유기화학, 그 열 번째 이야기 | 알켄의 반응 - (1)

지난 포스팅에서는 알켄의 친전자성 첨가 반응에 대한 개요에 대해서 설명하였다. 또한, HX 첨가에 대한 메커니즘도 간단하게 설명하였다. 이번 포스팅에서는 알켄을 어떻게 제조하고, 또한 알켄을 출발물질로 하는 어떤 반응들이 존재하는지에 대해서 알아볼 것이다.

 

우선, 알켄의 제조에 대해서 알아보자. 알켄은 크게 두 가지의 방법으로 만들어질 수 있는데, 할로젠화 알킬의 제거 반응(이 경우 센 염기가 동반된다) 또는 알코올의 탈수 반응(이 경우 센 산이 동반된다)이 그 두 가지이다. 이 과정은 앞서 배웠던 알켄의 HX 첨가나 물 첨가(수화: 이 반응은 뒤에서 다룰 것이다.) 반응의 역과정으로 생각하면 쉬울 것이다. 자세한 과정은 조금 뒤의 포스팅인 제거 반응에 대한 자세한 포스팅에서 다룰 것이다.

 

다음으로, 알켄의 반응에 대해서 알아보겠다. 우선적으로 알아볼 것은 알켄의 할로젠화 반응이다. 알켄에 X2를 첨가하는 반응으로, 이 반응은 탄소양이온의 형성이 아닌 조금 독특한 메커니즘으로 진행된다. 왜 독특한지에 대한 이유는 다음 그림으로 직관적으로 알 수 있다.

그림 1. 알켄에 브로민 첨가에 대한 메커니즘: 브로모늄 이온

그림에서 볼 수 있듯이, 중간체로 탄소양이온이 형성되는 것이 아닌, 브로모늄 이온(Bromonium Ion)이 형성된다. 이러한 메커니즘이 등장하게 된 계기는 다음과 같은 반응 때문이다.

그림 2. 사이클로알케인에 브로민 첨가: 안티 입체화학

상식적으로 생각해보았을 때 같은 쪽에 브로민 원자 2개가 붙은 생성물과 반대쪽으로 각각의 브로민 원자가 붙는 생성물 모두 가능할 것 같지만, 이 반응의 경우 두 브로민 원자가 반대쪽으로 붙는 반응 생성물이 주생성물이 된다. (이러한 입체화학을 안티 입체화학이라고 한다.) 이러한 결과를 설명하기 위해서 브로모늄 이온이라는 중간체를 거치는 반응 메커니즘을 화학자들은 예측하게 되었고, 결국 George Olah라는 화학자에 의해서 실제로 브로모늄 이온이 액체 상태의 SO2에서 안정하게 존재할 수 있다는 것이 밝혀지면서 예측한 메커니즘이 사실임이 밝혀졌다.

다음으로는 알켄으로부터 할로하이드린을 만드는 반응이 있다. 이 반응의 경우, 탄소 하나에는 할로젠이, 다른 탄소에는 하이드록시기가 붙게 되어 결과적으로는 HOX의 첨가가 된다. 이 반응도 X2를 사용하나, X2가 물과 경쟁하여 반응하게 된다. 따라서 이때도 X2 첨가와 비슷하게 브로모늄 이온 형태의 중간체를 경유하게 된다.

그림 3. 알켄으로부터 할로하이드린 제조

다음으로 설명할 반응은 알켄의 환원(수소화 반응)이다. 환원은 수소 기체(H2)를 사용하며, 동시에 금속 촉매로 백금이나 팔라듐 촉매(보통 활성탄과 함께 사용한다)를 사용한다. 이 반응의 메커니즘 역시 특이한데, 불균일 반응으로 분자들이 금속 촉매에 흡착된 후 반응을 일으킨다. 다음 그림을 통해서 자세한 메커니즘을 확인할 수 있다.

그림 4. 알켄의 수소화 반응에 대한 메커니즘

다음으로 살펴볼 반응은 알켄의 수화로, 이번 포스팅에서 간단히 다루고 다음 포스팅에서 더 자세히 다룰 것이다. 알켄의 수화는 다양한 방법으로 행해질 수 있다: 우선 간단한 방법으로는 산 촉매를 이용하여 물을 직접 첨가하는 반응이 있다. 메커니즘은 앞 포스팅에서 설명했던 탄소양이온 중간체를 생성하는 메커니즘이므로 생략하도록 하겠다. 수화 반응이므로 생성물은 알코올, 그 중에서도 Markovnikov 규칙에 의해서 높은 차수의 탄소에 하이드록시기가 결합한 알코올이 생성된다.

그림 5. 알켄의 수화 반응

그러나 이 반응은 매우 높은 온도 조건을 필요로 하며, 강산 조건이기 때문에 실제로 실험실에서 사용하기에는 무리가 있다. 따라서 화학자들은 다른 방법으로 알켄의 수화를 진행하는데, 이 부분은 다음 포스팅에서 다루도록 하겠다. 

 

이 포스팅에서는 알켄의 반응들 중 친전자성 첨가 반응에 해당하는 몇 가지 반응들과 수소화 반응 등을 다루었다. 다음 포스팅에서는 알켄의 수화, 산화에 대해서 집중적으로 다룰 것이다.