[여러가지 화합물]유기화합물 5부






이중결합과 삼중결합 - 1


1. 이중결합

지방족탄화수소의 둘째 족으로서 올레핀 또는 알켄이라고 불리는 것이 있다. 이들은 탄소의 원자를 포화 하는데 필요한 수보다 수소원자를 두 개 적게 가지고 있으므로 불포화 되어있다고 한다. 올레핀의 첫째 화합물은 에틸렌이다. 에틸렌 분자에서 각 탄소 원자는 두 개의 수소 원자와 더불어 전자쌍을 공유하고 있으며, 나머지 두 쌍의 원자가 전자 는 두 탄소원자 사이에 공유되어 있다. 바꾸어 말하면 다음 의 전자구조식 또는 구조식에서 보는 바와 같이 에틸렌의 두 탄소 원자는 이중결합을 이루고 있다.


올레핀족 탄화수소는 형식상으로는 해당하는 파라핀족의 화합물에서 바로 옆에 두 탄화수소로부터 각각 수소원자 한 개씩을 뺀 것이라고 할 수 있고, 그 탄소원자는 불포화되어 있으며, 이중결합을 이룸으로써 비로소 그 원자가가 만족된다. 에틸렌 외에도 간단한 올레핀으로서 이를테면 프로펜. 1-부텐. 2-부텐, 이소부텐 등을 들 수 있다. 올레핀은 CnH2n 이라는 일반식으로 나타낸다.


X선과 전자의 회절 법을 써서 연구한 바에 의하면, 에틸렌분자에서 이중 결합을 한 두 개의 탄소원자와 네 개의 수소원자는 같은 면에 놓여 있고(평면구조), 그 결합각도는 그림 4.4에 표시되어 있듯이 약 120˚이다. 에틸렌 및 다른 올레핀의 물리적 및 화학적 성질에 관한 연구결과로써, 이중결합을 한 탄소원자는 이 결합을 축으로 하여 자유롭게 회전할 수 없음을 알 수 있다.

 

에틸렌 분자의 입체구조는 탄소-탄소 이중결합의 궤도함수의 형식으로써 결정된다. 에틸렌 분자의 각 탄소원자는 한 개의 2s 궤도함수와 두 개 의 2p 궤도함수로 된 sp2 형식의 혼성궤도 함수를 만든다. 이 셋의 궤도함수는 세 개의 단일결합 즉 다른 한 개 의 탄소원자 및 두 개의 수소온자와 단일결합을 이루며, 이들은 120˚의 결합 각도로써 서로 결합되어 있다. 이 세 개의 sp2 궤도함수 한 개마다 탄소원자의 원자가전자 한 개씩이 남게 된다.



그림 1 에틸렌의 결합구조


두 탄소원자에 남은 이 p 궤도함수의 긴축은 CH2 면에 대하여 수직의 방향에 있다. 만약에 에틸렌 분자의 양쪽의 CH2 원자단이 같은 평면에 놓여 있다고 가정하면, 이 두 개의 p 궤도함수는 저희끼리는 같은 면에 있지마는, CH2 원자단의 면에 대하여는 수직의 방향으로 있게 될 것이다. 두 개의 p 원자궤도함수가 입체적으로 이렇게 배열되어 있을 때에 둘이 서로 겹쳐져서 한 개의 분자궤도함수를 만들 수 있다. 이 분자궤도함수는 두 개의 전자를 써서, CH2 원자단의 면의 위 아래쪽에 각각 하나씩의 두꺼운 소세이지 같은 것을 만든다.


그림 2 에틸렌의 분자 결합모형


이 새로운 분자궤도함수는 축이 서로 평행해 있는 두 개의 p 원자 궤도함수가 겹쳐져서 생긴 것이며, 이것으로 탄소 -탄소 사이에 하나의 새 결합이 이루어진다. 그러나 이 결합은 보통의 탄소 -탄소 단일결합보다는 상당히 약하다. 이러한 결합을 π결합이라고 하고 (보통의 단일 결합인 σ결합과 구별하기 위하여). 이 결합에 관여하는 전자를 π전자라고 한다.


에틸렌 (일반적으로 올레핀)이 부가반응을 일으키기 쉬운 것은 이 π전자를 곧 이용할 수 있기 때문이다. 두 개의 p 원자 궤도함수의 긴축이 같은 면에 있을 때에 한하여 이것으로부터 π결합이 만들어질 수 있고, 따라서 에틸렌 분자의 두 개의 탄소원자와 네 개의 수수온자는 같은 평면에 놓이게 된다. 바꾸어 말하면, π 결합을 하공 있는 한, 탄소-탄소 이중결합은 그것을 축으로 하여 자유롭게 회전할 수 없다(그림 2).


올레핀의 끓는점, 녹는점 및 용해성은 해당하는 파라핀족 탄화수소의 그것과 대단히 비슷하다. 일반적으로 실온에서는 C2-C4 사이의 올레핀은 기체이고, C5-C18 사이의 것은 액체이며, 이보다 탄소수가 많은 것들은 고체이다. 이들은 보두 물에는 아주 조금 밖에 녹지 않는다.


올레핀은 포화탄화수소와는 달리, 화학적으로 매우 활발하다. 그 이중결합에 다른 분자가 부가하여 쉽게 단일 결합으로 되면서 포화화합물이 생긴다. 예를 들면 에틸렌은 백금 또는 니켈촉매의 존재 밑에서 한분자의 수소가 부가하여 에탄올을 만든다.


CH2=CH2 + H2 → CH3-CH3

 

브롬은 에틸렌이 쉽게 부가한다. 이때는 부롬화에틸렌이 생긴다.


CH2=CH2 +Br2 → CH2Br=CH2Br


황산을 촉매로 써서 에틸렌에 한 분자의 물을 부가하면 에틸알코올이 생긴다.


CH2=CH2 +H2O → CH3-CH2OH

 

올레핀 분자는 삼플루오르와 보론의 촉매작용으로 서로 부가하는 성질이 있다. 즉 중합하는 성질이 있다. 이와 같은 중합반응은 합성고무 및 플라스틱 공업에 있어서 매우 중요하다. 이를테면 에틸렌을 중합시키면, 그 첫 단계에서는 주로 1-부텐이 생긴다.


올레핀은 석유를 크랙킹하여 대량으로 만들 수 있다. 에틸렌을 공업적으로 만들려면, 경우(가스오일) 또는 천연가스로부터 얻어지는 프로판을 기체상에서 크랙킹한다. 또 에틸알코올을 탈수하여 만들 수도 있는데, 이를테면 에틸알코올을 황산 촉매를 써서 170˚̊̊̊̊̊C로 가열하거나, 산화알루미늄 촉매를 써서 350˚C로 가열하여 만든다.


에틸렌은 약간 달콤한 냄새를 가진 무색의 기체이다. 이것은 자극성이 없고 마취효과가 빠르기 때문에 이 목적에 가끔 쓰인다. 또 귤, 레몬, 오렌지 등을 인공적으로 빨리 익히는데 감자 및 다른 구근들의 싹이 빨이 트게 하는데 다량의 에틸렌이 쓰인다. 에틸렌은 또한 에틸알코올을 공업적으로 만드는 원료이다. 그 밖의 다른 올레핀을 써서 여러 가지의 알코올 및 동합체 등을 공업적으로 합성할 수 있다. 







Reactions





댓글 쓰기

0 댓글