[방향족 화합물] 벤자인이 중간체로 등장하는 반응 (Benzyne)

반응식

Benzyne은 이름 그대로 벤젠에 탄소 사이의 삼중결합이 포함되어 있는 형태의 분자입니다. 이러한 벤자인은 굉장히 불안정한 구조를 가지고 있기 때문에 금방 다른 형태가 되어버리는 중간체에 불과하지만, 벤자인이라는 중간체가 등장하기 때문에 생성물을 예측하기 어려운 경우가 있을 수 있습니다. 따라서 생성물을 정확하게 예측하기 위해 벤자인이 등장하는 반응과 그 때의 메커니즘에 대해 알 필요가 있습니다.

 

위와 같이 벤젠에 할로젠화 원소가 치환기로 붙어있을 때, 강염기를 처리해주면 중간체로 Benzyne이 등장하며, 이는 곧 다른 친핵체에 의해 치환된 벤젠의 형태로 바뀝니다.

 

예시

예시 반응식은 위와 같습니다. Bromobenzene에 -NH2라는 강염기를 처리해주면 중간체로 벤자인이 등장하며, 이는 곧 친핵체에 해당하는 -NH2에 의해 치환되며 삼중결합이 사라집니다. (여기서 -NH2는 강염기의 역할도 하며 동시에 친핵체의 역할도 합니다.) 아래의 메커니즘을 참고하여 벤자인이 어떻게 생성되는지 확인해봅시다.

 

메커니즘

Benzyne 생성 반응에는 두 가지 형태의 메커니즘이 있는데, 둘 다 결국 중간체와 생성물은 같으니 둘 다 가능하다 정도만 알면 됩니다. 먼저 E1cB의 경우 강염기가 H를 가져감과 동시에 탄소 사이 결합 수가 하나 늘어나며 Benzyne이 만들어지고, 동시에 할로젠 치환기는 떨어지게 됩니다. 이후 전자가 이동할 수 있는 방향이 두 가지가 있는데, 왜냐하면 삼중결합으로 연결된 두 탄소 중 아무데나 양이온을 형성하면 친핵체가 결합할 수 있기 때문입니다. 따라서 위와 같이 두 가지의 전자 이동이 있을 수 있습니다.

 

두 번째로 E2와 같이 두 번의 절차에 거쳐 반응이 일어날 수도 있습니다. 위에서 언급한대로 역시 E2로 반응해도 중간체와 생성물은 동일합니다. 전자쌍의 이동도 마찬가지로 두 탄소 중 하나로 이동하게 됩니다.

 

예제

위와 같은 반응식의 메커니즘을 포함항 생성물을 그려봅시다. 이 때 중간체로 Benzyne이 등장한다면 반드시 그려주세요.

 

 

메커니즘은 위와 같으며 벤자인은 오른쪽 위에 등장합니다. -NH2가 수소를 제거하며 전자쌍이 이동하여 삼중결합이 형성되는 Benzyne 중간체가 만들어집니다. 이 때 전자는 두 탄소 중 하나로 이동하며 나머지 탄소 양이온이 형성되는 자리에 NH2가 들어가게 됩니다.

 

위와 같은 반응의 생성물을 나타내어보세요. 이 때, Br이 연결되어 있는 탄소는 14C로 방사성 동위원소에 해당합니다.

 

이 문제는 Benzyne이 중간체로 형성된다는 사실을 모르면 풀 수 없는 문제입니다. 정답은 위와 같으며 각각 1:1의 비율로 얻어집니다. 그 이유는 Br이 떨어지고 나서 전자쌍이 삼중결합의 두 탄소 중 무작위로 이동하기 때문에 OH의 연결 또한 무작위로 구성되기 때문입니다.

 

위와 같은 반응식의 생성물에 대해 예상해봅시다.

 

 

우선 유일한 Leaving group에 해당하는 Cl이 떨어져나가는 것은 확실합니다. 그렇다면, 벤자인이 형성된 이후 어디에 결합이 생성될 것인가가 문제가 되는데요, NO2는 강한 EWG이기 때문에 ortho 자리에는 치환기가 형성될 경향이 떨어집니다. 따라서 오른쪽 위와 같은 meta 자리에 하이드록시기가 붙은 생성물이 생성됩니다.

 

위와 같은 반응식의 생성물을 예상해봅시다.

 

정답과 이유는 위와 같습니다. 총 4가지의 생성물이 있는데, 4가지가 나오는 이유는 우선 삼중결합이 생성되는 경우가 2가지 형태가 있고, 또 각각의 형태에서 OH가 붙는 쪽이 2가지 선택지가 있기 때문입니다. 그래서 4가지를 다 그려보면, meta 관계에 치환기가 연결되는 경우가 2가지이므로 가장 빈도가 높기 때문에 meta 관계에 치환기가 붙는 생성물이 major 생성물이 됩니다.

 

마지막으로 위와 같은 반응식의 생성물에 대해 예상해봅시다. 참고로 두 가지 효과가 상충되게 되는데, 이 때는 어떤 효과가 더 큰지 직관적으로 찍어보는 것도 좋은 방법입니다.

 

정답은 위와 같습니다. CF3는 EDG라서 OH가 meta 자리에 붙을 시에 중간체가 불안정하게 되고, 그렇다고 ortho 자리에 붙을 경우 steric이 더 커서 생성물이 불안정해지는데요, 이 경우 생성물의 안정성을 더 중요하게 고려해야 합니다. 따라서 생성물이 더 안정한 meta 자리 치환기가 붙은 생성물이 정답이 됩니다.