[알킬할라이드] 이분자 친핵성 치환반응 SN2 (기질, 용매, 친핵체에 따른 반응성 비교)

반응식

SN2는 이분자 친핵성 치환반응을 뜻하는 기호입니다. 중심 탄소에 Leaving group이 붙어있을 때, 강친핵체(Nu-)를 첨가하여 반응시키면 친핵체가 탄소 중심을 Leaving group이 연결되어있는 반대 방향에서 backside attack을 통해 붙고 동시에 leaving group과의 결합이 분리되도록 합니다. leaving group이 먼저 떨어지고 나서 이후 친핵체가 붙는 SN1 type 반응과의 가장 큰 차이점은 전이상태가 존재한다는 것입니다.

 

SN2 type은 기질(반응이 일어나는 중심 분자)의 탄소에 접근할 때의 steric이 작고, 전자밀도가 높을수록 반응이 잘 일어납니다. 그러니까 탄소 차수와 관련해서는 SN1 type 반응과 정반대의 성향을 가집니다. alpha-halo carbonyl, 1차 benzyl (or allyl) halide, CH3x, 1차 RX, ... 순으로 반응이 잘 일어납니다.

 

용매의 경우 aprotic solvent일 때 더 잘 일어나는데, 그 이유는 aprotic solvent가 음이온만 밖으로 노출되어있기 때문에 Nu-를 안정화시키지 않으면서 빨리 SN2 반응이 일어나게 만들기 때문입니다. 반면 H2O와 같은 protic solvent는 양이온 부분으로 Nu-를 둘러싸서 안정화시켜버리는 경향이 있기 때문에 오히려 SN2 반응이 일어나지 않도록 저해시키는 효과를 가집니다.

 

친핵체의 경우 aprotic 용매에서는 염기성이 강한 것이 강한 친핵체이며 protic 용매에서는 염기성이 약한 것이 강한 친핵체입니다. 왜냐하면 protic solvent의 경우 위에서 언급한대로 Nu-를 안정화시켜 오히려 반응이 일어나지 않게 해버리기 때문입니다.

 

예시

대표적으로 위와 같은 반응이 있습니다. 먼저 기질의 경우 수소와 중수소, 그리고 메틸기가 있는 1차 알킬할라이드이고, 친핵체는 -OH이며 용매가 아세톤으로 aprotic solvent입니다. 따라서 오른쪽과 같이 SN2 반응이 일어나 입체구조가 반전되어있는 것을 확인할 수 있습니다.

메커니즘

메커니즘은 위와 같습니다. 위에서 말한대로, 강친핵체인 -OH가 leaving group인 Br의 180도 반대방향에서 backside attack을 해주면 입체배열이 반전되며 Br이 날아가고 OH가 붙게 됩니다.

 

SN1 반응과 SN2 반응의 또다른 큰 차이점 하나는 SN2 반응은 무조건적으로 입체 배열이 반전된다는 것입니다. SN1 type의 경우 leaving group이 떨어져 나온 뒤 친핵체가 붙기 때문에 minor 생성물이긴 하지만 입체배열이 반전되지 않은 생성물이 있었다면 SN2 type은 100% 입체배열이 반전된 생성물이 얻어집니다.

 

예제

SN2 type은 염기성과 친핵성에 대한 개념 때문에 풀어볼 예제들이 많습니다.

 

먼저 위와 같은 반응식의 생성물을 예상해봅시다. 조건이 빠졌는데 SN2 type이 일어난다고 가정합시다. (생성물은 어차피 변화없습니다.)

 

정답은 위와 같은 생성물입니다. SN2 type이므로 입체배열을 반전하여 그려주어야 합니다. 참고로 -CN은 spear type의 친핵체로 길다란 형태를 가지고 있기 때문에 효과적인 친핵체입니다.

 

여기서부터는 두 개의 반응식 중 어떤 반응식의 반응성이 더 높은지를 비교하는 문제입니다.

 

위의 반응식은 어느 쪽이 반응성이 더 높을지 예상해봅시다. 힌트는 단순히 alpha 탄소의 차수에 대해서만 고려하면 안된다는 것입니다.

 

정답은 오른쪽입니다. 왜냐하면 steric의 경우 alpha 탄소의 차수만 비교하는 것이 아니라 그 옆의 beta 탄소의 차수까지 확인해주어야 합니다. 왼쪽 반응식의 반응물의 경우 beta 탄소의 차수가 3차인데(alpha 탄소로부터 연결된 것을 제외하고 셈), 이것은 3차 알킬할라이드와 비슷한 steric을 가진다고 가정할 수 있어 차수가 더 낮은 오른쪽 반응식이 더 SN2 반응성이 좋습니다.

 

 

위와 같은 반응식의 반응성을 비교해봅시다. protic solvent와 aprotic solvent의 반응성에 대해 비교하는 문제입니다.

 

정답은 오른쪽 반응식입니다. SN2 반응은 protic solvent의 경우 Nu-를 용매 분자들의 양전하 부분들이 둘러싸 안정화시켜 반응을 저해시키기 때문에 aprotic solvent에서 더 잘 일어나고 따라서 오른쪽 반응식이 SN2 반응성이 더 좋습니다.

 

위의 반응식의 반응성을 비교해봅시다.

 

정답은 오른쪽입니다. 우선 아세톤이 aprotic solvent인 것을 숙지해야 문제를 해결하기 한 단계 수월해집니다. aprotic solvent이므로 염기성이 높은 친핵체가 친핵성이 더 높습니다. 따라서 염기성이 더 높은 -CH3가 더 강한 친핵체이고 따라서 오른쪽 반응의 반응성이 더 높습니다.

 

위와 같은 반응식의 반응성을 비교해봅시다. 이번에는 같은 족이지만 다른 주기를 가진 친핵체들의 비교입니다.

 

플루오린 이온이 염기성이 더 크기 때문에 더 강한 친핵체로 보이지만, 지금 용매가 H2O로 대표적인 protic solvent이기 때문에 F-가 더 수화로 인한 안정화도가 커져서 결국 I-가 더 좋은 친핵체로 작용합니다. 만약 용매가 아세톤이나 DMSO와 같은 aprotic solvent였다면 왼쪽의 반응성이 더 높았을 것입니다.

 

마지막으로 위와 같은 반응식들의 반응성을 비교해봅시다. 힌트는 친핵체의 크기에 대해서 생각해보는 것입니다.

 

정답은 왼쪽입니다. 오른쪽 친핵체인 tBuO-의 경우 tert-butyl기의 크기가 매우 bulky하기 때문에 친핵성이 좋을지라도 중심 탄소에 접근하기에 steric이 너무 커서 오히려 SN2 반응이 잘 일어나지 않습니다. 따라서 왼쪽의 반응이 더 반응성이 높습니다.

 

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SN2 반응은 물질 합성 시 반드시 필요한 반응이기도 하고 응용도도 높으며 헷갈리는 개념들이 많기 때문에 많은 반응식들을 알아야합니다. 여기에 제시된 반응식들의 비교 말고도 다른 문제들도 많이 확인하여 예시들을 많이 배워두시는 것을 추천합니다.