Chap 2 : Alkanes and Cycloalkanes

Chap 2 : Alkanes and Cycloalkanes

2.1 The structure of alkanes

2.2 Constitutional isomerism in alkanes

2.3 Nomenclature of alkanes and the IUPAC system 2.4 Cycloalkanes

2.5 Conformations of alkanes and cycloalkanes

2.6 Cis, trans isomerism in cycloalkanes and bicycloalkanes 2.7 Physical properties of alkanes and cycloalkanes

2.8 Reactions of alkanes

2.9 Sources and importance of alkanes

2.1 The Structure of Alkanes

Hydrocarbon (탄화수소) 은 포화와 불포화로 분류되며, 포화 탄화수소에는 alkane (알케인), 불포화 탄화수소에는 alkene (알켄), alkyne (알카인), arene (아렌) 화합물이 속해 있다.

Hydrocarbon

Saturated hydrocarbon

Unsaturated hydrocarbon

Alkane (C_nH_2n+2)

Alkene (C_nH_2n)

Alkyne

(C_nH_2n-2) Arene

Methane과 ethane의 구조 : Fig. 2.2

가장 간단한 포화 탄화수소인 methane (메테인)의 구조에서 C-H 결합은 탄소의 sp³ 혼성화 orbital과 수소의 1s orbital이 bonding을 일으켜 형성된 것이며, 결합 각 (⦟HCH)은 109.5^o이고, tetrahedral (정사면체) 구조를 가진다. Ethane (에테인) 의 각 탄소도 거의 정사면체 구조를 가지며, 모든 결합각은 약 109.5^o이다.

H C H

H H

H C H

C H

H H H

Methane Ethane

CH₄ CH₃CH₃

◆ 구조식의 표현

구조식 : CH₃CH₂CH₃ (CH₃)₂CHCH₃ CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃ Propane 2-Methylpropane n-Hexane

선-각 구조식 : (Line-angle formula)

CH₃(CH₂)₄CH₃

Table 2.1 : 가지 없는 alkane의 명명, 분자식, 축소 구조식

2.2 Constitutional isomerism (구성 이성질현상) in Alkanes

Constitutional isomer (구성 이성질체) : 분자식은 같으나 구조식이 다른 화합물 탄화수소에서 분자식이 CH4, C2H6, C3H8에서는 원자들의 연결 관계가 한 가지만 가능하므로 구성 이성질체가 존재하지 않는다. 그러나 분자식이 C4H10부터는 탄소 의 골격 구조에 따라 구성 이성질체가 존재하기 시작한다.

CH₃CH₂CH₂CH₃ 분자식 : C₄H₁₀

CH₃CHCH₃ CH₃

Butane (bp - 0.5 ^oC) 2-Methylpropane (bp - 11.6 ^oC)

산소와 같은 hetero 원자를 포함하는 포화 화합물의 경우는 탄소 원자를 2개 이상 갖게 되면 구성 이성질체가 존재하기 시작한다.

분자식 : C₂H₆O

CH₃CH₂OH CH₃OCH₃

분자식 : C₃H₈O

CH₃CH₂CH₂OH CH₃CHCH₃ OH

CH₃CH₂OCH₃ Ethanol Dimethyl ether 1-Propanol 2-Propanol Ethyl methyl ether

예제 2.1 & 문제 2.1 : 두 화합물이 동일 혹은 구성 이성질체

(a) CH₃CH₂CH₂CH₂CH₂CH₃ CH₃CH₂CH₂ CH₂CH₂CH₃

(b) (c)

예제 2.2 : 분자식이 C6H14인 화합물의 5개 구성 이성질체의 선-각 구조식 작성

3-Methyloctane

2 1 4 3 6 5 8 7 1 2

3 4

5 2-Methylpentane

2.3 Nomenclature (명명) of Alkanes and the IUPAC system

A. IUPAC 체계

유기 화합물의 명명은 국제 순수 및 응용 화학회 (International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)에서 제정한 규칙을 따른다.

⦁가지 없는 탄소 원자 사슬로 이루어진 alkane (알케인)의 IUPAC명은 탄소 원자 수를 나타내는 접두사 (prefix)에 포화 탄화수소인 것을 나타내는 접미사 (suffix) -ane을 붙여 명명한다.

Table 2.2 : 탄소 수에 따른 접두사를 명명하는 IUPAC 체계

⦁가지달린 사슬의 alkane의 IUPAC명은 가장 긴 탄소 사슬을 나타내는 모체명에 치환기를 붙여 명명한다.

⦁Alkane에서 수소 원자가 1개 제거된 치환기를 alkyl group (R, 알킬기) 이라 하며, 접두사에 –yl을 붙여 명명한다.

Alkane을 명명하는 IUPAC 규칙 :

1) 가지 없는 탄소 원자 사슬로 배열된 alkane의 이름은 사슬내의 탄소 원자수를 나타내는 접두사와 접미사 –ane으로 구성되어 있다.

Propane Butane Pentane Hexane Heptane

Octane Nonane Decane

2) 가지달린 사슬의 alkane을 명명하기 위해서는 가장 긴 탄소 원자의 사슬을 모체 로 한다.

3) 모체 사슬에 결합된 각 치환기에 이름과 번호를 부여한다. 번호와 이름을 연결 시키기 위하여 하이픈 (-, hyphen)을 사용한다.

4) 치환기가 1개 있는 경우는 치환기의 번호가 가장 낮게 되도록 모체 사슬에 번호 를 붙여 준다.

5) 같은 치환기가 2개 이상 있는 경우는 먼저 나타나는 치환기가 가능한 낮은 번호 가 되도록 한다. 치환기는 개수에 따라 접두사 di-(다이, 2개), tri-(트라이, 3개), tetra- (테트라, 4개), penta- (펜타, 5개), hexa- (헥사, 6개) 등으로 나타낸다.

위치를 나타내는 번호 사이에는 쉼표(,)를 사용한다.

2 1 4 3

5

6 2,4-Dimethylhexane ¹

2 3 4 5

6 3,5-Dimethylhexane (not)

6) 2개 이상의 서로 다른 치환기가 존재하는 경우는 알파벳 순서로 치환기를 나열 하고, 먼저 나타나는 치환기가 낮은 번호가 되도록 모체 사슬의 번호를 매긴다.

만일 서로 다른 치환기들이 모체 사슬의 양쪽 끝에서 같은 위치에 있으면, 알파 벳 순서가 낮은 치환기에 낮은 번호를 매긴다.

1 7

2 3 4 5 6

3-Ethyl-5-methylheptane

7 2 1

3 5 4 6

3-Methyl-5-ethylheptane (not)

7) 접두사 di-, tri-, tetra- 등은 알파벳 순서에 포함시키지 않는다. 치환기들의 이름을 먼저 알파벳 순서로 배열한 다음 이 접두사를 삽입시킨다.

₁ ² ₃ ⁴ 5 6

4-Ethyl-2,2-dimethylhexane 2,2-Dimethyl-4-ethylhexane (not)

8) 같은 길이의 모체 사슬이 2개 이상인 경우는 더 많은 치환기를 가지고 있는 사슬을 모체 사슬로 선택한다.

₁ ²

3 4 5 6

1 2 3 4

5 6

3-Ethyl-2-methylhexane 3-Isopropylhexane (not)

⦁치환기들의 이름도 위와 동일한 규칙을 사용하여 명명된다. 가지가 없는 치환기 는 모체 alkane에서 –ane→-yl로 바꾸어 명명한다. 따라서 가지 없는 alkyl(알킬) 치환기의 이름은 methyl(메틸), ethyl(에틸), propyl(프로필), butyl(뷰틸), pentyl (펜틸) 등이 된다.

Table 2.3 : 탄소수가 1~5개인 alkyl기의 IUPAC 이름과 관용명

⦁치환기가 가지가 있는 경우는 규칙2와 규칙3에 따라 명명한다. 가지달린 치환기 의 관용명은 유기화학에서 오랫동안 관습적으로 사용해 왔기 때문에 공식적인 IUPAC 명명법에서도 관용명을 사용할 수 있다.

¹

7 8

2 1 2 3

4 5 6

4-Isopropyloctane (관용명) 4-(1-Methylethyl)octane (IUPAC명)

Isopropyl

예제 2.3 & 문제 2.3 : Alkane의 IUPAC명

(a) (b)

B. Common name (관용명)

관용명 명명 체계에서는 탄소 원자들의 배열과 무관하게 탄소 원자의 총수가 이름 을 결정한다. 처음 3개의 alkane은 methane, ethane, propane으로 IUPAC 명명과 같다. 분자식이 C4H10, C5H12, C6H14인 모든 alkane은 관용명으로는 각각 butane, pentane, hexane 이라 하며, 가지가 없을 경우는 때때로 접두사 n- (normal) 을 붙 여주며, (CH3)2CH-기의 경우는 iso, -C(CH3)3 기의 경우는 neo의 접두사를 붙여 명명한다.

CH₃CH₂CH₂CH₃ CH₃CHCH₃ CH₃

CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃ CH₃CH₂CHCH₃ CH₃

CH₃C CH₃

CH₃ CH₃ Butane

(n-Butane) Isobutane Pentane

(n-Pentane) Isopentane Neopentane

C. IUPAC 체계-명명법의 일반적인 체계

Alkane의 명명은 다른 종류의 유기 화합물을 명명하는 모체로 이용된다. 탄소 원자 의 사슬을 가지는 유기 화합물에 부여하는 모든 이름은 3가지 부분으로 이루어져 있다.

접두사 (prefix) - 삽입사 (infix) - 접미사 (suffix)

1) 접두사는 모체 사슬을 구성하는 탄소 원자의 수를 표시한다. (Fig. 2.2) 고리 화합물의 경우는 접두사 앞에 cyclo 를 붙여준다.

2) 삽입사는 모체 사슬에 있는 탄소-탄소 결합의 특성을 나타낸다.

모두 단일결합 : -an-(-에인-), 1개 이상의 이중결합 : -en-(-엔-), 1개 이상의 삼중결합 : -yn-(-아인-)

3) 접미사는 화합물이 속한 계열 (class)을 표시한다.

탄화수소(hydrocarbon): -e, 알코올(alcohol): -ol, 알데하이드 (aldehyde): -al 아민(amine): -amine, 케톤(ketone): -one, 카복실산(carboxylic acid):-oic acid

CH₂ CHCH₃ CH₃CH₂OH CH₃CH₂CH₂CH₂COH O

HC CH OH

O

Propene Ethyne Ethanol Pentanoic acid

문제 2.4 : 알맞은 접두사, 삽입사, 접미사를 묶어서 화합물의 IUPAC 명명

(a) CH₃CCH₃ O

(b) CH₃(CH₂)₃CH O

(c) OH (d)

D. 탄소 원자와 수소 원자들의 분류

탄소는 탄소 원자에 결합된 탄소 수가 1개이면 일차(primary, 1^o), 2개이면 이차 (secondary, 2^o), 3개이면 삼차(tertiary, 3^o), 4개이면 사차(quaternary, 4^o)로 분류 된다. 수소들도 각 수소가 결합하고 있는 탄소의 형태에 따라 일차, 이차, 삼차로 분류된다.

CH₃ CH₂ CH₃

CH₃ C CH₃

CH₃

CH₂ CH CH₃

CH₃ 1^o carbon 2^o carbon

1^o carbon

3^o carbon 4^o carbon

2^o carbon Propane

2,2,4-Trimethylpentane

2.4 Cycloalkanes (사이클로알케인)

A. Structure and nomenclature

탄소 원자들이 결합하여 고리를 형성하고 있는 탄화수소를 고리형 탄화수소 (cyclic hydrocarbon)라고 하며, 고리를 구성하는 모든 원자가 탄소일 때 cycloalkane (사이클로알케인) 이라 한다. Cycloalkane은 같은 수의 탄소 원자들을 가진 alkane 보다 수소의 개수가 2가 적으며, 일반식은 CnH2n이다.

H₂C H₂C

CH₂ C

C C H H

H H

H H

Cyclopropane Cyclobutane Cyclopentane Cyclohexane Cycloheptane

Cycloalkane의 명명 :

1) Cycloalkane의 이름은 해당하는 열린사슬 alkane의 이름 앞에 접두사 cyclo- (사이클로-) 를 붙이고, 고리에 결합된 각 치환기의 이름을 붙여서 명명한다.

2) Cycloalkane 고리에 치환기가 1개이면 번호를 붙일 필요가 없다.

치환기가 2개이면 알파벳 순서가 낮은 치환기가 1번이 되며, 치환기가 3개 이상 이면 치환기의 번호들이 가장 작은 조합이 되도록 고리에 번호를 매기고 알파벳 순서로 나열한다.

(1-Methylethyl)cyclopentane Isopropylcyclopentane

1 2

1 2

2 1 3

4 5 6

1-Ethyl-4-(1,1-dimethylethyl)cyclohexane 1-tert-Butyl-4-ethylcyclohexane

1 3 2 4

5 6

2

1 3 4

5 6

2-Ethyl-1,4-dimethylcyclohexane 1-Ethyl-1-methylcyclopropane (1-Methylpropyl)cycloheptane

1 2 3

B. Bicycloalkane (바이사이클로알케인)

두 개의 고리가 2개의 탄소 원자를 공유하고 있는 alkane을 bicycloalkane (바이사 이클로알케인) 이라 한다. 공유된 탄소 원자들을 bridgehead carbon (다리목 탄소) 이라 부르고, 이 탄소 원자들을 연결하는 탄소 사슬을 bridge (다리) 라고 부른다.

Bicycloalkane의 분자식은 해당하는 cycloalkane보다 수소가 2개 적으며, 일반식은 CnH2n-2가 된다.

Bicycloalkane의 이름은 크기가 더 큰 고리의 공유된 탄소 원자를 1번으로 시작하 여 번호를 부여한 후, 공유되지 않은 탄소 수를 큰 고리부터 표시하여 명명된다.

2 1 3 4 5 6 7

9 8

탄소가 없는 다리

2 1 3 4 5 6

탄소가 없는 다리

78 109

1 2 3

4 5 6 7

2 1

3 4 5

6 7

탄소가 1개인 Bicyclo[4.3.0]nonane 다리

(Hydrindane)

Bicyclo[4.4.0]decane (Decalin)

Bicyclo[2.2.1]heptane (Norbornane)

다리목 탄소

문제 2.7 : 4개의 bicycloalkane에 대한 분자식 및 구성 이성질체 판별

(a) (b) (c) (d)

Thujane Carane Pinane Bornane