Conversion of Alcohols to Alkyl Halides

 Alcohol(R-OH)을 Alkyl halide(R-X)로 만드려면 HX를 사용하거나 SOCl₂ 나 PBr₃ 를 사용하면 된다. 그런데 알코올의 탈수 반응처럼 ^-OH는 좋은 leaving group이 아니다. 그래서 알코올을 반응시키려면 먼저 -OH기를 좋은 leaving group으로 바꾸는 것을 먼저 해야만 한다. 먼저 HX를 사용하는 것부터 보자.

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 HX를 사용해서 알코올을 할로젠화 알킬로 변환

 알코올을 할로젠 이온 X^-와 반응시키는 경우에는 ^-OH가 좋은 이탈기가 아니기 때문에 아래의 치환 반응은 일어나지 않는다.

R-OH + X^- → R-X + ^-OH

그러나 알코올을 HX와 반응시키는 경우에는 H2O가 이탈기가 되기 때문에 아래의 치환 반응이 일어나게 된다.

R-OH + HX → R-X + H₂O

알코올과 HCl, HBr, HI의 반응은 일차, 이차, 삼차 Alkyl halide를 제조하는 일반적인 방법이다.

일반적으로 치환기가 많은 알코올은 HX와 더 빠르게 반응한다.

반응속도가 느림                                         반응속도가 빠름 

RCH₂-OH  R₂CH-OH  R₃C-OH
1˚           2˚          3˚

 

 ● 메커니즘Mechanism

 ROH와 HX의 반응은 먼저 산염기 반응으로 알코올의 OH기에 강산인 HX의 양성자가 첨가되어 좋은 이탈기Good leaving group(H₂O)과 친핵체nucleophile(X^-)가 된다. 그 후에는 치환기의 수에 따라 S_N2 또는 S_N1이 일어나며 치환된다. 보통 Methanol과 1차 알코올은 S_N2 메커니즘을 따라서 반응을 하며, 2차와 3차 알코올은 S_N1 메카니즘을 따라서 반응한다.

 1˚ ROH와 HX의 반응 S_N2 메커니즘

먼저 OH기에 대해 양성자 첨가Protonation이 일어나서 좋은 이탈기가 형성된다.

Br^-의 Nucleophilic atack이 일어나면서 C-Br 결합이 형성되고 C-O 결합이 끊어진다.
이 반응은 S_N2 메카니즘을 따라 반응이 일어나게 되어 Walden inversion이 일어나서 입체화학이 반전되는 생성물이 생성된다.

[Walden inversion]

 2˚ ROH, 3˚ ROH와 HX의 반응 S_N1 메커니즘

먼저 OH기에 대해 양성자 첨가Protonation이 일어나서 좋은 이탈기가 형성된다.

C-O 결합이 끊어지면서 이탈기가 이탈한 후에 탄소양이온carbocation이 형성되고, nucleophile인 Br^-의 Nucleophilic atack이 일어나면서 C-Br결합이 형성된다.

이 반응은 S_N1 메카니즘을 따라 반응이 일어나게 되어 라세미 혼합물racemic mixture를 생성한다.

[racemic mixture]

S_N1 반응에서 carbocation이 형성되고, 탄소양이온의 안정성 때문에 탄소양이온의 자리옮김rearrangement가 일어날 수 있다.

[먼저 양성자의 이동이 일어난 후, 물 분자가 빠져나오면서 carbocation이 생성된다.]

[하지만 2˚ carbocation보다는 3˚ carbocation이 안정해서 1,2-H 이동이 일어난 후에 친핵성 공격이 일어난다.]

일반적으로 HX의 반응성은 산성도가 증가하면, 증가한다.

반응속도가 느림                                         반응속도가 빠름 

HCl  HBr  HI

염화이온 Cl^-은 Br^-이나 I^-에 비해 약한 친핵체nucleophile이다. 그래서 반응성이 느린 1˚ ROH와 Cl^-을 반응시킬 때는 염화아연Zinc chloride(ZnCl₂)와 같은 Lewis acid 촉매를 첨가해야한다. ZnCl₂는 ROH의 산소원자와 Lewis 산-염기 반응을 하여 좋은 leaving group을 형성한다.

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 SOCl₂와 PBr₃ 를 사용해서 알코올을 할로젠화 알킬로 변환

Thionyl chloride(염화 싸이오닐, SOCl₂)은 ROH를 RCl로, Phosphorus tribromide(트라이브로민화 인, PBr₃)은 ROH를 RBr로 바꾼다. 이 두 시약은 -OH와 반응하여 좋은 leaving group을 만들면서 nucleophile을 생성시킨다. 두 시약 모두 알코올과 반응시키기 위해서 pyridine을 사용해야 한다.


ROH와 SOCl₂, pyridin의 반응 S_N2 메커니즘

ROH와 SOCl₂의 반응은 중간체를 형성한다. 중간체를 형성하면서 친핵체인 Cl^-가 생성된다. 중간체는 피리딘과 산-염기 반응에 의해 양성자를 잃게되고, 좋은 이탈기인 OSOCl이 된다.

그 후에 Cl^-의 친핵체 공격과 이탈기의 이탈이 한 단계로 일어난다.



ROH와 PBr₃, pyridin의 반응 S_N2 메커니즘

ROH와 PBr₃의 반응은 OH를 좋은leaving group으로 바꾸면서, 친핵체 Br^-를 생성한다.

Br^-의 nucleophilic atack과 이탈기(HOPBr₂)의 이탈이 한 단계로 일어난다.