[방향족 화합물] EAS - Friedel-Craft 알킬화 반응 (Friedel-Craft Alkylation)

EAS(친전자성 방향족 치환반응) 중에서도 Friedel-Craft 반응은 반응 가능한 시약이 다양하고 응용력이나 예외가 많기 때문에 분량이 가장 많습니다. 따라서 2개로 분리하여 작성할 것이지만, 내용이 상당히 기니 참고해주세요.

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반응식

Friedel-Craft Alkylation은 벤젠고리의 수소 대신 알킬기를 치환하는 반응입니다. 알킬기를 양이온으로만 만들어주면 붙이기가 쉽기 때문에 다양한 방법이 있습니다. 크게 세 가지의 방법이 있는데, (1) 알킬할라이드와 Lewis 산촉매를 사용하는 방법, (2) 알코올과 산촉매 또는 Lewis 산촉매를 사용하는 방법, 그리고 (3) 알켄과 산촉매를 사용하는 방법이 있습니다. 이 때 Lewis 산촉매란, 전자쌍을 받아들이는 산촉매를 말합니다. AlX3, FeX3, BF3 세 가지가 대표적이니 이 세 가지만 숙지하면 됩니다.

 

여기에 연계할 수 있는 반응으로 카르복실기를 만드는 반응이 있는데, 바로 알킬기가 붙은 벤젠에 KMnO4와 Na2Cr2O7을 처리하는 것입니다. 이 둘은 아주 강력한 산화제이기 때문에 알킬기를 반응시켜 카르복실산을 형성시킵니다.

 

예시 + 메커니즘

(1) RX + Lewis 산촉매

첫 번째로 위와 같이 RX에 Lewis 산촉매인 AlCl3을 처리하여 오른쪽과 같이 알킬기를 붙이는 방법이 있습니다.

 

메커니즘은 위와 같은데, 먼저 산촉매가 전자쌍을 받으며 알킬기와 복합체를 형성했다가 할로젠 원소랑 같이 떨어지면서 탄소 양이온 중간체를 형성합니다. 그러면 벤젠에서 전자쌍을 제공하며 알킬기와 결합하게 되고, 이후 발생하는 양이온은 아까 만들어진 X-AlX3 복합체가 수소를 떼어가면서 사라지고 다시 벤젠 고리가 형성되게 됩니다.

 

(2) ROH + 산촉매

두 번째로 알코올에 산촉매를 처리하여 알킬기를 벤젠에 붙이는 반응식의 예시는 위와 같습니다.

 

산촉매가 있기 때문에 OH기를 떼어버리고 탄소 양이온 중간체를 만들 수 있습니다. 이후 과정은 같습니다만, 이번에는 산조건이므로 복합체가 아닌 H2O가 H를 떼어 벤젠 고리를 만들게 됩니다.

 

(3) ROH + Lewis 산촉매

세 번째 방법은 위와 같이 알코올에 Lewis 산촉매를 사용하여 벤젠에 알킬기를 붙이는 방법입니다.

 

메커니즘은 위와 같습니다. 두 번째 방법과 마찬가지로 Lewis 산촉매도 OH기를 효과적으로 제거할 수 있으므로 탄소 양이온 중간체를 만들 수 있습니다. 이후 과정은 같으나, 마지막에 수소를 제거하는 분자가 HO-Lews 산 복합체입니다.

 

(4) 알켄 + 산촉매

 

마지막 방법은 위처럼 알켄에 산촉매(일반적으로 HF)를 사용하여 벤젠에 알킬기를 붙이는 방법입니다.

 

메커니즘은 위와 같습니다. 알켄에 할로젠화수소첨가반응을 하듯이 수소가 붙으면 역시 탄소 양이온 중간체가 형성되므로 이것을 벤젠에 같은 방식으로 붙이면 됩니다.

 

예제

위와 같은 반응식을 만들 수 있는 시약 A를 적어봅시다.

 

위의 반응은 벤젠고리에 알킬기를 붙이는 Friedel-Craft 반응이고, 촉매로 Lewis 산촉매가 사용되었으므로 두 가지를 고려하였을 때 시약은 CH3Cl이 되어야합니다.

 

위와 같은 반응을 수행했을 때 생성되는 생성물을 예상해봅시다. 촉매나 시약이 모자라다고 생각할 수도 있는데, 문제에는 오류가 없으며 Friedel-Craft 반응 문제 맞습니다.

 

정답은 위와 같습니다. 알켄 + 산촉매를 처리하는 방법으로 Friedel-Craft 반응의 4번째 케이스에 해당하는 반응입니다. 분자 자체에 방향족 고리가 있고 탄소 양이온 중간체가 생성되므로 분자 내에서 Friedel-Craft 반응이 일어나게 됩니다. 이 때 연결 이후 메틸기가 연결되어있는 탄소는 입체 중심이 되고 결합 방향이 제한되어있지 않으므로 라세미 혼합물이 생성되게 됩니다.

위와 같은 반응식을 만들기 위해 필요한 반응물 A를 예상해봅시다.

 

정답 예시는 위와 같습니다. 우선 HF라는 산촉매를 사용했으므로 ROH를 써도 되고 알켄을 써도 됩니다.

 

위와 같은 반응물의 생성물을 예상해봅시다. 이 때 tBuCl이 과량 투입되었다고 가정합니다.

 

정답은 위와 같습니다. RX가 과량으로 포함되어 있을 때는 치환기가 한 개만 붙는 것이 아니라 여러 개가 붙을 수도 있습니다. 이와 같은 반응을 다중알킬화반응이라고 합니다. tBu 치환기는 EDG이므로 나머지 tBu는 ortho 또는 para 자리에 붙게 되는데, tBu는 steric이 큰 치환기이기 때문에 ortho 자리에는 붙을 수 없어서 para 자리에 붙게 되어 위와 같은 생성물이 나타나게 됩니다.

 

이렇게 생성물의 양을 잘못 조절할 경우 원하지 않는 생성물이 나올 수 있으므로, 만약 한 개의 치환기만 존재하는 생성물을 얻고 싶다면 촉매의 양을 줄이거나, 벤젠의 양을 과량으로 늘려주는 것이 좋습니다.

 

위와 같은 반응식의 생성물을 예상해봅시다.

 

정답은 "반응하지 않는다"입니다. 왜냐하면, NO2는 강한 EWG이기 때문에 (공명 구조를 그려보아도 전자쌍을 가지고 있는 공명 구조가 많음) 벤젠 고리에서 탄소 양이온 중간체에 전자쌍을 제공할만큼 전자가 풍부하지 않습니다. 따라서 반응이 일어나지 않습니다. 이외에도 +NR3 같은 치환기가 있어도 반응이 일어나지 않습니다.

 

치환기가 X를 제외한 EWG, NR2일 경우 Friedel-Craft 반응이 일어나지 않습니다. (공명 구조를 그려봐서 전자의 대략적인 위치를 파악해보면 확인 가능)

 

위와 같은 반응식을 완성하기 위한, 반응물을 결정해봅시다. 첫 번째 힌트는 NH2가 치환기로 있을 경우 벤젠고리가 전자쌍을 제공할만큼 전자가 풍부하지 못하다는 것이고, 두 번째 힌트는 CH3COCl/pyridine을 처리하면 NH2가 NHCOCl로 변형된다는 것입니다. (이후 산을 처리해주면 다시 NH2로 변형 가능)

 

 

정답은 CH3COCl/pyridine, RX/AlX3, H+이며 아래에 메커니즘이 정리되어 있습니다. 핵심 원리는, NH2가 치환기로 있을 경우 벤젠고리가 탄소 양이온 중간체에 전자쌍을 제공하지 못하기 때문에 NH2를 다른 원자단으로 바꾼 뒤 반응시키고 다시 되돌리는 것입니다.

 

CH3COCl/pyridine을 처리하면, NH2의 수소를 pyridine이 제거하고 이후 CH3COCl과 반응하여 치환기가 NHCOCl이 됩니다. 그러면 이제 Friedel-Craft 반응을 일으킬 수 있으므로 RX/AlX3과 같은 방법으로 알킬기를 연결시켜 주고, 다시 산을 처리해줘서 NH2로 바꿔주면 됩니다.

 

위와 같은 반응식의 생성물을 예상해보세요. 힌트는 탄소 양이온 중간체의 안정성입니다.

 

OH가 떨어진 곳이 벤젠고리에 연결된다고 생각할수도 있겠지만, 1차 탄소 양이온보다 2차 탄소 양이온이 안정하기 때문에 Hydride shift가 발생하여 오른쪽의 생성물이 나오게 됩니다.

 

그렇다면 위와 같은 반응식을 만들기 위해서는 어떻게 해야할까요?

 

두 가지 방법이 있습니다. 첫 번째는 Halogenation을 시켜준 다음 Gilman 시약을 이용하여 알킬기를 붙여주는 방법이고, 이는 나중의 포스트에서 Gilman 시약과 관련하여 따로 다루겠습니다.

 

그리고 두 번째 방법은 Friedel-Craft Acylation 반응을 응용하는 것입니다. 이 반응은 바로 다음 포스트에서 다루도록 하겠습니다.