【유기화학】 12강. 알코올

12강. 알코올(alcohol)

 

추천글 : 【유기화학】 유기화학 목차

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1. 명명법 [본문]

2. 물리적 성질 [본문]

3. 반응 [본문]

4. 제법 [본문]

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1. 명명법 [목차]

⑴ IUPAC 명명법과 관용명이 있음

⑵ 알코올(R-O-H) 명명법

① 알코올을 포함하는 가장 긴 사슬(고리) 구조를 모체로 결정

② 탄소사슬에서 -OH기에 가장 가까운 말단에서부터 각 탄소에 번호를 매김

③ 치환기가 존재하는 경우 알파벳 순으로 명명

④ 알킬, 할로, 알켄, 알카인 등이 혼재된 경우, 작용기의 우선순위는 다음과 같음

 

-OH > 알켄 > 알카인(알켄과 숫자가 동일한 경우) > 할로젠

 

⑤ 관용명

○ 예 : propyl alcohol, butyl alcohol, sec-butyl alcohol, tert-butyl alcohol, isobutyl alcohol, neopentyl alcohol

⑶ 폴리올(polyol) : 2개 이상의 알코올

① 주사슬 이름 끝에 -diol, -triol 등의 접미사를 붙여 명명한다.

② 1개라도 더 적은 번호를 갖도록 번호를 부여하고, 알파벳 순으로 명명한다.

③ 관용명 : ethylene glycol(ethane-1,2-diol), glycerol(propane-1,2,3-triol)

 

 

2. 물리적 성질 [목차]

⑴ 알코올의 차수

① 정의 : -OH기가 붙어 있는 탄소의 차수

② 알코올의 차수↑ → 물에 대한 용해도↓

③ 알코올의 차수↑ → 분자 간 인력이 방해됨 → 녹는점 및 끓는점 감소

○ 끓는점 : 1-butanol (117 ℃) > 2-methyl-1-propanol (107 ℃) > 2-butanol (98 ℃) > 2-methyl-2-propanol (82 ℃)

○ 녹는점 : 1-butanol (-90 ℃) > 2-methyl-1-propanol (-108 ℃) > 2-butanol (-115 ℃) > 

○ 녹는점은 끓는점과 달리 분자 간 인력뿐만 아니라 쌓임성도 중요하므로 2-methyl-2-propanol의 녹는점(25 ℃)이 꽤 높음

⑵ 알코올의 끓는점

① 탄소의 개수가 많을수록 분자 간 인력이 증가하므로 끓는점이 높아짐

○ 예 : methanol (65 ℃) < ethanol (78 ℃) < propan-1-ol (97 ℃)

② 알켄, 알케인, 알카인보다 훨씬 끓는점 높음

③ 1,3-diol이 1,2-diol보다 끓는점이 높음

○ 이유 : 분자내 수소결합이 잘 형성되는 1,2-diol은 분자간 수소 결합이 상대적으로 약함

⑶ 알코올의 산도

① 용액상태에서 알코올의 산도 : methyl > 1차 > 2차 > 3차

○ 주요 암기 pK_a 

○ 메탄올(MeOH) : 15.5

○ 에탄올(EtOH) : 16

○ i-PrOH : 16.5

○ t-BuOH : 18

○ 용매화 효과(solvation effect)

○ 알킬기가 많은 알코올일수록 수소결합에 의한 용매화효과가 떨어짐

○ 그 결과 짝염기인 알콕사이드가 덜 안정화되므로 산도가 낮음

○ 유발효과

○ 유발효과로 용매상태의 산도를 설명할 수 있으나 기체상태의 산도를 설명할 수 없음

② 기체상태에서의 알코올의 산도 : methyl < 1차 < 2차 < 3차

○ 기체 상태에서는 용매화 효과가 없음

○ 알킬기가 음전하를 분산시키는 효과가 커 3차 알코올의 산도가 가장 큼

○ 일반적으로 싸이올(thiol)의 산도가 알코올의 산도보다 큼 : 편극성, 즉 크기 효과 때문

⑷ 알코올의 수소결합 세기

① 수소결합 세기 : 1차 > 2차 > 3차

② 입체장애 : 1차 < 2차 < 3차

 

 

3. 반응 [목차]

⑴ 개요  

① 반응의 핵심 : OH^-가 강산이므로 나쁜 이탈기이므로 좋은 이탈기로 만드는 과정이 있음

② 종류 1. 탈수반응 (필수암기) : S_N2 반응은 1차 또는 2차 알코올. 비 S_N2 반응은 2차 또는 3차 알코올 

○ SOCl₂ 그룹 : S_N2 반응 

○ HCl 그룹 : S_N1 반응 

○ POCl₃ (촉매 : 피리딘(pyridine)) 그룹 : E2 반응 

○ H₂SO₄ 그룹 : E1 반응 

③ 종류 2. 알코올 보호반응 및 알코올 탈보호반응

④ 종류 3. 산·염기 반응

⑤ 종류 4. 산화반응

⑥ 종류 5. 기타 반응 : 에터 합성, 에스터 합성, 피나콜 자리옮김 반응

⑵ 1-1. S_N2 반응 

① 시약 : SOCl₂, PBr₃, PCl₃, PCl₅ + 1차 또는 2차 알코올

○  1차 알코올, 2차 알코올 : X^-는 약염기이므로 E2가 아니고 S_N2 반응이 일어남

○ 2차 알코올 ＜ 1차 알코올

○ 3차 알코올 : S_N1/E1 반응이 일어나나 매우 느리므로 반응이 안 일어난다고 봄

○ (참고) 용매에 따른 알코올과 SOCl₂의 반응

○ 피리딘 용매 : 배위 반전

○ 에터 용매 : 배위 보존

○ 가설 1. 에터가 친핵체로 작용하는 경우 2번의 S_N2 반응이 일어난다는 설명

○ 가설 2. S_Ni (S_N internal ) : 분자 내 S_N2 반응에 의하여 배위가 그대로 유지된다는 설명

② SOCl₂ 메커니즘

○ 알코올을 좋은 이탈기로 만듦

 

 

 

Figure. 1. SOCl₂ 존재 하 알코올의 S_N2 반응

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 2. S_Ni 반응

 

○ 특징

○ carbocation 없음

○ 자리옮김반응 없음

○ 1, 2차 알코올과 반응 : 3차 알코올과 반응하지 않음

○ 배위반전

○ 3차 아민은 염기로서 HCl과 반응으로 친핵체인 Cl^-를 형성시켜 반응 촉진

○ 르샤틀리에 원리 : SOCl₂ 반응에서 피리딘을 쓰는 이유는 SO₂(g)를 발생시켜 정반응을 촉진시키기 위함  

○ 항상 S_N2 반응만 하는 건 아님

○ 위 메커니즘은 알코올뿐만 아니라 카르복실산에서도 발생함

 

Figure. 3. 카르복실산으로부터 아실 클로라이드를 생성하는 반응

 

③ PBr₃, PCl₃ 메커니즘

○ 알코올을 좋은 이탈기로 만듦

○ PBr₃, PCl₃ 반응에서 반응속도를 높이기 위해 약염기인 피리딘을 쓸 수 있음

○ 시약 과다사용 규제로 인해 최근에는 피리딘을 사용하지 않음

 

Figure. 4. PX₃ 존재 하 알코올의 S_N2 반응

 

○ 특징

○ carbocation 없음

○ 자리옮김반응 없음

○ 1당량의 PX₃는 3당량의 알코올과 반응 가능 

○ 1,2차 알코올과 반응 진행 : 3차 알코올과 반응하지 않음

○ 배위반전

④ PCl₅ 메커니즘

 

Figure. 5. PCl₅ 존재 하 알코올의 S_N2 반응

 

⑶ 1-2. S_N1 반응 

① 시약 : HCl, HBr, HI + 2차 또는 3차 알코올 

○ HCl은 반응이 상대적으로 약하여 ZnCl₂와 같은 촉매를 사용하여 반응시킴

○ HF ≪ HCl ＜ HBr ＜ HI

○ 1차 알코올 : S_N2 반응, X^-가 이탈기(H₃O⁺)가 떨어질 때까지 기다려주지 않고 친핵체 공격

○ 2차 알코올, 3차 알코올 : S_N1 반응, HX는 매우 강산이므로 매우 좋은 이탈기인 -OH₂⁺를 쉽게 생성

② 메커니즘

Figure. 6. HX 존재 하 알코올의 S_N1 반응

 

③ 카보양이온 : 라세미화, 자리옮김반응

④ 루카스 시험(Lucas test) : HCl과 ZnCl₂를 이용하여 1차, 2차, 3차 알코올을 구별하는 시험

○ 반응이 일어나는 용액이 흐릿해짐

○ 반응식 : ROH + HCl → RCl (촉매 : anhydrous ZnCl₂, 조건 : 상온) 

○ primary alcohol : 반응 없음 (S_N2) 

○ secondary alcohol : 5분쯤에 반응 (S_N2 and S_N1)

○ tertiary, allylic, or benzylic alcohol : 즉시 반응 (S_N1)

⑷ 1-3. E2 반응 

① 시약 : POCl₃ + 2 eq. 피리딘 + 2차 또는 3차 알코올 

○ 팁. E2 반응시약은 거의 POCl₃만 사용

○ 1차 알코올

○ 2차 알코올, 3차 알코올 : E2 반응이 일어남

② 메커니즘

 

Figure. 7. POCl₃ 존재 하 알코올의 E2 반응

 

③ Zaitsev's rull

 

Figure. 8. POCl₃ 존재 하 알코올의 E2 반응

 

⑸ 1-4. E1 반응

① 시약 : H₂SO₄, H₃PO₄, TsOH 등의 비할로겐산 + 2차 또는 3차 알코올 + heat 

○ 1차 알코올 : E2 반응 (E1도 가능)

○ 2차 알코올, 3차 알코올 : E1 반응 

② 메커니즘

 

Figure. 9. H₂SO₄, H₃PO₄ 존재 하 알코올의 E1 반응

 

③ (공식) H⁺를 O에 붙인 뒤 고리화반응을 검토, 고리화반응이 일어나지 않으면 H₂O 이탈 후 Saytzev's rull 검토

④ 탄소양이온 : 자리옮김반응, 라세미화

⑤ 한 분자 내 알켄과 -OH기가 동시에 존재하는 경우 알켄이 먼저 반응함 (∵ 알켄의 반응성 ↑)

○ 보충하자면, -OH기의 산·염기 반응은 가장 빠르게 일어나지만 역반응이 일어나 minor product를 구성할 수 있음

⑥ 1차 알코올은 동일한 시약 조건에서 E2 메커니즘에 의해 반응이 전개됨 (∵ primary carbocation인 불안정)

⑹ 2-1. 알코올 보호반응 

① 개요

○ 좋은 이탈기화 반응이라고도 함

○ 알코올 보호반응은 Grignard 시약 제조 시 이용

○ 기본적으로 에터의 제법을 이용함

② 종류 1. 설폰산 에스터 보호기 : 알코올의 이탈기 유도체로서 더 많이 사용

○ 토실화(tosylation) : TsCl (촉매 : 피리딘) + 알코올인 경우 -OH기가 -OTs가 됨 (배위보존) 

○ 반응식 : ROH + TsCl + 피리딘 → ROTs

○ TsCl : para-toluenesulfonyl chloride

○ 메커니즘

 

Figure. 10. TsCl에 의한 알코올 보호반응

 

○ 메실화(mesylation) : MsCl (촉매 : Et₃N) + 알코올인 경우 -OH가 -OMs가 됨 (배위보존)

○ 반응식 : ROH + MsCl + 피리딘 → ROMs

○ MsCl : metanesulfonyl chloride

○ 메커니즘

Figure. 11. MsCl에 의한 알코올 보호반응

 

○ 트리플릴화(triflylation) : TfCl (촉매 : 피리딘) + 알코올인 경우 -OH가 -OTf가 됨 (배위보존)

○ 반응식 : ROH + TfCl + 피리딘 → ROTf

○ TfCl : trifluoromethanesulfonyl chloride

○ ^-OTf는 유기화학에서 등장하는 이탈기 중 가장 이탈을 잘 함

○ 심지어 S_N1 반응으로 불안정한 vinyl cation을 형성할 수도 있음

○ 공통 특징 

○ 배위보존 : 알코올이 공격하므로 자기 배위가 바뀌지 않음

○ 배위보존과 절대배열(R, S) 보존은 완전히 다름을 유의

○ 알코올이 친핵체 공격을 하는 S_N2 반응 : 입체장애가 작은 1차 알코올이 우선적으로 반응

○ 염기로서 피리딘이나 Et₃N가 사용

② 종류 2. 실릴 에터 보호기 : 실리콘 화합물(실릴 에터)로서 촉매로 Et₃N를 보통 사용

○ 실리콘 화합물 : R'OSiR₃로 표시

○ TMSCl : (CH₃)₃SiCl

○ TBDMSCl : tert-SiMe₂Cl

○ 특징

○ 입체장애가 크지만 Si는 3주기로 C보다 긴 결합이 가능해 반응 진행 

○ pH 4 ~ 12에서 안정

○ imidazole이나 pyridine은 알콕시 이온을 생성시키고, 부산물인 HCl을 제거시킴 

③ 종류 3. t-뷰틸 에터 보호기

○ (공식) 1. H₂SO₄, 2. CH₂=C(CH₃)₂ (isobutylene)

○ 에터에 묽은 산으로 처리 시 안정한 이탈기로 떨어져 나가므로 쉽게 제거 가능

⑺ 2-2. 알코올 탈보호 반응

① TBAF(tetrabutylammonium fluoride), 즉 Bu₄NF를 통해 실릴 에터로부터 알코올 작용기를 복구할 수 있음

○ Si-O 결합 세기 : 약 110 kcal/mol

○ Si-F 결합 세기 : 약 140 kcal/mol

② 강산 조건을 통해 실릴 에터로부터 알코올 작용기를 복구할 수 있음

⑻ 3. 산 · 염기 반응

① 알코올의 경우 pK_a 값이 16 ~ 18로 산으로 작용할 수 있음

② ΔpK_a > 0이어야 정반응이 일어나며, ΔpK_a > 7이어야 정반응이 일방적으로 일어남

③ 반응 예

 

Figure. 12. 산·염기 반응 예

 

⑼ 4. 산화반응

① 알코올의 산화단계

 

Figure. 13. 알코올의 산화단계

 

② 1차 알코올의 강한 산화반응 : 1차 알코올을 카르복실산으로 산화시키는 반응

○ 관련 시약

○ K₂Cr₂O₇

○ H₂CrO₄

○ CrO₃ 

○ KMnO₄  

○ KMnO₄가 알코올 산화반응에서 자주 사용되지 않는 이유  

○ 크로뮴 계열 산화제는 분자 내 알켄이나 알카인을 산화시키지 않고, 알코올만을 선택적으로 산화

○ 이는 KMnO₄가 알코올 산화뿐만 아니라 알켄이나 알카인과도 반응함과 대비됨

○ Jones 시약 : CrO₃의 조합, 즉 CrO₃ + H₂SO₄ + H₂O

○ 1차 알코올의 강한 산화반응을 수행함

○ mild한 조건에서 약한 산화반응까지만 도달하기도 함

③ 1차 알코올의 약한 산화반응 : 1차 알코올을 알데하이드로 산화시키는 반응

○ 관련 시약

○ PCC(pyridimium chlorochromate) : 무수 조건

○ DMP(Dess-Martin periodinane)

○ HOCl

○ NaOCl / CH₃COOH / 0 ℃

○ Swern oxidation 시약

○ Collins 시약

○ Magtrieve 산화제 (CrO₂)

○ TEMPO

○ Ag₂CO₃

○ (공식) 1차 알코올 + NaOCl + RCOOH (예 : acetic acid) + 0 ℃ → 알데하이드

○ NaClO(차아염소산나트륨, 락스) + RCOOH → HClO

○ 메커니즘 1. R-CH₂-OH + HClO → R-CH₂-OH₂⁺ + OCl^-

○ 메커니즘 2. R-CH₂-OH₂⁺ + OCl^- → RCH₂OCl + H₂O (S_N2 반응)

○ 메커니즘 3. RCH₂OCl + :B^- → RCHO + HB + Cl^- (E2 반응)

○ (공식) 1차 알코올 + TsCl → R-OTs, R-OTs + DMSO → R-OSMe₂, R-OSMe₂ + NaHCO₃ → RCHO

○ 알데하이드 제법에 활용

④ 2차 알코올의 산화반응

○ 관련 시약

○ K₂Cr₂O₇ 

○ Na₂Cr₂O₇

○ H₂CrO₄ 

○ CrO₃ 

○ KMnO₄ 

○ PCC

○ Dess-Martin periodinane

○ DMSO / oxalyl chloride 

○ CrO₃의 2차 알코올 산화반응 메커니즘

 

Figure. 14. CrO₃의 2차 알코올 산화반응 메커니즘

 

○ HOCl의 산화반응 메커니즘

 

Figure. 15. HOCl의 산화반응 메커니즘

 

○ NaOCl의 산화반응 : 2차 알코올 + NaOCl + RCOOH (예 : acetic acid) + 0 ℃ → 케톤

○ cyclohexyl alcohol의 산화 반응 : H₂CrO₄를 기준으로, 

○ -OH기가 axial 방향으로 있을 때 산화 반응이 더 빠름

○ 이유 1. equatorial 배향으로 있는 수소를 떼기 위해 염기가 접근하는 게 더 쉬움

○ 이유 2. 크롬산 에스터가 axial로 배향 시 반응물이 더 불안정하여 활성화에너지가 더 작아지기 때문

⑤ 3차 알코올의 산화반응 : 일반적으로 산화반응이 일어나지 않음

○ 반례 : Clemmensen 환원 

⑥ 알릴, 벤질 알코올의 선택적 산화제 : MnO₂  

○ 보통의 알코올은 산화되지 않음 

⑦ 다이올(diol)의 산화성 분해 반응

○ 반응시약 : HIO₄

○ (공식) 다이올이 있을 때 탄소-탄소 결합을 끊은 뒤 각각 -OH기를 연결, 케톤이나 알데히드기 생성

 

 

Figure. 16. 다이올의 산화성 분해반응 공식

 

○ 메커니즘

○ 공통 : 5각형 전이체를 경유함

○ 경우 1. metaperiodic acid 조건

○ 경우 2. orthoperiodic acid 조건

⑽ 5-1. 에터 합성

① 대칭 에터 합성 

○ 요약 : 고온에서는 제거반응이, 저온에서는 첨가반응이 우세 

○ (not desirable) H₂SO₄, 180℃ : R-CH₂OH + H₂SO₄ → R=CH₂. 알코올의 E1 제거반응 

○ (desirable) H₂SO₄, 140℃ : R-CH₂OH + H₂SO4 → R-CH₂-O-CH₂-R

○ 단점 : 대칭 에터 합성법은 다양한 에터(즉, ROR, R'OR, R'OR')가 생성되므로 부적절

○  예외적으로 3차 알코올을 한 성분으로 사용하면 성공적으로 비대칭 에터를 합성 (∵ S_N1 반응)

② Williamson-ether 합성법 : 비대칭 에터 합성법

○ 1단계. ROH + NaH → RO^-Na⁺ + H₂

○ 2단계. RO^- + R'I → ROR' + I^- (S_N2) : R'의 입체배열은 반전됨

○ 한계 : R'X가 메틸 할라이드나 1차 할로젠화 알킬이 아닌 경우 제거반응이 우세하여 부적절

③ 알콕시 수은화-탈수은화

○ 알켄의 옥시수은화-탈수은화와 동일한 반응

○ 시약 : 1. Hg(O₂CCF₃)₂, HOCH(CH₃)₂, 2. NaBH₄, HO^-

○ Williamson-ether 합성법이 불가한 경우 유용

⑾ 5-2. 에스터 합성

① 아실 클로라이드, 산 무수물과 알코올의 반응으로 에스터 합성 

② 카르복실산과 산 촉매 반응에 의한 에스터 합성(Fischer esterification)

⑿ 5-3. 피나콜 자리옮김 반응

① 피나콜 자리옮김반응(pinacol rearrangement) : 분자내 S_N2 반응으로 배위반전 고려

 

 

Figure. 17. 피나콜 자리옮김반응 메커니즘

 

② 세미-피나콜 자리옮김반응(semi-pinacol rearrangement)

○ 유형 1. 분자내 S_N2 반응으로 배위반전 고려

 

 

Figure. 18. 세미-피나콜 자리옮김반응 유형 1

 

○ 유형 2. 탄소양이온이 형성되므로 라세미 혼합물

 

Figure. 19. 세미-피나콜 자리옮김반응 유형 2

 

○ 유형 3. 분자내 S_N2 반응으로 인한 배위반전 고려

 

Figure. 20. 세미-피나콜 자리옮김반응 유형 3

 

 

4. 제법 [목차]

⑴ 할로젠화 알킬 친핵성 치환반응

⑵ 알켄, 알카인 

① 알켄의 산 촉매 수화반응

② 알켄의 옥시수은화-탈수은화 수화반응

③ 알켄의 수소화붕소에 의한 수화반응

④ 알켄의 1,2-다이하이드록시화 

⑤ 알카인 : 수화반응 결과 enol이 생성되어 토토머화로 ketone으로 변하기 때문에 알코올 생성 불가

⑶ 케톤의 헤미아세탈, 헤미케탈 형성반응 

⑷ 산화환원반응

① NaBH₄ : 약한 환원제

○ 카르복실산을 알코올로 환원할 수 없음

○ 알데하이드를 1차 알코올로 환원

○ 케톤을 2차 알코올로 환원

○ 장시간 반응시키면 알코올을 H로 환원할 수 있음

② LiAlH₄ : 강한 환원제

○ 카르복실산을 1차 알코올로 환원

○ 케톤을 2차 알코올로 환원

○ 장시간 반응시키면 알코올을 H로 환원할 수 있음

○ 시약으로 사용되는 LiAlH₄는 NaBH₄보다 훨씬 강한 환원제

③ (공식) NaBH₄와 LiAlH₄는 환원제로 H^-를 제공하는 것으로 간주

 

 

Figure. 21. LiAlH₄에 의한 알코올 제법 예

 

○ H₂O는 H⁺ 공급원으로 다른 산으로 대체 가능

○ 카르복실산 해석 : -COOH는 일시적으로 -C⁺O^-OH가 되어 H^-가 C⁺에 붙으면 -CHO^-OH가 된 뒤 -CHO가 됨

○ 알데하이드 해석 : -CHO는 일시적으로 -C⁺O^-OH가 되어 H^-가 C⁺에 붙으면 -CH₂O^-가 됨

○ 케톤 해석 : -CO-는 일시적으로 -C⁺O^--가 되어 H^-가 C⁺에 붙으면 -CHO^--가 됨

○ 알코올 : 알코올도 환원될 수 있음, -COH는 -C⁺가 된 뒤 H^-가 C⁺에 붙어 -CH가 됨

⑸ 탄소-탄소 짝지음 반응 (유기금속시약 반응)

① 그리냐르 시약(Grignard reagent) : RMgX

○ (공식) RMgX에서 Mg가 δ⁺가 되어 R은 강한 음하전을 띰, 친전자체 탄소를 찾아 R부터 연결하고 생각

 

Figure. 22. 에스테르의 Grignard 시약 반응 예

 

○ 그리냐르 시약은 카르복실산과 반응하지 않음

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 23. 그리냐르 시약과 카르복실산^]

 

② 알킬리튬 시약(alkyl lithium reagent) : RLi

○ (공식) RLi에서 Li가 δ⁺가 되어 R은 강한 음하전을 띰, 친전자체 탄소를 찾아 R부터 연결

③ 길만 시약(Gilman reagent) : R₂CuLi

○ (공식) R₂CuLi에서 CuLi가 δ⁺가 되어 R은 강한 음하전을 띰, 친전자체 탄소를 찾아 R 1개만 연결

 

입력: 2019.01.11 15:11

수정: 2022.02.01 21:57