6. 알켄

알켄은 탄소와 탄소 사이 이중결합이 있는 분자로, 일반식은 $C_{n}H_{2n}$이다.

1. 불포화도

이러한 다중결합의 존재는 분자의 불포화도를 나타낸다.
불포화도는 고리 1개당, 이중결합 1개당 1씩 증가한다. 삼중결합은 2씩 증가한다.
즉, 포화를 기준으로 수소가 2개씩 감소하면 불포화도가 1씩 증가한다.

분자식 내의 할로겐 원소는 수소처럼 생각하고,
산소는 없다는 가정하에 계산한다.
질소의 경우 NH가 없다는 가정하에 계산한다.

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2. 명명법

대체로 알케인 명명법과 동일하다.
단지, 모체 사슬에 이중결합이 무조건 포함되도록 한다는 것만 주의하면 된다.
그리고 다음과 같은 몇가지 관용 표현이 있다.
$H_{2}C=CH-$ : 바이닐기
$H_{2}C=CH-CH_{2}-$ : 알릴기
2-Methyl-1,3-butadiene : Isoprene

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3. 이성질체

기본적으로 알켄의 cis, trans는 서로 동일하지 않다. (회전이 불가능)
반면, 알켄은 이중결합을 중심으로 평면 구조이므로 뒤집었을 때 동일하면 이는 cis-trans 이성질체가 아니다.

알켄의 경우 cis-trans 명명은 4개의 팔 중 2개가 치환된 이치환 알켄에만 적용된다.
삼치환, 사치환 이중결합은 E, Z 배열의 일반적인 방법을 적용한다.

우선 이중결합(=)을 중심으로 오른쪽과 왼쪽 각각의 치환기에 대해 순위를 매긴다.
이때 순위는 원자번호가 높을수록 높다.
다중결합의 경우 같은 수의 단일결합으로 생각한다.
(=O를 -O와 -O-C로 바꾸어 생각한다.)

이러한 순위의 높낮음을 이용해 cis-trans와 유사하게 E, Z를 부여한다.
cis와 유사한 것은 Z(zusammen), trans와 유사한 것은 E(entegen)이라 한다.

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알켄에 강산 촉매를 처리하면 cis, trans 상호변환이 가능하다.
이때 cis가 trans에 비해 안정하지 않음을 알 수 있다.
cis의 경우 치환기끼리 입체 무리가 작용되기 때문이다.

또한 C=C 사이 $\pi$결합과 이웃한 C-H $\sigma$결합에는 공명처럼
안정화 상호작용을 하는 Hyperconjugation이 존재한다.
따라서 치환기가 많을수록 알켄은 더욱더 안정하다.

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4. 알켄 + HX

알켄은 sp₂ 구조로 $\pi$결합이 있기 때문에 친핵체(Lewis 염기)로서 작용할 수 있다.
따라서 강산과 같은 친전자체인 수소 이온이 이중결합을 끊고 단일결합을 형성한다.
이후 다른 한쪽 탄소는 양전하를 띠므로 음이온과 결합하여 알케인이 형성된다.
이러한 반응을 친전자성 첨가 반응이라고 한다.

기본적으로 2단계 반응이며, 처음 수소가 전이 상태를 만들 때가 속도 결정 단계이다.

이 생성물에 대해 염기를 만나면 반대로 제거 반응이 일어나 산을 내보내 중화시킨다.

Markovnikov's Rule

이러한 친전자성 첨가는 한 가지 배열을 고수하는 경향이 있고 이를 위치특이성(regiospecific)이라고 한다.
이는 활성화 에너지를 최소화하는 방향을 선호한다.
따라서 치환기가 적은(H가 많은) 탄소에 친전자체(H⁺)가 결합한다.
즉, 중간체 탄소 양이온의 차수를 늘리는 방향으로 반응이 진행된다.
탄소 양이온의 차수가 커질수록 유도 효과에 의해 그 자체로 비교적 안정하기 때문이다.

또, 2단계 반응이므로 수소가 첨가된 이후, 탄소 양이온에 대해
인접한 수소가 전자쌍과 함께 이동하는 hydride shift가 발생할 수 있으며
이를 통해 최종적으로 더욱 안정한 상태의 생성물을 만들 수 있다.

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5. 알켄 + X₂

F는 위험하고, I는 반응이 느려서 주로 Cl이나 Br을 사용한다.
할로젠 분자는 순간적으로 편극될 수 있고, 이때 반응성이 생긴다.

우선, 친전자체(양극)가 이중결합을 공격해 두 탄소 모두와 단일결합을 형성한다. (R₂X⁺)
이후 X⁺가 없는 다른 면으로 X^-가 다가가서 trans 구조를 형성한다.

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6. 알켄 + HOX

사실 H₂O와 X₂를 동시에 첨가한 반응으로 볼 수 있다.
그러므로 R₂X⁺를 형성하는 것까지는 동일하다.
이후 물 분자의 산소가 가진 비공유 전자쌍에 의해 친핵체로서 탄소와 결합한다.
(단, 물 분자는 차수 높은 탄소(치환기 많은)에 붙는다.)

그 결과 산소가 양전하를 띠게 되어 수소가 전자를 내어주고 수소 이온으로 제거된다.
따라서 결과적으로 HOX가 첨가된 것이다.

여기서 X가 H로 바뀌면, 수화 반응이 된다.
이때 수소 양이온이 먼저 친전자성 첨가 반응을 진행하고,
이후 양이온이 된 탄소에 물 분자가 붙는다.
그러면 양전하가 산소로 이동하여 수소가 전자를 주고 이탈하고 OH기가 남는다.

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7. 카벤(Carbene)

카벤은 알켄의 절반과 같은 모양이다.
하나의 탄소에 2개의 치환기와 1개의 비공유 전자쌍을 가진 분자이다.
카벤은 이 자체로 중성이지만, 친전자체로 작용할 수 있다.

알켄과 카벤과 반응하면 사이클로 프로페인이 되며, 한 단계로 반응한다.
이러한 원리로, 할로젠화되지 않은 사이클로 프로페인을 만드는 방식을
Simmons-Smith 반응이라고 한다.

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9. 알켄의 환원

유기화학에서 환원은 탄소와 전기음성도가 낮은 원자가 결합하거나
탄소와 전기음성도가 더 높은 원자 사이 결합이 절단되어
탄서의 전자 밀도가 증가하는 반응을 말한다.

일반적으로 수소가 첨가되는 반응을 환원이라 한다.
이 반응에서 금속 촉매가 사용된다.

수소는 촉매와 결합하며 원자로 해리되고,
알켄의 $\pi$결합 전자가 금속 원자와 착물을 형성한다.
이후 부분적으로 수소가 탄소에 붙어 알케인이 형성된다.
(syn addition으로, 같은 쪽으로 붙게 된다.)

수소 첨가는 C=C에만 가능하고, C=O나 C=N에는 일어나지 않는다.

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10. 알켄의 산화

과산화산은 -O-O-H에서 산소를 알켄에게 전달한다.
이때 산소는 이중결합 탄소와 각각 단일결합을 하여
삼원자 고리의 에폭사이드(epoxide, Epoxy-)를 형성한다.

이렇게 형성된 에폭사이드는 산촉매와 가수분해로 하이드록실화 반응(hydroxylation)으로
결과적으로 두 탄소 각각에 OH기가 결합한 형태가 된다.(다이올, diol)


이와 달리 알켄의 산화는 알켄을 2개의 개별 분자로 분해하는 반응도 있다.
알켄과 오존을 반응시키면 오존 양단의 산소와 이중결합 탄소가 결합하여
분자오존화물이 형성되고, 자발적으로 탄소 사이에 산소가 이동하여 오존화물이 된다.
이후 아연 금속과 같은 환원제와 반응시키면 2개의 케톤(카보닐기)이 형성된다.