화학선택성
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
화학선택성은 분자가 여러 반응 부위를 가질 때, 특정 작용기 또는 부위가 다른 부위보다 우선적으로 반응하는 현상을 의미한다. 분자의 반응성은 작용기 종류, 금속 보조 시약 사용, 환원/산화 반응 조건 등에 따라 달라진다. 예를 들어, 카보닐기의 반응성은 인접 원자의 전자 밀도에 따라 달라지며, 루체 환원 반응과 같은 금속 보조 반응은 특정 작용기의 반응성을 높여 선택성을 부여한다. 또한, 환원 및 산화 반응에서 사용되는 시약과 pH 조건에 따라 다른 작용기가 선택적으로 반응할 수 있다.
더 읽어볼만한 페이지
| 화학선택성 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 화학선택성 | '화학선택성(化學選擇性, chemoselectivity)은 화학 반응에서 여러 반응 가능한 작용기가 존재할 때 특정 작용기만이 선택적으로 반응하는 성질을 말한다. 즉, 반응물 분자 내에 여러 종류의 작용기가 존재할 경우, 특정 시약이 특정한 작용기와 다른 작용기보다 더 잘 반응하는 것을 의미한다.' |
| 다른 작용기 | '다른 작용기는 변하지 않고 남아있는다.' |
| 핵심 | '유기 합성에서 중요한 개념으로, 원하는 생성물을 얻기 위해 반응 조건을 세밀하게 조절하는 데 필수적이다.' |
| IUPAC 정의 | '분자 내의 한 작용기가 다른 작용기보다 우선적으로 반응하는 능력' |
| 상세 내용 | |
| 반응 위치 | '특정 분자 내에서 다양한 반응 위치가 존재할 때, 반응이 일어나는 위치를 선택하는 것을 의미한다. 이는 반응물 분자의 구조적 특징, 반응 조건(온도, 용매, 촉매 등), 그리고 반응 시약의 특성에 따라 결정된다.' |
| 화학선택성 | '반응물이 여러 종류의 작용기를 가지고 있을 때, 특정 작용기만이 선택적으로 반응하는 것을 의미한다. 예를 들어, 알코올과 아민 작용기를 모두 가진 분자가 있을 때, 특정 시약이 알코올과만 반응하고 아민과는 반응하지 않는 경우가 화학선택성의 한 예이다.' |
| 중요성 | '복잡한 분자를 합성할 때 불필요한 부반응을 억제하고 원하는 생성물만을 얻을 수 있게 해준다. 이는 의약품, 고분자, 신소재 등 다양한 분야에서 유용한 분자를 효율적으로 합성하는 데 필수적인 요소이다.' |
| 영향 요인 | 반응물의 구조적 특징 반응 조건 (온도, 용매, 촉매) 반응 시약의 특성 |
| 응용 | 의약품 합성 고분자 합성 신소재 합성 |
| 예시 | '에스테르 그룹의 존재 하에서 케톤 그룹의 선택적 환원' |
| 추가 정보 | |
| 유사 개념 | 입체선택성 지역선택성 |
| 참고 문헌 | IUPAC Compendium of Chemical Terminology Chemoselectivity: The Mother of Invention in Total Synthesis pH-Controlled Oxidation of an Aromatic Ketone: Structural Elucidation of the Products of Two Green Chemical Reactions |
2. 친전자성
분자 내에서 전자가 부족한 부분, 즉 친전자성 중심이 친핵체와 반응하려는 경향을 '''친전자성'''이라고 한다. 어떤 분자의 친전자성 크기는 그 분자의 구조, 전자 분포, 치환기의 효과 등 다양한 요인에 의해 결정된다.
만약 한 분자 안에 반응할 수 있는 부위가 여러 개 존재한다면, 화학 반응은 특별한 조건이 없는 한 가장 반응성이 큰 부위, 즉 친전자성이 가장 강한 곳에서 우선적으로 일어나게 된다. 이러한 선택성은 다양한 화학 반응에서 중요한 역할을 한다.
2. 1. 카보닐 작용기의 친전자성
카르보닐기의 반응성은 카보닐 탄소에 인접한 원자가 얼마나 많은 전자 밀도를 제공하는지에 따라 결정된다.[3] 카보닐 탄소는 부분적인 양전하를 띠어 친전자성을 나타내며, 이 친전자성의 크기가 반응성에 영향을 미친다.
일반적으로 알데하이드는 가장 반응성이 높은 카보닐 화합물이다. 이는 알데하이드의 카보닐 탄소에 결합된 수소 원자가 크기가 작고 전자를 하나만 가지고 있어 입체적으로나 전자적으로 카보닐 탄소를 거의 가리지 않기 때문이다. 반면, 수소 대신 탄소 그룹이 결합된 케톤은 알데하이드보다 반응성이 낮다. 탄소 그룹은 수소보다 크고 더 많은 전자를 가지고 있어 카보닐 탄소를 더 효과적으로 가리고 안정화시키기 때문이다.
아미드나 에스터와 같이 카보닐기 옆에 고립 전자쌍을 가진 원자(질소 또는 산소)가 있는 경우, 카보닐기의 반응성은 더욱 낮아진다.[4] 이 고립 전자쌍은 카보닐 탄소 쪽으로 비편재화되어 공명 안정화에 기여하며, 카보닐 탄소의 친전자성을 감소시킨다. 특히 아미드는 에스터보다 반응성이 더 낮은데, 이는 질소 원자가 산소 원자보다 전기음성도가 낮아 전자를 더 쉽게 내어주어 카보닐 탄소의 양전하를 더 효과적으로 안정화시키기 때문이다.[3]
이처럼 아미드는 카보닐 화합물 중에서 반응성이 매우 낮은 편에 속한다. 화학자들은 이러한 아미드의 안정성을 이용하여 분자 내 다른 작용기가 반응하는 동안 특정 카보닐기를 보호하는 보호기로 활용하기도 한다.[5]
2. 2. 탄소-할로젠 결합의 친전자성
분자가 여러 개의 잠재적 반응 부위를 가질 경우, 반응은 가장 반응성이 큰 부위, 즉 가장 친전자성이 큰 부위에서 우선적으로 일어난다. 탄소-할로젠 결합의 경우, 결합된 할로젠 원자의 종류에 따라 친전자성이 달라진다.
플루오린(F)이나 염소(Cl)와 같이 상대적으로 가벼운 할로젠 원자는 탄소 원자와의 궤도 중첩이 더 효율적으로 일어나 결합이 더 강하다.[4] 특히 플루오린은 전기음성도가 매우 커서 탄소와의 결합이 강하고 안정적이므로 반응성이 낮다. 반면, 브로민(Br)이나 아이오딘(I)과 같이 크기가 큰 할로젠 원자는 탄소와의 결합이 상대적으로 약하고 분극되기 쉬워 화학 반응을 더 쉽게 겪는다.[4]
따라서 탄소-할로젠 결합의 친전자성 크기는 다음과 같은 순서를 따른다.
탄소-아이오딘(C-I) > 탄소-브로민(C-Br) > 탄소-염소(C-Cl) > 탄소-플루오린(C-F)
3. 금속 보조 선택성
일부 시약은 특정 작용기에 대한 친화력이 높아, 원하는 반응을 유도하는 데 사용될 수 있다. 특히 금속을 포함하는 시약이나 촉매는 이러한 성질을 이용하여 반응의 화학선택성을 조절하는 데 유용하게 쓰인다.
예를 들어, 산소 친화성이 높은 금속은 α,β-불포화 케톤(공액 케톤)과 같은 분자 내에서 카보닐기의 반응성을 선택적으로 높여 환원제가 카보닐기와만 반응하도록 유도할 수 있다. 루체 환원이 이러한 원리를 이용하는 대표적인 반응이다.[6] 반대로, 탄소-탄소 다중 결합에 대한 친화력이 높은 금속 시약(예: 유기 구리 시약)은 해당 결합에 친핵체가 우선적으로 첨가되는 친핵성 공액 첨가 반응을 유도하는 데 사용된다.[7]
이처럼 금속의 고유한 성질을 이용하면 복잡한 유기 분자 내 특정 위치에서만 반응이 일어나도록 제어하여 원하는 생성물을 효율적으로 얻을 수 있다.
3. 1. 루체 환원 (Luche Reduction)
루체 환원 반응은 특정 작용기에 대한 시약의 친화력을 이용하여 반응성을 유도하는 화학선택성의 한 예이다. 이 반응에서는 산소 친화성 금속(예: 세륨(Ce))을 사용하여 α,β-불포화 케톤(공액 케톤)의 카보닐기를 환원제에 대해 더 반응성이 높게 만들어, 카보닐기만을 선택적으로 환원시킨다.[6] 일반적인 환원제는 α,β-불포화 케톤의 탄소-탄소 이중 결합과 카보닐기를 모두 환원시키는 경향이 있지만, 루체 환원은 카보닐기만을 목표로 한다.
이는 탄소-탄소 다중 결합에 대한 친화력이 높은 구리 유기 금속 시약과는 대조적이다. 구리 유기 금속은 공액 첨가 반응을 통해 친핵체를 탄소-탄소 이중 결합에 우선적으로 첨가시킨다.[7]
3. 2. 유기 구리 시약
유기 구리 시약은 탄소-탄소 다중 결합에 대한 친화력이 높다. 이 때문에 공액 케톤에 대한 공액 첨가 반응을 통해 친핵체를 첨가하는 데 사용된다.[7]4. 환원/산화 반응에서의 선택성
산화 환원 반응에서는 사용하는 시약의 종류나 반응 조건을 조절하여 특정 작용기만을 선택적으로 반응시키는 것이 가능하다.[8][9] 예를 들어, 환원 반응에서는 사용하는 수소화물 시약의 종류에 따라 다른 작용기가 환원될 수 있으며,[8] 산화 반응에서는 반응 용액의 pH와 같은 조건을 변경하여 원하는 생성물을 선택적으로 얻을 수 있다.[9]
4. 1. 환원 반응
다양한 수소화물 시약은 반응하는 작용기에 따라 반응성이 다르기 때문에, 원하는 반응 결과에 맞춰 시약을 선택할 수 있다.[8] 예를 들어, 4-니트로-2-클로로벤조니트릴을 4-아미노-2-클로로벤조니트릴로 환원시키는 경우, 붕수소화 나트륨과 수소화 알루미늄 리튬은 서로 다른 화학 선택성을 보인다.[8]4. 2. 산화 반응
화합물 4-메톡시아세토페논은 반응 조건, 특히 pH에 따라 다른 산화 반응 경로를 따른다. 높은 pH 조건에서는 케톤기가 표백제에 의해 산화되어 카르복실산을 형성한다. 반면, 낮은 pH 조건에서는 친전자성 방향족 치환 반응을 통해 산화되어 아릴 클로라이드가 생성된다.[9]참조
[1]
서적
IUPAC Compendium of Chemical Terminology
International Union of Pure and Applied Chemistry
2006
[2]
논문
Chemoselectivity: The Mother of Invention in Total Synthesis
2009-04-21
[3]
서적
Chemical Principles
HEATH
[4]
서적
Organic chemistry
Prentice Hall
1996
[5]
서적
Protective groups in organic synthesis
Wiley
1999
[6]
논문
Lanthanoids in organic synthesis. 6. Reduction of .alpha.-enones by sodium borohydride in the presence of lanthanoid chlorides: synthetic and mechanistic aspects
https://pubs.acs.org[...]
1981-09
[7]
논문
Enantioselective Copper-Catalyzed Conjugate Addition and Allylic Substitution Reactions
https://pubs.acs.org[...]
2008-08-01
[8]
논문
The functional group selectivity of complex hydride reducing agents
http://xlink.rsc.org[...]
1976
[9]
논문
pH-Controlled Oxidation of an Aromatic Ketone: Structural Elucidation of the Products of Two Green Chemical Reactions
https://pubs.acs.org[...]
2010-01-12
[10]
웹사이트
IUPAC Gold Book definition for chemoselectivity
http://goldbook.iupa[...]
[11]
논문
pH-Controlled Oxidation of an Aromatic Ketone: Structural Elucidation of the Products of Two Green Chemical Reactions
[12]
웹사이트
IUPAC Gold Book definition for chemoselectivity
http://goldbook.iupa[...]
[13]
논문
pH-Controlled Oxidation of an Aromatic Ketone: Structural Elucidation of the Products of Two Green Chemical Reactions
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com