본문 바로가기

Contact English

【유기화학】 8강. 알켄 및 알카인

 

8강. 알켄 및 알카인(alkene and alkyne)

 

추천글 : 【유기화학】 유기화학 목차


1. 개요 [본문]

2. 사슬형 알켄·알카인 명명법 [본문]

3. 고리형 알켄·알카인 명명법 [본문]

4. 알켄의 친전자성 반응 [본문]

5. 알카인의 친전자성 반응 [본문]

6. 알켄의 제법 [본문]

7. 알카인의 제법 [본문]


 

1. 개요 [목차]

⑴ 구조

① 알켄의 구조

○ 이중결합 = 1 × σ 결합 + 1 × π 결합

○ 이중결합 탄소는 sp2 혼성

○ 삼각평면

○ 모든 결합각은 120°

○ s-character가 크므로 결합길이가 작음

② 알카인의 구조

○ 삼중결합 = 1 × σ 결합 + 2 × π 결합

○ 삼중결합 탄소는 sp 혼성

○ 선형

○ 모든 결합각은 180°

○ s-charater가 가장 크므로 결합길이가 가장 작음

⑵ 결합

① 알케인, 알켄, 알카인의 결합에너지

알케인 : CH3-CH3, 368 kJ/mol

알켄 : CH2=CH2, 635 kJ/mol

알카인 : CH≡CH, 837 kJ/mol

② σ 결합, 단일 π 결합, 두 번째 π 결합의 결합에너지

σ 결합 : 368 kJ/mol

단일 π 결합 : 635 - 368 = 267 kJ/mol

두 번째 π 결합 : 837 - 635 = 202 kJ/mol

○ π 결합은 σ 결합과 달리 중간에 노드가 있기 때문에 결합세기가 약함

○ 알카인은 파이결합 전자가 느슨하여 알켄보다 편극성이 큼

③ 결합에너지 총정

 

혼성 결합종류 결합에너지
C(sp3)-C(sp3) 시그마 결합 85 kcal/mol
C(sp2)-C(sp2) 시그마 결합 90 kcal/mol
C(sp3)-H(s) 시그마 결합 100 kcal/mol
C(sp2)-H(s) 시그마 결합 105 kcal/mol
C(p)-C(p) 파이 결합 60 kcal/mol
C(sp3)-C(sp3) 유사 파이결합 45 kcal/mol

 

Table. 1. 결합에너지 총정리

 

④ 결합길이 : 단일결합 > 이중결합 > 삼중결합

○ 단일결합은 sp3 혼성, 이중결합은 sp2 혼성, 삼중결합은 sp 혼성

○ 삼중결합이 될수록 결합의 s-character 증가 → 핵 근처에 있으려고 함 → 결합길이 감소

⑶ 성질

① 끓는점

원리 1. 기본적으로 알케인처럼 사슬의 길이가 길수록, 표면적이 클수록 높음

원리 2. 쌍극자 모멘트가 클수록 끓는점이 높음

○ cis 형 알켄은 trans 형 알켄에 비해 쌍극자 모멘트가 있어 끓는점이 높음

○ 예 : cis-2-butene의 bp는 4 ℃, trans-2-butene의 bp는 1 ℃

○ 예외 : trans-2-hexene가 cis-2-hexene보다 끓는점이 높음

○ 이유 : 반데르발스 인력 때문. 즉 case by case로 판단해야 함

원리 3. 알카인은 유사한 형태의 알켄보다 끓는점이 높음

이유 1. 알켄은 삼각평면이고 알카인은 선형이므로 알카인의 분자 간 겹침이 더 유리함

이유 2. 알카인의 sp 탄소는 알켄의 sp2 탄소보다 전기음성도가 커 극성이 더 큼

이유 3. 삼중결합의 파이결합의 세기는 알켄보다 약해 더 분극이 잘 일어나 반데르발스 인력을 증가시킴

원리 4. 내부 알켄·알카인은 말단 알켄·알카인보다 끓는점이 높음

○ 이유 : 말단 알켄·알카인은 소수성이 크기 때문

② 녹는점

원리 1. 기본적으로 알케인처럼 사슬의 길이가 길수록, 표면적이 클수록 높음

원리 2. 격자성(대칭성)이 클수록 녹는점이 높음 : 끓는점과 경향성이 다름을 주의

trans 형 알켄은 cis 형 알켄에 비해 결정격자(crystal lattice)를 형성할 수 있어 녹는점이 높음

○ 예 : cis-2-butene의 mp는 -139 ℃, trans-2-butene의 mp는 -106 ℃

○ 예 : n-hexane의 녹는점이 (E) hex-2-ene보다 더 높음

단일결합과 달리 이중결합, 삼중결합은 자유로운 회전이 불가능

(참고) 고리형 알케인은 자유도가 적어 분자 간 상호작용이 용이해 끓는점, 녹는점이 높음

⑷ 안정성

측정방법 1. 수소첨가 반응열

수소를 최대로 첨가하여 발생하는 열

○ 반응열이 많이 나올수록 더 불안정한 형태

○ 정밀하기 때문에 다중결합 화합물의 안정도를 판단할 때 자주 사용

측정방법 2. 탄소당 연소열

안정성은 탄소당 연소열에 반비례

③ 치환기 개수 : 치환기가 많을수록 알켄은 보다 안정화됨

어려운 설명 : hyperconjugation에 의해 anti-π(π*) 결합 오비탈과 인접한 σ 오비탈과 상호작용

쉬운 설명 : 이중결합 탄소는 sp2 혼성으로 s-character가 33 %인 반면 치환기 탄소는 sp3 혼성으로 s-character가 25 %이므로 치환기 탄소는 전자를 주려고 하고, 중심탄소는 전자를 받으려고 함

더 쉬운 설명 : 알켄은 전기음성도가 큼 → 치환기로부터 전자를 받으면 안정함

cis-trans 안정도 차이

비고리형 알켄 : trans형 알켄이 cis형 알켄보다 안정 ( 입체장애)

고리형 알켄

○ cyclooctene [8] ~ cycloundecene [11] : cis 구조가 trans 구조보다 안정

이유 1. trans형 알켄은 꼬인구조가 되어 ring strain이 커짐

이유 2. trans형 알켄은 ring 내부에 수소가 위치하여 입체장애가 커짐 

cyclododecene [12] : cis 구조와 trans 구조의 안정성이 비슷

○ cyclotridecene [13] : trans 구조가 cis 구조보다 안정

 

 

2. 사슬형 알켄·알카인 명명법 [목차]

⑴ 주사슬 선택

여기에서 작용기는 알킬기, 할로젠기, 알켄, 알카인밖에 없다고 가정

② 알켄·알카인이 알케인보다 우선순위가 높기 때문에 알켄·알카인이 포함된 가장 긴 탄소사슬을 주사슬로 결정하고 나머지는 치환기로 취급

⑵ 치환기 명명

① 알킬기, 할로젠기 명명법은 알케인과 동일

② 사슬형·고리형 알켄·알카인이 치환기로 작용하면 접미사 -ene, -yne를 -enyl, -ynyl로 명명

○ 이때 주사슬에서 가장 가까운 탄소가 1번

⑶ 번호 붙이기

① 주사슬의 한쪽 끝에서 반대쪽 끝으로 탄소에 순차적으로 번호를 부여

② 알켄·알카인이 치환기보다 우선순위가 높으므로 낮은 번호를 부여

○ 다중결합의 위치는 다중결합이 시작되는 첫 번째 탄소만을 표시

○ 예 : 4-methyl-2-pentene

③ 두 가지 번호 조합이 가능할 때 알켄 또는 알카인이 1개라도 더 적은 번호를 갖도록 번호를 부여

④ 번호도 같을 때 알파벳 순서에서 앞서는 알켄(alkene)이 알카인(alkyne)보다 번호가 낮은 조합을 선택

○ 예 : 1-penten-4-yne

⑤ ④ 뒤에도 두 가지 번호 조합이 가능하고 치환기가 한 개일 때 치환기가 붙은 탄소의 번호가 최소가 되도록 부여

⑥ ④ 뒤에도 두 가지 번호 조합이 가능하고 치환기가 두 개 이상일 때 치환기가 붙은 탄소가 1개라도 더 적은 번호를 갖도록 번호 부여

⑦ ⑥에서 번호도 동일하다면 알파벳 순으로 앞선 경우에 작은 번호를 부여

⑷ 접미사 명명

① 알켄이 하나만 있는 경우 :··· + 알켄 위치-ene》와 같이 명명

② 알카인이 하나만 있는 경우 :··· + 알카인 위치-yne》와 같이 명명

③ 알켄과 알카인이 하나씩만 있는 경우 :··· + 알켄 위치-en-알카인 위치-yne》와 같이 명명

④ 알켄·알카인이 하나만 있지 않고 여러 개가 있는 경우

○ 알켄 : 알켄의 수에 따라 -ene를 -diene(2), -triene(3), -tetraene(4) 등으로 변경

○ 예 : 4-methyl-1,3-pentadiene

○ 알카인 : 알카인의 수에 따라 -yne를 -diyne(2), -triyne(3), -tetrayne(4) 등으로 변경

⑸ 전체 이름 명명

(치환기 위치-치환기 이름)n + alk-알켄·알카인 위치-접미사》와 같이 명명

② 주사슬(alk)의 경우 자음으로 끝내는 게 원칙이나 자음 충돌이 나는 경우 -a를 남김

○ 예 : hept-1-ene은 -a를 남기지 않았으나 hexa-1,3-diene는 -a를 남김

 

 

3. 고리형 알켄·알카인 명명법 [목차]

⑴ 주사슬 선택

① 고리형 알켄·알카인에 알케인이 치환기로 붙어있는 경우 : 알켄·알카인이 우선순위가 높아 고리형이 주사슬

② 고리형 알켄·알카인에 사슬형 알켄·알카인이 치환기로 붙어있는 경우

⑵ 치환기 명명

① 알킬기, 할로젠기는 알케인과 동일

② 사슬형·고리형 알켄·알카인이 치환기로 작용하면 접미사 -ene, -yne를 -enyl, -ynyl로 명명

○ 이때 주사슬에서 가장 가까운 탄소가 1번

⑶ 번호 붙이기

① 알켄·알카인이 1번 탄소와 2번 탄소 사이에 있도록 번호 부여

② 알켄·알카인이 두 개 이상 존재할 경우 ①을 위배하지 않고 1개라도 더 적은 번호를 갖도록 번호 부여

③ 번호도 같을 때 알켄이 알카인보다 번호가 낮은 조합을 선택

③ 뒤에도 두 가지 번호 조합(시계 방향, 반시계 방향)이 가능하고 치환기가 알켄·알카인 탄소 한 개에만 결합해 있을 때 해당 탄소를 1번으로 지정

○ 예 : 3-ethyl-2-methyl-cyclopent-1-ene (×), 5-ethyl-1-methylcyclopent-1-ene (○)

⑤ ③ 뒤에도 두 가지 번호 조합이 가능하고 ④가 아닌 경우 치환기가 붙은 탄소가 1개라도 더 적은 번호를 갖도록 번호 부여

○ ③ 뒤에도 ④가 아닌 경우 : 알켄·알카인 탄소 모두에 치환기가 붙거나 붙지 않는 경우

⑷ 접미사 명명 : 2-⑷와 동일

① 예 : 5-methyl-1,3-cyclohexadiene

⑸ 전체 이름 명명

① 《(치환기 위치-치환기 이름)n + cycloalk-알켄·알카인 위치-접미사》와 같이 명명

 

 

4. 알켄의 친전자성 반응 [목차]

⑴ 개요

시약의 성질이 친전자체이고, 첨가반응을 일으키는 반응물이 친핵체인 반응

② 대체로 첨가반응이 많은데 발열반응이고 ΔG ≒ ΔH이므로 첨가반응은 자발적 반응

종류 1. 할로젠類 : 할로젠화 수소 첨가반응, 할로젠 첨가반응, 할로하이드린 형성반응

종류 2. 수화반응 : 산 촉매 수화반응, 옥시수은화-탈수은화, 수소화 붕소에 의한 수화

종류 3. 탄소類 : 카벤 첨가반응

종류 4. 수소類 : Pd/C 수소화 반응, Pt/O2 수소화 반응

종류 5. 산화반응 : 에폭시화, 1,2-다이하이드록시화, KMnO4에 의한 산화성 분해, 가오존분해반응

종류 6. 기타 반응

주요 포인트

위치선택성(Markovnikov's rule) : 구조이성질체 선택성

○ 입체선택성(syn, anti 첨가) : 입체이성질체 선택성

○ 라세미화

○ 고리형성반응

1-1. 할로젠화 수소 첨가반응

(공식) H+를 수소가 많이 붙은 탄소에 붙인 뒤 자리옮김, 고리화 반응(즉, 분자 내 SN2 반응)을 고려한 뒤 X- 첨가

메커니즘

 

친전자성 치환반응

Figure. 1. 친전자성 치환반응

 

카보양이온 : 1단계가 속도결정단계, 라세미화, 자리옮김반응, 전자제공유발효과, hyperconjugation

전자제공유발효과, hyperconjugation에 의해 알킬기가 많은 카보양이온일수록 더 안정

X-는 지면 앞으로 들어갈 수도 있고, 지면 뒤로 들어갈 수도 있어서 라세미화가 가능

의의 : 비카이랄 분자가 반응하여 비카이랄 중간체를 거쳐 카이랄 분자가 생성되는 반응

1단계 반응의 전이상태에서 수소는 결합을 두 개(C-H, H-X) 형성

Markovnikov's rule

 

Markovnikov's rule

Figure. 2. Markovnikov's rule

 

기술 : H-X의 수소가 알켄 내 이중결합 탄소 두 개 중 수소가 많은 탄소에 첨가된 것이 주생성물임

그림에서 좌측에 생긴 3차 카보양이온이 우측에 생긴 2차 카보양이온보다 더 안정 ( 치환기가 많으므로)

3차 카보양이온을 거치는 경로가 더 활성화에너지가 작아 주생성물을 생성

④ Markovnikov's rule 예외 : 자리옮김반응

 

Markovnikov 예외

Figure. 3. Markovnikov 예외

 

○ 종류 : 1,2-hydride shift, 1,2-methyl shift

○ 원인 : hyperconjugation에 의해서

hyperconjugation에 의해서 자리옮김반응이 일어나 3차 카보양이온을 거치는 경로가 주생성물을 생성

Markovnikov's rule이 항상 성립하는 것은 아니지만, 중간체가 안정화되는 생성물이 주생성물임은 불변

⑤ 1,2-첨가, 1,4-첨가 : 1,3-butadiene을 대표적으로 출제

○ 1,2-첨가(1,2-addition)와 1,4-첨가(1,4-addition)의 메커니즘

 

1,3-butadiene 할로젠화 수소 첨가반응

Figure. 4. 1,3-butadiene 할로젠화 수소 첨가반응

 

○ 0 ℃에서 1,2-첨가 : 1,4-첨가 = 71 : 29

○ 40 ℃에서 1,2-첨가 : 1,4-첨가 = 15 : 85

○ 1,2-첨가 : 반응속도론적 생성물, 온도가 낮으면 탄소양이온이 안정한 1,2-첨가가 우세

○ 1,4-첨가 : 열역학적 생성물, 온도가 높으면 역반응도 일어나므로 열역학적으로 안정한 1,4-첨가가 우세

1-2. 할로젠 첨가반응 : anti 첨가반응

(공식) 입체장애를 고려해서 X+를 먼저 첨가한 뒤 X- anti 첨가 

비대칭 알켄의 할로늄 고리형 중간체에서, 할로젠 원소에만 양전하를 띠지 않고 치환기를 많이 가진 탄소원자가 부분 양전하

○ 치환기를 많이 가진 탄소가 부분 양전하인 이유는 SN1 유사 반응이기 때문

X-는 다치환 탄소원자를 공격

② 메커니즘

X-X는 편극성이 있어 순간적으로 한쪽은 δ+의 양하전, 반대쪽은 δ-의 음하전을 띨 수 있음

X-는 독립적으로 안정하게 존재할 수 있음을 유의

사슬형 알케인의 할로젠 첨가반응 메커니즘

 

사슬형 알켄의 할로젠 첨가반응

Figure. 5. 사슬형 알켄의 할로젠 첨가반응

 

고리형 알케인의 할로젠 첨가반응 메커니즘

고리형 알켄의 할로젠 첨가반응 메커니즘

Figure. 6. 고리형 알켄의 할로젠 첨가반응 메커니즘

 

③ 할로늄 고리형 중간체 

할로늄 고리형 중간체는 불안정하기 때문에 다른 경로가 있다면 그것을 택함

○ 비대칭 시약이 주어지는 경우 할로늄 고리형 중간체가 더 안정하도록 반응이 일어남

할로젠화 수소 첨가반응의 경우 수소가 오비탈이 2개뿐이기 때문에 고리형 중간체를 거칠 수 없음

○ 알켄, 알카인이 있을 때 할로젠 첨가반응이 알켄부터 일어나는 이유 : 알카인의 할로늄 고리형 중간체는 너무 불안정

④ 입체화학

후면공격(backside attack) : 입체장애로 인해, 이탈기 X-는 후면공격을 함

○ 단, anti-첨가뿐만 아니라 syn-첨가도 할 수는 있음 

메조화합물이거나 라세미 혼합물을 형성하나 입체장애로 인해 어느 한쪽이 우세할 수 있음

○ cyclohexene의 할로젠 첨가반응

 고리형 중간체로 인해 boat-form을 형성하여 입체장애와 주생성물이 직관과 정반대로 나타남

○ 부적절한 직관

 

부적절한 직관

 

Figure. 7. 부적절한 직관

 

○ 올바른 접근

 

올바른 접근

 

Figure. 8. 올바른 접근

 

응용 1. cis 할로젠 첨가반응 : GIST에서 개발  

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 9. cis 할로젠 첨가반응

 

1-3. 할로 하이드린 형성 반응

 (공식) 할로젠 첨가반응과 유사 : X+를 먼저 첨가한 뒤 OH를 anti 첨가

② 메커니즘 

 

Figure. 10. 할로 하이드린 형성 반응

 

HX가 H2O보다 강산이므로 X-는 OH-보다 염기도가 작아 할로젠 첨가반응에서 물이 있으면 OH기가 첨가

○ 비대칭 알켄의 할로늄 고리형 중간체에서, 할로젠 원소에만 양전하를 띠지 않고 치환기를 많이 가진 탄소원자가 부분 양전하

○ 치환기를 많이 가진 탄소원자가 부분 양전하인 이유는 SN1 유사 반응이기 때문

○ 부분 양전하를 띠는 탄소원자에 OH기가 첨가됨

○ Br2의 공급원으로 NBS를 이용할 수 있음 : 비슷하게 I2의 공급원으로 NIS를 이용할 수 있음

2-1. 산 촉매 수화반응 : Markovnikov 수화

① 특징

○ OH-는 이탈성이 크지 않아, 다음은 열역학적으로 일어날 수 있어도 속도론적으로 일어나지 못함

○ 산 촉매(예 : H2SO4) : H3O+ 반응물(친전자체)이기도 하고, 생성물이기도 하므로 산이 촉매인 것처럼 보임

 

산 촉매 수화반응 잘못된 메커니즘

Figure. 11. 산 촉매 수화반응 잘못된 메커니즘

 

산 촉매 수화반응 올바른 메커니즘

Figure. 12. 산 촉매 수화반응 올바른 메커니즘

 

(공식) H+를 수소가 많은 탄소에 붙이고, 탄소양이온의 자리옮김반응, 고리화반응 (즉, 분자 내 SN2 반응) 고려

탄소양이온 : 1단계가 속도결정단계, 라세미화, 자리옮김반응, 전자제공유발효과, hyperconjugation

③ 한 분자 내 알켄과 -OH기가 동시에 존재하는 경우 알켄이 먼저 반응이 일어남 ( 알켄의 반응성이 더 큼)

알코올 E1 반응은 산소양이온 중간체를 경유하므로

2-2. 옥시수은화-탈수은화(oxymercuration-demercuration)

(공식) H+를 수소가 많은 탄소에 붙이고, -OH기를 붙임 : -OH는 H2O에서, H는 NaBH4에서 옴 

 

옥시수은화-탈수은화 전체 반응식

Figure. 13. 옥시수은화-탈수은화 전체 반응식

 

1단계. 옥시수은화(oxymercuration) 반응

○ THF 용매 하에서 다음 반응이 진행 : Hg(OAc)2 → Hg(OAc)+ + OAC-

○ 옥시수은화 반응 메커니즘

 

옥시수은화 반응 메커니즘

 

Figure. 14. 옥시수은화 반응 메커니즘

 

1-1. HgOAc+가 루이스 산으로 작용

1-2. 알켄의 파이전자가 수은 양이온에 전자를 주면서 수은 다리 탄소양이온(mercury-bridged carbocation) 형성

1-3. 수은 다리 탄소 양이온은 자리옮김반응을 수반하지 않는 정도의 양전하를 가짐

○ 카보양이온 상태일 때 알킬기가 많으면 탄소는 안정화되므로 알킬기가 많은 탄소는 부분 양하전을 띰

○ 주생성물은 치환기가 많은 탄소를 친핵체가 공격하여 형성 : SN2처럼 반응을 수행하지만 SN1 반응의 특성도 가짐

2단계. 탈수은화(demercuration) 반응

 

탈수은화 반응 메커니즘

 

Figure. 15. 탈수은화 반응 메커니즘

 

④ 특징

anti 첨가

Markovnikov 수화

자리옮김반응을 수반하지 않음

○ 실온에서 반응이 일어나고 수율이 좋음 

⑤ 위치선택성(stereoselectivity)과 입체선택성(stereospecificity)

 

옥시수은화-탈수은화 반응의 위치선택성과 입체선택성

Figure. 16. 옥시수은화-탈수은화 반응의 위치선택성과 입체선택성

 

○ 위치선택성 : -OH기가 Me기쪽에 붙은 이유는 다치환 탄소가 보다 δ+가 강하기 때문

○ 입체선택성 : -OH기가 axial인 이유는 평면에 대하여 한쪽 방향은 가까운 1,3-이축상호작용, 먼 1,3-이축상호작용, t-Bu의 영향을 받는 반면 반대쪽 방향은 가까운 1,3-이축상호작용과 먼 1,3-이축상호작용의 영향만 있기 때문

 

Figure. 17. 1-methyl-4-tert-butylcyclohexene의 입체선택성의 이유

 

⑥ 기타 반응 형태

1단계에서 H2O 대신 ROH를 제공하면 -OH기가 붙는 대신 -OR이 붙음

2단계에서 NaBH4 대신 NaBD4를 제공하면 -H기가 붙는 대신 -D기가 붙음

○ NaBH4와 NaBD4가 경합하면 NaBH4부터 반응 : (암기 팁) 중수소 D는 무거워서 반응이 늦게 일어남

○ Hg(OAc)2 대신 Hg(O2CCF3)2를 제공할 수도 있음 : Hg(O2CCF3)2가 친전자성이 더 큼

2-3. 수소화 붕소에 의한 수화(hydroboration-oxidation reaction

THF의 역할 : 용액상의 BH3안정화시킴

반응식 : B2H6 (diborane) + 2 THF → 2 BH3:THF

(공식) 1. BH3, THF, 2. H2O2, OH- 조건은 H2B-H를 HO-H로 간주하고 syn 첨가

 

수소화 붕소에 의한 수화반응 예

 

Figure. 18. 수소화 붕소에 의한 수화반응 예

 

1단계. 수소화 붕소에 의한 첨가반응 (hydroboration)

 

Figure. 19. 수소화 붕소에 의한 첨가반응 메커니즘

 

○ BH3가 알켄에 syn 첨가 

○ -BH2기는 CH3의 반대쪽에 위치함 : anti-Markovnikov's rule로 나타남

이유 1. 입체장애

이유 2. 반응식에 나타난 준 카보양이온은 치환기에 의해 안정화되는 효과가 있음 

2단계. H2O2에 의한 산화반응(oxidation)

 

Figure. 20. H2O2에 의한 산화반응 메커니즘

 

○ 배위가 보존된다는 점이 중요

3단계. OH- hydrolysis 메커니즘 

 

Figure. 21. OH- hydrolysis 메커니즘

 

○ BH2OH는 산으로 작용하여 H+를 내보내며, 이는 RO-에 붙어 ROH가 됨

⑥ 특징

 syn-첨가

 anti-Markovnikov 수화 : 수소는 수소가 적은 쪽으로 첨가되어 입체장애를 줄임

○ THF의 역할 : 용액상의 BH3를 안정화시킴

○ 반응식 : B2H6 (diborane) + 2 THF → 2 BH3:THF

○ 자리옮김반응을 수반하지 않음 : 탄소양이온을 경유하지 않으므로

○ 라세미 혼합물이 생성

○ 이중고리 화합물에서 접근하기 좋은 exo 방향에서 대부분의 반응이 진행

○ 150-160 ℃에서 가역적 성격을 가지고 있음 : 이중결합의 위치가 이동하는 효과를 부여

⑦ 기타 반응 형태

○ 입체장애가 작은 덜 치환된 알켄일수록 반응속도가 빠름 ( 입체장애가 중요)

CyBH2 (cyclohexyl BH2), 9-BBN (9-borabicyclo(3.3.1)nonane), Sia2BH (disiamylborane)은 선택성이 더 큼

○ 1당량의 보레인은 3당량의 알켄과 반응할 수 있음

○ 1당량의 알켄과 반응시키기 위해 9-BBN 또는 Sia2BH을 이용하면 됨

2-3-1. brown hydroboration

syn 첨가

○ 수화반응

3. 카벤 첨가반응 

카벤(carbene)

○ 특징 

R2C:

 최외각 전자가 6개

 sp2 혼성

 큰 반응성

 비어있는 p 오비탈이 있고 친전자체로 작

 

카벤의 구조

 

Figure. 22. 카벤의 구조

 

카벤 형성 가능 시약

diazomethane : H2C:가 생성됨

○ chloroform (CHCl3) : Cl2C:가 생성됨

○ Simmons-Smith 시약 (carbenoid) : H2C:가 생성됨

○ diazocyclopentadiene : 주황색 액체

○ diazofluorene : 주황색 고체

○ 4,4-dimethyldiazocyclohexa-2,5-diene : 보라색 액체

○ methyl diazoacetate : 노랑색 액체

반응 1. Simmons-Smith reaction

단계 1. 카비노이드 형성 반응 : CH2I2 (촉매 : Zn(Cu) + ether) → ICH2ZnI (carbenoid) → H2C:

단계 2. 탄소-탄소 짝지음 반응

 

카벤 반응 유형 1

Figure. 23. 카벤 반응 유형 1

 

반응 2.

단계 1. CH2Cl2 + 강염기(예 : LDA) → CHCl + Cl-

 

카벤 반응 유형 2

 

Figure. 24. 카벤 반응 유형 2

 

단계 2. 탄소-탄소 짝지음 반응

반응 3.

단계 1. 카비노이드 형성 반응 : CHBr3 + 강염기(예 : LDA)Br2C: + Br-

 

카벤 반응 3

Figure. 25. 카벤 반응 3

 

단계 2. 탄소-탄소 짝지음 반응

반응 4.

○ diazomethane (CH2N2)의 경우 hν 또는 Δ 조건에서 N2가 이탈되어 카벤 형성

⑥ 특징

○ 카벤은 옥텟 규칙을 만족하지 않으므로 전자를 굉장히 좋아함

○ 전자가 풍부한 알켄과 반응하며, 전자를 내준 알켄 탄소가 카보양이온이 되는 것을 피하기 위해 고리 형성

○ 알카인도 카벤과 반응을 하나 고리를 형성할 때 이중결합이 있어 고리 스트레인을 주어 가급적 피함

○ 카벤과 퍼옥시산은 전자가 부족한 화학종이기 때문에 전자가 풍부한 다치환 알켄을 선호

○ carbene singlet은 협동 반응을 하므로 syn 첨가

○ carbene triplet은 협동 반응을 하지 않으므로 두 종류의 생성물이 형성됨 

4. Pd/C 수소화 반응, Pt/O2 수소화 반응

(공식) H2가 H-H 상태로 Pd/C 위에 붙어 있다가 알켄에 syn 첨가

입체 특이적 반응 : syn 첨가

 

수소첨가반응 예

 

Figure. 26. 수소첨가반응 예

 

③ 반응성

수소화 반응의 알켄 선택성 : 치환기 수가 적을수록 반응속도가 빠름 ( 치환기 ∝ 입체장애)

○ 알켄의 전자 밀도가 높을수록 환원반응의 반응속도가 빠름 : 전자 제공 치환기가 치환 시 반응속도 증가

○ 일반적으로 팔라듐에 의한 수소화반응은 방향족 고리, 에스터 작용기는 환원시키지 않음

알켄과 케톤이 있을 때 알켄이 먼저 수소화 ( 알켄의 반응성이 더 큼)  

○ 과량의 수소 및 고온·고압 조건에서 카보닐기도 환원될 수 있음

 

Figure. 27. H2 (1 eq.) 조건 하 Pd/C 수소화 반응

 

Figure. 28. H2 (excess) 조건 하 Pd/C 수소화 반응

 

5. 산화반응

① 에폭시화 : RCO3H의 알켄 산화 반응

○ RCO3H의 예 : HOOH, mCPBA, HCO3H, CH3CO3H, CF3CO3H, MMPP, DMDO

m-CPBA : meta-chloroperoxybenzoic acid

○ CH3CO3H : peroxyacetic acid

○ MMPP : magnesium monoperoxyphtalate

○ DMDO : dimethyldioxirane

○ 에폭시화 반응 메커니즘

 

에폭시화 반응 메커니즘

 

 

Figure. 29. 에폭시화 반응 메커니즘

 

○ 카벤과 mCPBA는 다치환 알켄에서 빠르게 반응 : 치환기가 있으면 알켄의 전자가 더 풍부해지므로

Henbest epoxidation : 수소결합으로 인해 OH기, 아민기 등과 같은 배향으로 에폭사이드 형성

② Payne 에폭시화 (Payne epoxidation) : 알켄으로부터 에폭시가 생성됨. 입체배열은 유지

1단계. H2O2 → H+ + OOH-

2단계. PhCN + OOH- → Ph(OOH)-C=NH

3단계. 에폭시화

 

Payne 에폭시화

 

 

Figure. 30. Payne 에폭시화

 

③ 1,2-다이하이드록시화 중 cis-다이올 : syn 첨가

(공식 1) 1. OsO4, 2. NaHSO4, H2O 조건 시 알켄을 이루는 두 개의 탄소에 syn-diol 첨가

 

Figure. 31. OsO4 알켄 산화반응

 

○ syn 첨가는 두 개의 OH기가 한 분자의 OsO4에서 유래됐기 때문

○ 입체장애가 적은 알켄에 syn-diol을 첨가함

(공식 2) 1. OsO4 (0.2%), NMO(N-methylmorpholine N-oxide), 25 ℃, 2. NaSO3, H2O

 

NMO를 활용한 반응
출처 : 이미지 클릭

Figure. 32. NMO를 활용한 반응

 

 OsO4(osmium tetroxide)는 독성, 휘발성이 있으며 가격이 비쌈

○ 촉매량의 OsO4를 첨가하여도 반응이 완결되도록 NMO(N-methylmorpholine N-oxide)를 함께 첨가

촉매량은 반응물의 양보다 굉장히 소량임

○ NMO : OsO4를 재생시키는 역할. 반응물보다 약간 과량을 넣어야 함

(공식 3) KMnO4에 의한 산화성 분해 

④ 1,2-다이하이드록시화 중 trans-다이올

(공식 1) 1. RCO3H, 2. H2O (H+ or OH-

⑤ KMnO4에 의한 산화성 분해 

 

Figure. 33. KMnO4 알켄 산화반응

 

 syn-diol 첨가 : 1. KMnO4 (cold), 2. OH-, H2O : 이중결합을 분리한 뒤 각각을 -OH기로 연결, syn 첨가 

○ KMnO4는 반응이 너무 강하게 일어나 묽고(H2O) 차가운 조건(0 ℃)이 요구됨 

syn 첨가를 하는 이유는 두 개의 -OH기가 한 분자의 KMnO4에서 유래됐기 때문

크로뮴(Cr) 산화제는 알켄이나 알카인을 산화시키지 않음을 유의

○ 저렴함

(공식 1) 위 조건에서 한 가지라도 조건이 맞지 않으면 각각을 카르복실기로 만듦

⑥ 가오존분해반응(ozonolysis)

(공식 1) 1. O3, 2. Me2S (또는 Zn) : 이중결합을 분리한 뒤 각각을 카르보닐기(=O)로 연결

1,3-dipolarcycloaddition 반응을 경유

가오존분해반응은 전자가 풍부한 알켄, 즉 다치환 알켄부터 일어남

○ 2번 조건은 환원 조건이므로 알데히드기가 생성될 수 있음

 

가오존분해반응 예

Figure. 34. 가오존분해반응 예

 

(공식 2) 1. O3, 2. H2O2 : 2번 조건이 산화 조건이므로 알데하이드기가 생성되면 카르복실기로 대체

 1,3-dipolarcycloaddition 반응을 경유

 가오존분해반응은 전자가 풍부한 알켄, 즉 다치환 알켄부터 일어남

○ 이 조건에서는 알데히드기가 생성되지 않음 : 대신 카르복실기가 생성됨

 6. 기타 반응

알켄의 라디칼 첨가반응 

② 알켄 복분해(alkene metathesis) : 두 개의 알켄이 이중결합에 결합된 탄소를 교환하는 반응 

③ Shapiro reaction : alkenide anion (vinyl anion)인 R2C=CR-을 형성시키는 반응 

 

Figure. 35. Shapiro reaction

 

④ Grubbs reaction (Olefin metathesis)

 

Figure. 36. Grubbs reaction

 

Figure. 37. Grubbs reaction

 

메커니즘 : 구체적으로는 Chauvin mechanism을 따름. Wittig reaction과 외관상 유사함

의의 : C=C 이중결합을 mild condition에서 한 번에 끊고 한 번에 결합할 수 있음

 

 

5. 알카인의 친전자성 반응 [목차]

⑴ 개요

① 알카인은 알켄에 비해 파이결합이 하나 더 많을 뿐 알켄과 유사한 반응을 진행함

종류 1. 할로젠: 할로젠화 수소 첨가반응, 할로젠 첨가반응, 할로 하이드린 형성반응

종류 2. 수화반응 : 산 촉매 수화반응, 옥시수은화-탈수은화, 수소화 붕소에 의한 수화

종류 3. · 염기반응
종류 4.
수소類
: Lindlar 촉매 수소첨가반응

종류 5. 산화환원반응 : 가오존분해반응, 하이드록시화반응

종류 6. 기타 반응 

1-1. 할로젠화 수소 첨가반응

① 메커니즘

알카인의 할로젠화 수소 첨가반응 : 생성물인 알켄은 반응성이 있어 다시 할로젠화 수소 첨가반응을 함

 

할로젠화 수소 첨가반응 1단계

Figure. 38. 할로젠화 수소 첨가반응 1단계

 

할로젠화 수소 첨가반응 2단계

Figure. 39. 할로젠화 수소 첨가반응 2단계

 

○ 실제로는 비닐 탄소양이온(vinyl carbocation)을 거치지 않음 

 결과론적으로 동등하기 때문에 위와 같이 그림

실제로는 수소가 두 알켄 탄소와 약한 bridge를 형성

반응 2단계에서 카보양이온은 공명안정화로 인해 X-가 붙은 탄소 쪽에 형성

카보양이온이므로 X-가 어디로 접근해도 상관없음

카보양이온 : 1단계가 속도결정단계, 라세미화, 자리옮김반응, 전자제공유발효과, hyperconjugation

공명안정화 : 자리옮김반응에서 알킬기 차수가 크지 않아도 X-가 있는 쪽으로 카보양이온이 이동

④ 입체화학

○ 1당량의 HX 첨가 시 trans 생성물을 선호함

○ HX와 더불어 X- 이온이 과량인 경우 trans 배향의 생성물의 수율이 증가 

1-2. 할로젠 첨가반응 : anti 첨가. 생성물인 알켄은 반응성이 있어 다시 할로젠 첨가반응을 함

 

할로젠 첨가반응 1단계

Figure. 40. 할로젠 첨가반응 1단계

 

Figure. 41. 할로젠 첨가반응 2단계

 

① 알카인 할로젠 첨가반응시 생성되는 할로늄 고리형 중간체는 이중결합이 있어 상당히 불안정

② 분자 내 알켄과 알카인이 있을 경우 할로젠 첨가 반응은 알켄에 우선

1-3. 할로 하이드린 형성반응

① 메커니즘

 

할로하이드린 반응

Figure. 42. 할로하이드린 반응

 

 비대칭 알카인 : 할로늄 이온 형성 후 친핵체인 물이 공격할 때 카보양이온을 많이 띠는 탄소를 공격하도록 배향 결정

2. 수화반응(hydration)

① enol형과 keto형

enol : 이중결합과 알코올이 같이 있는 구조, 즉 R2C=C(OH)R

keto : 카보닐기(혹은 알데하이드기)가 있는 구조, 즉 R2HC-CO-R

토토머화(tautomerization) : enol형과 keto형의 구조이성질체 평형반응

π 결합 C=C 결합보다 C=O 결합이 훨씬 강하기 때문에 keto형이 우세, 즉 enol은 불안정

반례 1. 4-aminopyridine은 토토머 유사반응을 진행. 아민기는 염기성이므로 enol 유사형이 우세

반례 2. enol형은 방향족성을 만족하고, keto형은 그렇지 않을 때 enol형이 우세 

② 기본 메커니즘 : Markovnikov 법칙이 성립하여 OH-가 차수가 높은 탄소에 첨가

1단계. 알카인 수화반응

 

알카인 수화반응

Figure. 43. 알카인 수화반응

 

2단계. 알켄 수화반응

 

알켄 수화반응

 

Figure. 44. 알켄 수화반응

 

3단계. 토토머화

○ 역반응도 곧잘 일어나므로 토토머화를 경유한 최종 생성물은 라세미 화합물

○ 산화·환원반응이 아니므로 산화수의 합이 바뀌지 않음  

 

토토머화

Figure. 45. 토토머화

 

③ 산 촉매 수화반응 : Markovnikov 수화, 카보양이온

(공식) 알카인의 경우 알켄의 산 촉매 수화반응 조건에 HgSO4(촉매)가 추가적으로 요구

○ 특히, 말단 알카인의 경우 반응성이 더 떨어지기 때문에 HgSO4 촉매에 상당히 의존함

탄소양이온은 sp2 혼성으로 120°의 결합각을 가져야 하므로 알켄이 탄소양이온이 되는 반응은 굉장히 불안정

○ 반응 가능한 알카인과 알켄이 있을 때, 산 촉매 수화반응의 우선순위는 알켄에 있음

 

산 촉매 수화반응


Figure. 46.
산 촉매 수화반응

 

④ 옥시수은화-탈수은화에 의한 수화반응 : Markovnikov 수화, 카보양이

 

알카인의 옥시수은화-탈수은화

Figure. 47. 알카인의 옥시수은화-탈수은화

 

⑤ 수소화 붕소에 의한 수화반응 (내부 알카인) : anti-Markovnikov 수화, syn 첨가

 

수소화 붕소에 의한 내부 알카인 수화반응

 

Figure. 48. 수소화 붕소에 의한 내부 알카인 수화반응

 

⑥ 수소화 붕소에 의한 수화반응 (말단 알카인) : anti-Markovnikov 수화, syn 첨가

 

수소화 붕소에 의한 말단 알카인 수화반응

Figure. 49. 수소화 붕소에 의한 말단 알카인 수화반응

 

3.· 염기반응

① 알케인, 알켄과 달리 알카인은 pKa 값이 충분히 낮아· 염기 반응을 일으킬 수 있음

알케인 : pKa = ~50

알켄 : pKa = 45

알카인 : pKa = 25

② 대표적인 유형 : SN2 반응(후면공격, 배위반전)

 

알카인의 SN2 반응

 

Figure. 50. 알카인의 SN2 반응

 

(공식) 1차 알카인 + 강염기 = H+ 해리

메틸 할로젠화 알킬이나 1차 할로젠화 알킬의 경우 위와 같이 SN2 반응이 일어남

2차 할로젠화 알킬의 경우 E2 제거반응이 일어남

4. 수소화 반응 

① H2 / Pt, Pd, or Ni : 알카인을 알케인까지 환원 

② syn 첨가 반응 : Lindlar 촉매 (린들러 촉매, P-2 촉매) 수소화반응

 

syn 수소첨가 반응

Figure. 51. syn 수소첨가 반응

 

(공식) H2가 H-H 상태로 Lindlar 촉매 위에 붙어 있다가 알카인에 syn 첨가 

Lindlar 촉매 : Pd, CaCO3 (혹은 BaSO4), lead (Ⅱ) acetate ((CH3COO-)2Pb2+), quinoline 등을 혼합한 촉매

알켄에서처럼 Pd 촉매 조건에서 반응이 너무 강하게 일어나 최종 생성물이 단일결합이 됨

○ 다치환 알카인일수록 반응속도가 느림 ( 입체장애가 중요)

syn 첨가 반응

Lindlar 촉매 대신에 Ni2B (P-2)도 알카인 수소 첨가 반응을 수행함

○ 다치환 알카인일수록 반응속도가 느림 ( 입체장애가 중요)

 anti 첨가 반응

 

anti 수소첨가 반응

Figure. 52. anti 수소첨가 반응

 

(공식) R-C+=C--R + (·) → R-C(·)=C--R로 변환한 뒤 H+를 C-에 붙이고 남은 탄소에 H+ anti 첨가 ( 입체장애)

○ Na(Li)가 용융하거나 수화하면 굉장히 강력한 이온화 반응을 통해 라디칼 전자를 방출

○ 용매 : NH3, 특이하게도 입체 반발에 의해 NH3가 양성자를 제공하는 산으로 작용

NH3와 같은 아민은 pKa가 40 정도이고, 알켄은 pKa가 45이므로 자발적으로 반응이 일어날 수 있음

용매로 알코올을 사용하면 Na와 반응하므로 부적절함

다치환 알카인일수록 반응속도가 느림 ( 입체장애가 중요)

○ (참고) Birch reduction과 반응조건이 유사 

5. 산화성 분해

① 가오존 분해반응 : (공식) 1. O3, 2. H2O : 삼중결합을 분리한 뒤 각각을 카르복실기(-COOH)로 연결 

 

알카인의 가오존 분해반응

 

Figure. 53. 알카인의 가오존 분해반응

 

CO2가 방출된다는 것을 암기

○ 알카인의 가오존 분해반응의 메커니즘은 정확히 밝혀지지 않음

○ 알카인의 가오존 분해반응은 다치환 알카인부터 일어남

KMnO4, K2CrO7을 처리하여 가열하는 경우

○ 가오존 분해반응과 동일한 생성물을 얻음

③ 알카인의 하이드록시화 반응

알카인에 묽은 KMnO4를 cold 조건에서 처리하면 두 번 다이하이드록시화 반응

○ 그 뒤 탈수 과정이 진행되어 1,2-다이카르보닐 형태의 구조가 됨

6. 기타 반응 내부

알카인과 말단 알카인 사이의 상호변환

 2-butyne + NH3 + NaNH2 → 1-butyne

1-butyne + KOH or NaOH → 2-butyne

 알카인의 라디칼 첨가반응 

 

 

 

6. 알켄의 제법 [목차]

할로젠화 알킬의 제거반응(E1, E2)

① 1차 RX에 t-BuOK 또는 LDA 처리 시 E2 반응에 의해 생성

② 2차 RX, 3차 RX에 강염기 처리 시 E2 반응

③ 2차 RX, 3차 RX에 약염기 처리 시 E1 반응 : SN1과 경쟁반응

 vicinal dibromo alkane의 제거반응 

알코올의 탈수반응(E1, E2) : 진한 황산, 인산, 묽은 황산, 알루미나(Al2O3)

① 2차, 3차 알코올은 E1 메커니즘에 의해 제거반응

1차 알코올은 E2 메커니즘에 의해 제거반응

③ E1 반응인 경우 보다 안정한 탄소양이온이 형성되기 위해 자리옮김반응(rearrangement reaction)이 일어날 수 있음

 알코올 + POCl3 제거반응 : E2 반응 

알카인의 환원 반응 

① 금속 촉매를 통한 알카인 수소화 반응은 알케인까지 환원

cis-alkene으로 환원 : Lindlar 촉매, P-2 촉매 사용, 퀴놀린 또는 납이 poison으로 작동

③ trans-alkene으로의 환원-용해된 금속의 환원

Wittig 반응 : 친핵체인 일라이드(ylide)와 친전자체인 카르보닐 화합물의 반응을 통해 알켄 합성

Hofmann 제거 반응 : 아민에서 알켄을 만드는 반응

⑻ Cope 제거 반응 : 치환기가 적은 알켄이 주생성물

 

 

7. 알카인의 제법 [목차]

vicinal dihalo alkane 또는 gem dihalo alkane의 제거반응

① 내부 알카인은 2몰 당량의 강염기(e.g., NaNH2, KO(CH3)3)가 필요함

② 말단 알카인은 3몰 당량의 강염기(e.g., NaNH2, KO(CH3)3)가 필요함

③ 비교적 강한 강염기가 요구되는 이유 : 알켄으로부터 수소를 제거하는 과정을 거쳐야 하기 때문

⑵ methyl ketone + PCl5를 통해 gem dihalo alkane을 만든 뒤 ⑴을 따름 

 

입력: 2019.01.11 14:07

수정: 2022.02.01 17:36