 2-methyl-2-butanol로부터 2-chloro-2-methylbutane이 합성됨 을 통해 Sn1반응을 알아보고 그 이외의 다양한 반응에 대해서 알아본다.

  다중결합을 갖는 분자에 시약이 첨가되어 π결합이 깨지면서 σ결합이 생성되는 반응 π결합을 가지고 있는 유기 화합물에서 일어난다. (Alkene, Alkyne, carb onyl, imine)  브롬 첨가반응

  σ결합 : 전자를 견고하게 잡고 있다.

π결합 : 전자가 탄소핵으로부터 멀리 퍼져 있으며, 느슨하게 붙잡혀있다.

𝐄 + 𝐄 𝐄 𝐄 𝐍𝐮𝐜 𝐍𝐮𝐜: − 𝐍𝐮𝐜

  첨가반응의 역반응 한 분자의 원자단이 제거되면서 π결합이 생성되는 반응

 알킬기의 𝑠𝑝 3

  탄소에 결합해 있던 원자단이 다른 원자단으로 교체되는 반응 알케인, 할로젠화 알킬, 알코올, 방향족 화합물에서 주로 일어난 다.

 친핵성 치환반응

-Lewis 염기 -핵을 좋아하는 물질 -결합된 원자들 사이에 전기 음성도가 달라 극성의 비편 재가 일어나기 때문에 전자 가 풍부한 원자가 생겨 전자 가 부족한 원자에 한 쌍의 전 자를 줌으로써 결합을 형성 -ex) 염기, 암모니아, 물, 수산 화 이온, 염소이온 등

-주로 사용되는 친핵체의 종류

-Lewis 산 -전자를 좋아하는 물질 -결합된 원자들 사이에 전기 음성도가 달라 극성의 비편 재가 일어나기 때문에 전자가 부족한 원자가 생겨 친핵체로부터 한쌍의 전자를 받아들여 결합을 형성 -ex) 산, 할로젠화 알킬, 카보닐기 등

     가장 긴 사슬에 붙어있는 치환기 (약칭 : R) 포화탄화수소에서 1개의 수소를 제외한 나머지 원자단 포화탄화수소 알케인(Alkane) → 어미 ‘-yl’ → 알킬(Alkyl) C n H 2n+1 의 형태 메틸기(methyl) : 탄소 1개. CH 3 – 에틸기(ethyl) : 탄소 2개. CH 3 CH 2 – 프로필기(propyl) : 탄소 3개. CH 3 CH 2 CH 2 – 뷰틸기(butyl) : 탄소 4개. CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 –

  알킬기의 sp³ 혼성 탄소 원자에 한 개의 할로젠 원자가 결합한 것 특징 ① 전기 음성도 C < 할로젠(X) → C–X 는 극성 결합 ② 친전자성 C원자를 친핵체(Nuc:¯)가 공격 → 할로젠화 이온(X¯)으로 이탈가능

친핵성 치환 반응 (Nucleophilic substitution)  하나의 친핵체(Nuc:¯)가 자신의 고립 전자쌍을 이용해 탄소 원자에 새로운 결합을 형성하기 위해 이탈기(X¯)를 탄소 원자로부터 치환하는 반응

제거 반응 (Elimination)  할로젠화 이온과 다른 치환체 모두 제거되어 새로운 π결합을 형성하는 반응

메커니즘 (Mechanism)   Sn2란? Substitution (치환) Nucleophilic (친핵성) Bimolecule (2분자성) 반응 속도 = k r [RX][Nuc:¯] k r : 반응 상수(reaction constant), [RX] : 할로젠화 알킬의 농도, [Nuc:¯] : 친핵체의 농도

Sn2 반응에 영향을 주는 요인 1) 친핵체 세기 : 친핵체의 세기가 셀수록 Sn2 반응 속도 faster ① 일반적으로 - 중성전하 < 음전하 - 전기 음성도↓ → 친핵체 세기↑ - 주기율표에서 아래일수록 크기↑, 편극성↑ → 친핵체 세기↑ ② 입체 장애의 영향 : 부피↓ → 친핵체 세기↑ - 입체 장애 (Steric hindrance) 란?

: 원자단의 부피가 커서 반응을 저해하는 효과

Sn2 반응에 영향을 주는 요인 1) 친핵체 세기 : 친핵체의 세기가 셀수록 Sn2 반응 속도 faster ③ 용매 효과 극성 비양성자성 용매 (Polar aprotic solvent) >> 극성 양성자성 용매 (Polar protic solvent) - 양성자성 용매란? O–H 혹은 N–H기 형태의 양성자를 가지는 용매 - 극성 (Polar) vs 비극성 (Non-Polar) : 할로젠화 알킬을 녹여야 함 → 극성 (Polar) - 양성자성 (Protic) vs 비양성자성 (Aprotic) : 양성자성일 경우, 친핵체의 용매화 → 안정 → 반응성↓ → 비양성자성 (Aprotic)

Sn2 반응에 영향을 주는 요인 2) 기질의 반응성 : 친핵체에 의한 Sn2 공격에 관한 좋은 기질이 되기 위해서 기질 분자는 좋은 이탈기 를 가지는 친전자성 탄소 원자를 가져야만 하고 그 탄소 원자는 친핵체가 공격하는 데 너무 입체적으로 장애를 받지 말아야 한다.

Sn2 반응에 영향을 주는 요인 2) 기질의 반응성 ① 이탈기 (Leaving group) - 이탈기의 목적에 따른 좋은 이탈기의 조건 ∙ C 원자를 친전자성으로 만들어야 함 → C와 강한 편극 결합을 해야 합 Example) C –X (X= 할로젠 ) C –O C –N ∙ C 원자와 결합했던 전자쌍을 가지고 이탈 → 이탈했을 때 안정해야 함 → 약염기 (이온과 중성분자) C –S

Sn2 반응에 영향을 주는 요인 2) 기질의 반응성 ① 이탈기 (Leaving group)

Sn2 반응에 영향을 주는 요인 2) 기질의 반응성 ① 이탈기 (Leaving group)

Sn2 반응에 영향을 주는 요인 2) 기질의 반응성 ② 입체 장애 ( 친핵체의 경우와 마찬가지 ) : 부피↓ 알킬기 개수↓ → 방해↓

Sn2 반응의 구조적 특성 : 입체 특이성 반응 (Stereospecific reaction)  친핵체의 뒤쪽 공격 → 탄소원자의 정사면체를 반전 → 생성물에서 친핵체의 위치가 이탈기의 위치와 반대 → 위치 배열의 반전 (Inversion of configuration)

메커니즘 (Mechanism)   Sn1이란? Substitution (치환) Nucleophilic (친핵성) Unimolecule (1분자성) 반응 속도 = k r [RX] k r : 반응 상수(reaction constant), [RX] : 할로젠화 알킬의 농도

메커니즘 (Mechanism)  단계 3 : 만약 친핵체가 전하를 가지지 않는 분자라면 (물, 알코올 등) 하전된 생성물은 최종 전하를 가지지 않은 생성물을 생성하기 위해 탈양자성 반응

Sn1 반응에 영향을 주는 요인 1) 탄소 양이온의 안정도 : 탄소 양이온이 안정할수록 반응을 증대시킴   유발 효과 유기 화합물에 있는 어떤 원자와 탄소 원자와의 결합에서 두 원자 사이의 전기 음성도 차이로 전자구름이 한 쪽으로 치우칠 때 생긴 분극에 의하여 나타나는 효과 Hyperconjugation 오비탈의 겹침으로 인해 전자가 비편재화되어 분자가 더 안정해짐 → 탄소 양이온의 안정도 (=Sn1의 반응성) 3차(알킬기 3개)>2차(알킬기 2개)>1차(알킬기 1개)>+CH ₃

Sn1 반응에 영향을 주는 요인 2) 이탈기 효과 ( Sn2 반응과 마찬가지 ) : 약염기이며 탄소에 결합한 전자쌍을 가지고 이탈한 다음 매우 안정화 되는 것이 좋은 이탈기이다.

3) 용매 효과 : 좋은 이온화 용매 Sn1 반응에서의 중간체 탄소 양이온 + 이온화 용매 → 이온 사이의 전기적 상호 결합 → 더 안정 → 반응 더 잘 됨

Sn1 반응의 구조적 특성 : 라셈화 반응 (Racemization)  평면 탄소 양이온의 두 면 중 어느 하나의 면으로 친핵체가 공격할 수 있다.

- 위쪽 면으로 공격 → 위치 배열 보존 (Retention of configuration) - 위쪽 면으로 공격 → 위치 배열 반전 (Inversion of configuration)

자리 옮김 반응 (Rearrangement )   탄소 양이온의 안정도 : 3차>2차>1차>+CH₃ 알킬기가 많이 붙은 탄소(더 안정한 탄소)가 양이온이 되도록 수소화물(H) 이동

Sn2 반응 Sn1 반응 반응-에너지 도표 반응 메커니즘 친핵체 기질 용매 자리 옮김 생성물 1단계 강한 친핵체 CH₃X>1°>2° 극성 비양성자성 >> 극성 양성자성 X 위치 배열 반전 (입체 특이성 반응) 다 단계 친핵체의 세기 상관없음 (주로 약한 친핵체) 3°>2° 좋은 이온화 용매 O 위치 배열 보존 & 위치 배열 반전 (라셈화 반응)

진한 염산 20ml와 2-methyl-2-butanol 4ml를 50ml 둥근 플라스크에 넣고 stirring bar를 넣고 magnetic stirrer에서 30분 동안 교반

분리후 남은 유기층에 NaHCO₃ 수용액 20ml 첨가 (주의 : 가스발생) 층분리 되는 것을 확인한 후 아래층 수용액을 제거 제거한 수용액이 중성인지 pH 시험지로 확인

남아있는 수분을 잡기 위해 MgSO₄ 1스푼을 첨가해 건조 빈 둥근 플라스크의 무게를 꼭 측정 건조시킨 용액을 필터를 이용하여 걸러내고 걸러낸 용액은 무게를 측정 한 둥근 플라스크에 담음

Rotary evaporator를 이용 농축 생성물 (2-chloro-2-methylbutane) 이 농축된 생성물을 플라스크 와 함께 무게를 측정한다.

2-methyl-2-butanol의 항목

2-methyl-2-butanol 밀도 2-methyl-2-butanol 부피 2-methyl-2-butanol 질량 2-methyl-2-butanol 분자량 2-methyl-2-butanol 몰수

2-chlolo-2-methylbutane의 항목

2-chlolo-2-methylbutane 몰수 2-chlolo-2-methylbutane 분자량 2-chlolo-2-methylbutane 질량

값

0.82 g/ml 4 ml 3.28 g 88.15 g/mol 0.037 mol

값

0.037 mol 106.59 g/mol 3.94 g

2-chloro-2-methylbutane 이론 수득량 구하는 방법

- 이번 실험에서 이론적 수득량은 과량이 아닌 반응물의 몰 수에 생성물의 분자량 을 곱하여 그 값을 알아낸다.

4ml × 0.82g/ml ÷ 88.15g/mol × 106.59 g/mol = 3.94g

항목

빈 Flask의 무게 필터로 걸러낸 용액 + Flask의 무게 유기층만의 무게 • 수득률 (실험값/이론값) X 100

값

55.38 g 55.88 g 0.5 g 12.69 %