[알코올] Grignard 반응 (+ Grignard 시약)

반응식

Grignard 반응은 탄소-수소 결합이 있는 유기물에 Grignard 시약을 가했을 때 Grignard 시약의 알킬기가 중심 탄소에 결합하는 반응입니다. 이 때 일반적으로 아래의 반응이 더 많은데 C=O에 R이 붙으머 C-O가 생성될 경우 산소 음이온에서 work-up을 통해 ROH 즉 알코올이 주로 생성됩니다.

 

Grignard 시약은 RMgX 꼴의 형태로 구성되어있는 복합체를 말하며, 이 때 알킬기는 Grignard 반응에서 합성하기를 원하는 알킬기가 사용되므로 Grignard 시약의 제법 또한 알아야합니다.

 

Grignard 시약은 다음과 같이 합성됩니다. 위와 같이 알킬할라이드에 Mg가 투입되며 이 때 용매는 H2O가 포함되어있지 않은 무수용매여야 합니다. 만약 H2O가 용매에 포함되어 있다면 Grignard 시약이 합성되는 즉시 반응하여 분해되게 되어 시약을 사용할 수 없게 됩니다.

 

예시

예시로 위와 같은 반응식을 들 수 있습니다. 위와 같이 케톤이 있을 때 Grignard 시약 RMgX(이 때 R은 CH3CH2-)을 가해주면 오른쪽과 같이 알코올이 만들어지게 됩니다.

 

메커니즘

메커니즘은 위와 같습니다. MgBr은 알킬기의 탄소를 음이온으로 만들어주기 때문에, 이 알킬기가 기질에 가서 결합할 수 있게 해줍니다. 그러면 탄소와 산소 사이의 이중결합이 깨지며 산소 음이온이 형성되고, 나머지 work-up 과정을 통해 오른쪽 위와 같은 알킬기가 추가된 알코올이 만들어짐을 확인할 수 있습니다.

 

예제

Grignard 시약을 이용한 Grignard 반응은 탄순히 C=O 이중결합이 있는 분자 뿐만 아니라 다양하게 사용될 수 있습니다. 다음과 같은 예제들을 참고해봅시다.

 

위와 같은 Grignard 반응식의 생성물을 예상해봅시다.

 

정답은 위와 같습니다. 분자 구조를 그려보면 위와 같으며, -CH2CH3가 중심 탄소와 결합하여 OH가 만들어져서 오른쪽 위와 같은 Propanol이 생성됩니다.

 

위와 같은 반응식의 생성물을 예측해봅시다. 이 반응 역시 Grignard 반응입니다.

 

메커니즘과 정답은 위와 같습니다. 똑같이 CH3가 탄소와 결합하면서 알코올이 발생하고 따라서 3차 알코올이 만들어짐을 확인할 수 있습니다. RMgX에서 X는 Cl, Br 등 할로젠 원소임을 확인해주세요.

 

위와 같은 반응식의 생성물을 예상해봅시다. 이 때 힌트는 Grignard 시약의 탄소 음이온이 기질의 탄소와 결합했을 때 어느 쪽의 결합이 끊어지는지 생각해보는 것입니다.

 

정답은 위와 같으며, 결합의 경우 C=O 이중결합이 끊어지는 것이 아니라 단일결합 쪽이 끊어집니다. 따라서 에터 산소를 포함하는 쪽은 CH3COOH가 만들어지고, 나머지 한쪽은 위와 같은 Grignard 반응을 통해 3차 알코올이 만들어짐을 확인할 수 있습니다.

 

위와 같은 반응식의 생성물을 예상해봅시다.

 

CO2와 같이 수소나 다른 알킬 치환기가 없는 분자도 똑같이 Grignard 반응을 일으킬 수 있습니다. 원칙대로 메커니즘을 그려나가기만 하면 정답을 얻을 수 있습니다.

 

위와 같은 반응식의 생성물을 예상해봅시다. 이 때 주의할 점은 Grignard 반응임은 알 수 있지만 어느 쪽의 결합이 끊어질지의 문제입니다.

 

정답은 위와 같으며, 왼쪽 결합이 끊어집니다. 그 이유는 이 반응은 SN2 type의 반응이기 때문에 steric이 적은 쪽의 탄소를 backside attack 하는 경향이 있기 때문입니다. 이에 대한 내용은 SN2 반응에 대한 내용을 참고해주면 좋습니다. (사실 steric이 적을수록 SN2 경향이 증가한다는 내용만 알면 됨)

 

따라서 오른쪽 위와 같은 형태의 알코올이 생성됨을 알 수 있습니다.