Hankyong National Universitycontents.kocw.net/KOCW/document/2015/hankyong/yunchanghan3/4.pdf · Sodium acetylide Cyclohexanone Sodium-1-ethynyl cyclohexyloxide 1-Ethynyl cyclohexanol

Hankyong National University 16-1

작용기의 화학적 성질이 간단 → 몇 개의 특징적 반응을 이해 → 넓고 다양한 유기반응을 이해


작용기 : ─C=O(Carbonyl 기)

• Aldehyde : R─CH=O

• Ketone : R─(C=O)─R‘

C=O 결합의 구조

• C와 O의 sp2 혼성 궤도함수의 겹침 → 1개의 σ결합

• 서로 평행한 2p 궤도함수의 겹침 → 1개의 π결합

• O에 있는 2개의 비공유 전자쌍 : sp2 혼성 궤도함수에 존재

Carbonyl 기(─C=O)


A. IUPAC 명


A. IUPAC 명

모체 Alkane의 ─e를 ─al 로 변경

불포화 Aldehyde의 C=C 혹은 C≡C의 존재 : 삽입어 ─en─ 혹은 ─yn─를 사용

─CHO 치환기를 포함하는 고리화합물 : 고리이름에 ─carbaldehyde를 붙여 명명

Aldehyde의 IUPAC 명명법

CHO C6H5

CHO

3-Methylbutanal 2-Propenal

(Acrolein)

(2E)-3,7-Dimethyl-2,6-octadienal

(Gerabial)

Cyclopentane-

carbaldehyde

trans-4-Hydrocycyclo-

hexanecarbaldehyde Benzaldehyde trans-3-Phenyl-2-propenal

(Cinnamaldehyde)

1 2

3


A. IUPAC 명

모체사슬 : C=O를 포함하는 가장 긴 Alkane

모체 Alkane의 접미사 ─e를 ─one 로 변경

Ketone의 IUPAC 명명법

O

O O O

Propanone

(Acetone)

Acetophenone Bezophenone 1-Phenyl-1-pentanone


Aldehyde : acid의 접미어 ─ic 혹은 ─oic을 ─aldehyde로 바꾸어 명명

Ketone : carbonyl 기에 붙은 2개의 Alkyl 기 혹은 Aryl 기를 분리하여 명명한 후 ketone 붙임

관용명(Acid에서 유도)

C. 관용명

O ∥ HCH

O ∥ HCOH

O ∥ CH3CH

O ∥ CH3COH

Formic acid Formaldehyde Acetic acid Acetaldehyde

O O O

Ethyl isopropyl ketone

Diethyle ketone

Dicyclohexyl ketone


─C=O 기 : 극성 → 쌍극자─쌍극자 상호작용

bp : Alcohol, Acid > Aldehyde, Ketone > 비극성

(극성+수소결합) (극성)

표 16.2 비슷한 분자량 화합물의 bp 비교

이름 구조식 분자량 bp(℃)

Dimethyl ether CH3CH2OCH2CH3 74 34

Pentane CH3CH2CH2CH2CH3 72 36

Butanal CH3CH2CH2CH2CHO 72 76

2-Butanone CH3CH2COCH3 72 80

1-Butanol CH3CH2CH2CH2OH 74 117

Propanoic acid CH3CH2COOH 71 141


가장 보편적인 반응

정사면체형 Carbonyl(C=O) 첨가 생성물 형성

친핵체(Nu:─) 첨가 반응

공명 안정화된 양이온 생성

C=O 기의 전자 부족을 심화 → 친전자성을 강화(친핵체와의 반응을 강화)

양성자(Lewis 산) 첨가 반응

공명 안정화


Carbonyl(C=O) 첨가 생성물 → 대부분의 경우 Chiral 중심을 형성 → Racemic 혼합물 형성


A. RMgX(Grignard 시약)의 첨가

친핵체 : RMgX RLi RC≡C:─ ─:C≡N:

Grignard 시약 Organolithium 시약 말단Alkyne 음이온 Cyanide 음이온

친핵체(Nu:─) 첨가 반응

C─Mg 결합 : 극성 공유결합[C(δ─)─Mg(δ+)] → 좋은 친핵체

C=O와 정사면체 Carbonyl 첨가 화합물 형성

『주의』 Aldehyde 혹은 Ketone + Grignard 시약 → 새로운 Chiral 중심 형성

반응에 의해 생성된 Alkoxide(─O[MgBr]+) : 강염기

Alkoxide(─O[MgBr]+)를 산 수용액과 반응(가수분해) → 1차 Alcohol 생성

Formaldehyde에 첨가하여 1차 Alcohol을 생성

A.


Alkoxide(─O[MgBr]+)를 산 수용액과 반응(가수분해) → 2차 Alcohol 생성

생성물은 Chiral 중심을 가지고 있고, Rcemic 혼합물

Aldehyde(Formaldehyde 제외)에 첨가하여 2차 Alcohol을 생성

Ketone에 첨가하여 3차 Alcohol을 생성

A. RMgX(Grignard 시약)의 첨가


B. RLi(Organo Lithium)의 첨가

Carbonyl 첨가반응에서 RMgX보다 반응성이 좋음(높은 수득율)

N2등 비활성 기체 분위기 하에서 제조 → 취급 불편

B. RLi(Organo Lithium)의 첨가


생성물인 Alkyne Alcohol은 ─OH기와 C≡C를 포함 → 다음 반응으로 진행 가능

C. RC≡C:─(말단 Alkyne)의 첨가

α-Hydroxy cyclohexyl

methyl ketone

β-Hydroxy cyclohexyl

acetaldehyde

Sodium acetylide Cyclohexanone Sodium-1-ethynyl

cyclohexyloxide 1-Ethynyl cyclohexanol

H2O

H2SO4, HgSO4

1.(sia)2BH

2. H2O2, NaOH

1-Ethynyl

cyclohexanol

C. RC≡C:─(말단 Alkyne)의 첨가


1 단계(정사면체 Carbonyl 첨가화합물 생성) 2 단계(Cyanohydrin 및 새로운 Cyanide Anion 생성)

HCN(Hydrogen Cyanide) : 약산(pK=9.31) → pH=10 정도에서 높여서 반응 필요

HCN + Aldehyde/Ketone → Cyanohydrin(정사면체 Carbonyl 첨가 화합물)

O OH

∥ ｜ CH3CH + HC≡N ↔ CH3C─C≡N 2-Hydroxy propane nitrile(Racemic) ｜ (Acetaldehyde cyanohydrin) H

D. ─:C≡N:(Cyanide 음이온)의 첨가

D. ─:C≡N:(Cyanide 음이온)의 첨가


Oxaphosphetane의 분해 → triphenylphosphine oxide+ Alkene

Betaine(쌍극자성 중간체) 생성 후 Oxaphosphetane 고리 생성

Phosphonium Ylide로 Aldehyde / Ketone → Alkene 합성

Witting 반응 : 입체장애가 존재함.(C=O기가 입체적으로 가려워진 Ketone → 수율이 낮음.

1 단계(Oxaphosphetane 고리 생성)

2 단계(Oxaphosphetane의 분해)

Phosphoniumylide Betaine Oxaphosphetane

Oxaphosphetane Triphenylphosphine oxide

Alkene

Cyclohexanone Phosphonium ylide Methylenecyclohexane Triphenylphosphine oxide

Ylide(일리드)

서로 이웃한 원자에

양전하와 음전하를

갖는 중성 분자


다양한 Aldehyde / Ketone + 다양한 Ylide의 반응이 가능

음전하 옆에 음이온을 안정화시키는 치환기가 있는 Ylide → 안정 → E구조 선택적

음전하 옆에 음이온을 안정화시키는 치환기가 없는 Ylide → 불안정 → Z구조 선택적


C=O기의 수화 gem─diol(geminal diol, 같은자리 다이올) 생성

가역반응에서의 평형의 방향

• 대부분의 경우 : C=O기의 생성 방향(예, Acetone : <0.1%만이 수화물 존재)

• Formaldehyde의 경우 : 수화물 생성 방향(> 99% 수화)

A.물의 첨가 : Carbonyl 수화물의 형성

산/염기 촉매

가역적반응

산/염기 촉매

가역적반응


Hemiacetal(half─acetal)의 작용기 : ─OH기 혹은 ─OR기가 결합된 탄소

Hemiacetal : 일반적으로 불안정 → 대부분의 경우 5원자 혹은 6원자 고리를 형성

Hemiacetal을 형성하면서 Chiral 중심이 새로 생길 가능성 높음.

Anomeric Carbon : Hemiacetal을 형성하면서 새로 생성된 Chiral 중심에 있는 C

Anomer : 2 개의 서로 다른 고리형 Hemiacetal(부분입체이성질체)

α─Anomer : ─OH기가 맨끝 ─CH2OH 치환기와 같은 쪽(반대 쪽 → β─Anomer)

B. Alcohol의 첨가 : Acetal의 형성

Hemiacetal(half─acetal)의 생성


H+가 R─OH로부터 염기촉매로 이동

H+가 Alcohol로부터 O─로 이동 → Hemiacetal 생성 및 염기촉매 재생

1 단계(좋은 친핵체인 Alkoxide 생성)

RO─가 Carbonyl C를 공격

2 단계(Carbonyl 첨가 화합물 생성)

3 단계(Hemiacetal 생성 및 염기촉매 재생)

B. Alcohol의 첨가 : Acetal의 형성

염기 Alcohol Alkoxide

(촉매염기)

Alkoxide

(촉매염기) Hemiacetal


Hemiacetal은 Alcohol과 한번 더 반응 → Acetal과 물을 생성

Acetal의 생성과 그 가역반응 : 산 촉매가 필요

※ ─OH기는 친핵체에 의해 이탈 불가능 → 염기 촉매에 적용 불가능

Acetal기의 작용기 : 2 개의 ─OR기가 결합된 탄소

Hemiacetal Diethyl acetal

Acetal의 생성

Acetal



NH3 / 1차 Amine + Aldehyde / Ketone → RC=NR´

RC=NR´ : Imine or Schiff 염기

Imine : 불안정, 분리 안됨(※ C=N기가 확장된 Conjugation계는 안정)

A. NH3와 그 유도체들

O ∥ CH3CH + H2N CH3CH=N + H2O

H+

O + NH3

H+

NH + H3O

Acetaldehyde Aniline An Imine

Cyclohexanone Ammonia An imine


Aldehyde / Ketone의 수화반응 혹은 Alcohol과 반응하여 Hemiacetal 생성반응과 동일

1 단계(정사면체 Carbonyl 첨가 화합물 생성)

2 단계(OH기의 이탈 후 N로부터 H+ 이동 → Imine 생성)


Imine




H2NNH2 : Hydrazine

O + H2NNH2 NNH2 + H2O

Hydrazine Hydrazone

B. Hydrazine과 관련 화합물

Cyclopentanone


α─탄소 : C=O기에 인접한 C

α─수소 : α─탄소에 결합된 H

전기음성도 : C ≒ H → C─H : 비극성 → C─ = 불안정 → H의 산도 = 낮음

H의 산도 : C≡H, CH2=CH─, C=H의 수소 < ─C=O기의 α─수소 < ─OH의 수소

Enolate Anion의 음전하 : 공명에 의해 비편재화 → 안정화

• Enolate Anion : ─C=O의 α─탄소로부터 H+가 이탈된 음이온

A. α─수소의 산도


공명 안정화된 Enolate Anion


H+가 H─A(산 촉매)로부터 Carbonyl 산소로 이동 → Oxonium Cation 생성

1 단계(Oxonium Cation 형성)

H+가 α─탄소로부터 A─로 이동 → Enol 생성 + 새로운 산 촉매 재생

2 단계(Enol 생성 및 새로운 산 촉매 재생)



B. Keto─enol Tautomerism의 평형위치

1 개 이상의 α─H를 가지고 있는 Aldehyde / Ketone : enol형과 평형을 유지

간단한 Aldehyde/ Ketone : Keto형이 우세(평형이 Keto형으로 치우침)

『사유』 C=O결합 > C=C결합 but C─H결합 ≒ O─H결합이기 때문

이러한 enol은 C=C과 C=O기의 π계 Conjugation에 의해 안정화 된다.

2,4-Pentanedion(열린 사슬 형태의 β─Di-ketone)의 enol

: 분자 내 H결합으로 더욱 안정

B. Keto─enol Tautomerism의 평형위치


Aldehyde는 모든 작용기 중 가장 쉽게 산화되는 화합물

O2 / H2O2에 의한 산화(Aldehyde → Carboxylic acid) : Radical 반응

A. Aldehyde의 산화

A. Aldehyde의 산화


Ketone은 특수한 조건 하에서만 산화(Aldehyde와는 현저히 다름)

Ketone은 Chromic acid, Potassium permanganate에 의해 산화 안됨.

Ketone + 강산화제(K2Cr2O7, KMnO4) + 고농도 산/염기 enol → 산화성 분해

대칭형 Cycloketone의 산화 → 한가지 화합물만 생성 → 매우 유용

B. Ketone의 산화

B. Ketone의 산화

고온

Nylon-66의 원료


Aldehyde → 1차 Alcohol로 환원, Ketone → 2차 Alcohol로 환원

Aldehyde와 Ketone의 ─C=O기 → Methylene기(─CH2─)로 환원

H:─(Hydrid Anion, 매우 강한 친핵체)로 환원

H:─의 원료 : NaBH4(Sodium Borohydride), LiAlH4(Lithium Aluminium Hydride, LAH) 등

NaBH4를 이용한 환원 : 반응성이 약함 → 선택적인 시약으로 사용

LAH를 이용한 환원 : 매우 강력한 환원제 → 비양성자성 용매((C2H5)2O, THF) 이용

※ 양성자성 용매(물, 알콜 등)과의 반응 : 격렬한 반응 → H2, 금속수산화물, 금속 Alkoxide 발생

A. 금속 수소화물에 의한 환원

A. 금속 수소화물에 의한 환원


전이금속(Pt, Ni) 하에서 H2에 의해 ─OH기로 환원

온도 : 25℃ ～ 100℃

압력 : 1 기압 ～ 5 기압

촉매 환원의 장점

• 실행이 간단

• 높은 반응 수득율

• 쉬운 최종 생성물 분리

촉매 환원의 단점

• C=C, C≡C 등의 다른 작용기가 환원되는 부반응을 동반

B. 촉매 환원

B. 촉매 환원


금속수산화물 환원제(LiAlH4, NaBH4)를 사용(※ 친전자성이 아닌 작용기(C=C)는 무반응)

C=C결합의 선택적 환원

C. 선택적 환원

C. 선택적 환원

D. 환원성 아미노화 반응

환원성 아미노화 반응 : Imine의 C=N결합이 Ni 촉매 존재 하에서 C─N결합으로 환원

D. 환원성 아미노화 반응


E. Carbonyl기의 Methylene기로의 환원

Clemmensen 환원 : Aldehyde / Ketone + Zn(Hg) + HCl → Methylene기(─CH2─)

Conc. HCl 사용으로 인한 Clemmensen 환원의 제한적 사용

• 3차 Alcohol : 탈수될 수 있음

• Acetal 화합물 : Carbonyl기가 환원될 수 있음.

Wolff-Kishner 환원

E. Carbonyl기의 Methylene기로의 환원


─C=O기가 Hydrazine과 반응하여

Hydrazone을 생성

1 단계(Hydrazone 생성)

염기-촉매에 의한 Tautomerism으로N=N 이성질체 생성

2 단계(Tautomerism으로 N=N 이성질체 생성)

R


H+가 Hydroxide Anion으로 이동

N 이탈

물로부터 H+가 탄소음이온으로 이동 → 탄화수소와 Hydroxide Anion 생성

3 단계(탄화수소와 Hydroxide Anion 생성)

탄소 음이온 생성



산─촉매 Keto-enol Tautomerism으로 enol 생성

1 단계(enol 생성)

enol이 X2(Halogen 분자)에 친핵성 공격 → α─Haloketone의 짝산을 생성

2 단계(α─Haloketone의 짝산 생성)

H+가 Acetic acid(염기로 작용)로 이동 → α─Haloketone을 생성

3 단계(α─Haloketone 생성)

C. α─Halogenation


H+가 α─탄소로부터 염기로 이동하여 공명 안정화된 Enolate Anion 형성

1 단계(공명 안정화된 Enolate Anion 생성)

Enolate Anion이 Halogen에 친핵성 공격을 하여 α─Bromoketone 생성

2 단계(α─Bromoketone 생성)




둘 다 다중 Halogenation을 일으킴.

산─촉매 Halogenation

• 전기음성적인 α─Halogen이 양성자 첨가에 대한 Carbonyl 산소의 염기도를 감소

• 두 번째 Halogenation ≪ 첫 번째 Halogenation → 단일 치환 가능

염기─촉매 Halogenation

• 첫 번째 α─Halogen이 α─수소의 산도를 더욱 증가

• 두 번째 Halogenation 》 첫 번째 Halogenation → 단일 치환 불가능

• 유용한 합성반응이 아님

산─촉매와 염기─촉매 Halogenation의 차이

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