가장 중요한 기본 유기 화학 개념
기본적인 유기 화학 에 직면하기 시작 하면 엄청난 양의 재료에 압도 당할 수 있습니다.
입문 유기 화학 과정은 가장 어려운 과정처럼 보일 수 있습니다. 하지만 걱정하지 마세요! 이 포스트에서 우리는 당신을 도울 수있는 "트릭"또는 핵심 개념에 대해 이야기 할 것입니다.
이 개념은 채택 할 수있는 "관점"이며 유기 화학을보다 쉬운 관점에서 볼 수 있도록 도와줍니다. 큰 그림을보십시오.
유기 화학을 배우는 열쇠는 무엇입니까?
이 주제가 특별하다고 느끼는 당신은 혼자가 아닙니다. 유기 화학은 매우 독특한 과학 분야이기 때문에 이것은 완전히 의미가 있습니다. o-chem을 위해 뇌가 따라야하는 학습 과정은 매우 다릅니다.
어쨌든 당신은 정말 준비가 필요합니다 . 이를 위해 좋은 유기 화학 교과서 와 멋진 분자 모델링 키트 가 최고의 동반자가 될 것입니다. 또한 일반 화학 에 대한 확실한 배경 지식도 필요합니다 .
그리고 예, 완벽한 TLC를 실행하는 방법을 배우는 것도 도움이됩니다 !
그러나, 더 밝은면에서 유기 화학을 보는 데 도움이되는 핵심 개념, 특히 여기서 논의 할 개념이 있습니다.
계속 읽으세요!
기초 유기 화학에서 가장 중요한 개념은 무엇인가?
매우 단순한 방식 으로“ 전자 효과 ”,“ 입체 효과 ”또는이 두 가지의 조합으로 유기 화학의 모든 것을 설명 할 수 있다고 주장 할 수 있습니다 .
아주 간단히 말해서, 친핵체는 전자 효과로 인해 친 전자 성 위치를 공격합니다. 더 접근하기 쉬운 전기 중심은 입체 효과로 인해 더 반응합니다. 이 간단하지만 중요한 개념은 유기 화학에서 대부분의 합리화 또는 모델의 기초입니다.
가장 기본적인 유기 화학 개념
전자 및 입체 효과는 대부분의 유기 화학 모델의 기초입니다.
스테레오 일렉트로닉스는 그 자체로 일반적으로 입문 과정에서 가르치는 개념이 아닙니다 (예를 들어 Wikipedia 페이지를 확인하면 상당히 고급 토론이 표시됨). 그러나 우리는 입체 효과와 전자 효과의 조합을이 개념의 단순화 된 버전으로 생각하고 싶습니다. 이 조합은 유기 화학의 큰 그림을 파악하는 데 중요 합니다.
이 조합이 무엇인지 설명하고 전자 및 입체 효과가 무엇인지에 대한 기본 사항을 살펴 보겠습니다. 이 두 가지를 독립적으로 또는 조합하여 화학을 합리화하는 방법에 대한 다른 예를 보여줄 것입니다.
나는 대부분의 교과서에 이것에 대한 특정 일반 개요가 누락되어 있다고 말할 수 있습니다 (이것이 기본 유기 화학 자체의 전체라고 주장 할 수 있지만). 그래서 우리는이 기사에서 그 차이를 다루려고 노력할 것입니다.
기본 유기 화학 : 전자 효과 란 무엇입니까?
유기 분자의 반응성에 대해 연구했다면 전자의 움직임이 모든 것을 지배한다는 것을 알고 있습니다.
일반적으로 분자 중 하나의 한 부분 (또는 작용기 )이 높은 전자 밀도 ( 친핵체 )를 갖고 다른 분자의 다른 부분이 낮은 전자 밀도 ( 친전 자체 )를 갖기 때문에 두 개의 유기 분자가 반응 합니다.
친핵체와 친전 자체는 무엇입니까?
아주 간단하게 말하면 분자 가 전자가 많은 (높은 전자 밀도) 작용기를 가지고 있고 전자가 부족한 다른 작용기를 공격하려는 경우 분자가 친핵체 처럼 행동한다고 말합니다 . 전자 밀도가 낮고 전자를 원하는 이 두 번째 파트너를 친전 자체 라고 합니다.
유기 화학의 친전 자체
앞의 그림은 유기 화학에서 가장 전형적인 친 전자 체인 카르보닐기의 체계를 가지고 있습니다.
이것은 전자 장치가 작동하는 방식의 좋은 예입니다. 이 분자에서 전기 음성 원자 (O)는 탄소에 공유 결합됩니다. 산소는 탄소보다 전기 음성 적이기 때문에 탄소보다 공유 결합의 전자를 더 많이 보유하려고합니다 . 이것은 유도 및 공명 효과 의 조합입니다 .
그러나 결과는 분명합니다. 부분 음전하 (𝛿-)가 산소 원자에서 생성되고 부분 양전하 (𝛿-)가 카르 보닐 탄소 원자에서 생성됩니다. 이 전하 분포는 카르보닐기의 탄소 원자를 다른 친핵체와 반응 할 수있는 잠재적 인 친전 자체로 만듭니다.
전하 분포가 반응성 추세에 어떤 영향을 미칩니 까?
플러스와 마이너스 는 함께 모이고 싶어 합니다. 이런 식으로 친핵체는 친전 자체와 반응 할 수 있습니다.
케톤의 전형적인 친핵체는 전자 밀도가 높은 유기 또는 유기 금속 시약입니다. 이 예에서는 PhMgBr (페닐 마그네슘 브로마이드) 와 같은 그리 냐르 시약 의 음으로 하전 된 탄소 원자가 친핵체 역할을합니다.
핵종 추가
친 전자 성 케톤에 유기 금속 시약의 친 핵성 첨가
케톤에 친핵체를 추가하면 친 전자 성 케톤에이 전하 분극이 방출되고 (이는 반응의 원동력 입니다), 양성자 공급원 (H + )으로 처리 한 후 해당 3 차 알코올을 제공하는 중간 알콕시 드를 생성 합니다.
이것은 아마도 유기 화학 반응도 과정에서 배우게 될 첫 번째 예 중 하나이며 정말 간단합니다. 그렇지 않나요?
음, 좋은 소식입니다! 유기 화합물 사이의 대부분의 반응은 그의 전자 분포 원리를 사용하여 설명 할 수 있습니다!
그렇다면 각 유기 분자의 양전하와 음전하가 무엇인지 어떻게 알 수 있습니까?
전자 밀도의 일반적인 추세를 살펴 보겠습니다. 계속 읽으세요!
분자의 전자 밀도지도
이 분자 내에서의 전자 밀도는 매우 시각적으로 매핑 될 수있다. 아래 그림에서 몇 가지 기본 예를 살펴보십시오.
클로로 에탄의 전자 밀도
작은 분자의 전자 밀도 분포 : 에탄 및 클로로 에탄.
첫 번째 예는 단순한 탄화수소 인 에탄입니다. 에탄은 매우 무극성 분자입니다. 그들의 전자는 분자 전체에 고르게 분포되어 있습니다. 전하 분극이 없으므로 반응성이없는 분자가됩니다.
반면에 클로로 에탄은 극성이 높은 분자입니다. 밀도 맵에서 볼 수 있듯이 염소 원자에는 많은 전자 밀도 (적색 영역)가 있습니다. 이는 염소가 부착 된 탄소보다 전기 음성이 더 많아 인접 탄소에 부분적인 양전하를 생성하기 때문입니다.
클로로 메탄의 분극
클로로 메탄의 결합 분극. 에 신용 유기 화학 7 번째 판. LG Wade, Jr. et al.
클로로 메탄 또는 일반적으로 유기 알킬 할라이드에서도 똑같은 일이 발생합니다. 이것은 이러한 유형의 분자의 반응성을 완전히 제어합니다. 전자가 어디에 있는지 파악 하는 방법을 배우는 것은 파악해야 할 가장 중요한 것 중 하나입니다!
전자 구동 대체 반응
이 결합 분극은 염화물에 직접 부착 된 탄소를 친 전자 성 중심으로 만듭니다. 이와 같은 친 전자 성 센터는 친 핵성 치환 반응 (SN2)을 통해 친핵체의 공격을받을 수 있습니다 .
기본 유기 화학 개념 친 핵성 치환
친 핵성 치환 반응 (S N 2)
제거 반응과 함께 친 핵성 치환 반응 및 친 전자 성 첨가는 일반적으로 유기 화학 과정에 대한 모든 소개에서 다루는 모든 반응성입니다.
전자 밀도의 개념에 대해 자세히 알아보기 위해 이전 섹션의 첫 번째 예를 다시 살펴 보겠습니다. 또 다른 밀도 맵은 카르보닐기의 반응성을 쉽게 설명 할 수 있습니다.
전자 밀도지도 아세톤
보시다시피, 고도로 극성 화 된 결합은 산소 (적색 영역)에서 부분 음전하를 생성하고 C = O 탄소 (파란색 영역)에서 부분 양전하를 발생시킵니다.
이것은 단순한 개념이지만 유기 화학의 더 큰 그림을 보는 데 실제로 도움이됩니다. 분자의 높은 전자 밀도 영역이 다른 분자의 낮은 전자 밀도 영역을 "공격"하기 때문에 유기 반응이 발생 한다는 것을 이해한다면 그것은 큰 문제입니다!
전자 구동 유기 반응의 또 다른 좋은 예는 친 전자 성 방향족 치환입니다. 그러나 전자 및 입체 효과의 조합에 대한 훌륭한 예이기도하므로이 기사의 끝에서 살펴 보겠습니다 .
하지만 먼저 동전의 다른면을 살펴 봐야합니다. 입체 효과 또는 입체 장애 .
입체 효과는 무엇입니까?
유기 화합물을 큰 전자 클러스터라고 상상해보십시오.
전자는 음전하를 띠기 때문에 일반적으로 한 분자가 다른 분자에 접근하면 에너지 패널티가 있습니다 (양 의 비공유 상호 작용의 예외는 있지만 ).
두 자석의 음극 두 개를 상상해보십시오. 더 큰 힘이 그들을 합치 지 않는 한 서로 멀리 떨어져 있습니다.
이것은 유기 분자도 마찬가지입니다. 이 경우 전자 효과에 대한 섹션에서 보았 듯이 친전 자체와 친핵체를 합칠 수있는 더 큰 힘은 전자 분극입니다. 친전 자체와 친핵체를 결합하면서 얻은 더 높은 열역학적 안정성은 분자 간의 자연스러운 반발을 무시합니다.
비슷한 개념이 위치 에너지 다이어그램에 나와 있습니다. 두 원자의 시스템은 주어진 결합 거리에서 최소 에너지 (가장 안정적인 상황)를 얻습니다. 그것들을 더 가깝게 당기면 전자 반발이 너무 커지고 (x 축에서 왼쪽으로 이동) 시스템의 에너지가 상승합니다. 이것은 기본적으로 nuncleus-nucleus (+) 또는 electrons-electrons (-) 반발로 인해 불안정해진다는 것을 의미합니다.
위치 에너지 다이어그램
잠재적 에너지 다이어그램. 화학에 대한 크레딧 : 브라운과 동료 의 중앙 과학 (Pearson, 2012)
그러나 물리적 인 설명을 얻지 못하더라도 걱정하지 마십시오! 입체 효과 의 개념 은 실제로 그보다 훨씬 간단합니다!
결론은 다음과 같습니다. 친핵체가 친 전자 성 중심에 접근하기가 더 용이하면 친핵체가 친 전자 성 중심에 접근하는 것이 훨씬 더 쉬울 것입니다 (즉, 주변에 부피가 덜 큰 치환체가있는 경우).
입체 효과는 화학 반응에 어떤 영향을 미칩니 까?
Wade의 유기 화학 에서 추출한 다음 예제 는이 기본 유기 화학 개념을 시각화하는 데 적합합니다.
유기 화학의 입체 효과
치환 반응의 입체 효과. Organic Chemistr y 7th edition에 대한 크레딧 . LG Wade, Jr. et al.
SN2 반응은 에틸 브로마이드 (왼쪽)에서 매우 빠르게 발생합니다. 친 전자 성 탄소는 매우 접근하기 쉽고 반응이 원활하게 진행됩니다.
한편, 이소 프로필 브로마이드는 2 차 친 전자 성 탄소를 가지고있다. 이 센터는 훨씬 더 차폐되어 (주변에 더 큰 환경이 있음) 친 핵성 치환 반응이 발생할 수 있지만 1 차 센터보다 훨씬 느립니다. 이것은 친 핵성 분자 (이 경우 OH – )와 친 전자 성 분자의 두 메틸 그룹 사이에 존재하는 더 높은 반발 성 상호 작용 때문입니다 .
세 번째 경우에는 3 차 알킬 브로마이드가 있습니다. 친 전자 성 탄소는 tert- 부틸 그룹에 의해 완전히 차단됩니다 . 친전 자체는 친전 자체 중심에 접근 할 수 없으며 S N 2 반응은이 기판에서 절대 일어나지 않습니다.
그러나 어떤 경우에는이 반응을 진행할 수 있는 다른 메커니즘 (S N 1)이 있습니다. 그러나 그것은 결합 된 S N 2 반응의 전형적인 상태의 오 배율 전이를 통해 절대로 일어나지 않을 것 입니다.
우리는 SN2 및 SN1 반응에 대한 또 다른 튜토리얼 리뷰 에서이를 다루었으며 , 그것들이 입체 효과와 어떻게 연결되는지에 대해 설명했습니다 .
기초 유기 화학에서 입체 효과의 실제 예
실제 예를 들어 입체 효과의 기본 유기 화학 개념에 대해 더 자세히 알아볼 수 있습니다.
아래의 dibromoalkane 의 Finkelstein 반응 을 보십시오 .
기본 유기 화학의 입체 효과
SN2 반응의 선택성 예. UCLA 화학에 대한 크레딧
이 반응은 단순 합동 (즉, 이탈 기 - 브로마이드 - 가 분자를 떠나는 것과 동시에 친핵체 - 요오드화물 - 공격을 의미 함) I의 친 핵성 공격 - 요오드화 나트륨에서 알킬 브로마이드로 진행됩니다.
원칙적으로 반응 할 수있는 두 개의 친 전자 성 탄소가 브롬화물에 부착되어 있습니다. 그러나 1 차 제품의 대체 제품 만 획득됩니다! 3 차 브로마이드는 손상되지 않았습니다.
이것은 행동에 입체 효과입니다.
유기 반응에서 원위 부피가 큰 그룹의 효과
물리적으로 큰 치환기가 실제로 반응하지 않는 탄소 원자에있는 경우 입체 장애 도 역할을 할 수 있습니다. 부피가 큰 인접한 치환기는 화학 반응의 속도를 정의 할 수 있습니다.
예는 에스테르의 단순한 가수 분해입니다.
근처에서 발견되는 치환기가 클수록 반응성 친 전자 성 중심에 접근 할 수 없게되고 결과적으로 가수 분해 속도가 느려집니다.
원위 입체 효과
입체 효과는 분자 모델 키트를 사용하여 쉽게 시각화 할 수 있습니다 . 이전에이를 사용하는 방법 및 기타 목적에 대해 논의했습니다.
이것은 우리를이 개념 검토의 마지막 게임으로 인도합니다 : 전자 효과와 입체 효과를 합치기 .
단일 개념에서 전자 및 입체 효과를 어떻게 결합합니까?
이제 우리는 전자 효과와 입체 효과가 모두 무엇인지 완벽하게 알았으므로 두 효과가 동시에 역할을하는 상황을 이해하는 것은 상당히 간단 할 것입니다!
그러나 분자의 반응성은 동시에 두 효과에 의해 제어 될 수 있습니다.
이제 이것은 원하는만큼 복잡하거나 복잡해질 수 있지만 EAS ( Electrophilic 방향족 치환) 와 같은 매우 간단한 반응 을 예로 사용할 수 있습니다.
Electrophilic Aromatic Substitutions 소개
우리는이 고전적인 반응을 처음부터 검토하지 않을 것입니다.이 기사의 목적에 비해 너무 길 것입니다. 다른 사이트에는 이러한 변환 에 대한 많은 자료가 있습니다.
그러나 우리는 분명히 기본 사항을 검토 할 것입니다. EAS의 가장 전형적인 예는 HNO 3 및 H 2 SO 4 처리에 의한 방향족 화합물의 질화입니다 .
벤젠 고리는 현장에서 생성 된 친 전자 체인 NO 2 + 양이온을 공격하는 친핵체 역할을 합니다.
반응은 양전하를 띤 Wheland 중간체를 거쳐 양성자 (H + )의 추상화에 의해 재 배열됩니다 . 이것은 질화 방향족 고리를 제공합니다.
친 전자 성 방향족 치환
EAS (Electrophilic Aromatic Substitutions)의 기본 메커니즘. Wikipedia 를 통해 V8rik에 대한 크레딧 .
흥미로운 부분은 일반 벤젠 대신 대체 벤젠을 출발 물질로 사용할 때입니다.
EAS의 전자 효과 : 기본 유기 화학 개념
방향족 고리의 치환기는 친 전자 성 방향족 치환에 대한 반응성을 정의합니다.
앞서 언급했듯이 방향족 고리는 친핵체 역할을합니다. 따라서 전자를 고리에 제공하는 치환기가 있으면 훨씬 더 반응성이 있습니다. 이것은 비 국소화 된 방향족 결합의 전자 밀도를 증가시켜 더 나은 친핵체를 만듭니다.
친 전자 성 방향족 치환의 전자 효과
그림에서 볼 수 있듯이 전자 기부 그룹 (예 : Me, MeO 또는 NMe 2 )을 링에 넣으면 활성화됩니다 . 고리는 더 큰 전자 밀도를 가지며 더 친 핵성 (실제로는 더 반응성이 높음)입니다.
반면에 전자를 끌어 당기는 그룹 (예 : CF 3 , CO 2 R 또는 NO 2 )을 추가하면 그 효과는 반대가됩니다. 고리는 전자가 더 나빠져 비활성화 됩니다.
기본 유기 화학에 입체 효과 추가
치환기의 특성은 반응의 위치 선택 성과 같은 더 많은 요인에 영향을 미칩니다 (이 위치에서 친 전자 성 치환이 발생 함). 이 사이트 에는 그것에 대한 많은 정보가 있습니다.
그러나이 게시물의 목적을 위해, 메틸과 같은 알킬기는 EAS를 고리 의 오르토 및 파라 위치 로 향하게하는 활성화 기 ( 유도 를 통해 )라는 점에 주목할 가치 가 있습니다 .
당신은 아마 이것이 어디로 가는지 짐작할 것입니다.
글쎄요, 톨루엔 (메틸 벤젠)을 복용하면 예상대로 오르토 와 파라 치환 된 제품 의 거의 50:50 혼합물 을 네이 키드 벤젠보다 약 20 배 빠른 속도 로 얻 습니다.
반면에 tert- 부틸 벤젠 을 복용 하면 훨씬 더 높은 선택성을 얻을 수 있습니다. 전자적으로 Me와 tBu 그룹은 거의 동일하지만 t Bu는 훨씬 더 큰 치환기입니다. 입체 효과가 등장합니다!
더 큰 알킬 그룹의 경우 비율은 거의 통계적 (1 : 1) 분포 인 오르토 / 파라 가 아닙니다 . 선호, 8 비율 대신 75을 얻을 파라는 하나를 대체.
왜? 때문에 을 t- 부틸 기 (두 전자적 선호 위치 사이의 선택이 주어진 의한 입체 효과, 즉 부피가 그렇다 오르토 및 파라 )의 친전 자체 (이하 반발력)로부터 멀리 상기 인 하나를 통해 링에 접근 할 큰 그룹 ( 파라 위치).
입체 효과와 전자 효과의 조합
반응 선택성에서 입체 효과와 전자 효과의 조합
이것은 전자 효과와 입체 효과를 결합한 좋은 예입니다 . 보시다시피 "가장 중요한 기본 유기 화학 개념은 무엇입니까"라는 원래 질문에 대한 답은 분명합니다. 실제로는 하나의 개념이 아니라이 둘의 조합입니다.
이러한 유기 화학 정의와 예를 즐기 셨기를 바랍니다. 열역학과 동역학에 따라 화학 물질이 반응 하는 이유에 대한 자습서를 확인하십시오 .
이제 참여할 시간입니다!
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