윌리엄슨 에터 합성

3. 반응 범위

윌리엄슨 에터 합성은 실험실과 산업 현장 모두에서 에테르를 제조하는 데 가장 널리 사용되는 방법 중 하나이다. 이 방법을 통해 대칭 에테르와 비대칭 에테르를 모두 쉽게 만들 수 있으며, 특히 할로하이드린의 분자 내 반응을 이용하면 에폭사이드를 효과적으로 생성할 수 있다.

반응물을 선택할 때는 몇 가지 고려 사항이 있다. 알콕사이드(또는 아릴옥사이드)는 1차 또는 2차 알코올로부터 유도된 것이 반응에 유리하다. 3차 알콕사이드는 입체 장애로 인해 제거 반응이 우세하게 일어나는 경향이 있다. 알킬화제는 1차일 때 가장 반응성이 좋으며, 2차 알킬화제도 사용될 수 있으나 3차 알킬화제는 부반응이 쉽게 일어나 실용적이지 않다. 이탈기로는 주로 할로겐화물이나 술폰산 에스테르가 쓰인다. 반응 조건이 강할 수 있으므로, 분자 내 다른 작용기(예: 다른 알코올기, 아민기 등)를 보호하기 위해 보호기를 사용하는 경우도 많다.

윌리엄슨 에터 합성은 산업 합성뿐만 아니라 대학 학부 과정의 유기화학 실험에서도 흔히 다루어진다. 전통적인 방식으로는 반응 시간이 짧으면(예: 학부 실험 시간 제약) 수율이 낮아지는 문제가 있었다. 50°C에서 100°C 사이에서 1~8시간 동안 환류해야 반응이 완결되는데, 시간이 부족하면 수율이 낮아질 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 마이크로파 기술이 도입되어 반응 시간을 획기적으로 단축하고 있다. 마이크로파를 사용하면 기존에 최소 1.5시간이 걸리던 반응을 130°C에서 10분 만에 완료할 수 있으며, 이를 통해 에테르 합성 수율이 기존 6–29%에서 20–55%까지 향상되었다는 보고가 있다.^[6]

또한, 300°C 이상의 고온 조건에서 반응성이 낮은 알킬화제를 사용하는 방법도 개발되었다. 이 고온 합성법은 반응 과정을 단순화하고 부산물로 염이 생성될 가능성을 줄여 산업 규모의 합성에 유리하다. 특히 산업적으로 중요한 아니솔과 같은 방향족 에테르 생산에 높은 선택성을 보여 유용하게 활용될 수 있다.^[7]

3. 1. 에테르의 종류

3. 2. 반응물 선택

3. 3. 반응 조건

4. 반응 조건

윌리엄슨 에터 합성은 특정 조건 하에서 진행된다. 반응의 핵심 물질인 알콕사이드 이온은 반응성이 매우 높아 보통 반응 직전에 만들거나 반응 중에 직접 생성시킨다. 반응 속도에 영향을 미치는 용매 선택이 중요하며, 일반적으로 극성 비양성자성 용매인 아세토니트릴이나 N,N-디메틸포름아미드(DMF) 등이 자주 사용된다.

반응은 통상적으로 50°C에서 100°C 사이의 온도에서 1시간에서 8시간 동안 진행된다. 실험실 환경에서는 50–95% 정도의 수율을 얻는 것이 일반적이지만, 산업 공정에서는 더 높은 수율을 달성하기도 한다.

대부분의 실험실 규모 반응에서는 촉매가 필요하지 않으나, 반응성이 낮은 알킬화제를 사용할 경우 반응 속도를 높이기 위해 요오드화물 염이나 산화 은과 같은 촉매를 사용하기도 한다. 또한, 반응물의 용해도를 높이기 위해 상 이동 촉매를 사용하기도 한다.

4. 1. 일반적인 조건

4. 2. 수율 및 촉매

4. 3. 개선된 반응 조건

5. 부반응

윌리엄슨 에터 합성은 원하는 에터 생성 외에 다른 부반응이 일어날 수 있다. 주요 부반응으로는 알킬화제에서 일어나는 제거 반응과, 친핵체가 아릴옥사이드 이온일 경우 방향족 고리에서 직접 일어나는 알킬화 반응이 있다. 이러한 부반응의 발생 정도는 반응 조건에 따라 달라질 수 있다.

5. 1. 제거 반응

5. 2. 알킬화 반응

참조

_[1] 간행물 Coumarone
_[2] 논문 Theory of Ætherification https://zenodo.org/r[...]
_[3] 서적 Organic Chemistry Prentice Hall
_[4] 서적 Organic Chemistry Pearson
_[5] 서적 Organic Chemistry Pearson
_[6] 논문 Microwave-Enhanced Organic Syntheses for the Undergraduate Laboratory: Diels−Alder Cycloaddition, Wittig Reaction, and Williamson Ether Synthesis 2010
_[7] 논문 Synthesis of Alkyl Aryl Ethers by Catalytic Williamson Ether Synthesis with Weak Alkylation Agents 2005
_[8] 간행물 "(''R'',''S'')-Mevalonolactone-2-¹³C (2''H''-Pyran-2-one-¹³C, tetrahydro-4-hydroxy-4-methyl-)"
_[9] 기타 Katole DO, Yadav GD. Process intensification and waste minimization using liquid-liquid-liquid triphase transfer catalysis for the synthesis of 2-((benzyloxy)methyl)furan. Molecular Catalysis 2019;466:112–21. https://doi.org/10.1[...]
_[10] 논문 https://zenodo.org/r[...]
_[11] 서적 https://archive.org/[...]
_[12] 서적 https://archive.org/[...]
_[13] 서적 https://archive.org/[...]