친핵성 치환 반응
브로모메테인에 수산화 이온을 넣으면 메탄올이 생긴다. 한 원자단이 다른 원자단을 밀어내고 그 자리를 차지하는 이 치환은 유기 합성에서 가장 많이 쓰는 결합 만들기 방법이다. 같은 치환도 두 가지 길로 일어난다. 친핵체가 이탈기의 정반대편에서 들어오며 한 번에 자리를 바꾸는 SN2, 이탈기가 먼저 떠나 평면 탄소 양이온을 남기는 SN1이다. 어느 길로 가느냐는 기질의 모양, 친핵체, 이탈기, 용매 넷이 정하고, 그 결과는 속도식과 생성물의 입체 배열에 고스란히 남는다. 웨이퍼 위에서도 같은 일이 일어난다. 감광막을 바르기 전 HMDS로 표면을 소수성으로 바꾸는 프라이밍은 표면 Si–OH가 규소를 공격하는 치환 반응이다. 아래 그림에서 친핵체를 끌어 브로모메테인의 앞, 옆, 뒤로 가져가 보자. 반응이 일어나는 방향은 한쪽뿐이다.
- 할로젠화 알킬을 메틸·1차·2차·3차로 분류하고, C–X 결합의 극성·길이·세기와 σ* 궤도로 탄소가 친전자체인 이유를 설명한다.
- SN2의 한 단계 메커니즘을 굽은 화살표로 그리고, 2차 속도식 \(v=k[\mathrm{RX}][\mathrm{Nu}]\)·뒤쪽 공격·발덴 반전을 실험 자료(초기 속도, 생성물의 R/S)로 확인한다.
- 메틸 > 1차 > 2차 ≫ 3차·네오펜틸의 SN2 속도 차이를 입체 장애로 설명하고, 속도 비를 활성화 자유 에너지 차 \(\Delta\Delta G^\ddagger=RT\ln(k_1/k_2)\)로 바꾼다.
- 친핵성의 경향(전하, 염기도, 편극성, 입체)과 이탈기 능력(짝산의 pKa)을 비교하고, 스웨인–스콧 식으로 속도 비를 계산한다.
- SN1의 이온화–포착 메커니즘, 1차 속도식, 탄소 양이온 안정성, 라세미화와 1,2-이동 재배열을 예측하고, 그룬발트–윈스타인 \(Y\)값으로 용매에 따른 가용매 분해 속도를 계산한다.
- 기질·친핵체·이탈기·용매로 SN1과 SN2를 판정하고, 알코올을 토실레이트로 활성화해 입체를 조절하며, HMDS 프라이밍과 실레인 커플링제를 규소에서 일어나는 치환으로 이해한다.
할로젠화 알킬과 치환 반응
알케인의 수소 하나를 할로젠으로 바꾼 R–X를 할로젠화 알킬(alkyl halide)이라 한다. X를 단 탄소에 붙은 탄소 수로 나눠, 탄소가 없으면 메틸, 하나면 1차(1°), 둘이면 2차(2°), 셋이면 3차(3°)라 부른다. 이 분류가 이 장 전체를 끌고 간다. X가 붙은 탄소가 얼마나 붐비는지가 SN2를 막고, 그 탄소가 양이온이 되었을 때 얼마나 안정한지가 SN1을 정하기 때문이다. IUPAC 이름은 할로젠을 치환기로 읽어 2-브로모프로페인처럼 쓰고, 관용명으로 브로민화 아이소프로필이라고도 한다.
할로젠은 탄소보다 전기 음성도가 커서 C–X 결합의 전자를 끌어당긴다. 탄소는 부분 양전하 \(\delta+\)를 띠고, 전자쌍을 가진 화학종이 이 탄소를 공격한다. 전자쌍을 주는 쪽을 친핵체(nucleophile, Nu), 받는 쪽을 친전자체(electrophile)라 하고(→ 5장 유기 반응의 원리), 공격받는 분자를 기질(substrate), 전자쌍을 가지고 떠나는 원자단을 이탈기(leaving group, LG)라 한다. 친핵체가 이탈기를 밀어내고 그 자리를 차지하는 반응이 친핵성 치환 반응(nucleophilic substitution)이다.
그런데 전기 음성도 순서(F > Cl > Br > I)와 반응성 순서는 거꾸로다. 플루오린화 알킬은 거의 치환되지 않고 아이오딘화 알킬이 가장 빠르다. 치환 속도를 정하는 것은 탄소의 \(\delta+\) 크기가 아니라 C–X 결합이 얼마나 쉽게 끊어지느냐와 떠난 X⁻가 얼마나 안정하냐이기 때문이다. 아래 표와 미니 실험에서 확인하자.
| CH₃–X | C–X 길이 (Å) | 결합 해리 에너지 (kJ/mol) | 쌍극자 모멘트 (D) | 짝산 HX의 pKa | 상대 반응성 |
|---|---|---|---|---|---|
| CH₃F | 1.39 | 460 | 1.85 | 3.2 | 거의 반응 안 함 |
| CH₃Cl | 1.78 | 350 | 1.87 | −7 | 보통 |
| CH₃Br | 1.93 | 294 | 1.81 | −9 | 빠름 |
| CH₃I | 2.14 | 239 | 1.62 | −10 | 가장 빠름 |
C–X 결합에서 비어 있는 가장 낮은 궤도(LUMO)는 반결합성 σ* 궤도(σ* orbital)다. 이 궤도는 탄소 쪽, 그것도 X의 반대쪽으로 크게 부풀어 있다. 친핵체의 전자쌍(HOMO)이 이 σ*에 들어가면 C–X 결합 차수가 줄어 결합이 끊어진다. 친핵체가 어느 방향에서 접근해야 하는지가 여기서 이미 정해진다(2절).
치환 생성물의 작용기는 친핵체가 정한다. 1차 할로젠화 알킬 하나로 알코올, 에터, 나이트릴, 아자이드, 싸이올, 아민을 모두 만들 수 있다.
| 친핵체 | CH₃CH₂CH₂Br와 만든 생성물 | 작용기 |
|---|---|---|
| HO⁻ (NaOH) | 알코올 | |
| CH₃O⁻ (NaOCH₃) | 에터(윌리엄슨 합성, → 16장) | |
| CN⁻ (NaCN) | 나이트릴(탄소 사슬 +1) | |
| N₃⁻ (NaN₃) | 아자이드(→ 환원하면 1차 아민) | |
| HS⁻ (NaSH) | 싸이올 | |
| I⁻ (NaI, 아세톤) | 아이오딘화 알킬(핀켈스타인 반응) | |
| (CH₃)₃N | 4차 암모늄 이온 |
할로젠이 sp² 탄소에 붙은 할로젠화 바이닐(CH₂=CHBr)과 할로젠화 아릴(브로모벤젠)은 이 장의 치환을 거의 하지 않는다. 결합이 더 짧고 세며, 뒤쪽이 분자 평면과 고리에 막혀 있고, 생기는 양이온도 불안정하다. 아래 드릴로 분류를 연습하자.
SN2: 한 단계로 일어나는 뒤쪽 공격
브로모메테인과 수산화 이온의 반응을 25 °C 물에서 재면, 초기 속도가 두 반응물 농도에 모두 비례한다. [CH₃Br]을 두 배로 하면 속도가 두 배, [OH⁻]를 두 배로 해도 두 배다.
휴스와 잉골드는 이런 반응을 SN2 반응(bimolecular nucleophilic substitution)이라 불렀다. S는 치환, N은 친핵성, 2는 속도 결정 단계의 분자도(두 분자)다. 가장 단순한 해석은 반응 전체가 한 단계라는 것이다. 친핵체가 탄소와 결합을 만드는 동안 C–Br 결합이 끊어지고, 그 중간에 다섯 원자단이 탄소를 둘러싼 전이 상태 하나만 지난다(→ 5장 · 에너지 도표).
왜 하필 뒤쪽인가? 앞 절의 σ* 궤도가 답이다. 아래 단계별 그림에서 친핵체가 앞쪽(Br 쪽)으로 오면 σ*의 작은 엽과 마디, 그리고 Br의 비공유 전자쌍에 부딪힌다. 뒤쪽으로 오면 σ*의 큰 엽과 정면으로 겹친다. 이 궤도 논리가 뒤쪽 공격(backside attack)의 근거다.
- C–Br σ* 궤도는 탄소 뒤쪽에 큰 엽, Br 바깥에 작은 엽이 있고 그 사이에 마디가 있다.
- 앞쪽에서 오면 친핵체 전자쌍은 마디 근처와 Br의 비공유 전자쌍을 만나 서로 밀어낸다. 반응하지 않는다.
- 뒤쪽(Br과 180°)에서 오면 친핵체의 HOMO가 σ*의 큰 엽과 정면으로 겹친다. 전자가 σ*로 흘러 C–Br이 약해진다.
- 전이 상태: 탄소는 sp² 비슷한 평면이 되고, 남은 p 궤도가 Nu와 Br 양쪽에 반씩 결합한다.
발덴 반전: 입체 중심에서 일어나는 SN2
뒤쪽 공격의 직접 증거는 입체 화학이다. 키랄 탄소에서 SN2가 일어나면 세 치환기가 바람에 뒤집힌 우산처럼 반대편으로 접힌다. 이것을 발덴 반전(Walden inversion)이라 한다. 치환기 배열이 거울상으로 바뀌므로 거울상 이성질체 하나가 다른 하나가 된다(→ 4장 입체화학). 과목 홈의 3D 그림이 이 뒤집힘을 보여 준다. 주의할 점이 하나 있다. 배열은 반드시 뒤집히지만 R/S 표지는 우선순위가 바뀌면 그대로일 수도 있다. 들어온 친핵체와 떠난 이탈기의 CIP 순위가 같은 자리에 있을 때만 표지도 R ↔ S로 바뀐다.
SN2가 한 단계라면 속도식은 반드시 2차여야 한다. 거꾸로 속도식을 재면 메커니즘을 가려낼 수 있다. 아래 수식을 직접 만져 보자.
[RX]를 2, [Nu]를 3로 바꾸면 SN2(\(v=k[\mathrm{RX}][\mathrm{Nu}]\)) 속도는 , SN1(\(v=k[\mathrm{RX}]\)) 속도는 가 된다.
25 °C에서 [CH₃Br] = 0.10 M, [OH⁻] = 0.050 M일 때 초기 속도가 3.0 × 10⁻⁵ M s⁻¹였다. (a) 속도 상수 \(k\)는? (b) [CH₃Br] = 0.050 M, [OH⁻] = 0.20 M에서 초기 속도는?
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실제 연구실에서는 미지 반응의 차수를 초기 속도법으로 정한다. 한 농도를 고정하고 다른 농도를 바꿔 가며 속도를 잰 뒤 \(\log v\)를 \(\log[\mathrm{X}]\)에 대해 그리면 기울기가 그 물질의 차수다. 아래 실험실에서 해 보자.
(CH₃)₃CBr과 N₃⁻의 반응에서 [N₃⁻]를 10배로 늘리면 초기 속도는 어떻게 될까?
속도식 실험실: 로그–로그 기울기로 차수 정하기
(R)-2-브로모뷰테인을 DMSO 속에서 NaCN과 반응시켰다. 생성물의 이름과 입체 배열은?
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기질의 구조와 SN2 속도: 입체 장애
같은 친핵체와 같은 용매에서 브로민화 알킬의 SN2 속도를 비교하면 차이가 엄청나다. 교과서에 널리 실린 대표값(브로모에테인 = 1)은 다음과 같다. 숫자는 친핵체와 용매에 따라 몇 배에서 수백 배까지 달라지지만 순서는 언제나 같다.
| 기질 | 종류 | 상대 SN2 속도 |
|---|---|---|
| CH₃Br | 메틸 | 30 |
| CH₃CH₂Br | 1° | 1 |
| CH₃CH₂CH₂Br | 1° | 0.4 |
| (CH₃)₂CHBr | 2° | 0.025 |
| (CH₃)₃CCH₂Br | 1°(네오펜틸) | 10⁻⁵ |
| (CH₃)₃CBr | 3° | ≈ 0 |
이 순서는 전자 효과가 아니라 입체 장애(steric hindrance)로 설명된다. 친핵체는 C–Br 축을 따라 뒤쪽에서 들어와 탄소에서 약 2 Å까지 다가가야 한다. 탄소에 붙은 H가 메틸기로 하나씩 바뀔 때마다 그 길목이 좁아진다. 전이 상태에서는 다섯 원자단이 한 탄소를 둘러싸므로 더 붐빈다. 3차 탄소에서는 길목이 완전히 막힌다. 특이한 경우가 네오펜틸(neopentyl) 기질이다. 1차인데도 3차만큼 느리다. 이웃 탄소의 메틸기 셋 중 하나가 어떤 형태에서든 뒤쪽 길목에 걸리기 때문이다. 아래 시뮬레이터에서 공간 채움 모형으로 직접 보자.
공간 채움 모형으로 보는 뒤쪽 길목
속도 비는 활성화 자유 에너지 차로 바꿀 수 있다. 같은 온도에서 \(k=(k_BT/h)\,e^{-\Delta G^\ddagger/RT}\)(아이링 식)이므로 두 반응의 속도 비는 장벽 차이만으로 정해진다.
두 기질의 속도 비가 1.5(\(\log_{10}\)) 즉 \(k_1/k_2=\) 이면, 25 °C에서 장벽 차는 \(\Delta\Delta G^\ddagger=\) 이다.
친핵체가 크게 넘치는 같은 조건에서 브로모에테인의 반이 1.0분 만에 치환된다. 1-브로모-2,2-다이메틸프로페인(네오펜틸 브로마이드, 상대 속도 10⁻⁵)의 반이 치환되는 데 걸리는 시간은? 두 기질의 장벽 차(25 °C)는?
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친핵성과 이탈기
친핵성(nucleophilicity)은 탄소를 얼마나 빨리 공격하느냐(속도)이고, 염기도(basicity)는 양성자를 얼마나 강하게 붙잡느냐(평형, pKa)다. 둘은 자주 같이 가지만 같은 것이 아니다. SN2 속도를 기준으로 본 경향은 넷으로 정리된다.
- 전하: 같은 원자라면 음이온이 짝산보다 좋은 친핵체다. HO⁻ ≫ H₂O, CH₃O⁻ ≫ CH₃OH, H₂N⁻ ≫ NH₃.
- 같은 주기: 원자가 같은 크기일 때는 염기도를 따른다. H₂N⁻ > HO⁻ > F⁻, R₃C⁻ > R₂N⁻ > RO⁻.
- 같은 족: 양성자성 용매에서는 아래로 갈수록 좋아진다. I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > F⁻, RS⁻ > RO⁻. 큰 원자는 전자 구름이 쉽게 일그러져(편극성(polarizability)) 먼 거리에서도 σ*와 겹치고, 수소 결합으로 덜 붙잡힌다(6절). 염기도와 순서가 거꾸로인 대표 예다.
- 입체: 부피가 큰 염기는 친핵체로는 나쁘다. (CH₃)₃CO⁻는 CH₃O⁻보다 강한 염기지만 탄소에 다가가지 못해 주로 양성자를 떼어 제거 반응을 일으킨다(→ 7장).
친핵성을 숫자로 매기는 방법이 스웨인–스콧 식(Swain–Scott equation)이다. 기준 친핵체(메탄올 용매 자체)에 대한 속도 비의 로그를 친핵체 상수 \(n\)과 기질 민감도 \(s\)의 곱으로 쓴다.
| 친핵체 | n (CH₃I, 메탄올) | 짝산 pKa | 친핵체 | n | 짝산 pKa |
|---|---|---|---|---|---|
| CH₃OH | 0.00 | −2.4 | Br⁻ | 5.79 | −9 |
| F⁻ | 2.7 | 3.2 | CH₃O⁻ | 6.29 | 15.5 |
| CH₃COO⁻ | 4.3 | 4.76 | CN⁻ | 6.70 | 9.2 |
| Cl⁻ | 4.37 | −7 | I⁻ | 7.42 | −10 |
| NH₃ | 5.50 | 9.25 | C₆H₅S⁻ | 9.92 | 6.6 |
| N₃⁻ | 5.78 | 4.7 | 피리딘 | 5.23 | 5.2 |
친핵체 A의 \(n_1=\) 7.42()와 B의 \(n_2=\) 4.37()를 기질 민감도 \(s=\) 1로 비교하면 \(k_A/k_B=\) . 같은 시간에 A가 B보다 그만큼 많이 반응한다.
메탄올 속에서 CH₃I와 반응할 때 벤젠싸이올레이트(C₆H₅S⁻, 짝산 pKa 6.6)와 메톡사이드(CH₃O⁻, 짝산 pKa 15.5)의 속도 비는? 염기도와 어떻게 다른가?
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이탈기: 약한 염기일수록 잘 떠난다
이탈기는 전자쌍을 가지고 떠나므로, 떠난 뒤 그 음전하를 잘 감당하는 화학종, 즉 약한 염기가 좋은 이탈기다. 염기의 세기는 짝산의 pKa로 읽는다. 짝산(conjugate acid)의 pKa가 낮을수록(강산일수록) 짝염기는 좋은 이탈기다(→ 2장 공명과 산·염기). 대략 짝산 pKa가 0보다 낮으면 좋은 이탈기, 10을 넘으면 사실상 떠나지 않는다.
| 이탈기 | 구조 | 짝산 pKa | 상대 가용매 분해 속도 |
|---|---|---|---|
| 트리플레이트 TfO⁻ | −14 | 1.4 × 10⁸ | |
| 토실레이트 TsO⁻ | −2.8 | 3.7 × 10⁴ | |
| 메실레이트 MsO⁻ | −1.9 | 3.0 × 10⁴ | |
| I⁻ / Br⁻ / Cl⁻ | 할로젠화 이온 | −10 / −9 / −7 | 91 / 14 / 1 |
| H₂O (R–OH₂⁺에서) | −2.4 | (산 촉매 조건) | |
| F⁻ | 플루오린화 이온 | 3.2 | 9 × 10⁻⁶ |
| CH₃COO⁻ | 4.76 | 1.4 × 10⁻⁶ | |
| HO⁻, RO⁻, H₂N⁻ | 강염기 | 15.7 / 16 / 38 | 떠나지 않음 |
상대 속도는 1-페닐에틸 X(C₆H₅CH(CH₃)–X)가 80 % 에탄올에서 가용매 분해되는 속도를 Cl = 1로 놓은 문헌값이다. 설포네이트(sulfonate) 이온 세 가지(트리플레이트, 토실레이트, 메실레이트)는 음전하가 세 산소에 공명으로 퍼져 있어 할로젠화 이온보다도 좋은 이탈기다. 그래서 알코올을 설포네이트 에스터로 바꾸는 것이 치환의 표준 전략이 된다(7절).
포지티브 감광막 현상액의 표준은 2.38 wt% 수산화 테트라메틸암모늄(TMAH, 0.261 M) 수용액이다. 예전의 NaOH·KOH 현상액은 Na⁺·K⁺가 게이트 산화막 속에서 움직이는 이온 오염이 되어 반도체 공정에서 밀려났다. TMAH의 양이온은 트라이메틸아민이 클로로메테인을 SN2로 공격하는 메슈트킨 반응(Menshutkin reaction)으로 만든다: \(\ce{(CH3)3N + CH3Cl -> (CH3)4N+ Cl-}\). 중성 친핵체가 중성 기질과 반응해 이온쌍이 생기므로 극성 용매에서 크게 빨라진다. 그 뒤 전기 분해·이온 교환으로 Cl⁻를 OH⁻로 바꾸고 금속 이온을 ppb 수준까지 뺀다. 거꾸로 TMAH를 오래 데우면 OH⁻가 메틸 탄소를 SN2로 공격해 메탄올과 트라이메틸아민(생선 냄새)으로 분해된다. β-수소가 없어 호프만 제거(→ 20장)는 일어나지 않는다. → LithoBook · 현상과 레지스트 프로파일
SN1: 이온화, 탄소 양이온, 포착
2-브로모-2-메틸프로페인((CH₃)₃CBr)을 물–아세톤에 녹이면 2-메틸-2-프로판올이 생긴다. 속도를 재면 [(CH₃)₃CBr]에만 비례하고, 친핵체를 더 넣어도 빨라지지 않는다.
메커니즘은 세 단계다. 먼저 C–Br 결합이 저절로 끊어지며 브로민화 이온이 떠나고 평면 탄소 양이온(carbocation)이 남는다. 이 이온화가 가장 느린 속도 결정 단계(rate-determining step)다. 생긴 양이온은 아주 반응성이 커서 가까운 친핵체(여기서는 용매인 물)에 곧바로 붙잡힌다. 중성 친핵체가 붙었으므로 마지막으로 양성자를 내놓는다. 용매가 친핵체 노릇을 하는 이런 치환을 가용매 분해(solvolysis)라 한다.
속도를 정하는 것은 이온화 장벽이다. 해먼드 가설(Hammond postulate)에 따르면 오르막 흡열 단계의 전이 상태는 생성물(여기서는 탄소 양이온)을 닮는다. 따라서 양이온을 안정하게 하는 구조는 무엇이든 이온화 장벽을 낮춘다. 알킬기는 이웃 C–H·C–C σ 결합의 전자를 빈 p 궤도로 내주는 초공액(hyperconjugation)과 유발 효과로 양이온을 안정화한다. 그래서 3° > 2° ≫ 1° > 메틸이고, 1차·메틸 양이온은 용액에서 사실상 생기지 않는다. 알릴·벤질 양이온은 공명으로 양전하가 퍼져(→ 13장) 1차인데도 2차 양이온 정도로 안정하다.
(CH₃)₃CCl의 가용매 분해를 순수 에탄올에서 물로 바꾸면 속도는 대략 얼마나 빨라질까?
SN1 에너지 도표: 양이온 안정성·이탈기·용매와 반감기
2-클로로-2-메틸프로페인은 80 % 에탄올에서 25 °C, \(k_0=9.14\times10^{-6}\) s⁻¹로 가용매 분해된다. \(Y\)(물) = 3.49, \(Y\)(에탄올) = −2.03일 때 물과 순수 에탄올에서의 반감기는? (\(m=1\))
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입체 화학: 라세미화
탄소 양이온은 sp² 평면이고 빈 p 궤도가 평면 위아래로 나 있다. 친핵체는 어느 면으로든 들어갈 수 있으므로, 입체 중심에서 SN1이 일어나면 두 거울상 이성질체가 거의 같은 양 생긴다. 이것을 라세미화(racemization)라 한다. 실제로는 반전 생성물이 조금 더 많은 경우가 흔하다. 떠난 이탈기 음이온이 잠시 양이온 바로 곁에 머무는 이온쌍(ion pair) 상태에서는 이탈기 쪽 면이 가려지기 때문이다.
재배열: 더 안정한 양이온으로
탄소 양이온은 이웃 탄소의 H나 알킬기가 결합 전자쌍째로 옮겨 오면 더 안정한 양이온이 될 수 있다. 이런 1,2-하이드라이드 이동(1,2-hydride shift)이나 1,2-메틸 이동(1,2-methyl shift)은 장벽이 아주 낮아, 친핵체가 붙잡기 전에 2° 양이온이 3°로 바뀐다. 탄소 골격이 바뀐 생성물이 나오면 탄소 양이온을 거쳤다는 강한 증거다. SN2에는 양이온이 없으므로 재배열도 없다.
3-브로모-2,2-다이메틸뷰테인을 메탄올에서 가열 없이 놓아두었다. 주 치환 생성물은?
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KrF·ArF·EUV 화학 증폭형 레지스트(CAR)는 수지의 카복실산·페놀을 tert-뷰틸 에스터나 t-BOC(tert-뷰톡시카보닐) 같은 산-불안정 보호기로 가려 둔다. 노광으로 광산 발생제(PAG)가 산을 내놓으면, 노광 후 굽기(PEB, 대개 90–130 °C) 동안 산이 에스터를 양성자화하고 3° tert-뷰틸 양이온이 떨어져 나간다. SN1의 이온화와 같은 단계이며, 3차라서 이 온도에서 충분히 빠르다. 양이온은 양성자를 내놓고 아이소뷰틸렌(기체)이 되고(E1, 7장), 산은 다시 살아나 다음 보호기를 공격한다. 산 하나가 수백 번 탈보호하는 ‘증폭’이 여기서 나온다. PAG가 내놓는 산은 트라이플산·노나플루오로뷰테인설폰산 같은 초강산이라 짝염기가 극히 약한 염기이자 친핵성이 없는 설포네이트다. 양이온을 붙잡아 반응을 끝내지도, 수지와 결합하지도 않는다. 보호기를 2차(아세탈)로 바꾸면 이온화 장벽이 더 낮아 저온 PEB용 ‘저활성화 에너지’ 레지스트가 된다. → LithoBook · 감광막의 화학
용매 효과와 메커니즘 판정
용매는 두 부류로 나눈다. O–H나 N–H가 있어 수소 결합을 줄 수 있는 양성자성 용매(protic solvent)(물, 메탄올, 에탄올, 아세트산)와, 극성은 크지만 수소 결합을 주지 못하는 비양성자성 극성 용매(polar aprotic solvent)(DMSO, DMF, 아세토나이트릴, 아세톤)다. 둘의 차이는 음이온을 어떻게 용매화(solvation)하느냐에 있다.
양성자성 용매
O–H가 음이온 친핵체를 수소 결합으로 감싼다. 작고 전하가 집중된 F⁻·HO⁻가 가장 단단히 붙잡혀, 반응하려면 용매 껍질을 먼저 벗겨야 한다. → SN2가 느려지고 친핵성이 I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ > F⁻. 대신 이온화 전이 상태(양이온과 이탈기 음이온)를 잘 안정화해 SN1을 크게 빠르게 한다.
비양성자성 극성 용매
산소·질소의 비공유 전자쌍으로 양이온(Na⁺, K⁺)은 잘 감싸지만 음이온은 거의 내버려 둔다. ‘벌거벗은’ 음이온은 반응성이 커서 SN2가 10⁴–10⁶배까지 빨라지고, 친핵성 순서가 염기도 순서 F⁻ > Cl⁻ > Br⁻ > I⁻로 돌아간다.
극성만으로는 부족하다. 유전 상수 ε가 비슷한 메탄올(32.7)과 DMF(36.7)에서 Cl⁻의 SN2 속도가 크게 다른 이유는 수소 결합 여부다. 용매가 수소 결합을 주는 능력은 카믈렛–태프트 \(\alpha\)로 나타낸다(물 1.17, 메탄올 0.93, 에탄올 0.83, 아세토나이트릴 0.19, 아세톤 0.08, DMF·DMSO 0).
메탄올에서 DMSO로 바꾸면 할로젠화 이온 가운데 SN2 친핵성 1등은?
용매가 정하는 친핵성 순서
SN1 쪽에서는 이온화 능력이 큰 용매일수록 빠르다. 그룬발트–윈스타인 척도에서 (CH₃)₃CCl의 상대 속도를 \(\log(k/k_0)=mY\)로 쓰고, 80 % 에탄올을 0으로 둔 \(Y\)값은 물 3.49, 폼산 2.05, 50 % 에탄올 1.65, 메탄올 −1.09, 아세트산 −1.64, 에탄올 −2.03이다. 아세트산과 메탄올은 ε가 6.2와 32.7로 다섯 배나 다르지만 \(Y\)는 비슷하다. 아세트산이 수소 결합으로 떠나는 Cl⁻를 잘 붙잡기 때문이다.
SN1인가 SN2인가
| 요인 | SN2에 유리 | SN1에 유리 |
|---|---|---|
| 기질 | 메틸 > 1° > 2° (뒤쪽이 열려 있음) | 3° > 2°, 알릴·벤질 (안정한 양이온) |
| 친핵체 | 강한 친핵체, 대개 음이온(I⁻, RS⁻, CN⁻, N₃⁻, RO⁻) | 약한 친핵체, 대개 중성(H₂O, ROH, RCOOH) |
| 이탈기 | 좋을수록 빠름 | 좋을수록 빠름(더 크게 의존) |
| 용매 | 비양성자성 극성(DMSO, DMF, 아세톤) | 양성자성(물, 알코올, 폼산) |
| 속도식 | \(k[\mathrm{RX}][\mathrm{Nu}]\) | \(k[\mathrm{RX}]\) |
| 입체 | 반전 | 라세미화(약간 반전 우세) |
| 재배열 | 없음 | 있을 수 있음 |
- 먼저 이탈기가 붙은 탄소의 종류를 본다.
- 메틸·1°는 양이온이 생기지 않아 SN2만, 3°는 뒤쪽이 막혀 SN1만 가능하다. 2°와 알릴·벤질은 조건에 따라 다르다.
- 2°에서는 친핵체와 용매가 정한다. 강한 음이온 + 비양성자성이면 SN2, 약한 중성 + 양성자성이면 SN1.
- 결론과 경고: 염기가 강하거나 가열하면 제거 반응(7장)이 끼어든다.
친핵체는 대개 염기이기도 하다. 탄소 대신 이탈기 옆 탄소(β 탄소)의 수소를 떼어 가면 알켄이 생기는 제거 반응이 된다. 3차 기질에 강염기를 쓰면 SN2 대신 E2가, SN1 조건에서 가열하면 같은 탄소 양이온에서 E1이 일어난다. 이 장의 드릴은 치환만 묻지만, 실제 판정에는 7장 제거 반응의 네 갈래(SN1·SN2·E1·E2)가 함께 들어간다.
알코올 활성화와 분자 내·규소 치환
알코올은 가장 흔한 출발 물질이지만 OH⁻는 짝산 pKa가 15.7인 강염기라 떠나지 않는다. 치환하려면 OH를 좋은 이탈기로 바꿔야 한다. 방법은 둘이다. 첫째, 강산(HBr, HI)으로 양성자를 붙여 물(짝산 pKa −2.4)이 떠나게 한다. 1° 알코올은 SN2, 3° 알코올은 SN1로 할로젠화 알킬이 된다. 다만 강산 조건이라 산에 약한 작용기는 견디지 못하고, 2°에서는 재배열이 섞인다. 둘째, 산소에 설포닐기를 붙여 설포네이트 에스터로 만든다. 염화 p-톨루엔설포닐(TsCl)과 피리딘으로 만드는 토실레이트(tosylate, ROTs), MsCl로 만드는 메실레이트(mesylate), 트리플산 무수물로 만드는 트리플레이트(triflate)가 있다.
토실레이트는 할로젠화 알킬처럼, 아니 그보다 잘 치환된다. 이 두 단계 경로의 장점은 입체를 조절할 수 있다는 것이다. 토실화에서 배열이 유지되고 SN2에서 한 번 반전되므로, 알코올의 배열을 깔끔하게 한 번 뒤집은 생성물을 얻는다. 같은 일을 HBr로 하면 2° 알코올은 SN1이 섞여 라세미화와 재배열이 따라온다. SOCl₂·PBr₃로 OH를 할로젠으로 바꾸는 방법은 16장에서 다룬다.
(R)-2-옥탄올에서 (S)-2-브로모옥테인을 얻는 경로를 제시하고, 각 단계의 입체 결과를 말하라. HBr을 바로 쓰면 무엇이 문제인가?
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분자 내 치환과 유효 몰농도
친핵체와 이탈기가 한 분자 안에 있으면 치환이 고리를 만든다. 할로하이드린에 염기를 넣으면 알콕사이드가 이웃 탄소의 할로젠을 뒤쪽에서 밀어내 에폭사이드가 생긴다(분자 내 윌리엄슨 반응, → 16장). 분자 내 반응은 친핵체가 이미 기질 곁에 붙어 있으므로 놀랄 만큼 빠르다. 이 이점을 유효 몰농도(effective molarity, EM)로 잰다.
규소에서의 치환: HMDS와 실레인 커플링제
규소는 탄소와 같은 14족이지만 치환이 훨씬 쉽다. 3° 탄소에서는 SN2가 불가능한데, 메틸기 셋을 단 트라이메틸실릴기(TMS)의 규소는 친핵체를 쉽게 받아들인다. 이유는 셋이다. ① Si–C 결합(1.87 Å)이 C–C(1.53 Å)보다 길어 뒤쪽 길목이 넓다. ② 규소는 크고 전기 양성이라 \(\delta+\)가 크고 Si–X σ*가 낮다. ③ 친핵체가 붙은 다섯 배위 규소가 전이 상태가 아니라 실제 중간체로 존재할 만큼 안정하다. 게다가 Si–O 결합은 아주 세서(Si–N보다 강함), 산소 친핵체가 규소를 공격하는 반응은 열역학적으로도 내리막이다. 이 화학은 22장 유기규소 화합물에서 자세히 다룬다.
감광막을 바르기 전 웨이퍼를 HMDS 프라이밍(HMDS priming)하는 것이 바로 이 반응이다. 산화막 표면에는 실란올(silanol) Si–OH가 nm²당 약 4.6개 있어 물이 잘 퍼지고(친수성), 소수성인 레지스트는 잘 붙지 않는다. 헥사메틸다이실라제인(HMDS) 증기를 쬐면 실란올 산소가 HMDS의 규소를 공격하고 질소가 이탈기로 떠나, 표면이 트라이메틸실릴 에터 Si–O–Si(CH₃)₃로 덮인다.
프라이밍의 품질은 물방울 접촉각(contact angle)으로 잰다. 깨끗한 산화막은 10° 안팎, 잘 프라이밍된 표면은 65–75°다. TMS기는 실란올보다 커서(차지 면적 약 0.4 nm²) 표면 OH의 절반 정도만 덮어도 꽉 차므로, 접촉각이 무한정 오르지 않고 80° 근처에서 멈춘다. 아래 시뮬레이터에서 목표 접촉각을 맞혀 보자.
HMDS 프라이밍: 표면 치환과 접촉각
300 mm 웨이퍼 한쪽 면을 TMS기 2.5개/nm²로 완전히 덮는다. 반응한 HMDS(161.4 g/mol)의 질량과 생긴 NH₃의 몰수는?
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트랙 장비는 웨이퍼를 핫플레이트에서 탈수 굽기(150–200 °C)해 물리 흡착된 물을 날린 뒤, 밀폐된 프라임 챔버에서 HMDS 증기를 질소에 실어 100–150 °C에서 30–60 s 쬔다. 상온 액상 도포보다 증기 방식이 균일하고 HMDS 소모가 적다. 목표 접촉각은 대개 65–75°다. 이보다 낮으면 현상 중 패턴이 들뜨거나 무너지고(현상액이 계면으로 스며듦), 너무 높이면 레지스트가 고르게 퍼지지 않는다. 프라이밍과 레지스트 도포 사이 시간이 길면 대기 중 수분으로 Si–O–SiMe₃가 일부 가수 분해되어 접촉각이 떨어진다. 부산물 NH₃와 HMDS 증기 자체는 염기성 분자 오염(AMC)이라, 화학 증폭형 레지스트 근처에서는 배기와 화학 필터로 ppb 이하로 관리한다. → ProcessBook · 노광 II: 감광막과 패터닝, InfraBook · 분자 오염과 미니인바이런먼트
실레인 커플링제(silane coupling agent)는 한쪽 끝에 가수 분해되는 Si–OR기, 다른 쪽 끝에 유기 작용기를 단 분자로, 무기 표면과 유기 수지를 공유 결합으로 잇는다. 두 끝 모두에서 치환이 일어난다. 아래 단계별 그림을 넘겨 보자.
- 가수 분해: 물이 규소를 공격하고 메톡시가 메탄올로 떠난다(규소에서의 치환, 세 번).
- 축합: 실란트라이올의 Si–OH와 표면 실란올이 물을 내놓으며 Si–O–Si 결합을 만든다.
- 이웃 커플링제끼리도 축합해 얇은 실록세인 그물(대개 단분자층~수 nm)이 된다.
- 바깥으로 향한 아미노기가 에폭시 수지의 에폭사이드 탄소를 뒤쪽에서 공격한다(SN2 고리 열림, 16장). 무기 표면과 수지가 공유 결합으로 이어진다.
에폭시 몰딩 컴파운드(EMC)는 무게의 80–90 %가 용융 실리카 필러다. 필러 표면을 에폭시 실레인(3-글리시독시프로필트라이메톡시실레인)이나 아미노 실레인으로 처리하지 않으면, 수지는 실리카 표면에 수소 결합으로만 붙어 습기가 계면으로 스며든다. 흡습된 패키지를 리플로(260 °C)에 넣으면 계면의 물이 순간 기화해 박리와 ‘팝콘’ 균열을 일으킨다. 커플링제는 필러 쪽으로 Si–O–Si, 수지 쪽으로 에폭사이드 고리 열림(아민–에폭시, 페놀–에폭시)으로 공유 결합을 만들어 계면을 물에 강하게 한다. 같은 원리로 언더필·폴리이미드 패시베이션 전에 아미노 실레인 접착 촉진제를 바르고, 리드프레임·기판과 EMC 사이 박리를 줄인다. → PackagingBook · 몰딩과 봉지
SiO₂ 원자층 증착(PEALD)의 대표 전구체 BDEAS(SiH₂[N(C₂H₅)₂]₂)와 DIPAS(SiH₃N(iPr)₂)는 HMDS와 같은 Si–N 결합을 가진다. 전구체 펄스에서 표면 –OH 산소가 규소를 공격하고 다이에틸아민·다이아이소프로필아민이 이탈기로 떠나 –O–SiH₂(NEt₂)나 –O–SiH₃가 남는다. 표면 –OH가 다 쓰이면 반응이 멈추므로 한 사이클의 증착량이 저절로 제한(자기 제한)된다. 이어지는 산소 플라스마나 오존 펄스가 Si–H와 남은 아미노기를 태워 다시 –OH 표면을 만들고, 사이클이 되풀이된다. 아미노기는 Si–Cl 전구체(SiCl₄)와 달리 HCl을 내지 않고, 이탈기 아민이 휘발성이라 300 °C 이하 저온 공정이 가능하다. → ThinFilmBook · ALD 반응과 포화
핵심 정리
- 할로젠화 알킬의 C–X 탄소는 \(\delta+\)이고 LUMO인 σ*가 X 반대쪽으로 크게 열려 있다. 반응성은 I > Br > Cl ≫ F로, 극성이 아니라 결합 세기와 이탈기 안정성이 정한다.
- SN2는 한 단계 반응이다. \(v=k[\mathrm{RX}][\mathrm{Nu}]\)(2차), 친핵체는 이탈기 반대편에서 들어오고(뒤쪽 공격), 입체 중심의 배열은 반드시 뒤집힌다(발덴 반전). R/S 표지는 우선순위를 다시 매겨 판단한다.
- SN2 속도는 입체 장애로 메틸(30) > 1°(1) > 2°(0.025) ≫ 네오펜틸(10⁻⁵), 3°(≈ 0) 순이다. 속도 비 10배는 25 °C에서 장벽 차 5.7 kJ/mol이다.
- 친핵성은 전하, 같은 주기에서는 염기도, 같은 족에서는(양성자성 용매) 편극성, 그리고 입체로 정해진다(스웨인–스콧 \(\log k/k_0=sn\)). 좋은 이탈기는 짝산 pKa가 낮은 약한 염기다(TfO⁻ > TsO⁻ ≈ MsO⁻ > I⁻ > Br⁻ > Cl⁻ ≫ F⁻, HO⁻).
- SN1은 느린 이온화 → 탄소 양이온 → 빠른 포착이다. \(v=k[\mathrm{RX}]\), 3° > 2°(알릴·벤질 포함)이며 라세미화와 1,2-이동 재배열을 동반한다. 양성자성 용매가 이온화를 크게 돕는다(\(\log k/k_0=mY\)).
- 비양성자성 극성 용매는 음이온을 벗겨 SN2를 가속하고, 양성자성 용매는 SN1을 가속한다. 알코올은 양성자화나 설포네이트화(유지)로 활성화한 뒤 SN2(반전)한다. 규소는 다섯 배위 중간체를 거쳐 쉽게 치환되며, HMDS 프라이밍·실레인 커플링·아미노실레인 ALD가 모두 표면 Si–OH의 규소 공격이다.
연습문제
필요한 자료: \(R=8.314\) J mol⁻¹ K⁻¹, \(N_A=6.022\times10^{23}\) mol⁻¹, 25 °C = 298.15 K. 스웨인–스콧 \(n\)값과 그룬발트–윈스타인 \(Y\)값은 본문 표를 쓴다.
다음 중 2차 할로젠화 알킬은?
Br가 붙은 탄소에 탄소가 둘 붙은 것은 2-브로모뷰테인뿐이다. 네오펜틸 브로마이드와 브로모메틸벤젠(벤질)은 1차, 2-브로모-2-메틸프로페인은 3차다.
SN2 반응에서 [RX]를 2배, [Nu]를 3배로 하면 초기 속도는 몇 배가 되는가?
\(2\times3=6\)배. SN1이었다면 [Nu]와 무관해 2배였을 것이다.
(S)-2-아이오도뷰테인을 DMF에서 NaN₃와 반응시켜 얻은 2-아지도뷰테인의 배열은 R인가 S인가?
2차 기질 + 좋은 친핵체 + 비양성자성 용매 → SN2. 배열이 뒤집히고 1순위 치환기가 같은 자리에 있으므로 표지도 S → R: (R)-2-아지도뷰테인.
1-브로모뷰테인(0.020 M)과 CN⁻(0.15 M)의 SN2 초기 속도가 4.2 × 10⁻⁶ M s⁻¹였다. 속도 상수는?
\(k=v/([\mathrm{RX}][\mathrm{Nu}])=4.2\times10^{-6}/(0.020\times0.15)=1.40\times10^{-3}\ \mathrm{M^{-1}s^{-1}}\).
앞 문제의 반응에서 CN⁻를 0.50 M로 크게 넘치게 넣었다. 1-브로모뷰테인의 반감기는?
\(k'=1.40\times10^{-3}\times0.50=7.0\times10^{-4}\ \mathrm{s^{-1}}\), \(t_{1/2}=\ln2/k'=0.693/7.0\times10^{-4}=990\) s(약 16.5분).
메탄올 속 CH₃I와의 반응에서 I⁻(\(n=7.42\))는 Cl⁻(\(n=4.37\))보다 몇 배 빠른가?
\(10^{7.42-4.37}=10^{3.05}=1.12\times10^{3}\)배. 양성자성 용매에서는 크고 편극되기 쉬운 I⁻가 압도적으로 빠르다.
브로모메테인은 브로모에테인보다 SN2가 30배 빠르다. 25 °C에서 두 반응의 활성화 자유 에너지 차는?
\(\Delta\Delta G^\ddagger=RT\ln30=(8.314\times10^{-3})(298.15)(3.401)=8.43\) kJ/mol. 메틸기 하나(H 하나를 CH₃로)가 장벽을 약 8 kJ/mol 올린다.
다음 기질을 같은 조건에서 NaN₃와 반응시킬 때 가장 빠른 것은?
이탈기의 짝산 pKa: TsOH −2.8, HF 3.2, H₂O 15.7, NH₃ 38. 가장 약한 염기인 토실레이트가 가장 잘 떠난다. 알코올·아민·플루오린화물은 거의 반응하지 않는다.
2-클로로-2-메틸프로페인의 가용매 분해는 80 % 에탄올에서 25 °C, \(k_0=9.14\times10^{-6}\) s⁻¹이다. 50 % 에탄올(\(Y=1.655\), \(m=1\))에서의 반감기는?
\(k=9.14\times10^{-6}\times10^{1.655}=4.13\times10^{-4}\ \mathrm{s^{-1}}\), \(t_{1/2}=0.693/k=1.68\times10^{3}\) s(약 28분).
(S)-3-브로모-3-메틸헥세인을 물–아세톤에 녹여 3-메틸-3-헥산올을 얻었다. 생성물은 광학 활성인가? 한 단어로(라세미 / R / S).
3차 기질 + 약한 친핵체 + 양성자성 용매 → SN1. 평면 양이온의 두 면을 물이 거의 같은 확률로 공격하므로 (R)와 (S)가 거의 1:1인 라세미 혼합물이 된다(이온쌍 때문에 반전 쪽이 약간 많을 수 있다).
어떤 할로젠화 알킬과 친핵체의 초기 속도를 쟀다.
| 실험 | [RX] (M) | [Nu] (M) | v (M s⁻¹) |
|---|---|---|---|
| 1 | 0.010 | 0.10 | 2.0 × 10⁻⁶ |
| 2 | 0.020 | 0.10 | 4.1 × 10⁻⁶ |
| 3 | 0.010 | 0.30 | 2.0 × 10⁻⁶ |
RX와 Nu에 대한 차수(정수)를 구하라. 이 반응은 어떤 메커니즘인가?
\(a=\log(4.1/2.0)/\log2=1.04\approx1\), \(b=\log(2.0/2.0)/\log3=0\). 속도식 \(v=k[\mathrm{RX}]\)이므로 SN1이다. \(k=2.0\times10^{-6}/0.010=2.0\times10^{-4}\) s⁻¹.
200 mm 웨이퍼 한쪽 면이 HMDS로 TMS기 2.2개/nm²만큼 덮였다. 이때 나온 NH₃는 몇 µmol인가?
면적 \(\pi(0.100)^2=3.14\times10^{-2}\ \mathrm{m^2}=3.14\times10^{16}\ \mathrm{nm^2}\). TMS \(=6.91\times10^{16}\), NH₃ \(=3.46\times10^{16}\)개 \(=5.74\times10^{-8}\) mol \(=5.74\times10^{-2}\) µmol.
깨끗한 산화막의 물 접촉각을 10°, TMS로 완전히 덮인 표면을 80°라 하고 캐시 식 \(\cos\theta=f\cos80^\circ+(1-f)\cos10^\circ\)을 쓴다. 접촉각 70°를 얻으려면 피복률 \(f\)가 얼마여야 하는가?
\(f=\dfrac{\cos10^\circ-\cos70^\circ}{\cos10^\circ-\cos80^\circ}=\dfrac{0.9848-0.3420}{0.9848-0.1736}=0.792\).
4-브로모뷰탄올의 알콕사이드가 테트라하이드로퓨란으로 고리화하는 속도 상수가 2.0 × 10⁻³ s⁻¹이고, 같은 조건에서 에톡사이드와 1-브로모뷰테인의 분자 간 SN2 속도 상수가 4.0 × 10⁻⁵ M⁻¹ s⁻¹이라 하자. 유효 몰농도는? 0.10 M 용액에서 고리화가 차지하는 비율은 대략 얼마인가?
\(\mathrm{EM}=2.0\times10^{-3}/4.0\times10^{-5}=50\) M. 0.10 M에서 \(f=50/(50+0.10)=0.998\), 거의 전부 고리화한다. 분자 간 반응이 이기려면 순수한 액체보다도 진한 50 M이 필요하다.
NaCN과 1-브로모뷰테인으로 펜테인나이트릴을 가장 빨리 만들 수 있는 용매는?
1차 기질 + 음이온 친핵체 → SN2. DMSO는 Na⁺는 감싸고 CN⁻는 벌거벗겨 반응성을 높인다. 메탄올·물은 CN⁻를 수소 결합으로 붙잡고, 헥세인은 NaCN을 녹이지 못한다.
2-브로모-2-메틸프로페인을 폼산–물 혼합 용매에 녹이면 어떤 메커니즘으로 치환되는가? (SN1 또는 SN2)
3차 기질은 뒤쪽이 막혀 SN2가 불가능하고, 폼산–물은 \(Y\)가 큰 양성자성 용매라 이온화가 빠르다. SN1.
개념 확인 퀴즈
SN2 반응의 속도가 친핵체 농도에 비례하는 이유는?
2-브로모-2-메틸프로페인이 SN2를 거의 하지 않는 가장 큰 이유는?
메탄올에서 F⁻가 I⁻보다 훨씬 느린 친핵체인 주된 이유는?
광학 활성인 3차 할로젠화 알킬을 물에서 가용매 분해했다. 생성물에 대한 설명으로 옳은 것은?
HMDS 프라이밍 뒤 산화막 표면이 소수성이 되는 이유는?