유기화학 출석수업자료 2008. 2학기.

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1 유기화학 출석수업자료 학기

2 유기화학 1828 Friedrich WÖhler N H C O

3 유기화학 (Organic Chemistry)
생명체가 생성한 화합물을 다루는 학문 탄소를 포함하고 있는 화합물에 대한 학문 탄소/수소 결합이 함유된 화합물에 대한 학문

4 이온결합과 공유결합 유기화학 팔전자규칙, Octet Rule 원자의 최외각 오비탈에 전자가 비활성기체와 같은
형태로 채워진 상태를 유지하려는 성질 이온결합: 양이온과 음이온 사이의 정전기적 인력에 의한 결합 공유결합: 두 원자사이에 하나 또는 그 이상의 전자쌍을 서로 공유하는 결합 전기음성도의 차이 극성 공유결합: H2O, HCl 비극성 공유결합: H2, CO2,

5 분자를 표시하는 법 유기화학 루이스 구조식: 결합하고 있는 공유전자를 점으로 표시
선결합식: 결합에 참여하는 공유전자쌍을 선으로 표시 축소구조식: 결합을 나타내는 선을 생략하고 원자의 위치와 개수만 표시 H:C:C:H : H H:C:O:C:H : H H | H | H | H | H-C-C-H H-C-O-C-H | H | H | H | H CH3CH3 CH3OCH3

6 분자를 표시하는 법 유기화학 골격만 나타낸 구조식 탄소를 선의 양 끝에 있다고 가정하여 그린 구조식 수소는 생략하여 그림 O

7 결합의 종류 유기화학 단일결합: 탄소간에 한 쌍의 전자쌍을 공유 이중결합: 탄소간에 두 쌍의 전자쌍을 공유
삼중결합: 탄소간에 세 쌍의 전자쌍을 공유

8 구조이성질체 유기화학 C2H6O 같은 분자식을 가지면서 서로 다른 순서로 연결된 화합물 에탄올 78.5 ℃ 디메틸에터
-23.6 ℃ 끓는점

9 궤도함수 유기화학 원자의 구성: 핵과 전자 전자는 핵 주위의 궤도에 배치가 된다. 전자궤도: K각, L각, M각, N각, ….
K각 - 1s L각 – 2s, 2p M각 – 3s, 3p, 3d N각 – 4s, 4p, 4d, 4f ……

10 궤도함수 유기화학 결합분자궤도함수: 결합을 이루는 각 원자의 s 또는 p궤도함수 의 중첩에 의한 새로운 궤도함수
시그마분자궤도함수: s-s. s-p 파이분자궤도함수: p-p 혼성궤도함수: 원자 내의 s 또는 p궤도함수의 혼성화로 인하여 새로운 원자궤도 함수를 형성 sp3 혼성궤도함수 (109.5o) - 시그마결합: sp3-s

11 유기화합물의 분류 유기화학 사슬화합물 : 탄소원자가 연속적으로 이어진 구조 고리화합물 :
탄소원자가 고리를 형성하여 이어진 구조 헤테로고리화합물 : 탄소 이외의 원자를 하나 이상 포함하는 구조

12 작용기 유기화학

13 알케인(알칸, alkane) 유기화학 탄화수소: 탄소화 수소로만 이루어진 화합물 포화탄화수소: 단일결함으로만 이루어진 탄화수소
파라핀계 탄화수소 CnH2n+2: CH4, C2H6, C3H8, C4H10, … 알킬기(-R, CnH2n+1): 수소하나가 작음 구조이성질체: Butane vs. Methylpropane Ethylalcohol vs. Dimethylether

14 알케인(알칸, alkane) 유기화학 명명법 1. 분자내 가장 긴 탄소사슬을 모체 화합물의 이름으로 한다.
길이가 같은 경우는 곁가지가 많은 것. 2. 곁가지 치환체의 위치가 작게 나오도록 탄소사슬을 붙인다. 3. 치환기의 개수의 위치를 숫자 접두어와 번호로 표시한다. 4. 여러 종류의 치환체가 있을 경우, 알파벳 순서로 나열한다. 숫자 사이에는 쉼표, 문자 사이에는 ‘-’로 연결한다.

15 알케인(알칸, alkane) 유기화학 물리적 성질 1. 유기용매에 잘 녹는다. - 비극성물질
2. 탄소의 수가 증가할 수록 녹는점, 끓는점이 높다. 3. 곁가지가 많은 물질의 끓는점이 낮아진다.

16 알케인(알칸, alkane) 유기화학 구조이성질체 형태이성질체: 분자의 결합이 회전으로 인하여 공간내에서
입체구조가 다르게 된 물질 시클로알칸류: 고리화합물 (CnHn) 시클로헥산의 형태이성질체 - 의자형, 보트형, 트위스트형

17 알케인(알칸, alkane) 유기화학 합성 1. 불포화 탄화수소에 수소첨가 - Pt, Ni 촉매 사용 2. 할로겐화알킬의 환원
- 아연과 산 용액에서 반응 3. 부르츠반응 - 2몰의 할로겐화알킬과 금속 나트륨 사용 - 대칭구조 알칸합성 4. 가수분해: Grignard agent - 할로겐화알킬과 마그네슘을 에터에서 반응

18 알케인(알칸, alkane) 유기화학 합성 5. 카르복시산염의 열분해 - 염기로 가열하고 건류 6. 콜베반응
- 카르복시산염의 전기분해

19 알케인(알칸, alkane) 유기화학 반응 1. 할로겐화 - 가열 또는 자외선 조사
- 자유라디칼 연쇄과정; 개시, 계속, 종결단계 2. 산화 - 연소 : 이산화탄소와 물 생성 3. 열분해: Cracking - 저급알칸 생성 4. 이성화 - 촉매 사용: AlCl3 …

20 알켄(alkene) /알카인(알킨, alkyne) 유기화학 불포화탄화수소: 이중결합/삼중결합
알켄: 탄소 간의 이중결합을 가진 탄화수소 - 올레핀계 탄화수소 CnH2n: C2H4, C3H6, C4H8, … 알카인: 탄소 간의 삼중결합을 가진 탄화수소 - 아세틸렌계 탄화수소 CnH2n-2: C2H2, C3H4, C4H6, …

21 알켄(alkene) /알카인(알킨, alkyne) 유기화학 명명법
1. Alkane의 어미에 –ane 대신 –ene(알켄), -yne(알카인) 사용 2. 두 개 이상의 다중 결합이 있을 경우에는 –di, -tri 사용 3. 다중결합의 위치는 탄소번호가 가장 작은 번호가 되도록 표시

22 알켄(alkene) /알카인(알킨, alkyne) 유기화학 구조 1. 알켄: sp2 혼성궤도함수 (120o)
- 시그마결합: sp2-sp2, sp2-s - 파이결합: p-p 2. 알카인: sp 혼성궤도함수 (180o) - 시그마결합: sp-sp, sp-s

23 알켄(alkene) /알카인(알킨, alkyne) 유기화학 시스-트랜스 이성질체
1. 이중결합 및 삼중 결합은 회전이 불가능하다. 2. 이중결합 양쪽의 치환체가 같은 방향 – 시스구조 이중결합 양쪽의 치환체가 다른 방향 - 트랜스구조 3. 트랜스 구조가 입체장애가 작아 더 안정함.

24 알켄(alkene) /알카인(알킨, alkyne) 유기화학 파이결합은 시그마결합에 비하여 결합력이 약하다.
에틸렌: 시그마결합 - 95 kcal/mol 파이결합 – 68 kcal/mol 이중결합의 전자는 친전자체에 의하여 새로운 시그마 결합을 형성할 수 있다. 친전자체: 전자가 부족하여 전자와의 친화력이 높은 화학종

25 알켄(alkene) /알카인(알킨, alkyne) 유기화학 알켄합성 1. 할로겐화수소 이탈반응 - 할로겐화알킬에 강염기 반응
2. 알코올의 탈수반응 - 알코올을 강산에서 가열 알카인합성 1. 아세틸렌의 탄소-탄소형성반응 2. 알켄 → 할로알칸 → 강염기에서 탈할로겐화

26 알켄(alkene) /알카인(알킨, alkyne) 유기화학 알켄의 반응 1. 친전자성 첨가반응 - 마르코프니코프 규칙
: 비대칭 이중결합에서 수소가 많은 쪽으로 친전자체의 양이온성 화학종이 결합한다. - 탄소양이온의 안정도 : 알킬기(수소보다 전자밀도가 높음)가 많을 수록 안정 - 할로겐화수소첨가반응, 수화반응, 할로겐첨가반응

27 알켄(alkene) /알카인(알킨, alkyne) 유기화학 알켄의 반응 2. 수소화붕소 첨가반응 - 반마르코프니코프형 반응
- 생성된 알킬보란은 알콜합성에 사용 3. 산화반응 - 1,2 디올 생성; KMnO4, OsO4 + H2O - 에폭시화물 생성; 과산화산 - 알데히드/케톤화합물 생성; 오존 4. 할로히드린 생성 - 브롬, 염소 + H2O 5. 수소첨가반응; Pt, Ni, 등 촉매 사용 - 알칸합성

28 알켄(alkene) /알카인(알킨, alkyne) 유기화학 알켄의 반응 6. 자유 라디칼 중합반응
- 단량체가 중합체로 변환되는 반응 - 플라스틱, 인조가죽 등 7. 짝지은 이중결합의 반응 - 할로겐화 수소의 할로겐 첨가 반응 ; 공명화 구조의 이해 - 딜스-알더 반응 ; 고리화 첨가반응

29 알켄(alkene) /알카인(알킨, alkyne) 유기화학 알킨의 반응 1. 친전자성 첨가반응 - 마르코프니코프 규칙
2. 수화반응 - 황산수은 촉매 사용 - 케톤/알데히드 합성 3. 환원반응 - 수소첨가반응 - 시스알켄합성시 린들러 촉매 사용 - 트랜스알켄합성시 암모니아/리튬 사용

30 할로겐화알킬(alkyl halide) 유기화학 무거운 액체 비극성 용매: CH2Cl2, CH3Cl, CCl4
드라이클리닝, 추출용매, … 소화기 Freon: CCl2F2 Teflon: C-C, C-F 결합

31 할로겐화알킬(alkyl halide) 유기화학 탄소의 sp3 궤도함수 + 할로겐 궤도함수 → 정사면체 구조
C-X 결합력은 X의 분자량이 커질수록 감소 친전자체; C의 부분 양전하

32 할로겐화알킬(alkyl halide) 유기화학 관용명: carbon tetrachloride chloroform
allyl chloride vinyl chloride benzyl bromide IUPAC: halo- 1-bromopropane bromocyclohexane triphenyl chloromethane dichlorometane

33 할로겐화알킬(alkyl halide) 유기화학 R-H + X2 → R-X +HX ROH +HX → R-X +H2O
빛 R-H + X2 → R-X +HX ROH +HX → R-X +H2O ROH +PCl5 → R-Cl +POCl3 + HCl ROH +SOCl2 → R-Cl +SO2 + HCl -C=C- + HX → -CH-CX- -C=C- + X2 → -CX-CX-

34 유기화학 할로겐화알킬(alkyl halide)

35 할로겐화알킬(alkyl halide) 유기화학 친핵성 치환반응 SN2 반응

36 할로겐화알킬(alkyl halide) 유기화학 SN1 반응

37 유기화학 할로겐화알킬(alkyl halide)

38 할로겐화알킬(alkyl halide) 유기화학 제거반응

39 할로겐화알킬(alkyl halide) 유기화학 E2 반응 E1 반응

40 할로겐화알킬(alkyl halide) 유기화학 치환반응 vs. 제거반응

41 할로겐화알킬(alkyl halide) 유기화학 할로겐화아릴 vs. 할로겐화비닐

42 방향족화합물(aromatic compound) 유기화학
벤젠: C6H6 → 공명구조 평면 고리형, Conjugation-안정성 첨가반응 보다는 치환반응 C-C 결합 길이는 모두 동일-1.39Å 휘켈규칙을 따름

43 방향족화합물(aromatic compound) 유기화학

44 방향족화합물(aromatic compound) 유기화학
관용법: toluene, phenol, bezoic acid ortho-, meta-, para- : 두 개 이상의 작용기 TNT: 세 개의 나트로 작용기가 붙는 톨루엔 IUPAC: 벤젠고리-페닐기 톨루렌 치환기-벤질기 벤젠의 반응: 치환반응이 주로 일어남. 할로겐화-FeX3 등을 촉매로 사용 니트로화-벤젠+질산 술폰화-벤젠+황산 프리델-크래프트 반응: AlCl3 촉매사용 - 알킬화반응 - 아실화반응

45 방향족화합물(aromatic compound) 유기화학
다중 고리형 방향족 화합물 Naphthalene Anthracene

46 입체화학 (stereo chemstry) 유기화학
삼차원적 구조 – 입체이성질체-거울상이성질체 부분입체이성질체 피셔투영도 비대칭탄소

47 입체화학 (stereo chemstry) 유기화학
광학활성 : 편광

48 입체화학 (stereo chemstry) 유기화학
R-S 체계 비대칭 탄소에 연결된 원자의 원자량 고려 같은 원자 번호이면 다음 번 원자 고려 다중결합은 같은 원소가 여러 번 연결 된 것으로… 가장 작은 번호는 관찰자 반대편으로… 시계방향: R 반시계방향: S

49 입체화학 (stereo chemstry) 유기화학
E-Z 체계: cis-trans 구분이 곤란할 경우

50 알코올(alcohol) 유기화학 수산화기 (히드록시기)가 포함된 화합물: CnH2n+1OH

51 알코올(alcohol) 유기화학 관용명 2가 알코올은 2가 탄화수소기 다음에 글라이콜을 붙임. IUPAC
성질: 수소결합

52 알코올(alcohol) 유기화학 합성 가수분해: 할로겐화알킬을 수산화물과 반응 에스테르를 산이나 염기로 반응
카르보닐 화합물의 환원 에스테르 환원 알켄의 수화 카르보닐 화합물과 그리냐드 시약의 반응 포름알데히드 – 1차 알코올 알데히드 – 2차 알코올 케톤/에스테르 – 3차 알코올

53 알코올(alcohol) 유기화학 반응 HX와 반응 – 할로겐화 알킬 생성
에스테르화 – 카르복시산, 산염화물, 산무수물 등과 반응 에테르화 – 산 촉매에서 가열 - 염기 촉매에서 할로겐화 알킬과 반응 산화 1차 알코올 – 알데히드 2차 알코올 – 케톤 3차 알코올 – 케톤, 산 알콕시드 형성

54 알코올(alcohol) 유기화학 메탄올: Cr2O3•3ZnO 촉매 사용 CO + H2 무색 액체 밀도 0.81 음용시 실명
공기중 연소 산화시 포름알데히드를 거쳐 포름산이 됨 에탄올: 발효 또는 에틸렌의 물 첨가 산화시 아세트알데하이드를 거쳐 아세트산이 됨 진한황산에서 에틸렌, 에테르 에틸렌글리콜: 자동차 냉각수 글리세린: 유지의 가수분해, 보습제

55 알코올(alcohol) 유기화학 페놀: 벤젠의 알콜형 산성

56 알코올(alcohol) 유기화학 티올화합물: -OH기의 산소 대신 S mercaptane : 수은을 잡아먹는다는 뜻
alkane 이름 다음에 –thiol 이란 말을 붙임 알코올보다 끓는점이 낮다-수소결합이 없다 알코올보다 센 산성도-S가 커서 편극성이 더 큼