E2 Reaction

 Alkyl halide에 강염기를 넣으면 이중 결합이 있는 Alkene 또는 Alkyne이 얻어진다. 

이러한 반응을 dehydrohalogenation할로젠화수소이탈 반응이라고 한다. 이 반응은 HX 원소를 제거해 π 결합을 도입시켜 alkene을 만드는 가장 흔한 방법 가운데 하나이다. Dehydrohalogenation은 두 개의 인접한 원자에서 원소가 떨어지기 때문에 β elimination β 제거 반응이라고 한다. 할로젠 원소 X가 붙은 탄소를 α 탄소라 하고, α 탄소에 바로 붙은 이웃 탄소를 β 탄소라고 한다.

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 E2 Mechamism

 Nucleophilic substitution reaction에서 S_N1 반응과 S_N2 반응이 있듯이 Elimination 반응에도 E2 반응과 E1 반응이 있다. E2 반응은 S_N2 반응과 비슷하고 E1 반응은 S_N1 반응과 비슷하다. E2 반응의 메커니즘을 살펴보자.

아래의 반응은 t-butyl bromide((CH₃)₃CBr)가 ^-OH와 반응하여 (CH₃)C=CH₂를 만드는 반응이다. 

 반응속도론Kinetics
E2 반응은 아래의 식처럼 이차 반응 속도식을 나타낸다. 이 뜻은 두개의 분자가 관여하는 이분자성 반응이며, Alkyl halide와 염기가 모두 속도식에 나타난다.

속도 = k[(CH₃)₃CBr][^-OH]

 메커니즘Mechanism
이러한 이차 속도식에 대한 적절한 설명은 모든 결합이 동시에 끊어지고 생성되는 concerted reaction이다.

 ● 염기 ^-OH가 β 탄소에 있는 수소원자를 제거함과 동시에, β C-H 결합에 있던 전자쌍이 αC와 βC 사이에 새로운 π결합을 형성함과 동시에, αC에 붙어있던 Br^-가 떨어져나간다.

아래의 전이 상태 처럼 네개의 부분결합이 생기고, 음전하는 염기와 이탈기에 분산되어있다. 출발물질은 두개의 분자이고, 생성물질은 세 개의 분자로 엔트로피 측면에서는 이 반응은 유리하다.

 반응에 관여하는 염기, 이탈기 그리고 용매와 alkyl halide가 E2 반응의 반응속도에 어떤 영향을 미치는지 알아보자.

 염기Base
염기는 반응 속도식에 바로 나타난다. 염기의 세기가 강하면 강할 수록 E2의 반응 속도는 빨라진다. E2 반응에는 보통 강하고 음전하를 띤 ^-OH와 ^-OR같은 염기를 사용한다. 때때로는 DBN이나 DBU와 같이 입체 장애가 큰 질소 염기를 사용한다. DBN을 사용해서 E2 반응을 통해 prostaglandin을 합성한다. 

 이탈기Leaving group
S_N2 반응 이나 S_N1 반응에서 처럼 결합이 끊어지기 때문에, 좋은 이탈기일 수록 E2 반응은 빨라진다.

E2 반응속도 느림 R-F   R-Cl   R-Br   R-I  E2 반응속도 빠름 

 

 용매Solvent
아세톤과 같은 극성 비양성자성 용매Polar aprotic solvent는 음이온을 잘 용매화 하지 못하고, 용매와 염기에는 강한 상호작용이 없다. 용매에 묶이지 않은 염기는 그만큼 더 강하게 반응물과 반응을 잘 할 수 있다. 따라서, Polar aprotic solvent는 E2반응의 반응 속도를 빠르게 한다.


 할로젠화 알킬Alkyl halide
R기가 얼마나 붙어있느냐에 따라 S_N2 반응과 E2 반응의 반응속도에 영향을 미치는데, 그 효과는 S_N2 반응과 E2 반응이 반대이다. S_N2 반응에서는 R기가 많으면 많을 수록 입체 장애Steric hinderance가 증가해 반응속도가 떨어졌지만, E2 반응은 반응을 할 수 있는 β탄소의 수소가 늘어나기 때문에 반응 속도가 증가한다. 또한 R기가 많으면 많을 수록 생성물인 alkene의 안정성이 증가하기 때문에, Hammond Postulate, Hammond 가설에 따라 전이상태의 화합물도 안정해지고 따라서 활성화 에너지가 내려가 반응속도가 빨라지는 효과가 있다. 즉, 이탈기를 가진 탄소에 R기의 수가 증가하면 E2 반응에서 더 많이 치환되고 더 안정한alkene이 생성된다.

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 Zaitsev Rule, Saytzeff Rule

 생성물인 alkene의 안정성을 살펴보자. trans alkene은 cis alkene보다 안정한데, 그 이유는 치환기의 원자단이 멀리 떨어져있어 입체 장애가 덜 생기기 때문이다. 또한 이중 결합에 결합된 R기의 수가 증가하면 alkene의 안정성은 더더욱 증가한다.

가장 불안정                                                                                                          가장 안정

CH₂=CH₂ < RCH=CH₂ < R₂C=CH₂ ~ RCH=CHR < R₂C=CHR < R₂C=CR₂

 그 이유는 sp² 혼성화 된 탄소는 전자를 받아들이는 능력이 커지고, sp³ 혼성화된 탄소는 상대적으로 전자를 밀어주는 능력이 크다. 그래서 전자를 받아들이는 이중결합한 탄소원자에 전자를 밀어주는 효과가 있는 R기의 수가 증가할 수록 alkene은 안정해지게 된다.

 한 화합물에서 서로 다른 여러개의 β 탄소가 있을 때 E2 반응을 한다면, 여러가지의 생성물이 생겨날 것이다. 하지만 위에서 언급한 생성물 alkene의 안정성에 따라서 E2 반응에서의 주 생성물이 결정된다. E2 반응과 E1 반응에서의 주 생성물이 생겨나는 경항을 처음 발견한 러시아 화학자의 이름을 따 Zaitsev Rule 이라고 한다.

Zaitsev Rule
β 제거에서 주 생성물은 더 많이 치환된 이중 결합을 가진다.

이렇게 한 개 이상의 생성물이 가능할 때 어느 한개의 구조 이성질체가 우세하게 혹은 유일하게 얻어질 때 위치선택적regioselective 반응이라고 한다. 더 많이 치환된 alkene이 주 생성물이 생겨나는 E2 반응은 위치 선택적 반응이다. 

 또한 E2 반응에서는 입체 이성질체Steroisomer가 가능할 때 주 생성물은 더 안정한 입체이성질체가 된다. trans 이성질체가 cis 이성질체보다 안정하기 때문에 trans가 주생성물이 된다. 역시 두 개 이상의 생성물이 가능 할 때 어느 한개의 입체 이성질체를 우세하게 혹은 유일하게 얻어질 때 입체선택적steroselective 반응이라고 한다.

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 입체 화학Stereochemistry

E2 반응에 관여하는 원자는 두개의 탄소원자, β 수소원자, 할로젠 원자로 총 네개이다. 전이 상태에서는 이 네개의 원자가 한 평면위에 있게 되는데, 그 방법은 두가지로 각각 Syn periplanar, Anti periplanar이라고 한다. H와 X가 같은 방향에 있을 때는 Syn, 다른 방향에 있을 때는 Anti 라고 한다.

 

위의 그림처럼 Anti 구조가 반응에는 더 유리한데, Syn의 경우에 할로젠 원자와 염기 둘 다 전자가 풍부한 작용기이고, 가까이에 있으면 불리하다. 또한 Syn 구조는 straggered 형태이므로 상당히 반응하기에 불리하다.

즉 반응은 Anti로 진행된다.

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 Alkyne 합성

 한번의 제거 반응을 통해 π 결합이 한개인 alkene이 얻어진다. π 결합이 두개인 Alkyne을 얻으려면 두번의 제거 반응이 필요하고, 두 번 연속되는 dehydrohalogenation할로젠화수소이탈 반응으로 얻을 수 있다. 두번의 반응이 필요하므로, Dihalide이할로젠화물이 필요한데, 같은 탄소에 할로젠이 붙어 있으면 geminal같은자리 dihalide라고 하고, 바로 서로 이웃한 탄소에 할로젠이 붙어 있으면 vicinal이웃자리 dihalide 라고 한다.

Alkyne을 합성 할 때는 alkene을 합성 할 때보다 더 강한 염기가 필요하다. 보통 사용하는 염기는 amide(^-NH₂
)로, 소듐염(NaNH₂)으로서 사용한다. 또 DMSO 용매에 KOC(CH₃)₃를 사용하기도 한다.