친핵체(Nucleophile)와 이탈기(Leaving Group)의 반응성 정리

1. 친핵체(Nucleophile)의 반응성

 친핵체는 다른 분자의 전자 부족한 부분(보통 친전자체)에 전자를 주는 분자로, 루이스 염기의 성질을 가집니다. 이러한 친핵성(Nucleophilicity)은 반응 속도와 관계가 있습니다. 특히 친핵성 치환반응은 유기화학에서 중요한 반응으로, 반응 환경과 기질의 구조에 따라 SN1과 SN2로 구분됩니다. 또 SN1과 SN2 반응은 서로 다른 반응 메커니즘을 가지며 각각의 특성과 조건에 따라 다르게 진행됩니다. 따라서 친핵체의 반응성을 알면 친핵성 반응을 쉽게 예측할 수 있게 됩니다.  

1) 친핵성 결정 요인

1. 전하(Charge)
   • 일반적으로 같은 원소라면 음이온이 중성보다 친핵성이 큽니다.
   • 예: OH− > H2O, NH2−​ > NH3​
2. 전기음성도(Electronegativity)
   • 전기음성도가 낮을수록(즉, 전자를 주기 쉬울수록) 친핵성이 큽니다.
   • 예: NH3​ > H2O, CH3−​ > NH2−​
3. 공명 안정화(Resonance)
   • 공명에 의해 안정화되는 음이온은 친핵성이 낮아집니다.
   • 예: CH3​O− > CH3​COO− (아세테이트 이온은 공명 구조로 인해 안정화되어 친핵성이 낮음)
4. 용매 효과(Solvent Effect)
   • 극성 양성자성 용매(Polar Protic Solvent, 물, 에탄올 등)에서는 친핵성이 아래로 갈수록 증가하는 경향을 보입니다. (수소결합으로 인해 작은 이온이 방해받음)
     • F⁻ < Cl⁻ < Br⁻ < I⁻ (SN1 반응에 적합)
   • 극성 비양성자성 용매(Polar Aprotic Solvent, DMSO, DMF 등)에서는 친핵성이 기본적인 염기성 순서와 일치하는 모습을 보입니다.
     • I⁻ < Br⁻ < Cl⁻ < F⁻ (SN2 반응에 적합)
5. 입체 장애(Steric Hindrance)
   • 부피가 큰 친핵체는 SN2 반응에서 반응성이 감소합니다.
   • 예 : CH3​O− (메톡사이드)가 (CH3​)3​CO− (터셔리 부틸옥사이드)보다 친핵성이 강함.

2) 친핵체 강도 순위

(비양성자성 용매 기준) 강한 친핵체(빠른 SN2 반응)

• HS−, I−, RS−, OH−, CN−, CH3​O−, NH2−​

중간 친핵체

• Br−, Cl−, NH3​, CH3​COO−, R−OH

약한 친핵체(주로 SN1 반응)

• H2​O, F−, ROH, RCOOH (카복실산)

2. 이탈기(Leaving Group)의 반응성

 이탈기는 친핵성 치환반응에서 기질을 떠나는 부분이며, 보통 전자쌍을 가지고 이탈합니다. 좋은 이탈기는 기질에서 잘 떨어져 나가는 종류를 말하며 가져나온 전자쌍을 안정화 시키는 능력이 좋습니다. 나쁜 이탈기는 반대로  잘 떨어져나가지 않는 이탈기를 말합니다. 이탈기의 안정성 역시 친핵성 반응의 반응성을 결정한다.

1) 좋은 이탈기의 특징

1. 안정한 음이온일수록 반응성 증가 
   • 전하를 안정적으로 유지할 수 있는 분자가 좋은 이탈기임. 보통 전기음성도가 높은 분자 또는 원자.
   • 예 : 약한 염기일수록 좋은 이탈기 (강한 산의 짝염기)
2. 공명 안정화(Resonance) 가능 여부
   • 공명으로 인해 안정화될 수 있는 음이온은 좋은 이탈기임.
   • 예 : HSO4−​, TsO− (p-Toluenesulfonate)
3. 전자친화성(Electrophilicity)과 극성
   • 전기음성도가 높거나 극성 용매에서 안정한 이온은 좋은 이탈기임.

2) 이탈기 강도 순위

• 좋은 이탈기(반응성이 큼)
  • I− > Br− > Cl− > H2​O > TsO− (Tosylate) > MsO− (Mesylate)
  • 예 : 트리플루오로메탄설폰산(TfO⁻), 톨루엔설폰산(TsO⁻), 메실레이트(MsO⁻)
  • 약한 염기이며 SN1, SN2 반응 모두에서 우수한 이탈기
• 중간 이탈기
  • F− (SN1, SN2에서 둘 다 약함)
  • CH3​COO− (아세테이트)
  • NH3​ (약한 염기)
• 나쁜 이탈기(반응성이 낮음)
  • HO−, RO−, NH2−​, R−
  • 강한 염기이므로 SN1과 SN2 반응에서 잘 떨어지지 않음.
  • 예 : OH−, NH2−​, H− (수소 이온은 특히 나쁜 이탈기)

3. 친핵체와 이탈기의 상관관계

• 좋은 친핵체는 강한 염기성이면서 작용기와의 결합력이 강함 → 하지만 이탈기가 되기 어려움.
• 좋은 이탈기는 약한 염기성이면서 안정적인 음이온 형태를 띠고 있어야 함.

4. 친핵성과 이탈기의 관계 정리

	친핵체(Nucleophile)	이탈기(Leaving Group)
역할	전자를 공급하여 새로운 결합 형성	기존 결합을 끊고 떠남
강한 경우	OH−, CN−, SH−, I−	I−, Br−, Cl−, TsO−, H2​O
약한 경우	H2​O, F−, CH3​COO−	OH−, NH2−​, R−
반응에 미치는 영향	강할수록 SN2 반응 촉진	좋을수록 SN1 반응 촉진

 

 친핵체와 이탈기의 관계를 정리하자면 좋은 친핵체는 강한 염기성을 가지며, SN2 반응에서 중요한 역할을 합니다. 그리고좋은 이탈기는 약한 염기성을 가지며, SN1 반응을 촉진합니다. 예외적으로 반응 환경과 용매에 따라 친핵성과 이탈기의 성질이 달라질 수도 있습니다.