Transcript 목요일반 2주차
2-chloro-methylbutane 합성 (SN1) 20102018이형진 20151877문지찬 20151869김여진 20151904이지현 친핵체, 친전자체 20151877 문지찬 친전자체(Electrophile) • 양전하를 띠고 있거나 전자가 많은 중심에 끌리는 빈 오비탈을 갖고 있는 중성 분자 이다. • 친핵체(nucleophile)와 화학 결합하기 위해 전자 쌍을 받음으로 화학 반응에 참여한다. • 전자 쌍 받개로 루이스 산(Lewis acid)이 다. 친전자체의 종류 • 카보닐기 탄소와 산소의 이중결합을 가진 기이다. 카보닐기는 불포화결합을 가지기 때문에 여러 시 약에 대해 반응성이 좋다. 친전자체의 종류 • 할로젠화알킬 분자식은 CnH2n+1X로 표현하며, 메테인계 탄화수소 의 수소 원자 1개를 할로젠 원자로 치환한 화합물 을 말한다. 친전자체의 종류 • 옥소늄 이온 수소 양이온이 수용액에서 몇 개의 물 분자와 결합 해서 [H(H２O)n]＋ 으로 존재하는 것을 말하며, 하이 드로늄 이온이라고도 한다. 친핵체(Nucleophile) • 화학 반응에서 화학 결합을 형성하기 위해 친전자체(electrophile)에게 전자쌍을 주는 화학종이다. • 강한 염기일수록 센 친핵체이다. • 전자쌍 주개로 루이스 염기(Lewis base)이 다. • 친핵체의 종류 수산화이온 암모니아 물 염소이온 친핵체의 세기 • 일반적으로 강한 염기일수록 친핵성이 크다(항 상은 아니다) 주로 전자쌍이 풍부하여 전자쌍 주 개로 작용하는 경우가 많아 루이스 염기와 비슷 하기 때문이다. 친핵체의 세기 • 일반적으로 입자 사이즈가 작고 음전하가 클수 록 친핵성이 크다. (항상은 아니다) • 음전하밀도가 높고 입체장애가 작아야 핵을 잘 공격할 수 있다. 친핵체의 세기 • 중심원자가 주기율표 아래로 갈수록 친핵성이 크다 • Ex) NH3 < PH3 • 중심원자의 크기가 커서 비공유전자쌍이 원자로 부터 더 멀리 즉, 더 뾰족하게 나와있어 핵을 공 격하기 쉽다 친핵체의 세기 • 같은 주기일 때 같은 주기일 때 왼쪽으로 갈수록 전기음성도가 작 아지면서 전자를 잘 줄 수 있고, 염기성도 커지기 때문에 친핵성이 좋다. 친핵체의 세기 • 음전하일 때(같은 족일 때) 용매에 따라 다르다. • 극성양성자성 용매 극성양성자성 용매에서는 전기 음성도가 큰 F-는 수소 결합으로 용매화가 잘 되어서 반응성이 크 게 떨어진다. 이 때 주기율표 아 래로 갈수록 친핵성이 커지는데 염기성은 약해진다. 친핵체의 세기 • 극성비양성자성 용매 극성비양성자성 용매에서는 음 이온이 잘 용매화 되지 않기 때 문에 주기율표 위로 갈수록 친핵 성이 강해진다. 염기성도 강해진 다. 첨가반응, 치환반응, SN2 20151904 이지현 첨가반응 이중결합이나 삼중결합이 있는 화합물에 다른 분자가 결합하 여 하나의 화합물을 이루는 반응. 불포화 결합에 다른 분자가 결합하는 반응. 고분자를 만드는 데 유용하게 쓰인다. 이중결합의 예 ) 에텐(에틸렌)에 수소, 할로겐, 물이 첨가될 때 삼중결합의 예 ) 에타인(아세틸렌)에 수소, 할로겐, 할로겐화 수소, 물이 첨가될 때 불포화 결합? • 불포화 결합이란 유기화합물 내의 이중결합, 삼중결 합으로 결합이 쉽게 끊어져 다른 물질과 첨가반응을 일으켜 원자가를 포화시키는 결합 • 결합은 X=Y, X≡Y와 같이 2개 또는 3개의 선으로 나 타내는데, 실제로는 1개의 σ결합과 1개 또는 2개의 π결합으로 이루어져 있다. π결합은 σ결합에 비하여 약하며, 이 결합이 끊어져서 다른 물질과 첨가반응을 일으켜 각 원자의 원자가를 포화시킬 수가 있다. • 가장 간단한 첨가반응으로는 에틸렌과 브로민의 첨가반응. • 에틸렌의 이중결합 중 약한 결합인 파이결합이 끊어지고 각각의 탄소원자에 브로민 원자가 결 합한다. 반응 실례 • CH2=CH2 + H2 CH3-CH3 (수소의 첨가) • CH2=CH2 + H2O C2H5OH (물의 첨가) • HC≡CH + H2O CH3CHO (물의 첨가) 치환반응 치환은 화합물 속의 원자, 이온, 기 등이 다른 원 자, 이온, 기 등과 바뀌는 반응을 말한다. 한 원자나 원자단이 다른 원자나 원자단에 의해 교체되는 반응을 말한다. 친전자성 치환과 친핵성 치환으로 나눌 수 있다. 일반적인 치환반응 • 즉, 동일 탄소에 연결된 하나의 σ결합이 끊어지고, 다른 하나의 σ결합이 형성된다. • 가장 보편적인 치환의 예는 Z가 수소이거나 탄소보다 전 기음성도가 큰 헤테로 원자일 경우이다. 친전자성 치환 & 친핵성 치환 친전자성 치환 • 벤젠고리를 포함하고 있는 화합물의 반응에서 일어난다. • 벤젠의 비 편재화된 전자 때문에 벤젠은 친전자체와 반응 을 잘 한다. • 분자 내의 전자밀도가 높은 부분을 전자밀도가 낮은 친전 자시약이 공격 친핵성 치환 • 주로 1개 이상의 탄소와 할로젠 원자가 결합하고 있는 할로젠화알킬에서 일어난다. • 분자의 전자밀도가 낮은 부분을 전자밀도가 높은 친핵시 약이 공격 SN2 SN2 • 단일단계, 중간체를 형성하지 않는다. SN2 • 단일단계, 중간체를 형성하지 않는다. SN2 • 센친핵체 필요 SN2 • v=k [R-X][Nu] • • • • 2차속도식 이분자성치환반응 분자도=2 친핵체의 세기, 농도 중요 SN2 • 배열이 반전된다 SN2 • 배열이 반전된다 SN2 • 5배위 전이상태를 가짐 SN2 • 5배위 전이상태를 가짐 SN2 • 기질의 입체장애가 작을수록 좋다. SN2 • 기질의 입체장애가 작을수록 좋다. • 0차>1차>2차>>3차 • 3차는 안 된다 2차부터 된다. SN2 • 극성양성자성 용매 : O-H 나 N-H결합을 가지고있는 용매 ex) H2O, ROH, RCOOH -이온을 용매화시키는 능력이 좋다. • 극성비양성자성 용매 : O-H 나 N-H결합이 없는 용매 ex) 아세톤, ether -이온을 용매화시키는 능력이 상대적으로 떨어진다. SN2 • 극성양성자성 용매보다는 극성비양성자성 용매에서 반응이 더 잘 일어난다 • SN2는 센친핵체가 반응해야 하는데 극성양 성자성 용매는 용매 분자가 친핵체를 안정 화시키기 때문 SN1 및 SN1, SN2 20102018 이형진 SN1 SN1반응 • 탄소양이온 중간체가 형성이 된다 • 따라서 두단계에 걸쳐 반응이 일어난다 SN1반응 • 탄소양이온 중간체가 형성이 된다 • 따라서 두단계에 걸쳐 반응이 일어난다 SN1반응 • 약한친핵체여도 반응한다 • 이미 생성된 탄소양이온을 공격하기 때문 에 친핵성이 약해도 달라붙을수 있기 때문 SN1반응 • C7H15Cl+NaI [ C7H15+Cl+NaI ] C7H15I+NaCl SN1반응 • C7H15Cl+NaI [ C7H15+Cl+NaI ] 1단계:C7H15Cl C7H15+Cl 2단계:C7H15+I C7H15I C7H15I+NaCl SN1반응 • C7H15Cl+NaI [ C7H15+Cl+NaI ] C7H15I+NaCl 1단계:C7H15Cl C7H15+Cl = 속도결정단계(R.D.S) 2단계:C7H15+I C7H15I SN1반응 • C7H15Cl+NaI [ C7H15+Cl+NaI ] C7H15I+NaCl 1단계:C7H15Cl C7H15+Cl = 속도결정단계(R.D.S) 2단계:C7H15+I C7H15I • 전체 반응의 속도는 RDS의 속도에 의해 결정되 므로 전체속도식=RDS속도식 : v=k [C7H15Cl] • 즉, SN1반응의 속도식: v=k [R-X] *(R-X:기질) SN1반응 v=k [R-X] 1차속도식 일분자성치환반응 분자도=1 반응속도에 친핵체의 세기, 농도가 중요X R-X(기질)의 농도가 일정하다면 k값이 커져야 반응속도 증가 • 즉, 같은 기질농도라도 탄소양이온중간체가 더 잘생길수록 반응속도는 증가 • • • • • • SN1반응 • 같은 기질농도일 때 탄소양이온 중간체가 잘 생길수록 반응속도 좋다 1)탄소양이온 중간체가 안정할수록 2)이탈기(leaving group)이 좋은 이탈기 일 수록 SN1반응 • 탄소양이온의 안정성 • 메틸(0차)<1차<2차<3차 • 탄소양이온에 붙어있는 R기의 수:n차탄소 양이온 SN1반응 • 탄소양이온의 안정성 - 1) 유도효과 • R기는 전자를 밀어주는그룹(EDG)이다 • R기가 탄소양이온보다 상대적으로 전자가 풍부하므로 전자를 탄소양이온쪽으로 줄 수있다. SN1반응 • 탄소양이온의 안정성- 1) 유도효과 • R기가 많아질수록 탄소양이온의 전자부족 현상이 완화되므로 안정 SN1반응 • 탄소양이온의 안정성-2)하이퍼컨쥬게이션 • 탄소양이온 옆의 메틸기의 C-H 시그마 오 비탈이 탄소양이온의 비어있는 p오비탈과 겹치므로 안정 SN1반응 • 기질의 탄소양이온 중간체가 안정할수록 좋다. SN1반응 • 기질의 탄소양이온 중간체가 안정할수록 좋다. • 3차>2차>>1차>Mt • 메틸과 1차는 안된다 2차부터 된다. SN1반응 • SN1반응은 용매의 종류가 상당히 중요하다 • 극성양성자성 용매이어야만 한다 • SN1은 친핵체가 약하므로 친핵체의 도움 없이도 스스로 이탈기가 떨어져 탄소양이 온 자발적으로 생겨야 하므로. 극성양성자 성 용매가 탄소양이온을 안정화시켜야한 다 • 극성양성자성용매는 극성비양성자성용매 보다 이온을 용매화시키는 능력이 좋다 SN1반응 • 이탈기(leaving group) • 치환반응에서 기질로부터 떨어져 나가는 이온을 말한다 SN1반응 • 좋은 이탈기란 상대적으로 더 잘떨어져나가 는 이탈기를 말함 • 음전하가 작고 입자의 크기가 클수록 좋은 이 탈기 • 주기율표상에서 같은 족일때 아래로 갈수록 좋은이탈기 ex)F<Cl<Br<I • 주기율표상에서 같은 주기일때 오른쪽으로 갈수록 좋은이탈기 • 음전하가 덜 편재(집중)되어 안정하므로 SN1반응 • 배열의 반전과 보존이 모두 일어남 • 따라서 라세미의 생성물이 생김 • 라세미: 거울상 이성질체가 비슷한 비율로 섞여있는 용액 SN1반응 • 배열의 반전과 보존 모두 일어남-라세미화 • 탄소양이온중간체를 거치기 때문에 SN1반응 • 배열의 반전과 보존 모두 일어남 – 라세미 • 친핵체가 탄소야이온의 양쪽 어느곳에서 나 공격가능하기 때문 SN1 & SN2 비교 SN1 & ① 강염기, 강친핵체 ex)OH,OR,NH2 ② 약염기, 강친핵체 ex)CN,SH,SR ③ 약염기,약친핵체 ex)H2O,ROH SN2 비교 SN1 & SN2 비교 Sn1 Sn2 입체배열 반전 & 보존 반전 메커니즘단계 2단계 1단계 탄소양이온중간체 O X 반응속도에 영향을주는 요인 기질 탄소양이온의 안정 성 기질의 입체장애,친핵체 용매 극성양성자성 용매 두가지 모두 가능하지만 극성비양성자성 용매가 조금 더 좋음 제거반응, 자리옮김반응, 실험 방법, 기구및 시약 20151869 김여진 제거반응(elimination reaction) • 어떤 분자에서 그 분자를 구성하는 원자 들 중 일부가 빠져나가 새로운 분자가 형 성되는 반응이다. • 첨가 반응의 반대 과정이다. • E1와 E2반응으로 나눌 수 있다. • E2 반응 - 모든 결합이 동시에 끊어지고 생성된다. • E1 반응 -탄소 양이온 중간체를 형성하고, 반응이 동시에 일어나지 않는다. 자리옮김반응(rearrangement reaction) • 유기화합물의 한 분자 내에서 2개의 원자 또는 원자단이 서로 그 위치를 교환하는 반 응이다. • 자리옮김반응은 분자내에서 탄소나 수소의 위치를 옮김으로써 탄소양이온의 안정성이 더 좋아지는 경우 일어난다. 자리옮김반응(rearrangement reaction) - 탄소양이온의 안정성 메틸(0차) < 1차 < 2차 < 3차 자리옮김반응(rearrangement reaction) 1) 유도효과(Inductive effects) - 전자밀도가 더 큰 공간으로 퍼질 때 화학종을 안정시키는데 3 차 탄소로 갈수록 탄소 양이온쪽으로 전자를 밀어주는 원자단이 많 기 때문에 더 안정해진다. 즉 알킬기가 많은 3차 탄소양이온이 가장 안정하다. 자리옮김반응(rearrangement reaction) 2) 하이퍼콘쥬게이션 (Hyperconjugation) - 탄소양이온의 빈 p 오비탈 과 인접한 시그마 결합이 겹쳐 져서 전하를 흩어지게 해 좀 더 안정해진다. - 수소화물 이동 (Hydride shift) - 메틸 이동(Methyl shift) 기구 및 시약 시약 1) 진한 염산 - 분자량 : 36.46 - 무색, 자극취가 있는 강산 (장갑 착용) 2) 2-methyl-2-butanol - 분자량 : 88.15 , 밀도 : 0.805g/cm³ - 특유의 강한 냄새가 나는 무색 물질이다. 3) 아세트산에틸 - 분자량 : 88.11 - 물에 잘 녹고, 각종 유기물을 녹이는 힘이 강 하다. 4) Cuso4 (황산 구리) - 분자량 : 249.68 - 푸른 빛을 띄기 때문에 유기층 과 물 층을 구 별하기 위해 넣어 준다. 3) 탄산수소나트륨 - 분자량 : 120.36 - 백색의 결정성 분말 - 과량의 hcl를 중화시키기 위해 넣어준 다. 5) 황산마그네슘 - 화학식량 : 120.37 - 백색의 결정성 분말 - 유기층에 남아있을 수도 있는 수분을 흡수하는 역할을 한다. + Hcl 기구 1) 분액 깔때기 2) 진공 회전 농축기 3) 50ml 둥근 플라스크 4) 부피 실린더 5) Ph시험지 6) 필터 7) 저울 실험 방법 1.얼음물 속에 진한 염산 20ml와 2-methyl-2butanol 4ml, stirring bar를 50ml 둥근 플라스크에 넣고 30분간 교반한다. 2.반응 혼합물에 소량의 Cuso4와 아세트산 에틸을 넣 고 잘 흔들어 준 후 분별 깔때기에 넣고 층 분리가 일 어날 때 까지 몇 분간 기다린다. 3. 분리 된 아래층을 분별 깔때기를 열어 제거한다. 4. 분리 후 남은 유기층에 NaHCo3 수용액 20ml를 조금씩 넣고 기초가 나오지 않을 때까지 흔들어 준 다. 5. 층 분리가 일어나면 다시 아래층을 분리하고 ph 시험지로 용액이 중성인지 확인하여 준다. 6. 빈 50ml 둥근 플라스크의 무게를 측정한다. 7. 분리된 수용액을 무게를 측정한 둥근 바닥 플라 스크로 옮긴 후 Mgso4를 한 스푼 넣어 준다. 8. 건조 후 수분을 먹은 Mgso4를 필터를 통해 걸러낸다. 9. 진공회전농축기로 거른 용액을 농축 시킨 다 음 무게를 측정한다. 2-methtl-2-butanol의 항 목 값 2-methtl-2-butano 밀도 ml 2-methtl-2-butanol 부피 ml 2-methtl-2-butanol g 2-methtl-2-butanol 분자 량 g/mol 2-methtl-2-butanol 몰수 2-chloro-2-methylbutane 의 항목 mol 값 2-chloro-2-methylbutane 몰수 mol 2-chloro-2-methylbutane 분자량 g/mol 2-chloro-2-methylbutane 질량 g ② 실험결과- 실험값 항목 값 빈 플라스크의 무게 g 필터로 걸러낸 용액 + 플 g 라스크의 무게 유기층의 무게 g 수득률(%) %