제거 반응

제거 반응은 하나의 출발 물질이 두 개의 생성물로 분리되는 반응을 말한다. 흔히 물이나 HBr과 같은 작은 분자들이 제거되어 알켄이 생성물로 생성된다.

목차

유기 반응에는 첨가 반응, 제거 반응, 치환 반응, 그리고 자리옮김 반응 등의 네 가지 일반적인 형태가 있다. 제거 반응과 첨가 반응은 서로 역반응의 관계에 있다고 할 수 있다. 알코올이 산촉매 탈수 반응을 하여 알켄이 생성되는 반응이 제거 반응의 간단한 예이다.¹⁾

알코올의 산촉매 제거 반응 (출처: 대한화학회)

유기 화학에서 중요한 기본적인 제거 반응의 메커니즘은 세 가지이다. 즉, E1, E2, E1cB 메커니즘으로 진행된다.

이 반응들은 두 개의 이웃하는 탄소 원자들 사이에서 작은 분자들이 이탈되어 이중 결합이 형성되는 @@NAMATH_INLINE@@\beta@@NAMATH_INLINE@@-제거 반응이다. 그리고 하나의 탄소에서 두 원자나 원자단이 제거되는 @@NAMATH_INLINE@@\alpha@@NAMATH_INLINE@@-제거 반응도 있다.

제거 반응은 위치화학(regiochemistry)의 문제로 치환 반응보다 더 복잡하다. 비대칭적 구조의 할로젠화물에서 HX를 제거하면 사실상 대부분의 경우 알켄의 혼합물이 생성물로 생성된다. 하지만 어느 화합물이 주 생성물이 될 것인지는 예측 가능하다. 자이체프(Alexander Zaitsev)에 의해 1875년에 제시된 자이체프 규칙(Zaitsev’s rule)에 의하면 염기에 의한 제거 반응에서 일반적으로 보다 더 안정한 알켄 생성물, 즉, 이중 결합의 두 탄소에 알킬 치환기의 수가 더 많은 알켄이 주생성물이 된다.

할로젠화 알킬의 제거 반응에서 자이체프 규칙 (출처: 대한화학회)

또한, 알켄의 알킬 치환기 수가 적은 화합물이 주 생성물이 되는 호프만 규칙(Hofmann rule)도 있다.

하이드록시기나 할로젠기가 이탈되어 알켄이 생성되는 @@NAMATH_INLINE@@\beta@@NAMATH_INLINE@@-제거 반응의 메커니즘은 E1, E2, E1cB 메커니즘으로 나누어진다.

기질에서 이탈기가 먼저 떨어져 나가고, 그 결과 생성되는 탄소양이온이 중요한 중간 물질이 되어 진행되는 제거 반응이다. 탄소양이온 형성 단계가 속도 결정 단계이다. E1 반응은 S_N1 반응과 같은 중간체를 거치기 때문에 서로 경쟁 관계에 있다. 따라서, 가장 좋은 E1 반응 기질은 가장 좋은 S_N1 반응 기질이기 때문에 일반적으로 치환 반응 생성물과 제거 반응 생성물의 혼합물이 생성물로 생성된다. 삼차 할로젠화 알킬이 좋은 기질이다.

일반적으로 할로젠화 알킬을 하이드록시 혹은 알콕시화 이온과 같은 센 염기와 반응시킬 때 일어난다. 이 반응은 S_N2처럼 중간체 없이 한 단계로 일어난다. E2 메커니즘은 이탈기, 탄소, 수소 염기가 트랜스 안티준평면(trans antiperiplanar)을 이루는 전이 상태를 이루면서 진행된다. 거의 모든 할로젠화 알킬이 E2 메커니즘으로 반응할 수 있다.

염기가 먼저 수소를 떼어내어 음이온 중간체를 만들고, 이탈기가 뒤에 떨어져 나가는 두 단계 반응이다. 속도 결정 단계에서 염기가 양성자를 떼어내어 음이온을 만들고, 이 음이온이 이웃 탄소에 있는 이탈기를 밀어낸다. 음이온이 카보닐 작용기에 비편재될 수 있는 구조이어야 반응이 잘 일어난다.

E1 반응, E2 반응, E1cB 반응 비교. E1 반응에서는 C-X 결합이 먼저 끊어져 탄소 양이온 중간체를 형성하고, 이어서 염기에 의해 양성자가 제거되고 알켄이 생성된다. E2 반응에서는 C-H 결합과 C-X 결합이 동시에 끊어져 중간체 없이 한 단계로 알켄이 생성된다. E1cB반응에서는 C-H 결합이 먼저 끊어져 탄소 음이온 중간체를 형성하고, 이어서 X^-를 잃고 알켄이 생성된다. (출처: 대한화학회)

@@NAMATH_INLINE@@\beta@@NAMATH_INLINE@@-하이드록시 카보닐 화합물을 염기로 처리하면 물이 제거되어 @@NAMATH_INLINE@@\alpha@@NAMATH_INLINE@@,@@NAMATH_INLINE@@\beta@@NAMATH_INLINE@@-불포화 카보닐 화합물이 되는 반응이 E1cB 반응의 대표적인 예이다.²⁾

E1cB 반응의 예 (출처: 대한화학회)

클로로폼(chloroform, CHCl₃)이나 브로모폼(bromoform, CHBr₃)을 센 염기로 처리하면 다이할로카벤(dihalocarbene)이 생성된다. 이와 같이 이할로카벤이 생성될 때 같은 탄소에서 이탈기들이 떨어져 나가는 반응을 @@NAMATH_INLINE@@\alpha@@NAMATH_INLINE@@-제거 반응이라 한다.

이런 카벤은 이중 결합에 첨가되어 다이할로사이클로프로페인(dihalocyclopropane) 고리를 형성한다.

@@NAMATH_INLINE@@\alpha@@NAMATH_INLINE@@-제거 반응의 예 (출처: 대한화학회)

유기 합성에 응용되는 몇 개의 중요한 제거 반응은 다음과 같다.³⁾

아민을 과량의 아이오도화 메틸로 완전 메틸화시켜 사차 암모늄염을 만든 다음, 염기인 은 산화물과 함께 가열하면 제거 반응이 일어나 알켄이 생성되는 반응이다. 덜 치환된 알켄이 주 생성물로 생성되는 호프만 규칙이 적용된다.

호프만 제거 반응 (출처: 대한화학회)

버제스 탈수 반응은 알콜올을 탈수시켜 알켄을 생성하는 매우 효과적인 반응이다. 낮은 온도와 중성 조건에서 반응이 이루어진다. 이 반응은 산에 민감한 기질을 출발물로 사용할 수 있는 장점도 있다.

버제스 탈수 반응 (출처: 대한화학회)

츄가에프 제거 반응은 알코올을 잔테이트(xanthate)로 전환한 후 열분해하여 알켄을 생성하는 반응이다.

코프 제거 반응은 삼차 아민을 과산화 수소(H₂O₂)나 mCPBA로 처리하여 아민 산화물(amine oxide)를 생성하고, 이 아민 산화물을 가열하여 알켄을 생성하는 반응이다. 일반적으로 호프만 제거 반응보다 낮은 온도에서 이루어진다. 호프만 제거 반응은 아민을 아이오도화 메틸과 반응시켜 완전 메틸화하고 가열하여 알켄을 생성하는 반응이다.

스원 산화 반응의 마지막 단계에서 카보닐이 생성될 때 수소가 제거되면서 알데하이드가 생성된다. 또한 전이 금속을 이용하는 반응에서 짝지음 반응 생성물이 생성되는 과정은 @@NAMATH_INLINE@@\beta@@NAMATH_INLINE@@음이온 제거(β-hydride eliminaion) 단계라한다.

1. Organic Chemistry ninth Edition, John E. McMurry, CENGAGE Learning. (맥머리의 유기화학 9판, 2017, 1월. 사이플러스)
2. Organic Chemistry second edition, Jonathan Clayden, Nick Greeves, and Stuart Warren, 2012, Oxford University Press
3. STRATEGIC APPLICATIONS of NAMED REACTIONS in ORGANIC SYNTHESIS, László Kürti, Barara Czakó, 2005, ELSEVIER ACADEMIC PRESS.