생화학 3 강인터넷학습자료 3. 방향족화합물 18세기중엽에벤젠 (benzene) 의분자식이 C 6H 6 이라는것을알았으며, 모든방향족화합물의모체가되고있다. 벤젠및벤젠과유사한많은화합물들 ( 벤젠고리를가지고있는것들 ) 은대부분이냄새가좋기때문에방향족화합물 (aromatic compound) 이라고부른다. 벤젠은아세틸렌과같은실험식 (CH) 을가지는불포화화합물이지만, 알켄이나알카인같은불포화화합물과는달리첨가반응보다치환반응을주로하고있다. 우리생활주변에서많은방향족화합물이이용되는것을볼수있으며벤젠고리를하나또는그이상가지고있는것도있다. 석탄이나석유에서부터얻어지는벤젠, 톨루엔 (toluene), 자일렌 (xylene), 나프탈렌 (naphthalene) 그리고피리딘 (pyridine) 등은화학산업에서중요한원료로쓰이지만강력한발암성물질인것이많다. 독일의과학자케쿨레 (A. Kekule) 는벤젠은육각형의고리를이루고탄소의이중결합이하나씩걸러있는화합물이라고주장하였으나, X선실험에의해벤젠의구조연구결과결합길이가여섯개의탄소-탄소결합이모두 1.40A 인평면정육각형이라는것을알게되었다. 따라서벤젠의구조는 I과 II의중간상태의구조로서, I과 II 사이에 로표시하며, 이러한벤젠의구조식을 I과 II의공명혼성체 (resonance hybride) 라고한다. 따라서벤젠에서탄소와탄소간의거리는단일결합보다짧고이중결합보다는길다. I II 벤젠의시그마결합골격은탄소원자의 sp² 혼성궤도함수에의하여생긴다. 이때문에결합각은 120 를이루고나머지여섯개의파이결합을이룬다. 이러한비편재화는벤젠분자를안정화시키게된다. 각각의탄소원자에남아있는 p 궤도는시그마결합된평면에대하여수직상태로존재하고있으나서로인접하는 p 궤도가중복되어파이결합을형성하고탄소의시그마결합의상하
에도넛형태의구름으로된파이전자운이고리주위전체에걸쳐퍼져있는상태로있는벤젠의분자 ( 전자 ) 구조이다. 벤젠의안정화는수소첨가반응에서반응열을비교하면쉽게알수있다. 벤젠은 1, 3, 5 시클로헥사트리엔보다 36.0kcal/mol 만큼더안정한것으로나타난다. 이안정화에너지를공명에너지 (resonance energy) 또는비편재화에너지 (delocalization energy) 라고한다. 휘켈 (Hückel) 규칙은분자의방향성을확인할때쓰인다. 평면이고고리구조의화합물이전체적으로비편재화 (conjugation) 를이루고 4n+2(n은정수. 주양자수와관계없음 ) 개의파이전자를가지고있으면이분자는방향성을띤다. 이때화합물은바닥상태의전자배치를가지고있어야한다. 벤젠의경우여섯개의전자가파이결합을이루어안정한상태를이루고있으므로휘켈규칙에따라 6=4n+2(n=1) 이므로, 벤젠은방향족물질이다. 벤젠은다음과같은다섯가지특징을가진다. 1 벤젠은평면형, 고리형그리고콘주게이션 (conjugation) 분자의구조이다. 2 벤젠은비이상적으로안정하다. 그수소화열은고리형트리엔으로예상했던것보다 150kJ/mol이작다. 3 벤젠은친전자체와반응하여콘주게이션이깨어진첨가물을형성하지않고, 고리형콘주게이션을유지하는치환된화합물을형성한다. 4 벤젠은여섯개의동등한 C-C 결합을가지며이들은단일결합과이중결합의중간길이인 1.39A 이다. 5 벤젠은휘켈의파이전자수 (4n+2, 여기서 n=1) 를가지며이들파이전자들은여섯개의탄소에고루비편재화되어있다. 다른계통의화합물보다도방향족화합물은벤젠고리에치환기를가지고있어도관용명을 많이사용한다. IUPAC 명명법은다음과같다. 1 벤젠에치환기가하나있을때는치환기를접두어로앞에쓰고뒤에 benzene 을붙이면
된다. 2 두개의치환기가있을때에는 ortho, meta, para 라는접두어를사용하여그위치를구분한다. ortho 또는 2 치환벤젠은두개의치환체가고리의 1, 2 관계에있고, meta 또는 3 치환벤젠은두치환체가서로고리의 1, 3 관계에있으며, para 또는 4 치환벤젠은두치환기들이 1, 4 관계에있다. 1, 6 위치는 1, 2와위치가동일하고 1, 5 위치는 1, 3 위치와동일하며통상이를각각 o, m, p 처럼생략된기호로사용하여나타낸다. 3 치환기가세개이상인경우는그치환위치를가능하면작은숫자가되도록번호를붙 인다. 4 벤젠고리를치환기로볼때페닐기 (phenyl group) 라고한다. 치환기가톨루엔 (toluene) 으로부터유도되었을때이것을벤질기 (benzyl group) 라고한다. 벤젠은휘발성이큰방향성의무색액체이다 ( 끓는점 80.1 ). 이것은물에는용해되지않으나알코올, 에테르, 아세톤등에잘녹으며, 유지나수지등을잘녹이기때문에유기용매로이용된다. 그리고탄소수에비해서수소원자수가적기때문에연소될경우그을음이많이발생한다. 벤젠은탄소간의길이가단일결합과이중결합의중간의공명상태이므로치환반응과첨가반응을모두할수있으나, 방향족화합물의화학반응중가장중요한것은친전자성방향족치환반응이다. 즉, 친전자체는방향족고리와반응하여고리수소하나와치환된다. 친전자성치환반응을이용하여여러가지치환체를방향족고리에붙일수가있다.
프리델 크래프트 (Friedel Crafts) 반응은프랑스의화학자프리델 (C. Friedel) 과미국의화학자크래프트 (J. Crafts) 가발견한벤젠고리에대한치환반응으로다음과같은것이있다. (1) 알킬화반응알킬화 (alkylation) 반응은염화알루미늄촉매존재하에벤젠을할로겐화알킬과반응시키면알킬벤젠이생성된다 (X는보통염소와브롬임 ). (2) 아실화반응방향족화합물을 AlCl 3 의존재하에염화카르복시산과반응시키면아실기 (-COR) 고리가도입된다. 벤젠의아실화 (acylation) 에는 AlCl 3 의존재하에서염화아세틸 (acetyl chloride) 이나산무수물 (acid anhydride) 을반응시키면케톤인아세토페논 (acetophenone) 이생성된다. 많은방향족화합물들가운데는두개의벤젠고리가접합된나프탈렌과, 세개의고리가접합된안트라센 (anthracene) 및페난트렌 (phenanthrene) 이있다. 이들을다중고리형방향족화합물 (polycyclic aromatic compound) 이라고한다. 나프탈렌 (naphthalene, C 10H 8) 은알켄보다반응성이약하고치환반응을하기때문에벤젠과같은방향족으로분류하며, 고리의번호는치환기의위치를나타내는데이용되고, 방충제 물감등의원료이다. 안트라센 (C 14 H 10 ) 과페난트렌 (C 14 H 10 ) 은이성질체이며세개의고리가붙어있다. 화학적성질은벤젠과유사하여, 여러가지유사반응을한다. 산화제나환원제에대한반응이나치환반응은벤젠보다용이하다.
방향족화합물에는벤젠고리를갖는것이외에다음과같은질소원자또는산소원자를포함 하는화합물도있다 ( 헤테로고리화합물 ).