Jaewoong Lee

에터는 두개의 organic group(alkyl, aryl, vinyl)이 같은 산소 원자에 결합되어 있는 작용기이다. 에터 분자 내의 쌍극자 모멘트가 O쪽으로 향해있지만 그 크기가 작기 때문에 non polar에 가깝다. 한편 용매는 inert 하고 homogenoeus solution 을 만드는 것이 좋다. 따라서 에터는 용매로 사용되기에 적절하다. 

참고로 Tetrahydrofuran는 furane보다 4개의 수소가 더 많기 때문에 다음과 같이 부른다. 

에터의 합성 

에터의 합성법에는 크게 3가지 방법이 있다. 

1) 두 알코올의  

huckel's rule은 단일고리의 aromaticity를 정의한다. 

huckel's rule 

1. cyclic 

2. conjugation = p orbital이 고리의 원자마다 있어야 한다. 

3. planar ; 정확하게 표현하자면 p 오비탈의 겹침이 일어날 수 있을 정도의 planar이어야 한다.

4. (4n+2)개의 pi electrons 을 가져야 한다. 

aromatic < non aromatic < anti aromatic 순으로 에너지 준위가 높다. 즉 불안정하다. 

또한 유기화학에서 불안정은 반응성을 뜻하기도 한다. 

cyclobutadiene의 경우 1.cyclic이고 2.conjugation system이 있으며 3. planar 하지만 4n개의 pi electron이 있는 anti aromatic이다. 

실제로 이 화합물은 꽤 불안정하며 실온에서도 빠르게 반응한다. 

benzene의 경우 cyclic, conjugation, planar, 4n+2 개의 pi electron으로 aromatic이다. 벤젠은 다른 cyclic 화합물에 비해 안정하다. 

먼저 (b) cycloheptatrienyl carboaction 부터 살펴보자. cyclic 이고, conjugation 되어 있다. carbocation이 sp2 혼성을 이루면서 전자가 없는 빈 p오비탈이 존재한다. 따라서 planar 하며 총 6개 즉 4n+2개의 pi electron을 갖는 aromatic 화합물이다. 

(a) cyclooctatetraene의 경우 cyclic이고, conjugation 되어 있다. 평면의 그림으로 볼 때에는 cyclooctatetraene이 충분히 planar하고, 4n(8)개의 전자가 있는 anti aromatic 화합물로 보인다. 그러나 실제로 cyclooctatetraene은 일반적인 nonconjugated alkene처럼 반응한다. 

위에서 말한 aromatic < non aromatic < anti aromatic의 에너지 준위를 이용해 물질의 상태와 반응을 어느정도 예측할 수 있다. 화합물은 더 안정한 상태가 되려고 한다. cyclooctatetraene은 anti aromatic이 되는 것을 막기 위해 평면성을 포기하고 굽은 형태로 존재하는 non aromatic 화합물이 된다. conjugation이 되었다면 각 분자들 사이의 결합 길이가 모두 같거나, 거의 비슷해야 하는데 cyclooctatetraene의 결합 길이가 1.5A와 1.3A로 다른 것을 확인할 수 있다. 

cyclopentadiene의 경우 sp3 혼성화된 탄소때문에 planar하지 못하게 된다( VSPER의 결합각도를 떠올리면 쉽게 이해된다.) 따라서 aromatic도, antiaromatic도 아닌 non aromatic 화합물이다. 

한편 위에서 말한 에너지 준위를 기반으로 생각해보면, sp3 탄소의 수소는 strong acid일 것이다. 저 수소가 떨어진다면 cyclopentadienly carboanion은 aromatic이 되면서 안정해질 것이기 때문이다. 실제로 sp3 탄소의 수소의 pka는 15정도이다. 

cyclopropenyl carbocation의 경우 aromatic의 4가지 조건을 모두 만족, 즉 huckel's rule에 부합하기 때문에 안정하다.

아래의 화합물은 Br이 제거반응으로 떨어저나가는 경우 aromatic 화합물이 만들어지기 때문에 생성물쪽으로 평형 반응이 쏠려있다. 

더군다나 Br-이온은 good leaving group 중 하나이기 때문에 평형이 생성물쪽으로 치우치는 것을 돕는다. 

반면 아래의 화합물 역시 good leaving group인 I가 결합되어 있지만 여기서는 반응이 잘 일어나지 않는다. 그 이유는 I가 떨어지고 나간 뒤 생긴 생성물이 antiaromatic이 되면서 기존의 화합물(non aromatic)보다 불안정해지기 때문이다. 

그렇다면 왜 aromatic은 안정하고 anti aromatic은 불안정한가? 그리고 어떠한 화합물이 aromatic인지 anti aromatic인지 알 수 있는 다른 방법은 없을까?

분자 오비탈 (molecular orbital theory)이 이에 대한 해답을 제시한다.  

일반적인 알켄의 C=C 이중 결합에서 Br2는 쉽게 첨가반응이 일어난다. 전자가 상대적으로 많은 알켄은 Nuclophile, 전자가 상대적으로 적은 루이스 산인 Br2는 electrophile(by self disosication)로 작용한다. 고리형 중간체를 형성하며 anti 생성물이 만들어진다. 

그러나 벤젠의 C=C 이중결합에서는 Br2 첨가반응 대신 치환반응이 일어난다. 

H2와 금속촉매(Pt, Pd, Ni 등)을 이용한 알켄의 환원반응(수소화반응)이다. styrene에서 벤젠고리 밖의 이중결합은 온화한 조건에서도 쉽게 환원되지만 벤젠 고리 속의 이중결합을 환원시키기 위해선 고온 고압의 극단적인 조건이 필요하다. 

이러한 반응이 일어나는 이유를 결론부터 말하자면 벤젠의 aromaticity 때문이다. 

C=C 이중결합에 H2를 첨가시키면 (수소화 반응) 118KJ/mol의 에너지가 방출된다. 즉 C=C 이중결합이 118KJ의 bond 에너지를 가지고 있다. 

따라서 C=C 이중결합을 세 개 가지고 있는 benzene의 경우 cyclohexane 보다 118*3=356KJ 만큼 불안정할 것으로 기대된다.  

그러나 실제로 benzene은 cyclohexane보다 206KJ만큼만 불안정하다. 즉 150KJ/mol 만큼의 차이가 생긴다. 벤젠은 C=C 이중결합을 세 개 가진 다른 물질보다 150KJ만큼 더 안정(stable)하다. 이 에너지를 resonance stabilization energy라고 부른다. 벤젠의 공명 구조 때문에 안정해지는 energy이다. 

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)  

aromatic compound의 electrophilic aromatic substitution 위치

aromatic compound은 electrophilic과 substitution반응을 할 수 있다. 

이때 반응 위치를 결정하는 원리는 간단하다. 

"반응이 가능한 위치에 치환이 되었다고 가정하고, 가장 많은 공명구조가 그려지는 위치에서 반응이 우세하게 일어난다."

aromatic compound가 heteroaromatic 이든 monoaromatic 이든 상관 없이 모두 적용되는 규칙이다. 

가장 많은 공명구조가 존재한다는 것은 그 위치에서 양이온 중간체가 제일 안정하다는 뜻이다. 

example) 나프탈렌의 반응 위치 

다른 쪽 benzene ring의 aromaticity를 유지하면서 공명구조를 그려주어야 한다.

유기화학의 stability 판단기준

1. inductive effect

by electronegativity

2. resonance effect

1) c-c=c-c= double single bond

2) c=c-x (non bonding electron)

3) c=c-c (carbon radical, carbocation, carboanion)

4)hyper conjugation

+ size effect

3.strain 

1)angle strain  

2)torsional strain 

3)steric strain
 

이 기준들은 유기화학에서 stability, reactivity 등 판단의 기준이 된다.

unstable 할 수록 더 reactive 한 것이므로 stability를 기준으로 설명을 하도록 한다. 

여기서 말하는 stability는 molecular, radical, cation, anion 등에 상관없이 판단의 기준이 될 수 있다.   

일반적으로 inductive effect < resonance effect < strain 순으로 stability에 영향을 준다. 

carbocation의 안정성을 예시로 들어보자. c+ ( carbocation)의 안정성 순서는 

benzyl = allyl > 3도 > 2도 > 1도 > ch2+  순서이다.