카니차로 반응

카니차로 반응(영어: Cannizzaro reaction)은 발견자인 스타니슬라오 카니차로의 이름을 따서 명명되었으며, 비-엔올화될 수 있는 알데하이드 두 분자가 염기에 의해 불균등화 반응을 일으켜 일차 알코올과 카복실산을 생성하는 화학 반응이다.^[1][2]

카니차로 반응
이름이 붙여진 대상	스타니슬라오 카니차로
반응 유형	유기 산화환원반응
식별자
유기화학 포털	cannizzaro-reaction
RSC ontology ID	RXNO:0000218

카니차로는 1853년 벤즈알데하이드를 포타시(탄산 칼륨)로 처리하여 벤질 알코올과 벤조산 칼륨을 얻었을 때 이 변환을 처음으로 수행했다. 일반적으로 이 반응은 수산화 나트륨 또는 수산화 칼륨을 사용하여 카복실산 생성물의 나트륨 또는 칼륨 카복실산염 염을 생성한다.

2 C₆H₅CHO + KOH → C₆H₅CH₂OH + C₆H₅COOK

이 과정은 하나의 수소화물이 한 기질 분자에서 다른 분자로 이동하는 산화·환원 반응이다. 하나의 알데하이드는 산으로 산화되고, 다른 하나는 알코올로 환원된다.^[3]

메커니즘

애니메이션 반응 메커니즘

이 반응은 알데하이드에 대한 친핵성 아실 치환 반응을 포함하며, 이탈기는 두 번째 단계에서 다른 알데하이드를 동시에 공격한다. 먼저, 수산화물은 카보닐을 공격한다. 결과로 생성된 사면체 중간체는 붕괴되어 카보닐을 재형성하고 수소화물을 다른 카보닐을 공격하도록 이동시킨다.^[4] 반응의 마지막 단계에서 생성된 산과 알콕사이드 이온은 양성자를 교환한다. 매우 높은 농도의 염기가 존재할 때, 알데하이드는 먼저 이중으로 하전된 음이온을 형성하고, 여기서 수소화물 이온이 두 번째 알데하이드 분자로 전달되어 카복실레이트 및 알콕사이드 이온을 형성한다. 이어서, 알콕사이드 이온은 용매로부터 양성자를 얻는다.

전반적으로, 반응은 3차 반응 속도를 따른다. 알데하이드에 대해 2차, 염기에 대해 1차이다.

rate = k[RCHO]²[OH⁻]

매우 높은 염기 농도에서는 두 번째 경로(k')가 중요해지는데, 이는 염기에 대해 2차이다.

rate = k[RCHO]²[OH⁻] + k'[RCHO]²[OH⁻]²

k' 경로는 이중으로 하전된 음이온 (RCHO₂²⁻)과 알데하이드 사이의 반응을 의미한다. 수소화물 이온의 직접적인 이동은 반응이 D₂O 존재하에서 수행될 때 회수된 알코올에 α-탄소에 붙은 중수소가 포함되어 있지 않다는 관찰에서 분명하다.

범위

강한 알칼리 반응 조건으로 인해 알파 수소 원자를 가진 알데하이드는 대신 그곳에서 탈양성자화되어 엔올레이트 및 가능한 알돌 반응을 유도한다. 이상적인 조건에서 반응은 알코올과 카복실산 모두 50%를 생성한다(하나의 산과 하나의 알코올을 생성하는 데 두 개의 알데하이드가 필요하다).^[5] 제품을 분리할 수 있고 둘 다 가치가 있다면 경제적으로 실현 가능하다. 푸르푸랄의 푸르푸릴 알코올과 2-푸로산으로의 상업적 전환이 그 예이다.^[6] 또는, '교차 카니차로 반응'에서 한 제품(일반적으로 알코올)의 더 높은 수율을 달성할 수 있는데, 이 반응에서는 희생 알데하이드가 더 가치 있는 화학 물질과 함께 사용된다. 이 변형에서 환원제는 폼알데하이드이며, 이는 폼산나트륨으로 산화되고 다른 알데하이드 화학 물질은 알코올로 환원된다. 따라서, 원자 경제성은 낮을 수 있지만, 가치 있는 화학 물질의 수율은 높다. 펜타에리스리톨 합성의 마지막 단계가 그 예이다.

액체 2-클로로벤즈알데하이드를 수산화 칼륨과 함께 막자사발과 막자에 갈아서 용매 없이 반응시키는 방법이 보고되었다.^[7]

Solvent-free Cannizzaro reaction

변형

티셴코 반응에서는 수산화물 대신 알콕사이드가 염기로 사용되며, 생성물은 별개의 알코올 및 카복실산기 대신 에스터이다. 친핵성 염기가 알데하이드를 공격한 후, 결과적으로 생성된 새로운 산소 음이온은 사면체 붕괴를 겪는 대신 다른 알데하이드를 공격하여 이전에 알데하이드를 포함했던 두 반응물 사이에 헤미아세탈 결합을 형성한다. 결국 사면체 붕괴가 일어나 안정한 에스터 생성물을 제공한다.

특정 케톤은 알데하이드에 존재할 수 있는 수소화물 대신 두 탄소 그룹 중 하나를 이동시키는 카니차로형 반응을 겪을 수 있다.^[8]

같이 보기

• 포르모스 반응: 수산화물 내 폼알데하이드의 느린 자체 반응으로 알도스 당 형성
• 벤조인 축합: 알데하이드의 자체 반응으로 α-하이드록시 케톤 형성
• 메르바인–폰도르프–베를리 환원 및 오페나우어 산화: 불균등화 반응을 통한 케톤과 이차 알코올의 관련 상호 변환