탈수 반응

어떤 반응의 반응물에서 물 분자을 잃어버리는 반응을 탈수 반응(dehydration reaction)이라 한다. 알코올, 카복실산이나 아마이드가 탈수 반응을 일으킬 수 있는 대표적 반응물들이다. 또한 두 반응물 사이에서 물이 제거되어 축합 반응 생성물을 생성하는 탈수 반응도 있다. ¹⁾, ²⁾, ³⁾, ⁴⁾, ⁵⁾

목차

알코올에서 물을 제거하여 π–결합을 형성하여 알켄을 생성할 수 있다. 알코올에서 물의 제거 반응은 α와 β탄소에서 각각 OH와 H가 제거되는 β-제거 반응이다.

알코올의 탈수 반응은 β-제거 반응이다. (출처: 대한화학회)

알코올의 탈수 반응은 일반적으로 황산(H₂SO₄, sulfuric acid)이나 다른 강산이 존재 하에 이루어진다. 또한, 아민 염기 존재 하에서 옥시염화 인(POCl₃, phosphorus oxychloride)을 이용하여 탈수 반응을 진행시킬 수도 있다.

전형적으로 탈수제로 많이 사용되는 산은 황산과 p-톨루엔설폰산(p-sufonic acid, TsOH)이다. 알코올의 종류에 따라 탈수 반응 속도가 다르다. 반응 속도는 1차 알코올 < 2차 알코올 < 3차 알코올 순서로 치환기가 많은 알코올이 쉽게 탈수된다.

알코올에 둘 또는 세 개의 다른 β-수소가 있으면 탈수 반응은 위치 선택적으로 일어난다. 생성물의 분포는 자이체프 규칙(Zaitsev rule)에 따른다. 즉, 서로 다른 구조 이성질체가 가능한 경우 치환기가 더 많이 있는 알켄이 주생성물이 된다. 더 안정한 삼중 치환 알켄이 이중 치환 알켄보다 더 많이 생성된다.

알코올의 탈수 반응의 자리 선택성: 자이체프 규칙을 따른다. (출처: 대한화학회)

알코올의 구조에 따라서 탈수 반응 메커니즘이 다르다. 2차 알코올이나 3차 알코올은 황산과 같은 센 산이 존재하면 E1 메커니즘으로 물이 제거된다. 알코올의 산소 원자에 산으로부터 양성자가 전달되어 옥소늄 이온이 생성된다. 이 양성자 첨가 반응으로 나쁜 이탈기가 좋은 이탈기로 변환된 것이다. 중성 물 분자가 떨어져 나가면서 탄소양이온 중간체가 생성되는데, 이 단계가 속도 결정 단계이다. 염기(이 반응에서는 H₂O나 HSO₄^-)가 양이온 옆 탄소에서 양성자를 제거하여 π-결합이 형성되면서 알켄이 생성물로 생성된다.

이와 같은 알코올의 탈수 반응은 일반적인 E1 반응과 다르게 S_N1 반응 생성물을 생성하지 않는다. 반응 중간물인 탄소양이온과 반응할 수 있는 좋은 친핵체가 없기 때문에 제거 반응만 일어나게 된다.

1차 알코올의 탈수 반응은 E2 반응 메커니즘으로 진행한다. 반응의 시작은 2차 알코올이나 3차 알코올처럼 산 촉매가 알코올의 산소를 양성자화시켜 옥소늄 이온을 생성한다. 이 중간 물질에서 물이 떨어지면 1차 탄소 매우 불안정한 양이온이 생성되기 때문에 1차 알코올의 탈수 반응은 E1 메커니즘으로 일어날 수 없다. 염기(H₂O나 HSO₄^-)가 β-탄소에서 양성자를 제거하면서 동시에 물이 떨어져 나가는 E2 메커니즘으로 π-결합이 형성되어 알켄이 생성물이 된다.

알코올의 탈수 반응에서 출발 물질과 탄소 골격이 다르거나 이중 결합의 위치가 α-탄소와 β-탄소 사이가 아닌 다른 위치에 나타나는 구조를 가진 알켄이 생성물로 생성되는 경우도 있다. 이런 현상은 탄소양이온이 반응 중간체로 작용하는 반응에서 흔히 나타난다. 탄소양이온의 수소 원자나 알킬기가 이동하여 더 안정한 새로운 탄소양이온을 형성하고 나서, 양성자를 잃어버리고 이중 결합을 형성하는 것이다.

수소 또는 알킬기가 이웃하는 탄소로 이동하면 1,2-이동이라 하며, 수소가 이동하면 1,2-수소화물(수소화음이온) 이동이라 하고, 알킬기가 이동하면 1,2-알킬 이동이라 한다.

강산이 존재하면 분해되는 유기화합물들도 있다. 이런 경우에는 황산과 같은 강산을 탈수 반응 촉매로 사용하지 못한다. 강산을 사용하지 않고 알코올에서 알켄을 합성하는 방법을 개발하였다.

가장 흔히 사용되는 방법으로 황산과 같은 강산 대신 피리딘과 같은 염기 존재하에서 옥시염화 인(POCl₃, phosphorus oxychloride)으로 처리하여 알켄을 생성하는 방법이 개발되었다. 알코올이 POCl₃를 공격하여 Cl^-를 제거한다. 결국, POCl₃는 알코올기와 반응하여 OH 작용기를 좋은 이탈기로 변화시킨다. 이 중간 물질에 피리딘(pyridine)이 염기로 작용하여 E2 메커니즘으로 알켄을 생성한다. 이 반응은 1차, 2차 , 3차 알코올에 적용할 수 있으며, 강산을 사용하여 가열하는 과정이 없다. 탄소양이온 자리옮김 반응으로 인한 생성물이 나타나지 않는다. ⁶⁾

POCl₃과 피리딘을 이용하는 알코올의 탈수 반응 메커니즘 (출처: 대한화학회)

버져스 탈수 반응(Burgess dehydration)은 버져스 시약을 이용하여 알코올을 온화한 조건에서 탈수시켜 알켄을 생성하는 매우 효과적인 반응이다. 낮은 온도와 중성 조건에서 반응이 이루어진다. 이 반응은 산에 민감한 기질을 출발물로 사용할 수 있는 매우 중요한 장점이 있다.⁷⁾

버져스 탈수 반응 (출처: 대한화학회)

츄가에프 제거 반응(Chugaev elimination)은 알코올을 잔테이트(xanthate)로 전환하고 열분해하여 알켄을 생성하는 반응이다. 이 반응은 중간물로 생성되는 잔테이트를 가열해야 하는 다소 불리한 단점이 있다.⁸⁾

츄가에프 알코올 제거 반응. ()

두 분자가 반응하며 물 분자를 제거하는 축합반응도 탈수 반응이된다. 예를 들면, 알돌 축합 반응, 두 카복실산이 반응하여 카복실산 무수물 생성 반응, 카복실산과 알코올의 에스터 생성 반응, 카복실산과 아민의 아마이드 생성 반응, 케톤과 알코올의 아세탈 생성 반응, 케톤과 아민이 반응하여 엔아민이나 이민 생성 등 여러 반응이 있다. 또한, 아마이드를 탈수하여 나이트릴 화합물을 생성하는 반응도 탈수 반응이다.

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2 R-COOH -> R-C(=O)-O-(O=)C-R + H2O }@@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ R-COOH + HO-R' -> R-C(=O)-O-R' + H2O }@@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2 R-CH2-CHO -> R-CH=C(-CHO)-R + H2O }@@NAMATH_DISPLAY@@

@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ R-COOH + H2N-R' -> R-C(=O)-NH-R' + H2O }@@NAMATH_DISPLAY@@

1. Organic Chemistry, sixth edition, Janice Gorzynski Smith, 2020, McGraw Hill.
2. Organic Chemistry, ninth edition, John E. McMurry, 2016, CENGAGE Learning.
3. Organic Chemistry second edition, Jonathan Clayden, Nick Greeves, and Stuart Warren, 2012, OXFORD UNIVERSITY PRESS.
4. Organic Chemistry, third edition, David R. Klein, 2018, WILEY.
5. March’s Advanced Organic Chemistry Reactions, Mechanisms, and Structure, fifth edition. Michael B. Smith, Jerry March, A Wiley-Interscience Publication John Wiley & sons, Inc., New York, 2001.
6.
7. Atkins, G. M.; Burgess, E. M. The reactions of an N-sulfonylamine inner salt. J. Am. Chem. Soc. 1968, 90 (17): 4744–4745.
8. L. Tschugaeff . Ueber das Thujen, ein neues bicyclisches Terpen. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1900, 33 (3): 3118–3126.