[알카인] 수소첨가반응 (Hydrogenation of Alkyne) (+ cis, trans 알켄 제법)

반응식

알카인의 수소첨가반응식은 크게 3가지가 존재합니다. cis 알켄을 만드는 반응식, trans 알켄을 만드는 반응식, 그리고 수소를 과량 첨가하여 알케인을 만드는 반응식으로 나뉩니다.

 

알케인을 만드는 반응식의 경우 알카인의 다중결합이 깨지며 수소가 첨가되는 반응이 끝까지 완결되어 모든 다중결합이 깨져 알케인이 생성되는 것입니다.

 

cis 알켄을 생성하는 반응에서는 이와 달리 Lindlar Pd라는 여러 가지 화합물이 섞인 물질을 사용하는데 이는 반응성을 낮추어 알케인이 생성되는 수준까지 반응이 완결되지 않게 하기 위해서입니다.

 

trans 알켄을 생성하는 반응은 알켄에서 했던 수소첨가반응과는 약간 다른 메커니즘을 가지고 있으므로 아래의 메커니즘 파트에서 설명하도록 하겠습니다.

 

예시

위와 같이 과량의 H2와 금속판으로 알카인에 반응을 진행시키면 오른쪽과 같이 알케인이 만들어지는 것을 확인할 수 있습니다.

 

알카인을 통해 cis 알켄을 생성하는 반응으로, H2와 Lindlar Pd를 통해 반응시키면 오른쪽과 같은 생성물을 얻을 수 있습니다.

 

Li 또는 Na에 NH3를 첨가하면 알카인이 반응하여 trans 알켄이 생성되는 것을 확인할 수 있습니다.

 

메커니즘

먼저 cis 알켄을 생성하는 반응의 경우, 알켄의 금속촉매수소첨가반응과 같은 원리로 반응이 이루어집니다. 따라서 접근하는 방면에서 같은 측면에 수소 두 개가 첨가되어 결과적으로 cis 알켄이 생성되는 것입니다.

 

이후 여기에 금속촉매수소첨가반응이 한 번 더 일어나면 알케인이 되는 것입니다. 이 때 수소가 2당량이 필요하다는 사실을 잊으면 안됩니다.

 

이것은 trans 알켄을 생성하는 반응의 메커니즘입니다. Na는 전자를 잘 제공하는 금속 원자이기 때문에 전자가 떨어져나와 알카인이 라디칼이 형성될 때 같이 반응하면 한쪽은 전자쌍을 가진 탄소 음이온 라디칼(Anion Radical)이 중간체로 형성되게 됩니다. 이 음이온은 전자쌍을 제공하여 NH3의 수소를 가지고 오게 되고, 남은 반대편의 라디칼에 다시 전자가 들어가 같은 반응이 한 번 더 일어나 trans 알켄이 생성되게 되는 것입니다.

 

예제

이 알카인의 수소첨가반응은 cis 알켄을 만드냐 trans 알켄을 만드냐에 따라 어떤 반응이 일어났는지 반응 시약을 물어보는 경우가 많습니다. 따라서 다음과 같은 예제를 준비하였습니다.

 

위의 반응식의 반응물을 예측해보세요.

아주 간단하기 때문에 정답을 여기에 적자면, trans 알켄이 생성되었기 때문에 Li(또는 Na) + NH3입니다.

 

위의 반응식의 반응물도 예측해보세요.

cis 알켄이 생성되었기 때문에 반응물은 1당량의 H2와 Lindlar Pd가 적당할 것입니다.

 

위의 반응식은 어떠한 생성물을 내놓을까요? 알켄과 알카인이 둘 다 존재하는 분자이기 때문에, 둘의 반응성에 대해 생각해보아야 합니다.

 

정답은 위와 같습니다. 같은 다중결합에 금속촉매수소첨가반응이 일어날 경우 알카인이 알켄보다 반응이 잘 일어납니다. 따라서 오른쪽과 같이 알카인에 반응이 일어나고, 그리고 "금속촉매"수소첨가반응이므로 cis 알켄이 생성되어 오른쪽과 같은 생성물이 나타나는 것을 예상해볼 수 있습니다.