[유기화학] 14강. Ethers, Epoxides, and Thioethers

1. Introduction

(1) Ethers: R - O - R' (R and R': alkyl group or aryl (benzene ring) groups)

① Alkyl group: 탄소-수소 사슬 구조에서 한 개의 수소 원자를 제거한 부분 구조. 일반적으로 $C_{n}H_{2n+1}$의 형태를 가짐.

   - 예시: 메틸기($CH_{3}-$), 에틸기($C_{2} H_{5}-$), 프로필기($C_{3} H_{7}-$)

② Aryl group: 방향족 고리 구조에서 수소 원자 한 개를 제거한 형태의 부분 구조.

   - 예시: 페닐기($C_{6} H_{5}-$), 나프틸기($C_{10}H_{7}-$).

 

 

(2) Ethers 예시

2. Physical Properties of Ethers

 

3. Nonmenclature of Ethers

(1) IUPAC Names (Alkoxy Alkane Names)

   ① (ether - alkoxy group) + (alkyl group)

   ② 참고: $C_{n} H_{2n+2}$

   ③ 예시

 

(2) IUPAC Names (cylic Ethers)

   ① Cylic Ethers: ring을 포함하는 ethers.

   ② Epoxides: three-membered cyclic ethers

      - naming 방법: epoxy 용어 첨가

      - 예시

 

   ③ Oxetanes: four-membered cyclic ethers

      - 예시

   ④ Furans: five-membered cyclic ethers
      - 예시

   ⑤ Pyrans: six-membered cyclic ethers
      - 예시

   ⑥ Dioxanes: six-membered cyclic ethers having two oxygen atoms
      - 예시

 

4. Spectroscopy of Ethers

(1) Infrared Spectroscopy of Ethers

① 1000~1200$cm^{-1}$에서 강한 C-O stretch를 보임.  

② carbonyl(C=O) group과 hydroxy(O-H) goup의 부재를 확인할 수 있음.

 

(2) Mass Spectrometry of Ethers

① α Cleavage: 가장 일반적인 ethers의 fragmentation.

② Loss of an alkyl group

 

5. The Williamson Ether Synthesis

(1) Williamson ether systhesis: unhidered primary alkyl halide 또는 tosylate를 alkosid의 SN2 attack을 통해 ether를 만드는 방법

① alkyl halide: R - X

② tosylate: 우수한 leaving group. -OTs로 표기.

③ SN2(Substitution Nucleophilic Bimolecular) 반응: 친핵성 치환 반응의 한 유형으로, 친핵체(nucleophile)가 친전자체(electrophile)의 탄소 중심을 공격하면서 동시에 이탈기가 떨어져 나가는 방식으로 진행.

SN2 반응(Substitution Nucleophilic Bimolecular)은 친핵성 치환 반응의 한 유형으로, 친핵체(nucleophile)가 친전자체(electrophile)의 탄소 중심을 공격하면서 동시에 이탈기가 떨어져 나가는 방식으로 진행됩니다. 이 반응은 한 단계로 일어나는 동시에 분자 반응으로, 분자 농도에 따라 반응 속도가 결정됩니다.

SN2 반응의 특징

1. 이중 분자 반응: 반응 속도는 친핵체와 친전자체 농도 모두에 영향을 받습니다. 반응 속도식은 다음과 같습니다. rate = k[Nucleophile][Electrophile]
2. 1단계 메커니즘: 친핵체가 탄소 중심을 공격하면서 이탈기가 동시에 떠납니다. 이를 단일 단계(concerted) 반응이라고 하며, 중간체가 없습니다.
3. 백사이드 공격(Backside Attack): 친핵체가 친전자체의 탄소 원자를 이탈기 반대쪽에서 공격합니다. 이로 인해 탄소의 결합이 재배열되어 최종 산물이 반전된 구조를 가지게 되며, 이 현상을 **입체화학적 반전(Inversion of Configuration)**이라고 합니다.

SN2 반응의 조건

• 탄소 중심의 혼잡도: 1차 탄소가 2차 탄소보다 SN2 반응에 더 유리하며, 3차 탄소에서는 반응이 잘 일어나지 않습니다. 이는 탄소 주변의 입체 장애가 클수록 친핵체가 백사이드 공격을 하기가 어려워지기 때문입니다.
• 강한 친핵체(Nucleophile): 전자가 풍부한 음이온 또는 고전자의 분자가 반응을 빠르게 진행시킵니다(예: OH−, CN−, I−).
• 좋은 이탈기(Leaving Group): SN2 반응에서는 이탈기가 쉽게 떨어질 수 있어야 합니다(예: Br−, I−, -OTs).

예시

예를 들어, 메틸 브로마이드($CH_{3}Br)와 수산화 이온(OH−)의 SN2 반응을 생각해보면:

1. OH−가 $CH_{3}Br의 탄소 중심을 백사이드에서 공격합니다.
2. 브로마이드(Br−)가 떨어져 나가면서 메틸 알코올($CH_{3}OH)이 형성됩니다.

SN2 반응은 입체화학적 반전과 민감한 반응 속도 특성 덕분에 유기합성에서 중요한 역할을 합니다.

(2) 예시1

   - Na를 이용하여 alkoxide를 만듦.

   - $CH_{3} CH_{2} OTs$를 이용하여 최종 생성물인 ether를 만듦($S_{N}2$).

(3) 예시2

   - NaH를 이용하여 alkoxide를 만듦.

   - $CH_{3} I$를 사용하여 최종 생성물인 ether를 만듦($S_{N}2$).

(4) Problem

 

6. Synthesis of Ethers by Alkoxymercuration-Demercuration

 

7. Industiral Synthesis: Bimolecular Condensation of Alcohols

 

8.Cleavage of Ethers by HBr and HI

(1) Ethers 특징

① 반응성이 낮아 중간체로 많이 사용되지 않음.

② 강산성 조건에서는 특이적 반응이 발생함.

③④⑤⑥ 

 

(2) Cleavage of Ethers by HBr and HI

① Ether를 과량의 HBr 또는 HI에 가열할 때, R-X + R'-X로 분해됨.

   - HBr과 HI는 충분히 산성이어서 에터를 protonation할 수 있음.

② reaction mechanism

   - ether가 H+에 의해 protonated ether가 됨.

   - $X^{-}$에 의해 protonated ether는 $S_{N}2$ 반응이 일어나고 R-OH와 R-X를 형성함.

   - 생성된 alcohol(R-OH)는 다시 HX와 반응하여 R'-X를 형성함.

 

③ Cleavage of cyclopentyl ethyl ether by HBr

④ Problem

 

9. Autoxidation of Ethers

 

10. Thioethers (Sulfieds) and Silyl Ethers

(1) Thioethers (Sulfides)

① 구조: R - S - R'

② 예시:

 

③ Thioether 만들기: Williamson Ether Synthesis

 

④ Thiolate ion 만들기

   - Thiols은 water 보다 산성임. 따라서, thiolate ions은 aqueous sodium hydroside에 thiols을 넣어주면 만들어짐.

 

⑤ SN2 Reactin 1

   - sulfur은 oxygen보다 더 크고 극성이기 때문에 thiolate ions은 alkoside ions보다 더 강한 nucleophiles임.

   - 따라서, secondary alkul halides와 반응하여 좋은 yield를 보임.

 

⑥ SN2 Reaction 2

 

⑦ Sulfonium salts: 강한 alkylating agents

 

 

(2) Silyl Ethers as Alcohol-Protecting Groups

① 배경: 한 compound가 두 개 이상의 functional group을 가질 때, 특정한 functional group을 반응시키고 싶음.

② Protecting group

   - 보호하려는 group에 부착하기 쉬워야 함.

   - 쉽게 제거되어야 함.

 

③ Silyl ethers: 알코올 보호기에 사용되는 대표적인 화합물.

   - 알코올과 반응하여 에터 결합을 형성.

④ Triisopropylsilyl (TIPS) Protecting Group:

   - 유기 합성에서 알코올 작용기를 보호하기 위해 널리 사용되는 보호기

   - 입체 장애가 커 다른 작용기와의 반응을 방해하고, 비교적 안정.

⑤ Reaction mechanism

   - General form

 

⑥ 예시:

(1) silyl ether 형성

(2) Protonation and deprotection

 

⑦ Problem

 

 

11. Synthesis of Epoxides

 

12. Acid-Catalyzed Ring Opening of Epoxides

 

13. Base- Catalyzed Ring Opening of Epoxides

 

14. Orientation of Epoxide Ring Opening

 

15. Reactions of Epoxides with Grignard and Organolithium Reagents

 

16. Epoxy Resins: The Advent of Modern Glues