Jaewoong Lee

분자 오비탈(MO) 모형 그리기 

aromatic MO에 대해서는 frost rule을 따로 적용해야 한다. 여기서는 aromatic이 아닌 일반적인 conjugation diene or ployene에 대해 알아보도록 한다. 

알릴아민의 경우 nitrobenzene에 NO2를 환원시킬 수 있는 환원제를 사용하므로서 쉽게 만들 수 있다. 

이때 H2+Pt 촉매의 경우 벤젠고리에 치환된 C=O 를 환원시킬 수도 있으므로 선택적으로 SnCl2 + 산촉매를 사용하기도 한다. 

환원제의 종류와 효과에 대해서는 따로 자세히 다루도록 한다. 

벤젠고리 NO2의 환원 방법

1. H2 + Pt촉매 

2. metal + H+ (아래의 경우에는 SnCl2)

암모니아나 아민은 좋은 nucleophile로 작용할 수 있다. 따라서 할로젠화 알킬과 반응 할 시에 쉽게 SN2 치환반응이 일어난다. NaOH는 HX를 제거해주는 역할을 한다. 

그러나 암모니아 혹은 아민의 SN2치환반응을 통한 아민의 합성은 화학적으로 적절하지 않다. 이미 치환이 일어난 생성물에서 치환반응이 연속적으로 일어나 혼합 생성물을 만들기 때문이다. 알킬기는 EDG(전자 주는 그룹)이기 때문에 많이 치환될수록 질소를 더 강한 Nu로 만들어 준다. 아래의 경우에서 3치환, 4치환 아민이 적게 생긴 이유는 상당히 큰 alkyl chain이 steric하게 작용했기 때문이다. 

selective preparation of primary amine에는 크게 4가지 방법이 있다. 

1. Azide synthesis

2. gabriel synthesis

3. reduction 

4. Hofmann and Curtius rearrangements 

1.Azide synthesis 

azide ion은 N3- 이다. azide ion은 1차,2차 alkyl halide와 Sn2 치환 반응을 통해 alkyl azide (RN3)를 형성한다. 이때 alkyl azide는 Nucleophile이 아니기 때문에 더이상 alkyl halide와 Sn2 반응에 참여하지 않는다. NaN3를 넣을 때 Na+를 포집하는 Crown ether를 촉매로 넣어주면 반응성을 높힐 수 있다. alkyl azide는 불안정하며 폭발할 수 있다. 이 반응은 흡열반응이다.  

생성된 alkyl azide를 LiAlH4로 환원시키면 N2가 빠져나가면서 일차아민이 형성된다. 이 반응은 발열 반응이다. N2는 neutral이면서 굉장히 stable (질소 사이의 삼중결합은 220kcal/mol 정도) 하기 때문에 good leaving group이다. N2의 이탈이 이 반응의 driving force가 된다. 

2. gabriel synthesis

phthalimide alkylation을 이용한다.  phthalimide의 파란색으로 표시 된 H는 pka가 8 정도이다 (두 개의 케톤 사이의 H의 pka가 9 임을 기억하자). KOH는 이 acidic 한 proton을 때가고 질소가 음이온 상태인 Nu를 만든다. alkyl halide와 Sn2 치환 반응을 통해 imide가 생성된다. imide에 염기촉매로 가수분해를 하면 카복실산(diacid)과 일차 아민이 생성된다. 

3. reductive amination of aldehyde and ketone

케톤이나 알데하이드에 암모니아를 첨가하면 imine이 형성된다. imine에 H2/Ni 또는 NaBH4로 reduction 시켜주면 1차 아민이 형성된다. 

이민 형성 과정

<이민 형성 과정, 전형적인 카보닐 치환 반응이 일어난다.> 

<C=N 결합을 환원시킨다> 

NaBH3CN은 C=N은 환원시키지만 C=O는 환원시키지 못한다. 

4. Hofmann and Curtius Rearrangements

카복실산의 derivative는 탄소 하나를 잃으면서 일차 아민을 형성한다. 

amide에서 시작하는 반응을 hofmann rearrangement라 하고 acyl azide에서 시작하는 반응을 curtius rearrangement라고 한다. 

Hofmann rearrangement의 mechanism은 다음과 같다. 먼저 마치 할로젠화 반응 처럼 Br이 알파 탄소 위치에 치환된다. N에 달린 H는 더 acidic해지며 염기에 의해 제거된다. good leaving group인 Br- 가 떨어져 나가면서 isocynate가 생성된다. isocynate는 물과 급격하게 반응해 carbamic acid를 형성한다. 이때 H2O의 비공유전자쌍은 C 원자를 공격한다. 

carbamic acid는 불안정한 화합물 중 하나이다. O와 결합된 H는 염기에 의해 쉽게 제거되며 good leaving group인 CO2가 나가며 안정해진다.  

acyl azide는 acid chloride에 NaN3 (N3- = azide ion)을 반응시켜 쉽게 만들 수 있다. Hofmann rearrangement처럼 isocyanate 중간체가 형성된다. 이 과정에서 good leaving group인 N2가 빠져나간다. 이후 반응은 Hofmann rearrangement와 동일하다(carbamic acid 형성 이후 CO2 이탈)  

amine은 ammonia의 유도체이다. ammonia 처럼 nitrogen 원자에 고립 전자쌍을 가지고 있으며, 고립 전자쌍으로 인해 base 이며 동시에 nucleophile로 작용을 한다. 아민 화학은 질소의 고립 전자쌍에 의존한다. 

1. amine 의 명명

일반적으로 일차, 이차, 삼차 라는 용어는 탄소 원자의 치환 정도를 나타내지만 아민 화합물에서는 질소 원자의 치환 정도를 말한다. 

하나의 질소 원자에 네 개의 원자단이 결합된 quarternary ammonium salt 역시 존재가 가능하다. 이때 질소 원자는 양전하를 가진다. 

헤테로고리에 질소가 포함되어 있는 헤테로고리 아민에서 질소 원자는 항상 1번 위치가 된다. 질소가 2번 위치에 있는 경우 iso-를 접미사로 붙힌다. 

2. amine의 구조와 성질 

질소 원자는 sp3 혼성화되어 있다. 고립 전자쌍은 네 번째 모서리를 차지한다. 네 원자단이 결합한 탄소 원자의 결합각이 109도인 반면, 질소의 비공유 전자쌍이 더 큰 부피를 차지하는 vsepr 구조에 따라 109도보다는 약간 작은 각도를 가지게 된다. 

질소 원자에 세 개의 다른 치환기가 결합된 아민은 카이랄이다. 그러나 이 경우 두 개의 거울상이성질체는 pyramidal inversion=walden inversion이 일어나므로 isolate 할 수 없다. 질소 원자의 sp3-> sp2-> sp3 재혼성화가 순간적으로 일어나게 된다. 이때 두 카이랄 분자를 atropisomer 관계에 있다고 한다. 재혼성화의 에너지 장벽은 6kcal 정도이다. 

실온에서의 에너지가 19~20kcal이기 때문에 분리할 수 없다. 

일차, 이차 아민은 알코올처럼 아민 분자 끼리의 수소 결합이 가능하다. 따라서 분자량이 비슷한 다른 분자들보다 끓는점이 높다. 탄소 원자수가 5보다 작은 경우 물에 잘 녹는다.  

3.amine의 basicity

질소의 비공유 전자쌍이 아민 화학을 결정한다. 고립 전자쌍=비공유 전자쌍은 아민을 base 이면서 nu(nucleophile)로 만든다. 

아민은 산과 acid base reation을 해서 salt를 생성한다. 

amide(RCONH2)는 base로 잘 작용하지 않는다(pka= 17). 그 이유는 amide의 구조를 보면 알 수 있다. amide의 카복실기가 강한 electron withdrawing group이기 때문에 질소의 비공유 전자쌍이 N과 C 사이에 이중결합을 만드는 형태로 우세하게 존재한다. (사진에서 아래 부분). 오히려 N은 electron poor 상태로 존재하게 되고, 다른 아민들과 달리 base나 nu로 잘 작용하지 않는다. 

4. aryllamine의 basicity

질소 원자의 비공유전자쌍이 방향족 고리 안으로 들어가면서 생성된 carbanion이 resonance로 인해 안정해진다. 만약 알릴 아민에 양성자가 첨가되는 경우 resonance로 인한 stabilization energy를 잃어버리게 된다. 결과적으로 다른 알킬아민보다 아릴아민이 덜 염기성이다. 

<H가 첨가되는 경우 아릴아민은 resonance stabilization을 잃게 된다>

aromatic ring/ aryl amine 에 치환기가 붙는 경우 치환기에 종류에 따라 다르다. 

1) 치환기가 EDG(electron donating group)

acid의 관점에서 생각해보면 생성된 anion의 stability를 오히려 감소시킨다. (EDG는 오히려 anion의 electron density를 더 높혀준다) 

따라서 더 weak acid가 되고, 반대인 base의 관점에서는 basicity가 증가했다고 볼 수 있다. 

2) 치환기가 EWG(electron withdrawing group) 

마찬가지로 acid의 관점에서 생각해 보자. H+를 잃고 anion이 되었을 때 EWG는 전자를 끌어당기므로 charge neutralization 효과가 일어나 anion이 더 안정적이게 된다. 따라서 더 strong aicd가 되고, base의 관점에서는 basicity가 감소했다고 볼 수 있다.