[알킬할라이드] 단분자 제거반응 E1 (+ Bulky base와 Hofmann 생성물)

반응식

E1은 단분자 제거반응을 의미하는 기호로써, 유기물에서 Leaving group을 제거하고 추가적인 결합이 생성되는 반응을 말합니다. Leaving group이 떨어져나가고 발생하는 탄소 양이온 중간체 상태에서 추가적인 결합을 생성하여 중성으로 만들기 위해 약염기가 사용됩니다.

 

중간체에 해당하는 탄소 양이온의 안정성이 높을수록 반응성이 좋으며, 따라서 1차보다는 2차, 2차보다는 3차 알킬할라이드일 때 E1 반응이 더 잘 일어납니다.

 

용매의 경우 C+과 X-(leaving group)을 모두 용매화시킬 수 있는, 양전하 부분과 음전하 부분을 모두 가지고 있는 aprotic solvent에서 가장 잘 일어나고, 그 다음은 양이온 부분이 가려져있어 X-를 안정시키기는 어려우나 C+를 안정화시킬 수 있는 aprotic solvent가 반응성이 좋습니다.

 

염기의 경우 강염기를 사용하면 E2 반응이 일어나기 때문에 H2O와 같은 약염기가 사용됩니다. 친핵성 치환반응 SN1과 경쟁 관계의 반응이며 이 때 E1이 우세하게 만들고자 한다면 가열을 해주면 됩니다.

 

예시

위와 같은 아주 간단한 예시 반응식이 있습니다. 먼저 기질(반응물)은 3차 알킬할라이드에 해당하며 약염기로 H2O가 사용되었고, 또한 E1 반응이 우세하게 일어나게 만들기위해 가열까지 가해져있습니다. 따라서 E1 반응이 일어나기에 적합하며 오른쪽과 같이 수소까지 제거되어 추가적인 결합이 형성된 알켄이 만들어짐을 알 수 있습니다.

 

메커니즘

제거 반응의 메커니즘은 아주 간단하며, 알켄의 제법과 아주 유사합니다. (실은 포함 관계에 있습니다.) 어쨌든 SN1과 같이 leaving group이 먼저 떨어져 나가면 이후 탄소 양이온이 중간체로 발생하게 되며, 이후 염기에 해당하는 H2O가 이웃 자리 탄소의 수소를 제거하여 남은 전자쌍이 양이온 탄소로 가 결합을 형성하여 아래와 같은 알켄을 형성하는 것을 확인할 수 있습니다.

 

예제

위와 같은 반응식의 생성물에 대해 예상해봅시다.

 

Br은 적당한 leaving group이고 약염기 H2O도 있으므로 오른쪽과 같이 제거반응이 일어남을 확인할 수 있습니다. 이 때 제거되는 수소는 Zaitsev's rule에 의해 치환기가 많은 쪽의 탄소의 수소가 제거되어 가운데에 이중결합이 형성됩니다. 그리고 Z형의 알켄은 E형의 알켄에 비해 다소 불안정하므로 오른쪽과 같이 E형의 알켄이 생성됨을 주의해야합니다.

 

위와 같은 반응의 "메커니즘"을 그려봅시다. 생성물보다도 메커니즘에 대해 알아야하는 문제이기 때문에 그려보는 것을 추천합니다.

 

정답은 위와 같습니다. 2차 탄소 양이온보다 2차 벤질 탄소 양이온이 훨씬 안정하므로 중간에 hydride shift가 발생하게 됩니다. 하지만 hydride shift가 발생했다는 사실을 모르더라도 생성물 자체는 똑같이 나옴을 알 수 있습니다.

 

위와 같은 반응식의 생성물을 예상해봅시다. 힌트는 염기를 주의깊게 보는 것입니다.

 

정답은 위와 같습니다. Zaitsev's rule과 Markovnikov's rule에 의해 가운데에 이중결합이 생길 것으로 예상할 수 있지만 이 때 사용된 염기가 -OtBu로 아주 Bulky한 base이기 때문에 가운데 있는 수소에 접근하기가 어려워 가장자리에 있는 수소를 더 우세하게 제거하게 됩니다. 따라서 오른쪽과 같이 말단 Alkene이 생성되는 것을 확인할 수 있습니다. 참고로 위와 같은 생성물을 Hofmann 생성물이라고 합니다.