전자가 풍부한 친핵체(Nu:)가 이탈기(Lv)를 치환
• 친핵체 : Lewis 염기, 전자쌍을 주는 분자/이온(풍부한 전자를 가지고 있음.)
• 친전자체 : Lewis 산, 전자쌍을 받는 분자/이온
이탈기(Lv) : 치환에 의해 교체되거나 제거에서 잃어버리는 기
• 이탈 후 안정한 음이온이나 안정한 화학종을 형성
• 통상 전기음성적인 기(※ 대부분의 경우 Halogen 족 원자)
※ 모든 친핵체나 이탈기가 음으로 하전 되어 있지는 않음.
※ 모든 친핵체가 모든 친전자체와 반응하지는 않음.
친핵성 치환(Nucleophilic Substitution)
Nu:
─+ ｜
─ C ─
｜ Lv ｜
─ C ─
｜ Nu:
─+ Lv
─친핵성 치환
이탈기 친핵체
(Lewis 염기)
친전자체 (Lewis 산)
‥
Cl：
‥
+
‥
- O：
‥H + δ
+CH
3─
‥-
：Cl：
δ
─CH
3─
‥O
‥
H
Halogen과 인접한(β) 탄소에서 H 원자가 제거되는 반응
Bronsted 염기로 작용하여 β 탄소에서 H 원자(즉, Lewis 산)를 제거
※ Bronsted 염기 = 친핵성 → 친핵성 치환과 β-제거는 서로 경쟁반응 β-제거(β-elimination)
‥
- O:
‥+ CH
3CH
2Na
+‥
Br:
‥
친핵성 치환
β-제거
‥
O
‥
CH
2CH
3+ Na
+ ‥- :Br:
‥Ethoxide Anion이 친핵체 로서 C를 공격
중성
친핵체가 음전하(OH─, HC≡C─) → 치환반응의 생성물은 중성
친핵체가 중성(NH3, CH3OH) → 치환반응의 생성물은 양전하
N≡C─, HC≡C─ 의 친핵성 치환반응 → 새로운 C-C결합 형성(7.5A절)
A. SN2 Mechanism
사슬의 말단에서 결합의 절단과 형성이 동시에 발생 → 친핵체가 이탈기의 이탈에 도움을 줌 → 2분자 반응 → Haloalkane과 친핵체가 모두 속도결정 단계에 관여
※ S : 치환(Substitution), N : 친핵성(Nucleophilic), 2 : 이분자 반응(bi-molecular Rxn) S
N2 반응(2분자 친핵성 치환반응)
Nu:
친핵체가 이탈기의 반대 방향에서 반응 중심인 탄소를 공격(Backside Attack) ※ 전이상태의 점선 : 부분적으로 형성 혹은 절단되는 결합을 표시
C─Br 결합의 극성화 → C에 부분 양전하(δ
+) 발생
A. SN2 Mechanism
A. SN2 Mechanism
C─Lv(Br) 결합이 이온화 → 3차 탄소양이온 중간체 생성
Lv 이탈 시 친핵체의 도움이 없음 → 상대적으로 늦은 반응속도(속도결정 단계)
B. SN1 Mechanism
1 단계(탄소양이온 중간체 생성)
C─Lv의 결합 절단이 일어난 후 C-Nu:의 결합이 형성(1분자 반응) → Haloalkane 만이 속도결정 단계에 관여
※ 가용매분해(Solvolysis) : 친핵체(MeOH)가 용매의 역할을 같이 수행 CH3 CH3
｜ ｜
H3C─C─Br + CH3─OH H3C─C─O─CH3 + HBr ｜ ｜
CH3 CH3 SN1 반응(1분자 친핵성 치환반응)
3차 탄소양이온 중간체 + MeOH → Oxonium Cation 형성(양이온이 O위에 존재)
친핵체가 평면형인 탄소양이온 중간체의 양쪽 면을 동일하게 공격 2 단계(Oxonium Ion 형성)
B. SN1 Mechanism
양성자가 Oxonium Cation으로 부터 MeOH로 이동 → tert-butyl methyl ether 생성 3 단계(최종 생성물 형성)
B. SN1 Mechanism
SN2 반응속도론 SN1 반응속도론
1. SN2 및 SN1 Mechanism의 반응속도론과 입체화학 ?
2. Haloalkane의 구조, Lv, 및 친핵체가 반응속도에 주는 영향 ? 3. 용매의 역할 ?
4. 골격 자리옮김(Skeletal Rearrangement)을 일으키는 조건 ? 반응 Mechanism을 비교하는 수단
1. 반응물 농도 변화 → 반응속도 2. Chiral 중심에서 치환반응 → 생성물의 입체화학 조사
A. 반응속도론 및 입체화학
1st order reaction
실험방법
2nd order reaction
반응물 : Chiral 중심 C와 Lv가 결합된 Haloalkane
중간체 : 평면형 탄소양이온 생성
친핵체가 Chiral 중심인 C의 앞뒤를 동일하게 공격 → Racemic혼합물 생성 S
N1 입체화학
A. 반응속도론 및 입체화학
Lv 이탈 시 짧은 시간 동안 Ion Pair에 의해 탄소양이온과 회합
Lv는 친핵체의 접근을 방해
Lv의 반대쪽 방향에서 탄소양이온에 대한 친핵체의 공격이 유리
Chiral 중심에서 배위가 반전된(Lv의 반대쪽이 치환된) 생성물이 우세하게 생성 → Lv의 반대쪽이 치환된 생성물이 50% 이상 형성
A. 반응속도론 및 입체화학
S
N1 입체화학
친핵체의 접근이 용이 Cl ion의 쌍전자가
친핵체의 접근을 방해
모든 S
N2 반응은 친핵체가 Lv에 결합된 C의 뒤쪽에서 공격
배열이 반전된 생성물을 형성 S
N2 입체화학
A. 반응속도론 및 입체화학
탄소양이온 안정도 : 3차(낮은 활성화Energy) > 2차 > 1차(높은 활성화Energy : 매우 불안정)
Allyl성 탄소양이온 : 공명에 의해 안정화(2차 Alkyl 양이온과 비슷)
Benzyl성 탄소양이온( ) : Allyl성 탄소양이온 거의 동일한 안정성
sp2 혼성화된 탄소와는 드물게 반응, sp 혼성화된 탄소와는 반응 안함.
SN1 반응의 속도 : 전자적 요인(탄소양이온 중간체의 상대적인 안정성)에 의해 지배
SN2 반응의 속도 : 주로 입체적인 요인에 의해 지배 → 부피가 큰 치환기에 특히 민감
※ 입체장애(Steric Hindrance) : 분자 내의 반응자리에 접근을 방해하는 치환기의 능력
B. Haloalkane의 Alkyl 부분의 구조
Allyl 양이온 양전하(푸른색)는 탄소 1과 3에 있다.
비슷한 안정도 SN1 고찰
+ C6H5─CH2
B. Haloalkane의 Alkyl 부분의 구조
2차 Allyl 성 탄소양이온
3차 Allyl성 탄소양이온
→ 보다 큰 기여
1차 Allyl 성 탄소양이온
3차 Allyl성 탄소양이온
→ 보다 큰 기여
B. Haloalkane의 Alkyl 부분의 구조
Lv와 결합된 C의 반대쪽에서 친핵체가 접근 → 입체장애에 의한 반응성에 영향이 큼.
Methyl & 1차 Haloalkane : 탄소양이온 생성이 대단히 불안정 ⇒ SN2 반응만 일어남.
(※ 3차 Haloalkane : 탄소양이온 안정도 ↑ & 입체장애 ↑ ⇒ SN1 반응만 일어남.)
2차 Haloalkane : 친핵체와 용매에 따라 SN1 혹은 SN2 반응이 일어남.
SN2 반응은 sp2 나 sp 혼성화된 C에서는 발생 안 함.
※ Vinyl Halide(C=C─X), Allyl Halide(C=C─C─X), Akynyl Halide(C≡C─X) : 치환반응 안 함.
SN2 고찰
친핵체 공격방향 친핵체 공격방향
β-탄소에 Methyl 치환기가 첨가될수록 S
N2 반응의 속도는 감소
• α-탄소 : Haloalkane에서 Halogen과 연결된 탄소
• β-탄소 : α-탄소에 인접한 탄소
B. Haloalkane의 Alkyl 부분의 구조
B. Haloalkane의 Alkyl 부분의 구조
부분적인 음전하 → 이탈기의 능력은 음전하의 안정성이 관건
가장 안정한 음이온이면서 가장 좋은 이탈기는 강산의 짝염기(약염기)이다.
C. 이탈기(Lv)
이탈기(Lv)
매우 나쁜 이탈기(이탈기로서 적용 안 됨.) 친핵성 치환 반응에서 거의 치환 안 됨.
용매(Solvent) : 반응물을 용해시키며 반응이 일어나는 매질 역할
유전 상수(Dielectric Constant) : 서로 반대인 전하를 분리시킬 수 있는 용매 능력의 척도
• 유전상수 ↑ ⇒ 용해된 반대 전하의 이온 사이의 상호작용 ↓
• 극성용매 : 유전상수 > 15, 비극성용매 : 유전상수 < 15
양성자성 용매(Protic Solvent) : H결합을 제공하는 용매
• 가장 일반적인 양성자성 용매 : ─OH기를 포함(δ+─δ─)
• 이온성 물질을 용매화
• 극성 양성자성 용매(Polar Protic Solvent) : 물, Formic Acid(HCOOH), MeOH, EtOH
비양성자성 용매(Aprotic Solvent) : H결합을 제공 못하는 용매[음이온(즉, 친핵체) 용매화 못함.]
• H원자가 결합되어 있지 않은 전기음성도가 높은 원자(F, Cl, O, N 등)→ H결합 제공 못함 D. 용매(Solvent)
용매(Solvent)
용매 유전상수(25℃) Water 79
Formic Acid 59 Methanol 33 Ethanol 24 Acetic Acid 6
D. 용매(Solvent)
D. 용매(Solvent)
용해된 양전하와 음전하를 안정화하고, 전하가 분리되어 있는 상태를 유지할 수 있는 능력 필요
극성 양성자성 용매(물, MeOH, EtOH, 저분자 Carboxylic Acid)만 SN1 반응에 사용 가능 SN1 반응에 대한 용매의 영향
D. 용매(Solvent)
친핵체의 용매화 ↑ ⇒ 친핵체가 용매에 고정 ↑ ⇒ 전이상태 도달 시간 ↑ ⇒SN2 반응속도 ↓
극성 비양자성 용매
• 양이온의 용매화가 높으나 음이온에 H결합 제공 못함. → 음이온의 용매화가 낮음.
• 용매화가 낮은 친핵체는 자유로워짐. → 높은 SN2 반응속도
SN2 반응은 극성 비양성자성 용매가 유리 SN2 반응에 대한 용매의 영향
E. 친핵체의 구조
친핵성도(Nucleophilicity) : 반응 속도론적 특성, 반응의 상대 속도에 의해 측정
염기도(Basicity) : 산-염기 반응에서 평형의 위치에 의하여 측정되는 평형 성질
• 염기 : 고립 전자쌍은 양성자와 결합을 형성
• 친핵체 : 대부분의 경우 고립전자쌍이 친전자성 C와 결합을 형성
좋은 친핵체 : 입체장애를 받지 않는 강한 염기[OH
─, Methoxide(CH
3O
─)]
친핵성 : 음이온을 내는 원자 > 중성 원자
• 강한 친핵체 : 짝산의 pK
a> 11
• 중간 세기의 친핵체 : 짝산의 pK ≒ 11
E. 친핵체의 구조
약한 염기 : 왜 좋은 친핵체인가 ?
친핵성도 : 염기도, 용매, 형태에 의존 ⇒ 복잡
E. 친핵체의 구조
친핵성 치환반응이 일어나는 용매는 상대적인 친핵성도에 매우 큰 영향을 끼친다.
친핵체와 용매의 상호작용 ↑ ⇒ 친핵성도 ↓(친핵체와 용매의 상호작용 ↓ ⇒ 친핵성도 ↑)
극성 비양성자성 : 음이온의 약한 용매화 ⇒ 자유로운 음이온 ⇒ 친핵성도는 염기도와 비례
극성 양성자성 : 음이온의 강한 용매화 ⇒ 음이온이 용매에 고정 ⇒친핵성도는 편극도와 비례 친핵성도에 대한 용매화의 영향
친핵성도에 대한 모양의 영향
[표 9.8] 비양성자성 및 양성자성 용매 속에서 Halogen Ion들의 상대적인 친핵성도
F. 골격 자리옮김
좀 더 안정한 탄소양이온으로 자리옮김할 수 있는 탄소양이온 중간체가 관여하는 반응
• SN2 반응 : 치환 중심에서 탄소양이온 발생이 없음 → 자리 옮김 없음.
• SN1 반응 : 치환 중심에서 탄소양이온이 발생 → 자리 옮김 있음.
골격 자리옮김
MeOH(극성 양성자성 용매, 약한 친핵체) 속에서 2-Chloro-3-phenylbutane의 가용매분해 반응
F. 골격 자리옮김
C─Cl 결합이 불균일 분해 → 2차 탄소양이온 형성하여 반응 개시 1 단계(2차 탄소양이온 형성)
벤질성 탄소로 부터 H─이 이동하여 3차 벤질성 탄소양이온 중간체 형성 2 단계(자리옮김에 의한 3차 탄소양이온 형성)
3차 탄소양이온 중간체(친전자체)와 MeOH(친핵체)가 반응 → Oxonium Ion 형성 3 단계(Oxonium 이온 형성)
H+가 용매(MeOH)로 이동하여 최종 생성물(2-Methoxy-2-phenylbutane) 생성 4 단계(최종 생성물 생성)
F. 골격 자리옮김
친핵체 및 용매 : MeOH / 물 → 극성 양성자성 용매, 약한 친핵체
Haloalkane : 좋은 이탈기(Cl─)와 2차 α-탄소(SN1 및 SN2 반응 가능)
물과 MeOH이 각각 반응에 참여하여 2가지 화합물(Alcohol과 Ether)의 Racemic 생성 친핵성 치환 1
SN1 반응
친핵체 : Cyanide Ion(CN─) : 높은 친핵성도 → 강한 친핵체
용매 : DMSO : 극성 비양성자성 용매
Haloalkane : 1차 α-탄소(SN2 반응 선호), 2개의 β가지(SN2 반응에 부정적) 친핵성 치환 2
SN2 반응
친핵체 : Methyl Sulfide Ion → 강한 친핵체
용매 : Acetone → 극성 비양성자성 용매
Haloalkane : 2차 α-탄소(SN1 및 SN2 반응 가능) 친핵성 치환 3
SN2 반응
친핵성 치환 4
친핵체 : (C6H5)3P : 중간세기의 친핵체
용매 : Toluene: 비극성 비양성자성 용매
Haloalkane : 1차 α-탄소(SN2 반응 선호), 1개의 β가지(SN2 반응 긍정적) 친핵성 치환 5
SN2 반응
β-제거반응은 친핵성 치환반응과 경쟁 반응
친핵체 : 고립 전자쌍 혹은 π-결합 형태의 전자쌍을 보유 → 염기
할로젠화수소이탈(dehydrohalogenation) : β-C에서 H와 α-C에서 X가 제거(β-제거반응의 일종)
강염기[OH─, OR─, NH2─, Acetylide Anion(HC≡C ─)]는 β-제거반응을 촉진
β-제거반응에 사용되는 용매(예, Acetic Acid)는 사용된 친핵체의 짝산(예, Acetoxide Anion) β-제거반응
β-제거반응(Dehydrohalogenation) 친핵성 치환반응
β-제거 반응의 주생성물은 가장 안정한 Alkene
(즉, C=C결합에 최대로 많은 치환기를 가진 Alkene이 주생산물임)
Zaitsev 규칙(Zaitsev’s Rule)
A. E1 Mechanism
C-Lv 결합 절단 → 탄소양이온 형성 후 친핵체(염기)가 H를 이탈 → C=C결합 형성
E1 반응과 SN1 반응은 경쟁관계 → E1 반응과 SN1 반응은 거의 항상 같이 일어난다.
E1 Mechanism
C─Br 결합의 이온화에 의해 탄소양이온 중간체 생성 1 단계(탄소양이온 생성)
2 단계(Alkene을 생성)
탄소양이온
A. E1 Mechanism
이중결합 특성
B. E2 Mechanism
염기로 H+이동, C=C 형성, Lv의 이탈이 동시에 발생(결합의 절단/형성과정이 동시에 발생)
이중결합 특성의 전이상태(C─Br 결합이 절단 → X─ 형성되는 동시에 염기가 β-H를 제거)
2분자 반응으로 속도결정단계(전이상태)에 Haloalkane과 염기가 모두 관여
E2 반응과 SN2반응은 경쟁관계
• E2 반응 : 짝산의 pKa > 11 인 강한 염기[OH─, Alkoxide, Amid Anion(NR2─)]를 사용
• 치환반응 : 짝산의 pKa < 11 인 약한 염기(Carboxylate, Thiolate, Cyanide)를 사용 E2 Mechanism
2-Bromobutane 의 E2 반응
이중결합 특성
B. E2 Mechanism
A. 반응속도론
속도결정단계 : 이탈기가 이온화되어 탄소양이온을 형성하는 전이상태
이 단계에서는 Haloalkane만이 관련 → 1 분자 반응 E1 반응
1. 염기-촉진 β-제거 반응의 반응속도론 ? 2. 어떤 요인이 주생성물을 형성 ?
3. Β-제거 반응의 입체화학 ?
반응 Mechanism을 비교하는 수단
특별한 입체적 관계가 적용되지 않는 한 Zaitsev 규칙이 적용
이중결합 성격이 큰 전이상태로 인해 Alkene의 상대적 안정성이 중요 → 가장 낮은 전이상태의 에너지를 갖는 Alkene이 주생성물
Alkoxide Anion(매우 강한 염기) 사용 → 2차 탄소양이온의 E2제거 > S
N2 반응 E2 반응
B. 위치선택성
Zaitsev 규칙에 의해 주생성물은 C=C에 더 많이 치환된 Alkene이 생성
탄소양이온이 생성된 후 H가 β-제거되거나 자리옮김 후 제거
E1 반응
C. 입체선택성
E2 반응은 ─Lv와 ─H가 서로 Anti & 동일평면 → 가장 낮은 에너지의 전이상태
Anti & 동일평면의 기하학적 조건 → E2반응에서 Alkene의 입체화학(E, Z)을 예측
E2 반응
전이상태의 Anti & 동일평면 조건 → E2 β-제거반응의 입체특이성 E2 반응
C. 입체선택성
meso-1,2-Dibromo-
1,2-diphenylethane
(E)-1-bromo- 1,2-diphenylethylene
racemic-1,2-Dibromo-
1,2-diphenylethane
(Z)-1-bromo-
1,2-diphenylethylene
C. 입체선택성
왼쪽 탄소를 시계방향으로 60˚회전 → ─H와 ─Br : Anti와 동일평면에 위치
meso-Alkane 이성질체 → E2반응은 오직 (E)-Alkene만 생성
─H 와 ─Br : Anti와 동일평면에 위치
모든 절단과 결합 형성 단계에서 염기가 협동적
C. 입체선택성
[표 9.10] Haloalkane의 E1 대 E2 반응 요약
HX E1 E2
1차 RCH
2X
E1 반응 안 일어남.
1차 탄소양이온 : 불안정
E2 반응 일으킴.
S
N2와의 경쟁을 고려, 입체장애가 있는 강염기 필요
2차 R
2CHX
약염기(H
2O, ROH) 사용 시 주반응 강염기(OH
─, OR
─) 사용 시 주반응 3차
R
3CX
약염기(H
2O, ROH) 사용 시 주반응 강염기(OH
─, OR
─) 사용 시 주반응
약염기 사용 → S
N1 반응 > E1 반응
A. SN1 대 E1 반응
─I─의 이탈이 ─Cl─의 이탈보다 100배 빠름
B. SN2 대 E2 반응
α-탄소 혹은 β-탄소의 가지수 ↑ α-탄소에 대한 입체장애 ↑ → S
N2 반응속도 ↓
Alkene 생성물의 안정성 ↑ → E2 반응속도 ↑ α-탄소 혹은 β-탄소의 가지수
염기도 ↑ → 친핵성 ↑ → E2 > S
N2 염기도
E2 제거 : 2분자를 형성 → Entropy에 유리
온도 ↑ → E2 반응 > S
N2 반응
온도
C. 종합적 설명 Methyl 혹은 1차 R─X
(SN1/E1 불가)
친핵체(염기) = 강염기?
& 입체장애?
빠른속도 SN2
E2
친핵체(염기)
= Good?
Yes
No
느린속도 SN2/E2 Yes
2차 R─X
친핵체(염기)
= 강염기?
친핵체(염기)
= Good?
No
Yes
No
Yes E2
보통속도 SN2
용매 = 극성양성자성?
No
Yes
보통속도 SN1/E1
SN1/E1/E2 느린 or 무반응
3차 R─X (SN2불가)
친핵체(염기)
= 강염기?
No
Yes E2
용매 = 극성양성자성?
No
빠른속도 SN1/E1
SN1/SN2/E1/E2 느린 or 무반응 Yes
양성자성 용매 Water Formic Acid
Methanol Ethanol
비 양 성 자 성 용 매
극성
Dimethyl sulfoxide(DMSO) Acetonitrile
N,N-Dimethylformamide(DMF) Acetone
중간
Dichloromethane Tetrahydrofuran(THF) 비극
Diethyl ether Toluene No
친핵성도 좋음
Br￣, I￣, CH3S￣, BS￣
HO￣, CH3O￣, RO￣, R─C≡C￣ CN￣, N3￣, H2N￣
중간
Cl￣, F￣
O O ∥ ∥ CH3CO￣, RCO￣ CH3SH, RSH, R2S NH3, RNH2, R2NH, R3N H2O, CH3OH, ROH
C. 종합적 설명
S, N, O가 이탈기의 β-탄소에 위치 : S
N1 반응속도 특성+2개의 연속 치환반응이 관여
이웃한 친핵체는 이탈기의 이탈에 참여하여 중간체를 형성
형성된 중간체는 외부 친핵체와 반응하여 반응을 완결 이탈기 β-탄소에 위치한 친핵체
겨자 가스는 매우 약한 친핵체인 물과 매우 빠르게 반응
C─Cl 결합의 이온화 시 S에 의한 이웃기 참여 → 고리형 Sulfonium 양전자 형성 (내부 SN2 반응 ) 1 단계(고리형 Sulfonium 양이온 형성)
SN2 반응 : 이탈기(S), 친핵체(H2O)
고리형 양전자가 외부 친핵체와 빠른 반응 → 고리가 열리고 H O에 H+가이동하여 H O+ 형성 2 단계(Oxonium Cation 형성)