케톤 할로젠화

유기화학에서 알파-케토 할로젠화(영어: α-keto halogenation)는 특별한 유형의 할로젠화이다. 이 반응은 수용액 매질에서 해당 원소 할로젠과 함께 산성 또는 염기성 조건에서 수행될 수 있다. 이러한 방식으로 염화 이온, 브로민화물, 아이오딘화물(하지만 플루오린화물은 아님) 작용기는 케톤의 알파 위치에 선택적으로 삽입될 수 있다.

케톤의 카보닐 그룹(C=O)에 대한 알파 위치는 쉽게 할로젠화된다. 이는 염기성 용액에서 엔올레이트(C=C−O−
)를 형성하거나 산성 용액에서 엔올(C=C−OH)을 형성하는 능력 때문이다. 알파 할로젠화의 예로는 아세톤((CH
3)
2C=O)의 단일 브로민화가 있으며, 이는 산성 또는 염기성 조건에서 수행되어 브로모아세톤을 생성한다.

산성 (아세트산 내):

아세트산 존재 하에서 아세톤의 브로민화 반응 메커니즘

염기성 (수성 NaOH 내):

수성 NaOH 존재 하에서 아세톤의 브로민화 반응 메커니즘

산성 용액에서는 보통 하나의 알파 수소만 할로젠으로 치환되는데, 이는 각 후속 할로젠화가 첫 번째보다 느리기 때문이다. 할로젠은 카보닐 산소의 염기성을 감소시켜 양성자화를 덜 유리하게 만든다. 그러나 염기성 용액에서는 할로젠의 유도 전자 끌기 때문에 후속 할로젠화가 더 빠르다. 이는 나머지 수소를 더 산성으로 만든다. 메틸 케톤의 경우, 이 반응은 종종 세 번째로 일어나 케톤 삼할로젠화물을 형성하며, 이는 물과 빠르게 치환되어 할로포름 반응으로 알려진 과정에서 카복실산염(−C(=O)O−
)을 형성할 수 있다.^[1]

위치선택성 또한 다르다: 산성 조건에서 비대칭 케톤의 할로젠화는 더 치환된 알킬기가 할로젠화되는 결과를 낳는다. 두 번째 할로젠 당량은 다른 알킬 치환기(할로젠이 없는)의 할로젠화를 초래한다. 대조적으로, 염기성 용액에서는 비대칭 케톤이 덜 치환된 알킬기에서 할로젠화된다. 후속 할로젠화(보통 화학량론 제어로 멈출 수 없음)는 이미 할로젠 치환기를 가진 위치에서 발생하며, 모든 수소가 할로젠 원자로 대체될 때까지 계속된다. 메틸 알킬 케톤(2-알카논)의 경우, 할로포름 반응은 카복실산을 선택적으로 생성한다.^[2]

α,β-불포화 케톤의 할로젠화

α,β-불포화 케톤의 할로젠화^[3]

α,β-불포화 케톤 또는 엔온에서는 불포화된 측면보다 케톤의 더 포화된 알파 위치에 아이오딘으로 선택적으로 할로젠화할 수 있다. 아이오딘은 알킬 브로민화물보다 반응성이 높아 이 반응에 매우 유용하기 때문에 선호된다.^[3] I₂와 함께 CuO를 사용하면 비교적 온화한 조건에서 이 반응을 달성할 수 있다. 이 반응은 CuO에 의해 촉진되는 매우 반응성 있는 엔올 메커니즘을 거치며, 이는 케톤의 포화된 알파 탄소에 I₂를 선택적으로 첨가할 수 있게 한다.^[4] 그러나 이 반응의 효율성은 아릴 작용기의 존재에 따라 달라진다.

녹색 화학에서의 응용

알파 할로젠화된 생성물은 반응성이 높아 반응하기 매우 쉽기 때문에 매우 유용한 화합물이다. 알파 할로젠화된 케톤은 친핵체와 반응하여 많은 귀중한 화합물을 생성한다. 그러나 현재 케톤 할로젠화 방법 중 다수는 유해한 화학 물질을 사용하고, 복잡한 절차를 가지며, 완료하는 데 오랜 시간이 걸린다. 또한, 주로 사용되는 극성 용매(DMF, DMSO 및 CH₃CN)는 주요 환경 오염 물질이다.

2005년 Meshram 등은 녹색 화학의 원리에 따라 케톤 할로젠화를 더 친환경적인 반응으로 만드는 연구를 수행했다.^[5][6] Meshram 등은 케톤 할로젠화에 주로 사용되는 유해 화학 물질의 대안을 조사하여 상온 이온성 액체가 유망한 옵션임을 발견했다.^[6] 상온 이온성 액체는 독특한 화학적 및 물리적 특성을 가지며, 결합된 양이온을 변경하여 그 특성을 수정할 수 있다는 점에서 흥미로운 전망이다. 또한, 이러한 이온성 액체는 높은 극성을 가지며 유기 및 무기 분자를 용해하는 능력이 향상된 반응 속도로 이어져 더욱 바람직하다.

많은 실험에서 N-할로숙신이미드를 용매로 사용하는 이온성 액체가 기존 용매에 대한 효과적이고 친환경적인 대안임을 발견했다.^[6] 이 과정은 또한 향상된 수율, 감소된 반응 시간, 간소화된 절차, 덜 유해한 화학 물질(강산 없음) 사용, 그리고 촉매 불필요 등 모든 면에서 과정을 더 친환경적으로 만들었다.