[알킬할라이드] SN1, SN2 친핵성 치환반응의 반응속도 비교 문제 (2021학년도 3번 풀이)

문제

위와 같이 여러 가지 반응식을 주고 친핵성 치환반응의 반응속도를 비교하는 문제를 확인해봅시다. 5번은 알켄의 halogenatin 반응이기는 하지만 어렵지 않으니 다른 보기와 같이 생각해봅시다.

 

풀이

우선 반응속도가 빠르다는 의미는 해당 반응물들의 반응성이 좋다는 의미로 해석할 수 있습니다. 따라서 반응성이 좋은 탄소 자리가 존재하거나, leaving group 등이 좋은 LG에 속한다면 반응 속도가 빠른 쪽에 해당합니다.

 

 

1번 보기를 확인해보면 아주 좋은 leaving group인 OTs가 있는 것을 확인할 수 있습니다. 따라서 그 옆 탄소자리가 반응자리가 될 것인데, 왼쪽 반응물의 경우 Benzyl C이므로 3차 탄소 양이온보다 3차 Benzyl 탄소 양이온이 더 안정하므로 왼쪽 반응물의 반응 속도가 더 빠릅니다. 따라서 1번은 틀렸습니다. (맞는 보기를 고르는 문제입니다.)

 

그 다음 2번 보기를 보면 NGP, 이웃기 참여 반응임을 알 수 있습니다. 질소의 비공유 전자쌍이 친핵체 역할을 하며 Br이 leaving group의 역할을 합니다. 두 반응물의 차이점은 바로 탄소수인데요, 따라서 생성물의 고리 형태가 다르게 됩니다. 왼쪽 반응물의 경우 오각고리가 만들어지며 오른쪽 반응물의 경우 사각고리가 만들어지게 됩니다. 그런데 사각고리는 오각고리에 비해 ring strain이 크므로 상대적으로 불안정한 생성물입니다.

 

따라서 왼쪽의 반응물이 반응속도가 더 높음을 알 수 있고 2번 보기도 틀렸습니다. 참고로 고리 생성물의 안정도 순서는 6각형, 7각형, 5각형, 4각형, 3각형 순으로 안정하니 이를 외우고 있으면 좋을 것 같습니다.

 

 

3번 보기의 경우 접힌 구조를 그리지 않고 육각 고리를 주었다면 조금 더 어려웠을테지만 다행히도 접힌 구조를 주어 axial과 equatorial 자리에 붙어있는 치환기의 반응성을 비교하라는 의도를 파악할 수 있습니다. Axial 위치에 있는 OH의 경우 steric이 커서 불안정하므로 생성물이 안정해지는 정도가 더 크기 때문에 반응속도가 더 빠릅니다.

 

저도 처음에 다른 보기가 확실히 아니어서 이 답으로 풀었는데, 나중에 확인해보니 3번 또한 "Steric이 커서 산화제가 접근하기 힘들기 때문에 반응속도가 낮은 것이 아닐까"라는 논리로 접근하면 틀린 보기가 될 수 있다는 것을 깨달았습니다. 그런데 그게 아니고, 반응속도 비교이므로 반응물과 생성물 사이의 안정성 차이에 대해서도 고려를 해야합니다.

 

어쨌든 3번 보기는 맞는 보기이므로 3번이 정답입니다.

 

4번 보기의 경우 다른 조건은 동일한 상태에서 Leaving group만이 다릅니다. 이 경우 OTs가 더 좋은 leaving group이기 때문에 반응 속도가 빠릅니다. 따라서 왼쪽이 반응속도가 더 높아야하는데, 보기에서는 오른쪽이라고 하였으므로 4번 또한 틀렸습니다.

 

 

5번 보기의 경우 각 반응물의 중간체를 그려보면 왼쪽 반응물은 2차 탄소 양이온 중간체가 얻어지고, 오른쪽 반응물은 1차 탄소 양이온 중간체가 얻어지므로 중간체가 더 안정한 왼쪽 반응물이 속도가 빠를 것임을 예상할 수 잇습니다. 따라서 5번 또한 틀린 보기이고 위에서 확인한 3번이 정답이 됩니다.