유기화학-알켄(Alkene)

알켄(alkene)

알켄은 적어도 하나 이상의 탄소-탄소 이중결합(C=C)을 가지는 유기 화합물로 올레핀(olefin)이라고도 부릅니다. 단순한 비 고리형 단일 알켄의 일반식은 CnH2n 이고, 단순한 단일 고리형 단일 알켄은 CnH2n-2이 일반식이다. 가장 단순한 알켄은 에틸렌이며, 치환에 따라 다양한 구조와 이름이 있다. 벤젠의 경우, 6각형 고리에 3개의 알켄이 연속해서 있는 구조입니다. 이는 방향족 화학물로 따로 구분하며 일반적인 알켄으로는 분류하지는 않습니다.

 

알켄의 구조

에틸렌의 구조를 보면 탄소-탄소 이중 결합을 하는 탄소에는 각각 두 개의 수소와 공유 결합을 하고 있으며, 탄소-탄소 이중 결합에는 하나의 공유 결합과 하나의 파이 결합을 가지고 있습니다. 이중 결합은 단일 결합보다는 더 강력한 결합으로 거리가 더 짧고 회전이 불가능합니다.

 

불포화도

알케인과 달리 알켄은 더 적은 수의 수소를 갖고 있어 불포화되어 있습니다. 따라서 불포화도를 가지고 있습니다. 촉매 존재 하에서 H2와 반응해 수소 원자가 첨가될 수 있는 화합물입니다. 불포화도 계산법은 불포화된 정도는 같은 탄소 수의 알케인(CnH2n+2) 수소 원자 수를 기준으로 계산합니다. 부족한 수소원자 수 2개 = 불포화도 1 입니다. 구조식을 보고 계산하는 방법과, 분자식을 보고 계산하는 방법이 있습니다. 탄소와 수소로만 이루어진 경우 탄소 n개당 수소 2n+2개가 있을때 포화된것으로 여기서 부족한 수소 2개당 불포화도 1로 계산하면 됩니다. 그러나 수소 이외의 원자가 포함된 경우

1)할로겐 원자(X)인 경우 수소원자로 치환하여 할로겐 원자 1개당 수소원자 1개로 취급하여 계산합니다.

2) 산소 원자(O), 황 원자(S)인 경우에는 CH2로 치환하여 계산하거나 생략합니다. 생략해도 결과는 동일하므로 생략합니다.

3)질소 원자(N), 인 원자(P)인 경우 CH로 치환하여 계산합니다.

화합물 구조로부터 불포화도 계산하는 방법은 불포화도= (고리의 수) + (이중 결합의 수) or (삼중결합의 수X2) = π결합의 수

공명 구조를 가진 화합물의 경우 구조식으로 부터 불포화도를 계산할 때는 가장 주 된 공명 기여체의 구조를 이용해 계산합니다. 분자식의 수소 원자 개수 비교를 통해 얻어진 불포화도 값은 주된 공명 기여체 구조로부터 계산된 값입니다.

 

알켄의 이성질체와 E,Z 명명법

알켄의 구조 이성질체

이중결합을 포함하고 동일한 화학식을 가지고 있으나, 원자-원자의 결합 순서가 서로 다른 화합물입니다.

ex) 1-butene, 2-butene, 2-methylpropene

 

알켄의 기하 이성질체(cis / trans)

이중 결합의 경직성으로 인해 회전이 어려워, 양쪽 탄소 원자에 결합된 치환기의 방향에 따른 입체 이성질체가 생깁니다. 이중 결합 말단 탄소 원자에 동일한 치환기가 최소 1쌍 존재하고, 같은 탄소 원자에 동일한 치환기가 존재하지 않는 구조에서 양쪽 탄소에 결합된 동일한 치환기가 같은 배향으로 존재하면 cis, 서로 반대 배향으로 존재하면 trans라고 명명합니다.

 

E / Z 이성질체

이중 결합 양쪽 탄소 원자에 동일한 치환기가 존재하지 않아 cis, trans로 배향을 나타내기 어려운 경우에 사용합니다. 양쪽 탄소에 결합된 치환기의 우선 순위를 비교해서 나타냅니다. 치환기 우선 순위 결정은 CIP 규약을 사용합니다. 우선 순위 높은 치환체가 반대방향인 경우를 E, 우선 순위 높은 치환체가 같은 방향인 경우를 Z로 명명합니다. 이중 결합의 E/Z배향은 IUPAC 명명 시 cis/trans 처럼 가장 앞쪽에 나타냅니다. 이중 결합이 여러 개 존재하는 경우에는 탄소 번호와 이중 결합의 배향을 IUPAC 이름 가장 앞쪽에 나타냅니다.

 

알켄의 성질

알켄은 반데르발스 상호작용만 나타내므로 이중결합이 없는 알케인과 물리적 성질이 유사합니다. 그러나 이중결합을 가지고 있기때문에 알케인과는 다릅니다. 알켄은 sp2 혼성화된 탄소와 sp3혼성화된 탄소가 있습니다. sp2의 탄소의 s성질은 1/3이고, sp3 탄소의 s성질은 1/4입니다. s성질이 클수록 전자를 더 잘 받아드립니다. 따라서 sp3가 sp2쪽으로 전자를 밀어주기 때문에 알케인은 치환기가 있을수록 더 안정한 상태가 됩니다. cis/trans의 경우에는 trans는 네3 혼성화된 탄소가 전자를 밀어주는 것이 서로 상쇄될수 있습니다. cis의 비해 trans가 덜 극성이므로 더 안정합니다. 분자량은 비슷하나 극성도가 더 큰 화합물보다 끓는점과 녹는점이 낮습니다. 분가간의 힘의 차이가 있기때문입니다. 탄소 수가 증가함에 따라 끓는점과 녹는점이 증가합니다. 알켄은 탄화수소 화합물이기 때문에 유기 용매에 잘 녹지만 물에는 녹지 않습니다. 같은 탄소 수를 가지는 시슬형 알케인에 비해 탄소 당 가지고 있는 수소 원자 수가 적은 탄화수소 화합물입니다. 촉매 존재 하에서 H2와 반응해 수소 원자가 첨가될 수 있는 화합물입니다.