SN2 반응 매커니즘

 

 

 

Alkyl Halides 할로겐화 알킬의 반응은 크게 두 가지로 나뉜다.

1) 친핵성 치환 반응 Nucleophilic Substitution

2) 염기 유도 제거 Base-Induced Elimination

 

그 중 친핵성 치환 반응에 대해 정리해 보자!

 

할로겐화 알킬 속 C-X 결합은 극성이다. (C는 탄소, X는 할로겐 원소)

할로겐 원소는 안정 상태에서 전자가 딱 하나 모자란 아이들의 집합이기 때문에 C-X 결합에서는 늘 C가 상대적으로 electron poor 상태이다.        → C와 X의 전기음성도 차이가 있다? 극성 결합이다!

그러니 할로겐화 알킬은 친전자체 (electrophile) 이다.

 

할로겐화 알킬이 nucleophile(친핵체)/base 와 반응하면 아래 두 반응 중 하나가 일어난다.

1) 친핵체에 의한 X그룹의 치환

2) HX의 소실

 

아래는 치환과 소실 반응의 예시를 그림으로 나타낸 것이다.

 

 

 

SN2 반응의 매커니즘

1) Nucleophile(친핵체)이 lone-pair electron(홀전자)을 이용해 Alkyl Halide Carbon(할로겐화 알킬의 탄소)을 공격한다.

 

2) 공격받은 할로겐화 알킬은 Transition State, 이른바 전환기에 놓인다!

사진을 보면, C-OH 결합이 부분적으로 형성됨과 동시에 기존의 C-Br 결합은 부분적으로 분리되었음을 확인할 수 있다.

 

 

3) 탄소의 입체화학(Stereochemistry at carbon)이 뒤집힌다!

C-OH 결합이 완성되고 Br- 이온이 C-Br 결합으로부터 완전히 떨어져 나가며, 공격받은 방향대로 입체화학이 뒤바뀐다.

 

 

위 과정에서 보여지듯, SN2 반응은 친핵체 Nu:- 의 전자쌍이 할로겐 그룹 X:- 를 밀어낼 때 일어난다. 친핵체가 할로겐화 알킬에서 기존의 할로겐을 밀어내고 새 결합을 만드는 것이다. 친핵체가 할로겐화 알킬을 공격하는 과정에서, 안정성(분자 간 거리를 통해 표방되는)을 위해 탄소에 붙어 있던 분자들의 방향이 밀려나 뒤집힌 모양을 한다. 1) 그림과 3) 그림의 하이라이트된 부분을 보면 Inversion of the stereochemistry at carbon을 확인할 수 있다.

 

 

아래는 조금 더 일반화된 사례를 도식화한 것이다.

 

 

 

 

 

친핵체의 접근 난도를 결정짓는 것

즉 SN2 반응이 잘 일어나는지, 아닌지를 결정짓는 것은 무엇인지에 대해 알아보자.

1. 친핵체가 할로겐화 알킬로 접근하는 현상의 난이도를 결정하는 것은 할로겐이 붙어 있는 이 중심 탄소에 붙어 있는 다른 세 개의 substituents의 복잡성이다. 할로젠화 알킬의 중심 탄소에 붙어 있는 것이 치렁치렁할 수록 SN2 반응성은 낮아진다. 붙어 있는 것들이 단순할수록 반응성이 커진다는 의미이다. 붙어 있는 것들이 단순할수록 친핵체가 침투해 할로겐을 떨궈 내기 쉽다.

(그림: 교과서 표)

 

2. SN2 반응성에 영향을 미치는 또 다른 주요한 인자에는 친핵체의 성질이 있다. 중성이든 음전하를 띠든, 비공유 전자쌍만 있다면 친핵체가 될 수 있는 요건을 갖추고 있는 것이다. 즉, 루이스 염기이면 된다는 뜻이다. 친핵체가 음전하를 띠면 새 생성물에 붙은 친핵체는 중성이 될 것이다. 친핵체가 중성이면 새 생성물에 붙은 친핵체는 양전하를 띨 것이다.

 

3. 그리고 박힌 돌이었다가 떨어져 나가는 X:- (leaving group이라고 한다) 의 성질 역시 반응성에 영향을 미친다.

가장 적합한 leaving group은 전환기에서의 음의 전하를 가장 잘 안정화시키는 것들이다.