이탈기

3. 이탈기 활성화

전이상태 이론에 따르면, 좋은 이탈기를 포함하는 반응은 낮은 활성화 장벽을 가지며 상대적으로 안정한 전이상태를 형성한다. 이탈기 능력은 음이온 이탈기를 갖는 S_N1/E1 반응의 첫 단계(이온화)에서 고려할 때, 음전하를 안정화할 수 있는 능력, 즉 안정한 음이온을 형성하는 능력과 관련이 있다. 음이온 안정성의 척도는 공액산의 p''K''_a (p''K''_aH)이며, 낮은 p''K''_aH는 더 나은 이탈기 능력과 연관된다.

p''K''_aH와 이탈기 능력 사이의 상관관계는 완벽하지 않다. 이탈기 능력은 출발 물질과 전이상태 사이의 에너지 차이(Δ''G''^‡)를 나타내지만, p''K''_aH는 출발 물질과 생성물 사이의 에너지 차이(Δ''G°'')를 나타낸다. 해먼드 원리와 벨-에반스-폴라니 원리에 의해 이러한 에너지 차이를 연관시킬 수 있다. 또한, 산 해리 상수의 경우 "이탈기"는 출발 물질에서 양성자에 결합되어 있는 반면, 이탈기 능력의 경우 이탈기는 탄소에 결합되어 있다. 그럼에도 불구하고, 일반적으로 산 해리 상수를 검토하여 이탈기의 변화와 관련된 속도 또는 반응성 경향을 질적으로 예측하거나 합리화할 수 있다. 강염기인 , 및 와 같은 강염기는 음전하를 안정화할 수 없기 때문에 좋지 않은 이탈기가 되는 경향이 있다.

E1 반응 및 S_N1 반응에서 좋지 않은 이탈기가 양성자화 또는 루이스 산과의 착화 반응을 통해 좋은 이탈기로 변환되는 것은 흔하다. 예를 들어, 분자는 수산화물과 같이 좋지 않은 이탈기를 이탈 전에 양성자화를 통해 형식적으로 잃을 수 있다.

프리델-크래프츠 반응에서도 동일한 원리가 적용된다. 프리델-크래프츠 알킬화 반응에서 알킬 할라이드로부터 탄소 양이온을 생성하거나 아실 할라이드로부터 아실륨 이온을 생성하기 위해 강한 루이스 산이 필요하다.^[6]

4. 짝염기 제거 반응에서의 이탈기

짝염기 제거 반응(E1cB)에서는 이탈기의 능력이 덜 중요하다. 강한 염기 조건에서는 아마이드(R₂N⁻)와 같이 좋지 않은 이탈기도 제거될 수 있다. C=O 이중 결합 형성은 좋지 않은 이탈기의 제거를 촉진한다.

공액 염기 제거 반응에는 에놀레이트의 β 위치에서 이탈기의 손실과 친핵성 아실 치환 반응에서 사면체 중간체로부터 카르보닐기의 재생성이 포함된다. 강제적인 조건에서는 심지어 아마이드도 염기성 가수 분해를 겪을 수 있으며, 이 과정에는 매우 좋지 않은 이탈기인 R₂N⁻의 방출이 포함된다.

C=O 이중 결합 형성과 관련하여, 매우 강한 C=O 이중 결합의 형성은 그렇지 않으면 불리한 반응을 앞으로 진행시킬 수 있다. 좋은 이탈기에 대한 요구 사항은 E1cB 메커니즘을 통한 C=C 결합 형성의 경우에도 여전히 완화되지만, C=C 이중 결합의 상대적인 약점 때문에 반응은 여전히 일부 이탈기 민감성을 나타낸다.

5. "수퍼" 및 "하이퍼" 이탈기

일반적인 이탈기보다 훨씬 더 좋은 이탈기를 "수퍼" 이탈기 및 "하이퍼" 이탈기라고 부른다. 반응성 측면에서 수퍼 이탈기보다 더 강력한 것이 하이퍼 이탈기이다.

전형적인 "수퍼" 이탈기는 트리플레이트이며, 이 용어는 유사한 능력을 가진 모든 이탈기를 의미하게 되었다. 혼합 아실-트리플루오로메탄설포닐 무수물은 촉매 없이도 프라이델-크래프츠 아실화 반응을 원활하게 거치지만,^[8] 이에 상응하는 아실 할로겐화물은 강한 루이스 산이 필요하다. 그러나 메틸 트리플레이트는 전자적으로 중성인 방향족 고리와의 프라이델-크래프츠 알킬화 반응에는 참여하지 않는다.

하이퍼 이탈기의 두드러지는 예로는 λ³-요오딘이 있으며, 여기에는 다이아릴 요오도늄 염 및 기타 할로늄 이온이 포함된다. 한 연구에서 염화물(k_rel = 1)에 비해 반응성은 브로민(k_rel = 14), 아이오딘화물(k_rel = 91), 토실레이트(k_rel = 3.7), 트리플레이트(k_rel = 1.4), 페닐요오도늄 테트라플루오로보레이트(k_rel = 1.2) 순으로 증가했다.

다이알킬 할로늄 이온도 단순 알킬 그룹에 대해 분리 및 특성화되었다. 이러한 화합물은 친핵체에 대한 극심한 반응성에도 불구하고, ^[9][10] 및 와 같은 매우 약한 친핵성 반대 이온으로 고체 상태에서 순수한 형태로 얻을 수 있다.^[11] 의 순수한 샘플을 감압 하에 가열한 결과, 매우 약한 친핵성 카보란 음이온의 메틸화와 함께 이탈기의 방출이 일어났다. 다이알킬 할로늄 헥사플루오로안티모네이트 염은 과량의 알킬 할로겐화물을 알킬화하여 교환된 생성물을 생성한다. 이들의 강한 친전자성 특성은, 알킬 그룹의 이온화로부터 생성된 1차 카보양이온의 불안정성과 함께, 프라이델-크래프츠 알킬화 화학에 관여할 가능성을 시사한다.^[9] 이들 이탈기의 증가하는 불안정성 순서는 이다.

5. 1. 수퍼 이탈기

5. 2. 하이퍼 이탈기

6. 이탈기 능력의 상황적 차이

이탈기 능력은 반응 조건, 친핵체의 종류, 용매 등에 따라 달라질 수 있다. 친핵성 방향족 치환 반응(S_NAr)에서는 플루오린(F)이 다른 할로젠보다 좋은 이탈기일 수 있다. 프리델-크래프츠 알킬화 반응에서 할로젠 이탈기 순서는 일반적인 순서와 반대일 수 있는데, 이는 루이스 산 촉매와의 상호작용 때문이다.^[6] 친핵체의 종류에 따라 이탈기 순서가 달라질 수 있다.^[7]

다음은 반응 조건에 따른 이탈기 상대 속도(''k''_X/''k''_Br)를 나타낸 표이다.^[7]

위 표에서 볼 수 있듯이, 토실레이트는 에톡사이드를 친핵체로 사용할 때 가장 좋은 이탈기이지만, 티올레이트 친핵체의 경우 아이오딘화물과 심지어 브로민화물도 더 좋은 이탈기가 된다.

참조

_[1] 서적 Organic Chemistry: Structure and Function
_[2] 논문 Electrostatic Activation of Nucleofuges: Cationic Leaving Groups https://onlinelibrar[...] 1992-02
_[3] 서적 Gold Book: leaving group IUPAC
_[4] 웹사이트 Gold Book: electrofuge https://web.archive.[...] IUPAC 2017-06-10
_[5] 서적 Advanced Organic Chemistry
_[6] 논문 The Reaction of Benzene and Toluene with Methyl Bromide and Iodide in the Presence of Aluminum Bromide; Evidence for a Displacement Mechanism in the Methylation of Aromatic Compounds1,2
_[7] 논문 1252. The rate of displacement of toluene-p-sulphonate relative to bromide ion. A new mechanistic criterion
_[8] 논문 A New Easy One-Step Synthesis of Isoquinoline Derivatives from Substituted Phenylacetic Esters
_[9] 논문 Friedel-Crafts chemistry. IV. Dialkylhalonium ions and their possible role in Friedel-Crafts reactions
_[10] 논문 Friedel-Crafts chemistry. V. Isolation, carbon-13 nuclear magnetic resonance, and laser Raman spectroscopic study of dimethylhalonium fluoroantimonates
_[11] 논문 Dialkyl Chloronium Ions
_[12] 서적 Advanced Organic Chemistry