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1. 탄소-탄소 다중결합 친전자성 반응

1.1 알켄의 첨가 반응1.1.1 할로젠화 수소(Hydrogen Halide) 첨가 반응

(1) 반응에 영향을 미치는 인자(2) 반응 메커니즘(3) 입체화학

1.1.2 물 첨가 반응(Addition of Water to Alkene)(1) 산-촉매 첨가반응(2) 수은 양이온을 이용한 산화-환원 반응(Oxymercuration-Reduction)

1.1.3 이종원자 첨가 반응1.1.4 Halogen 첨가 반응

(1) 브로민 첨가 반응(2) 염소 첨가 반응(3) 불소 및 아이오딘 첨가 반응(4) 할로히드린 형성 및 유사 반응

1.1.5 기타 첨가 반응(1) Sulfenyl Chloride 첨가 반응(2) Selenyl Chloride 첨가 반응(3) 기타 친전자시약 첨가 반응

1. 탄소-탄소 다중결합 친전자성 반응

Electrophilic addition reactions

친전자 시약의 첨가반응은 알켄(alkene)과 알카인(alkyne)의 가장 일반적인 반응으로 이중결합 또는 삼중결합을 기타의 유용한 작용기로 변환시키는 유용한 반응

1.1. 알켄의 친전자성 첨가반응

1) 할로젠화 수소(Hydrogen Halide; HX)의 첨가반응: Regioselectivity: 마르코프니코프 규칙(Markovnikov’s rule)Intermediate: carbocation

탄소양이온의 안정성

반응의 진행과정에서 보다 안정한 탄소양이온을 생성하는방향으로 HX의 첨가가 진행되어 결과적으로마르코프니코프 룰이 적용된 생성물이 얻어진다

(1) 반응에 영향을 미치는 인자

이중결합에 치환기가 많을수록 p-전자운의 밀도가 높아져서 친전자적 반응에대한 반응성은 커짐.

알켄류의 상대적 반응속도는 tetra-substituted alkene > tri-substituted alkene > di-substituted alkene > mono-substituted alkene > un-substituted alkene

HX의 반응성은 HI > HBr > HCl이며, HCl의 경우 반응은 전반적으로 느리게 진행

디클로로메탄(dichloromethane) 또는 클로로포름과 같은 비배위성 용매(noncoordinating solvent)에서 실리카 또는 알루미나를 사용하여 해결 가능함

HCl의 반응 속도 및 수율 제고 방법

HCl(g)대신 HCl을 생성할 수 있는 전구물질을 사용함으로써 개선할 수 있다.

H2O

(CH3)3SiCl

(96%)

Cl

O

OCH3TMSCl

H2O O

OCH3Cl(Nucleophilic addition)

SOCl2, (COCl)2, trimethylsilyl chloride(TMSCl)를 사용하는 방법으로 효율적으로 수행 가능: 입체화학은 마르코프니코프 규칙에 따름.

그러나 전자 끄는기(electron withdrawing group)를 가진 이중결합의 경우반마르코프니코프 규칙을 따르며 베타-위치에 Cl이 결합함.

초산(AcOH)과 같이 친핵성이 있는 용매에서 반응할 경우, 탄소양이온 중간체와 용매가 반응하는 가용매분해(solvolysis) 반응도 가능

X OAc

HX+ +AcOH

40 oC

X product composition (%)

Cl 25 75Br 85 15

탄소골격 재배열 (rearrangement)

수소음이온, 알킬- 및 aryl-기가 전자를 가진 채 이동(1,2-alkyl and aryl shift)하여 보다 안정한 탄소양이온으로 변환되기 때문

2) 반응 메커니즘

Anti-addition

Syn-addition

racemic

3) 입체화학

알켄과 HCl의 첨가반응에서 나타나는 입체화학은 알켄의 구조 및 반응조건에 따라크게 변하지만, 일반적으로 앞에서 언급한 세 종류의 메커니즘에 따라 결정

용매 및 온도에 의해 입체화학이 바뀌는 경우

Anti-addition

1.1.2 물 첨가 반응(Addition of Water to Alkene)(1) 산-촉매 첨가반응

강한 산성에 의하여 이중결합이 양성자화되어 탄소양이온이 생성되어비로소 물이 첨가. 위치선택성은 마르코프니코프 규칙을 따름,입체선택성은 없음.

양이온 중간체를 경유하여 일어나기 때문에, 알릴, 알킬 또는수소가 이동함으로써 보다 더 안정한 양이온을 생성할 수 있는 재배열(rearrangement) 과정이 일어날 수 있다. 따라서 반응은 재배열의 가능성이 없는 3차 알코올의 합성에 이용할 수 있다.

Trifluoroacetic acid는 수화반응이 촉매의 역할 뿐 아니라자체가 친전자성으로 첨가

마르코프니코프 룰에 따라 위치선택,생성된 triflate 에스터는 가수분해되어 알코올을 생성

산도가 반응에 미치는 영향Norbornene과 초산 반응은 100 °C의 반응온도에서 느림.TFA 반응은 0 °C 에서도 매우 빠름.생성물의 입체화학은 exo-방향. 2-norbonyl 탄소양이온은특수한 환경(anchimeric assistance)에 있기 때문에 세 종류 이상의 생성물이 가능

(2) 수은 양이온을 이용한 산화-환원 반응(Oxymercuration-Reduction)

금속 양이온 특히 수은 이온을 친전자체로 이용하는 방법. 수은의 아세테이트(mercuric acetate)염, trifluoroacetate, trifluoromethansulfonate, nitrate 염 등은 반응성이 매우 좋음.

Mercurinium ion intermediateMarkovnikoff rule

환원적 탈수은화반응

• 사용되는 시약: tri-n-butyltin hydride, 양성자성 용매에서 소듐 아말감 (sodium amalgam) 등

• 입체적 배열 보존(retention of configuration)

고리화 알켄에서는 anti-diaxial 첨가

CH3OH

CH3OH

CH3Hg(OAc)2 NaBH4

HgOAc

CH3

t-BuH

Hg(OAc)2 CH3

t-Bu

Hg+OAcH2O..

..

vsCH3

t-Bu Hg+

OAcfavored mercurinium ion A

methylenecyclohexane의 경우

• 수은이온이 접근할 때 equatorial과 axial 각각 방향의 입체적 장애가크게 다르지 않기 때문

Norbornene 의 경우

• 반대로 norbornene과 같이 두고리 화합물(bicycliccompound)인 경우 syn-이성질체가 얻어짐

이중결합 화합물의 반응성

Alkene Relative Reactivity Alkene Relative Reactivity

1-Pentene 6.6 E-2-pentene 0.17

2-methyl-1-pentene 48 2-Methyl-2-pentene 1.24

Z-2-Pentene 0.56 Cyclohexene 1.00

Table 1.1. Relative Reactivity of Selected Alkenes in Oxymercuration

반응성 차이를 이용한 선택적 첨가 반응

OH와 같은 산소를 가진 치환기의 영향

아세톡시(acetoxy) 유도체의 경우2,3-syn 이성질체가 우세

cyclohexenol은 베타-위치에 methoxy기가 결합하는 높은 위치선택성을 나타내지만

입체선택성은 크게 높지 않다

methylidene-norbornane

- methylidenenorbornane을 수은 이온을 이용한 수화반응조건에서 처리하면99.5%의 exo-체와 0.5%의 endo-체가 생성. - 비대칭의 mercurinium ion이 생성된 후 물이 입체장애가 적은 방향으로첨가되어 외향(exo) 선택성을 갖음.

CH2 CH2HgOAc

OH

CH2 HgOAc+

-OAc

H2O..

H2O..

less hinder side

more hondered side

CH3

OH

(99.5%)

Hg(OAc)2

H2O (20 sec)

NaBH4

H2O(1 min)

CH2

HgOAc+

or

자유라디칼반응에 의한 수화반응

• NaBH4에 의한 수은의 환원적 대체(reductive replacement)반응은자유라디칼 연쇄반응에 해당하는 예.

1.1.3 이종원자 첨가 반응

Hg(OCOCF3)2

R-OH

NaBH4 OR OH

R product composition (%)

CH3 92 0Et 100 0i-Pr 95 0t-Bu 89 0

수은 첨가에 이은 환원반응에 의한 에테르 합성

1.1.3 이종원자 첨가 반응

1.1.4 Halogen 첨가 반응

알켄과 염소(chlorine), 브로민(bromine) 또는 아이오딘(iodine)은 첨가반응이

진행되어 1,2-dihalide를 생성

할로겐 첨가 반응 기전

• 이중결합의 전자밀도를 증가시킬 수 있는 치환기가 있을 경우반응속도가 증가하는 반면, 전자 끄는기(electron withdrawing group,EWG)는 정반대의 결과를 나타냄

• 케톤, 알데하이드, 에폭사이드, 에스터, 알코올, 카복실산 또는아마이드와 같은 작용기가 함께 존재하는 알켄의 경우에도 가능.

• 사용되는 용매: CCl4, CHCl3, CS2, AcOH 또는 EtOAc

(1) 브로민 첨가 반응

시약: 브로민, N-bromoacetamide, N-bromosuccinimde (NBS) 주로 사용.

그 밖에 pyridinium hydrotribromide (pyridinium hydrobromide perbromide,

pyridine hydrobromide와 Br2의 결정성 착물),

benzyltrimethyl ammonium tribromide, dioxane-bromine 등이 있다

NBr

O

O

N

O

O

+ Br

브로민 첨가 반응

HOH

Br2

NaOAcCH3COOHEt2O (85%)

HOH Br

BrBr+

CH3

HO

H

Br-

CH3 CH3

HHBr Br

CH3 CH3

HH

Br+

Br-

CH3 CH3

HH Br

Br(contains 1% ofmeso isomer)

cholesterol

탄소 양이온을 안정화시킬 수 있는 작용기가 존재할 경우syn-이성질체의 비율이 증가

Styrene 첨가반응

생성물이 불안정할 경우 다음과 같은 가역적 과정이진행되어 보다 안정한 dibromide로 변환

(X)탄소골격의 재배열현상이 수반

(2) 염소 첨가 반응

• 시약: 염소(g), N-chloroacetamide, N-chlorosuccinimide(NCS).• cyclic chloronium 이온을 경유하여 anti-이성질체를 주 생성물로 형성• phenyl기가 치환된 알켄의 경우 브로민화반응과 유사한 결과를 나타

내어 syn-이성질체가 주로 얻어진다

(3) 불소 및 아이오딘 첨가 반응

• Z- 또는 E-1-propenylbenzene에 불소의 첨가반응은입체특이적이지 않음,

• syn-이성질체가 약간 더 우세하게 얻어지는데양이온성 중간체에 의한 것으로 설명된다.

불소화 시약

친전자적 불소를 도입할 수 있는 시약: CF3OF, acetyl hypofluorite (CH3COOF),

N-fluorosulfonamide 및 N-fluoropyridinium염 등.

N-Fluoropyridinium triflate

반응성은 피리딘의 치환기를 변화시킴으로써 조절(tuning)할 수있으며, 보관 가능한 장점,엔올 아세테이트나 silyl 엔올 에테르와 반응하여카보닐의 알파-위치에 불소를 도입하는 유용한 시약이다.

알켄에 아이오딘의 첨가반응

- 알켄에 아이오딘의 첨가반응은 광화학적 반응을 통해 이루어지지만가역적 반응성이 강하여 과량의 아이오딘이 존재하면 가역반응 촉진.

- 따라서 반응하지 않은 아이오딘을 제거하여야 diiodo-화합물이 얻을 수있다.

- 그러나 diiodo-화합물은 빛에 매우 민감하여 합성화학적 유용성은거의 없다.

Prevost 반응

• 알켄으로부터 trans-1,2-diol을 얻는 효율적인 방법

Simonini 착물 반응

두 배량의 C6H5COOAg와 아이오딘에 의하여 생성되는 C6H5COOAg와C6H5COOI의 1:1 혼합물을 Simonini 착물이라 하며사용하는 양에 따라 iodoacetoxy 화합물 또는 1,2-diacetoxy 화합물 생성

(4) 할로히드린 형성 및 유사 반응

• 친핵성 용매와 할로젠 음이온은 경쟁적으로 halonium 양이온과 반응.

• 예를 들면 초산을 용매로 스티렌의 브로민화반응을 할 경우

(4) 할로히드린 형성 및 유사 반응(2)

• 메탄올 용매에서 1-phenylpropene의 염소화 반응

• 물이 할로젠 음이온과 경쟁하게 되는데 물의 친핵성이 보다 크므로주 반응이 되며 할로히드린(halohydrin)이 생성 (ex. DMSO/H2O)

마르코프니코프 룰에 따라, 하이드록시기는 양이온이 가장 안정화될 수있는 탄소에 도입. 그러나 입체적인 장애가 심할 경우 입체장애가 적은쪽으로 도입

H

Ph BrOH

(89%)

NBS

DMSOH2O

NBS

DMSOH2O

Ph

CH3

H

Br+

HCH3

H

O S(CH3)2

Br

H

CH3H

OS+(CH3)2

H2O Br

H

CH3H

OH

(90%)

CH3Br

OH

Br2

KBrH2O

CH3

CH3CH3

DMF(dimethyl formamide), 아세톤, 아세토니트릴 등을 사용

용매로 DMF(dimethyl formamide), 아세톤, 아세토니트릴등을 사용할 수 있으며 이들은 bromonium 이온을공격하는 친핵체의 역할

비고리 화합물에서 입체화학 조절을 위한 sulfoxy기를 응용

분자 내 설폭사이드가 bromonium 이온을 포획한 후 가수분해 단계에서황 원자에서 반전(inversion)이 일어남.

1.1.5 기타 첨가 반응(1) Sulfenyl Chloride 첨가 반응첨가반응이 느리게 진행, 위치선택성은 크지 않음.

alkylsufenyl chloride의 경우 chlorosulfurane(A), arylsufenylchloride의 경우 p-착물(B)을 형성한 다음 thiiranium ion과 평형을 이루고있는 상태로 진행.

대표적인 시약으로는 RSCl, ArSCl, [Me2SSCH3](BF4)및 [RS(=O)CMe3+(CF3CO)2O] 등이 사용된다.

CH3SClS Cl S+ Cl-

thiirenium ionchlorosulfurane (A)

ClSCH3

+ SCH3Cl

(94%) (6%)

Arylsufenyl chloride 반응

(2) Selenyl Chloride 첨가 반응

Selenylation의 중요성은 다양한 작용기로 전환시킬 수 있는 중간체 생성 때문.

환원적 deselenylation에 의하여 C-H 결합으로 (route a),

산화한 후 제거반응으로 이중결합의 도입 (route b)

치환반응에 다른 작용기로의 변환(route c) 등이 가능

Se 시약은 알켄과 반응하여 bridged selenium 이온 중간체를형성하고 후면 공격으로 anti-첨가물 생성

친핵성 용매 사용의 경우 solvolysis 발생

물이나 아세토나이트릴을 용매로 사용하면 하이드록시 또는

아세토니트릴의 질소가 친핵체의 역할을 하여 아세트아마이드 유도체를 생성.

수분을 함유한 용매에서는 2-하이드록시 화합물 생성.

Se+Ph

Cl-

CH3CNCH3CN

+ PhSeCl

HN

O

SePh

SePhNH

O

(85%) (15%)

+

(3) 기타 친전자시약 첨가 반응

이중결합에 친전자적으로 첨가되는 기타 시약

: INCO, BrN3, IN3, ISCN, INO3 및 NOCl 등

마르코니코프 규칙에 다르며 anti-첨가

ICNO의 첨가는 carbamate의 합성

NOCl을 첨가하는 알파-할로케톤의 합성.

NOCl, HCl

Cl2C=CCl25 - 10 oC

N+ O

H

H

Cl-Cl

NO

Cl

NOH

(quant)

Cl

O

H+ / H2O