유기화학, 그 아홉 번째 이야기 | 탄소 양이온의 구조와 안정성

지난번 포스팅에서는 Markovnikov 규칙에 대해서 설명하였다. 이번 포스팅에서는 그러한 규칙이 왜 들어맞는지에 대해서 설명할 것이다.

 

Markovnikov 규칙이 왜 들어맞는지 설명하기 위해서는 우선 탄소 양이온이 무엇인지 알아야 한다. 탄소 양이온이란, 알켄의 친전자성 첨가 반응에서 생기는 다음 그림과 같은 중간체이다.

그림 1. 간단한 탄소 양이온의 구조

그림은 에텐에서 생길 수 있는 탄소 양이온을 나타낸다. 왼쪽 탄소는 4개의 결합을 이루어 옥텟을 만족하지만, 오른쪽 탄소는 6개의 결합만을 가지며 양전하를 띄고 있는 형태이다. 우리는 여기서 양전하를 가지는 탄소에 주목할 필요가 있다. 이 탄소는 중간체 상태의 탄소양이온에서 최종 생성물로 반응이 진행될 때 반응물이 붙는 자리에 해당하며, sp2 혼성을 이루고 있다. 이 탄소양이온의 차수에 따른 안정도의 경우, 다음 그림을 보면 쉽게 이해할 수 있다.

그림 2. 탄소양이온의 차수에 따른 안정도

그림은 탄소양이온의 차수에 따른 안정도를 나타낸다. 수소 대신 결합한 메틸기(CH3-)의가 많을수록 안정성이 증가하는 것을 알 수 있으며, 이는 유발 효과(Inductive Effect)에 의한 것이다. 유발 효과란, 시그마 결합을 통해서 전자를 밀어주거나 당겨오는 것을 말하며, 이 경우에는 전자를 밀어주는 효과를 이야기한다. 탄소의 양전하는 메틸기에서 결합을 통해서 전자를 밀어줌으로써 안정화가 가능하며, 따라서 메틸기에서 양전하 탄소로 전자를 보다 많이 밀어줄 수 있는 고차 탄소양이온이 저차 탄소 양이온보다 안정성이 크다.

 

이제 지난 포스팅에서 이야기했던 Markovnikov 규칙이 성립하는 이유에 대해서 알아볼 것이다. Markovnikov 규칙은 '알켄의 HX 첨가 반응에서 수소는 알킬 치환기 수가 적은 탄소에 결합하고 할로젠은 알킬 치환기 수가 더 많은 탄소에 결합한다'라는 것이다. 다르게 말하면, '알켄에 HX의 첨가 반응에서 반응 중간체로 치환기 수가 적은 탄소양이온보다는 오히려 치환기 수가 보다 많은 탄소양이온이 생성된다'는 것이다. 이것을 탄소양이온의 관점에서 살펴보면, 안정도가 높은 탄소양이온이 중간체로 생성되는것이 반응 측면에서 유리하기 때문에 Markovnikov 규칙이 성립한다는 것을 쉽게 살펴볼 수 있다.

 

또한 반응 과정에서 중간체 탄소양이온의 안정도를 높이기 위해서 수소음이온(H-)이 이동하는 경우도 존재한다. 이를 수소음이온 이동(Hydride Shift)이라고 하며, 다음 그림을 보면 이해하기 쉬울 것이다.

그림 3. 수소음이온 이동

그림에서 볼 수 있듯이, 중간체인 탄소양이온은 안정성을 높이기 위해서 양전하가 있는 탄소를 더 높은 차수로 만드는 수소음이온의 이동을 야기한다. 또한 같은 차수여도 (공명 등으로) 안정성이 높아질 수 있는 가능성이 존재한다면, 그러한 방향으로 수소음이온 이동이 진행되기도 한다. 그림에서 볼 수 있듯이, 1차 -> 3차 등으로 높은 차수의 탄소양이온을 만드는 이동뿐만 아니라 공명 안정화 효과를 더 크게 얻기 위해서 같은 차수인데도 이동하는 경우를 볼 수 있다.

 

이번 포스팅에서는 알켄의 친전자성 첨가 반응에 대한 개요를 마무리지었다. 다음 포스팅에서는 본격적으로 알켄에서 어떤 반응들을 진행할 수 있는지에 대해서 다루게 될 것이다.