9. Alkyl Halide와 치환, 제거 반응

Alkyl Halide는 친핵체와 치환반응을 한다. 결과적으로 새로운 친핵체가 남는다.

만약 브뢴스테드 염기와 반응한다면, 새로운 친핵체와 함께 물도 생성된다.

1차, 2차 할로젠화 알킬이나 alkyl tosylate는 이러한 친핵성 치환반응에서
항상 입체 배열의 반전이 일어난다. (광학 회전도가 바뀐다. - ↔ +)

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1. S_N2 반응

substitution by nucleophilic with second-order reaction (nucleophile & substrate)
배열에 반전이 생기는 단일 반응이다. (S ↔ R)
이차 반응이므로 $v = \frac{d[S]}{dt} = k[S][N]$이다.

반응에 대해 전이 상태에서 키랄 중심 탄소에 대해
이탈기와 친핵체가 동등한 위치에 위치한다.
이후 새로운 결합이 생기게 되고 이 결과 배열이 반전된다.

기질의 키랄 중심 탄소의 차수가 낮을수록(치환기가 적을수록)
입체무리 영향이 적어 반응이 더 잘 일어난다.

(3차부터는 거의 반응하지 않는다. 1차여도 너무 크면 2차보다 반응성이 낮다.)
(C=C 결합의 vinyl halide는 공명이 가능하기에 치환이 불가능하다.)
($\Delta G^{\ddagger}$가 작을수록 반응속도가 빠르다.)

 

친핵체의 경우 전자쌍을 잘 줄 수록 반응이 잘 일어난다.
즉, 중성보다는 음전하를 띠는 것이 반응성이 크고
염기성이 클수록 친핵성도 크다.

이탈기의 경우 전자가 과잉이어도 괜찮은, 약염기일수록 좋다.

용매의 경우 극성이면서 비양성자성인 것이 가장 좋다.
양성자성 용매의 경우 기질과 수소결합을 형성할 수 있기 때문이다.
비양성자성 용매는 양이온을 용매화하고 친핵체의 바닥 상태 에너지를 높인다.

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2. S_N1 반응

S_N1 반응은 S_N2 반응과 일부 유사하다.
단지 차이는, 처음부터 이탈기가 스스로 이탈할 뿐이다.
그러므로 탄소 양이온의 중간체가 존재한다.
이 과정이 속도 결정단계이고 따라서 반대로 3차 탄소에서 가장 반응성이 높다.

이후 반응에서는 친핵체가 붙는데, 만약 이탈기가 덜 이탈했다면 반전된 상태의 생성물이 생긴다.
하지만 이탈기가 완전히 이탈했다면, 평면을 기준으로
양 쪽 모두에서 친핵체가 결합할 수 있기 때문에 R과 S의 라세미체가 형성된다.

(탄소 양이온이 비카이랄이기에 거울상이성질체에 반응을 시키면 광학 활성을 잃게 된다.)

기질의 경우 탄소양이온 중간체가 안정할수록 좋다.
methyl < primary < allylic $\approx$ Benzylic $\approx$ secondary < tertiary

이탈기의 경우 S_N2 반응과 동일하게 센 산의 짝염기일수록 반응성이 크다.

친핵체의 경우, 음전하를 띠고 없지만 않으면 된다.
흔히 중성이나 산성 조건에서 SN1 반응이 잘 일어난다.

용매의 경우 극성 양성자성 용매일수록 용매화에 의해
탄소양이온 중간체로의 전이 상태 에너지가 낮아지므로 반응속도가 증가한다.
용매 편극도는 dielctric polarization(P, 유전율 편극)로 측정 가능하다.

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3. Zaitsev 규칙

염기에 의한 제거 반응에서 일반적으로 안정한 알켄 생성물이 형성된다.
즉, 이중결합 탄소에 치환기가 많은 알켄이 주생성물이다.
이러한 제거 반응은 3가지로 나뉜다.
(E1, E2, E1cB)

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4. E2 반응

할로젠화 알킬을 하이드록시 이온 혹은 알콕시화 이온 같은 강염기와 반응할 때 일어난다.

염기가 수소를 공격하여 수소가 남긴 전자는 할로젠 원소로 이동한다.
따라서 H-B와 X^-가 나오고 중성인 알켄이 생성된다.

 

이때 H와 X는 syn 준평면이 아닌 anti 준평면(엇갈린) 기하구조여야
입체적, 전기적 장애가 덜해 반응이 잘 일어난다.

meso 화합물에 대하여 반응하면 cis(E) 형태의 알켄이 나오고
RR 또는 SS 화합물에 대하여 반응하면 trans(Z) 형태의 알켄이 나온다.

이러한 안티 준평면 조건 때문에 고리 구조에서도
이수평방향이 아닌 이축방향에서만 반응이 일어난다.

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5. E1 반응

우선 느린 반응으로, 3차 할로젠화 알킬의 자발적인 해리가 일어난다.
이후 빠른 반응으로, 이웃한 수소를 염기에 의해 잃고 이중결합을 형성한다.

S_N1 반응에 필요한 중간체와 동일한 중간체를 형성하기에
양성자성 용매에서 비염기성 친핵체와 반응시키면 두 반응이 동시에 일어난다.

E2와의 차이는 E2는 강염기가 필요하고, 입체 특이성이 있다.
반면, E1은 Zaitsev 규칙에 의해 더 안정한 생성물이 예상된다.

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6. E1cB 반응

E1의 변형된 반응이라 생각할 수 있다.
E1의 경우 탄소 양이온을 중간체로 하지만 E1cB의 경우 탄소 음이온을 중간체로 한다.
조건은 카보닐기를 갖고 있으며 이로부터 두 탄소 떨어진 곳에 이탈기(X)가 있어야 한다.

먼저 염기가 수소를 떼어내어 탄소 음이온을 만들고,
공명구조를 형성해 안정해지려 하고, 이 과정에서 X가 전자를 얻고 떨어지게 된다.

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반응성 요약

1차 할로젠화 알킬

좋은 친핵체를 사용하면 S_N2 치환 반응이 일어나고
강염기를 사용하면 E2 제거 반응이 일어난다.
만약 이탈기(X)가 카보닐기(케톤)로부터 두 탄소 떨어져 있다면 E1cB 제거반응이 일어난다.

 

2차 할로젠화 알킬

극성 비양성자성 용매 내에서 약염기성 친핵체를 사용하면 S_N2 치환 반응이 일어난다.
강염기를 사용하면 E2 제거 반응이 주로 일어나고
이탈기가 카보닐기로부터 두 탄소 떨어져 있다면 E1cB 제거 반응이 일어난다.

이차 알릴 또는 벤질 할로젠화물을 양성자성 용매에서 약염기성 친핵체를 사용하면 S_N1과 E1이 진행된다.

3차 할로젠화 알킬

염기를 사용하면 E2 제거 반응이 일어난다.
에탄올이나 물과 같은 중성 조건에서는 S_N1 치환 반응과 E1 제거 반응이 함께 일어난다.
이탈기가 카보닐기로부터 두 탄소 떨어져 있다면 E1cB 제거 반응이 일어난다.