전자적 성질을 조절하는 데 쓰인다. 합성 중간체로서도 가치가 있다. 조건에 따라 alkene으로 반환원하거나 alkane까지 완전히 환원할 수 있고, cycloaddition이나 추가 기능화 반응의 출발점이 되기도 한다.

그래서 Sonogashira coupling은 한 가지 분야에 국한되지 않는다. 천연물 합성에서 복잡한 골격을 조립하는 데 쓰이고, 의약화학에서 분자 구조를 다듬는 데도, 유기재료와 나노소재 합성에서 π-conjugated 구조를 만드는 데도 등장한다.

5. 주의할 점

구리 보조촉매는 반응을 쉽게 만드는 동시에 부반응의 원인이 되기도 한다. 산소가 계 내에 존재하면 terminal alkyne끼리 결합하는 Glaser-type homocoupling이 경쟁적으로 일어난다. 실험 전 탈기(degassing)를 꼼꼼히 해야 하는 이유다.

기질 측면에서도 주의가 필요하다. Aryl iodide는 대체로 잘 반응하지만, aryl chloride는 산화적 첨가가 느려 조건을 더 까다롭게 잡아야 한다. 염기, 용매, 리간드 선택도 수율과 선택성에 영향을 준다.

Suzuki 반응이 boronic acid를 통해 탄소 조각을 sp² 골격에 붙이는 반응이라면, Sonogashira 반응은 alkyne을 통해 분자에 직선적 연결성과 확장된 π-system을 부여하는 반응이다. 붙이는 것이 목적이 아니라, 무엇을 어떤 형태로 붙이느냐가 핵심이다.

6. Reference

[1] Sonogashira, K.; Tohda, Y.; Hagihara, N. Tetrahedron Lett. 1975, 16, 4467–4470. DOI: 10.1016/S0040-4039(00)91094-3.

[2] Wikipedia contributors. Sonogashira Coupling. Wikipedia, The Free Encyclopedia.

[3] Wikimedia Commons. File: Sonogashira Coupling.jpg.

[4] Wikimedia Commons. File: Sonogashira Catalytic Cycle.svg.

Edited 2026. 06. 24.
Edited by 푸른삿포로

[Update]
#260624 최초 작성