화학 고3 탄소 화합물과 반응 심화

치환 반응

Q: 치환 반응에 왜 빛이 필요한가요?

빛에너지가 Cl2 결합을 끊어 반응을 시작할 수 있는 상태로 만들기 때문입니다. 알케인은 반응성이 낮아서 그냥 두면 좀처럼 반응하지 않지만, 일단 시작되면 연쇄적으로 진행됩니다.

Q: 치환 반응은 알케인에서만 일어나나요?

아닙니다. 벤젠 고리의 수소가 다른 원자단으로 바뀌는 반응, 알코올의 -OH가 다른 원자단으로 바뀌는 반응도 넓게 보면 치환입니다. '무언가가 빠지고 그 자리에 다른 것이 들어온다'는 형식이 치환의 정의입니다.

유기 화합물의 수소 원자(또는 작용기)가 다른 원자나 원자단으로 대체되는 유기 반응으로, 알케인의 할로겐화가 대표적이다. 진로선택 「화학 반응의 세계」 소속.

유기 화합물에 붙어 있던 수소 원자(또는 작용기)가 떨어져 나가고 그 자리에 다른 원자나 원자단이 대신 들어오는 반응으로, 알케인의 할로겐화가 대표적입니다.

자리가 꽉 찬 버스와 같습니다. 새 승객을 태우려면 먼저 한 사람이 내려야 합니다. 첨가 반응이 빈자리에 그냥 타는 것이라면, 치환 반응은 반드시 누군가 내리고 그 자리에 타는 것입니다.

쉽게 말하면

알케인의 탄소는 결합 네 개를 이미 다 쓰고 있어 새 원자가 들어올 자리가 없습니다. 그래서 반응하려면 붙어 있던 수소를 먼저 내보내야 합니다. 이것이 포화 탄화수소가 첨가가 아니라 치환을 하는 근본 이유입니다. 원자 수를 세어 보면 확실합니다 — 치환에서는 항상 두 종류의 생성물이 나옵니다. 새 물질 하나와, 떨어져 나간 것이 뭉친 부산물 하나( $HCl$ 같은)입니다.

대표적인 예가 메테인의 염소화입니다. 빛을 쬐어 주면 $C l_{2}$ 분자가 쪼개지면서 반응이 시작되고, 메테인의 수소가 하나씩 염소로 바뀝니다. 여기서 중요한 점은 반응이 한 번에 멈추지 않는다는 것입니다. $C H_{3} Cl$ 이 생겨도 아직 수소가 셋 남아 있으니 계속 치환될 수 있어서, 실제로는 여러 생성물이 섞여 나옵니다. 첨가 반응이 깔끔하게 한 가지 생성물을 주는 것과 대비됩니다.

치환은 알케인만의 반응이 아닙니다. 벤젠도 치환을 하는데, 이유는 정반대입니다. 벤젠은 첨가할 자리가 없어서가 아니라, 첨가하면 안정한 고리 구조가 깨지므로 굳이 하지 않는 것입니다. 결과는 같아도 이유가 다르다는 점을 구별해야 합니다.

어두운 곳에서는 알케인과 할로겐이 잘 반응하지 않습니다. 빛이 반응을 시작시키는 방아쇠 역할을 하기 때문입니다. 브로민수의 색으로 포화·불포화를 판정할 때 '어두운 곳에서' 실험하는 이유가 여기에 있습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

메테인의 염소화 — 수소 하나가 염소로 바뀐다

$C H_{4} + C l_{2} 빛 C H_{3} Cl + HCl$

떨어져 나간 수소가 염소 하나를 데리고 $HCl$ 로 빠져나갑니다. 생성물이 두 개라는 점이 첨가 반응과의 결정적 차이입니다.
예시 2

치환은 여러 번 일어난다

$C H_{3} Cl + C l_{2} C H_{2} C l_{2} + C l_{2} CHC l_{3} + C l_{2} CC l_{4}$

수소가 남아 있는 한 치환은 계속됩니다. 그래서 실제 실험에서는 한 가지가 아니라 치환 개수가 다른 여러 생성물이 섞여 나옵니다. 원하는 물질만 얻으려면 반응 조건과 시약의 양을 조절해야 합니다.
예시 3

브로민수 실험에서 빛을 차단하는 이유

알켄에 브로민수를 넣으면 첨가 반응으로 색이 즉시 사라집니다. 알케인은 어두운 곳에서는 반응하지 않아 색이 남습니다. 그런데 빛을 비추면 알케인도 치환 반응을 시작해 색이 서서히 옅어집니다 — 실험을 어두운 곳에서 해야 판정이 흐려지지 않습니다.

첨가 반응과 치환 반응

구분	첨가 반응	치환 반응
반응하는 물질	알켄·알카인(불포화)	알케인(포화), 벤젠
끊어지는 결합	$π$ 결합	$C - H$ 결합
떨어져 나가는 것	없음	있음( $HCl$ 등)
생성물 수	보통 한 가지	새 물질 + 부산물
예	$C_{2} H_{4} + B r_{2} \to C_{2} H_{4} B r_{2}$	$C H_{4} + C l_{2} \to C H_{3} Cl + HCl$

자주 하는 오해

치환 반응에서도 원자가 그냥 '붙는다'고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

C H_{4} + C l_{2} \to C H_{4} C l_{2}

실제로는

C H_{4} + C l_{2} \to C H_{3} Cl + HCl

. 수소가 하나 빠져야만 염소가 들어올 수 있습니다.

탄소는 결합을 최대 네 개까지만 만듭니다.

C H_{4}

의 탄소는 이미 네 개를 다 썼으므로 다섯 번째 결합은 존재할 수 없습니다. '자리가 없다'는 사실 하나만 기억하면 이 실수는 사라집니다.

벤젠이 치환하는 이유를 알케인과 같다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움벤젠도 첨가할 자리가 없어서 치환 반응을 한다

실제로는벤젠에는

π

결합이 있어 첨가할 '자리'는 있습니다. 다만 첨가하면 비편재화된 안정한 고리가 깨지므로, 안정성을 지킬 수 있는 치환을 선택하는 것입니다.

알케인의 치환은 '그것밖에 못 해서'이고, 벤젠의 치환은 '그게 더 유리해서'입니다. 결과가 같다고 이유까지 같은 것은 아니며, 시험에서는 바로 이 이유를 묻습니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

알케인(포화 탄화수소)고3 탄화수소고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 탄소 화합물과 반응

자주 묻는 질문

Q1치환 반응에 왜 빛이 필요한가요?

빛에너지가

C l_{2}

결합을 끊어 반응을 시작할 수 있는 상태로 만들기 때문입니다. 알케인은 반응성이 낮아서 그냥 두면 좀처럼 반응하지 않지만, 일단 시작되면 연쇄적으로 진행됩니다.

Q2생성물이 여러 개 섞여 나오면 실험이 실패한 건가요?

아닙니다. 치환 반응의 본래 성질입니다. 수소가 여러 개 있으면 어느 수소가 치환될지 반응이 골라 주지 않기 때문입니다. 그래서 실제 합성에서는 원하는 생성물의 비율을 높이는 조건 조절이 중요한 기술이 됩니다.

Q3치환 반응은 알케인에서만 일어나나요?

아닙니다. 벤젠 고리의 수소가 다른 원자단으로 바뀌는 반응, 알코올의

- OH

가 다른 원자단으로 바뀌는 반응도 넓게 보면 치환입니다. '무언가가 빠지고 그 자리에 다른 것이 들어온다'는 형식이 치환의 정의입니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 탄소 화합물과 반응 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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