제 15 장 유기 화합물과 탄소 원자의...
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15-1
15.1 탄소의 특별한 성질과 유기 분자의 특성
15.2 탄화수소의 구조와 종류
15.3 유기 반응의 주요 종류
15.4 흔한 작용기의 성질과 반응성
15.5 단량체-고분자 주제 I: 합성 고분자
15.6 단량체-고분자 주제 II: 생고분자
유기 화합물과
탄소 원자의 성질 제 15 장
15-2
그림 7.16 1s, 2s, 및 3s 궤도함수.
15-3
그림 7.17 2p 궤도함수.
15-4
그림 7.18 3d 궤도함수.
15-5
혼성 궤도함수
-분자 내 원자의 원자가 궤도함수는 고립된 원자의 궤도함수와 다르다
-새로운 원자 궤도함수의 공간적 배향 = 관측된 분자 모양
- 혼성(hybridization) : 궤도 함수의 혼합과정
- 혼성 궤도함수(hybrid orbital) : 새로 생성된 원자 궤도 함수
- 생성된 혼성 궤도 함수의 수 = 혼성에 참여한 원자 궤도 함수의 수
sp sp2 sp3 sp3d sp3d2
혼성 궤도함수의 종류
15-6
그림 11.2 기체 상태 BeCl2에서 sp 혼성 궤도함수.
A
B
sp 혼성
-중심 원자에 동등 하지 않은 s 와 p 궤도함수 하나씩이 혼합되면 180°를
이루는 두 개의 동등한 sp 혼성 궤도 함수 생성
15-7
그림 11.3 BF3에서의 sp2 혼성 궤도함수.
sp2 혼성
- 중심 원자에서 하나의 s와 두개의 p 궤도 함수가 혼성 궤도함수 생성
- 정삼각형의 각 꼭지점을 향하여 120°를 이루는 세 개의 혼성궤도함수 생성
15-8
그림 11.4 CH4에서 sp3 혼성 궤도함수.
sp3 혼성
- 중심 원자에 한 개의 s와 세개의 p 궤도함수가 혼성되어 정사면체의
sp3 혼성 궤도 함수 생성
-NH3 : 삼각 피라미드형, sp3 중 하나가 비공유 전자쌍
-H2O : 굽은 형, sp3 중 두 개가 비공유 전자쌍
15-9
11.2 궤도 함수의 겹침의 방식과 공유 결합의 형태
1. 세로 겹침과 시그마 (σ)결합
- 결합축을 따라 가장 높은 전자 밀도, 결합축을 중심으로 회전 시킨 타원형
- 모든 단일 결합
- 분자내 자유로운 회전 가능
2. 가로 겹침과 파이(π) 결합
- σ 결합축을 기준으로 위아래의 두 영역에서 높은 전자밀도
- 이중결합은 언제나 하나의 σ 와 하나의 π 결합으로 구성
- 이중 결합의 두 전자쌍 : 다른 전자 밀도 영역의 다른 궤도함수를 점유하여
반발력이 감소 → 하나의 전자군처럼 행동
- P궤도함수의 가로 겹침을 유지하기 위하여 π결합은 회전 방해
3. 삼중 결합 : 하나의 σ 와 두 개의 π 결합으로 구성
15-10
그림 11.9 에테인(C2H6)에서 σ 결합.
C가 둘 다 sp3 혼성이다. s-sp3가 겹쳐 s 결합이
생성된다.
sp3-sp3 가 겹쳐s 결합이 된다.
σ 결합에 비교적 고르게
분포된 전자 밀도
15-11
그림 11.10 에틸렌(C2H4)에서 σ와 π 결합.
아세틸렌(C2H2)에서 σ와 π 결합. 그림 11.11
15-12
유기 분자의 구조적 복잡성
탄소의 원자 성질과 결합 방식을 재빨리 복습하여 보면, 왜 유기 분자들이
복잡해질 수 있는지 알 수 있다.
1. 전자 배치, 전기음성도와 공유 결합
기여하는 요인들을 살펴보면:
2. 결합 성질, 사슬 구조와 분자의 모양
3. 분자의 안정성
•원자의 크기와 결합 세기
•반응을 할 수 있는 궤도함수
•상대적 반응열
15.1 탄소의 특별한 성질과 유기 분자의 특성
궤도 함수 혼성, 다중 결합
15-13
유기 분자들의 화학적 다양성
1. 헤테로원자와의 결합– (그림 15.2 참조)
2. 전자 밀도와 반응성
•C - C 결합 EN = 0; 따라서 C-C 결합은 비극성이고 또한
일반적으로 비반응성이다.
•C - H 결합 EN ~ 0; 따라서 C-H 결합 결합은 거의
비극성이고 또한 거의 반응성이 없다.
•C - O 결합 EN = 1; 따라서 C-O 결합은 극성이고 반응성있다.
• 다른 헤테로 원자들과의 결합은 EN ~ 0 일지라도 헤테로 원자의 큰
크기때문에 일반적으로 길고 약하므로 따라서 반응성있다.
3. 작용기의 성질
작용기 : 분자의 종류에 상관 없이 특징적인 방식으로 반응하는 일정한
순서로 결합된 원자들의 모임 (유기 화합물 반응의 시작점)
15-14
그림 15.2 유기 화합물의 화학적 다양성.
탄소 4 개, 산소 1개, 및 필요한
수의 H 원자가 단일 결합으로
연결되어 있다.
15-15
탄화수소 : 유기 화합물의 가장 단순한 형태, 탄소와 수소로만
구성
서로 다른 골격의 수를 정할 때 다음을 유의하라.
• 각각의 C 는 최대 4개의 단일 결합을 하거나, 또는 두 개의 단일결합과 하나의
이중결합, 또는 하나의 단일결합과 하나의 삼중 결합을 할 수 있다.
• C 원자의 배열 이 골격을 결정하므로, 곧은 사슬이나 구부러진 사슬 모두 같은
골격을 의미한다.
• 단일 결합으로 이루어진 그룹은 회전할 수 있어, 아래로 향한 가지는 위로
향한 가지와 같다.
15.2 탄화수소의 구조와 종류
15-16
그림 15.3 5-탄소 골격의 예.
단일 결합 이중 결합 고리
15-17
그림 15.4 C-원자 골격에 H-원자 피부를 입히기.
15-18
예제 15.1 탄화수소 그리기
문제: 다음 조건에 맞는 탄화수소의 가능한 구조를 모두 그려라:
계획: 가장 긴 탄소 사슬을 먼저 그리고 그 다음에는 가지가 달린 더
작은 사슬을 사슬의 다른 위치에 그린다.
(a) C 원자 6개, 다중 결합과 고리는 둘 다 없음
(b) C 원자 4개, 이중 결합은 1개, 고리는 없음
풀이: (a) C 원자가 6개인 화합물
15-19
예제 15.1 탄화수소 그리기
(a) 계속
(b) C 원자가 4개이고 이중 결합이 1개인 화합물
15-20
알케인 : 단일결합만을 가지고 있는 탄화수소
• 알케인(alkane) : CnH2n+2 (사슬형)
• 사이클로알케인 (cycloalkane) : CnH2n (고리형)
• 각 탄소는 sp3 혼성
• 이름 : 접두사(가지) +어근(주사슬) +접미사(화합물 종류)
• IUPAC 명 (체계적인 명명법)
단계 1 : 가장 긴 사슬의 이름 정하기(어근)
단계 2 : 화합물의 종류 정하기 (접미사)
단계 3 : 가지가 있으면 가지의 이름을
알파벳 순으로, 가지가 붙은
탄소의 번호를 명시하여 정하기
(접두사)
15-21
Examples
CH2 CH
CH3
CH3CH2CH3parent alkane
alkyl group
12345
3-methylpentane
15-22
Examples
CH2 CH
CH3
CH3CH2CH3parent alkane
alkyl group
12345
3-methylpentane
15-23
Examples
CH2 CH
CH3
CH3CH2CH3parent alkane
alkyl group
12345
3-methylpentane
15-24
Examples
CH2 CH
CH3
CH3CH2CH3parent alkane
alkyl group
12345
2-methylpentane
15-25
Examples
1 2 3 4
CH3 CH CH CH3
CH3 CH3
2,3-dimethylbutane
CH3 CH2 C CH3
CH3
CH3
1234
2,2-dimethylbutane
15-26
Examples
1 2 3 4
CH3 CH CH CH3
CH3 CH3
2,3-dimethylbutane
CH3 CH2 C CH3
CH3
CH3
1234
2,2-dimethylbutane
15-27
Examples
1 2 3 4
CH3 CH CH CH3
CH3 CH3
2,3-dimethylbutane
CH3 CH2 C CH3
CH3
CH3
1234
2,2-dimethylbutane
15-28
Examples
1 2 3 4
CH3 CH CH CH3
CH3 CH3
2,3-dimethylbutane
CH3 CH2 C CH3
CH3
CH3
1234
2,2-dimethylbutane
15-29
Examples
CH3 CH CH2 CH CH CH CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
1
2
3
4
567
2,3,4,6-tetramethylheptane
15-30
Examples
CH3 CH CH2 CH CH CH CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
1
2
3
4
567
2,3,4,6-tetramethylheptane
Note: 치환체에 부여되는 숫자를 작게
15-31
Examples
CH3 CH CH2 CH2 CH3
CH2 CH3
12
3 4 5 6
3-methylhexane
15-32
Examples
CH3 CH CH2 CH2 CH3
CH2 CH3
12
3 4 5 6
3-methylhexane
Caution: 가장 긴 사슬을 주사슬로(언제나 곧은
사슬이라는 편견 금지).
15-33
15-34
그림 15.5 알케인인 3-에틸-2-메틸헥세인을 그리는 방법.
15-35
그림 15.6 사이클로알케인 그리기.
15-36
구조 이성질체와 알케인의 물리적 성질 • 이성질체(isomer) : 분자식은 같으나 성질이 다른 두개 이상의 화합물
• 구조 이성질체(structural isomer) : 결합된 원자의 배열이 다른 이성질체
• 알케인 : 비극성 화합물이므로 분산력에 의하여 물리적 성질 결정
15-37
그림 15.7 처음 10개의 가지 없는 알케인의 끓는점.
15-38
카이랄 분자와 광학 이성질 현상
• 입체 이성질체 (stereoisomer) : 원자들의 배열은 같으나 공간에서
작용기의 배향이 다른 분자
- 광학 이성질체(optical isomer)
: 두 물체가 서로 거울상 관계에 있어 겹쳐 지지 않는 분자
- 기하 이성질체(geometric isomer) 또는 시스-트랜스 이성질체
: 하나의 이중결합 (또는 비슷한 구조) 주위의 기들의 배향이 다른 분자
카이랄 분자 (chiral molecule, 비대칭 분자)
: 서로 다른 4개의 기가 결합된 탄소(카이랄 탄소)를 가진 유기 분자
광학 이성질체의 특징
1.물리적 성질에서 편광면을 회전시키는 방향만 다름
2.화학적 성질에서 카이랄성 화학적 환경에서만 다르게 반응
15-39
광학 활성 (Optical Activity)
편광(polarized light)을
회전시키는 현상
Louis Pasteur (1822-1895)
15-40
ACS 일반화학
1. 우선성
15-41
2. 좌선성
15-42
그림 15.8 광학 이성질체에 대한 비유.
(S)-탈리도마이드
: 유전자 변형에
의한 기형아 출산
(R)-탈리도마이드
: 입덧 완화
15-43
그림 15.9 두 개의 카이랄 분자.
15-44
알켄 : 이중 결합이 있는 탄화수소
• 알켄(alkene) : CnH2n (사슬형) – 불포화 탄화수소
• 각 탄소는 sp2 혼성
• 이름 : 접두사(가지) +어근(주사슬) +접미사(화합물 종류)
• Π 결합으로 인하여 알칸보다 반응성 좋음
• IUPAC 명 (체계적인 명명법)
단계 1 : 주사슬(이중 결합의 두 탄소를 포함해야 함)의 이름 정하기(어근)
사슬은 이중 결합에 가까운 끝부터 번호부여, 이중결합의 위치는
첫번째 탄소의 번호로 정한다.
단계 2 : 화합물의 종류 정하기 (접미사) : 엔
단계 3 : 가지가 있으면 가지의 이름을 알파벳 순으로, 가지가 붙은 탄소의
번호를 명시하여 정하기 (접두사)
기하 (시스-트랜스) 이성질 현상
: 하나의 이중결합( 비슷한 구조) 주위에서 기들의 배향이 다름
15-45
H3C CH3
H3C CH3
H H
H3C H
H CH3
1,2-dimethylcyclopentane
cis-1,2-dimethylcyclopentane trans-1,2-dimethylcyclopentane
1,2- dimethylcyclopentane
15-46
알카인 : 삼중 결합이 있는 탄화수소
• 알카인(alkyne) : CnH2n-2 (사슬형) – 불포화 탄화수소
• 각 탄소는 sp 혼성 (선형 분자 구조)
• 이름 : 접두사(가지) +어근(주사슬) +접미사(화합물 종류)
• Π 결합으로 인하여 알칸, 알켄보다 반응성 좋음
• IUPAC 명 (체계적인 명명법)
단계 1 : 주사슬(삼중 결합의 두 탄소를 포함해야 함)의 이름 정하기(어근)
사슬은 삼중 결합에 가까운 끝부터 번호부여, 삼중결합의 위치는
첫번째 탄소의 번호로 정한다.
단계 2 : 화합물의 종류 정하기 (접미사) : 아인
단계 3 : 가지가 있으면 가지의 이름을 알파벳 순으로, 가지가 붙은 탄소의
번호를 명시하여 정하기 (접두사)
15-47
예제 15.2 알케인, 알켄, 알카인 명명하기
문제: 다음 화합물의 체계명을 쓰고, 구조 (d)의 경우에는 카이랄
중심을 표시하고, 구조 (e)의 두 기하 이성질체를 그려라.
15-48
예제 15.2 알케인, 알켄, 알카인 명명하기
풀이:
(a)
CH3 C
CH3
CH3
CH2 CH3
butanemethyl
methyl
1 432
2,2-dimethylbutane
CH3 CH2 CH CH
CH3
CH3
CH2
CH3
(b)
hexane
methyl
methyl
1
2
3456
3,4-dimethylhexane
*어느 방향으로 명명해도 무방하다
CH3
CH2CH3
(c)
cyclopentane
methyl
ethyl
1
23
4
5
1-ethyl-2-methylcyclopentane
CH3 CH2 CH CH
CH3
CH2
(d)
methyl
12345
pentene
1-pentene
3-methyl-1-pentene
카이랄 중심
15-49
예제 15.2 알케인, 알켄, 알카인 명명하기
CH2 CH C CH
CH3
CH3CH3
CH3
(e)
methyl
methyl
123456
3-hexene
CH2
C C
CH
CH3
CH3CH3
CH3
methyl
methyl
12
34
56
3-hexene
H
cis-2,3-dimethyl-3-hexene
CH2
C C
CH
CH3
CH3
CH3
CH3
methyl
methyl
12
34
56
3-hexene
H
trans-2,3-dimethyl-3-hexene
15-50
방향족 탄화수소 : 비편재화된 Π 전자를 가진 고리 분자
• 여섯 개의 탄소원자로 이루어진 고리를 하나 이상 가진 평면 분자
• 여섯 개의 탄소-탄소 결합 : 결합길이, 결합 세기 모두 같으며,
단일과 이중 결합의 중간 값이다.
공명구조(resonance contributor)
: 실제 구조와 근접한 편재화된 전자를 가진 구조
공명혼성구조(resonance hybrid)
: 비편재화된 전자를 가진 실제 구조
15-51
• 간단한 방향족 탄화수소의 명명법
- 벤젠 : 어미
- 붙어 있는 치환기 : 접두사로 명명
- 치환기가 하나 : 탄소 번호 붙일 필요 없음
- 치환기가 두 개 이상 : 알파벳 순서로 탄소 번호 부여
15-52
O
O O
O
O O
O
O O
2 -
2개의 음전하가 세개의 산소에 동일하게 분포하므로
탄소-산소 결합길이는 모두 같고 분포된 전하도 동일하다.
Delocalized Electrons(비편재 전자)
로 연결된 구조는 실제구조와 근접한 편재화된 전자를 가진 공명구조(resonance contributor)이다.
15-53
O
OO
-2/3
-2/3
-2/3
2-
Overall, the structure can be
represented as above; however,
this is not a Lewis representation.
Delocalized Electrons(비편재 전자)
15-54
분수의 결합 차수
공명 혼성처럼 부분 결합은 종종 결합 차수를 분수로
만든다.
3 개의 공유전자쌍
2 개의결합된 원자 O3, 결합차수 = = 1½
15-55
공명 : 결합 전자쌍의 비편재화
O3 는 두 가지 방법으로 그릴 수 있다 :
어느 것도 O3구조를 정확하게 묘사할 순 없지만 두 개의 루이스 구조(공명구조)로 나타냄
공명구조 :원자의 위치는 같으나 결합 전자쌍과 비공유 전자쌍의 위치가 다른 구조
공명혼성구조 : 실제 분자의 구조로 두 가지 공명구조의 평균 구조
공명 혼성구조의 전자들은 비편재화 되어 있다: 전자 밀도는
몇몇 인접한 원자들에 퍼져있다.
15-56
노새 는 말과 당나귀의 유전자 혼합(혼성체)이다. 이것은 말도
아니고 당나귀도 아니다. 마찬가지로, 공명 혼성체도 공명체의
특성을 모두 가지는 하나의 구조이다.
15-57
문제 10.4 공명 구조 그리기
풀이:
문제: 질산 이온(NO3-)의 공명구조와 결합차수를 구하여라.
질산에는 [1 x N(5e−)] + [3 x O(6e−)] + 1e−] = 24 개의 원자가 e−
단계1-4: 단계 5. N은 팔전자계를 가지지
않는다; e- 한 쌍이 이동하여
이중 결합을 만든다.
4 개의 공유 전자쌍
3 개의 결합된 원자 결합 차수 = = 1⅓
15-58
형식전하
형식 전하 는 모든 결합 전자들이 공평하게 나뉜다고 가정할 때
발생하는 전하를 말한다.
원자의 형식 전하 =
원자가 e- 의 수 – (비공유 원자가 e- 의 수+ ½ 공유 원자가 e-의 수)
형식 전하의 합은 모든 공명 구조의 실제 전하가 되어야 한다.
OA [6 – 4 – ½ (4)] = 0
OB [6 – 2 – ½ (6)] = +1
OC [6 – 6 – ½ (2)] = -1
OA [6 – 6 – ½ (2)] = -1
OB [6 – 2 – ½ (6)] = +1
OC [6 – 4 – ½ (4)] = 0
양쪽 공명 구조의 형식 전하의 합은 영이므로 O3는 중성 분자이다.
15-59
첨가 반응(addition reaction)은 불포화 반응물이 포화 생성물로
변하는 반응이다:
제거 반응(elimination reaction)은 첨가반응의 반대이다. 포화
반응물이 불포화 생성물로 변한다:
R CH CH R + X Y R CH CH R
X Y
치환 반응(substitution reaction)은 유기 반응물의 한 원자 (또는 기)가
시약의 원자 하나 (또는 기)로 대치되는 반응이다:
R C X + Y R C Y + X
R C H C H + X Y R C H C H
X Y
2 2
15.3 유기 반응의 주요 종류
15-60
1. 첨가반응(addition reaction): 불포화된 반응물이 포화된
생성물로 될 때 발생
C=C, CΞC, 그리고 C=O 결합들은 일반적으로 첨가 반응을 한다.
각각의 경우에서 π 결합이 깨지면서 σ 결합이 형성된다.
반응물 (깨진결합)
1 C=C = 614 kJ
4 C–H = 1652 kJ
1 H–Cl = 427 kJ
합계 = 2693 kJ
생성물 (형성된 결합)
1 C–C = -347 kJ
5 C–H = -2065 kJ
1 C–Cl = -339 kJ
합계 = -2751kJ
H°반응 = SH°깨진 결합 + SH°형성된 결합 = 2693 kJ + (-2751 kJ) = -58 kJ
15-61
2. 제거반응(elimination reaction) : 포화된 반응물이 불포화된
생성물로 될 때 일어난다. 이 반응은 첨가반응의 반대이다.
일반적으로 제거된 물질은 H와 할로겐 혹은 H와 –OH이다.
제거반응에 대한 추진력은 HCl (g), H2O 과 같이 작고 안정한
분자의 형성이다.
15-62
3. 치환반응(substitution reaction) 은 첨가된 물질의 원자 또는
작용기 등이 다른 유기화합물의 탄소와 치환되는 반응을 말한다.
치환시 탄소원자는 포화되어 있을 수도 있고 불포화되어 있을
수도 있으며, X 와 Y 는 많은 다른 원자일 수 있다.
바나나기름의 향을 나타내는 주 성분은 치환반응에 의해 형성된다.
15-63
예제 15.3 유기반응의 종류 알아내기
문제: 다음 반응이 첨가반응, 제거반응, 치환반응 중 어느 것인지 말하라:
(a) CH3 CH2 CH2 Br CH3 CH CH2 + HBr
(b) + H2
CH3 C Br
O
+ CH3CH2OH
(c)
CH3 C OCH2CH3 + HBr
O
계획: C에 결합된 원자의 수가 변하는지 살펴본다.
•C에 더 많은 원자가 결합하면 첨가이다.
•C에 더 적은 수의 원자가 결합하면 제거이다.
•C에 결합된 원자의 수가 같으면 치환이다.
15-64
예제 15.3
풀이:
유기반응의 종류 알아내기
(a) CH3 CH2 CH2 Br CH3 CH CH2 + HBr
제거: C에 더 적은 원자가 결합하고 있다.
(b) + H2
첨가: C에 더 많은 원자가 결합하고 있다.
CH3 C Br
O
+ CH3CH2OH
(c)
CH3 C OCH2CH3 + HBr
O
치환: C─Br 결합이 생성물에서 C─O 결합이 되므로, C에 같은 수의 원자가
결합하고 있다.
15-65
15.4 흔한 작용기의 성질과 반응성
15-66
15-67
단일 결합만 있는 작용기: alcohol, haloalkane, amine
알코올(alcohol)
C O H
명명: ---올(~ol)
methanol, ethanol, propanol,…
OH
H+
+ H2O
CH3 CH2 CH CH3
OH
CH3 CH2 C CH3
O
K2Cr2O7
H2SO4
제거 반응
R2CH OH + HBr R2CH Br + HOH
치환 반응
+ -
15-68
할로알케인(haloalkane)
C X
명명: haloalkane 혹은 상용으로 alkyl halide
bromomethane, 2-chloropropane, 1,2-diiodohexane
치환 반응
CH3 CH2 CH2 CH2 Br + OH- CH3 CH2 CH2 CH2 OH + Br-
1-bromobutane 1-butanol
제거 반응
CH3
C CH3
Cl
CH3 CH2CH3 OK+
CH3
C CH2CH3+ KCl + CH2CH3 OH
2-chloro-2-methyl propane
Potassium ethoxide 2-methyl propene
15-69
아민(amine)
C N
명명: ~아민(~amine)
methylamine, ethylamine RNH2(1차 아민), R2NH(2차 아민), R3N(3차 아민)
치환 반응
CH2CH3 NH2CH2CH3 Cl+2
CH2CH3 NH
CH2CH3
CH2CH3 NH3+Cl+
methylamine chloroethane diethlyamine
ethylammonium chloride
+ -
15-70
그림 15.12 아민 작용기를 가진 생분자의 예.
15-71
예제 15.4 알코올, 알킬 할라이드와 아민의 반응 예측하기
문제: 다음 각 반응의 반응 형태와 생성물(들)을 결정하라:
15-72
예제 15.4 알코올, 알킬 할라이드와 아민의 반응 예측하기
풀이:
(a) 치환 - 생성물은
(b) 치환- 생성물은
(c) 제거– (산화): 생성물은
C H 3 C H 2 C H 2 O H + Na I
C H 3 C H 2 N H C H 2 C H 3
+ CH 3 CH 2 CH 2 NH3Br
H 3 C C C H 3
O
15-73
이중 결합이 있는 작용기: alkene, aldehyde & ketone
C C C O
알켄(alkene)
CH3
C CH3
OH
CH3+ H3O+
CH3
C CH2CH3
+ H+
+ HCl
Cl
첨가 반응
2-methylpropene
2-methyl-2-methylpropanol
propene 2-methylpropane
15-74
알데하이드(aldehyde)와 케톤(ketone)
O
CCarbonyl기를 포함한다.
극성 결합이다.
Aldehyde: ~al 예: methanal, propanal
Ketone: ~one 예: 2-propanone, 2-butanone
+
-
그림 15.14
카보닐 기.
15-75
CH2CH3 OH CCH3 H
O알데하이드의 합성 산화
케톤의 합성
OH O산화
ethanol Ethanal (acetaldehyde)
3-pentanol 3-pentanone (diethylketone)
첨가 반응
OH
OH
환원
cyclobutanone cyclobutanol
15-76
단일과 이중 결합을 모두 가진 작용기:
carboxyl group을 갖는다. carboxylic acid, ester, amide
카복실산(carboxylic acid)
R O
H
O 명명: ~산 (~oic acid)
예: ethanoic acid(상용:acetic acid), Butanoic acid
O
H
O
CH3
+ H2O(l)O
O
CH3
(aq) + H3O+(aq)
카복실산은 물에서 약산이다.
카복실산은 강염기와 만나면 반응하여 물과 염을 만든다.
O
H
O
CH3
+ NaOH(l)O
O
CH3
(aq) + Na+(aq) + H2O(aq)
Carboxylate ion
ethanoate
15-77
그림 15.15
카복실산 작용기를 가진 분자들.
15-78
카복실산은 첨가 및 제거 반응으로 구성된 치환 반응을 한다.
R
C
X
O
+ Z YC
O
X
Y
R
Z
R
C
Y
O
+ Z X첨가 제거
카복실산의 탈수축합반응
+C
O
H
O
R
C
O
H
O
R
C
O
C
O
R
O
R
+ HOH
산 무수물(acid anhydride)
15-79
에스터(ester)
카복실산과 알코올의 반응으로 만들어진다.
명명: 처음부분은 산의 이름에서 그리고 두 번째 부분은 알코올에서 온다.
예: ethyl ethanoate(ethyl acetate)
+C
O
H
O
R
C
O
R
O
R
+ HOHH O R
H+
위 반응은 가역적이다. 정반응은 탈수축합반응인 에스터화(esterification)이고, 역반응은 가수분해(hydrolysis)이다.
15-80
아마이드(amide)
Ester와 amine(혹은 NH3)사이의 치환 생성물이다. ~amide
CH3 C
H
O
O
CH3CH2 CH3HN+ CH3 C N
O
CH3
H
CH2+ CH3 OH
Methyl ethanoate Ethanamine
N-ethylethanamide
CH3 C OH
O
+ NH R'
H
CH3 C N
O H
R' + HOH
Amide는 뜨거운 물(혹은 염기)에서 카복실산(혹은 카복실산 이온)과 아민으로 가수분해된다. 그 가수분해의 역반응이 amide의 합성과정이라고 할 수 있다.
Amide 기의 가장 중요한 예는 펩타이드 결합으로서, 단백질에서 아미노산들을 연결하는 것이다.
15-81
그림 15.17 아마이드 작용기를 가진 분자.
15-82
예제 15.5
풀이:
카복실산 집단의 반응 예측하기
문제: 다음 반응의 생성물(들)을 예측하라:
CH3 CH2 CH2 C
O
OH CH3 CH CH3
OH
+H+
(a)
CH3 CH CH2 CH2(b)
CH3
C NH
O
CH2 CH3
NaOH
H2O
계획: (a) 산과 알코올이 반응하여 에스터와 물을 생성하는 축합반응이다.
(b) 염기와 물이 있는 가운데 아마이드는 가수분해할 것이다.
CH3 CH2 CH2 C
O
O(a) CH
CH3
CH3 + H2O
C H 3 C H C H 2 C H 2 (b)
C H 3
C H 2N
O
-C H 2 C H 3 O - + Na + +
15-83
삼중 결합이 있는 작용기: alkyne, nitrile
propyne propene propane
알카인(alkyne)
C CHCH3CH2CHCH3
H2H2
CH2 CH3CH3
나이트릴(nitrile)
CH2 ClCH3+ NaCN CH2 CCH3 N + NaCl
이 반응은 탄화수소의 사슬을 탄소 하나만큼 늘리기 때문에 유용하다. 나이트릴은 한번 만들면 아민으로 환원되거나 카복실산으로 가수분해될 수 있기 때문에 쓸모가 다양하다.
CH2 CCH3 N CH2 CCH3 OH
O
+ NH4+
CH2 CH2CH3 NH2
H3O+, H2O
C
NNH2 OH
O
환원
가수분해
15-84
예제 15.6
문제:
풀이:
작용기 알아보기
다음 분자에서 작용기에 동그라미를 하고 이름을 말하라:
(a)C
O
O
OH
C CH3
O(b)
CH
OH
CH2 NH CH3
(c)
Cl
O
(a)C
O
O
OH
C CH3
O
카복실산
에스터
(b)
CH
OH
CH2 NH CH3
알코올
2o 아민
(c)
Cl
O
케톤
알켄
할로알케인
15-85
15.5 단량체-고분자 주제 I : 합성 고분자
고분자(polymer) : 단량체(monomer)라고 하는 작은 분자들이
공유 결합으로 사슬을 이룬 매우 큰 분자
첨가 고분자(addition polymer)
- 단량체들의 첨가 반응으로 생성
- chain reaction polymer / chain growth polymer
- monomer가 사슬에 첨가 될 때 새로운 반응자리 계속 생성
- 입체 선택적 반응(stereoslective reaction)
: 반복 단위의 기들이 정해진 방향으로 배치된 고분자 합성 가능
15-86
그림 15.18 에틸렌의 자유-라디칼 중합 반응에서 단계.
15-87
15-88
15-89
축합 고분자 (condensation polymer)
- 2개의 작용기를 가진 monomer (A-R-B) 의 반응으로 생성
- 한 단량체의 A가 다른 분자의 B와 축합반응
- 공중합체(copolymer) : 2개 이상의 다른 반복 단위로 구성
15-90
15.6 단량체-고분자 주제 II : 생고분자
당류와 다당류 • 단당류 (monosaccharide)
: 하이드록실 기와 카보닐 기가 달린 탄소 사슬
- 에너지 대사 물질이자
다당류 (polysaccharide)의 단량체 단위
- 수용액에서 단당류의 알코올 기와
알데하이드기가 반응하여 고리 분자 형성
• 이당류 (disaccharide)
: 2개의 단당류가 탈수축합하여 생성
15-91
• 다당류(polysaccharide): 여러 개의 단당류가 공유결합하여 생성
- 섬유소 : 지구상에서 가장 흔한 유기 화합물 , 포도당 사슬의 수소
결합으로 강한 구조 형성
- 녹말 : 식물의 에너지 저장 분자
- 글리코겐 : 동물의 에너지 저장 분자
15-92
아미노산과 단백질 • 아미노산(amino acid)
- 카복실 기와 아민 기를 다 가지고 있는 단량체
-수용성 세포액에서 아민기와 카르복실기는 전하를 띠고 있다
- 각 아미노산은 카복실기와 아민기의
탈수 축합에 의한 펩타이드 결합으로 연결
15-93
그림 15.20 흔한 아미노산.
15-94
그림 15.20 흔한 아미노산
15-95
• 단백질의 계층 구조
: 아미노산 서열에 의하여 단백질의 모양과 기능 결정
1. 일차 구조 : 폴리펩타이드 사슬에서 공유 결합으로 연결된
아미노산 서열 → 공유결합
2. 이차 구조 : 이웃하는 펩타이드 사이의 수소 결합 결과로 생기는
α-나선 구조와 β– 병풍 구조 → 분자간 힘
3. 삼차 구조 : 이온-쌍극자 힘과 수소 결합, 분산력 등 많은 힘으로
결정되는 폴리펩타이드 사슬의 3차원 접힘 → 분자간 힘
4. 사차 구조 : 전체 단백질에서 사슬들이 조합되는 방식 → 분자간 힘
•단백질의 종류
1. 섬유상 단백질 : 강도와 유연성이 요구되는 재료의 성분
아미노산 조성이 단순하고 반복적 ex) 콜라겐
2. 구형 단백질 : 모양과 기능이 다양하여 항체, 호르몬, 효소를 구성
모든 20개의 아미노산이 여러 비율로 존재하는
복잡한 구성
15-96
단백질의 구조적 계층 구조
15-97
뉴클레오타이드와 핵산 • 핵산(nucleic acid)
- N 함유 염기, 당류, 인산 기로 구성된 모노뉴클레오타이드로
이루어진 가지 없는 고분자
- 핵산의 종류 : DNA, RNA (당 분자의 차이)
- 세포핵에서는 DNA의 수백만개의 뉴클레오타이드가 두 사슬이 서로를 감싼
이중 나선 구조로 존재
15-98
DNA 염기
Adenine (A) Thymine (T) Uracil (U)
Guanine (G) Cytosine (C)
15-99
T = A
G ≡ C
DNA 이중나선 구조 : 특정 염기 쌍의 수소 결합으로 생성
DNA ⇒ RNA 염기 서열 ⇒ 단백질의 아미노산 서열
15-
100
C3H8O 이성질체의 루이스 구조를 모두 그리고, 각각에 해당하는 분자
모형을 만들어 보아라.
CH3
CH2
CH2
OH
1-propanol
CH3
CH
CH3
OH
2-propanol
CH3
CH2
O
CH3
ethylmethylether
예제 1
15-
101
예제2
C3H8O2 이성질체 수
O H C
H
H
C
H
H
C
H
H
O H
1,3-propanediol
O H C
H
H
C*
H
O
C
H
H
H
H
1,2-propanediol
O H C
H
O
C
H
H
C
H
H
H
H
1,1-propanediol
H
H
C
H
H
C
O
O
C
H
H
H
H
2,2-propanediol
Diols
15-
102
C3H8O2 이성질체 수
Ether-alcohols
C
H
H
H
O C
H
H
C
H
H
O H
2-methoxyethanol
C
H
H
H
O C
H
H
O C
H
H
H
dimethoxymethane
Diether C
H
H
H
C
H
H
O C
H
H
O H
ethoxymethanol
H
C
H
H
H
O C*
H
O
C
H
H
H
1-methoxyethanol
예제2
15-
103
C3H8O2 이성질체 수
Peroxides
O H O C
H
H
C
H
H
C
H
H
H
peroxypropane
O O
C
H
H
H
C
H
C
H
H
H
H
2-peroxypropane
C
H
H
H
O O C
H
H
C
H
H
H
methylethylperoxide
예제2
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