15-1

15.1 탄소의 특별한 성질과 유기 분자의 특성

15.2 탄화수소의 구조와 종류

15.3 유기 반응의 주요 종류

15.4 흔한 작용기의 성질과 반응성

15.5 단량체－고분자 주제 I: 합성 고분자

15.6 단량체－고분자 주제 II: 생고분자

유기 화합물과

탄소 원자의 성질 제 15 장

15-2

그림 7.16 1s, 2s, 및 3s 궤도함수.

15-3

그림 7.17 2p 궤도함수.

15-4

그림 7.18 3d 궤도함수.

15-5

혼성 궤도함수

-분자 내 원자의 원자가 궤도함수는 고립된 원자의 궤도함수와 다르다

-새로운 원자 궤도함수의 공간적 배향 = 관측된 분자 모양

- 혼성(hybridization) : 궤도 함수의 혼합과정

- 혼성 궤도함수(hybrid orbital) : 새로 생성된 원자 궤도 함수

- 생성된 혼성 궤도 함수의 수 = 혼성에 참여한 원자 궤도 함수의 수

sp sp2 sp3 sp3d sp3d2

혼성 궤도함수의 종류

15-6

그림 11.2 기체 상태 BeCl2에서 sp 혼성 궤도함수.

A

B

sp 혼성

-중심 원자에 동등 하지 않은 s 와 p 궤도함수 하나씩이 혼합되면 180°를

이루는 두 개의 동등한 sp 혼성 궤도 함수 생성

15-7

그림 11.3 BF3에서의 sp2 혼성 궤도함수.

sp2 혼성

- 중심 원자에서 하나의 s와 두개의 p 궤도 함수가 혼성 궤도함수 생성

- 정삼각형의 각 꼭지점을 향하여 120°를 이루는 세 개의 혼성궤도함수 생성

15-8

그림 11.4 CH4에서 sp3 혼성 궤도함수.

sp3 혼성

- 중심 원자에 한 개의 s와 세개의 p 궤도함수가 혼성되어 정사면체의

sp3 혼성 궤도 함수 생성

-NH3 : 삼각 피라미드형, sp3 중 하나가 비공유 전자쌍

-H2O : 굽은 형, sp3 중 두 개가 비공유 전자쌍

15-9

11.2 궤도 함수의 겹침의 방식과 공유 결합의 형태

1. 세로 겹침과 시그마 (σ)결합

- 결합축을 따라 가장 높은 전자 밀도, 결합축을 중심으로 회전 시킨 타원형

- 모든 단일 결합

- 분자내 자유로운 회전 가능

2. 가로 겹침과 파이(π) 결합

- σ 결합축을 기준으로 위아래의 두 영역에서 높은 전자밀도

- 이중결합은 언제나 하나의 σ 와 하나의 π 결합으로 구성

- 이중 결합의 두 전자쌍 : 다른 전자 밀도 영역의 다른 궤도함수를 점유하여

반발력이 감소 → 하나의 전자군처럼 행동

- P궤도함수의 가로 겹침을 유지하기 위하여 π결합은 회전 방해

3. 삼중 결합 : 하나의 σ 와 두 개의 π 결합으로 구성

15-10

그림 11.9 에테인(C2H6)에서 σ 결합.

C가 둘 다 sp3 혼성이다. s-sp3가 겹쳐 s 결합이

생성된다.

sp3-sp3 가 겹쳐s 결합이 된다.

σ 결합에 비교적 고르게

분포된 전자 밀도

15-11

그림 11.10 에틸렌(C2H4)에서 σ와 π 결합.

아세틸렌(C2H2)에서 σ와 π 결합. 그림 11.11

15-12

유기 분자의 구조적 복잡성

탄소의 원자 성질과 결합 방식을 재빨리 복습하여 보면, 왜 유기 분자들이

복잡해질 수 있는지 알 수 있다.

1. 전자 배치, 전기음성도와 공유 결합

기여하는 요인들을 살펴보면:

2. 결합 성질, 사슬 구조와 분자의 모양

3. 분자의 안정성

•원자의 크기와 결합 세기

•반응을 할 수 있는 궤도함수

•상대적 반응열

15.1 탄소의 특별한 성질과 유기 분자의 특성

궤도 함수 혼성, 다중 결합

15-13

유기 분자들의 화학적 다양성

1. 헤테로원자와의 결합– (그림 15.2 참조)

2. 전자 밀도와 반응성

•C - C 결합 EN = 0; 따라서 C-C 결합은 비극성이고 또한

일반적으로 비반응성이다.

•C - H 결합 EN ~ 0; 따라서 C-H 결합 결합은 거의

비극성이고 또한 거의 반응성이 없다.

•C - O 결합 EN = 1; 따라서 C-O 결합은 극성이고 반응성있다.

• 다른 헤테로 원자들과의 결합은 EN ~ 0 일지라도 헤테로 원자의 큰

크기때문에 일반적으로 길고 약하므로 따라서 반응성있다.

3. 작용기의 성질

작용기 : 분자의 종류에 상관 없이 특징적인 방식으로 반응하는 일정한

순서로 결합된 원자들의 모임 (유기 화합물 반응의 시작점)

15-14

그림 15.2 유기 화합물의 화학적 다양성.

탄소 4 개, 산소 1개, 및 필요한

수의 H 원자가 단일 결합으로

연결되어 있다.

15-15

탄화수소 : 유기 화합물의 가장 단순한 형태, 탄소와 수소로만

구성

서로 다른 골격의 수를 정할 때 다음을 유의하라.

• 각각의 C 는 최대 4개의 단일 결합을 하거나, 또는 두 개의 단일결합과 하나의

이중결합, 또는 하나의 단일결합과 하나의 삼중 결합을 할 수 있다.

• C 원자의 배열 이 골격을 결정하므로, 곧은 사슬이나 구부러진 사슬 모두 같은

골격을 의미한다.

• 단일 결합으로 이루어진 그룹은 회전할 수 있어, 아래로 향한 가지는 위로

향한 가지와 같다.

15.2 탄화수소의 구조와 종류

15-16

그림 15.3 5-탄소 골격의 예.

단일 결합 이중 결합 고리

15-17

그림 15.4 C-원자 골격에 H-원자 피부를 입히기.

15-18

예제 15.1 탄화수소 그리기

문제: 다음 조건에 맞는 탄화수소의 가능한 구조를 모두 그려라:

계획: 가장 긴 탄소 사슬을 먼저 그리고 그 다음에는 가지가 달린 더

작은 사슬을 사슬의 다른 위치에 그린다.

(a) C 원자 6개, 다중 결합과 고리는 둘 다 없음

(b) C 원자 4개, 이중 결합은 1개, 고리는 없음

풀이: (a) C 원자가 6개인 화합물

15-19

예제 15.1 탄화수소 그리기

(a) 계속

(b) C 원자가 4개이고 이중 결합이 1개인 화합물

15-20

알케인 : 단일결합만을 가지고 있는 탄화수소

• 알케인(alkane) : CnH2n+2 (사슬형)

• 사이클로알케인 (cycloalkane) : CnH2n (고리형)

• 각 탄소는 sp3 혼성

• 이름 : 접두사(가지) +어근(주사슬) +접미사(화합물 종류)

• IUPAC 명 (체계적인 명명법)

단계 1 : 가장 긴 사슬의 이름 정하기(어근)

단계 2 : 화합물의 종류 정하기 (접미사)

단계 3 : 가지가 있으면 가지의 이름을

알파벳 순으로, 가지가 붙은

탄소의 번호를 명시하여 정하기

(접두사)

15-21

Examples

CH2 CH

CH3

CH3CH2CH3parent alkane

alkyl group

12345

3-methylpentane

15-22

Examples

CH2 CH

CH3

CH3CH2CH3parent alkane

alkyl group

12345

3-methylpentane

15-23

Examples

CH2 CH

CH3

CH3CH2CH3parent alkane

alkyl group

12345

3-methylpentane

15-24

Examples

CH2 CH

CH3

CH3CH2CH3parent alkane

alkyl group

12345

2-methylpentane

15-25

Examples

1 2 3 4

CH3 CH CH CH3

CH3 CH3

2,3-dimethylbutane

CH3 CH2 C CH3

CH3

CH3

1234

2,2-dimethylbutane

15-26

Examples

1 2 3 4

CH3 CH CH CH3

CH3 CH3

2,3-dimethylbutane

CH3 CH2 C CH3

CH3

CH3

1234

2,2-dimethylbutane

15-27

Examples

1 2 3 4

CH3 CH CH CH3

CH3 CH3

2,3-dimethylbutane

CH3 CH2 C CH3

CH3

CH3

1234

2,2-dimethylbutane

15-28

Examples

1 2 3 4

CH3 CH CH CH3

CH3 CH3

2,3-dimethylbutane

CH3 CH2 C CH3

CH3

CH3

1234

2,2-dimethylbutane

15-29

Examples

CH3 CH CH2 CH CH CH CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

1

2

3

4

567

2,3,4,6-tetramethylheptane

15-30

Examples

CH3 CH CH2 CH CH CH CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

1

2

3

4

567

2,3,4,6-tetramethylheptane

Note: 치환체에 부여되는 숫자를 작게

15-31

Examples

CH3 CH CH2 CH2 CH3

CH2 CH3

12

3 4 5 6

3-methylhexane

15-32

Examples

CH3 CH CH2 CH2 CH3

CH2 CH3

12

3 4 5 6

3-methylhexane

Caution: 가장 긴 사슬을 주사슬로(언제나 곧은

사슬이라는 편견 금지).

15-33

15-34

그림 15.5 알케인인 3-에틸-2-메틸헥세인을 그리는 방법.

15-35

그림 15.6 사이클로알케인 그리기.

15-36

구조 이성질체와 알케인의 물리적 성질 • 이성질체(isomer) : 분자식은 같으나 성질이 다른 두개 이상의 화합물

• 구조 이성질체(structural isomer) : 결합된 원자의 배열이 다른 이성질체

• 알케인 : 비극성 화합물이므로 분산력에 의하여 물리적 성질 결정

15-37

그림 15.7 처음 10개의 가지 없는 알케인의 끓는점.

15-38

카이랄 분자와 광학 이성질 현상

• 입체 이성질체 (stereoisomer) : 원자들의 배열은 같으나 공간에서

작용기의 배향이 다른 분자

- 광학 이성질체(optical isomer)

: 두 물체가 서로 거울상 관계에 있어 겹쳐 지지 않는 분자

- 기하 이성질체(geometric isomer) 또는 시스-트랜스 이성질체

: 하나의 이중결합 (또는 비슷한 구조) 주위의 기들의 배향이 다른 분자

카이랄 분자 (chiral molecule, 비대칭 분자)

: 서로 다른 4개의 기가 결합된 탄소(카이랄 탄소)를 가진 유기 분자

광학 이성질체의 특징

1.물리적 성질에서 편광면을 회전시키는 방향만 다름

2.화학적 성질에서 카이랄성 화학적 환경에서만 다르게 반응

15-39

광학 활성 (Optical Activity)

편광(polarized light)을

회전시키는 현상

Louis Pasteur (1822-1895)

15-40

ACS 일반화학

1. 우선성

15-41

2. 좌선성

15-42

그림 15.8 광학 이성질체에 대한 비유.

(S)-탈리도마이드

: 유전자 변형에

의한 기형아 출산

(R)-탈리도마이드

: 입덧 완화

15-43

그림 15.9 두 개의 카이랄 분자.

15-44

알켄 : 이중 결합이 있는 탄화수소

• 알켄(alkene) : CnH2n (사슬형) – 불포화 탄화수소

• 각 탄소는 sp2 혼성

• 이름 : 접두사(가지) +어근(주사슬) +접미사(화합물 종류)

• Π 결합으로 인하여 알칸보다 반응성 좋음

• IUPAC 명 (체계적인 명명법)

단계 1 : 주사슬(이중 결합의 두 탄소를 포함해야 함)의 이름 정하기(어근)

사슬은 이중 결합에 가까운 끝부터 번호부여, 이중결합의 위치는

첫번째 탄소의 번호로 정한다.

단계 2 : 화합물의 종류 정하기 (접미사) : 엔

단계 3 : 가지가 있으면 가지의 이름을 알파벳 순으로, 가지가 붙은 탄소의

번호를 명시하여 정하기 (접두사)

기하 (시스-트랜스) 이성질 현상

: 하나의 이중결합( 비슷한 구조) 주위에서 기들의 배향이 다름

15-45

H3C CH3

H3C CH3

H H

H3C H

H CH3

1,2-dimethylcyclopentane

cis-1,2-dimethylcyclopentane trans-1,2-dimethylcyclopentane

1,2- dimethylcyclopentane

15-46

알카인 : 삼중 결합이 있는 탄화수소

• 알카인(alkyne) : CnH2n-2 (사슬형) – 불포화 탄화수소

• 각 탄소는 sp 혼성 (선형 분자 구조)

• 이름 : 접두사(가지) +어근(주사슬) +접미사(화합물 종류)

• Π 결합으로 인하여 알칸, 알켄보다 반응성 좋음

• IUPAC 명 (체계적인 명명법)

단계 1 : 주사슬(삼중 결합의 두 탄소를 포함해야 함)의 이름 정하기(어근)

사슬은 삼중 결합에 가까운 끝부터 번호부여, 삼중결합의 위치는

첫번째 탄소의 번호로 정한다.

단계 2 : 화합물의 종류 정하기 (접미사) : 아인

단계 3 : 가지가 있으면 가지의 이름을 알파벳 순으로, 가지가 붙은 탄소의

번호를 명시하여 정하기 (접두사)

15-47

예제 15.2 알케인, 알켄, 알카인 명명하기

문제: 다음 화합물의 체계명을 쓰고, 구조 (d)의 경우에는 카이랄

중심을 표시하고, 구조 (e)의 두 기하 이성질체를 그려라.

15-48

예제 15.2 알케인, 알켄, 알카인 명명하기

풀이:

(a)

CH3 C

CH3

CH3

CH2 CH3

butanemethyl

methyl

1 432

2,2-dimethylbutane

CH3 CH2 CH CH

CH3

CH3

CH2

CH3

(b)

hexane

methyl

methyl

1

2

3456

3,4-dimethylhexane

*어느 방향으로 명명해도 무방하다

CH3

CH2CH3

(c)

cyclopentane

methyl

ethyl

1

23

4

5

1-ethyl-2-methylcyclopentane

CH3 CH2 CH CH

CH3

CH2

(d)

methyl

12345

pentene

1-pentene

3-methyl-1-pentene

카이랄 중심

15-49

예제 15.2 알케인, 알켄, 알카인 명명하기

CH2 CH C CH

CH3

CH3CH3

CH3

(e)

methyl

methyl

123456

3-hexene

CH2

C C

CH

CH3

CH3CH3

CH3

methyl

methyl

12

34

56

3-hexene

H

cis-2,3-dimethyl-3-hexene

CH2

C C

CH

CH3

CH3

CH3

CH3

methyl

methyl

12

34

56

3-hexene

H

trans-2,3-dimethyl-3-hexene

15-50

방향족 탄화수소 : 비편재화된 Π 전자를 가진 고리 분자

• 여섯 개의 탄소원자로 이루어진 고리를 하나 이상 가진 평면 분자

• 여섯 개의 탄소-탄소 결합 : 결합길이, 결합 세기 모두 같으며,

단일과 이중 결합의 중간 값이다.

공명구조(resonance contributor)

: 실제 구조와 근접한 편재화된 전자를 가진 구조

공명혼성구조(resonance hybrid)

: 비편재화된 전자를 가진 실제 구조

15-51

• 간단한 방향족 탄화수소의 명명법

- 벤젠 : 어미

- 붙어 있는 치환기 : 접두사로 명명

- 치환기가 하나 : 탄소 번호 붙일 필요 없음

- 치환기가 두 개 이상 : 알파벳 순서로 탄소 번호 부여

15-52

O

O O

O

O O

O

O O

2 -

2개의 음전하가 세개의 산소에 동일하게 분포하므로

탄소-산소 결합길이는 모두 같고 분포된 전하도 동일하다.

Delocalized Electrons(비편재 전자)

로 연결된 구조는 실제구조와 근접한 편재화된 전자를 가진 공명구조(resonance contributor)이다.

15-53

O

OO

-2/3

-2/3

-2/3

2-

Overall, the structure can be

represented as above; however,

this is not a Lewis representation.

Delocalized Electrons(비편재 전자)

15-54

분수의 결합 차수

공명 혼성처럼 부분 결합은 종종 결합 차수를 분수로

만든다.

3 개의 공유전자쌍

2 개의결합된 원자 O3, 결합차수 = = 1½

15-55

공명 : 결합 전자쌍의 비편재화

O3 는 두 가지 방법으로 그릴 수 있다 :

어느 것도 O3구조를 정확하게 묘사할 순 없지만 두 개의 루이스 구조(공명구조)로 나타냄

공명구조 :원자의 위치는 같으나 결합 전자쌍과 비공유 전자쌍의 위치가 다른 구조

공명혼성구조 : 실제 분자의 구조로 두 가지 공명구조의 평균 구조

공명 혼성구조의 전자들은 비편재화 되어 있다: 전자 밀도는

몇몇 인접한 원자들에 퍼져있다.

15-56

노새 는 말과 당나귀의 유전자 혼합(혼성체)이다. 이것은 말도

아니고 당나귀도 아니다. 마찬가지로, 공명 혼성체도 공명체의

특성을 모두 가지는 하나의 구조이다.

15-57

문제 10.4 공명 구조 그리기

풀이:

문제: 질산 이온(NO3－)의 공명구조와 결합차수를 구하여라.

질산에는 [1 x N(5e−)] + [3 x O(6e−)] + 1e−] = 24 개의 원자가 e−

단계1-4: 단계 5. N은 팔전자계를 가지지

않는다; e- 한 쌍이 이동하여

이중 결합을 만든다.

4 개의 공유 전자쌍

3 개의 결합된 원자 결합 차수 = = 1⅓

15-58

형식전하

형식 전하 는 모든 결합 전자들이 공평하게 나뉜다고 가정할 때

발생하는 전하를 말한다.

원자의 형식 전하 =

원자가 e- 의 수 – (비공유 원자가 e- 의 수+ ½ 공유 원자가 e-의 수)

형식 전하의 합은 모든 공명 구조의 실제 전하가 되어야 한다.

OA [6 – 4 – ½ (4)] = 0

OB [6 – 2 – ½ (6)] = +1

OC [6 – 6 – ½ (2)] = -1

OA [6 – 6 – ½ (2)] = -1

OB [6 – 2 – ½ (6)] = +1

OC [6 – 4 – ½ (4)] = 0

양쪽 공명 구조의 형식 전하의 합은 영이므로 O3는 중성 분자이다.

15-59

첨가 반응(addition reaction)은 불포화 반응물이 포화 생성물로

변하는 반응이다:

제거 반응(elimination reaction)은 첨가반응의 반대이다. 포화

반응물이 불포화 생성물로 변한다:

R CH CH R + X Y R CH CH R

X Y

치환 반응(substitution reaction)은 유기 반응물의 한 원자 (또는 기)가

시약의 원자 하나 (또는 기)로 대치되는 반응이다:

R C X + Y R C Y + X

R C H C H + X Y R C H C H

X Y

2 2

15.3 유기 반응의 주요 종류

15-60

1. 첨가반응(addition reaction): 불포화된 반응물이 포화된

생성물로 될 때 발생

C=C, CΞC, 그리고 C=O 결합들은 일반적으로 첨가 반응을 한다.

각각의 경우에서 π 결합이 깨지면서 σ 결합이 형성된다.

반응물 (깨진결합)

1 C=C = 614 kJ

4 C–H = 1652 kJ

1 H–Cl = 427 kJ

합계 = 2693 kJ

생성물 (형성된 결합)

1 C–C = -347 kJ

5 C–H = -2065 kJ

1 C–Cl = -339 kJ

합계 = -2751kJ

H°반응 = SH°깨진 결합 + SH°형성된 결합 = 2693 kJ + (-2751 kJ) = -58 kJ

15-61

2. 제거반응(elimination reaction) : 포화된 반응물이 불포화된

생성물로 될 때 일어난다. 이 반응은 첨가반응의 반대이다.

일반적으로 제거된 물질은 H와 할로겐 혹은 H와 –OH이다.

제거반응에 대한 추진력은 HCl (g), H2O 과 같이 작고 안정한

분자의 형성이다.

15-62

3. 치환반응(substitution reaction) 은 첨가된 물질의 원자 또는

작용기 등이 다른 유기화합물의 탄소와 치환되는 반응을 말한다.

치환시 탄소원자는 포화되어 있을 수도 있고 불포화되어 있을

수도 있으며, X 와 Y 는 많은 다른 원자일 수 있다.

바나나기름의 향을 나타내는 주 성분은 치환반응에 의해 형성된다.

15-63

예제 15.3 유기반응의 종류 알아내기

문제: 다음 반응이 첨가반응, 제거반응, 치환반응 중 어느 것인지 말하라:

(a) CH3 CH2 CH2 Br CH3 CH CH2 + HBr

(b) + H2

CH3 C Br

O

+ CH3CH2OH

(c)

CH3 C OCH2CH3 + HBr

O

계획: C에 결합된 원자의 수가 변하는지 살펴본다.

•C에 더 많은 원자가 결합하면 첨가이다.

•C에 더 적은 수의 원자가 결합하면 제거이다.

•C에 결합된 원자의 수가 같으면 치환이다.

15-64

예제 15.3

풀이:

유기반응의 종류 알아내기

(a) CH3 CH2 CH2 Br CH3 CH CH2 + HBr

제거: C에 더 적은 원자가 결합하고 있다.

(b) + H2

첨가: C에 더 많은 원자가 결합하고 있다.

CH3 C Br

O

+ CH3CH2OH

(c)

CH3 C OCH2CH3 + HBr

O

치환: C─Br 결합이 생성물에서 C─O 결합이 되므로, C에 같은 수의 원자가

결합하고 있다.

15-65

15.4 흔한 작용기의 성질과 반응성

15-66

15-67

단일 결합만 있는 작용기: alcohol, haloalkane, amine

알코올(alcohol)

C O H

명명: ---올(~ol)

methanol, ethanol, propanol,…

OH

H+

+ H2O

CH3 CH2 CH CH3

OH

CH3 CH2 C CH3

O

K2Cr2O7

H2SO4

제거 반응

R2CH OH + HBr R2CH Br + HOH

치환 반응

+ -

15-68

할로알케인(haloalkane)

C X

명명: haloalkane 혹은 상용으로 alkyl halide

bromomethane, 2-chloropropane, 1,2-diiodohexane

치환 반응

CH3 CH2 CH2 CH2 Br + OH- CH3 CH2 CH2 CH2 OH + Br-

1-bromobutane 1-butanol

제거 반응

CH3

C CH3

Cl

CH3 CH2CH3 OK+

CH3

C CH2CH3+ KCl + CH2CH3 OH

2-chloro-2-methyl propane

Potassium ethoxide 2-methyl propene

15-69

아민(amine)

C N

명명: ~아민(~amine)

methylamine, ethylamine RNH2(1차 아민), R2NH(2차 아민), R3N(3차 아민)

치환 반응

CH2CH3 NH2CH2CH3 Cl+2

CH2CH3 NH

CH2CH3

CH2CH3 NH3+Cl+

methylamine chloroethane diethlyamine

ethylammonium chloride

+ -

15-70

그림 15.12 아민 작용기를 가진 생분자의 예.

15-71

예제 15.4 알코올, 알킬 할라이드와 아민의 반응 예측하기

문제: 다음 각 반응의 반응 형태와 생성물(들)을 결정하라:

15-72

예제 15.4 알코올, 알킬 할라이드와 아민의 반응 예측하기

풀이:

(a) 치환 - 생성물은

(b) 치환- 생성물은

(c) 제거– (산화): 생성물은

C H 3 C H 2 C H 2 O H + Na I

C H 3 C H 2 N H C H 2 C H 3

+ CH 3 CH 2 CH 2 NH3Br

H 3 C C C H 3

O

15-73

이중 결합이 있는 작용기: alkene, aldehyde & ketone

C C C O

알켄(alkene)

CH3

C CH3

OH

CH3+ H3O+

CH3

C CH2CH3

+ H+

+ HCl

Cl

첨가 반응

2-methylpropene

2-methyl-2-methylpropanol

propene 2-methylpropane

15-74

알데하이드(aldehyde)와 케톤(ketone)

O

CCarbonyl기를 포함한다.

극성 결합이다.

Aldehyde: ~al 예: methanal, propanal

Ketone: ~one 예: 2-propanone, 2-butanone

+

-

그림 15.14

카보닐 기.

15-75

CH2CH3 OH CCH3 H

O알데하이드의 합성 산화

케톤의 합성

OH O산화

ethanol Ethanal (acetaldehyde)

3-pentanol 3-pentanone (diethylketone)

첨가 반응

OH

OH

환원

cyclobutanone cyclobutanol

15-76

단일과 이중 결합을 모두 가진 작용기:

carboxyl group을 갖는다. carboxylic acid, ester, amide

카복실산(carboxylic acid)

R O

H

O 명명: ~산 (~oic acid)

예: ethanoic acid(상용:acetic acid), Butanoic acid

O

H

O

CH3

+ H2O(l)O

O

CH3

(aq) + H3O+(aq)

카복실산은 물에서 약산이다.

카복실산은 강염기와 만나면 반응하여 물과 염을 만든다.

O

H

O

CH3

+ NaOH(l)O

O

CH3

(aq) + Na+(aq) + H2O(aq)

Carboxylate ion

ethanoate

15-77

그림 15.15

카복실산 작용기를 가진 분자들.

15-78

카복실산은 첨가 및 제거 반응으로 구성된 치환 반응을 한다.

R

C

X

O

+ Z YC

O

X

Y

R

Z

R

C

Y

O

+ Z X첨가 제거

카복실산의 탈수축합반응

+C

O

H

O

R

C

O

H

O

R

C

O

C

O

R

O

R

+ HOH

산 무수물(acid anhydride)

15-79

에스터(ester)

카복실산과 알코올의 반응으로 만들어진다.

명명: 처음부분은 산의 이름에서 그리고 두 번째 부분은 알코올에서 온다.

예: ethyl ethanoate(ethyl acetate)

+C

O

H

O

R

C

O

R

O

R

+ HOHH O R

H+

위 반응은 가역적이다. 정반응은 탈수축합반응인 에스터화(esterification)이고, 역반응은 가수분해(hydrolysis)이다.

15-80

아마이드(amide)

Ester와 amine(혹은 NH3)사이의 치환 생성물이다. ~amide

CH3 C

H

O

O

CH3CH2 CH3HN+ CH3 C N

O

CH3

H

CH2+ CH3 OH

Methyl ethanoate Ethanamine

N-ethylethanamide

CH3 C OH

O

+ NH R'

H

CH3 C N

O H

R' + HOH

Amide는 뜨거운 물(혹은 염기)에서 카복실산(혹은 카복실산 이온)과 아민으로 가수분해된다. 그 가수분해의 역반응이 amide의 합성과정이라고 할 수 있다.

Amide 기의 가장 중요한 예는 펩타이드 결합으로서, 단백질에서 아미노산들을 연결하는 것이다.

15-81

그림 15.17 아마이드 작용기를 가진 분자.

15-82

예제 15.5

풀이:

카복실산 집단의 반응 예측하기

문제: 다음 반응의 생성물(들)을 예측하라:

CH3 CH2 CH2 C

O

OH CH3 CH CH3

OH

+H+

(a)

CH3 CH CH2 CH2(b)

CH3

C NH

O

CH2 CH3

NaOH

H2O

계획: (a) 산과 알코올이 반응하여 에스터와 물을 생성하는 축합반응이다.

(b) 염기와 물이 있는 가운데 아마이드는 가수분해할 것이다.

CH3 CH2 CH2 C

O

O(a) CH

CH3

CH3 + H2O

C H 3 C H C H 2 C H 2 (b)

C H 3

C H 2N

O

-C H 2 C H 3 O - + Na + +

15-83

삼중 결합이 있는 작용기: alkyne, nitrile

propyne propene propane

알카인(alkyne)

C CHCH3CH2CHCH3

H2H2

CH2 CH3CH3

나이트릴(nitrile)

CH2 ClCH3+ NaCN CH2 CCH3 N + NaCl

이 반응은 탄화수소의 사슬을 탄소 하나만큼 늘리기 때문에 유용하다. 나이트릴은 한번 만들면 아민으로 환원되거나 카복실산으로 가수분해될 수 있기 때문에 쓸모가 다양하다.

CH2 CCH3 N CH2 CCH3 OH

O

+ NH4+

CH2 CH2CH3 NH2

H3O+, H2O

C

NNH2 OH

O

환원

가수분해

15-84

예제 15.6

문제:

풀이:

작용기 알아보기

다음 분자에서 작용기에 동그라미를 하고 이름을 말하라:

(a)C

O

O

OH

C CH3

O(b)

CH

OH

CH2 NH CH3

(c)

Cl

O

(a)C

O

O

OH

C CH3

O

카복실산

에스터

(b)

CH

OH

CH2 NH CH3

알코올

2o 아민

(c)

Cl

O

케톤

알켄

할로알케인

15-85

15.5 단량체-고분자 주제 I : 합성 고분자

고분자(polymer) : 단량체(monomer)라고 하는 작은 분자들이

공유 결합으로 사슬을 이룬 매우 큰 분자

첨가 고분자(addition polymer)

- 단량체들의 첨가 반응으로 생성

- chain reaction polymer / chain growth polymer

- monomer가 사슬에 첨가 될 때 새로운 반응자리 계속 생성

- 입체 선택적 반응(stereoslective reaction)

: 반복 단위의 기들이 정해진 방향으로 배치된 고분자 합성 가능

15-86

그림 15.18 에틸렌의 자유-라디칼 중합 반응에서 단계.

15-87

15-88

15-89

축합 고분자 (condensation polymer)

- 2개의 작용기를 가진 monomer (A-R-B) 의 반응으로 생성

- 한 단량체의 A가 다른 분자의 B와 축합반응

- 공중합체(copolymer) : 2개 이상의 다른 반복 단위로 구성

15-90

15.6 단량체-고분자 주제 II : 생고분자

당류와 다당류 • 단당류 (monosaccharide)

: 하이드록실 기와 카보닐 기가 달린 탄소 사슬

- 에너지 대사 물질이자

다당류 (polysaccharide)의 단량체 단위

- 수용액에서 단당류의 알코올 기와

알데하이드기가 반응하여 고리 분자 형성

• 이당류 (disaccharide)

: 2개의 단당류가 탈수축합하여 생성

15-91

• 다당류(polysaccharide): 여러 개의 단당류가 공유결합하여 생성

- 섬유소 : 지구상에서 가장 흔한 유기 화합물 , 포도당 사슬의 수소

결합으로 강한 구조 형성

- 녹말 : 식물의 에너지 저장 분자

- 글리코겐 : 동물의 에너지 저장 분자

15-92

아미노산과 단백질 • 아미노산(amino acid)

- 카복실 기와 아민 기를 다 가지고 있는 단량체

-수용성 세포액에서 아민기와 카르복실기는 전하를 띠고 있다

- 각 아미노산은 카복실기와 아민기의

탈수 축합에 의한 펩타이드 결합으로 연결

15-93

그림 15.20 흔한 아미노산.

15-94

그림 15.20 흔한 아미노산

15-95

• 단백질의 계층 구조

: 아미노산 서열에 의하여 단백질의 모양과 기능 결정

1. 일차 구조 : 폴리펩타이드 사슬에서 공유 결합으로 연결된

아미노산 서열 → 공유결합

2. 이차 구조 : 이웃하는 펩타이드 사이의 수소 결합 결과로 생기는

α-나선 구조와 β– 병풍 구조 → 분자간 힘

3. 삼차 구조 : 이온-쌍극자 힘과 수소 결합, 분산력 등 많은 힘으로

결정되는 폴리펩타이드 사슬의 3차원 접힘 → 분자간 힘

4. 사차 구조 : 전체 단백질에서 사슬들이 조합되는 방식 → 분자간 힘

•단백질의 종류

1. 섬유상 단백질 : 강도와 유연성이 요구되는 재료의 성분

아미노산 조성이 단순하고 반복적 ex) 콜라겐

2. 구형 단백질 : 모양과 기능이 다양하여 항체, 호르몬, 효소를 구성

모든 20개의 아미노산이 여러 비율로 존재하는

복잡한 구성

15-96

단백질의 구조적 계층 구조

15-97

뉴클레오타이드와 핵산 • 핵산(nucleic acid)

- N 함유 염기, 당류, 인산 기로 구성된 모노뉴클레오타이드로

이루어진 가지 없는 고분자

- 핵산의 종류 : DNA, RNA (당 분자의 차이)

- 세포핵에서는 DNA의 수백만개의 뉴클레오타이드가 두 사슬이 서로를 감싼

이중 나선 구조로 존재

15-98

DNA 염기

Adenine (A) Thymine (T) Uracil (U)

Guanine (G) Cytosine (C)

15-99

T = A

G ≡ C

DNA 이중나선 구조 : 특정 염기 쌍의 수소 결합으로 생성

DNA ⇒ RNA 염기 서열 ⇒ 단백질의 아미노산 서열

15-

100

C3H8O 이성질체의 루이스 구조를 모두 그리고, 각각에 해당하는 분자

모형을 만들어 보아라.

CH3

CH2

CH2

OH

1-propanol

CH3

CH

CH3

OH

2-propanol

CH3

CH2

O

CH3

ethylmethylether

예제 1

15-

101

예제2

C3H8O2 이성질체 수

O H C

H

H

C

H

H

C

H

H

O H

1,3-propanediol

O H C

H

H

C*

H

O

C

H

H

H

H

1,2-propanediol

O H C

H

O

C

H

H

C

H

H

H

H

1,1-propanediol

H

H

C

H

H

C

O

O

C

H

H

H

H

2,2-propanediol

Diols

15-

102

C3H8O2 이성질체 수

Ether-alcohols

C

H

H

H

O C

H

H

C

H

H

O H

2-methoxyethanol

C

H

H

H

O C

H

H

O C

H

H

H

dimethoxymethane

Diether C

H

H

H

C

H

H

O C

H

H

O H

ethoxymethanol

H

C

H

H

H

O C*

H

O

C

H

H

H

1-methoxyethanol

예제2

15-

103

C3H8O2 이성질체 수

Peroxides

O H O C

H

H

C

H

H

C

H

H

H

peroxypropane

O O

C

H

H

H

C

H

C

H

H

H

H

2-peroxypropane

C

H

H

H

O O C

H

H

C

H

H

H

methylethylperoxide

예제2