[방향족 화합물] 친핵성 방향족 치환반응 SNAr (Nucleophilic Aromatic Substitution)

반응식

SNAr은 EWG 치환기가 붙어있는 방향족 화합물에서 발생하는 SN(치환 반응)입니다. 몇 가지 조건이 있는데, Leaving group은 반드시 할로젠 원소이며, leaving group을 기준으로 ortho, para 자리에 EWG가 붙어있어야 한다는 것입니다. 그 이유는 중간체의 안정성 때문입니다. 친핵체가 붙고 음이온 상태가 되어도 안정해야 반응이 일어날 수 있기 때문입니다.

 

예시

SNAr의 예시 반응은 위와 같습니다. leaving group에 해당하는 Cl이 방향족 고리에 붙어있으며, para 자리에 NO2라는 강한 EWG가 붙어있으므로 중간체도 안정하여 반응이 잘 일어날 것입니다. 또한 NaOH의 -OH도 강친핵체이기 때문에 오른쪽과 같이 친핵성 치환반응이 일어나 Cl이 OH로 바뀐 것을 확인할 수 있습니다.

 

메커니즘

메커니즘은 위와 같습니다. SN1은 leaving group이 먼저 떨어져나가고, SN2는 backside attack과 leaving group이 떨어져나가는 현상이 동시에 일어났다면 SNAr은 Nu-가 붙고 그 다음 공명 구조를 거쳐 leaving group 할로젠이 떨어져나갑니다. 중간체에 해당하는 탄소 음이온 중간체가 안정한 것은 위의 공명 구조의 메커니즘을 확인하면 알 수 있습니다.

 

예제

위와 같은 반응식의 생성물을 예상해봅시다. 힌트는 위의 반응에서 친핵체는 -OEt가 될 것입니다.

 

중간체는 위와 같고, SNAr 반응이 일어나 오른쪽 위와 같은 생성물이 만들어짐을 알 수 있습니다. SNAr 반응식을 그리기 전에 Cl 기준 ortho 또는 para 자리에 EWG 치환기가 존재하는지 확인해야합니다.

 

이 반응식은 제가 공부하는 교재에 있어서 가지고 와봤습니다. 치환기가 간단한 원자단이 아니라 위처럼 고리 구조를 가지더라도 EWG인지 파악할 줄 알아야 합니다.

 

실제로 위 분자의 음이온 공명 구조를 그려보아도 되고, 산소가 ortho 자리쪽에 가깝게 있기 때문에 EWG라고 할 수 있습니다. 위에서 언급했기 때문에 알 수 밖에 없겠지만, 실전에서는 이 반응이 SNAr인지 확인할 수 있는 연습을 해야합니다.

 

위와 같은 반응식의 생성물을 예상해봅시다.

 

이 고리는 피리딘에 Cl이 붙은 형태입니다만, 그것보다도 질소가 EWG의 역할을 한다는 것이 중요합니다. 공명 구조를 그려 전자쌍을 제공할 수 있으면 EWG로 간주할 수 있습니다. 결론은 위와 같은 중간체를 거쳐 OMe를 치환기로 가지는 고리가 됩니다.

 

이 문제도 교재에서 참고를 하였는데, 오른쪽과 같은 반응식을 만들려면 어떻게 해야할까요? 문제가 다소 어려울 수 있는데, 힌트는 SNAr 반응을 일으키되 친핵체로 phenol을 이용하는 것입니다.

 

정답은 위와 같습니다. 방향족 친핵성 치환반응을 일으키기 위해 우선 할로젠 원소를 붙여야하므로 Halogenation을 먼저 시켜주고, 그 이후 EWG를 붙여야 SNAr을 만들 수 있으므로 적당히 EWG를 붙여줍니다. 가장 대표적으로 나이트로화 반응이 있어서 HNO3/H2SO4를 이용하였습니다. 이후 페놀기를 SNAr을 통해 붙여주면 위와 같은 에터가 만들어집니다. 그리고 알킬기를 붙이는 과정은 마지막에 해주면 됩니다. RX/산촉매를 사용해도 되고, 방법은 다양합니다.

 

위와 같은 일련의 반응을 거쳐 얻어지는 major 생성물은 어떤 것인지 예상해봅시다. (이 때 중간에 나이트로화 반응에서 NO2가 para 자리에만 붙는다고 가정합시다.)

 

중간 생성물과 최종 생성물은 위와 같습니다. 처음에 할로젠화반응이 일어나고 이후 나이트로화 반응을 통해 para 자리에 NO2가 붙게 되며 마지막에 환원 과정을 거쳤으므로 치환기는 NO2에서 NH2가 됩니다.

 

마지막 문제입니다. 위와 같은 반응의 생성물은 어떻게 될까요? 참고로 SNAr 반응이 맞습니다. 어떤 자리에 반응이 일어나는가를 물어보는 문제입니다.

 

아까 위에서 ortho, para 자리에 EWG가 있어야한다고 했으므로 그 경향성을 생각해보면 ortho, para 자리에 EWG가 많을수록 반응이 잘 일어날 것이라는 사실을 알 수 있습니다. 따라서 각 치환기를 잡아서 어떤 치환기가 떨어져나갈지 생각해보면 Cl 자리에 반응하는 것이 중간체가 가장 안정함을 알 수 있습니다. (여기서 NO2는 고려할 필요 없었는데 잘못 적었습니다.) 따라서 Cl이 OMe로 치환된 생성물을 그려주면 됩니다.