Dehydration of Alcohol

 Alkene을 만드는 방법으로는 Alkyl halide의 E1 반응이나 E2 반응을 이용할 수도 있지만, alcohol로부터 물을 제거하는 dehydration탈수 반응이 있다.

 Alcohol의 -OH 기는 이탈기로 나오면 ^-OH가 되는데, ^-OH는 좋은 leaving group이탈기가 아니다. 따라서 -OH기를 치환이나 제거하기 위해서는 좋은 이탈기로 만들어줘야한다. -OH를 좋은 이탈기로 바꾸는 방법 중에서는 강산을 넣는 것이다. 산-염기 반응을 통해 -OH는 -OH₂⁺가 된다. 이것이 떨어져나오면 H₂O로 좋은 이탈기로 안정하다. (ROH₂)⁺는 pK_a ≒ -2 이므로 pK_a≤-2 인 강산을 넣어야만 한다. 

 Alcohol의 탈수 반응은 α 탄소의 OH와 β 탄소의 H가 제거 되는 β 제거 반응β elimination이다. 

 탈수 반응은 황산H₂SO₄와 같이 강산을 사용하거나 pyridine과 같은 amine 염기 존재하에서 POCl₃(phosphorus oxychloride) 사용하여 진행된다.

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 산 조건에서 일어나는 알코올의 탈수 반응

아래의 그림처럼 알코올은 강산 존재하에서 물H₂O가 빠져 Alkene이 된다. 강산은 황산H₂SO₄이나 p-toluenesulfonic acid(p-톨루엔설폰산, TsOH)가 주로 쓰인다.

[TsOH, p-toluenesulfonic acid]

치환기가 많은 알코올일수록 탈수 속도는 증가한다.

반응 속도 느림	RCH2-OH	R2CH-OH	R3C-OH	반응속도 빠름
	1˚	2˚	3˚



E1 반응이나 E2 반응처럼 알코올이 여러 β 탄소를 가진다면 Zaitsev Rule을 따른다. 여러 생성물이 가능하다면, 더 많은 치환기를 가진 alkene이 주생성물이다.

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 ● 2차, 3차 Alcohol의 탈수 반응

 산에 의한 탈수 반응의 메카니즘은 알코올의 구조에 따라 다르다. 2˚ alcohol과 3˚ alcohol은 E1 메카니즘을 통해 반응한다. 

 이차, 삼차 알코올의 E1메카니즘을 통한 탈수 반응은 (CH₃)₃COH가 (CH₃)₂C=CH₂가 되는 반응이 그 예다. 이 반응은 크게 나눠 3단계에 걸쳐서 일어난다.

 ● -OH는 이탈기로써 떨어져나오면 ^-OH가 되어 좋은 이탈기가 아니다. 따라서 황산으로부터 양성자 첨가protonation되어 좋은 이탈기인 -OH₂⁺를 형성한다. 

 ● C-O의 σ 결합의 두 전자들이 산소쪽으로 가서 leaving group으로 물이 떨어져 나오고, carbocation이 생긴다. 이 단계가 제일 느리며, 속도 결정단계이다.

 ● 염기(HSO₄^- 또는 H₂O)가 β 탄소의 수소를 제거한다. C-H 결합을 이루고 있던 전자 쌍은 탄소 사이의 π결합을 형성한다. 처음에 알코올에 양성자를 첨가하기 위해 사용된 산은 마지막에서 양성자를 제거하면서 재생된다. 이 반응은 산이 촉매로 작용하는 산촉매acid-catalyzed 반응이다.


 산을 사용한 이차와 삼차 알코올의 탈수 반응을 통해 alkene을 만드는 것은 Alkyl halide의 E1 반응과 달리 다른 부산물 없이 오직 alkene만을 만든다. Alkyl halide의 E1 반응은 S_N1 반응도 일으킬 수도 있기 때문이다.

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 ● 1차 Alcohol의 탈수 반응


 1˚ Alcohol은 2˚, 3˚alcohol 과 달리 1˚ carbocation이 매우 불안정 하다. 따라서 1˚ 알코올의 탈수 반응은 탄소 양이온이 중간체로 존재하는 E1 반응으로 일어나지 않고 E2 메카니즘을 따르게 된다. 1-propanol이 황산 존재하에서 propene이 되는 반응을 살펴보자.

 ● Poor leaving group인 -OH을 good leaving group인 -OH₂⁺ 으로 만들기 위해 알코올의 산소 원자에 산으로부터 양성자 첨가protonation가 된다. 

 ● 염기가 β 수소를 공격해 양성자 제거deprotonation을 하고 E1 메카니즘을 따라 물이 떨어져 나오면서 alkene이 생성된다.

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 Carbocation Rearrangement

 알코올의 탈수 반응에서는 종종 생각지 못한 생성물이 형성될 때도 있다. 예를 들어 3,3-dimethyl-2-butanol 을 출발물질로 하여 탈수 반응을 시작하면 생성물은 출발물질과 다른 탄소 배열을 가진다.

이런 현상은 carbocation탄소 양이온이 중간체로 존재하는 경우에 자주 일어난다. 덜 안정한 탄소 양이온은 더 안정한 탄소 양이온이 되기위해 H 또는 R이 자리를 바꿀 수 있다. 대게 바로 이웃한 탄소 원자끼리 이동이 일어나기 때문에 1,2-shift 1,2-이동 이라고 한다.

만약에 수소 원자 하나가 이동한다면 1,2-hydride shift 1,2-하이드라이드 이동 이라하고, 알킬기의 이동은 1,2-alkyl shift라고 한다.

이제 3,3-dimethyl-2-butanol의 탈수 반응의 메카니즘을 살펴보자

 ● 2˚ carbocation이 1,2-methyl shift로 3˚ carbocation을 형성하게 된다. 더 안정한 화합물을 형성하려는 방향으로 반응이 진행되게 된다.

 ● 서로 다른 두개의 β 탄소가 존재하므로 두개의 alkene이 생성된다. 주생성물은 Zaitsev Rule을 따라 치환기가 많은 alkene 이다.

 

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 POCl₃와 Pyridine을 이용한 알코올의 탈수 반응

모든 Alcohol을 강산으로 처리하여 alkene으로 만들면 좋겠지만, 강산이 존재하면 분해가 되는 유기 화합물도 있다. 그래서 강산을 사용하지 않고 알코올을 알켄으로 바꾸는 다른 방법들이 개발됐다. Phosphorus oxychloride(POCl₃ 포스포러스 옥시클로라이드)와 pyridine을 사용하여 탈수 반응을 일으킨다. cyclohexanol을 POCl₃와 pyridine으로 처리하면 cyclohexene을 얻는다.

[pyridine]

 POCl₃는 산촉매 탈수 반응에서 강산의 역할이다. POCl₃가 good leaving group으로 바꾸는 역할을 하게 된다. 이런 탈수 반응은 E2 메카니즘을 통해 진행되고, pyridine은 β proton을 제거하는 염기로 사용된다. 

 ● 먼저 -OH 기가 좋은 이탈기인 -OPOCl₂로 변환된다. 

 ● E2 메카니즘을 통해 새로운 π 결합이 생성된다.