제거 반응

E1 반응은 단분자 제거 반응으로, 반응 속도가 기질 하나의 농도에만 의존하는 1차 반응 속도론을 보인다. 이 반응은 두 단계를 거쳐 진행된다. 첫 번째 단계는 기질의 이탈기가 이온화되어 카보카티온 중간체를 형성하는 느린 단계이다. 이 단계가 속도 결정 단계가 된다. 두 번째 단계는 염기가 카보카티온의 β-탄소에 결합된 수소 원자를 제거하여 알켄을 생성하는 빠른 단계이다.

반응은 일반적으로 3차 할로젠화 알킬이나 3차 알코올과 같은 3차 기질에서 잘 일어난다. 이는 생성된 3차 카보카티온이 1차나 2차 카보카티온보다 안정하기 때문이다. 반응은 약한 염기와 친핵성이 낮은 용매, 예를 들어 물이나 알코올 용매에서 주로 일어난다. 이러한 조건은 S_N1 반응과 경쟁하게 만든다.

E1 반응의 입체화학적 결과는 명확하지 않다. 반응 중간체인 카보카티온은 평면 구조를 가지므로, 염기가 β-수소를 공격할 때 방향 선택성이 제한적이다. 이로 인해 여러 가능한 알켄 이성질체들의 혼합물이 생성되는 경우가 많다. 그러나 일반적으로 더 안정한, 즉 더 많이 치환된 알켄이 주 생성물이 되는 경향을 보인다.

E1 반응의 특징을 요약하면 다음과 같다.

E2 반응은 제거 반응의 한 종류로, 염기가 기질의 β-탄소에 결합된 수소 원자를 제거하는 단일 단계 과정을 통해 이루어진다. 이 반응은 탄소-할로젠 결합의 이탈과 탄소-수소 결합의 절단, 그리고 이중 결합의 형성이 하나의 협동적 단계에서 동시에 일어난다. 따라서 반응 속도는 기질과 염기 양자의 농도에 의존하여 2차 반응 속도론을 보인다[3][염기]]. E2 반응은 일반적으로 강한 염기와 2차 또는 3차 할로젠화 알킬이 존재할 때 선호되는 경로이다.

반응 메커니즘에서 염기는 β-수소를 공격하여 제거하고, 이 과정에서 전자쌍이 β-탄소와 α-탄소 사이에 새로운 π 결합을 형성한다. 동시에 α-탄소에 결합된 이탈기(주로 할로젠이나 술폰산 에스터 등)는 전자를 가지고 떨어져 나가게 된다. 이 모든 과정은 하나의 과도 상태를 거치며, 반응의 활성화 에너지는 주로 이 과도 상태의 안정성에 의해 결정된다. 반응은 대부분 안티 제거[4] 입체화학을 따르며, 이는 제거되는 수소 원자와 이탈기가 서로 반대쪽에 위치할 때 가장 유리한 공간적 배열 때문이다.

E2 반응의 결과물과 선택성은 여러 요인에 영향을 받는다. 주요 요인은 다음과 같다.

이 반응은 E1 반응과 달리 중간체 카르보카티온을 형성하지 않으므로, 재배열이 일어나지 않는다는 특징이 있다. 또한, 반응 조건(특히 염기의 부피)에 따라 생성되는 알켄의 이성질체 비율이 달라져 자이체프 제거 또는 호프만 제거가 우세할 수 있다.

E1cB 반응은 제거 반응의 한 유형으로, '제거 단분자 공역 염기(Elimination Unimolecular Conjugate Base)'의 약자이다. 이 반응은 E1 반응과 E2 반응의 중간적인 성격을 가지며, 반응 중간체로 카바니온이 형성된다는 특징이 있다.

반응은 두 단계로 진행된다. 첫 번째 단계는 염기가 기질의 산성 수소를 제거하여 카바니온 중간체를 생성하는 것이다. 이 단계가 속도 결정 단계이다. 생성된 카바니온은 불안정하지만, 인접한 인출기에 의해 공명 또는 유도 효과로 안정화될 수 있다. 두 번째 단계는 이 카바니온에서 이탈기가 빠져나가면서 이중 결합이 형성되는 것이다. 반응 속도는 기질의 농도에만 의존하고 염기의 농도에는 무관하므로, 반응 차수는 1차 반응의 특성을 보인다.

E1cB 반응이 일어나기 위해서는 특정한 구조적 조건이 필요하다. 기질은 이탈기가 붙은 탄소 옆에 비교적 강한 산성을 띠는 수소 원자와, 그 수소가 떨어져 나간 후 생성된 카바니온을 안정화시킬 수 있는 강한 인출기가 존재해야 한다. 대표적인 예로 카르보닐기, 니트로기, 시아노기 등이 인접한 β-할로젠화 케톤이나 β-할로젠화 니트릴의 반응이 여기에 해당한다[5]. 반응 조건은 비교적 약한 염기와 양성자성 용매를 사용하는 것이 유리하다.

이 반응은 유기 합성에서 특정 구조의 알켄을 선택적으로 만들거나, 카바니온 중간체를 통한 다른 반응으로 유도하는 데 활용된다.

기질의 구조는 제거 반응의 속도와 생성되는 알켄의 종류에 결정적인 영향을 미친다. 일반적으로, 제거 반응의 속도는 기질이 3차 > 2차 > 1차 알킬 할라이드 순으로 증가한다. 이는 반응 중에 형성되는 카르보카티온 중간체의 안정성 차이와 관련이 있다. 3차 카르보카티온은 과전자 효과와 초공액 효과로 인해 가장 안정하기 때문에, E1 반응 메커니즘에서 반응이 가장 빠르게 진행된다.

E2 반응에서도 유사한 경향이 관찰되는데, 이는 부분적인 카르보카티온 성질을 띠는 전이 상태의 안정성 때문이다. 또한, 기질에 페닐기나 비닐기와 같은 공명 효과를 일으키는 치환기가 있으면, 생성된 알켄이 공명 구조로 안정화되어 반응이 촉진된다.

기질의 구조는 생성물의 분포에도 영향을 준다. 예를 들어, 비대칭 기질에서 수소가 제거될 수 있는 위치가 여러 개일 경우, 더 많은 치환기를 가진 이중결합이 형성되는 방향으로 반응이 진행되는 경향이 있다. 이를 자이체프 규칙이라고 한다. 그러나 매우 큰 염기를 사용하거나 특정 고리형 화합물의 경우, 덜 치환된 알켄이 주생성물이 되는 호프만 제거가 우세할 수 있다.

또한, 기질에서 떠나는 그룹과 β-수소의 상대적 위치, 즉 입체화학적 배치는 반응의 난이도와 선택성을 결정한다. 대부분의 E2 반응은 떠나는 그룹과 제거되는 수소 원자가 서로 반대 평면에 위치한 반평면 배치를 요구한다.

염기의 세기는 제거 반응의 속도와 생성물의 분포에 결정적인 영향을 미친다. 강한 염기는 일반적으로 반응을 빠르게 진행시키며, 특히 E2 반응 메커니즘에서 필수적이다. 반면, E1 반응은 약한 염기나 중성 조건에서도 일어날 수 있다.

염기의 성질, 특히 입체 크기도 중요한 역할을 한다. 입체 장애가 큰 염기(예: t-부톡시 음이온, 트리에틸아민)는 기질의 β-수소에 접근하기 어려워, 덜 치환된 β-수소를 공격하여 호프만 생성물을 선호하는 경향이 있다. 이는 자이체프 생성물이 더 안정함에도 불구하고 발생하는 현상이다.

염기의 공여 용매와의 상호작용도 고려해야 한다. 양성자성 용매(예: 물, 알코올)는 음이온 염기를 강하게 용매화시켜 그 반응성을 떨어뜨린다. 따라서 E2 반응을 촉진하려면 양성자성 용매보다는 비양성자성 극성 용매(예: 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드)를 사용하는 것이 유리하다.

용매는 제거 반응의 속도와 생성물 분포에 큰 영향을 미친다. 극성 양성자성 용매는 반응 중간체나 전이 상태를 안정화시켜 반응 속도를 증가시키는 경향이 있다.

E1 반응은 탄양이온 중간체를 형성하는 단일 분자 반응으로, 극성 용매가 이 중간체를 안정화시켜 반응을 촉진한다. 반면, E2 반응은 염기와 기질이 협동적으로 작용하는 이중 분자 반응으로, 용매 효과가 더 복잡하다. 강한 극성 용매는 염기를 용매화시켜 그 반응성을 감소시킬 수 있으나, 동시에 전이 상태의 음전하 분산을 안정화시켜 속도를 높일 수도 있다. E1cB 반응 메커니즘에서는 카바니온 중간체가 형성되므로, 이를 안정화시킬 수 있는 양성자성 용매가 불리한 경우가 많다.

또한, 용매는 치환 반응과의 경쟁에도 영향을 준다. 극성 용매는 일반적으로 이온성 중간체나 전이 상태를 선호하는 E1 반응이나 SN1 반응을 촉진하는 반면, 비극성 용매는 E2 반응이나 SN2 반응에 더 유리할 수 있다.

온도는 제거 반응의 속도와 생성물 분포에 중요한 영향을 미치는 인자이다. 일반적으로 반응 온도가 증가하면 반응 속도가 빨라진다. 이는 높은 온도가 반응물 분자에 더 많은 활성화 에너지를 제공하여 활성화 복합체를 형성하기 쉽게 만들기 때문이다.

온도는 또한 치환 반응과의 경쟁 관계를 조절한다. 제거 반응은 일반적으로 치환 반응보다 더 높은 활성화 에너지를 필요로 한다. 따라서 온도를 상승시키면 제거 반응의 속도 증가가 치환 반응의 속도 증가보다 더 두드러지게 나타나는 경향이 있다. 결과적으로 고온 조건은 치환 반응에 비해 제거 반응을 더 선호하게 만든다.

특정 반응 메커니즘에도 온도는 영향을 준다. 예를 들어, 1단계 메커니즘인 E1 반응은 2단계 메커니즘인 E2 반응보다 일반적으로 더 높은 온도를 요구한다. 또한, 자이체프 제거와 호프만 제거의 생성물 비율도 온도 변화에 따라 달라질 수 있다. 호프만 생성물은 열역학적으로 불안정한 알켄인 경우가 많지만, 높은 온도에서는 생성 속도가 더 빨라져 그 비율이 증가하기도 한다.

실험실에서는 원하는 반응 경로를 유도하거나 반응 속도를 조절하기 위해 온도를 정밀하게 통제한다. 예를 들어, 탈수 반응은 농축 황산을 촉매로 사용하며, 고온 가열을 통해 알코올에서 물 분자가 제거되어 알켄을 생성한다.

할로젠화 알킬의 탈할로젠화수소는 지방족 제거 반응의 가장 대표적인 예시 중 하나이다. 이 반응은 할로젠화 알킬이 강한 염기와 반응하여 할로젠화 수소를 잃고 알켄을 생성하는 과정이다. 일반적인 반응식은 R-CH2-CH2-X + B⁻ → R-CH=CH2 + HX + B-H 로 나타낼 수 있으며, 여기서 X는 할로겐 원자(주로 Cl, Br, I)를, B⁻는 사용된 염기를 의미한다.

반응은 주로 E2 반응 메커니즘을 통해 일어난다. 강한 염기가 β-위치의 수소 원자를 공격하는 동시에 할로겐 이탈기가 떨어져 나가면서 이중 결합이 형성된다. 이 과정은 단일 단계로 진행되는 협동 과정이다. 반응 속도는 기질과 염기 농도에 모두 의존하며, 2차 속도 법칙을 따른다. 3차 할로젠화 알킬의 경우, E1 반응 메커니즘으로 진행될 가능성도 높아진다.

반응의 효율성과 생성물의 분포는 여러 요인에 의해 결정된다. 기질의 구조는 중요한데, β-수소가 많은 기질일수록, 그리고 생성될 수 있는 알켄이 더 많이 치환된(더 안정한) 알켄일수록 반응이 유리하다. 이는 자이체프 규칙으로 설명된다. 사용되는 염기의 세기와 부피 또한 영향을 미치며, 큰 부피의 염기는 덜 치환된 알켄을 선호하는 호프만 제거를 유도할 수 있다. 일반적으로 사용되는 염기로는 칼륨 tert-부톡사이드, 에톡사이드 이온, 아미드 이온 등이 있다.

이 반응은 실험실에서 특정 구조의 알켄을 합성하는 핵심 방법으로 널리 사용된다. 특히, 2차 및 3차 할로젠화 알킬로부터 알켄을 얻는 데 매우 효과적이다. 반응의 부산물인 할로젠화 수소는 염기에 의해 중화되어 염을 형성한다.

알코올의 탈수는 알코올 분자에서 물 분자가 제거되어 알켄을 생성하는 제거 반응이다. 이 반응은 일반적으로 강산 촉매 하에 진행되며, 황산(H₂SO₄)이나 인산(H₃PO₄)이 흔히 사용된다. 반응은 주로 E1 반응 메커니즘을 따르며, 먼저 알코올의 산소 원자가 양성자를 받아 옥소늄 이온을 형성한 후, 물 분자가 이탈해 카르보카티온 중간체를 생성한다. 이후 인접한 탄소에서 수소가 제거되며 알켄 이중결합이 완성된다.

반응의 주 생성물은 자이체프 제거 규칙에 따라 보다 많이 치환된, 즉 더 안정한 알켄이 우선적으로 생성된다. 예를 들어, 2-부탄올의 탈수 반응에서는 2-부텐(주 생성물)이 1-부텐보다 더 많이 생성된다. 1차 알코올의 경우, 생성된 1차 카르카티온이 불안정하여 재배열이 일어나거나, E2 유사 경로를 통해 반응이 진행될 수 있다.

반응 조건은 생성물 분포에 큰 영향을 미친다. 고온은 제거 반응을, 저온은 치환 반응(예: 에테르 생성)을 유리하게 한다. 또한, 카르보카티온 중간체 단계에서 수소 이동이나 알킬 이동과 같은 재배열이 발생할 수 있어, 예상치 못한 알켄 구조가 생성되기도 한다. 이 반응은 실험실에서 간단한 알켄을 합성하거나, 생물체 내 탈수효소에 의한 대사 과정에서도 중요한 역할을 한다.

제거 반응의 입체화학에서, 시스 제거와 트랜스 제거는 제거되는 두 개의 원자 또는 작용기가 분자 내에서 차지하는 상대적인 공간적 배열에 따라 구분되는 두 가지 경로이다. 이 구분은 특히 고리형 화합물이나 이중 결합 형성에 제한이 있는 기질에서 생성되는 알켄의 입체화학을 예측하는 데 중요하다.

시스 제거는 제거되는 두 개의 원자(예: 수소와 할로젠)가 분자의 동일한 면에 위치할 때 발생한다. 즉, 두 작용기가 서로 인접한 위치(시스 배치)에 있다. 반면, 트랜스 제거는 두 원자가 분자의 반대편 면에 위치할 때 일어난다. 이는 두 작용기가 서로 반대 위치(트랜스 배치)에 있는 경우에 해당한다. 대부분의 E2 반응은 두 개의 제거 기질이 반대 평면에 위치해야 하므로 트랜스 제거를 선호하는 경향이 있다. 이는 반응이 일어날 때 염기의 공격, C-H 결합의 끊어짐, C-X 결합의 끊어짐, 그리고 새로운 π 결합의 형성이 하나의 협동적 단계로 일어나기 때문이다.

그러나 이 일반적인 경향은 기질의 구조에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 강제된 고리 구조를 가진 일부 고리형 화합물에서는 시스 배치의 원자들만이 서로 반대 평면에 위치할 수 있는 기하학적 조건을 만족시킬 수 있다. 이 경우 트랜스 제거가 공간적으로 불가능하여 시스 제거가 유일한 경로가 된다. 또한, 매우 강력한 염기를 사용하거나 E1cB 반응 메커니즘을 따를 경우에는 시스 제거가 더 유리할 수 있다.

호프만 제거는 4급 암모늄염이나 3급 아민 산화물과 같은 특정 질소 화합물이 강한 염기와 반응하여 알켄을 생성하는 반응이다. 이 반응은 주로 호프만 규칙을 따르며, 덜 치환된 알켄(덜 안정한 알켄)이 주 생성물이 된다. 이는 반응 중간체에서 큰 치환기를 가진 탈리기(예: 3급 아민)가 입체 장애를 일으켜, 탈수소화가 덜 치환된 베타 탄소에서 더 쉽게 일어나기 때문이다.

반면, 자이체프 제거는 일반적인 할로젠화 알킬이나 술폰산 에스터 등의 화합물이 염기와 반응할 때 일어나는 제거 반응에서 관찰되는 경향이다. 자이체프 규칙에 따르면, 더 치환된(더 안정한) 알켄이 주 생성물로 생성된다. 이는 생성물의 안정성(예: 초기화 에너지가 낮음)이 반응 속도를 결정하는 주요 인자인 경우에 해당한다.

두 규칙의 차이는 주로 반응의 메커니즘과 생성물의 안정성에 대한 상대적 중요성에서 비롯된다. 다음 표는 두 제거 반응의 주요 특징을 비교한다.

실제 반응에서는 염기의 크기, 기질의 구조, 반응 조건에 따라 호프만 생성물과 자이체프 생성물의 비율이 달라질 수 있다. 예를 들어, 매우 큰 염기(예: tert-부톡시드 이온)를 사용하면 입체 장애로 인해 호프만 제거가 선호되는 경향이 강해진다.

알켄은 탄소-탄소 이중결합을 가진 불포화 탄화수소로, 다양한 유기 합성의 중요한 중간체 역할을 한다. 제거 반응은 알코올이나 할로젠화 알킬과 같은 기질에서 작은 분자(예: 물 또는 할로젠화 수소)를 제거하여 알켄을 생성하는 가장 기본적이고 널리 사용되는 합성 방법 중 하나이다.

특히, 탈수 반응과 탈할로젠화수소 반응이 알켄 합성에 자주 활용된다. 강산 존재 하에서 알코올을 가열하면 물 분자가 제거되어 알켄이 생성된다. 예를 들어, 사이클로헥산올의 탈수 반응은 사이클로헥센을 만드는 일반적인 실험실 방법이다. 한편, 할로젠화 알킬에 강염기를 처리하면 할로젠화 수소가 제거되어 알켄이 된다. 이때 사용되는 염기의 세기와 기질의 구조는 생성되는 알켄의 이성질체 분포에 큰 영향을 미친다.

생성되는 알켄의 종류는 자이체프 규칙이나 호프만 규칙에 의해 예측될 수 있다. 일반적으로 말단이 아닌 내부 이중결합을 가진, 더 치환된 알켄이 열역학적으로 안정하여 주생성물이 된다(자이체프 생성물). 그러나 부피가 큰 염기를 사용하면 말단 알켄(호프만 생성물)의 비율이 높아질 수 있다. 이러한 선택성을 조절함으로써 원하는 구조의 알켄을 합성할 수 있다.

제거 반응은 고리형 화합물을 합성하는 데 유용한 방법을 제공한다. 특히, 분자 내에서 적절한 거리에 떨어져 있는 두 개의 작용기 사이에서 제거가 일어나면 새로운 탄소-탄소 이중결합이 형성되면서 고리가 닫히게 된다. 이러한 반응은 주로 5원환 또는 6원환과 같은 안정한 고리 구조를 만드는 데 선호된다.

고리형 알켄을 형성하는 대표적인 예는 디할라이드의 이중 탈할로젠화수소 반응이다. 예를 들어, 1,2-디브로모사이클로헥산이 강한 염기와 반응하면 사이클로헥센이 생성된다. 이는 분자 내에서 두 개의 브로민 원자가 제거되면서 고리 내에 이중결합이 생기는 과정이다. 유사하게, 디할로젠화 알킬이 적절한 거리(보통 3-4개의 탄소가 사이에 위치)에 위치하면 고리화된 알켄을 생성할 수 있다.

고리화 탈수 반응도 중요한 합성 경로이다. 디올(다가 알코올)이 산 촉매 하에 탈수 반응을 겪으면 고리형 에테르인 에폭사이드가 형성될 수 있다. 더 큰 고리를 만들기 위해서는 디카르복실산의 탈수 축합을 통한 무수물 형성 반응이 있다. 예를 들어, 아디프산(헥산다이오익산)을 가열하면 5원환을 포함하는 아디프산 무수물이 생성된다[12]. 이러한 분자 내 제거 반응은 고리의 크기와 반응 조건을 정밀하게 조절함으로써 다양한 헤테로고리 화합물 및 카르보고리 화합물의 합성에 광범위하게 응용된다.

제거 반응은 종종 친핵성 치환 반응과 경쟁 관계에 있다. 특히, 2차 또는 3차 할로젠화 알킬이 강한 염기와 반응할 때, SN2 반응과 E2 반응이 동시에 일어날 가능성이 높다. 반응의 최종 생성물 분포는 알켄과 치환된 생성물의 비율로 결정된다.

주요 경쟁 요인은 다음과 같다.

SN1 반응과 E1 반응의 경쟁은 일반적으로 이온성 메커니즘을 공유한다. 두 반응 모두 먼저 탄소 양이온 중간체를 형성한 후 진행된다. 이 경우, 생성물의 비율은 주로 탄소 양이온의 구조와 반응 조건에 의해 통제된다. 3차 탄소 양이온은 주변 수소 원자를 잃어 알켄을 형성하기 쉬워 E1 반응이 우세해지는 경향이 있다.

따라서, 원하는 반응 경로를 선택하기 위해서는 기질의 구조를 신중하게 선택하고, 적절한 염기(또는 친핵체)와 반응 조건을 설계하는 것이 중요하다. 예를 들어, 알켄을 합성하고자 할 때는 부피가 큰 강염기를 사용하여 E2 반응을 유도하는 반면, 알코올 등의 치환 생성물을 원할 때는 친핵성이 강한 약염기를 사용하는 전략을 취한다.

첨가 반응은 제거 반응의 정반대 과정으로, 하나의 분자가 두 개 이상의 분자로 분해되는 제거 반응과 달리, 두 개 이상의 분자가 결합하여 하나의 새로운 분자를 형성하는 반응이다. 특히 알켄이나 알카인과 같은 불포화 탄화수소에서 흔히 관찰되며, 다중 결합(이중 결합 또는 삼중 결합)이 끊어지고 새로운 원자나 원자단이 결합하는 과정을 포함한다.

주요 첨가 반응의 유형과 그 예시는 다음과 같다.

제거 반응과 첨가 반응은 서로 역과정 관계에 있는 경우가 많다. 예를 들어, 알코올의 탈수 반응(제거)으로 알켄을 생성하고, 생성된 알켄에 물을 첨가하면(수화) 다시 알코올로 돌아갈 수 있다. 이 두 반응은 반응 조건(온도, 촉매, 용매, 시약의 성질)에 따라 서로 경쟁하며, 일반적으로 첨가 반응은 염기성 조건보다는 산성 조건이나 금속 촉매 존재 하에서 더욱 촉진된다.