Fundamentals of Organic Chemistry 기본유기화학 John McMurry Sang-Jae Lee

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1 Fundamentals of Organic Chemistry 기본유기화학 John McMurry Sang-Jae Lee
Silla Univ. Lab. Of Applied Biochemistry Organic Chemistry Fundamentals of Organic Chemistry John McMurry 기본유기화학 Sang-Jae Lee Division of Applied Biology and Chemistry Kyungpook National University

2 CONTENTS 1 Structure and Bonding; Acids and Bases Atomic Structure
Silla Univ. Lab. Of Applied Biochemistry Organic Chemistry CONTENTS 1.1 Atomic Structure 1.2 Atomic Structure: Electron Configurations 1 Structure and Bonding; Acids and Bases 1.3 Development of Chemical Bonding Theory 1.4 The Nature of Chemical Bonds 1.5 Forming Covalent Bonds: Valence Bond Theory 1.6 sp3 Hybrid Orbitals and the Structure of Methane 1.7 sp3 Hybrid Orbitals and the Structure of Ethane 1.8 Other Kinds of Hybrid Orbitals: sp2 and sp 1.9 Polar Covalent Bonds: Electronefativity 1.10 Acids and Bases: The Bronsted-Lowry Definition 1.11 Organic Acids and Organic Bases 1.12 Acids and Bases: The Lewis Definition

3 Chapter 1. 구조와 결합: 산과 염기

4 유기화학의 유래 역사적으로 1700년대 후반, 유기화학은 생물체에서 발견된 화합물의 화학을 의미
유기화합물은 일반적으로 낮은 녹는점의 고체, 1800년대 중반까지 유기/무기화합물 사이에 근본적인 차이가 없다고 간주 유기화학은 탄소 화합물을 주 연구 대상 왜 탄소는 특이한가? 현존하는 3700만 이상의 화합물 중 99% 이상이 탄소 포함

5 탄소! C! Carbon!을 생각하라! 4A족 원소로서, 탄소 원자는 4개의 원자가 전자(valence electron)를 공유하고 4개의 강한 공유결합을 형성한다.

6 1.1 원자구조 원자구조 양이온을 가지는 핵 (밀도가 큼, 양성자 및 중성자, m) 음이온을 가지는 전자 (10-10 m) 원자의 지름 2  m (200 picometers (pm)) [angstrom (Å) 단위는 m = 100 pm]

7 원자번호와 질량수 원자번호 (Z): 원자내 양성자(또는 전자)의 수 질량수(A): 양성자와 중성자의 수를 합한 수
주어진 원소의 모든 원자들은 동일한 원자 번호를 가진다. 동위원소: 동일한 원자 번호를 가지나 다른 수의 중성자를 가지는 원자 원소의 원자량(atomic weight): 한 원소의 매우 많은 원자들을 원자 질량 단위(amu: atomic mass unit)로 나타낸 평균 질량

8 원자구조: 궤도함수 (Orbital) 전자들의 원자 내 분포: 양자역학적 모형(quantum mechanical model)에 따라 원자 내의 특정 전자의 행동을 파동 방정식 (wave equation)이라 부르는 수학적 표현으로 기술 파동 방정식의 해는 파동 함수(wave function) 또는 궤도함수(orbital)라 하며 그리스 소문자 프사이(psi), 로 나타낸다. 궤도함수는 전자들을 가장 잘 발견할 수 있는 핵 주위의 공간 부위

9 궤도함수 모양 s, p, d 및 f로 표시되는 4개의 다른 종류의 궤도함수가 있으며 모양도 서로 다르다
p 궤도함수는 아령 모양이며, 주어진 껍질 내의 3개의 다른 p 궤도함수는 상호간 수직 방향에 따라 공간에 배향되어 있다

10 궤도함수와 전자껍질(shell) 궤도함수는 다른 층 또는 전자 껍질(electron shell)로 조직되어 있는데 이것은 순차적으로 보다 큰 크기와 에너지를 가진다. 다른 껍질은 다른 수와 종류의 궤도함수를 가지며 각 궤도함수는 2개의 전자에 의해 점유될 수 있다 첫 번째 껍질은 1s라 부르는 단 1개의 s 궤도함수를 가진다. 2개의 전자 보유 두 번째 껍질은 1개의 s 궤도함수(2s로 표시)와 3개의 p 궤도함수(각각 2p로 표시)를 가지므로 전체 8개의 전자를 보유한다. 세 번째 껍질은 1개의 s 궤도함수(3s), 3개의 p 궤도함수(3p)와 5개의 d 궤도함수(3d)를 가지므로 전체 18개의 전자를 보유할 수 있다.

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12 1.2 원자구조: 전자배치 한 원자의 가장 낮은 에너지 배열 또는 바닥상태 전자배치(ground-state electron configuration) 는 원자의 전자가 점유하는 궤도함수를 나타냄. 규칙 1: 최저 에너지 궤도함수는 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d의 순서에 따라 채워진다. 규칙 2: 단지 2개의 전자만 하나의 궤도함수를 점유할 수 있으며 스핀(spin)은 반대이어야 한다. 규칙 3: 만약 동일한 에너지의 2개 또는 그 이상의 비어 있는 궤도함수가 있다면, 모든 궤도함수가 반이 채워질 때까지 1개의 전자가 각각 평행한 스핀으로 점유한다.

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14 1.3 화학결합 이론의 발전 1858년에 Kekule´ 와 Couper는 모든 유기화합물에서 탄소는 4원자가(tetravalent)이며 다른 원소와 결합할 때 항상 4개의 결합을 형성한다고 제안하였다. van't Hoff 과 Le Bel는 탄소의 4개의 결합이 임의로 배향된 것이 아니라 일정한 공간적 배향을 가진다고 제안하였다. 탄소 원자에 결합된 4개의 원자들은 정사면체의 모서리에 자리하고 탄소는 그 중심에 있다고 제안.

15 1.4 화학결합의 성질 원자들은 서로 결합하는데 그 이유는 결합하여 생성된 화합물이 원자로 분리되어 있을 때보다 더 안정(더 적은 에너지)하기 때문이다. 이온들은 Na+ Cl-에서와 같이 화합물 내에서 정전기 인력에 의해 서로 결합하며 이것을 이온결합(ionic bond)이라 한다. 탄소는 전자를 잃거나 얻는 것이 아니고 그들을 공유함으로써 다른 원자들과 결합한다. 공유결합 (G. N. Lewis, 1916) 최외각전자 껍질 또는 원자가 껍질(valence shell) 내의 8개의 전자— 8전자계— 가 8A족의 영족 기체 원소들에 특별한 안정을 준다.

16 루이스구조(electron dot): 원자의 원자가 전자를 점으로 나타내는 것.
수소는 1개의 점(1s), 탄소는 4개의 점(2s22p2) Kekule 구조 (line-bond structures): 원자들 사이에 그린 1개의 선은 2개 전자 공유결합을 나타냄.

17 수소는 1개의 원자가 전자(1s)를 가지므로 헬륨 배치(1s2)가 되는 데 1개 더 필요하다
탄소는 4개의 원자가 전자(2s2 2p2)를 가지므로 네온 배치(2s2 2p6)가 되려면 4개의 전자가 더 필요하다. 그러므로 4개의 결합을 형성한다 질소는 5개의 원자가 전자 배치(2s2 2p3)를 가지므로 3개의 전자가 더 필요하다. 그러므로 3개의 결합을 형성한다 산소는 6개의 원자가 전자(2s2 2p4)를 가지므로 2개의 전자가 더 필요하다. 그러므로 2개의 결합을 형성한다

18 결합에 이용되지 않은 원자가 전자들을 고립 전자쌍(lone-pair electrons) 또는 비결합성
전자(nonbonding electrons)라 부른다. Nitrogen atom in ammonia (NH3) 18

19 1.5 공유결합의 형성: 원자가 결합 이론 전자의 공유가 어떻게 원자들 간의 결합을 이루게 하는가?
원자가 결합 이론(valence bond theory): 두 원자가 서로 접근하여 한 원자의 단일 점유 궤도함수가 다른 원자의 단일 점유 궤도함수와 겹칠 때 하나의 공유결합이 형성된다. 전자들은 이제 겹친 궤도함수 내에 쌍을 이루고 두 원자의 핵에 끌리게 되며 함께 원자들에 결합을 이룬다.

20 결합-형성 반응 2H·→ H2의 과정에서 436 kJ/mol(104 kcal/mol)의 에너지가 방출된다.
생성물인H2 분자의 에너지가 출발물질인2H·원자보다 436 kJ/mol 적은 에너지를 가지기 때문에 생성물이 반응물보다 더 안정하고 새 HH 결합은 436 kJ/mol의 결합 세기(bond strength)를 가진다고 한다.. (1 kJ = kcal; 1 kcal = kJ) 결합 길이(bond length): 최대 결합 안정도를 가지는 핵 간의 최적 거리.

21 1.6 sp3 혼성 궤도함수와 메테인의 구조 탄소는 4개의 원자가 전자를 가진다(2s2 2p2).
메테인에서 4개의 CH 결합은 동일하며 정사면체의 4개의 꼭지점을 향하여 배향되어있다. sp3 혼성궤도함수: 하나의 s 궤도함수와 3개의 p 궤도함수가 합쳐지거나 혼성화(hybridze)하여 정사면체 배향을 한 4개의 동일한 원자 궤도함수를 생성한다고 제안하였다, Pauling (1931)

22 메테인의 구조 4개의 동일한 sp3 궤도함수의 각각이 4개의 수소 원자와 겹칠 때 4개의 동일한CH 결합이 생성되며 메테인이 생성된다. 메테인의 각 CH 결합의 세기는 439 kJ/mol (105kcal/mol)이며 길이는 109 pm이다. 결합각(Bond angle): 각각의H— C —H에 의해 형성된 각은 소위 정사면체 각이라 부르는 109.5이다

23 1.7 sp3 혼성 궤도함수와 에테인의 구조 두 탄소 원자가 각각의 sp3 혼성 궤도함수의 겹침으로 결합형성.
각 탄소에 남아 있는 3개의 sp3 혼성 궤도함수는 3개 수소의 1s 궤도함수와 겹쳐 6개의 CH 결합을 형성한다 C–H 결합의 세기는 421 kJ/mol. CC 결합의 길이는 154 pm이며 377 kJ/mol(90 kcal/mol)의 세기를 가진다. 에테인의 모든 결합각은 정사면체의 값인 109.5에 근접한다. 9월 9일

24 조편성 조원1 조원2 조원3 조원4 조원5 1조 2조 3조 4조 5조 6조 7조 8조 강예린 박홍빈 송다혜 윤수빈 정다영 1
권민욱 배인성 백재우 이효민 김동규 1 3조 김가희 배진혁 송명훈 이예린 신성주 1 4조 김다현 김수민 신혜지 이해영 1 5조 김민재 박희슬 안태경 유혜린 지은주 1 6조 김소연 김수연 손다영 양수진 정민수 1 7조 김민수 백민준 안지영 장다운 허혁준 1 8조 김세진 박찬호 손준희 유미림 1

25 조별 Practice 1 짝수조 홀수조 CH4를 만들고 이 화합물의 구조가 무극성분자구조인지 극성분자구조인지 설명하시오! CH4를 만들고 이 화합물의 결합각이 4개 모두 109.5°임을 설명하시오!

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27 1.8 다른 종류의 혼성 궤도함수: sp2 와 sp sp2 혼성궤도함수: 2s 궤도함수가 2개의 2p 궤도함수와 화합하여 생성. 1개의 sp2 혼성화 탄소 원자에서 3개의 sp2 궤도함수는 한 평면에서 서로 120의 각도로 놓여 있게됨. 남은 p 궤도함수는 sp2 평면에 수직으로 위치. 3월 16일부터

28 sp 혼성궤도함수 C-C a triple bond sharing six electrons 2s 궤도함수가 단 1개의 2p 궤도함수와 화합하여 형성 2개의 혼성화되지 않은 2p 궤도함수는 변화되지 않고 남는다. 1개의 sp 혼성 탄소 원자에서 2개의 sp 궤도함수는 180도로 서로 떨어져 배향되어 있다. 남은 2개의 p 궤도함수는 sp 혼성체와 서로 간에 수직인 위치에 존재

29 sp2 혼성궤도를 이용한 결합형성 2개의 sp2 혼성화 탄소 원자들이 서로 접근할 때 sp2-sp2 머리들이 겹쳐 강한 1개의 sigma (s) 결합을 형성한다. 혼성화되지 않은 p 궤도함수는 측면으로 상호작용하여 둘째 pi () bond 결합을 생성한다. sp2–sp2 겹침과 2p–2p 겹침의 조합은 2개의 전자쌍을 공유하므로 탄소탄소 이중결합의 형성을 가져온다. 결합의 전자들은 핵 사이의 부위를 점유하나 결합의 전자들은 핵 사이에 그린 선의 양쪽 측면 부위를 점유한다.

30 에틸렌의 구조 수소 원자 4개가 남은 4개의 탄소 sp2 궤도함수에 결합을 형성하여 에틸렌의 구조를 완성한다.
H–C–H 과 H–C–C의 결합각은 약 120° 에틸렌의 이중결합은 에테인의 단일결합보다 더 짧고 더 강하다. 에틸렌의C-C 결합 길이는 134 pm이고 728 kJ/mol(174 kcal/mol)의 강도를 가진다.

31 아세틸렌의 구조 2개의 sp 혼성화 탄소원자가 서로 접근할 때 각각의 sp 혼성 궤도함수는 머리-머리 겹침을 하여 강한 sp-sp s 결합을 형성한다. 각 탄소로부터 pz 궤도함수는 측면결합에 의해 pz-pz 결합을 형성한다. 그리고 비슷하게 py 궤도함수는 py –py p 결합을 형성한다.

32 1.9 극성 공유결합: 전기음성도 공유결합도 이온성 경향을 가질 수 있다.
그러한 결합을 극성 공유결합(polar covalent bond)이라 한다. 공유전자들은 다른 원자보다 한 원자에 더욱 세게 끌림을 말한다. 따라서 원자들 사이의 전자 분포가 대칭적이 아니다.

33 결합 극성과 전기음성도 전기음성도 (EN): 공유결합에서 전자를 끌어당기는 원자의 본질적 능력.
원자간 전기음성도 차이가 결합극성의 원인이 된다. 전기음성도는 가장 큰 전기음성도를 가진 플루오린(F, EN 4.0)과 가장 작은 세시움(Cs, EN 0.7)을 임의의 척도로 하여 정하였다. 주기율표의 왼쪽에 있는 금속들은 전자들을 약하게 끌어당겨 낮은 전기음성도를 가진다. 주기율표의 오른쪽에 있는 산소, 질소, 할로젠은 전자를 강하게 끌어당겨 보다 높은 전기음성도를 가진다. 탄소의 EN = 2.5

34 주기율표와 전기음성도

35 결합극성(Bond Polarity) 과 유발효과 (Inductive Effect)
탄소와 산소나 염소처럼 더 전기음성적인 원소 사이의 결합은 극성 공유결합. 전자들은 탄소로부터 더 전기음성적인 원자 쪽으로 끌려 탄소는 +로 표시되는 부분 양전하를 남기고, 더 전기음성적인 원자는 -로 표시되는 부분 음전하를 남긴다. 유발효과(Inductive effect): 단순히 이웃한 원자들의 전기음성도에 상응하여 한 결합 내의 전자들이 이동하는 현상.

36 정전기 퍼텐셜 지도: 색을 이용하여 전자가 풍부(붉은색)한 곳과 전자가 부족(파란색) 지역을 나타낸다
화살표는 결합 극성의 방향을 나타냄

37 조편성 조원1 조원2 조원3 조원4 조원5 1조 2조 3조 4조 5조 6조 7조 8조 강예린 박홍빈 송다혜 윤수빈 정다영 1
권민욱 배인성 백재우 이효민 김동규 1 3조 김가희 배진혁 송명훈 이예린 신성주 1 4조 김다현 김수민 신혜지 이해영 1 5조 김민재 박희슬 안태경 유혜린 지은주 1 6조 김소연 김수연 손다영 양수진 정민수 1 7조 김민수 백민준 안지영 장다운 허혁준 1 8조 김세진 박찬호 손준희 유미림 1

38 조별 Practice 2 홀수조 짝수조 Ethyne = Acetylene 의 오비탈 구조를 만들고 SP 혼성 오비탈을 설명하시오. Methanol 의 구조를 만들고 이때 부분양전하를 띠는 탄소는 어느 것이며 그 이유를 설명하시오. 수요일

39 1.10 산과 염기: Brønsted–Lowry 정의
Brønsted–Lowry 산: 수소 이온(H +)을 주는 물질. Brønsted–Lowry 염기: 수소 이온을 받는 물질. 양성자라는 이름이 종종 중성인 수소 원자로부터 원자가 전자를 잃고 수소 핵, 즉 양성자를 남기기 때문에 H+에 대한 동의어로서 사용된다.

40 산-염기 반응 염화 수소 기체가 물에 용해할 때 산 HCl은 양성자를 염기인 물에 준다. 그 결과 하이드로늄(H3O+) 과 염화 이온(Cl )을 생성한다 산 HCl이 양성자를 잃고 생기는 생성물은 그 산의 짝염기(conjugate base)라 부르고, 염기H2O가 양성자를 얻어 생성된 생성물인H3O+를 염기의 짝산(conjugate acid)이라 부른다 .

41 산의 세기 수용액에서 주어진 산의 세기는 산도 상수(acidity constant), Ka 로 표기 할 수 있다.

42 pKa – 산의 세기 pKa = -log Ka 더 센 산(더 큰 Ka)은 더 작은 pKa을 가지며, 더 약한 산 (더 작은 Ka)은 더 큰 pKa를 가진다. 물의 pKa 는 15.74

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44 센 산은 약한 짝염기를 내놓고, 약한 산은 센 짝염기를 내어놓는다.
양성자는 항상 더 센 산에서 더 센 염기로 가는데, 그것은 산은 양성자를 더 큰 pKa 값을 가지는 더 약한 어느 산의 짝염기에 준다는 것을 의미한다. 센 산은 약한 짝염기를 내놓고, 약한 산은 센 짝염기를 내어놓는다. 약산 강염기 짝강염기 짝약산

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46 1.11 유기산과 유기염기 유기산 메탄올과 아세트산처럼 O-H 결합에서 양성자를 쉽게 줄 수 있는 물질이다.

47 조편성 조원1 조원2 조원3 조원4 조원5 1조 2조 3조 4조 5조 6조 7조 8조 강예린 박홍빈 송다혜 윤수빈 정다영 1
권민욱 배인성 백재우 이효민 김동규 1 3조 김가희 배진혁 송명훈 이예린 신성주 1 4조 김다현 김수민 신혜지 이해영 1 5조 김민재 박희슬 안태경 유혜린 지은주 1 6조 김소연 김수연 손다영 양수진 정민수 1 7조 김민수 백민준 안지영 장다운 허혁준 1 8조 김세진 박찬호 손준희 유미림 1

48 조별 Practice 3 짝수조 홀수조 Acetic acid 와 acetate ion 을 만들고 무엇이 산이고 염기인지 또한 두 물질의 산/염기 세기를 설명하시오. Methanol 과 acetic acid 를 만들고 둘의 산의 세기를 비교 설명하시오. 금요일

49 카복실산

50 유기염기 양성자가 결합할 수 있는 고립 전자쌍을 가진 원자를 포함하고 있다.
트라이메틸아민과 같은 질소를 포함한 화합물은 가장 보편적이나, 산소를 포함한 화합물은 충분히 센 산과 반응할 때 역시 염기로서 작용할 수 있다.

51 아미노산

52 1.12 산과 염기: Lewis 정의 Lewis 산(Lewis acid)은 1개의 전자쌍을 받을 수 있는 물질이고, Lewis 염기(Lewis base)는 전자쌍을 내어주는 물질이다.

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54 아래에 전자가 풍부한 Lewis 염기로부터 전자가 부족한 Lewis 산으로 움직이는 전자쌍 흐름의 방향이 굽은 화살표로 나타나 있다.
굽은 화살표는 항상 전자쌍 중 하나가 화살표의 꼬리에 있는 원자로부터 화살표의 머리에 있는 원자로 이동하는 것을 의미한다

55 유기식품: 위험 대 혜택