【유기화학】 18강. 아민 등

18강. 아민 등

 

추천글 : 【유기화학】 유기화학 목차

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1. 아민 [본문]

2. 이민 [본문]

3. 아자이드 [본문]

4. 질산 [본문]

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1. 아민(amine) [목차]

⑴ 개요

① 정의 : NH₃ 유도체

② 명명법 

○ 탄소수에 해당하는 alkane 뒤에 amine을 붙임

○ 2, 3차 아민의 경우 나머지 질소 원자에 결합된 치환기는 앞에 N-을 붙여 명명

○ 아민 치환기는 amino-로 표시

③ 끓는점

○ 1차 아민과 2차 아민은 동일 분자 간에 수소결합이 가능

○ 3차 아민의 끓는점 및 녹는점은 1차 또는 2차 아민보다 낮음 : 3차 아민은 자체 수소결합이 불가능하므로

○ 아민의 끓는점은 비슷한 분자량인 알코올보다 상대적으로 낮음 : 질소의 전기음성도가 낮으므로

○ trimethylamine의 끓는점 ＞ triethylamine의 끓는점 : 알킬기 가지들이 분자 간 인력을 방해하므로

○ triethylamine의 끓는점 ＜ triethylphosphine의 끓는점 : 전기음성도뿐만 아니라 편극성도 더 중요하게 관여

④ 산도

○ 기체 상태 아민 염기성 비교 : 3차 아민 > 2차 아민 > 1차 아민 (∵ EDG인 알킬기가 아민의 염기성을 강화)

○ 수용액 상태 아민 염기성 비교 : 2차 아민 > 3차 아민 > 1차 아민 (∵ 용매에 의한 안정화 효과를 고려)

○ 알킬 아민의 짝산의 pK_a는 약 10-11

○ 아릴 아민의 짝산의 pK_a는 약 4-5

○ 아릴 아민의 염기도

○ 헤테로 고리 아민의 염기도 

⑤ 아민 반전 

⑵ 반응 1. 산·염기 반응 : 아민은 염기로 작용

⑶ 반응 2. S_N2 친핵성 치환반응

① 2-1. 아민 보호반응 및 탈보호반응

○ 보호반응 : -NH₂ → -NHBoc

○ 탈보호반응 : -NHBoc → -NH₂

 

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Figure. 1. 탈보호반응 메커니즘^]

 

② 2-2. thiourea bond formation reaction 

 

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Figure. 2. thiourea bond formation reaction

 

③ 2-3. 2차, 3차 아민과 아질산과의 반응

⑷ 반응 3. 친전자성 방향족 치환반응 (S_EAr)

① 3-1. 아닐린의 친전자성 방향족 치환반응 

⑸ 반응 4. 수소화 환원 반응

① 반응 4-1. 아실화 반응 : 1. SOCl₂ 2. NH₃, 3. LiAlH₄, ether, 4. H₂O

② 반응 4-2. NaBH₃CN : 이민을 환원하여 아민을 만듦. =N⁺H₂ 뿐만 아니라 =N⁺R₂도 -NR₂로 환원됨

 

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Figure. 3. NaBH₃CN의 이민 환원반응^]

 

③ 반응 4-3. H₂ / Pt : 이민을 환원하여 아민을 만듦

⑹ 반응 5. 기타 반응

① 아민의 산화 반응

② 아질산염(NaNO₂)을 통한 다이아조늄염 생성 반응 

 

Figure. 4. 아질산염을 통한 다이아조늄염 생성 반응

 

③ 아질산염(NaNO₂)을 통한 나이트로소늄(N≡O⁺) 생성 반응

 

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Figure. 5. 아질산염을 통한 나이트로소늄 생성 반응^]

 

④ Tiffeneau-Demjanov 자리옮김반응 

⑤ diazotiation 및 Sandmeyer 반응 

⑥ Hinsberg test : 염화 설폰일과의 반응

⑦ Hofmann 제거반응 : 아민에서 알켄을 만드는 반응

 

Figure. 6. 아민의 Hofmann 제거반응

 

○ (공식 1) 1. 과량 CH₃I, 염기, 2. Ag₂O, H₂O, Δ 조건에서 아민기를 이탈하기 좋은 트리메틸아민기로 만든 뒤 제거 반응

○ (공식 2) 덩치가 작은 쪽으로 알켄을 형성함

○ (참고) Zaitsev's rull : 제거반응으로 생성된 알켄 중 다치환 알켄이 주생성물 (∵ 알켄의 안정성)

○ (참고) Hofmann's rull : 제거반응으로 생성된 알켄 중 치환기 적은 알켄이 주생성물 (∵ steric effect)

○ Hofmann 제거반응 : 4차 암모늄 또는 3차 설포늄 이온이 치환기일 때, 제거반응시 Hofmann 생성물이 주생성물임

⑧ Cope 제거 반응 (Cope elimination reaction)

○ Hofmann 제거반응은 E2 제거반응을 기초로 함 : 안티 준평면의 입체특이적 반응을 수행

○ Cope 제거반응은 5각 고리형 전이상태를 거침 

○ 3차 아민에 과산화물을 처리하면 아민기가 syn 제거되고 아민 옥사이드가 형성됨

⑺ 제법

① 하버·보슈법(Haber-Bosch process)

○ 암모니아를 공업적으로 생산하는 방법

○ N₂ : H₂를 1 : 3으로 준비하는 방법

○ 반응 1. 공기 평형 : N₂ : O₂ = 78% : 21%

○ 반응 2. 메탄 산화반응 : 2CH₄ + O₂ → 2CO + 4H₂

○ 반응 3. 메탄 산화반응 : CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

○ 반응 4. CO의 수증기 전환 반응 : CO + H₂O → CO₂ + H₂

○ 위 반응들을 조합하면 질소와 수소의 몰 비율을 1 : 3으로 할 수 있음

○ 하버·보슈법(Haber-Bosch process)

○ 촉매 : 철가루

○ 인류가 배출하는 전체 이산화탄소의 1~2%를 차지 

② 알킬 할라이드와 암모니아의 직접적 S_N2 반응에 의한 1차 아민 제법 : NH₃

③ 알킬 할라이드와 아자이드 이온의 S_N2 반응에 의한 1차 아민 제법

○ 반응 중간체인 알킬 아자이드가 폭발성이 있다는 단점 

④ Gabriel 합성법

○ (공식) potassium phthalimide, 염기 (e.g., OH^-), H₂O

○ S_N2 반응의 일종

 

 

출처 : 이미지 클릭; 2023 MDEET 18번 기출

Figure. 7. Gabriel synthesis

 

⑤ 니트로벤젠 → 아닐린 : 치환기 환원반응 이용 

⑥ 아마이드 환원 반응

⑦ 나이트릴 환원 반응

⑧ 이민 환원반응

⑨ 호프만 자리옮김 반응(Hofmann rearrangement) : Br₂, H₂O

⑩ Curtius rearrangement : acyl azide에서 isocyanate와 질소 기체가 생성되는 반응

⑪ Schmidt 자리 옮김 반응 : H⁺, -N₂, H₂O, -CO₂

⑫ Lossen 자리 옮김 반응 : Et₃N, H₂O, EtOH, H₂O

⑬ Eschweiler-Clarke 반응 : HCOOH, CH₂O 

 

 

2. 이민(imine) [목차]

⑴ 개요

① 이민은 -C=NR₂를 의미함

② 이민은 Schiff base라고도 함

⑵ 반응

① 반응 1. 수화반응 및 탈수반응

○ 1-1. 수화반응(imine hydration reaction) : 가역반응

 

 

 

Figure. 8. 아민의 친핵성 치환반응

 

○ 1-2. 탈수 반응 : HRC=N-OH와 산 무수물을 반응시키면 R-C≡N이 됨 

② 반응 2. 환원반응

○ 2-1. 수소화 반응

 

 

Figure. 9. 이민의 수소화 환원 반응

 

○ 2-2. 이민의 유기금속시약 환원반응 : 환원제로 NaBH₄, LiAlH₄ 등을 이용. 라세미 혼합물이 생성됨

 

Figure. 10. 이민의 유기금속시약 환원반응

 

○ 2-3. 이민의 선택적 환원 반응 : 환원제로 LiBH₃CN, NaBH(OCOCH₃)₃ 등을 이용

○ 2-4. 옥심의 환원반응 (예 : cyclohexanone oxime → cyclohexanamine)

③ 반응 3. Wolff-Kishner reduction reaction

○ -C=N-NH₂ (hydrazone)에 염기를 처리한 경우

○ 일반적으로 시험 문제로는 케톤기를 제거하는 반응으로 빈출됨 

 

Figure. 11. 케톤 아민 첨가 반응 + Wolff-Kishner reduction reaction

 

○ 3-1. Arndt-Eistert reaction : 카르복실산이 탄소수가 1개 증가하는 반응

④ 반응 4. Beckmann 재배열반응 (Beckmann rearrangement reaction)

○ -C=N-OH (oxime)에 산을 처리한 경우

○ nitrilium ion은 공명구조로 인해 안정 

 

 

Figure. 12. Beckmann 재배열 반응 메커니즘

 

⑶ 제법

 

 

3. 아자이드(azide) [목차]

⑴ 개요

⑵ 반응 1. 디아조늄 반응

① 1-1. Sandmeyer 반응 

○ Ph-N₂⁺ + CuBr → Ph-Br + N₂ (g)

○ Ph-N₂⁺ + KI → Ph-I + N₂ (g) 

○ Ph-N₂⁺ + CuC≡N → Ph-C≡N + N₂ (g)

○ Ph-N₂⁺ + H₃O⁺ → Ph-OH + HCl + N₂ (g) (조건 : Δ)

○ Ph-N₂⁺ + CuCl → Ph-Cl + N₂ (g)

○ Ph-N₂⁺ + Cu₂O, Cu(NO₃)₂, H₂O → Ph-OH + N₂ (g)

○ Ph-N₂⁺ + H₃PO₂ → benzene + N₂ (g)

② 1-2. Schiemann reaction

○ Ph-N₂⁺ + HBF₄ → Ph-F + BF₃ + N₂ (g) (조건 : Δ)

③ 1-3. 아릴 다이아조늄염의 짝지음 반응

○ N=N 결합을 azo 결합(azo coupling)이라고 함

○ 아조 짝지음을 이용하여 확장된 컨쥬게이션 화합물을 합성하여 염료로 활용 : congo red, para red 등

⑶ 반응 2. 재배열 반응

① 반응 2-1. Curtius rearrangement reaction

 

 

Figure. 13. Curtius rearrangement reaction

 

② 반응 2-2. Wolff rearrangement reaction

 

Figure. 14. Wolff rearrangement reaction

 

⑷ 반응 3. 아자이드-알카인 첨가환화(azide-alkyne cycloaddition)

① click chemistry라고도 하며 K. Barry Sharpless가 1998년 본격적으로 논의를 시작함

② 반응 3-1. 1,3-dipolar azide-alkyne cycloaddition

○ 100 ℃ 이상. hours-days. 열 촉매 콘쥬게이션 반응

○ R₂, R₃가 EWG인 경우 반응이 빠르게 진행

 

 

Figure. 15. 1,3-dipolar cycloaddition

 

○ 응용 1. azide + cyclooctyne

 

Figure. 16. cycloaddition with azide and cyclooctyne

 

○ 응용 2. tetrazine + trans-cyclooctene

 

Figure. 17. tetrazine과 trans-cyclooctene의 첨가환화

 

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Figure. 18. tetrazine과 trans-cyclooctene의 첨가환화

 

③ 반응 3-2. CuAAC (Copper catalyzed azide-alkyne cycloaddition)

 

 

Figure. 19. CuAAC 반응

 

④ 반응 3-3. RuAAC (Ruthenium catalyzed azide-alkyne cycloaddition)

 

 

Figure. 20. RuAAC 반응

 

⑤ 반응 3-4. SPAAC (Copper-free stain-promoted azide-alkyne cycloaddition)

○ 최근에 도입된 기술

○ 생체분자와 같은 soft한 분자에 사용할 수 있는 첨가환화 기법

⑸ 제법

4. 질산 [목차]

⑴ 제6류 위험물 

⑵ 반응 1. 니트로 벤젠의 수소 환원 반응

 

Figure. 21. 니트로벤젠의 수소 환원 반응

 

⑶ 제법

 

입력: 2019.06.11 20:53

수정: 2023.07.30 23:06