[유기화학] 6장 알켄(Alkene): 반응 및 합성 - 3 (환원: 수소화 반응)

6장 알켄(Alkene): 반응 및 합성 - 3 (환원: 수소화 반응)

6.5 알켄의 환원: 수소화 반응

  환원 반응: 탄소와 전기 음성도가 낮은 원자(예컨대 수소 원자) 사이에 결합이 형성되거나, 탄소와 전기 음성도가 더 높은 원자(예컨대 산소, 질소 등) 사이의 결합이 절단되어서 전자 밀도가 증가하는 반응을 말한다.

 

 → 유기화학에서 환원 반응으로써, 종종 알켄에 촉매(Pd 또는 PtO2)를 이용하여 수소원자(H)를 도입하는 반응을 이용하는데 이를 '수소화 반응'이라고 합니다.

 

알켄의 환원 반응 예시

 

 

 

・ 알켄의 수소화 반응 메커니즘

 

  아래에 나타난 메커니즘 모식도와 같이, 1) 알켄의 수소화 반응은 촉매의 표면에 H2가 흡수되면서 시작됩니다. 이후, 2) 금속의 비어있는 오비탈이 알켄의 채워진 p오비탈과 상호작용을 하여 알켄과 금속 원자와 착물을 형성하게 됩니다. 그리고 3,4) 마지막 환원 단계에서는 수소가 알켄과 결합함으로써 환원 반응이 종결되게 됩니다.

 

알켄의 수소화 반응 메커니즘, 맥머리 유기화학 p.267

 

 

 

・ 알켄의 수소화 반응이 갖는 입체 화학적 특징 2가지

 

 ① 알켄의 수소화 반응은 앞서 살펴본 바와 같이, 알켄과 H2분자가 금속촉매 표면에 접근하여 반응을 일으킨다는 메커니즘 상, 형성되는 생성물은 수소 원자 2개가 동일한 방향으로 도입된 Syn첨가가 일어난다는 중요한 입체 화학적 특징을 갖고 있습니다. 

 

  아래 예시 반응은 알켄의 수소화 반응 결과, 수소원자 2개가 동일한 방향으로 일어나 Syn배열을 갖는다는 것을 확인할 수 있습니다.

수소화 반응의 입체화학적 특징

 

 

 ② 그리고 알켄이 수소화 반응을 일으키기 위해서는 알켄이 금속촉매 표면에 접근하여야 하기 때문에, 이 반응은 이중 결합 주위의 입체 환경에 매우 민감하다는 특징이 있습니다.

 

수소화 반응의 입체화학적 특징2

   위의 예시 반응에서 볼 수 있듯, α-Pinene은 그림의 상단부가 메틸기에 의하여 금속 촉매 표면으로의 접근이 어렵기 때문에, 이중결합의 아랫부분에 수소원자 2가지가 도입된 생성물이 얻어짐을 설명할 수 있습니다.

 

 

 

 

・ 알켄의 수소화 반응에 의하여 환원되지 않는 작용기

 

  알켄의 수소화 반응은 PtO2 촉매 하에서 고압 조건을 주는 것과 같이 격렬한 조건을 가해주지 않는 이상, 일반적으로 알켄의 수소화 반응은 알데하이드, 케톤, 에스터 및 나이트릴 등과 같은 작용기들은 환원시키지 않습니다.

 

  뿐만 아니라 방향족 고리 또한 매우 안정하기 때문에 mild 한 조건하에서 환원되지 않습니다.

 

 

알켄의 수소화 반응 예시

 

 위의 예시 반응 3가지를 보면 알 수 있듯이 Pd촉매와 온화한 조건에서 케톤, 에스터, 나이트릴 및 방향족 고리들은 환원되지 않았음을 확인할 수 있습니다.

 

 

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・ 알켄의 수소화 반응 요약

 

1) 위치 화학적 특징

→ 도입되는 수소원자는 Syn 배열을 갖는다.

→ 도입되는 수소는 Bulky 한 작용기의 반대편에 도입된다.

 

2) 환원되지 않는 작용기

→ 일반적으로 나이트릴, 케톤, 알데하이드, 방향족 고리 등등

 

3) 환원되는 작용기

→ Isolated double bond, 콘쥬게이션 된 이중 결합 등

 

 

 

※ 용어 참고

알켄 용어

 

 Conjugated Alkene(콘쥬게이션 된 알켄): 용어 그대로 콘쥬게이션 구조를 갖는 알켄을 말합니다. 여기서 콘쥬게이션이란 p오비탈이 시그마 결합으로 연결된 다른 원자의 p오비탈이 평행하게 겹쳐 일어나는 상호작용을 말합니다.

 

 Isolated Double bond: 이중결합이 다른 이중결합과 떨어져 있을 경우 Isolated 되어 있다고 합니다.