acetal은 산의 존재하에서 aldehyde, ketone과 alcohol에서 생성되는 아까 acetaldehyde의 methanol용액은 새로운 화합물인 hemiacetal을 포함한다고 말했다.또 hemiacetal의 생성 속도는 산(또는 염기)촉매를 alcohol과 aldehyde의 혼합물에 첨가하면 증가한다고 말했다.그러나 acetaldehyde-methanol혼합물에 산 촉매를 가하자, acetaldehyde와 methanol의 반응 속도가 증가할 뿐만 아니라 다른 생성물이 만들어진다.이 생성물은 acetal로 hemiacetal은 acetal에 가기 전의 절반의 단계이다.
산(염기는 되지 않는다)의 존재 하에서 hemiacetal은 출발 물질인 aldehyde의 카르보닐기에 속해 있던 산소 원자를 잃어가면서 제거 반응(aldehyde와 alcohol로 돌아온 반응과는 다르다)을 진행할 수 있다.
단계는 다음과 같다.hemiacetal의 hydroxyl기반의 양성자화 제거에 의한 물의 소실.이 제거는 불안정에서 매우 반응성이 높은 oxoniumion을 만들어 낸다.oxoniumion에 대한 methanol첨가(물론 σ 결합이 아니라 π 결합이 깨진다)요코의 소실에 의한 acetal생성 oxoniumionoxoniumion은 양전하를 가진 산소 원자 세개의 결합이 연결되어 있다.이 3개의 결합은 H3O+, 안정된(그러나 반응성은 큰)alkylating시약인 Meerwein소금(trimethyloxonium fluoroborate)처럼 모두 σ 결합될 수 있지만 acetal중간체처럼 결합의 하나가 π 결합임도 있다.’oxoniumion’라는 용어는 이 구조의 모든 것을 기술한다.이들은 alkylated ether혹은 O-alkylated카르보닐 화합물과 같다.양자화된 카르보닐기가 양자화되고 있지 않은 것보다 훨씬 electrophilic인 것처럼 이 oxoniumion은 강력한 electrophile이다.이들은 2번째 alcohol분자로 빠르게 반응하고 acetal로 알려진 새로운 안정된 화합물을 생성할 수 있다.oxoniumion은 또 산 용액에서 hemiacetal을 생성할 때 중간체이기도 하다.더 진행시키기 전에 aldehyde, ketone과 alcohol에서 acetal을 생성하는 전체 메커니즘을 먼저 제시한 것이 좋다.∙ acetal과 hemiacetal의 생성 hemiacetal생성은 산과 염기가 촉매 작용을 하지만 acetal생성은 OH기가 좋은 leaving group에서 만들어져야 하기 때문에 산 촉매만으로 가능하다.메커니즘은 이전까지 만난 반응 가운데 가장 복잡하고 메커니즘을 절반으로 나누어 보는 것이 도움이 될 것이다.이 두 부분은 서로 매우 흡사하기 때문이다.반응은 카르보닐 산소의 양성자화와 C=Oπ 결합에 대한 alcohol의 첨가로 시작된다.hemiacetal가 들어서면서 다시 산소의 양성자화에서 비롯되원래 C=Oσ 결합한 결합을 끊고 OH를 잃은 oxoniumion을 생성한다.hemiacetal과 acetal의 두 과정과도 oxoniumion을 통해서 진행되면서 alcohol이 oxoniumion에 첨가된다.acetal과 hemiacetal의 마지막 단계는 모두 마지막에 첨가된 alcohol에서 요코를 잃음이라.완성한 메커니즘에서 acetal생성은 실제로 산 촉매에서만 가능함을 이해하기 바란다.oxoniumion을 기억하자 acetal 생성 메커니즘을 그릴 때 oxoniumion을 빠뜨리지 않기를 바란다. 흔한 실수다. 메커니즘은 분명히 alcohol에 의한 물의 직접적인 치환으로는 진행되지 않는다.이후 치환 반응을 다루게 되면 이 치환 단계는 SN2 메커니즘이 아닌 SN1 메커니즘으로 진행된다는 것을 알 수 있을 것이다.acetal 제조 전 논의한 ester 생성과 가수분해 반응과 같이 acetal 생성의 모든 단계는 가역적이다. 따라서 acetal을 만들기 위해서는 예를 들어 과량의 alcohol을 사용하거나 반응 혼합물에서 물이 생성될 때마다 증류로 제거해야 한다.실제로 acetal생성은 ester생성보다 훨씬 어렵다.carboxylic acid와 alcohol에서 산 촉매 ester생성의 평형 상수는 보통 약 1이며(위에 제시된)aldehyde와 ethanol의 acetal생성은 평형 상수가 K=0.0125이다.ketone의 경우 이 값은 훨씬 낮아진다.실제로(가끔 ketal)ketone의 acetal을 만드는 것은 만들어지는 acetal이 환상이 아닌 경우 통상 대단히 어렵다.그러나 반응으로 만들어진 물이 생성물을 가수 분해하는 것을 방지하기 위한 다양한 기법이 있다.para-toluenesulfonic acidpara-toluenesulfonic acid는 이런 종류의 반응에 자주 사용되는 촉매이다. 이 물질은 안정된 고체이지만 황산이 뛰어난 산이다. 삭차린 합성으로 부산물로 만들어지기 때문에 널리 이용되며 가격이 저렴하다.보다 반응성이 좋은 aldehyde에서는 시약 중 하나(acetaldehyde)를 과량으로 사용하면 반응을 완결적으로 가속시키기에 충분하다. 건조한 HCl 가스도 이용할 수 있다. 반응성이 낮은 케톤의 경우 분자체(zeolite)를 사용해 반응이 진행되면서 나오는 물을 제거했다.분자체(molecular sieve)는 훨씬 작은 분자만 흡수할 수 있는 매우 작은 공동을 가진 미네랄이다.acetal생성에 사용되는 가루 자체는 물만 선택적으로 흡수한다.이들은 약간 하얀 작은 원통형의 물질로 공급된다.acetal은 산의 존재하에서만 가수 분해되는 acetal생성이 산 촉매가 필요했듯이 acetal은 산 촉매를 이용해서만 가수 분해시킬 수 있다.산 수용액을 이용하면 비고리형 acetal이 매우 쉽게 분해된다.다음 예는, 전술의 2개의 acetal이다.acetal은 산에서 가수 분해되지만 염기가 안정되다.메커니즘을 다시 그리지는 않다.이미 acetal생성에서 반대 과정으로 보고 있기 때문이다.그러나 acetal이 염기에 안정적이라는 사실은 매우 중요한 점이며, 향후 이를 이용할 것이다.환형 acetal은 환형 acetal보다 안정적이다.물론 이를 증명하기를 바랄 것이다.다음 예에서는 출발 물질은 세 acetal을 가진다.하나는 methanol에서 생성된 일반적인 acetal(흑색)이고, 하나는 five-membered cyclic acetal이고, 또 하나는 dithioacetal이다.검은 acetal만이 mild인 조건으로 가수 분해된다.지금까지 다룬 acetal은 alcohol의 두 분자와 카르보닐 화합물 한 분자의 반응으로 생성됐다. 두 개의 hydroxyl기를 포함하는 화합물인 diol 한 분자의 반응으로 생성되는 환형 acetal도 중요하다. (상기 예와 같이) diol이 ethyleneglycol일 경우 생성되는 five-membered cyclic acetal을 dioxolane이라고 한다.이런 환상 acetal은 환형 acetal보다 가수 분해에 저항성이 크고 더 만들기 쉽다.이들은 여기 ketone으로도 자주 생성된다.이에 대한 설명 중 하나는 메커니즘으로 2번째 oxoniumion이 생성될 때마다 hydroxyl기가 항상 서로 가까이 유지되고 일찍 고리를 형성할 준비가 되어 있기 때문에 dioxolane을 만들어 낸다는 것이다.그러므로 물이 attack 하고 acetal을 가수 분해될 확률이 줄어든다.이후 환형 acetal과 hemiacetal가 더 안정된 이유를 엔트로피에 대한 관점에서 논의할 것이다.여전히 물이 만들어지고 이를 제거해야 한다.상기 예에서는 물은 반응 혼합물로부터 증류되어 제거되는 것을 알 수 있다.이것이 가능한 이유는 diol이 물보다 끓는점이 높기 때문이다.(ethyleneglycol의 비등점은 197℃인)methanol과 ethanol을 포함한 반응 혼합물의 경우 물을 증류하려면 alcohol도 함께 증류되어 나올 것이다.물보다 끓는점이 높은 시약만 포함 반응 혼합물에서 물을 제거하는 데 쓰이는 기구를 Dean Starkhead.Dean Starkheadtoluene과 물의 혼합물이 끓을 때에 만들어지는 증기는 공비 혼합물(azeotrope)라고 알려진 toluene증기와 수증기의 일정 비율의 혼합물이다.이 혼합물을 응축시키는 액체 toluene과 물이 나오는데 이들은 섞이지 않는 것으로 두층으로 분리되고 아래층에 물이 있다.Dean Stark apparatus또는 Dean Starkhead를 이용하면 물은 제거하면서 toluene층은 다시 반응 혼합물에 되돌릴 수 있다.그러므로 증류로 물을 제거해야 하는 반응은 주로 Dean Starkhead아래 toluene과 benzene을 reflux 시키고 진행한다.acetal을 이용한 반응성 수정, 왜 acetal가 중요한가?이들은 자연과 화학자들 모두에게 중요하지만 많은 탄수화물이 acetal, hemiacetal이기 때문이다.화학자가 acetal을 중요하게 쓰는 방법의 하나는 보호기(protecting group)의 사용이다.steroid종류의 화합물 합성의 하나는 불가능한 구조의 Grignard시약을 필요로 한다.이 화합물은 Grignard작용기가 ketone를 attack 하기 때문에 존재할 수 없다.즉 분자 내에서 반응한다.대신 같은 bromoketone에서 acetal생성 단계와 함께 만드는 보호된 Grignard시약을 사용한다.강조했듯이 acetal은 Grignard시약과 같은 염기성 nucleophile과 염기에 안정적이어서 더 이상 반응성에 대한 문제를 경험하지 않는다.Grignard시약이 electrophile과 반응한 뒤 얇은 산으로 acetal을 분해시키고 ketone을 복구시킬 수 있다.여기서 acetal은 ketone을 Grignard시약 attack으로부터 보호하기 위한 보호기로 작용한다.보호기는 유기 합성에 매우 중요하다.glucose는 안정된 환형 hemiacetal이고, 실제로 자기 자신과 반응하고 maltose라는 acetal을 생성할 수 있다.maltose는 glucose단위가 이어졌다 polyacetal인 starch나 cellulose의 효소 분해로 만드는 이당류(disaccharide두 당 단위로 구성된다)이다.강조했듯이 acetal은 Grignard 시약과 같은 염기성 nucleophile과 염기에 안정적이기 때문에 더 이상 반응성에 대한 문제를 겪지 않는다. Grignard 시약이 electrophile과 반응한 후 얇은 산으로 acetal을 가수분해시켜 ketone을 복구시킬 수 있다. 여기서 acetal은 ketone을 Grignard 시약의 attack으로부터 보호하기 위해 보호기로 작용한다. 보호기는 유기 합성에 있어서 매우 중요하다.glucose는 안정적인 환형 hemiac et al로 실제로 자기 자신과 반응하여 maltose라는 acetal을 생성할 수 있다. maltose는 glucose 단위가 이어진 polyac et al인 starch나 cellulose의 효소 가수분해로 만들어지는 이당류(disaccharide, 두 당 단위로 구성된다)이다.
