작용기의화학적성질이간단 몇개의특징적반응을이해 넓고다양한유기반응을이해 Hankyong National University 16-1
Carbonyl 기 ( C=O) 작용기 : C=O(Carbonyl 기 ) Aldehyde : R CH=O Ketone : R (C=O) R C=O 결합의구조 C와 O의 sp 2 혼성궤도함수의겹침 1개의 σ결합 서로평행한 2p 궤도함수의겹침 1개의 π결합 O에있는 2개의비공유전자쌍 : sp 2 혼성궤도함수에존재 Hankyong National University 16-2
A. IUPAC 명 Hankyong National University 16-3
A. IUPAC 명 Aldehyde 의 IUPAC 명명법 모체 Alkane 의 e 를 al 로변경 불포화 Aldehyde 의 C=C 혹은 C C 의존재 : 삽입어 en 혹은 yn 를사용 CHO 치환기를포함하는고리화합물 : 고리이름에 carbaldehyde 를붙여명명 3-Methylbutanal 2-Propenal (Acrolein) (2E)-3,7-Dimethyl-2,6-octadienal (Gerabial) Cyclopentanecarbaldehyde trans-4-hydrocycyclohexanecarbaldehyde Benzaldehyde CHO C 6 H 5 CHO trans-3-phenyl-2-propenal (Cinnamaldehyde) Hankyong National University 16-4 3 2 1
A. IUPAC 명 Ketone 의 IUPAC 명명법 모체사슬 : C=O 를포함하는가장긴 Alkane 모체 Alkane 의접미사 e 를 one 로변경 O O O O Propanone (Acetone) Acetophenone Bezophenone 1-Phenyl-1-pentanone Hankyong National University 16-5
C. 관용명 관용명 (Acid 에서유도 ) Aldehyde : acid 의접미어 ic 혹은 oic 을 aldehyde 로바꾸어명명 Ketone : carbonyl 기에붙은 2 개의 Alkyl 기혹은 Aryl 기를분리하여명명한후 ketone 붙임 O HCOH O HCH O CH 3 COH O CH 3 CH Formic acid Formaldehyde Acetic acid Acetaldehyde O O O Ethyl isopropyl ketone Diethyle ketone Dicyclohexyl ketone Hankyong National University 16-6
C=O 기 : 극성 쌍극자 쌍극자상호작용 bp : Alcohol, Acid > Aldehyde, Ketone > 비극성 ( 극성 + 수소결합 ) ( 극성 ) 표 16.2 비슷한분자량화합물의 bp 비교 이름 구조식 분자량 bp( ) Dimethyl ether CH 3 CH 2 OCH 2 CH 3 74 34 Pentane CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 72 36 Butanal CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CHO 72 76 2-Butanone CH 3 CH 2 COCH 3 72 80 1-Butanol CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OH 74 117 Propanoic acid CH 3 CH 2 COOH 71 141 Hankyong National University 16-7
친핵체 (Nu: ) 첨가반응 가장보편적인반응 정사면체형 Carbonyl(C=O) 첨가생성물형성양성자 (Lewis 산 ) 첨가반응 공명안정화된양이온생성 C=O 기의전자부족을심화 친전자성을강화 ( 친핵체와의반응을강화 ) 공명안정화 Hankyong National University 16-8
Carbonyl(C=O) 첨가생성물 대부분의경우 Chiral 중심을형성 Racemic 혼합물형성 Hankyong National University 16-9
A. RMgX(Grignard 시약 ) 의첨가 친핵체 (Nu: ) 첨가반응 친핵체 : RMgX RLi RC C: :C N: A. Grignard 시약 Organolithium 시약말단 Alkyne 음이온 Cyanide 음이온 C Mg 결합 : 극성공유결합 [C(δ ) Mg(δ + )] 좋은친핵체 C=O 와정사면체 Carbonyl 첨가화합물형성 주의 Aldehyde 혹은 Ketone + Grignard 시약 새로운 Chiral 중심형성 Formaldehyde 에첨가하여 1 차 Alcohol 을생성 반응에의해생성된 Alkoxide( O[MgBr] + ) : 강염기 Alkoxide( O[MgBr] + ) 를산수용액과반응 ( 가수분해 ) 1 차 Alcohol 생성 Hankyong National University 16-10
A. RMgX(Grignard 시약 ) 의첨가 Aldehyde(Formaldehyde 제외 ) 에첨가하여 2 차 Alcohol 을생성 Alkoxide( O[MgBr] + ) 를산수용액과반응 ( 가수분해 ) 2 차 Alcohol 생성 생성물은 Chiral 중심을가지고있고, Rcemic 혼합물 Ketone 에첨가하여 3 차 Alcohol 을생성 Hankyong National University 16-11
B. RLi(Organo Lithium) 의첨가 B. RLi(Organo Lithium) 의첨가 Carbonyl 첨가반응에서 RMgX 보다반응성이좋음 ( 높은수득율 ) N 2 등비활성기체분위기하에서제조 취급불편 Hankyong National University 16-12
C. RC C: ( 말단 Alkyne) 의첨가 C. RC C: ( 말단 Alkyne) 의첨가 생성물인 Alkyne Alcohol 은 OH 기와 C C 를포함 다음반응으로진행가능 Sodium acetylide Cyclohexanone Sodium-1-ethynyl cyclohexyloxide 1-Ethynyl cyclohexanol H 2 O H 2 SO 4, HgSO 4 α-hydroxy cyclohexyl methyl ketone 1-Ethynyl cyclohexanol 1.(sia) 2 BH 2. H 2 O 2, NaOH β-hydroxy cyclohexyl acetaldehyde Hankyong National University 16-13
D. :C N:(Cyanide 음이온 ) 의첨가 D. :C N:(Cyanide 음이온 ) 의첨가 HCN(Hydrogen Cyanide) : 약산 (pk=9.31) ph=10 정도에서높여서반응필요 HCN + Aldehyde/Ketone Cyanohydrin( 정사면체 Carbonyl 첨가화합물 ) O OH CH 3 CH + HC N CH 3 C C N H 2-Hydroxy propane nitrile(racemic) (Acetaldehyde cyanohydrin) 1 단계 ( 정사면체 Carbonyl 첨가화합물생성 ) 2 단계 (Cyanohydrin 및새로운 Cyanide Anion 생성 ) Hankyong National University 16-14
Phosphonium Ylide 로 Aldehyde / Ketone Alkene 합성 Witting 반응 : 입체장애가존재함.(C=O 기가입체적으로가려워진 Ketone 수율이낮음. Cyclohexanone Phosphonium ylide Methylenecyclohexane Triphenylphosphine oxide 1 단계 (Oxaphosphetane 고리생성 ) Betaine( 쌍극자성중간체 ) 생성후 Oxaphosphetane 고리생성 Ylide( 일리드 ) 서로이웃한원자에양전하와음전하를갖는중성분자 Phosphoniumylide Betaine Oxaphosphetane 2 단계 (Oxaphosphetane 의분해 ) Oxaphosphetane 의분해 triphenylphosphine oxide+ Alkene Alkene Oxaphosphetane Triphenylphosphine oxide Hankyong National University 16-15
다양한 Aldehyde / Ketone + 다양한 Ylide 의반응이가능 음전하옆에음이온을안정화시키는치환기가있는 Ylide 안정 E 구조선택적 음전하옆에음이온을안정화시키는치환기가없는 Ylide 불안정 Z 구조선택적 Hankyong National University 16-16
A. 물의첨가 : Carbonyl 수화물의형성 C=O 기의수화 산 / 염기촉매 가역적반응 gem diol(geminal diol, 같은자리다이올 ) 생성 산 / 염기촉매 가역적반응 가역반응에서의평형의방향 대부분의경우 : C=O 기의생성방향 ( 예, Acetone : <0.1% 만이수화물존재 ) Formaldehyde 의경우 : 수화물생성방향 (> 99% 수화 ) Hankyong National University 16-17
B. Alcohol 의첨가 : Acetal 의형성 Hemiacetal(half acetal) 의생성 Hemiacetal(half acetal) 의작용기 : OH 기혹은 OR 기가결합된탄소 Hemiacetal : 일반적으로불안정 대부분의경우 5원자혹은 6원자고리를형성 Hemiacetal을형성하면서 Chiral 중심이새로생길가능성높음. Anomeric Carbon : Hemiacetal을형성하면서새로생성된 Chiral 중심에있는 C Anomer : 2 개의서로다른고리형 Hemiacetal( 부분입체이성질체 ) α Anomer : OH기가맨끝 CH 2 OH 치환기와같은쪽 ( 반대쪽 β Anomer) Hankyong National University 16-18
B. Alcohol 의첨가 : Acetal 의형성 1 단계 ( 좋은친핵체인 Alkoxide 생성 ) H + 가 R OH 로부터염기촉매로이동 2 단계 (Carbonyl 첨가화합물생성 ) RO 가 Carbonyl C 를공격 염기 Alcohol Alkoxide ( 촉매염기 ) 3 단계 (Hemiacetal 생성및염기촉매재생 ) H + 가 Alcohol 로부터 O 로이동 Hemiacetal 생성및염기촉매재생 Hemiacetal Alkoxide ( 촉매염기 ) Hankyong National University 16-19
Acetal 의생성 Hemiacetal 은 Alcohol 과한번더반응 Acetal 과물을생성 Hemiacetal Diethyl acetal Acetal 의생성과그가역반응 : 산촉매가필요 OH 기는친핵체에의해이탈불가능 염기촉매에적용불가능 Acetal 기의작용기 : 2 개의 OR 기가결합된탄소 Acetal Hankyong National University 16-20
Hankyong National University 16-21
A. NH 3 와그유도체들 NH 3 / 1 차 Amine + Aldehyde / Ketone RC=NR RC=NR : Imine or Schiff 염기 Imine : 불안정, 분리안됨 ( C=N 기가확장된 Conjugation 계는안정 ) O H + CH 3 CH + H 2 N CH 3 CH=N + H 2 O Acetaldehyde Aniline An Imine O + NH 3 H + NH + H 3 O Cyclohexanone Ammonia An imine Hankyong National University 16-22
A. NH 3 와그유도체들 1 단계 ( 정사면체 Carbonyl 첨가화합물생성 ) Aldehyde / Ketone 의수화반응혹은 Alcohol 과반응하여 Hemiacetal 생성반응과동일 2 단계 (OH 기의이탈후 N 로부터 H+ 이동 Imine 생성 ) Imine Hankyong National University 16-23
A. NH 3 와그유도체들 Hankyong National University 16-24
B. Hydrazine 과관련화합물 H 2 NNH 2 : Hydrazine O + H 2 NNH 2 NNH 2 + H 2 O Cyclopentanone Hydrazine Hydrazone Hankyong National University 16-25
A. α 수소의산도 A. α 수소의산도 α 탄소 : C=O기에인접한 C α 수소 : α 탄소에결합된 H 전기음성도 : C H C H : 비극성 C = 불안정 H의산도 = 낮음 H의산도 : C H, CH 2 =CH, C=H의수소 < C=O기의 α 수소 < OH의수소 Enolate Anion의음전하 : 공명에의해비편재화 안정화 Enolate Anion : C=O의 α 탄소로부터 H + 가이탈된음이온 공명안정화된 Enolate Anion Hankyong National University 16-26
A. α 수소의산도 1 단계 (Oxonium Cation 형성 ) H + 가 H A( 산촉매 ) 로부터 Carbonyl 산소로이동 Oxonium Cation 생성 2 단계 (Enol 생성및새로운산촉매재생 ) H + 가 α 탄소로부터 A 로이동 Enol 생성 + 새로운산촉매재생 Hankyong National University 16-27
B. Keto enol Tautomerism 의평형위치 B. Keto enol Tautomerism의평형위치 1 개이상의 α H를가지고있는 Aldehyde / Ketone : enol형과평형을유지 간단한 Aldehyde/ Ketone : Keto형이우세 ( 평형이 Keto형으로치우침 ) 사유 C=O결합 > C=C결합 but C H결합 O H결합이기때문 이러한 enol은 C=C과 C=O기의 π계 Conjugation에의해안정화된다. 2,4-Pentanedion( 열린사슬형태의 β Di-ketone) 의 enol : 분자내 H 결합으로더욱안정 Hankyong National University 16-28
A. Aldehyde 의산화 A. Aldehyde 의산화 Aldehyde 는모든작용기중가장쉽게산화되는화합물 O 2 / H 2 O 2 에의한산화 (Aldehyde Carboxylic acid) : Radical 반응 Hankyong National University 16-29
B. Ketone 의산화 B. Ketone 의산화 Ketone 은특수한조건하에서만산화 (Aldehyde 와는현저히다름 ) Ketone 은 Chromic acid, Potassium permanganate 에의해산화안됨. Ketone + 강산화제 (K 2 Cr 2 O 7, KMnO 4 ) + 고농도산 / 염기 고온 enol 산화성분해 Nylon-66 의원료 대칭형 Cycloketone 의산화 한가지화합물만생성 매우유용 Hankyong National University 16-30
A. 금속수소화물에의한환원 Aldehyde 1 차 Alcohol 로환원, Ketone 2 차 Alcohol 로환원 Aldehyde 와 Ketone 의 C=O 기 Methylene 기 ( CH 2 ) 로환원 A. 금속수소화물에의한환원 H: (Hydrid Anion, 매우강한친핵체 ) 로환원 H: 의원료 : NaBH 4 (Sodium Borohydride), LiAlH 4 (Lithium Aluminium Hydride, LAH) 등 NaBH 4 를이용한환원 : 반응성이약함 선택적인시약으로사용 LAH를이용한환원 : 매우강력한환원제 비양성자성용매 ((C 2 H 5 ) 2 O, THF) 이용 양성자성용매 ( 물, 알콜등 ) 과의반응 : 격렬한반응 H 2, 금속수산화물, 금속 Alkoxide 발생 Hankyong National University 16-31
B. 촉매환원 B. 촉매환원 전이금속 (Pt, Ni) 하에서 H 2 에의해 OH기로환원 온도 : 25 ~ 100 압력 : 1 기압 ~ 5 기압 촉매환원의장점 실행이간단 높은반응수득율 쉬운최종생성물분리 촉매환원의단점 C=C, C C 등의다른작용기가환원되는부반응을동반 Hankyong National University 16-32
C. 선택적환원 D. 환원성아미노화반응 C. 선택적환원 금속수산화물환원제 (LiAlH4, NaBH4) 를사용 ( 친전자성이아닌작용기 (C=C) 는무반응 ) C=C 결합의선택적환원 D. 환원성아미노화반응 환원성아미노화반응 : Imine 의 C=N 결합이 Ni 촉매존재하에서 C N 결합으로환원 Hankyong National University 16-33
E. Carbonyl 기의 Methylene 기로의환원 E. Carbonyl기의 Methylene기로의환원 Clemmensen 환원 : Aldehyde / Ketone + Zn(Hg) + HCl Methylene기 ( CH 2 ) Conc. HCl 사용으로인한 Clemmensen 환원의제한적사용 3차 Alcohol : 탈수될수있음 Acetal 화합물 : Carbonyl기가환원될수있음. Wolff-Kishner 환원 Hankyong National University 16-34
1 단계 (Hydrazone 생성 ) C=O 기가 Hydrazine 과반응하여 Hydrazone 을생성 2 단계 (Tautomerism 으로 N=N 이성질체생성 ) 염기 - 촉매에의한 Tautomerism 으로 N=N 이성질체생성 R Hankyong National University 16-35
3 단계 ( 탄화수소와 Hydroxide Anion 생성 ) H + 가 Hydroxide Anion 으로이동 N 이탈 탄소음이온생성 물로부터 H+ 가탄소음이온으로이동 탄화수소와 Hydroxide Anion 생성 Hankyong National University 16-36
Hankyong National University 16-37
C. α Halogenation 1 단계 (enol 생성 ) 산 촉매 Keto-enol Tautomerism 으로 enol 생성 2 단계 (α Haloketone 의짝산생성 ) enol 이 X 2 (Halogen 분자 ) 에친핵성공격 α Haloketone 의짝산을생성 3 단계 (α Haloketone 생성 ) H + 가 Acetic acid( 염기로작용 ) 로이동 α Haloketone 을생성 Hankyong National University 16-38
C. α Halogenation 1 단계 ( 공명안정화된 Enolate Anion 생성 ) H + 가 α 탄소로부터염기로이동하여공명안정화된 Enolate Anion 형성 2 단계 (α Bromoketone 생성 ) Enolate Anion 이 Halogen 에친핵성공격을하여 α Bromoketone 생성 Hankyong National University 16-39
C. α Halogenation 산 촉매와염기 촉매 Halogenation 의차이 둘다다중 Halogenation 을일으킴. 산 촉매 Halogenation 전기음성적인 α Halogen이양성자첨가에대한 Carbonyl 산소의염기도를감소 두번째 Halogenation 첫번째 Halogenation 단일치환가능 염기 촉매 Halogenation 첫번째 α Halogen이 α 수소의산도를더욱증가 두번째 Halogenation 첫번째 Halogenation 단일치환불가능 유용한합성반응이아님 Hankyong National University 16-40