Nucleophilic Substitution (친핵성 치환)

Alkyl halide는 전기음성도가 큰 X와 상대적으로 작은 C가 결합을 하고 있는데, 이 때문에 C-X 결합은 극성결합이 된다. 전기음성도가 큰 X는 δ-를 띄고, C는 δ+를 띄게 된다.

이러한 극성결합 때문에 RX는 여러가지 반응을 하게 되는데, S_N1, S_N2, E1, E2  반응이 그것이다. 이 글에서는 S_N1, S_N2 반응, 즉, Nucleophilic substitution reaction의 일반적인 특징을 다루게 될 것이다. (Link : S_N2 반응, S_N1 반응)

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Nucleophilc Substitution (친핵성 치환)

Nucleophilic substitution은 alky halide의 주요 반응 중 하나이다. 이 반응은 전자가 많아서 +전하가 있는 핵쪽을 좋아하는 nucleophile(친핵체)와 전자가 부족해서 -전하가 있는 전자가 많은 쪽을 좋아하는 electrophile(친전자체)가 반응하는 것이다. 일반적인 반응은 다음과 같다.

sp³ 혼성화된 C에 결합된 X와 Nu^-(nucleophile)이 반응하여 R-Nu 라는 새로운 결합이 형성되고, X^-가 leaving gruop(이탈기)로 떨어져 나가게 된다.

Alkyl halide		Nucleophile		Product		Leaving group
CH3-Cl	+	-OH	→	CH3-OH	+	Cl-
CH3CH2CH2-I	+	-SH	→	CH3CH2CH2-SH	+	I-
CH3CH2-Br	+	-OCH3	→	CH3CH2-OCH3	+	Br-

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Leaving group (이탈기)

친핵성 치환 반응은 유기 화합물의 일반적인 반응 중 하나이다. 친핵성 치환 반응이 잘 일어나는지를 판단하려면, 이탈기(Leaving group)의 능력을 알아야한다.

R-X의 친핵성 치환 반응에서 C-X 결합이 C⁺와 X:^-로 전자를 불균형적으로 나눠가지며 분해된다. 이탈기는 결합을 이루고 있던 전자를 가지고 X:^-가 되어 떨어져 나온다. 그렇다면 X:^-가 전자쌍을 받아들이는 능력이 좋을 수록 X:^-는 안정해진다.

두 개의 이탈기를 비교하면, 약한 염기가 좋은 이탈기(good leaving group)이다.

이렇게 친핵성 치환 반응이 일어날 때, 이탈기 X:^-는 약염기이다.
H₂O와 ^-OH를 비교한다면, H₂O가 약염기이기 때문에 H₂O는 ^-OH보다 good leaving group이다.

이렇게 염기성과 이탈기의 능력이 연관이 있기 때문에, 염기성의 주기율표 경향을 이용하여 이탈기의 능력을 주기율표 경향을 이해할 수 있다.

주기율표의 왼쪽에서 오른쪽으로 갈 수록 염기성은 감소한다. 그러므로 이탈기의 능력은 증가한다.

주기율표의 위쪽에서 아래쪽으로 갈 수록 염기성은 감소한다. 그러므로 이탈기의 능력은 증가한다.

Good leaving group은 모두 약염기이며, 낮은 pK_a값을 가지는 강산이 짝산이 된다.

 

Good leaving group
출발물	Leaving group	짝산	pKa
R-Cl	Cl-	HCl	-7
R-Br	Br-	HBr	-9
R-I	I-	HI	-10
R-OH2+	H2O	H3O+	-1.7

Poor leaving group
출발물	Leaving group	짝산	pKa
R-F	F-	HF	3.2
R-OH	OH-	H2O	15.7
R-NH2	NH2-	NH3	38
R-H	H-	H2	35
R-R	R-	RH	50

위의 표에서 Good leaving group들은 친핵성 치환반응을 하며, Poor leaving group에 속하는 것들은 친핵성 치환반응이 가지 않는다. 즉, leaving group이 nucleophile 보다 약염기일 때, 평형은 Nucleophilic substitution의 생성물 생성에 유리하다.

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Nucleophile(친핵체)
 ^-OH와 ^-SH 같이 음이온 nucleophile은 Li⁺, K⁺, Na⁺ 처럼 짝이온이 함께 있어, 염 형태로 반응에 참여한다. 보통 화학반응식에서 양이온은 생략되는데 알짜 반응(net reation)으로 표시하기 때문이다.

위의 반응식에서 '→'처럼 반응이 진행되는 화살표 외에, 왼쪽 반응식에도 화살표가 있는데, 이는 전자의 이동을 뜻한다. Nucleophilic substitution 반응에서는 전자가 두개씩 이동한다. 이처럼 전자가 이동하는 반응이므로 꼭 음이온일 필요는 없으며, 전자를 줄 수 있는 능력이 중요하다! 따라서 nucleophile은 중성 분자도 가능하다.

위의 반응은 모두 Nucleophilic substitution 반응이며, nucleophile에 의한 leaving group의 치환이라는 같은 결과를 나타낸다. Nucleophile의 성질이나 전하와는 상관없이 Nucleophilic substitution의 생성물을 그리기 위해서는 다음의 과정을 따르면 된다.

1. Leaving group을 가진 sp³ 혼성화된 C를 찾는다.
2. Nucleophile을 확인한다. 보통 비공유 전자쌍이나 π결합을 가지고 있다.
3. Leaving group을 nucleophile로 바꾼다.


Nucleophile은 구조적으로 염기와 비슷하다. 친핵체나 염기 모두 비공유 전자쌍이나 π결합을 있다. 하지만 친핵체와 염기가 공격하는 대상은 다르다.

염기는 양성자를 공격하고, 친핵체는 전자가 부족한 원자(보통은 탄소)를 공격한다.

Nucleophilicity(친핵성, 친핵체의 세기)과 basicity(염기성)은 서로 연관이 있지만 기본적으로 다르다. 먼저 친핵성은 어떤 원자가 전자쌍을 양성자가 아닌 다른 원자에게 잘 주는 정도를 뜻한다. 즉, Lewis 염기를 뜻한다. 친핵성 치환 반응의 속도 상수 k로 표시되며, 친핵성은 반응 속도 성질을 나타낸다. 하지만 염기성은 Bronsted-Lowry의 염기이며, 어떤 원자가 전자쌍을 양성자에게 잘 주는 정도를 뜻한다. 산-염기 반응에서 평성 상수 K_a로 표시되고, 염기성은 열역학적인 성질이 된다.

강염기가 강친핵체인 것이 일반적이지만, 친핵체의 크기와 구조에 따라서 바뀔 수 있다.

1. 같은 친핵성 원자를 가진 두개의 친핵체인 경우, 더 강한 염기가 더 강한 친핵체이다.
 ^-OH와 CH₃COO^-, 이 두개의 친핵체의 세기 비교는, 각각의 짝산의 pK_a값을 비교하여 결정한다. CH₃COOH는 pK_a=4.8 이고, H₂O의 pK_a=15.7 이다. 따라서 ^-OH는 CH₃COO^-보다 강염기이고, 강한 친핵체이다.

2. 음전하를 띠는 친핵체는 짝산보다 항상 강한 친핵체이다.
 ^-OH는 ^-OH의 짝산인 H₂O보다 강염기이고, 강한 친핵체이다.

3. 주기율표에서 오른쪽에서 왼쪽으로 갈수록 염기성이 강해지는 것처럼, 친핵성도 강해진다.
 같은 전하를 가지는 2주기 원자일 경우,
 CH₃^- 가 가장 강하고, 그 다음이 ^-NH₂, ^-OH, F^-순으로 약해진다. 즉, 염기성이 강해지면 친핵성도 강해진다.

하지만 위의 세가지가 항상 맞는 것이 아니다. 그 이유는 분자의 구조때문이다. 반응이 일어나는 자리에 부피가 큰 작용기가 존재하면서 반응성이 감소하게 된다. 이러한 steric strain(입체 무리)는 두 원자가 같은 공간을 차지할 수 없기 때문에 생긴다. 이러한 steric hinderance(입체 장애)가 중요한 요소가 되면 친핵성과 염기성은 비슷하지 않다.

ethoxide의 짝산인 ethanol의 pK_a=16 이고, t-butoxide의 짝산인 t-butanol의 pK_a=18이다. 따라서 tert-butoxide((CH₃)₃CO^-)는 ethoxide(CH₃CH₂O^-)보다 강염기이지만, ethoxide가 더 강한 친핵체이다.

[t-butoxide(왼쪽), ethoxide(오른쪽)]

그 이유는 t-butoxide의 O 원자 근처에 세개의 methyl group이 있어 steric hinderance가 생긴다.


Nucleophilic substitution 반응에서의 nucleophile은 용매에도 의존한다. 유기 반응은 모든 반응물을 녹이는 액체 용매 내에서 일어나며, 치환 반응에서는 극성이 있는 출발물을 사용하기 때문에 극성 물질을 녹일 수 있는 극성 용매가 사용된다. 극성 용매는 H⁺이온을 낼 수 있는 polar protic solvent(극성 양성자성 용매)와 H⁺이온을 내지 않는 polar aprotic solvent(극성 비양성자성 용매) 두가지가 있다.

Polar protic solvent에서는 양이온은 이온과 산소나 질소의 이중극자 상호작용으로 용매화되며, 음이온은 O-H나 N-H의 δ+를 띠는 H에 둘러싸여 용매화 된다. 극성 양성자성 용매의 종류로는 H₂O, CH₃OH (methanol, 메탄올), CH₃CH₂OH (ethanol, 에탄올), (CH₃)₃COH (t-butanol, t-뷰탄올), CH₃COOH (acetic acid, 아세트산)등이 있다. 이러한 극성 양성자성 용매에서는 주기율표의 위쪽에서 아래쪽으로 갈 수록 음이온의 크기가 커지기 때문에 친핵성은 증가한다. 전기음성도가 크고 크기가 작은 F^-와 같은 음이온은 수소결합으로 인해 용매화가 잘 되지만, 용매화로 인해 반응성이 크게 떨어진다. 반대로 전기음성도가 작고 크기가 큰 I^- 와 같은 음이온은 용매 분자들이 용매화를 잘 못하게 되며 반응성이 커진다. 즉, 친핵성은 족의 위쪽에서 아래쪽으로 갈 수록 증가한다.

Polar aprotic solvent에서는 양이온은 δ-를 띠는 O나 N에 의해서 용매화가 잘 되지만, 음이온은 δ+띠는 것이 없으므로 용매화가 잘 되지 않아, 상대적으로 자유롭다. 이러한 음이온은 용매에 의해 단단한 상호작용으로 결합되어 있지 않기 때문에 naked anion(노출된 음이온)이라 부른다. 그렇기 때문에 강염기가 강한 친핵체가 된다.
 

[Polar aprotic solvent의 종류]

다음은 유기화학에서 자주 사용되는 친핵체들이다.

유기화학에서 사용되는 nucleophile
	음전하를 띠는 nucleophile			중성 nucleophile
Oxygen	-OH	-OR	CH3COO-	H2O	ROH
Nitrogen	N3-			NH3	RNH2
Carbon	-CN	HC≡C-
Halogen	Cl-	Br-	I-
Sulfur	HS-	RS-		H2S	RSH