에터화 반응

산소를 중심으로 양쪽에 탄소를 포함하는 치환기를 가지는 에터를 합성하는 반응이며, 보통 알코올과 알킬 할로젠화물(alkyl halide)을 염기 조건에서 반응시켜 에터를 합성하는 윌리암슨(Williamson) 방법이 가장 많이 사용되나, 공업적으로는 알코올을 산 촉매 하에서 가열하는 방법도 경제적인 측면에서 많이 사용한다.

목차

1850년 윌리암슨(Alexander Williamson)에 의해 개발된 반응이며, 가장 유명한 에터 합성 방법이다. 염기 조건에서 알코올로부터 생성된 알콕사이드와 일차 알킬 할로젠화물이 S_N2 반응하여 에터가 생성되는 반응이다. 소듐 알콕사이드와 에틸 염화물이 반응하면 다이에틸 에터가 생성되며 부산물로 염화 소듐이 얻어진다. 대칭 또는 비대칭 에터를 합성할 수 있으며, 분자 내에 알코올과 할라이드가 이웃한 탄소에 존재할 경우(할로하이드린; halohydrin) 염기 하에서 삼각고리형 에터인 에폭사이드(epoxide)를 합성할 수 있다. 알콕사이드를 만들기 위한 알코올은 보통 일차, 이차, 삼차 알코올 모두 반응에 사용할 수 있다. 반면에, 알킬 할로젠화물은 일차인 경우가 에터 생성에 가장 적절하다. 이차, 삼차 알킬 할로젠화물로 갈수록 원하지 않는 부산물의 생성 가능성이 커지며, 가장 큰 이유는 알킬 할로젠화물의 탈할로젠화수소반응(dehydrohalogenation)으로부터 얻어지는 알켄의 생성 때문이다. 예를 들어, 삼차-뷰틸 브로마이드의 경우 제거 반응에 의해 아이소부텐이 생성된다. 일반적으로 양성자성(protic) 용매는 생성된 알콕사이드의 반응성을 떨어뜨리므로 보통 아세토나이트릴(acetonitrile)이나 다이메틸폼아마이드(dimethylformamide)와 같은 극성 비양성자성(polar aprotic) 용매를 많이 사용한다.

다양한 종류의 에터화 반응

알켄에 산 촉매 하에 알코올을 첨가하면 에터가 생성된다. 알켄에 양성자 첨가반응(protonation)이 일어날 때 수소가 많은 쪽으로 들어가고 에너지 측면에서 안정한 더 많이 치환된 탄소 양이온이 형성된다. 생성된 탄소 양이온이 알코올과 S_N1 반응하여 에터가 생성된다. 탄소 양이온의 안정도는 삼차>이차>일차 순이며, 만일 생성된 탄소 양이온의 바로 이웃한 탄소가 더 많이 치환되어 있을 때에는 탄소 양이온 자리옮김 반응(rearrangement)에 의해 더 많이 치환된 탄소 양이온으로 바뀌게 되는 현상을 볼 수 있다.

알켄과 알코올이 수은 아세테이트 하에서 반응을 하여 에터를 생성하는 반응이다. 알켄에 먼저 수은 아세테이트가 반응하여 삼각형 고리 형태의 수은양이온(mercurinium) 중간체를 형성한다. 이때 알코올이 삼각형 고리의 더 많이 치환된 탄소를 공격하여 고리를 열어주고, 이후 수소 음이온(hydride)을 첨가하여 수은 결합을 끊어 주어 에터를 합성한다.

2 당량의 알코올을 이용해 산 촉매 하에 가열하여 1 당량의 에터를 합성하는 반응이다. 알코올의 하이드록시 작용기에 황산과 같은 산 촉매의 양성자(proton)가 첨가되어 좋은 이탈기인 하이드로늄(hydronium)을 형성한다. 그 후 주위에 있는 알코올의 하이드록시 작용기의 산소가 하이드로늄에 이웃한 탄소를 공격하여 물이 빠지면서 에터를 생성한다. 단, 이 방법으로는 대칭인 에터만 합성할 수 있다. 공업적으로는 매우 중요하고 경제적인 반응이지만, 합성하고자 하는 에터의 종류에 따라 적절한 반응 온도를 선택하는 것이 부반응을 줄이는데 매우 중요하다. 또한, 일차 알코올의 경우 탄소 양이온이 생성되는 비율이 낮아 괜찮으나, 이차 또는 삼차 알코올의 경우 탄소 양이온이 많이 생성되어 부반응이 많이 일어나 에터 합성에 효과적이지 않다.

알코올과 케톤을 축합시킨 후 환원하여 에터를 합성하는 방법이다. 일반적으로 루테늄(ruthenium)이나 백금(platinum) 등 다양한 금속 촉매를 이용하며, 케톤 대신 알데하이드를 이용하는 방법도 있고, 보호기(protecting group)인 트라이메틸실릴(trimethylsilyl)로 치환된 알코올을 이용하기도 한다. 에스터를 인듐(III) 브로마이드(InBr₃) 촉매와 트라이에틸실레인(Et₃SiH)을 이용하여 환원시켜 에터를 만드는 방법도 고안되었다.

알코올 작용기가 일반적인 알코올에 비해 산성인 페놀과 알코올이 트라이페닐포스핀(triphenylphosphine)과 다이에틸 아조다이카복실레이트(diethyl azodicarboxylate; DEAD) 하에 반응하여 페닐 알킬 에터가 합성된다. 이때 생성된 에터의 산소는 페놀의 산소로부터 유래되고, 부산물인 트라이페닐포스핀 옥사이드(triphenylphosphine oxide)의 산소는 다른 알코올로부터 유래한다.

울만(Fritz Ullmann)이 개발한 반응이며, 구리를 이용하여 페놀과 아릴 할로젠화물이 반응하여 아릴 에터를 합성하는 방법이다. 보통 전자 끄는 기(electron withdrawing group)가 있는 페놀을 사용하며 100 °C 이상의 고온 반응 조건이 필요하다.

아릴 보론산(boronic acid)과 알코올이 반응하여 아릴 에터를 합성하는 반응이다. 보통 구리(copper(II)) 촉매와 염기 존재 하에 상온 조건에서 반응한다.

분자 내에 두 개의 알코올 작용기가 있는 화합물을 이용하여 다양한 크기의 고리형 에터를 합성하는 방법이 고안되었다. 트라이페닐포스핀, 이미다졸, 아이오딘을 이용하여 환류 교반한 후, 수소화 소듐(NaH)을 이용하여 상온에서 반응하면 고리형 에터를 합성할 수 있다.