Chap 6 : Reactions of Alkenes

C C C

Carbocation Free radical Cabanion

Chap 6 : Reactions of Alkenes

6.1 Reactions of alkenes - An overview

6.2 Organic reactions involving reactive intermediates 6.3 Electrophilic additions

6.4 Hydroboration-Oxidation 6.5 Oxidation

6.6 Reduction

6.7 Molecules containing chiral centers as reactants or products

6.1 Reactions of Alkenes - An Overview

Alkene의 C=C 이중결합에서 일어나는 가장 특징적인 반응은 π 결합이 끊어지면서 다른 원자 혹은 원자단이 σ 결합을 형성하는 첨가 (addition)이다.

C C + H X C C

H X

H₂C CH₂

n initiator

CH₂CH_{2 n} Polyethylene

Table 6.1 : Alkene의 특징적인 첨가반응

6.2 Organic Reactions Involving Reactive Intermediates

A. Reaction coordinate diagram (반응 좌표 도표)

2단계 이상으로 일어나는 화학반응에서는 각 단계별로 이에 해당하는 transition state (전이 상태)와 활성화 에너지가 존재한다. 또한 두 가지 전이 상태 사이에는 에너지 최소점에 해당하는 반응 중간체(intermediate)가 존재한다. 활성화 에너지가 가장 큰 단계는 속도결정단계(rate-determining step, r.d.s)에 해당한다.

A + B k₁ [ Intermediate ] C + D k_-1

k₂ k_-2

Fig. 6.1 : Energy diagram for 2 step reaction

Reaction intermediate :

B. Thermodynamics (열역학) of addition reactions

어떤 화학반응이 열역학적으로 일어날 수 있는지는 Gibbs free 에너지(∆G)를 활용 하여 평형의 크기로 판단할 수 있다.

AH + B A ^- + BH⁺ Free energy difference, G^o = -RT ln K = -(2.303) (RT) log K

△G^o = △H^o - T△S^o

△G^o: constant S, T에서 측정된 에너지 △H^o: constant S, P에서 측정된 에너지 K>1, △G^o<0 (exergonic) K=1, △G^o=0 K<1, △G^o>0 (endergonic)

△H^o<0, exothermic (발열) △H^o>0, endothermic (흡열)

어떤 화학반응이 열역학적으로 발열 혹은 흡열로 일어나는지는 반응물과 생성물의 결합해리엔탈피(bond dissociation enthalphy, BDE)를 계산하여 알아낼 수 있다.

C C + Br Br C C

Br Br

351 kJ 192 kJ 2 x 301 kJ

△H^o= (351 + 192) - (2✕301) = -59 kJ/mol, exothermic reaction

6.3 Electrophilic Additions

A. Addition of hydrogen halides

Hydrogen halides (HCl, HBr, HI)는 neat(순수한) 혹은 CH3COOH (HOAc)와 같은 극성 용매 하에서 C=C의 이중결합에 첨가를 일으켜 haloalkanes을 생성한다.

CH₂ CH₂ + H Br CH₂ CH₂

Br H

Ethylene Bromoethane

(Ethyl bromide)

CH₃CH CH₂ + H Br CH₃CH CH₂

Br H CH₃CH CH₂

Br H

+

Propene 2-Bromopropane 1-Bromopropane

(not observed)

Propene에 HBr의 첨가반응은 2-bromopropane만을 생성하므로 매우 위치선택적 으로 일어난다. 일반적으로 C=C 이중결합에 HX (HCl, HBr, HI, H2O, ROH)의 첨가반응은 Markovnikov rule (마르코프니코프 규칙)에 의하여 일어난다.

▸ Regioselective reaction (위치선택적 반응) : 2개 이상의 생성물이 가능한 화학 반응에서 한 방향의 생성물이 더욱 많이 생성되는 첨가 또는 치환반응

Regiospecific reaction (위치특이적 반응) : 2개 이상의 생성물이 가능한 화학 반응에서 단지 한 방향의 생성물만 생성되는 첨가 또는 치환반응

▸ Markovnikov rule : C=C 이중결합에 HX (HCl, HBr, HI, H2O, ROH)의 첨가반응 에서 수소(H)는 수소가 더 많은 이중결합의 탄소에 첨가되는 규칙

예제 6.1 : Alkene의 첨가반응 생성물과 명명

(a) CH₃C CH₂ CH₃

+ H I

(b) CH₃

+ H Cl

◆ Mechanism of electrophilic addition (친전자성 첨가반응) of HBr to 2-butene

CH₃CH CHCH₃ + H Br

r.d.s

CH₃CH CHCH₃ H

+ Br

fast Br CH₃CH CHCH₃

H

+ CH₃CH CHCH₃

H Br

nucleophile electrophile sec-Butyl cation

nucleophile electrophile 2-Bromobutane (racemic mixture)

1st step : C=C의 π 전자가 친핵성으로 작용하여 친전자성을 갖는 수소 원자에 전자를 주면서 H-Br의 공유결합은 끊어지고, C-H의 공유결합이 새로 형성되면서 sec-butyl cation의 중간체가 생성된다.

2nd step : Bromide 음이온 (Br^-)이 친핵체로 작용하여 탄소 양이온에 전자를 주면 서 C-Br의 공유결합이 새로 형성되어 2-bromobutane을 생성한다.

Fig. 6.4 : Energy diagram for addition of HBr to 2-butene

▸ Nucleophile (친핵체) : 전자쌍을 주어 새로운 공유결합을 형성하게 하는 화학종.

친핵체는 Lewis 염기로도 작용한다.

Cl^-, Br^-, I^-, H2O, ROH, NH3

▸ Electrophile (친전자체) : 전자쌍을 받아 새로운 공유결합을 형성하게 하는 화학종.

친전자체는 Lewis 산으로도 작용한다.

H⁺, carbocation ( ^C ), radical ( ^C ), BH3, AlCl3

◆ Carbocation (탄소양이온) 의 구조와 분류

탄소 원자의 원자가 껍질에 6개의 전자를 가지고 있어 +1의 양전하를 띤 화학종

C H₃C

CH₃

CH₃ 120^o

sp²

planar(평면) 구조

tert-butyl carbocation

intermediate electrophile

C H₃C

CH₃

CH₃ C

H₃C H

CH₃ C

H₃C H

H

ethyl carbocation isopropyl carbocation tert-butyl carbocation primary (1^o) secondary (2^o) tertiary (3^o)

Fig. 6.3 : tert-Butyl carbocation의 구조

▸ Regioselectivity (위치선택성) and relative stability of carbocation

비대칭성을 가지는 alkene에 HBr을 첨가시키면, HBr의 수소는 alkene의 수소가 더 많은 탄소 원자에 결합한다. 이러한 이유는 더 안정한 carbocation이 생성될 때 활성화 에너지가 낮아 반응이 더 빠르게 일어나기 때문이다.

^{CH3CH CH2 + H Br CH3CH CH2}

H

Br

CH₃CH CH₂ H Br

Propene 2-Bromopropane

CH₃C CH₂ CH₃

+ H Br Br

CH₃ C CH₃

CH₃ CH₃ C

CH₃ CH₃ 2-Methylpropene Br

2-Bromo-2-methylpropane

◾ Stability of carbocation

C H₃C

CH₃

CH₃ C

H₃C H

CH₃ C

H₃C H

H

ethyl carbocation isopropyl carbocation tert-butyl carbocation C

H H

H methyl carbocation

Carbocation의 안정성 증가

① Inductive effect (유발효과)

전자가 부족한 양이온성 탄소에 결합되어 있는 시그마 (σ) 결합으로부터 전자가 일부분 이동되고, 이에 따라 전자가 편극화 (polarization)되는 유발 효과 (inductive effect)가 나타난다. 양전하가 비편재화(delocalization)되는 부피가 크면 클수록 양이온의 안정성은 증가한다. 따라서 양이온성 탄소에 결합된 알킬 기의 수가 증가할수록 양이온의 안정성은 증가한다.

▸ Inductive effect : 결합된 원자 사이의 전기음성도 차이로 인하여 공유결합에서 전자 밀도의 편극화가 일어나는 효과

Fig. 6.5 : CH3+와 (CH3)3C⁺의 정전기 퍼텐셜 그림

② Hyperconjugation (하이퍼콘쥬게이션)

양이온성 탄소의 비어있는 2p orbital (궤도함수) 과 인접한 알킬기의 C-C 및 C-H 결합의 σ-결합성 orbital 사이의 부분적인 겹침이 일어나 양전하가 분산되 므로 안정화된다. 양이온성 탄소에 직접 결합된 알킬기의 개수가 증가할수록 이러한 hyperconjugation 효과가 많아지므로 carbocation은 더욱 안정해진다.

Fig. 6.6 : Hyperconjugation

문제 6.2 : Carbocation의 안정성 순서

^{CH3 CH3 CH2}

문제 6.3 : HI 가 1-methylcyclohexene에 첨가되는 반응 mechanism

B. Addition of water : Acidic-catalyzed hydration (수화반응)

Alkene에 진한 H2SO4와 같은 산 촉매 하에서 H2O를 첨가하면 hydration이 일어나 alcohol이 생성된다. 이때 수소는 C=C 이중결합의 탄소 중에서 수소를 많이 가지고 있는 쪽에 첨가되는 Markovnikov 규칙이 적용된다.

CH₃CH CH₂ + H₂O H₂SO₄

CH₃CH OH

CH₂ H

Propene 2-Propanol

CH₃C CH₂ CH₃

+ H₂O H₂SO₄

CH₃C CH₃

OH CH₂ 2-Methylpropene H

2-Methyl-2-propanol

예제 6.4 & 문제 6.4 : Alkene의 hydration 생성물의 구조식

(a)

CH₃

+ H₂O H₂SO₄

(b) + H₂O H₂SO₄

◆ Mechanism for theacid-catalyzed hydration (수화) of propene

CH₃CH CH₂ + H O H H

slow CH₃CHCH₃ + O H

2^o carbocation H

CH₃CHCH₃ + O H H

fast

CH₃CHCH₃ H O H

oxonimu ion

CH₃CHCH₃ H O H

+ O H H

fast

CH₃CHCH₃ H O

O H

H H +

2-Propanol

1st step : C=C의 π 결합이 끊어지면서 H3O⁺에 전자를 주면서 수소를 뽑아내어 2차 carbocation이 생성된다. (속도결정단계)

2nd step : H2O의 nonbonding electron이 친핵체로 작용하여 carbocation의 탄소 양이온에 전자쌍을 주면서 oxonium (옥소늄) 이온을 생성한다.

3rd step : H2O의 nonbonding electron이 염기로 작용하여 oxonium 이온의 수소 를 뽑아내어 2-propanol의 주생성물이 형성되고, H3O⁺(hydronium ion) 은 촉매로 재생된다.

문제 6.5 : 1-Methylcyclohexene의 산-촉매 수화반응의 반응 mechanism

C. Carbocation rearrangement

3,3-Dimethylbutene에 HCl을 첨가시키면 예상되는 생성물인 2-chloro-3,3- dimethylbutane은 17% 밖에 얻어지지 않으며, 탄소의 골격구조가 달라진 2-chloro-2,3-dimethylbutane이 83%의 주생성물로 얻어진다. 이러한 현상은 2^o carbocation의 중간체에서 CH3 기가 1,2-위치로 이동 (1,2-shift) 하는 자리옮김 (재배열, rearrangement) 이 일어나 더 안정한 3^ocarbocation 중간체를 생성하기 때문이다.

3,3-Dimethyl-1-butene

+ H Cl Cl

Cl

2-Chloro-3,3-dimethylbutane (racemic mixture, 17%)

2-Chloro-2,3-dimethylbutane (major product, 83%) +

Mechanism :

+ H Cl 1,2-shift of CH₃ Cl Cl

2^o carbocation 3^o carbocation

이러한 carbocation의 자리옮김은 alkene의 hydration에서도 흔히 나타난다.

+ H₂O H₂SO₄

OH 3-Methyl-1-butene 2-Methyl-2-butanol

문제 6.6 : Reaction of acid-catalyzed hydration of 3,3-dimethyl-1-butene

^{+ H2O}

H₂SO₄ OH

D. Addition of bromine and chlorine

실온에서 alkene에 염소(Cl2) 와 브로민(Br2)를 반응시키면 C=C 이중결합에서 첨가 반응이 일어나 두 개의 새로운 C-Cl 또는 C-Br 공유결합이 형성된다. C=C 이중 결합에 Br2가 첨가되면 Br2용액의 붉은색이 무색으로 변하므로 C=C 이중결합의 검출에 이용된다.

CH₃CH CHCH₃ + Br Br

CH₂Cl₂ CH₃CH CHCH₃ Br Br

2-Butene 2,3-Dibromobutane

+ Br Br

CH₂Cl₂

Br

Br Br

Br +

trans-1,2-Dibromocyclohexane (racemic mixture) Cyclohexene

Anti stereoselectivity (안티 입체선택성)

예제 6.7 : 입체화학이 표시된 생성물의 구조 그리기

(a) + Br Br

CH₂Cl₂

(b) + Cl Cl

CH₂Cl₂

◆ Anti stereoselectivity and bridged halonium ion intermediate

C C Br

Br

C C Br

C C Br

Br a b

a

b

C C

C C Br

Br Br

Br

Br Br Br

Br

open carbocation

bridged bromonium ion anti- addition

◆ Reaction mechanism of bromine addition to cyclohexene

+ Br Br

Br

Br Br

Br Br

+

Br Br

R S

R S

bridged bromonium ion front side attack back side attack anti addition

Cyclohexene의 π 전자가 친핵성으로 Br에 전자를 주어 C-Br의 공유결합을 형성하 면서 open carbocation이 생성된다. 연속하여 이 carbocation은 Br의 비공유전자 쌍을 받아 octet 규칙을 만족하는 bridged bromonium 이온을 생성한다. Bridged bromonium 이온에서 Br을 포함하는 3원자 고리는 평면이므로 Br^-이 윗면에서 공격 하면서 Br⁺가 anti 방향으로 이탈되므로 (1S,2S)-1,2-dibromocyclohexane이 생성 된다. 또한 Br^-이 뒷면에서 공격하면서 Br⁺가 anti 방향으로 이탈되므로 (1R,2R)- 1,2-dibromocyclohexane이 생성된다. Br^-에 의한 윗면 공격과 뒷면 공격은 1:1로 일어나므로 (1S,2S)와 (1R,2R)의 enantiomer도 1:1로 생성되어 라세미 혼합물이 얻어진다.

E. Addition of HOCl and HOBr

H2O 존재 하에서 alkene에 Br2 혹은 Cl2를 반응시키면 C=C 이중결합에 OH와 Br 또는 OH와 Cl이 첨가된 bromohydrin 또는 chlorohydrin이 생성된다. 이때 OH는 C=C 이중결합에서 알킬기가 많은 쪽에 첨가하는 regioselectivity (위치선택성)를 보여준다.

CH₃CH CH₂ + Cl₂ + H₂O CH₃CH OH

CH₂ Cl

1-Chloro-2-propanol

+ Br₂ + H₂O

OH

H Br

OH Br H

+ ^R_R

S S

2-Bromo-1-methylcyclopentanol (racemic mixture) 1-Methylcyclopentene

Propene

◆ Reaction mechanism of Br2/H2O addition to 1-methylcyclopentene

+ Br Br

Br

Br anti addition H₂O

OH₂ Br H

R

R +

OH₂

H Br

S S

front side attack back side attack -H⁺

OH Br H

R

R +

OH

H Br

S S

racemic mixture

Bridged bromonium 이온에서 H2O는 1) Regioselectivity 측면에서는 친전자성이 더 큰 탄소에 공격하며, 2) Stereoselectivity 측면에서는 윗면 공격과 뒷면 공격을 1:1의 비율로 일으키므로 라세미 혼합물이 얻어진다.

▸ Bridged bromonium 이온의 electrophilicity : p 223

예제 6.8 : 2-Methylpropene + Br2+ H2O 반응의 주생성물 구조

F. Oxymercuration-Reduction (옥시수은첨가-환원반응)

Alkene을 H2O 존재 하에서 mercury(II) acetate [Hg(OAc)2]로 처리하면 OH와 HgOAc가 첨가된 organomercury 중간 화합물이 얻어지며, 이 화합물을 NaBH4

(sodium borohydride)로 환원하면 alcohol이 생성된다.

Hg(OAc)₂, H₂O NaBH₄

OH OH

+

1-Hexene (S)-2-Hexanol (R)-2-Hexanol

Hg(OAc)₂, H₂O NaBH₄

3,3-Dimethyl-1-butene OH OH

+

(R)-3,3-Dimethyl-2-butanol (S)-3,3-Dimethyl-2-butanol

◆ Reaction mechanism of oxymercuration-reduction of 1-hexene

AcO Hg OAc AcO Hg + AcO

electrophile

+ Hg OAc HgOAc ^Hg

OAc

H₂O HgOAc

OH2

HgOAc OH₂

+ -H⁺

HgOAc OH

HgOAc OH

NaBH₄

OH

OH H

H

+ +

bridged mercurinium ion

front side attack

back side attack

C=C 이중결합의 π 전자가 친전자체인 Hg⁺OAc에 전자를 줄 때, carbocation이 더 안정하고 HgOAc가 입체장애가 크므로 HgOAc는 less hindered 탄소에 첨가 된다. Bridged mercurinium 이온에서 Hg를 포함하는 3원자 고리는 평면이므로 H2O는 윗면 공격과 뒷면 공격을 1:1로 일으키므로 라세미 혼합물이 얻어지며, C-Hg 결합은 약하므로 약한 환원제인 NaBH4로도 쉽게 환원이 일어난다.

결과적으로 alkene의 oxymercuration-reduction에 의한 alcohol의 제조에서 1) Regioselectivity 측면에서는 more hindered alcohol이 얻어지며

2) Stereoselectivity 측면에서는 R/S = 1/1의 라세미 혼합물이 얻어진다.

또한 alkene의 oxymercuration-reduction에 의한 alcohol의 제조에서는 alkene 의 산-촉매 hydration과는 달리 중간체의 rearrangement는 일어나지 않는 특징을 보여준다.

▸1-Methylcyclopentene의 oxymercuration-reduction

Hg(OAc)₂

H₂O OH

Hg(OAc)

NaBH₄

OH

▸ Cycopentene의 oxymercuration-reduction

+ Hg(OAc)₂

Hg OAc

H₂O -H⁺

H

H HgOAc

OH

NaBH₄

H

H H

OH anti addition