【유기화학】 15강. 알데하이드 및 케톤

15강. 알데하이드 및 케톤

 

추천글 : 【유기화학】 유기화학 목차

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1. 개요 [본문]

2. 친핵성 첨가 반응 [본문]

3. 기타 반응 [본문]

4. 알데하이드 제법 [본문]

5. 케톤 제법 [본문]

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1. 개요 [목차]

⑴ 명명법 

① 알데하이드 명명법 

○ CHO를 포함하는 가장 긴 사슬이 모체

○ 알데하이드 CHO 탄소가 1번

○ 고리에 붙어 있는 알데하이드가 모체인 경우 : 접미사로 -cycloalkanecarbaldehyde로 명명

○ 사슬구조에서 알데하이드가 치환기로 취급되는 경우 : oxo로 명명

○ 고리구조에서 알데하이드가 치환기로 취급되는 경우 : formyl로 명명

○ 정식 명명법 (왼쪽)과 관용 명명법 (오른쪽)의 비교

○ methanal / formaldehyde 

○ ethanal / acetaldehyde

○ 2-bromopropanal / α-bromopropionaldehyde

○ 3-chlorobutanal / β-chlorobutyraldehyde

○ 3-methylbutanal / isovaleraldehyde

○ hexandial /

② 케톤 명명법 

○ C=O를 포함하는 가장 긴 사실이 모체

○ C=O 기에서 가장 가까운 사슬의 말단이 1번

○ 고리에 붙어 있는 케톤이 모체인 경우 : 접미사로 -cycloalkanone으로 명명

○ 사슬구조 및 고리구조에서 케톤이 치환기로 취급되는 경우 : oxo로 명명

○ 정식 명명법 (왼쪽)과 관용 명명법 (오른쪽)의 비교

○ propanone / acetone, dimethyl ketone

○ 3-hexanone / ethyl propyl ketone

○ 6-methyl-2-heptanone / isohexyl methyl ketone

○ 2,4-pentanedione / acetylacetone

○ cyclohexanone /

○ butanedione /

⑵ 반응 공통 원리

① 친핵체 공격, 친전자체 공격

② 양성자 이동(proton transfer) : 분자 내에서(intramolecularly)가 아니라 분자 간에서(intermolecularly) 일어남

③ 토토머화(tautomerization) : 에놀 ↔ 케톤

④ 마무리(work-up) : 정확한 산이나 염기를 특정할 필요 없는 유용한 키워드

⑶ 반응성 비교

① 카르보닐 화합물 반응성 비교

○ acyl halide ＞ acid anhydride ＞ aldehyde ＞ ketone ＞ ester ~ carboxylic acid ＞ amide ＞ carboxylate ion

② 작용기에 따른 케톤의 반응성 비교

 

Figure. 1. 작용기에 따른 케톤의 반응성 비교

 

○ 알데하이드가 케톤보다 불안정성 (반응성), 친전자성, 연소열이 더 큼

○ 원인 1. 입체장애(steric effect) : 작용기가 많을수록 친핵체 공격이 방해를 받으므로 친핵성도가 떨어짐

○ 원인 2. 유발효과(inductive effect) : 작용기는 하이퍼컨쥬게이션으로 작용기가 케톤 탄소에 전자를 제공하므로 

③ 기타 비교

○ 알데하이드와 케톤이 참가하는 반응은 상당히 비슷

○ 케톤이 알데하이드보다 극성이 큼

○ 이유 : 케톤의 경우 공명기여체에서 탄소양이온이 메틸기나 탄소 사슬에 의해 안정화되기 때문

○ 지방족 케톤이 방향족 케톤보다 반응성이 큼  

○ 산화환원반응에 있어서 알데하이드와 케톤의 반응성에 차이가 남

○ 이유 : 알데하이드는 추가로 산화할 수 있는 반면 케톤은 더이상 산화할 수 없기 때문

○ 예 : 은거울 반응, 펠링 반응, 베네딕트 반응은 알데하이드에서만 반응 

 

 

2. 친핵성 첨가반응 [목차]

⑴ 개요

① Bürgi–Dunitz angle : 카르보닐기의 반결합 궤도(LUMO)에 대하여 친핵체의 HOMO가 접근할 때의 각도

② 산 조건 : 카르보닐기의 친전자성을 높임

③ 염기 조건 : 친핵체의 친핵성도를 높임

④ 카르보닐 화합물에 대하여 할라이드 이온은 친핵체로 작동하지 않음

⑵ 유형 1. Y^-의 염기도가 X^-의 염기도보다 클 때

① 개요

○ 아실 클로라이드에서는 유형 1이 빈번하게 관찰됨

○ 카르복실산 등도 유형 1이 비슷하게 많이 관찰됨

○ 알데하이드 및 케톤이 유형 1의 반응을 하는 경우는 드문 듯

 

 

Figure. 2. 카르보닐 화합물 반응 유형 1

 

② 예 1. 아실 클로라이드 : Cl^-의 염기도는 굉장히 작음

 

 

Figure. 3. 아실 클로라이드의 반응

 

⑶ 유형 2. Y^-의 염기도가 X^-의 염기도보다 작을 때

① 개요

○ 알데하이드 및 케톤은 대부분 유형 2를 따름

○ (주석) 기타 반응이라고 해도 유형 2의 응용에 불과한 경우가 많은 듯

 

 

Figure. 4. 카르보닐 화합물 반응 유형 2

 

② 예 1. 산 촉매 카르보닐 첨가 반응

 

 

Figure. 5. 산 촉매 카르보닐 첨가 반응

 

③ 예 2. 염기 촉매 카르보닐 첨가 반응

 

Figure. 6. 염기 촉매 카르보닐 첨가 반응

 

④ 예 3. 아세탈 형성 반응(acetal formation) : 카르보닐 탄소 보호반응

○ 아세탈과 헤미아세탈(acetal and hemiacetal)

 

Figure. 7. 헤미아세탈, 아세탈, 헤미케탈, 케탈의 구조

 

○ 반응 메커니즘 : (공식) 케톤기 산소를 치우고 그 자리에 -OR기 두 개를 연결

 

Figure. 8. 아세탈 형성반응 예

 

○ 아세탈 형성 반응은 동일 반응조건에 대해 역반응도 일어남

○ 정반응 결과 H₂O이 생성되므로 H₂O를 제거하는 Dean-stark trap을 사용하면 수율 증가

○ 용매 : 톨루엔, 자일렌 등 비점이 높고 끓는점이 일정한 azeotropic solvent 사용 (∵ Dean-stark trap 필수 조건)

○ 반응 기질인 알코올을 과량 첨가하면 수득률이 증가 → 일반적으로 2당량 대신 과량 첨가

○ 에스터, 카르복실산, 아마이드에 대해서는 일반적인 산 조건에서 아세탈이 형성되지 않음 

○ 예 3-1.

 

Figure. 9. 아세탈 형성반응

 

○ 예 3-2.

 

Figure. 10. 아세탈 형성반응

 

○ 예 3-3. Corey-Seebach reaction : 싸이올 첨가반응

 

Figure. 11. 싸이올 첨가반응

 

○ 환원 반응 : thioacetal + H₂ / Raney-Ni (desulfurization) 

④ 예 4. 아민 첨가 반응

○ 메커니즘 : (공식) 카르보닐기(=O)를 날리고 대신 이민기(=NR)를 붙임

○ 역반응도 가능하므로 특정 지점에서 평형상태에 이름

○ pH 4-5에서 이민 형성이 가장 잘 일어남

○ 예 4-1. 일반적인 아민 첨가 반응

 

 

Figure. 12. 알데하이드 및 케톤 아민 첨가 반응

 

○ 예 4-2. p-toluenesulfonyl hydrazide (CH₃-Ph-SO₂NHNH₂)

○ 예 4-3. 엔아민(enamine) 형성 반응 

 

Figure. 13. 엔아민 형성 반응

 

○ 2차 아민은 1차 아민과 달리 iminium ion에서 떼어낼 양성자가 없으므로 알파 탄소에 결합된 수소를 뗌

○ C=N 결합세기가 C=C 결합세기보다 강하므로 1차 아민 첨가 시 이민이 형성됨

○ Stork-enamine reaction : 엔아민이 친핵체로서 알킬 할라이드, 아실 할라이드, 카보닐 화합물 등과 반응

○ 예 4-4. NaBH₃CN의 이민 환원반응 : 이민을 환원하여 아민을 만듦. =N⁺H₂ 뿐만 아니라 =N⁺R₂도 -NR₂로 환원됨

 

Figure. 14. NaBH₃CN의 이민 환원반응

 

○ 예 4-5. Wolff-Kishner reduction reaction 

○ NH₂NH₂, 강염기(e.g., KOH, NaOH), 가열 조건에서 추가적인 환원이 일어남 

○ -C=N-NH₂ (hydrazone)에 염기를 처리한 경우

○ 예 4-6. Beckmann rearrangement 

○ -C=N-OH (oxime)에 산을 처리한 경우

○ 예 4-7. Pomeranz-Fritsch reaction

 

 

Figure. 15. Pomeranz-Fritsch reaction 

 

○ benzaldehyde + 2,2-dialkoxyethylamine에서 아민 첨가 반응 및 친전자성 방향족 치환반응 (EAS) 수행

○ 예 4-8. Pictet-Spengler reaction 

 

 

Figure. 16. Pictet-Spengler reaction

 

○ 아민 첨가 반응 및 Friedel-Crafts alkylation 유사 반응 수행 

⑤ 예 5. 알데하이드와 케톤의 HCN 첨가 반응

 

 

Figure. 17. 알데하이드 및 케톤의 HCN 첨가 반응 메커니즘

 

○ 예 5-1. 벤조인 축합 반응(benzoin condensation) 

○ 예 5-2. Stetter 반응 

⑷ 유형 3. 에논(enone)과 1,2-첨가반응(1,2-addition reaction)

① 친핵체가 강한 친핵체(예 : Grignard 시약)인 경우에 해당

② 메커니즘

 

 

 Figure. 18. 에논과 1,2-첨가반응 메커니즘

 

⑸ 유형 4. 에논(enone)과 1,4-첨가반응(1,4-addition reaction, Michael addition)

① 친핵체가 약한 친핵체(예 : MeSH)인 경우에 해당

② 메커니즘

 

 

Figure. 19. 에논과 1,4-첨가반응 메커니즘

 

③ 예외 : 아실 클로라이드의 경우 친핵체가 약해도 1,2-첨가반응을 수행함

 

Figure. 20. 에논과 아실 클로라이드

 

 

3. 기타 반응 [목차]

⑴ 수소화 반응

① 예 1. 수소화 금속시약 반응 : NaBH₄ 또는 LiAlH₄ 

 

 

Figure. 21. 알데하이드 및 케톤 수소화 금속시약 첨가 반응

 

② 예 2. Pd/C 수소화 반응 : 알켄과 케톤이 있을 때 알켄이 먼저 수소화 됨 (∵ 알켄의 반응성이 더 큼)

 

 

Figure. 22. H₂ (1 eq.) 조건 하 Pd/C 수소화 반응

 

 

Figure. 23. H₂ (excess) 조건 하 Pd/C 수소화 반응

 

⑵ 산화환원반응

① 예 1. 알데하이드 및 케톤의 유기 금속시약 반응

○ 알켄과 케톤이 있을 때 유기 금속시약은 알켄에 먼저 반응 (∵ 알켄의 반응성이 더 큼)

 

 

Figure. 24. 알데하이드 및 케톤의 유기 금속시약 반응

 

② 예 2. 비티히 반응(Wittig 반응) : 알데하이드와 케톤에 대한 일라이드(ylide)의 첨가 반응

○ 일라이드 시약(ylide reagent)

○ 일라이드는 인접한 원자가 반대 극성을 갖는 분자를 지칭

○ P=C 결합 시 P 원자의 내부 d 오비탈 전자가 결합에 관여하므로 에너지가 매우 높아 전하가 분리된 zwitterion 형인 ylide가 실제 구조가 됨

 

 

Figure. 25. 일라이드 시약

 

○ 일라이드 시약 제법 : 1. Ph₃P, CH₃Br, 2. BuLi

 

 

Figure. 26. 일라이드 시약 제법

 

○ 예 2-1. (공식) 케톤의 O를 지우고 대신 C를 붙임

 

Figure. 27. Wittig 반응 예시

 

○ 예 2-2.

 

Figure. 28. Wittig 반응 예시

 

○ 장점 : 치환기가 적은 알켄이 유일한 생성물이 됨

○ 단점 : Wittig 반응은 (E), (Z) 구분없이 알켄이 생성됨 : Figure. 27.은 그렇지 않기 때문에 주목해 볼만 함

○ 해결방안

○ 일라이드의 친핵체 탄소에 EWG가 부착된 경우 반응성이 낮아 열역학적으로 안정한 알켄이 주로 생성

○ 일라이드의 친핵체 탄소에 페닐기가 부착된 경우 속도론적으로 유리한 (입체장애 ↓) 알켄이 주로 생성

③ 예 3. Horner-Wadsworth-Emmons 반응

○ (E) 알켄을 선택적으로 얻는 반응

 

 

Figure. 29. Horner-Wadworth-Emmons 반응 메커니즘

 

④ 예 4. Reformatsky reaction

○ 유기 아연 시약의 첨가 반응

○ 유기 아연 시약은 반응성이 약해 에스터 그룹과 반응하지 않음 : 그리나드 시약 및 에스터와 다름

○ Reformatsky 시약 생성 후 알데하이드나 케톤을 처리하면 첨가 반응이 일어남

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 30. Reformatsky reaction^]

 

⑤ 예 5. Cannizzaro reaction

○ α 수소가 없는 알데하이드를 강염기로 처리 시 분자 간 산화환원반응

○ benzaldehyde + KOH + H₂O → potassium benzoate (oxidized) + benzyl alcohol (reduced)

 

 

Figure. 31. Cannizzaro reaction 메커니즘

 

⑥ 예 6. Meerwein-Ponndorf-Verley reduction (Oppenauer oxidation)

○ Al(OC(CH₃)₃)₃ 촉매 하에 카르보닐기가 환원하고 알코올이 산화하는 반응

○ 반대 방향의 반응을 Oppenauer oxidation이라고 함

 

 

Figure. 32. Meerwein-Ponndorf-Verley reduction (Oppenauer oxidation)

 

⑶ 침전반응 : 알데하이드는 추가로 산화할 수 있는 반면 케톤은 더이상 산화할 수 없어 침전반응에서 차이가 생김

① 은거울 반응(silver mirror reaction, Tollens test)

 

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Figure. 33. 은거울 반응

 

○ Tollens 시약 : 무색 용액

○ 1단계. AgNO₃를 물에 녹임  

○ 2단계. NaOH 또는 KOH를 넣어 Ag를 Ag₂O로 침전시킴

○ 3단계. 암모니아 수용액을 첨가하여 은-암모니아 착이온 Ag(NH₃)₂⁺NO₃^-를 만듦 

○ 실험 과정

○ 1단계. 질산은 암모니아 용액(Tollens test)에 환원성 물질을 넣고 가열

○ 2단계. 이온 형태로 존재하던 은 이온이 환원되면서 Ag(s)가 석출됨

○ 환원당 : 금속 은이 석출됨

○ 알데하이드 : 금속 은이 석출됨

○ Ag₂O는 Ag⁺ donor로 작용 : 물에 있는 산소가 알데하이드로 이동하여 카르복실산이 생성됨

○ 케톤 : 반응하지 않음

○ 예외적으로 α-hydroxy keton과 반응

○ 아세탈 : 반응하지 않음 

○ 헤미아세탈 : 반응 

○ 이유 : 헤미아세탈은 카르보닐기와 알코올기로 분리할 수 있기 때문

② 펠링 반응 (Fehling reaction)

○ 펠링 시약 : 황산구리 오수화물(CuSO₄·5H₂O), NaOH, 로셸염(Rochelle salt, sodium potassium tartrate) 

○ 실험 과정

○ 1단계. 펠링 용액에 환원성 물질을 넣고 가열 

○ 2단계. 타타르산과 함께 이온 형태로 존재하던 구리 이온이 환원되면서 산화구리(Ⅰ)가 침전됨

○ 환원당 : 구리 침전 (황적색)

○ 지방족 알데하이드 : 구리 침전 (황적색)

○ 방향족 알데하이드 : 반응하지 않음

○ 케톤 : 반응하지 않음

③ 베네딕트 반응 (Benedict's reaction)

○ 베네딕트 용액 : CuSO₄, Na₂CO₃, 구연산 나트륨(sodium citrate)

○ 알데하이드 : 구리 침전 (황적색)

○ 케톤 : 반응하지 않음

○ 크레아틴과 요산을 산화시키지 않음

○ 포도당, 엿당, 과당 등을 산화시킴 : 검출 반응에서 용이하게 사용

⑷ 재배열 반응

① 예 1. Baeyer-Villiger oxidation : 7각 고리 구조 메커니즘

○ 개요

○ (공식) peroxy acid 하에 과잉된 산소가 알데하이드(또는 케톤)에 전달돼 카르복실산(또는 에스터)이 생성됨

○ 자리옮김반응 시 배위 보존

○ 이동 용이도(migratory aptitude)

○ H ＞phenyl ＞ 3차 알킬 ＞ cyclohexyl ＞ 2차 알킬 ＞ 1차 알킬 ＞ 메틸

○ 전자가 많은 탄소 쪽으로 산소가 삽입 (ref)

○ 1-1. acetophenone : 벤젠 고리가 반응성을 높임

○ acetophenone은 과산화산(RCO₃H)(예 : CF₃CO₃H)과 반응하여 phenyl acetate가 됨

 

 

Figure. 34. Baeyer-Villiger oxidation 메커니즘

-OH의 수소까지 고려하면 7각형이 형성됨을 알 수 있음

 

○ 1-2. mCPBA

○ RCO₃H 형태의 mCPBA가 케톤을 산화시킴

○ 전자가 많은 탄소 쪽으로 산소가 삽입

○ 알켄의 에폭시화 반응과 경쟁관계에 있으나 Baeyer-Villiger 반응이 우세

 

출처 : 이미지 클릭

 Figure. 35. mPBCA 촉매 하 Baeyer-Villiger oxidation 반응^]

 

② 예 2. Tiffeneau-Demjanov rearrangement

○ alkyl diazonium salt가 형성되면 불안정하여 carbocation을 형성 

 

 

Figure. 36. Tiffeneau-Demjanov rearrangement 메커니즘

 

③ 예 3. Johnson-Corey-Chaykovsky reaction

○ Tiffeneau-Demjanov rearrangement 반응과 경합할 수 있음

○ 예 3-1. 황 일리드를 이용한 Johnson-Corey-Chaykovsky reaction

○ 대표적인 황 일리드(sulfur ylide)의 종류는 다음과 같음

○ H₂C-S(CH₃)₂ : sulfur ylide (sulfonium) 

○ H₂C-SO-(CH₃)₂ : Corey's ylide (sulfoxonium) 

 

 

Figure. 37. Johnson-Corey-Chaykovsky reaction 메커니즘

 

○ 예 3-2. AlCl₃, CH₂N₂ 조건 하에서 케톤의 Johnson-Corey-Chaykovsky reaction

 

 

Figure. 38. AlCl₃, CH₂N₂ 조건 하에서 케톤의 Johnson-Corey-Chaykovsky reaction

 

○ 예 3-3. sulfonium ylide는 강한 친핵체이므로 1,2-첨가가 우세

 

 

Figure. 39. sulfonium ylide의 1,2-첨가

 

○ 예 3-4. sulfoxonium ylide는 약한 친핵체이므로(∵ 케톤기) 1,4-첨가가 우세

 

 

Figure. 40. sulfoxonium ylide의 1,4-첨가

 

④ 예 4. benzilic acid rearrangement

 

 

Figure. 41. benzilic acid rearrangement 메커니즘

 

⑤ 예 5. Favorskii rearrangement reaction

○ (공식) 강염기, 케톤, 불포화도 1 증가, 이탈기가 두 개 제거되는 반응

 

 

Figure. 42. Favorskii rearrangement reaction

 

 

4. 알데하이드 제법 [목차]

⑴ 알켄의 가오존분해반응 : 1. O₃, 2. Zn, H₂O or CH₃SCH₃ 

⑵ 말단 알카인의 수화반응 : 1. BH₃, 2. H₂O₂, OH^- 

⑶ Gattermann-Koch 반응을 통한 benzaldehyde 합성 : 포밀기를 위한 Friedel-Crafts acylation

⑷ 벤질 클로라이드와 나이트로메테인 음이온 간의 반응 : benzyl chloride + nitromethane anion → benzaldehyde

⑸ 1차 알코올의 약한 산화 반응 : 알데하이드까지 산화 

⑹ 다이올의 HIO₄ 산화성 분해반응 : HIO₄, H₂SO₄

⑺ 아실 클로라이드, 에스터, 나이트릴의 환원반응 

⑻ Reimer-Tiemann 반응 : CHCl₃, KOH 

⑼ Corey-Seebach 반응 경유 : thioacetal + HgCl₂, MeOH, H₂O → aldehyde

① 황 원자의 역할 : backbonding effect로 음전하 감소. 황 원자 자체가 쉽게 극성화 되어 음이온을 안정화

② Hg²⁺의 역할 : 루이스 산, 육각 구리 구조의 용매화

③ Hg²⁺가 없으면 역반응이 우세해짐

 

 

5. 케톤 제법 [목차]

⑴ 알켄의 가오존분해반응 

⑵ 알카인의 수화 반응

① 공통 : -OH기가 연결된 알카인이 수화되어 엔올(enol)이 형성된 뒤에, 토토머화를 거쳐 케톤이 생성됨

② 산 촉매 수화 반응 : H₂O, H₂SO₄ / H₂O, H₂SO₄, HgSO₄

③ 수소화 붕소 첨가-산화 반응 : 1. BH₃, 2. H₂O₂, OH^- / 1. BH₃, 2. H₂O₂, OH^-   

⑶ Friedel-Crafts 아실화 반응

 

Figure. 43. 벤젠의 Friedel-Crafts 아실화 반응

 

⑷ 2차 알코올의 산화반응

⑸ 다이올의 HIO₄ 산화성 분해 반응 : 1. HIO₄, 2. H₂SO₄

⑹ Corey-Seebach 반응 경유 : thioketal + HgCl₂, MeOH, H₂O → aldehyde

① 황 원자의 역할 : backbonding effect로 음전하 감소. 황 원자 자체가 쉽게 극성화 되어 음이온을 안정화

② Hg²⁺의 역할 : 루이스 산, 육각 구리 구조의 용매화

③ Hg²⁺가 없으면 역반응이 우세해짐

⑺ 카르복실산의 유기리튬 시약 반응 

① 그리냐르 시약, 길만시약은 카르복실산과 반응할 수 없음

⑻ 아실 클로라이드와 유기금속시약반응

⑼ 나이트릴의 유기금속 시약 반응 

⑽ 이민의 산 촉매 수화반응 

 

입력: 2019.03.29 13:54

수정: 2023.01.30 23:12