유기화학

유기화학II

대구가톨릭대학교 제약산업공학과

(4주차)

친전자성 방향족 치환반응

학습내용

① 친전자성 방향족 치환반응

② Alkene과 방향족 화합물의 반응을 비교

③ Bromination, fluorination, chlorination, iodination

④ Aromatic nitration

⑤ Aromatic sulfonation

⑥ Aromatic hydroxylation

친전자성 방향족 치환

 방향족 화합물의 가장 보편적인 반응은 친전자성 방향족 치환 반응 (electrophilic aromatic substitution)이다. 즉, 친전자체(E⁺)가 방향족 고리와 반응하여 한 개의 수소를 치환한다.

Alkene의 반응; 첨가반응

 HCl이 알켄에 첨가될 때, 친전자성 수소가 이중 결합의 π 전자에 접근 하여 한 탄소와 결합을 형성하고, 다른 탄소에 양전하를 남겨놓는다.

 이 탄소양이온 중간체는 친핵성 Cl^- 이온과 반응하고 첨가 생성물을 생 성한다.

① 방향족 고리는 알켄보다 친전자체에 대해 훨씬 더 반응성이 작다.

② Benzene의 브로민화 반응이 일어나기 위해서는 FeBr₃와 같은 촉매가 필요하다.

③ 촉매는 Br₂ 분자를 더욱 편극화시켜 마치 Br⁺인 것처럼 반응하는 화학 종을 만들어 더욱 친전자성으로 만들어 준다.

Benzene의 bromination

 Benzene의 촉매를 이용한 친전자성 방향족 브로민화 반응의 메커니즘

친전자성 방향족 치환반응

 Benzene의 반응에서 첨가 생성물은 방향족 화합물의 안정성을 갖지 못한다.

 첨가 생성물은 상대적으로 에너지가 높고 불안정하다. (생성 ×)

 Benzene의 반응에서 치환 생성물이 유일한 생성물이다.

문제) Toluene의 단일 브로민화 반응에서 세 가지의 bromotoluene이 얻 어진다. 생성물의 구조를 그리고 명명하여라.

Aromatic fluorination

 플루오린(F₂)은 너무 반응성이 크고, 직접적인 플루오린화 반응에 의 해 플루오린이 한 개 치환된 생성물의 수득률은 너무 낮다.

 일반적으로 플루오린화 반응에 시약은 약어로 F-TEDA-BF₄로 나타내 는 시약이고 Selectfluor라는 이름으로 판매된다.

Aromatic chlorinaton

 염소화 반응은 브로민화 반응과 비슷한 조건에서 반응한다.

 방향족 고리는 FeBr₃ 존재하에서 Br₂와 반응하는 것처럼 FeCl₃ 촉매 존재하에서 Cl₂와 반응하여 chlorobenzene을 생성한다.

Aromatic iodination

 아이오딘(I₂) 자체는 방향족 고리에 대한 반응성이 없다.

 Hydrogen peroxide(H₂O₂) 또는 CuCl₂와 같은 구리 염인 산화제를 첨가해야 한다.

 이 화합물들은 I₂를 산화시켜 I⁺(더 강력한 친전자성 화학종)를 생 성한다.

Aromatic nitration

 방향족 고리는 질산 및 황산의 혼합물과 반응에 의해 나이트로화 될 수 있다.

방향족 나이트로화 반응

 방향족 고리의 나이트로화 반응은 자연계에서 일어나지 않는다.

 나이트로-치환된 생성물이 철, 주석 또는 SnCl₂와 같은 시약에 의해 환원되어 arylamine (ArNH₂)을 생성하기 때문에 중요한 반응이다.

Aromatic sulfonation

 방향족 고리는 H₂SO₄와 SO₃ 혼합물인 발연 황산과 반응에 의해 설폰화 된다.

방향족 설폰화 반응

 나이트로화, 설폰화와 같은 반응들은 자연적으로 일어나지 않는다.

 염료와 의약품 제조에 널리 사용된다. 예를 들면, sulfanilamide와 같은 설파제는 최초의 임상적으로 유용한 항생제 중의 하나이다.

Aromatic hydroxylation

 Hydroxybenzene(페놀류)을 생성하는 반응은 생물학적 경로에서 자주 일어난다.

 다른 친전자성 방향족 치환 반응과 유사하게, 하이드록시화 반응에 필 요한 “OH⁺ 대등체”로서 작용하는 친전자성 화학종을 기대할 수 있다.

문제) o-Xylene, m-xylene, p-xylene의 chlorination에서 예상되는 생성 물을 쓰시오.

문제) Benzene을 D₂SO₄로 처리했을 때, 여섯 개의 중수소가 치환되는 과정을 설명하라.

 왜 염기가 D에 전자쌍을 주지 않고, H에 전자쌍을 주는가?

- 그 이유는 중수소 동위원소 효과 때문이다.

- C-D의 결합이 C-H의 결합보다 강하다.

주요 용어

친전자성 방향족 치환 반응(electrophilic aromatic substitution), 친전 자체(electrophile), bromination, fluorination, chlorination, iodination, nitration, sulfonation, hydroxylation