[알켄] 금속촉매수소첨가반응 (Hydrogenation)

반응식

알켄에 H2와 금속판을 이용하여 반응을 매개하면 이중결합이 깨지며 수소 두 개가 첨가되어 알케인이 형성됩니다. 즉, 탄소 이중결합을 단일결합으로 바꾸어주는 반응이라고 할 수 있습니다. 전공필수 과목으로 있었던 유기화학을 들었을 때도 금속촉매수소첨가반응이 자주 나왔던 것 같습니다. (어떤 반응물을 여러 가지 반응식을 거쳐 하나의 생성물로 만드는 문제가 있을 때, 하나의 반응물로써 자주 등장함)

 

예시

 

위처럼 이중결합이 포함되어있는 유기물에 수소와 금속판을 이용해 알케인을 생성합니다. 반응물에 가끔 Pt/C가 들어가는 경우도 있는데, 이 경우 샤콜을 의미합니다.

 

메커니즘

메커니즘이 존재하기는 하는데, 분자로 그려 나타내기 적절한 메커니즘은 아닙니다. 금속판을 접근시키면 탄소 이중결합이 깨지면서 금속판에 탄소가 단일결합 상태로 붙게 되고, 탄소가 금속판에서 다시 떨어지면서 수소가 달라붙어 단일결합으로 바뀌는 형태의 메커니즘입니다.

 

예제

위와 같은 반응식이 있을 때 생성물을 예측해보세요. 포인트는 Cis-1,2-Dimethylcyclohexane이 생성될지, Trans-1,2-Dimethylcyclohexane이 생성될지 맞추는 것입니다.

 

정답은 cis입니다. 그냥 막연히 생각해보았을 때는 왠지 trans여야 steric이 적은 생성물이 나올 것 같지만, 다음의 메커니즘을 보세요.

 

 

먼저 위의 메틸기가 위로 나와있으므로 위처럼 접힌 형태의 사이클로핵세인을 먼저 그려주고, 메틸기를 나타내어줍니다. 그 다음 이중결합에 첨가가 일어나야하는데, 금속촉매수소첨가반응이 일어나기 위해서는 금속판이 접근해야합니다. 이 때 금속판이 위에서 접근할 경우 steric이 커서 접근하기가 반대 측면에서 접근하는 것에 비해 상당히 어렵습니다. 따라서 수소는 equatorial로 첨가되고 결과물을 다시 그려보면 Cis-1,2-Dimethylcyclohexane가 생성되는 것을 알 수 있습니다.

 

다음과 같은 반응식은 어떠한 생성물을 생성할지 예측해보세요.

 

정답은 위와 같습니다. (오른쪽 위)

이 문제를 풀기 위해서는 사이클로핵세인의 고리구조를 옆에서 볼 줄 알아야합니다. 왼쪽 아래 그림과 같이 사이클로핵세인을 옆에서 그리면, 의자 모양으로 접힌 것을 알 수 있고 tert-Butyl기를 포함하여 위에서 금속판이 접근 시 접근이 상당히 힘든 것을 알 수 있습니다. 따라서 아래에서 접근하여 수소가 아래에서 첨가되어야 하므로 오른쪽 아래와 같이 메틸기가 나타나게 되고, 따라소 오른쪽 위와 같은 생성물이 나타납니다.

 

물론, steric이 작다고 해서 100% 같은 생성물이 나오지는 않습니다. tert-Butyl기가 붙어있는 경우 70%의 비율로 major 생성물이 나타납니다. 만약 steric이 더 큰 치환기가 붙어있었다면 입체선택이 훨씬 더 뚜렷하게 나타났을 것입니다.

 

위와 같은 반응식의 생성물을 예측해보세요. 중수소를 첨가하는 반응이므로 생성물에서 생략하면 안됩니다.

 

 

 

정답은 위와 같습니다. 위에서와 아래에서 steric을 비교해보아야 하는데, 위의 경우 딱 수소 1개가 methyl기 1개로 바뀐 것만큼 steric이 더 크므로 아래에서 중수소가 첨가되는 편이 더 steric이 적습니다. 따라서 오른쪽 생성물이 major 생성물이 될 것입니다.