유기화학

유기화학II

대구가톨릭대학교 제약산업공학과

(5주차)

Friedel-Crafts 반응과

방향족 고리의 치환기 효과

학습내용

① Friedel-Crafts alkylation

• Friedel-Crafts alkylation의 제한

② Friedel-Crafts acylation

③ 방향족 고리의 치환기 효과

• 전자-주기 치환기

• 전자-끌기 치환기

④ 치환기 효과의 설명

Friedel-Crafts alkylation

① Benzene 고리에 알킬기를 도입하는 반응은 발견한 과학자의 이름을 따서 Friedel-Crafts 반응이라고 한다.

② 이 반응은 탄소양이온 친핵체 R⁺를 만들어 주는 AlCl₃ 존재하에서 염 화 알킬인 RCl로 처리함으로써 일어난다.

Friedel-Crafts alkylation

 메커니즘

① 친전자체(알킬 양이온) 형성

② 친전자성 치환 반응

Friedel-Crafts alkylation의 제한

1. 할론젠화 알킬만이 사용될 수 있다.

• 방향족 할로젠화물과 할로젠화 바이닐은 탄소양이온의 에너지가 높 아서 Friedel-Crafts 조건하에서는 형성되지 않기 때문에 반응이 일 어나지 않는다.

2. 카보닐기(C=O)와 같이 강하게 전자 끄는기 또는 양성자 첨가될 수 있 는 염기성 아미노기 등이 치환된 방향족 고리에서는 Friedel-Crafts 반 응이 일어나지 않는다.

3. Friedel-Crafts 알킬화 반응은 단일 치환 후에 반응이 중단되기 어렵다.

따라서 다중 알킬화가 관찰되기도 한다.

4. Friedel-Crafts 알킬화 반응이 일어나는 동안 때로는 알킬 탄소양이온의 자리옮김으로, 자리옮김 생성물과 자리옮김이 일어나지 않은 생성물이 동시에 만들어진다.

문제) Benzene과 2-chloro-3-methylbutane의 Friedel-Crafts alkylation 반응에서 생성물을 예측하시오. (단일 치환 생성물)

문제) Benzene과 1-chloro-2-methylpropane의 Friedel-Crafts alkylation 반응에서 생성물을 예측하시오. (단일 치환 생성물)

Friedel-Crafts acylation

 방향족 고리가 AlCl₃의 존재하에서 RCOCl 과의 반응에 의해 아실화된다.

① 친전자체(아실 양이온) 형성

② 친전자성 치환 반응

방향족 고리의 치환기 효과

치환기는 방향족 고리의 반응성에 영향을 준다.

 어떤 치환기는 고리를 활성화시켜 benzene보다 더 반응성이 크게 만들어 주고, 어떤 치환기는 고리를 활성감소시켜 benzene보다 반응성이 감소하게 만든다.

치환기는 아래의 세 가지가 있다.

 오쏘-, 파라-지향성 활성화기

 오쏘-, 파라-지향성 활성감소기

 메타-지향성 활성감소기

할로젠은 오쏘-, 파라-지향성이지만 약하게 활성을 감소시킨다.

문제) Toluene의 sulfonation의 생성물을 예측하시오.

문제) Nitrobenzene의 bromination의 생성물을 예측하시오.

친전자성 치환 반응 활성화

 활성화기; 고리에 전자를 주어서, 탄소양이온 중간체를 안정화시키고, 탄소양이 온 형성의 활성화 에너지를 낮추어 준다.

 활성감소기; 고리로부터 전자를 끌어당겨서, 탄소양이온 중간체를 불안정화시 키고, 탄소양이온 형성의 활성화 에너지를 높여 준다.

치환기 효과의 이유

치환기에 의한 전자 끌기와 전자 주기는 유발 효과와 공명 효과의 상호작 용에 의해 조절된다.

• 유발효과; 전기음성도에 의해 σ 결합을 통한 전자의 주기 혹은 전자의 끌기이다.

알킬기는 전자를 밀어준다 – 하이퍼콘쥬게이션 주개 효과

 공명 효과; 치환기에 있는 p 궤도함수와 방향족 고리에 있는 p 궤도함수 와의 겹침의 결과인 π 결합을 통해서 전자를 끌어당기거나 밀어주기이다.

공명 효과에 의해 전자를 끄는 기

공명 효과에 의해 전자를 주는 기

치환기 효과의 설명

유발 효과와 공명 효과가 동일한 방향으로 작용하지 않는다.

• -X, -O, -N 원자의 전기음성도 때문에 전자-끌기 유발 효과를 갖는다.

• -X, -O, -N 원자의 고립 전자쌍 때문에 전자-주기 공명 효과를 가진다.

• 하이드록시(-OH), 알콕시(-OR), 아미노(-NH₂) 치환기는 강한 전자-주기 공명 효 과가 약한 전자-끌기 유발 효과에 비해 더 강한 영향을 미치기 때문에 활성화기 이다.

• 할로젠(-X)은 강한 전자-끌기 유발 효과가 약한 전자-주기 공명 효과에 비해 더 강한 영향을 미치기 때문에 활성감소기이다.

문제) 왜 Friedel-Crafts alkylation은 다중치환 생성물을 생성하지만, Friedel-Crafts acylation은 다중치환이 일어나지 않는가?

문제) (Trifluoromethyl)benzene과 toluene을 비교했을 때, 어느 화합물이 친전자성 치환 반응에 대하여 더 좋은 반응성을 갖는가?

주요 용어

친전자성 방향족 치환 반응(electrophilic aromatic substitution), 친전 자체(electrophile), Friedel-Crafts 반응, 자리옮김 생성물, 지향성

(orientation), 방향족 고리의 반응성, 유발 효과(inductive effect), 공명 효과(resonance effect)