| ⚗️ 유기화합물 (가나다순) |
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탄화수소 유도체 |
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1. 탄화수소물의 종류
Aldehyde. '알'코올에서 수소를 떼었다는('데하이드'레이티드) 뜻이다. 일반식은 RCHO(O=C-H)이다.[1] 결과적으로는 카보닐기(C=O)를 유지하고 있다. 액성은 중성에 가깝다. 주로 알코올의 산화 과정에서 부산물로 생긴다. 예를 들면 가열한 구리줄을 메탄올에 넣어 주면 메탄올이 산화되어 포름알데하이드가 생성된다.이것을 환원시키면 다시 알코올이 나오고 산화시키면 카복실산이 된다. 산화성이 매우 강력하여 환원제로 많이 쓰인다.
탄소의 개수에 따라 어는점과 끓는점이 높아지는 알케인과는 달리, 물리적 특성이 제각각이다. 알케인과는 달리 분자 구조가 특이한 게 많아서인듯. 탄소 수가 적을수록 물에 잘 녹긴 한다.
케톤과 함께 카르보닐 그룹으로 묶는다.[2] 카르보닐 기가 말단에 있으면(한쪽이 R, 다른쪽이 H가 붙으면) 알데하이드고 그렇지 않으면(한쪽에 R, 다른쪽에 R'이 붙으면) 케톤이다. 케톤이랑 알데하이드는 이성질체이기도 하다.
알케인과 마찬가지로 매우 간단한 구조이기 때문에 이성질체가 많은데, 탄소 분자가 하나 추가될 때마다 이성질체의 가짓수가 기하급수적으로 증가한다.
치환기가 없고 단순한 알데하이드는 모두 독성 물질이며, 가장 독성이 약하다는 에탄알(아세트알데하이드)만 하더라도 발암물질. 나머지에 대해선 더 이상의 자세한 설명은 생략한다. 특히 메탄알(포름알데하이드)은 거듭 주의할것!
참고로 모든 알데하이드는 -알로 끝이 난다. (-al) IUPAC 명명법에서는 '-ane'을 '-anal'로 바꿔 부르게 한다. 알데하이드를 알칸알(alkanal)이라고도 한다. 다만 일부는 관용명으로 부른다. 대표적으로 HCHO는 메탄알 혹은 포름알데하이드, CH3CHO는 에탄알 혹은 아세트알데하이드라고 부른다. 각각 'H-'를 뜻하는 'form-'과 'CH3-'를 뜻하는 'acet-'에서 따온 말이다.
1.1. 알도스(Aldose)
탄수화물에서 단당류의 일부는 알코올기(-OH)가 여러 개 붙은 알데하이드이며, 이것들을 묶어서 알도스(Aldose)라고 분류한다. 포도당과 리보스가 여기에 속한다.한편 알데하이드의 구조이성질체로 이해해볼수있는 케톤은 알코올기(-OH)가 여러 개 붙은 이것들을 묶어서 역시 케토스(ketose)로 분류할수있다.
2. 반응
알데하이드의 반응은 주요하게 3가지가 있는데: 이 세 가지가 알데하이드의 반응에 대해서 공부하는 사람이 대체적으로 배우는 부분이다.예전 화1에서는 카복실산으로의 산화 반응, 알코올로의 환원 반응, 은거울 반응, 펠링 반응을 배웠다.
2.1. 산화 반응
알데하이드의 경우 산성에서 산화 반응을 거치면 카복실산, 염기성에서 산화 반응을 거치면 카복실산의 염으로 존재한다. 산성에서는: RCHO + H2O → RCOOH + 2H+ + 2e-의 형태를 띠며, 염기성에서는:RCHO + 3OH- → RCOO- + 2H2O + 2e-의 형태를 띤다.
실험실에서는 주로 다이크로뮴산칼륨(K2Cr2O7), 과망간산칼륨(KMnO4)등을 사용하며, 다이크로뮴산칼륨을 사용했을 시의 반응은: 3RCHO + Cr2O72- + 8H+ → 3RCOOH + 2Cr+3 + 4H2O이다.
만약 알데하이드가 엔올레이트 형태를 갖추지 못하는 알데하이드라면, 일반적인 방법으로는 산화가 불가능하며, 강염기를 이용해 불균화 반응을 일으켜서 알코올과 카복실산이 섞인 혼합물을 얻는 방법이 있다. 벤즈알데하이드를 산화-환원하는 방법이 이 방법.
2.2. 환원 반응
알데하이드가 환원 반응을 거치면 일차 알코올이 된다. [3] 알데하이드의 환원 반응을 진행하는 방법은 여러가지이지만, 제일 보편적인것은 금속수소화물(예를 들면 수소화알루미늄리튬 (LiAlH4))을 이용한 방법이다. 반응의 진행방식은 친핵체 첨가 반응과 비슷하며, LiAlH4가 H-를 제공하며, 이 수소음이온이 친핵체 역할을 한다.카복실산이 환원 반응을 거치면 알데하이드나 알코올이 되며, 이때 사용하는 방법 또한 DIBAH(Diisobutylaluminium hydride)와 같은 금속수소화물을 이용한 방법이다. 수소화알루미늄리튬을 다시 사용해도 좋다. 이때 DIBAH를 사용하면 케톤에서 반응이 멈추고, LiAlH4를 사용하면 반응이 매우 빠르게 진행되어 물과 알코올이 생성된다. [4]
2.3. 친핵체 첨가 반응
알데하이드의 첨가반응은 삼각 평면구조 (Trigonal planar)에서 평면의 75도로 첨가반응이 이루어지며 이를 통해 삼각뿔 구조(Tetrahedron)가 완성되며, 이를 통해 입체 이성질체(흔히 말하는 R-S 이성질체)가 굉장히 많이 발생하게 된다.일반적으로 알데하이드와 케톤이 같이 존재할때 첨가반응은 알데하이드가 우세하다. 알데하이드와 케톤이 반응하는 첨가반응은 친핵성 첨가 반응인데, 이 경우 전기 음성도 차이[5]로 인해 약간의 양성을 띄는 카보닐기의 탄소에 반응이 일어난다. 이때, 카르보닐그룹으로 주위의 알케인(R) 그룹이 전자를 밀어주게 되는데 [6]알데하이드는 한쪽에만 알케인그룹이 존재해 전자를 밀어주는 힘이 약해 케톤에 존재하는 카보닐기의 탄소원자보다 부분전하의 양성이 강해 친핵성 첨가 반응이 수월하게 이루어지기 때문이다. [7] 또한, 양쪽에 알케인 그룹이 존재해 입체 방해가 큰 케톤에 비해, 한쪽에 제일 작은 원자인 수소를 달고 있는 알데하이드는 입체 방해가 그만큼 적어 첨가 반응이 이뤄지기 쉬운 부분도 있다.[8]
2.4. 은거울 반응, 펠링 반응
암모니아성 질산은 용액에 알데하이드를 가하면 용액 속의 은 이온이 환원되면서 은 입자가 석출된다. 이때 석출된 은이 시험관 벽에 달라붙어 은거울을 만든다.RCHO + 2Ag(NH3)2OH → RCOOH + 4NH3 + H2O + 2Ag↓
푸른색 펠링 용액에 알데하이드를 넣고 가열하면 펠링 용액 속에 있는 구리 이온이 환원되어 붉은 색의 산화구리(1)(Cu2O) 앙금이 생성된다.
RCHO + 2Cu2+ + 4OH- → RCOOH + 2H2O + Cu2O↓
은거울 반응과 펠링 반응을 하는 물질로는 알데하이드, 포름산(HCOOH), 포름산의 에스테르(HCOOR), 단당류, 이당류 등이 있다. 그래서 이 반응은 환원력이 강한 물질을 검출하는 데 쓰인다.
3. 관련 항목
[1]
R=H 인 알데하이드는 특별히
포름알데하이드라고 부른다.
[2]
>C=O 가 카르보닐 기
[3]
일차
알코올의 경우, 수산기(-OH)를 가진 탄소원자에 2개의 수소원자가 붙어있는
알코올을 의미한다. 이차
알코올의 경우 수산기를 가진 탄소에 또 다른 탄소원자가 하나 더 붙어 있는
알코올을 의미한다.
[4]
염화 아실같이
카복실산의 유도체들도 금속수소화물을 이용해 알데하이드, 또는
케톤으로 환원이 가능하다. 다만 아마이드는 금속수소화물을 사용할 경우 아민이 된다.
[5]
전기 음성도를 보면 산소가 3.5, 탄소가 2.5이기 때문에 두 원자 사이의 전자는 산소쪽으로 치우치게 된다. 이로 인해 탄소는 양성 부분전하, 산소는 음성의 부분전하를 가지게 된다.
[6]
hyperconjugation으로 탄소의 p 오비탈에 전자를 양쪽으로부터 기여받을 수 있는 케톤과는 달리 알데하이드는 한쪽에서만 기여받을 수 있기 때문에 상대적으로 전자밀도가 알데하이드가 더 낮기 때문이다.
[7]
부분전하의 양성이 강할수록 친핵체와의 반응이 잘 이루어진다.
[8]
이 효과는
케톤과 알데하이드에 붙어있는 알케인 그룹 (R 그룹)이 크면 클수록 확실하게 나타난다.
[9]
포름알데히드를 30%정도로 희석해서 파는 시판명