Chapter 15

방향족 치환 반응

벤젠은 C=C를 셋이나 가진 것처럼 그려지지만 Br₂를 넣어도 알켄처럼 탈색되지 않는다. 고리 위의 π 전자 여섯 개가 방향족 안정화(→ 14장)로 묶여 있어서, 이것을 깨는 첨가 반응은 오르막이기 때문이다. 그래서 벤젠은 강한 친전자체를 만나면 잠시 방향족성을 잃은 시그마 착물을 거친 뒤, 붙은 자리의 H⁺를 내놓고 방향족 고리를 되찾는다. 결과는 첨가가 아니라 치환이다. 고리에 이미 붙은 치환기는 이 반응을 빠르게도 느리게도 만들고, 새 치환기가 들어갈 자리(오르토·메타·파라)도 정한다. 이 규칙을 알면 원하는 다치환 벤젠을 어떤 순서로 만들지 설계할 수 있다. 반도체 공장의 g선·i선 감광막도 이 화학으로 만든다. 크레졸과 폼알데하이드를 산 촉매로 이은 노볼락 수지, 그리고 다이아조나프토퀴논(DNQ) 감광제가 모두 방향족 치환의 산물이다. 아래 그림에서 친전자체가 벤젠에 붙었다가 H⁺가 떠나는 과정을 보자.

누르면 친전자체가 바뀝니다 · 친전자체를 끌어 고리에 붙여 보세요

친전자성 방향족 치환(EAS)의 2단계 메커니즘을 굽은 화살표로 그리고, 시그마 착물의 공명 구조 셋과 에너지 도표로 첨가 대신 치환이 일어나는 이유와 속도 결정 단계를 설명한다.
할로젠화·나이트로화·설폰화에서 친전자체(Br⁺ 착물, NO₂⁺, SO₃)가 어떻게 생기는지 쓰고, 설폰화의 가역성을 막음기로 이용한다.
프리델–크래프츠 알킬화와 아실화의 메커니즘을 비교하고, 재배열·다중 알킬화·불활성 고리라는 세 가지 한계와 그 우회법(아실화 후 환원)을 안다.
치환기를 활성화·불활성화, 오르토·파라·메타 지향으로 분류하고, 시그마 착물 공명 구조로 그 까닭을 설명한다. 부분 속도 인자와 하메트 σ로 효과를 숫자로 나타낸다.
이치환 벤젠의 지향 효과를 예측하고, 지향기 변환(NO₂→NH₂, CH₃→COOH)과 막음기를 써서 다치환 벤젠의 합성 순서를 설계한다.
SNAr(마이젠하이머 착물)과 벤자인 메커니즘, 다이아조늄 염의 치환과 짝지음을 설명하고, 노볼락 수지와 DNQ 감광제의 합성을 방향족 치환으로 읽는다.

친전자성 방향족 치환의 메커니즘

알켄은 Br₂와 바로 첨가 반응을 한다(→ 8장). 벤젠은 그렇지 않다. Br₂만 넣으면 거의 반응하지 않고, FeBr₃ 같은 루이스산을 함께 넣어야 반응한다. 그때 생기는 것도 다이브로모 첨가물이 아니라 브로모벤젠과 HBr이다. 고리의 H 하나가 Br로 바뀌었으므로 이 반응을 친전자성 방향족 치환(electrophilic aromatic substitution, EAS)이라 한다.

까닭은 에너지에 있다. 벤젠의 π 전자 여섯 개는 고리 전체에 고르게 퍼져 있고, 이 비편재화로 가상의 ‘사이클로헥사트라이엔’보다 약 150 kJ/mol 안정하다. 이것이 방향족 안정화 에너지(aromatic stabilization energy)다(→ 14장). 첨가 생성물은 이 안정화를 잃지만 치환 생성물은 그대로 지닌다. 기체상 생성열로 계산하면 벤젠 + Br₂ → 브로모벤젠 + HBr은 약 −45 kJ/mol로 내리막이다. 반면 알켄에 Br₂를 더하는 반응열(약 −120 kJ/mol)에 방향족 안정화 손실(약 +150 kJ/mol)을 더하면 첨가는 오르막이 된다.

같은 시그마 착물에서 두 길이 갈라진다. H⁺를 잃으면 방향족 고리가 돌아와 크게 내리막이고, Br⁻이 붙으면 방향족 안정화를 잃은 다이엔이 되어 오르막이다. 생성물 에너지는 기체상 생성열과 방향족 안정화 약 150 kJ/mol로 어림한 값이다.

두 단계: 시그마 착물을 거친다

EAS는 두 단계로 일어난다. ① 방향족 π 전자쌍이 친전자체 E⁺를 공격해 고리 탄소 하나와 새 σ 결합을 만든다. 그 탄소는 sp³가 되고, 남은 다섯 탄소에 π 전자 넷과 양전하 하나가 퍼진다. 이 양이온 중간체를 시그마 착물(σ complex) 또는 아레늄 이온(arenium ion)이라 한다(웰란드 중간체라고도 부른다). 방향족성이 깨지므로 이 단계가 느리다. ② 염기(HSO₄⁻, FeBr₄⁻ 등)가 sp³ 탄소의 H⁺를 떼어 가면, C–H 결합의 전자쌍이 고리로 돌아와 방향족 고리가 복원된다. 이 단계는 빠르다.

FeBr₃ 촉매 브로민화. ① 루이스산 FeBr₃가 Br₂의 한쪽 Br에서 전자쌍을 받아 Br–Br 결합을 분극시킨다. ② 벤젠의 π 결합이 바깥쪽 Br을 공격한다. ③ 시그마 착물에서 FeBr₄⁻가 H⁺를 떼어 간다. ④ 브로모벤젠, HBr, 재생된 FeBr₃. ‘다음 단계’를 누르며 화살표를 따라가자.

시그마 착물의 양전하는 한 탄소에 머물지 않는다. sp³ 탄소를 1번으로 두면, 양전하는 공명으로 2·4·6번 탄소(새 결합 자리의 오르토·파라)에 나뉜다. 1·3·5번에는 양전하가 오지 않는다. 이 사실이 4절에서 치환기의 지향 효과를 설명하는 열쇠가 된다.

① 벤젠과 친전자체 E⁺. π 결합 하나(C1=C2)가 E⁺를 공격한다.
② 시그마 착물 공명 구조 A: 양전하가 C2에 있다. C3=C4의 π 전자쌍이 C2 쪽으로 옮겨 가면 B가 된다.
③ 공명 구조 B: 양전하가 C4(파라)에 있다. C5=C6의 π 전자쌍이 옮겨 가면 C가 된다.
④ 공명 구조 C: 양전하가 C6에 있다. 세 구조 모두 C1은 sp³이고 양전하는 2·4·6번에만 있다.
⑤ 공명 혼성체: π 전자 넷이 다섯 탄소에 퍼지고, δ+가 2·4·6번에 1/3씩 나뉜다. C1의 H와 E는 고리 평면 위아래에 있다.

시그마 착물(아레늄 이온)의 공명. 실제 구조는 세 구조의 혼성체 하나이고, 양전하는 친전자체가 붙은 자리의 오르토·파라 탄소에 모인다.

첫 단계가 속도를 정한다는 증거는 동위원소 효과(kinetic isotope effect)다. C–D 결합은 C–H보다 영점 에너지가 낮아 끊기 어렵다. 그런데 C₆H₆와 C₆D₆의 나이트로화 속도는 거의 같다($k_\mathrm{H}/k_\mathrm{D} \approx 1$). C–H가 끊어지는 둘째 단계가 속도 결정 단계였다면 $k_\mathrm{H}/k_\mathrm{D}$가 2–7 정도로 나왔을 것이다. 아래 실험실에서 시그마 착물의 에너지를 끌어 올리고 내리며, 첫 단계 장벽과 속도가 어떻게 함께 움직이는지 보자.

SIMULATOR

EAS 에너지 도표: 시그마 착물을 끌어 속도 바꾸기

방향족 안정화 에너지 고리 H를 D로 (C₆D₆)

모드

ΔG‡ (1단계)—

벤젠 대비 속도—

k_H/k_D—

과제—

해볼 것: ① 시그마 착물 점(●)을 위아래로 끌어 보자. 전이 상태 TS₁이 중간체를 따라 움직인다(하몬드 가설: 높은 에너지 중간체와 그 앞의 전이 상태는 닮았다). ② 방향족 안정화를 0으로 줄이면 첨가 생성물이 치환 생성물보다 낮아지는지 본다. 알켄은 이 경우다. ③ D로 바꾸면 둘째 장벽(TS₂)만 올라가고 속도는 거의 그대로다. ④ ‘목표 맞히기’에서 주어진 치환 벤젠의 상대 속도가 되도록 시그마 착물을 맞춰 보자.

속도 차이와 장벽 차이는 아이링 식으로 이어진다(→ 5장). 같은 온도에서 두 반응의 활성화 자유 에너지 차가 $\Delta\Delta G^\ddagger$이면 속도 비는 $k_1/k_2 = e^{\Delta\Delta G^\ddagger/RT}$다. 25 °C에서 5.7 kJ/mol마다 속도가 10배씩 바뀐다.

치환 벤젠이 벤젠보다 10^1.4 = 배 빠르게 나이트로화되면, 25에서 첫 단계 장벽이 .

25 °C 혼산 나이트로화에서 톨루엔은 벤젠보다 25배, 나이트로벤젠은 벤젠의 6×10⁻⁸배 빠르다(교과서 대표값). 각 경우 첫 단계의 $\Delta\Delta G^\ddagger$는?

풀이 보기

전략 속도 결정 단계가 같은 반응끼리는 $\Delta\Delta G^\ddagger = RT\ln(k_1/k_2)$이다. $RT$ = 8.314×10⁻³ × 298.15 = 2.479 kJ/mol.

풀이 톨루엔: $2.479\times\ln 25 = 2.479\times3.219 = 7.98$ kJ/mol 낮다. 나이트로벤젠: $2.479\times\ln(6\times10^{-8}) = 2.479\times(-16.63) = -41.2$, 곧 41.2 kJ/mol 높다.

톨루엔: 장벽 약 8.0 kJ/mol 낮음 · 나이트로벤젠: 약 41 kJ/mol 높음

검토 장벽 차이가 C–C 결합 에너지(약 350 kJ/mol)에 비하면 작아도, 지수 함수라 속도는 10⁷배 넘게 벌어진다. 나이트로벤젠이 프리델–크래프츠 반응의 용매로 쓰일 만큼 무딘 까닭이다.

할로젠화·나이트로화·설폰화

EAS의 둘째 단계(H⁺ 잃기)는 반응마다 같다. 다른 것은 친전자체를 어떻게 만드느냐다. 벤젠은 약한 친핵체이므로 Br₂, HNO₃, H₂SO₄를 그대로 쓰면 거의 반응하지 않는다. 루이스산이나 강산으로 이 시약을 훨씬 강한 친전자체로 바꿔야 한다.

① 나이트로화: 진한 H₂SO₄가 HNO₃의 OH를 양성자화한다(H₂SO₄가 더 강한 산).
② 양성자화된 HNO₃에서 물이 떨어져 나간다. O⁻의 비공유 전자쌍이 N=O를 하나 더 만든다.
③ 나이트로늄 이온 NO₂⁺: O=N⁺=O, 직선형. 이것이 나이트로화의 친전자체다. 전체로는 $\ce{HNO3 + 2H2SO4 -> NO2+ + H3O+ + 2HSO4-}$.
④ 브로민화·염소화: Br₂의 비공유 전자쌍이 루이스산 FeBr₃(또는 AlCl₃·FeCl₃)의 빈 오비탈로 간다.
⑤ Br–Br⁺–FeBr₃⁻ 착물. 바깥 Br이 δ+를 띠어 ‘Br⁺’처럼 행동한다. 염소화는 Cl₂/FeCl₃로 같은 식이다.
⑥ 설폰화: 발연 황산 속 SO₃(또는 양성자화된 HSO₃⁺)의 S가 산소 셋에 전자를 빼앗겨 강한 δ+를 띤다.

친전자체 만들기. 나이트로늄 이온, 할로젠–루이스산 착물, SO₃는 모두 벤젠의 π 전자를 끌어낼 만큼 전자가 모자라다.

할로젠화

브로민화와 염소화는 Br₂/FeBr₃, Cl₂/AlCl₃(또는 FeCl₃)로 한다. 실험실에서는 철가루를 넣어 Br₂와 반응시켜 FeBr₃를 그 자리에서 만들기도 한다. 아이오딘화는 I₂만으로는 열역학적으로 불리하므로(HI가 생성물을 다시 환원한다) HNO₃·H₂O₂·CuCl₂ 같은 산화제로 I₂를 I⁺ 상태로 만들어 쓰거나 ICl을 쓴다. 플루오린화는 F₂가 너무 격렬해 직접 쓰지 않고, 셀렉트플루오르 같은 ‘F⁺’ 시약이나 다이아조늄 염(7절)을 거친다.

나이트로화

진한 HNO₃와 진한 H₂SO₄의 혼합물(혼산)에서 생긴 NO₂⁺가 벤젠을 공격한다. 50 °C 근처에서 나이트로벤젠이 생기고, 더 세게(90 °C 이상, 발연 HNO₃) 하면 두 번째 NO₂가 메타 자리에 들어간다. 나이트로기는 Fe/HCl, Sn/HCl, H₂/Pd로 아미노기(–NH₂)로 환원할 수 있으므로, 나이트로화는 아닐린과 그 유도체로 가는 첫 단계이기도 하다(→ 20장).

나이트로화. ① 벤젠의 π 결합이 NO₂⁺의 N을 공격하고 N=O의 전자쌍이 O로 간다. ② 시그마 착물에서 HSO₄⁻가 H⁺를 떼어 간다. ③ 나이트로벤젠과 H₂SO₄. 산은 소모되지 않는다.

설폰화와 그 가역성

발연 황산(H₂SO₄에 SO₃를 녹인 것)으로 벤젠을 데우면 벤젠설폰산 C₆H₅SO₃H가 생긴다. 친전자체는 SO₃나 양성자화된 HSO₃⁺다. 설폰화는 다른 EAS와 달리 가역적이다. 묽은 산에서 가열하거나 수증기를 불어 넣으면 거꾸로 –SO₃H가 H로 바뀐다(탈설폰화). 진한 산(물이 적음)은 정반응을, 묽은 산과 높은 온도는 역반응을 유리하게 한다. 이 성질 덕분에 –SO₃H를 한 자리를 잠시 막아 두는 막음기(blocking group)로 쓸 수 있다(5절).

H₂SO₄ 농도 온도

MINI LAB설폰화 평형 $\ce{ArH + H2SO4 <=> ArSO3H + H2O}$의 모형. 물의 활동도가 작을수록(진한 산) 오른쪽, 온도가 높을수록 왼쪽으로 기운다. 곡선 위의 점을 끌거나 슬라이더로 조건을 바꿔 ‘설폰화 조건’과 ‘탈설폰화 조건’을 찾아보자. 수치는 경향을 보이는 모형값이다.

설폰산 ArSO₃H는 황산에 버금가는 강산이다(p-톨루엔설폰산 pKa ≈ −2.8, 이 책의 표값). 짝염기 ArSO₃⁻는 공명으로 음전하가 산소 셋에 퍼져 매우 안정하다. 그래서 설폰산 음이온은 친핵성이 약한 ‘착한’ 짝음이온으로 여러 곳에 쓰인다. 클로로설폰산(ClSO₃H)으로 설폰화하면 바로 설포닐 클로라이드 ArSO₂Cl이 생기는데, 이것은 알코올·페놀과 에스터를 만드는 시약이 된다(7절의 DNQ 에스터).

방향족 설폰화로 만드는 광산 발생제 음이온

KrF·ArF 화학 증폭형 감광막의 광산 발생제(PAG)는 빛을 받아 강산 H⁺X⁻를 내놓는 염이다. 양이온은 대개 트라이페닐설포늄(Ph₃S⁺)인데, 이것도 다이페닐 설폭사이드를 강산 속에서 벤젠과 반응시키는 EAS로 만든다. 음이온 X⁻는 PEB(노광 후 굽기) 동안 산이 얼마나 멀리 퍼지는지와 얼마나 강한지를 정한다. 초기 KrF 레지스트와 i선용 산 발생제에는 p-톨루엔설폰산 음이온(토실레이트)과 2,4,6-트라이아이소프로필벤젠설폰산 음이온처럼 방향족 설폰화로 만든 아릴설포네이트를 썼다. 부피가 큰 아이소프로필 세 개는 음이온을 무겁게 해 산의 확산 길이를 줄인다. 더 강한 산이 필요한 ArF·EUV에서는 퍼플루오로뷰테인설포네이트(노나플레이트) 같은 플루오린화 알킬설포네이트가 주류다. 같은 설폰산 화학이 세정에서도 나온다. 선형 알킬벤젠을 SO₃로 설폰화한 도데실벤젠설폰산은 대표적인 음이온 계면 활성제다. → LithoBook · 감광막의 화학

벤젠 15.0 g을 과량의 혼산으로 나이트로화해 나이트로벤젠을 얻었다. 이론 수득량과, 실제 수율이 85.0 %일 때 얻은 질량은? (C 12.011, H 1.008, N 14.007, O 15.999)

풀이 보기

전략 벤젠 1 mol이 나이트로벤젠 1 mol이 된다(C₆H₆ → C₆H₅NO₂).

풀이 몰질량: C₆H₆ 78.114, C₆H₅NO₂ 123.111 g/mol. $n = 15.0/78.114 = 0.1920$ mol. 이론 수득량 $0.1920\times123.111 = 23.6$ g. 85.0 %이면 $23.6\times0.850 = 20.1$ g.

이론 23.6 g, 실제 20.1 g

검토 H 하나(1.008)가 NO₂(46.005)로 바뀌므로 질량이 약 1.58배 늘어야 한다. 23.6/15.0 = 1.58로 맞다.

프리델–크래프츠 반응

1877년 프리델과 크래프츠는 AlCl₃가 할로젠화 알킬과 벤젠을 이어 준다는 것을 발견했다. 방향족 고리에 새 C–C 결합을 만드는 이 반응은 두 가지다. 할로젠화 알킬로 알킬기를 붙이는 프리델–크래프츠 알킬화(Friedel–Crafts alkylation)와, 산 염화물로 아실기(RC=O)를 붙이는 프리델–크래프츠 아실화(Friedel–Crafts acylation)다.

알킬화와 세 가지 한계

AlCl₃가 R–Cl의 Cl을 끌어당겨 탄소 양이온(또는 그와 비슷한 분극된 착물)을 만들고, 이것이 친전자체가 된다. 알켄 + 강산, 알코올 + 강산으로도 탄소 양이온을 만들어 같은 반응을 할 수 있다. 산업에서 벤젠 + 에텐으로 에틸벤젠(스타이렌 원료)을, 벤젠 + 프로펜으로 큐멘(아이소프로필벤젠)을 만드는 반응이 바로 이것이다. 그러나 알킬화에는 세 가지 약점이 있다.

탄소 양이온 재배열. 1-클로로프로페인으로 프로필벤젠을 만들려 해도, 1° 양이온이 하이드라이드 이동으로 2° 양이온이 되어 큐멘이 주로 생긴다(→ 8장의 재배열).
다중 알킬화. 알킬기는 고리를 활성화하므로(4절), 생성물 알킬벤젠이 출발 벤젠보다 더 빨리 반응한다. 그래서 다이·트라이알킬벤젠이 섞인다. 벤젠을 크게 과량 쓰면 줄일 수 있다.
불활성 고리와 아미노기. 할로젠벤젠보다 전자가 적은 고리(–NO₂, –CN, –COR, –SO₃H, –NR₃⁺가 붙은 고리)는 반응하지 않는다. –NH₂·–NHR·–NR₂가 붙은 고리도 질소의 비공유 전자쌍이 AlCl₃와 착물을 만들어 –NR₂⁺–AlCl₃⁻(강한 불활성기)가 되므로 반응하지 않는다. 또한 할로젠화 바이닐·할로젠화 아릴은 양이온을 만들지 못해 쓸 수 없다.

아실화: 재배열도 다중 치환도 없다

산 염화물 RCOCl과 AlCl₃는 아실륨 이온(acylium ion) R–C≡O⁺를 만든다. 산소의 비공유 전자쌍이 양전하를 나누어 맡는 공명(R–C⁺=O ↔ R–C≡O⁺) 때문에 아실륨 이온은 안정하고 재배열하지 않는다. 생성물인 아릴 케톤의 카보닐기는 고리를 불활성화하므로 두 번째 아실화가 일어나지 않는다. 대신 생성물 케톤의 산소가 AlCl₃와 단단한 착물을 만들므로 AlCl₃를 촉매량이 아니라 1당량 넘게 넣고, 끝에 물로 착물을 깬다.

프리델–크래프츠 아실화. ① AlCl₃가 아세틸 클로라이드의 Cl에서 전자쌍을 받는다. ② C–Cl이 끊어지며 O의 비공유 전자쌍이 C≡O⁺를 만든다. ③ 벤젠이 아실륨 이온의 탄소를 공격한다. ④ AlCl₄⁻가 H⁺를 떼어 간다. ⑤ 아세토페논, HCl, AlCl₃.

아실화로 붙인 C=O는 클레멘센 환원(Zn(Hg), HCl)이나 볼프–키시너 환원(H₂NNH₂, KOH, 가열), 또는 아릴 케톤이면 H₂/Pd로 CH₂로 바꿀 수 있다. 그래서 “아실화 후 환원”은 재배열 없이 곧은 사슬 알킬벤젠을 만드는 표준 우회로다.

벤젠 1 mol과 CH₃Cl 1 mol을 AlCl₃로 반응시켜 CH₃Cl을 모두 쓰면, 톨루엔(모노메틸 생성물)이 몇 % 나올까?

톨루엔이 벤젠보다 빨리 메틸화되므로, CH₃Cl의 일부가 톨루엔을 다시 메틸화하는 데 쓰인다. 실험실에서 벤젠:CH₃Cl 비를 1에 두고 끝까지 반응시켜 확인해 보자.

SIMULATOR

프리델–크래프츠 실험실: 한계와 우회로

방향족 기질 시약 (AlCl₃) 이어서 Zn(Hg), HCl 환원

과제

기질 : 시약—

모노 생성물—

판정—

과제—

해볼 것: ① 그래프 아래의 손잡이를 끌어 기질 : 시약 몰비를 바꾸고, 시약을 다 썼을 때 모노·다이·트라이 생성물 비율을 본다. 알킬화는 벤젠을 많이 넣을수록 모노 생성물이 늘지만, 아실화는 비가 1이어도 거의 모노 생성물만 나온다. ② 1-클로로프로페인을 고르면 재배열된 큐멘이 주생성물이 된다. 프로필벤젠을 얻는 길을 찾아보자. ③ 나이트로벤젠·아닐린에서는 왜 아무것도 생기지 않는지 판정 문구를 읽는다. 다중 알킬화 비율은 생성물이 출발 물질보다 몇 배 빨리 반응하는지를 넣은 모형이다.

벤젠에서 프로필벤젠(C₆H₅CH₂CH₂CH₃)을 순수하게 얻는 방법을 제안하라. 1-클로로프로페인/AlCl₃가 왜 안 되는지도 설명하라.

풀이 보기

전략 1° 탄소 양이온을 거치면 재배열된다. 재배열하지 않는 아실륨 이온으로 탄소 셋을 붙인 뒤 C=O를 CH₂로 환원한다.

풀이 ① CH₃CH₂COCl, AlCl₃로 프로피오페논(1-페닐-1-프로판온)을 만든다. ② Zn(Hg), HCl(클레멘센) 또는 H₂NNH₂, KOH(볼프–키시너)로 C=O를 CH₂로 바꾼다.

아실화(CH₃CH₂COCl/AlCl₃) → 클레멘센 환원

검토 1-클로로프로페인/AlCl₃는 CH₃CH₂CH₂⁺ 비슷한 착물이 하이드라이드 이동으로 (CH₃)₂CH⁺가 되어 큐멘을 많이 준다. 또 생성물 알킬벤젠이 더 반응성이 커서 다중 알킬화도 생긴다. 아실화 경로는 두 문제를 모두 피한다.

큐멘에서 페놀로, 페놀에서 에폭시 몰딩 컴파운드로

세계 페놀의 대부분은 큐멘 공정으로 만든다. 벤젠과 프로펜을 제올라이트 같은 고체산 촉매로 프리델–크래프츠 알킬화해 큐멘을 만들고, 공기로 산화해 큐멘 하이드로퍼옥사이드를 얻은 뒤 산으로 분해하면 페놀과 아세톤이 함께 나온다. 이 페놀이 7절의 노볼락 수지 원료다. 또 페놀 2 mol과 아세톤 1 mol을 산 촉매로 축합하면 비스페놀 A가 생긴다. 양성자화된 아세톤과 그 뒤의 탄소 양이온이 페놀의 파라 자리를 공격하는 EAS다. 비스페놀 A를 에피클로로하이드린과 반응시킨 에폭시 수지, 그리고 페놀 노볼락 경화제가 반도체 패키지의 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)의 뼈대다. EMC는 무게의 80–90 %가 실리카 충전제이고, 나머지 수지의 방향족 고리가 175 °C 안팎의 성형·경화 온도와 리플로(260 °C)를 견디는 내열성을 준다. → PackagingBook · 몰딩과 봉지

치환기 효과: 활성화와 지향

치환 벤젠 C₆H₅–X에 두 번째 치환기를 넣으면 두 가지가 달라진다. 첫째, 반응 속도가 벤젠보다 빨라지거나(활성화기(activating group)) 느려진다(불활성화기(deactivating group)). 둘째, 새 치환기가 들어가는 자리가 정해진다. X의 바로 옆을 오르토(ortho, o-), 하나 건너를 메타(meta, m-), 맞은편을 파라(para, p-)라 한다. 오르토와 파라에 주로 넣는 X를 오르토·파라 지향기(ortho, para director), 메타에 넣는 X를 메타 지향기(meta director)라 한다.

치환기	상대 속도	o (%)	m (%)	p (%)
–CH₃ (톨루엔)	25	58	5	37
–C(CH₃)₃	16	16	11	73
–OH (페놀)	1000	50	0	50
–H (벤젠)	1	—	—	—
–F	0.15	13	1	86
–Cl	0.033	30	1	69
–Br	0.030	37	1	62
–CO₂C₂H₅	0.0037	28	68	4
–NO₂	6×10⁻⁸	6	93	1

표는 혼산(HNO₃/H₂SO₄)이나 질산–아세트산 무수물로 나이트로화할 때의 상대 속도(벤젠 = 1)와 이성질체 분포다. 잉골드 학파의 측정을 정리한 교과서 대표값을 반올림했고, 온도·산의 세기·용매에 따라 분포가 몇 %씩 바뀐다(예: 톨루엔은 63/3/34로 실린 교재도 있다). 그래도 경향은 분명하다. 알킬기와 –OH는 반응을 빠르게 하며 오르토·파라로, 할로젠은 느리게 하면서도 오르토·파라로, –CO₂R과 –NO₂는 느리게 하며 메타로 보낸다.

유발 효과와 공명 효과

치환기가 고리의 전자 밀도를 바꾸는 길은 둘이다. 유발 효과(inductive effect)는 σ 결합을 따라 전기 음성도 차이로 전자를 당기거나 미는 것이다. O, N, 할로젠, C=O 탄소, –CF₃는 당기고 알킬기는 약하게 민다. 공명 효과(resonance effect)는 π계를 통해 전자를 주거나 받는 것이다. –OH·–OR·–NH₂·할로젠처럼 고리에 붙은 원자에 비공유 전자쌍이 있으면 고리로 전자를 주고(공명 주개), –NO₂·–C=O·–C≡N·–SO₃H처럼 고리에 붙은 원자가 전기 음성 원자와 π 결합을 하고 있으면 고리에서 전자를 받는다(공명 받개). 두 효과의 합이 치환기의 성격을 정한다.

치환기 지도. 왼쪽으로 갈수록 고리에 전자를 많이 준다. 활성화기는 모두 오르토·파라 지향이고, 할로젠을 뺀 불활성화기는 메타 지향이다. 할로젠만 예외로 느리게 하면서 오르토·파라로 보낸다.

시그마 착물로 보는 지향 효과

1절에서 본 대로 시그마 착물의 양전하는 공격 자리의 오르토·파라 탄소에 놓인다. E⁺가 X의 오르토나 파라에 붙으면, 세 공명 구조 중 하나에서 양전하가 X가 붙은 탄소(ipso 탄소) 위에 온다. 메타에 붙으면 어느 구조에서도 양전하가 ipso 탄소에 오지 않는다. 따라서

X가 전자를 주면(알킬: 3° 탄소 양이온, –OH·–OR·–NH₂: 비공유 전자쌍이 넷째 공명 구조를 만들어 모든 원자가 옥텟) ipso 양전하 구조가 특히 안정하다 → 오르토·파라 시그마 착물이 낮다.
X가 전자를 당기면(–NO₂의 N⁺, C=O의 δ+ 탄소) ipso 양전하 구조는 양전하 둘이 이웃해 특히 불안정하다 → 오르토·파라가 메타보다 더 나빠진다. 메타도 벤젠보다는 느리지만 ‘덜 나쁜’ 메타가 이긴다.
할로젠은 유발 효과로 고리 전체를 느리게 하지만, 비공유 전자쌍이 오르토·파라 시그마 착물에 넷째 공명 구조를 준다 → 느리지만 오르토·파라.

아니솔(C₆H₅OCH₃)을 나이트로화할 때, 메타 공격의 시그마 착물에는 공명 구조가 몇 개 있을까?

메타 공격에서는 양전하가 ipso 탄소에 오지 않으므로 O의 비공유 전자쌍이 양전하와 이웃하지 못한다. 실험실에서 E⁺를 메타 자리로 끌어 확인해 보자.

SIMULATOR

치환기 효과 탐색기: E⁺를 끌어 시그마 착물 비교하기

치환기 X

공격 자리

에너지 사다리 보기

분류—

상대 속도—

하메트 σ_m / σ_p—

이 자리 생성물—

해볼 것: ① 위쪽 고리 옆의 E⁺ 손잡이를 끌어 오르토·메타·파라 탄소에 놓으면, 그 시그마 착물의 공명 구조가 아래에 그려진다. 초록 테두리는 특히 안정한 구조, 빨간 테두리는 특히 불안정한 구조다. ② –OCH₃, –Cl, –NO₂를 차례로 고르고 같은 자리를 비교한다. ③ 에너지 사다리에서 각 자리의 장벽을 비교한다. 장벽은 문헌 속도·분포에서 계산한 부분 속도 인자 $f$로 $-RT\ln f$를 그린 것이다(‘추정’ 표시는 σ⁺로 어림한 값).

부분 속도 인자와 하메트 식

속도와 분포를 함께 쓰면 고리의 자리 하나가 벤젠의 자리 하나보다 몇 배 빠른지 계산할 수 있다. 이것을 부분 속도 인자(partial rate factor) $f$라 한다. 벤젠에는 같은 자리가 6개, 일치환 벤젠에는 오르토 2개·메타 2개·파라 1개가 있으므로

$$f_o = \frac{6\,(k_\mathrm{X}/k_\mathrm{H})\,x_o}{2},\qquad f_m = \frac{6\,(k_\mathrm{X}/k_\mathrm{H})\,x_m}{2},\qquad f_p = \frac{6\,(k_\mathrm{X}/k_\mathrm{H})\,x_p}{1}$$

$k_\mathrm{X}/k_\mathrm{H}$는 벤젠 대비 전체 상대 속도, $x_o, x_m, x_p$는 생성물 중 각 이성질체의 몰분율.

상대 속도 25, 오르토 58, 파라 37이면 메타는 이고, 부분 속도 인자는 $f_o$ = , $f_m$ = , $f_p$ = 이다.

여러 치환기의 효과를 한 숫자로 정리한 것이 하메트 식(Hammett equation)이다. 치환기 상수 σ는 치환 벤조산의 산 세기로 정의한다(σ > 0이면 전자를 당김, σ < 0이면 줌). 반응 상수 ρ는 그 반응이 전자 효과에 얼마나 민감한지를 나타낸다.

$$\log\frac{k_\mathrm{X}}{k_\mathrm{H}} = \rho\,\sigma \qquad(\text{EAS에서는 } \log f = \rho\,\sigma^{+})$$

양이온이 생기는 EAS에서는 공명 주개 효과까지 반영한 브라운의 σ⁺를 쓴다. 나이트로화의 ρ는 약 −6으로, 큰 음수는 전이 상태에 양전하가 크게 쌓인다는 뜻이다.

최소 제곱 직선 보기

MINI LAB나이트로화의 하메트–브라운 그림. 점은 위 표의 속도·분포로 구한 $\log f$와 문헌 σ⁺(파라)·σ(메타)다. 직선 끝의 손잡이를 끌어 기울기 ρ를 맞추고, 오차 제곱합이 가장 작아지는 곳을 찾아보자. 메타 분포가 1 % 안팎인 점은 측정 오차가 크다.

톨루엔은 벤젠보다 25배 빨리 나이트로화되고, 생성물은 오르토 58 %, 메타 5 %, 파라 37 %다. $f_o, f_m, f_p$를 구하고 의미를 해석하라.

풀이 보기

전략 전체 속도를 자리별로 나누고, 같은 종류 자리의 수(2, 2, 1)로 나눈 뒤 벤젠의 자리 하나(1/6)와 비교한다.

풀이 $f_o = 6\times25\times0.58/2 = 43.5$, $f_m = 6\times25\times0.05/2 = 3.75$, $f_p = 6\times25\times0.37 = 55.5$.

$f_o$ ≈ 44, $f_m$ ≈ 3.8, $f_p$ ≈ 56

검토 메타 자리도 벤젠보다 약간 빠르다($f_m$ > 1). 메틸기의 약한 유발 효과는 고리 전체에 미친다. 그러나 오르토·파라는 3° 탄소 양이온 구조 덕분에 10배 넘게 더 빠르다. 오르토가 자리 수로는 둘이라 생성물이 더 많아도, 자리 하나당 반응성은 파라가 약간 높다. 오르토에는 입체 장애가 있기 때문이다.

다치환 벤젠과 합성 순서

고리에 치환기가 둘 이상 있으면 지향 효과를 겹쳐 생각한다. 다음 규칙이 대부분의 경우를 해결한다.

두 치환기가 같은 자리를 가리키면(강화) 그 자리로 간다. 예: 4-나이트로톨루엔에서 CH₃의 오르토 = NO₂의 메타.
서로 다른 자리를 가리키면 더 강한 활성화기가 이긴다. 순서: –NH₂, –OH > –OR, –NHCOR > 알킬 > 할로젠 > 메타 지향기.
메타 관계인 두 치환기 사이(1,3-이치환의 2번 자리)는 입체 장애로 거의 치환되지 않는다.
강한 불활성화기 하나만 있어도 프리델–크래프츠 반응은 일어나지 않는다.

SIMULATOR

지향 효과 게임: 주생성물 자리 누르기

난이도

고리 탄소 가운데 새 치환기가 주로 들어갈 자리를 누른다. 대칭으로 같은 자리는 어느 쪽을 눌러도 된다.

점수—

연속 정답—

판정—

해볼 것: ① 일치환 문제에서 활성화기·할로젠은 오르토나 파라, 메타 지향기는 메타를 누른다. 부피 큰 치환기나 시약이면 파라가 주생성물이다. ② 이치환 문제에서 두 치환기가 가리키는 자리를 각각 생각한 뒤, 강한 쪽을 따른다. ③ 연속 8문제 정답에 도전해 보자.

순서가 생성물을 정한다

같은 두 시약도 넣는 순서에 따라 다른 이성질체가 생긴다. 벤젠을 먼저 나이트로화하고 브로민화하면 NO₂가 메타로 보내 1-브로모-3-나이트로벤젠이 되고, 먼저 브로민화하면 Br이 오르토·파라로 보내 1-브로모-4-나이트로벤젠(오르토 이성질체와 섞임)이 된다. 합성을 설계할 때는 목표 분자의 두 치환기 관계(오르토·메타·파라)를 먼저 보고, 그 관계를 만들 수 있는 지향기를 먼저 넣는다. 지향 성격을 바꾸는 변환도 도구가 된다.

변환	시약	지향 성격의 변화
–NO₂ → –NH₂	Fe 또는 Sn, HCl; H₂/Pd	강한 메타 지향(불활성) → 강한 o,p 지향(활성)
–CH₃ → –COOH	KMnO₄, 가열 (벤질 자리에 H가 있어야 함)	o,p 지향(활성) → 메타 지향(불활성)
–COR → –CH₂R	Zn(Hg), HCl; H₂NNH₂, KOH	메타 지향 → o,p 지향
–NH₂ → –NHCOCH₃	(CH₃CO)₂O	너무 강한 활성(다중 치환·산화) → 알맞은 o,p 지향, 부피로 파라 선호
–H → –SO₃H → –H	SO₃/H₂SO₄ … 묽은 H₂SO₄, 가열	파라 자리를 잠시 막는 막음기
–NH₂ → –N₂⁺ → –X, –OH, –H	NaNO₂/HCl 뒤 CuX 등 (7절)	o,p 지향기를 거의 무엇으로든 바꿈

SIMULATOR

합성 순서 퍼즐: 시약 카드를 끌어 순서 맞추기

목표 분자

결과—

푼 퍼즐—

해볼 것: ① 위쪽 시약 카드를 아래 빈칸으로 끌어 놓아 순서를 정하고 ‘반응 진행’을 누른다. 칸에 놓인 카드끼리 끌어 바꿀 수도 있다. ② 틀린 순서도 일부러 진행해 어떤 이성질체가 생기는지, 어디서 반응이 멈추는지 본다. ③ 일곱 퍼즐을 모두 풀어 보자. 마지막 퍼즐은 막음기가 필요하다.

막음기: 설폰산으로 파라 자리 잠그기

톨루엔을 바로 브로민화하면 오르토와 파라 생성물이 섞이고, 파라가 더 많다. 오르토 생성물만 원하면 파라 자리를 –SO₃H로 먼저 막는다. 설폰화는 부피가 큰 친전자체라 파라를 강하게 고르고, 그 다음 브로민은 남은 오르토로 간다(CH₃의 오르토이자 SO₃H의 메타이므로 둘이 같은 자리를 가리킨다). 마지막에 묽은 산에서 가열해 –SO₃H를 떼어 낸다.

① 톨루엔. 그대로 브로민화하면 2-브로모톨루엔과 4-브로모톨루엔이 섞인다.
② SO₃/H₂SO₄: 부피 큰 SO₃가 파라 자리를 고른다 → 4-메틸벤젠설폰산(p-톨루엔설폰산).
③ Br₂/FeBr₃: CH₃의 오르토 = SO₃H의 메타. 두 지향이 같은 자리를 가리킨다 → 3-브로모-4-메틸벤젠설폰산.
④ 묽은 H₂SO₄, 수증기 가열: 탈설폰화로 막음기를 떼면 2-브로모톨루엔만 남는다.

막음기 전략. 설폰화의 가역성을 써서 원치 않는 자리를 잠시 막았다가 푼다. 강조 원자는 그 단계에서 바뀐 자리다.

벤젠에서 3-클로로아닐린(m-클로로아닐린)을 만드는 순서를 정하라. 시약은 HNO₃/H₂SO₄, Cl₂/FeCl₃, Fe/HCl.

풀이 보기

전략 Cl과 NH₂가 메타 관계다. –NH₂와 –Cl은 모두 o,p 지향이므로 메타 관계를 만들 수 없다. 메타 지향기인 –NO₂를 먼저 넣고, 메타에 Cl을 넣은 뒤 NO₂를 NH₂로 바꾼다.

풀이 ① HNO₃/H₂SO₄ → 나이트로벤젠. ② Cl₂/FeCl₃ → 1-클로로-3-나이트로벤젠. ③ Fe/HCl(이어서 NaOH) → 3-클로로아닐린.

나이트로화 → 염소화 → 환원

검토 환원을 먼저 하면 아닐린이 되어 Cl₂가 오르토·파라에 여러 개 들어간다(2,4,6-트라이클로로아닐린). 염소화를 먼저 하면 4-클로로나이트로벤젠이 된다. 퍼즐에서 세 순서를 모두 시험해 보자.

친핵성 방향족 치환과 벤자인

할로젠화 아릴은 SN2도 SN1도 하지 않는다(→ 6장). 뒤쪽 공격은 고리가 막고 있고, 아릴 양이온은 빈 sp² 오비탈이 π계와 직교해 매우 불안정하다. 그러나 두 가지 다른 길로 친핵체가 할로젠을 바꿀 수 있다.

첨가–제거: SNAr와 마이젠하이머 착물

할로젠의 오르토나 파라에 –NO₂ 같은 강한 전자 받개가 있으면, 친핵체가 할로젠이 붙은 탄소(ipso)에 먼저 첨가해 음이온 중간체를 만든다. 음전하는 ipso의 오르토·파라 탄소에 퍼지는데, 그 자리에 –NO₂가 있으면 나이트로기의 산소까지 퍼져 크게 안정해진다. 이 음이온 중간체가 마이젠하이머 착물(Meisenheimer complex)이다. 이어서 할로젠화 이온이 제거되며 방향족성이 돌아온다. 이것이 친핵성 방향족 치환(nucleophilic aromatic substitution, SNAr)이다. EAS의 시그마 착물을 전하만 바꿔 놓은 거울상과 같다.

1-클로로-4-나이트로벤젠 + CH₃O⁻. ① 메톡사이드가 ipso 탄소를 공격한다(느린 단계). ②–④ 음전하가 고리를 돌아 파라의 나이트로기 산소까지 퍼진다(마이젠하이머 착물). ⑤ 전하가 ipso 옆으로 돌아오며 Cl⁻이 떠난다. ⑥ 4-나이트로아니솔.

SNAr의 특징 세 가지가 이 메커니즘에서 나온다. ① 전자 받개는 오르토·파라에 있어야 한다. 메타의 –NO₂는 유발 효과만 줄 뿐 음전하를 받지 못한다. ② 받개가 많을수록 빠르다. 2,4-다이나이트로클로로벤젠은 상온에서 반응하고, 2,4,6-트라이나이트로클로로벤젠(염화 피크릴)은 물로도 가수 분해된다. ③ 이탈기 순서가 SN2와 반대로 F ≫ Cl ≈ Br > I다. 느린 단계가 첨가이므로, C–X 결합의 세기보다 ipso 탄소를 얼마나 δ+로 만들고 음이온 중간체를 얼마나 안정하게 하느냐가 중요하다. 2,4-다이나이트로할로벤젠과 아민의 반응에서 F 화합물은 Cl 화합물보다 수백–수천 배 빠르다(번넷 등의 측정, 조건에 따라 다름). 1-플루오로-2,4-다이나이트로벤젠(생어 시약)이 펩타이드 N 말단 아미노기를 표지하는 시약으로 쓰인 것도 이 때문이다.

CH₃O⁻와 더 빨리 반응하는 것은? 1-클로로-4-나이트로벤젠과 1-클로로-3-나이트로벤젠.

파라의 –NO₂만 마이젠하이머 착물의 음전하를 산소로 받아 준다. 실험실에서 NO₂를 메타와 파라에 놓고 속도를 비교해 보자.

SIMULATOR

SNAr 실험실: 나이트로기를 끌어 놓아 속도 맞추기

이탈기 X

모드

log(k/k_PhCl)—

음전하가 가는 곳—

과제—

해볼 것: ① NO₂ 조각 두 개를 끌어 고리 탄소에 놓는다(고리 밖으로 끌어내면 뗀다). 오른쪽(또는 아래) 마이젠하이머 착물에서 음전하가 어디에 있는지 본다. ② 파라와 메타의 차이, 오르토 둘·파라 하나의 차이를 비교한다. ③ 이탈기를 F로 바꾸면 C–F가 가장 강한 결합인데도 빨라진다. ④ ‘목표 속도’에서 주어진 값에 맞는 배치를 찾아보자. 속도는 자릿수 감각을 위한 모형이다(오르토·파라 NO₂ 하나에 10⁴–10⁵배).

제거–첨가: 벤자인

전자 받개가 없는 클로로벤젠도 아주 센 염기(NaNH₂/액체 NH₃, 또는 NaOH 350 °C)와는 반응한다. 이때는 메커니즘이 전혀 다르다. 염기가 할로젠의 오르토 H를 떼어 아릴 음이온을 만들고, 그 음이온이 Cl⁻을 밀어내면 고리 안에 ‘삼중 결합’을 가진 벤자인(benzyne)이 생긴다. 이 삼중 결합의 두 번째 π 결합은 고리 평면 안에서 이웃한 sp² 오비탈이 옆으로 약하게 겹친 것이라 매우 약하고 반응성이 크다. 친핵체 NH₂⁻는 벤자인의 두 탄소 어느 쪽에도 붙을 수 있다.

클로로벤젠 + NaNH₂. ① NH₂⁻가 Cl의 오르토 H를 뗀다. ② 아릴 음이온이 Cl⁻을 밀어내 벤자인이 된다. ③ 다른 NH₂⁻가 벤자인 탄소에 붙는다(여기서는 원래 H가 있던 C2). ④ 새 아릴 음이온이 NH₃의 H⁺를 받는다. ⑤ 아닐린. NH₂가 C1에 붙는 경로도 같은 비율로 일어난다.

로버츠는 1953년 Cl이 붙은 탄소를 ¹⁴C로 표지한 클로로벤젠을 KNH₂와 반응시켰다. 생긴 아닐린의 NH₂는 표지 탄소와 그 옆 탄소에 거의 반씩 붙어 있었다. 대칭인 벤자인을 거친다는 결정적 증거다. 치환기가 있으면 두 벤자인 탄소가 달라지므로 위치 이성질체가 섞인다.

출발 물질

MINI LAB벤자인을 거치는 생성물. 할로젠의 오르토 H가 떨어질 수 있는 자리마다 벤자인이 생기고, NH₂⁻는 그 삼중 결합의 양 끝 중 음전하를 더 잘 받치는 쪽(대개 전기 음성 치환기에 가까운 탄소에 음전하가 남는 쪽)에 붙는다. 그래서 ‘시네 치환’(이웃 자리 치환)이 생긴다. 비율은 대략값이다.

(가) 1-플루오로-2,4-다이나이트로벤젠 + 다이에틸아민(상온), (나) 4-클로로톨루엔 + NaNH₂/NH₃(−33 °C). 각각 메커니즘과 생성물은?

풀이 보기

전략 오르토·파라에 강한 받개가 있으면 SNAr(ipso 치환). 받개가 없고 센 염기가 있으면 벤자인(이웃 자리에도 치환).

풀이 (가) 오르토와 파라에 NO₂ → SNAr, F 자리에 NEt₂가 들어간다. (나) 받개 없음, NaNH₂ → 벤자인. Cl의 오르토 H(C3)가 떨어져 3,4-벤자인(4-메틸 기준)이 생기고, NH₂⁻가 C3이나 C4에 붙는다.

(가) SNAr, ipso 치환 하나 · (나) 벤자인, p-톨루이딘과 m-톨루이딘 혼합물

검토 (나)에서 메틸은 약한 전자 주개라 두 벤자인 탄소의 차이가 작아 두 이성질체가 비슷하게 나온다. 생성물 혼합이 벤자인의 지문이다.

SNAr로 짓는 엔지니어링 플라스틱: PEEK와 PPS

CMP 장비의 리테이닝 링, 웨이퍼 캐리어와 카세트, 습식 세정조의 부품에는 PEEK(폴리에테르에테르케톤)와 PPS(폴리페닐렌 설파이드)가 많이 쓰인다. 둘 다 SNAr 축중합으로 만든다. PEEK는 4,4′-다이플루오로벤조페논과 하이드로퀴논의 이음이온(포타슘염)을 다이페닐설폰 용매 속 300 °C 근처에서 반응시킨다. C=O가 파라의 받개 역할을 해 F를 마이젠하이머 착물을 거쳐 내보내므로 F가 이탈기로 쓰인다. PPS는 1,4-다이클로로벤젠과 Na₂S를 극성 용매(NMP) 속 고온·가압에서 반응시킨다. 이렇게 이어진 방향족 고리와 에터·설파이드 다리는 녹는점이 높고(PEEK 약 343 °C, PPS 약 285 °C) 산·알칼리 슬러리에 잘 버티며, 금속 이온 용출이 적어 웨이퍼에 닿는 부품에 알맞다. → CMPBook · 패드와 컨디셔닝

다이아조늄 염과 감광 재료

아닐린을 0–5 °C의 HCl 용액에서 NaNO₂와 반응시키면 아렌다이아조늄 염(arenediazonium salt) ArN₂⁺Cl⁻이 생긴다. 이 반응을 다이아조화(diazotization)라 한다. 아질산에서 생긴 NO⁺가 아민 질소를 공격하고 물이 두 번 빠지는 과정인데, 아민 쪽 세부는 20장에서 다룬다. 다이아조늄기 –N₂⁺는 가장 좋은 이탈기 중 하나다. 떨어지면 안정한 N₂ 기체가 되기 때문이다. 그래서 고리의 –NH₂를 거의 무엇으로든 바꿀 수 있다. 지방족 다이아조늄은 즉시 분해하지만, 아렌다이아조늄은 고리와의 공명 덕분에 차가운 용액에서 잠시 버틴다. 마른 고체는 폭발할 수 있다.

시약	생성물	이름·비고
CuCl		샌드마이어 반응
CuBr		샌드마이어 반응
CuCN		샌드마이어 반응 → 가수 분해하면 벤조산
KI		구리 없이 진행
HBF₄, 가열		발츠–시만 반응(ArN₂⁺BF₄⁻ 열분해)
H₂O, Cu₂O 또는 가열		페놀
H₃PO₂		탈아미노: –NH₂를 H로

샌드마이어 반응(Sandmeyer reaction)은 Cu(I)가 다이아조늄에 전자 하나를 주어 아릴 라디칼과 N₂를 만들고, 라디칼이 Cu(II)–X에서 X를 받아 가는 라디칼 경로다(→ 10장). H₃PO₂ 탈아미노는 합성 도구로 특히 쓸모 있다. –NH₂를 강한 o,p 지향기로 잠시 써서 원하는 자리에 치환기를 넣은 뒤 지워 버릴 수 있기 때문이다. 예를 들어 1,3,5-트라이브로모벤젠은 벤젠을 직접 브로민화해서는 만들 수 없지만, 아닐린을 Br₂ 물로 2,4,6-트라이브로모화한 뒤 다이아조화·H₃PO₂로 NH₂를 지우면 얻는다.

아조 짝지음

다이아조늄 이온의 말단 질소는 약한 친전자체다. 벤젠은 공격하지 못하지만 페놀(특히 페녹사이드)이나 아닐린처럼 강하게 활성화된 고리와는 EAS를 한다. 주로 파라 자리에서 Ar–N=N–Ar′ 아조 화합물이 생긴다. 이 아조 짝지음(azo coupling)으로 만든 화합물은 두 고리와 N=N이 긴 공액계를 이루어 가시광을 흡수하는 염료가 된다(→ 13장).

노볼락 수지: 페놀과 폼알데하이드의 EAS 사슬

g선(436 nm)·i선(365 nm) 감광막과 많은 후막 감광막의 바탕 수지는 노볼락(novolac)이다. 페놀이나 크레졸에 폼알데하이드를 조금 모자라게(몰비 F/P ≈ 0.7–0.9) 넣고 옥살산 같은 산 촉매로 가열하면 만들어진다. 반응 하나하나가 EAS다. 양성자화된 폼알데하이드(CH₂=OH⁺)가 페놀의 오르토·파라 자리를 공격해 하이드록시메틸페놀을 만들고, 그 –CH₂OH가 산 속에서 물을 잃어 벤질 양이온이 되며, 이것이 다른 페놀의 오르토·파라를 다시 공격한다. 결과는 고리들이 –CH₂– 다리로 이어진 사슬이다. 다리는 OH 기준으로 오르토–오르토, 오르토–파라, 파라–파라 세 종류다.

산 촉매 페놀–폼알데하이드 축합. ① H₃O⁺가 폼알데하이드를 양성자화한다. ② 페놀 파라 탄소의 π 결합이 CH₂를 공격한다(OH가 시그마 착물을 산소 양이온 구조로 안정화). ③ 시그마 착물에서 H⁺가 떠난다. ④ 4-하이드록시메틸페놀의 OH가 양성자화된다. ⑤ 물이 떠나며 벤질 양이온이 생긴다. ⑥ 이 양이온이 다른 페놀 고리를 공격하면 메틸렌 다리가 생긴다.

크레졸 이성질체의 비율이 수지의 성질을 크게 바꾼다. m-크레졸은 OH의 오르토·파라인 2·4·6번 자리가 모두 비어 있어(2번은 두 치환기 사이라 느리다) 가지를 칠 수 있다. p-크레졸은 파라가 메틸로 막혀 오르토 두 자리만 있으므로 곧은 사슬이나 사슬 끝이 된다. 그래서 p-크레졸이 많을수록 분자량이 덜 크고 가지가 적으며, 메틸기가 많이 드러나 소수성이 커져 알칼리 현상액에 천천히 녹는다. 감광막 제조사는 m/p 비(대개 40:60–70:30), F/P 비, 반응 시간으로 분자량(Mw 수천–1만 남짓)과 용해 속도를 맞춘다.

SIMULATOR

노볼락 반응기: 크레졸 비율과 F/P로 분자량·용해 속도 맞추기

m-크레졸 비율 F/P 몰비 DNQ 감광제 20 wt% 섞기

M_n / M_w—

다리 o–o / o–p / p–p—

용해 속도 (2.38 % TMAH)—

과제—

해볼 것: ① 재생을 누르면 CH₂ 다리가 하나씩 생기며 크레졸 단위(●: m-크레졸, ■: p-크레졸)가 이어진다. 다리 색은 결합 자리(o–o, o–p, p–p)다. 단위를 끌어 옮겨 볼 수도 있다. ② p-크레졸만 쓰면 가지가 없는 사슬만 생기는지, F/P를 0.95로 올리면 분자량이 얼마나 치솟는지 본다. ③ 과제: M_w 4000–9000에 용해 속도 10–25 nm/s인 수지를 만들어 보자. 분자량은 사슬이 고리를 만들지 않는다고 놓고 큰 표본으로 계산하고, 용해 속도는 경향만 보이는 모형이다.

DNQ 감광제와 양성 감광막

노볼락은 그대로 2.38 wt% TMAH(수산화 테트라메틸암모늄) 현상액에 잘 녹는다. 여기에 다이아조나프토퀴논(diazonaphthoquinone, DNQ) 감광제를 15–30 wt% 섞으면 노볼락의 OH와 수소 결합하고 소수성 고리로 막아 용해 속도가 수십–수백 분의 1로 떨어진다. 빛(g선·i선)을 받으면 DNQ가 N₂를 내놓고 고리가 줄어드는 볼프 재배열을 거쳐 인덴카복실산이 된다(→ 23장). 카복실산은 알칼리에 잘 녹고 오히려 용해를 돕는다. 그래서 빛 받은 곳만 녹아 나가는 양성 감광막이 된다.

DNQ 감광제도 방향족 치환 화학으로 만든다. 나프탈렌 설폰산 유도체에서 출발해 2-아미노-1-나프톨 골격을 만들고, 이것을 다이아조화하면 페놀성 산소와 다이아조늄이 짝을 이룬 ‘다이아조 옥사이드’, 곧 1,2-나프토퀴논 다이아자이드가 된다. 설폰산을 설포닐 클로라이드로 바꾼 DNQ-5-설포닐 클로라이드(또는 4-설포닐)를 염기(트라이에틸아민) 존재에서 2,3,4-트라이하이드록시벤조페논(THBP) 같은 다가 페놀과 에스터화하면 감광제가 된다. THBP 자체는 파이로갈롤을 벤조일화하는 프리델–크래프츠형 아실화로 만든다.

DNQ–노볼락 양성 감광막의 원리. DNQ는 비노광부에서 노볼락의 용해를 억제하고, 노광부에서는 알칼리에 녹는 카복실산으로 바뀌어 용해를 돕는다. 노광부와 비노광부의 용해 속도 비가 수백–천 배에 이르러 날카로운 패턴이 생긴다. 막대 높이는 대략적인 자릿수다.

노볼락: 크레졸 이성질체 비가 현상 속도를 정한다

i선 감광막의 노볼락은 대개 m-크레졸과 p-크레졸(때로 자일레놀) 혼합물에 폼알린을 F/P 0.7–0.9로 넣고 옥살산 촉매로 90–100 °C에서 축합한 뒤, 남은 단량체와 물을 감압 증류로 걷어 만든다. 분자량 분포와 다리 결합 자리(o–o 다리가 많은 ‘하이 오르토’ 노볼락은 분자 안 수소 결합 때문에 DNQ의 억제 효과가 더 크다)가 해상도를 좌우한다. 같은 Mw라도 p-크레졸이 많으면 2.38 % TMAH 속 용해 속도가 떨어지므로, 로트마다 용해 속도(nm/s)를 측정해 m/p 비와 분자량 분획으로 맞춘다. 현상 공정은 이 용해 속도 대비 곡선으로 감도와 콘트라스트를 정하고, 후막 감광막(범프·재배선용 수–수십 μm)에서도 같은 노볼락–DNQ 계를 쓴다. → LithoBook · 현상과 레지스트 프로파일

DNQ 감광제: 에스터화 정도가 감도를 바꾼다

i선 감광제는 DNQ-5-설포닐 클로라이드(또는 i선 흡수가 다른 4-설포닐)를 THBP나 2,3,4,4′-테트라하이드록시벤조페논 같은 다가 페놀에 평균 2–3.5개 에스터화한 혼합물이다. 페놀 OH 하나에 DNQ 하나가 붙으므로 에스터화 정도가 높을수록 분자당 억제 단위가 많아 비노광부의 용해 억제가 커지고, 남은 자유 OH가 줄어 노볼락과의 상용성은 떨어진다. 감광제의 흡광 때문에 막 아래쪽으로 갈수록 빛이 줄지만, 노광 뒤 DNQ가 인덴카복실산으로 바뀌면 365 nm 흡수가 크게 줄어(광표백) 빛이 막 아래까지 들어간다. 노광 에너지는 막 두께 1 μm 안팎에서 수십–수백 mJ/cm²다. 노광으로 생긴 N₂는 두꺼운 막에서 기포를 만들 수 있어, 후막 공정에서는 노광 뒤 대기 시간을 둔다. → ProcessBook · 노광 II: 감광막과 패터닝

THBP(C₁₃H₁₀O₄, 230.22 g/mol) 2.30 g과 DNQ-5-설포닐 클로라이드(C₁₀H₅ClN₂O₃S, 268.67 g/mol) 6.72 g을 트라이에틸아민과 반응시켰더니 설포닐 클로라이드가 모두 에스터가 되었다. THBP 한 분자에 평균 몇 개의 DNQ가 붙었는가? 세 OH가 모두 에스터화된 트라이에스터의 몰질량은?

풀이 보기

전략 설포닐 클로라이드 1 mol이 OH 1 mol과 반응해 HCl을 내놓는다. 평균 에스터화 정도 = DNQ 몰수 / THBP 몰수.

풀이 THBP $2.30/230.22 = 9.99\times10^{-3}$ mol, DNQ-SO₂Cl $6.72/268.67 = 2.501\times10^{-2}$ mol. 비 = 2.50. 트라이에스터: $230.22 + 3\times268.67 - 3\times36.46 = 926.9$ g/mol(C₄₃H₂₂N₆O₁₃S₃).

평균 2.50개 · 트라이에스터 926.9 g/mol

검토 2.50은 0과 3 사이이므로 다이에스터와 트라이에스터가 주로 섞인 혼합물이다. 실제 감광제도 이런 에스터화 분포를 가진다. Et₃N은 생기는 HCl을 잡아 다이아조기를 보호한다.

핵심 정리

방향족 고리는 첨가 대신 치환을 한다. EAS는 ① π 전자가 E⁺를 공격해 방향족성을 잃은 시그마 착물(양전하가 오르토·파라에 퍼짐)을 만드는 느린 단계와 ② H⁺를 잃고 방향족성을 되찾는 빠른 단계로 이루어진다. $k_\mathrm{H}/k_\mathrm{D}\approx1$이 그 증거다.
친전자체: Br₂/FeBr₃(Br⁺ 착물), Cl₂/AlCl₃, HNO₃/H₂SO₄(NO₂⁺), SO₃/H₂SO₄(가역 — 막음기), R–Cl/AlCl₃(탄소 양이온), RCOCl/AlCl₃(아실륨 이온).
프리델–크래프츠 알킬화는 재배열·다중 알킬화·불활성 고리(NO₂ 등)와 아미노기 때문에 한계가 있다. 아실화는 재배열·다중 치환이 없고, 환원하면 곧은 사슬 알킬벤젠이 된다.
활성화기(–NH₂, –OH, –OR, –NHCOR, 알킬)는 오르토·파라, 할로젠은 불활성화이지만 오르토·파라, 그 밖의 불활성화기(–NO₂, –CN, –C=O, –SO₃H, –CF₃, –NR₃⁺)는 메타로 보낸다. 오르토·파라 공격에서만 양전하가 ipso 탄소에 오기 때문이다. 부분 속도 인자 $f$와 $\log f = \rho\sigma^{+}$(나이트로화 ρ ≈ −6)로 정량화한다.
다치환 벤젠은 더 강한 활성화기를 따르고, 메타 관계 사이 자리는 피한다. 합성 순서는 목표의 o/m/p 관계를 만들 지향기를 먼저 넣고, NO₂→NH₂, CH₃→COOH, C=O→CH₂, SO₃H 막음기, 다이아조늄 치환으로 지향 성격을 바꾼다.
SNAr는 오르토·파라 받개가 마이젠하이머 착물을 안정화할 때 일어나고 이탈기는 F가 가장 빠르다. 받개 없는 할로젠화 아릴은 센 염기에서 벤자인을 거쳐 이웃 자리 치환을 섞어 준다. 다이아조늄 염은 샌드마이어 반응·H₃PO₂ 탈아미노·아조 짝지음으로 –NH₂를 바꾼다.
노볼락은 크레졸 + 폼알데하이드의 반복 EAS로 생긴 메틸렌 다리 수지이고, m/p 크레졸 비와 F/P가 분자량과 TMAH 용해 속도를 정한다. DNQ-설포닐 에스터 감광제가 용해를 막다가 노광 뒤 카복실산이 되어 양성 패턴을 만든다.

연습문제

원자량 C 12.011, H 1.008, N 14.007, O 15.999, Na 22.990, Cl 35.45, S 32.06. $R$ = 8.314 J/(mol·K), 25 °C = 298.15 K. 숫자 답은 유효숫자 3자리로 넣는다. 자리를 묻는 문제는 o, m, p(또는 오르토, 메타, 파라)로 답한다.

다음 중 혼산으로 가장 빨리 나이트로화되는 것은?

–OCH₃는 산소의 비공유 전자쌍으로 시그마 착물에 넷째 공명 구조를 주는 강한 활성화기다. 순서: 아니솔 ≫ 벤젠 > 클로로벤젠 > 벤조산 에틸.

아세토페논(C₆H₅COCH₃)을 브로민화(Br₂/FeBr₃)하면 Br은 주로 어느 자리에 들어가는가?

고리에 붙은 탄소가 산소와 π 결합을 하고 있다.

아세틸기는 공명 받개(불활성화기)다. 오르토·파라 공격의 시그마 착물에는 양전하가 카보닐 탄소 옆(ipso)에 오는 불리한 구조가 있으므로 메타가 주생성물(3-브로모아세토페논)이다.

페놀은 25 °C에서 벤젠보다 약 1000배 빨리 나이트로화된다. 첫 단계 활성화 자유 에너지는 몇 kJ/mol 낮은가?

$\Delta\Delta G^\ddagger = RT\ln(k_1/k_2)$.

$8.314\times10^{-3}\times298.15\times\ln1000 = 2.479\times6.908 = 17.1$ kJ/mol.

클로로벤젠은 벤젠의 0.033배 속도로 나이트로화되고, 생성물은 오르토 30 %, 메타 1 %, 파라 69 %다. 파라 부분 속도 인자 $f_p$는?

파라 자리는 하나다. $f_p = 6(k_\mathrm{X}/k_\mathrm{H})x_p$.

$f_p = 6\times0.033\times0.69 = 0.137$. 파라 자리 하나도 벤젠의 자리 하나보다 느리다(불활성화). 그런데도 $f_m = 6\times0.033\times0.01/2 \approx 0.001$보다 100배 넘게 빠르므로 오르토·파라 지향이다.

벤젠과 톨루엔을 같은 몰수로 섞고 소량의 혼산으로 나이트로화했다(두 기질 모두 크게 과량). 생성된 나이트로 화합물 중 나이트로톨루엔의 몰 백분율은? 톨루엔의 상대 속도는 25다.

농도가 같으면 생성 속도의 비가 곧 생성물 비다.

$25/(25+1) = 0.962$, 96.2 %. 이런 경쟁 실험이 상대 속도를 재는 표준 방법이다.

톨루엔 10.0 g을 나이트로화했더니 90.0 %가 모노나이트로톨루엔이 되었고, 그중 37.0 %가 4-나이트로톨루엔(C₇H₇NO₂)이었다. 얻은 4-나이트로톨루엔은 몇 g인가?

톨루엔 92.141 g/mol, 4-나이트로톨루엔 137.138 g/mol.

$10.0/92.141 = 0.1085$ mol. $0.1085\times0.900\times0.370 = 0.03614$ mol. $\times137.138 = 4.96$ g.

4-메틸아니솔을 HNO₃/H₂SO₄로 나이트로화할 때의 주생성물은?

파라가 서로 막혀 있으므로 각 치환기는 자기 오르토를 가리킨다. –OCH₃가 –CH₃보다 강한 활성화기이므로 OCH₃의 오르토(2번)로 간다: 4-메틸-2-나이트로아니솔.

벤젠에서 3-브로모아세토페논(m-브로모아세토페논)을 만드는 올바른 순서는?

아세틸기가 메타 지향이므로 먼저 아실화하고 브로민화한다. 반대로 하면 Br의 오르토·파라 지향으로 4-브로모아세토페논이 된다. 셋째 길은 브로모벤조산을 줄 뿐 아세틸기가 생기지 않는다.

벤젠을 1-클로로-2-메틸프로페인((CH₃)₂CHCH₂Cl)과 AlCl₃로 알킬화할 때의 주생성물은?

1° 양이온 비슷한 착물이 1,2-하이드라이드 이동으로 3° tert-뷰틸 양이온이 되어 tert-뷰틸벤젠을 준다. 아이소뷰틸벤젠은 아이소뷰티릴 클로라이드로 아실화한 뒤 환원해야 얻는다(이부프로펜 합성의 출발 물질).

어떤 아민과의 SNAr에서 2,4-다이나이트로플루오로벤젠이 2,4-다이나이트로클로로벤젠보다 25 °C에서 700배 빨리 반응했다고 하자. 두 반응의 활성화 자유 에너지 차는?

$RT\ln700$.

$2.479\times\ln700 = 2.479\times6.551 = 16.2$ kJ/mol. C–F 결합이 가장 강한데도 빠른 것은 느린 단계가 C–X 절단이 아니라 친핵체 첨가이기 때문이다.

2-브로모아니솔을 NaNH₂/NH₃로 처리할 때의 주생성물은?

Br의 오르토 H는 C3 쪽에만 있으므로 2,3-벤자인(아니솔 기준)이 생긴다. NH₂⁻가 C3에 붙으면 음전하가 C2(OCH₃ 옆)에 남아 산소의 유발 효과로 안정하다. 그래서 거의 3-메톡시아닐린만 생긴다(시네 치환).

아닐린 9.31 g을 다이아조화하려고 NaNO₂(69.00 g/mol)를 1.05당량 넣는다. 필요한 NaNO₂의 질량은? (아닐린 93.13 g/mol)

아민 1 mol에 NaNO₂ 1 mol.

$9.31/93.13 = 0.1000$ mol, $\times1.05\times69.00 = 7.24$ g. 남는 아질산은 요소나 설팜산으로 없앤다.

m-크레졸(C₇H₈O, 108.14 g/mol)을 F/P = 0.850으로 축합해 폼알데하이드가 모두 메틸렌 다리가 되었다. 고리가 생기지 않는다고(가지 친 나무 모양) 할 때 수평균 분자량 $M_n$은? 다리 하나가 생길 때 단위 질량에 C 하나(12.011)가 더해진다.

단위 $N$개, 다리 $0.85N$개면 분자 수는 $N - 0.85N$. 수평균 중합도 $X_n = 1/(1-0.85)$.

$X_n = 1/0.150 = 6.67$. 분자 하나의 평균 질량 $= 6.67\times108.14 + (6.67-1)\times12.011 = 721.0 + 68.1 = 789$ g/mol. 실제 노볼락의 $M_w$가 이보다 훨씬 큰 것은 분자량 분포가 넓기 때문이다($M_w/M_n$이 수 배).

THBP(230.22 g/mol) 4.60 g에 DNQ-5-설포닐 클로라이드(268.67 g/mol) 13.4 g을 넣어 모두 반응시켰다. THBP 한 분자당 평균 DNQ 에스터 수는?

두 몰수의 비.

THBP $4.60/230.22 = 0.01998$ mol, DNQ-SO₂Cl $13.4/268.67 = 0.04988$ mol. 비 = 2.50.

톨루엔을 ① SO₃/H₂SO₄ ② Br₂/FeBr₃ ③ 묽은 H₂SO₄, 가열 순서로 처리했다. 최종 생성물에서 Br은 CH₃의 어느 자리에 있는가?

①에서 SO₃H는 파라로 간다.

① 4-메틸벤젠설폰산. ② CH₃의 오르토 = SO₃H의 메타이므로 Br은 CH₃ 옆으로. ③ SO₃H가 떨어져 2-브로모톨루엔. 답: 오르토.

개념 확인 퀴즈

클로로벤젠이 벤젠보다 느리게 반응하면서도 오르토·파라 생성물을 주는 까닭은?

속도는 유발 효과(전기 음성도)가, 자리는 공명 효과(비공유 전자쌍)가 정한다. 할로젠에서는 두 효과가 반대 방향이라 ‘불활성화 o,p 지향’이라는 예외가 생긴다.

나이트로벤젠을 프리델–크래프츠 아실화의 용매로 쓸 수 있는 까닭은?

–NO₂가 붙은 고리는 탄소 양이온·아실륨 이온과 반응하지 못할 만큼 전자가 부족하다. 그러면서도 극성이 커 AlCl₃ 착물을 잘 녹인다.

C₆H₆와 C₆D₆의 나이트로화 속도가 거의 같다는 사실이 말해 주는 것은?

시그마 착물이 생기는 첫 단계가 느리고, H⁺가 떨어지는 둘째 단계는 빠르다. 그래서 동위원소 효과가 거의 없다.

SNAr에서 이탈기 반응성이 F > Cl > Br > I 순인 가장 직접적인 이유는?

C–X 결합은 빠른 둘째 단계에서 끊어진다. 첫 단계의 장벽을 낮추는 것은 X의 전기 음성도다. SN2(I > Br > Cl ≫ F)와 정반대다.

노볼락에서 p-크레졸 비율을 높이면 일반적으로 어떻게 되는가?

p-크레졸은 OH의 파라가 메틸로 막혀 오르토 두 자리로만 이어진다. m/p 비는 분자 구조와 용해 속도를 조절하는 핵심 변수다.