알코올이란? 분류
알코올은 단일 결합만 가진 탄소(sp³ 탄소)에 –OH(하이드록시) 기가 붙은 화합물이에요. 일반식은 R–OH예요.
–OH의 개수로 나누면 1가(–OH 1개, 예: 에탄올), 2가(2개, 예: 부동액에 들어 있는 글라이콜인 에테인-1,2-디올), 3가(3개, 예: 글리세롤)가 있어요.
–OH를 잡고 있는 탄소(카비놀 탄소)로 나눌 때는 이 탄소에 닿아 있는 다른 탄소가 몇 개인지 세요.
- 1차(1°): 탄소 1개. 예: 에탄올 CH₃CH₂OH.
- 2차(2°): 탄소 2개. 예: 프로판-2-올 (CH₃)₂CHOH.
- 3차(3°): 탄소 3개. 예: 2-메틸프로판-2-올 (CH₃)₃COH.
특별한 경우도 있어요. 알릴 알코올은 C=C 옆 탄소에 –OH가 붙은 것이고, 벤질 알코올은 벤젠 고리 옆 탄소에 –OH가 붙은 것이에요. –OH가 C=C 탄소에 붙으면 비닐 알코올(불안정)이고, 고리 자체에 붙으면 페놀이에요. 페놀은 다른 가족이에요.
명명법: 알코올 이름 붙이기
관용명은 알킬기 + '알코올'이에요(메틸 알코올, 아이소프로필 알코올). IUPAC 이름은 네 단계로 붙여요.
- C–OH 탄소를 포함하는 가장 긴 사슬을 골라요.
- –OH에 가장 작은 번호가 오도록 끝에서부터 번호를 매겨요.
- 알칸 이름의 끝 'e'를 빼고 'ol'을 붙여요. 프로페인 → 프로판-1-올 또는 프로판-2-올.
- 가지는 번호와 함께 알파벳 순서로 앞에 붙여요. 2-메틸프로판-2-올.
–OH가 둘 이상이면 'e'를 남기고 디올, 트리올을 써요. 에테인-1,2-디올, 프로판-1,2,3-트리올(글리세롤)처럼요. 고리 알코올은 사이클로헥산올이에요.
구조
알코올의 O는 결합이 2개, 비공유 전자쌍이 2개예요. C–O–H 각도는 약 109°로, 완전한 정사면체보다 조금 작아요. 비공유 전자쌍이 결합을 더 가깝게 밀기 때문이에요.
알코올의 제법
1. 알켄에서 만들기
산 촉매 수화: 알켄 + 물을 H⁺ 촉매로 반응시켜요. H는 이미 H가 더 많은 탄소에 붙고, OH는 다른 탄소에 붙어요(마르코프니코프 규칙). 프로펜 → 프로판-2-올. 단계는 이래요. (i) H⁺가 C=C에 붙어 탄소 양이온이 생겨요. (ii) 물이 탄소 양이온을 공격해요. (iii) H⁺ 하나를 잃어요.
하이드로보레이션–산화: 알켄 + 다이보레인(B₂H₆) 반응 후 H₂O₂ / NaOH를 넣어요. OH는 H가 더 많은 탄소에 붙어요(반마르코프니코프처럼 보여요). 프로펜 → 프로판-1-올.
2. 카보닐 화합물의 환원
알데히드 → 1차 알코올, 케톤 → 2차 알코올이에요(Pd/Ni와 H₂, 또는 NaBH₄, 또는 LiAlH₄). 카복실산은 센 환원제인 LiAlH₄가 있어야 1차 알코올이 돼요. 산업에서는 먼저 산을 에스터로 바꾼 다음 H₂로 환원해요.
3. 그리냐르 시약에서 만들기
RMgX가 C=O에 붙고, 물을 넣으면 알코올이 돼요. 메탄알(HCHO) → 1차, 그 밖의 알데히드 → 2차, 케톤 → 3차예요. 새 C–C 결합이 생겨서 탄소 사슬을 더 길게 만들 수 있어요.
물리적 성질
끓는점: 질량이 비슷한 알칸, 할로알케인, 에테르보다 훨씬 높아요. 분자 사이에 수소 결합이 있기 때문이에요. 끓는점은 사슬이 길수록 오르고, 가지가 많을수록 내려가요(닿는 면이 줄어들어요).
용해도: 작은 알코올(메탄올, 에탄올, 프로판올)은 물과 수소 결합을 만들기 때문에 어떤 비율로도 물과 섞여요. 탄소 사슬(기름 같은 부분)이 길어질수록 용해도는 떨어져요.
알코올의 화학 반응
A. O–H 결합이 끊기는 반응 (약한 산으로서의 알코올)
Na나 K와 반응: 2R–OH + 2Na → 2R–O⁻Na⁺ + H₂. 산성 세기는 1° > 2° > 3°예요(알킬기가 O 쪽으로 전자를 밀어요). 알코올은 물보다 약한 산이에요. 에스터화: R–OH + R′COOH ⇌ R′COOR + H₂O (산 촉매를 쓰고, 물을 없애면 반응이 앞으로 가요). 산 염화물과 산 무수물도 에스터를 만들어요.
B. C–O 결합이 끊기는 반응
HX와 반응: R–OH + HX → R–X + H₂O. 반응성은 3° > 2° > 1°예요. 루카스 시험(진한 HCl + 무수 ZnCl₂): 3차는 바로 뿌옇게 변하고, 2차는 약 5분 뒤에 변하고, 1차는 실온에서 맑게 남아요. PCl₃, PCl₅, SOCl₂도 알킬 할라이드를 만들어요.
탈수(진한 H₂SO₄ 또는 H₃PO₄, 가열): 에탄올은 443 K에서 에텐이 돼요. 쉬운 순서는 3° > 2° > 1°예요. 탄소 양이온을 거치는 단계가 3차에서 가장 쉽기 때문이에요.
C. 산화
1차 → 알데히드(PCC 또는 573 K의 뜨거운 Cu) → 카복실산(센 KMnO₄ / 산성 K₂Cr₂O₇). 2차 → 케톤. 3차 알코올은 보통의 산화에 버텨요. 뜨거운 Cu에서는 알켄이 돼요.
상업적으로 중요한 알코올
메탄올(목정): 예전에는 나무를 가열해서 얻었어요. 지금은 ZnO–Cr₂O₃ 촉매 위에서 CO + 2H₂를 573–673 K, 200–300 atm에서 반응시켜 만들어요. 용매, 폼알데하이드 제조, 연료로 쓰여요. 독성이 아주 강해요. 적은 양은 실명, 많은 양은 죽음을 일으켜요.
에탄올: 당밀, 포도, 곡물의 당을 발효시켜서 만들어요. 효모의 효소인 인버테이스(설탕 → 포도당 + 과당)와 지메이스(포도당 → 에탄올 + CO₂)가 공기 없이 일을 해요. 소독제, 약, 술, 휘발유 혼합 연료에 쓰여요. 공업용 에탄올은 황산구리와 피리딘을 조금 넣어 마시지 못하게 만드는데, 이것을 변성이라고 해요.
핵심 공식과 정의
- 포화 1가 알코올의 일반식: CₙH₂ₙ₊₁OH
- 수화: CH₃CH=CH₂ + H₂O (H⁺) → CH₃CH(OH)CH₃
- 하이드로보레이션–산화: CH₃CH=CH₂ → (B₂H₆; H₂O₂/OH⁻) → CH₃CH₂CH₂OH
- 2R–OH + 2Na → 2R–ONa + H₂
- 루카스 시험 속도: 3° > 2° > 1°
- 탈수: C₂H₅OH (진한 H₂SO₄, 443 K) → CH₂=CH₂ + H₂O
- 산화: 1° → 알데히드 → 산, 2° → 케톤, 3° → 보통의 산화 안 됨
- 그리냐르: HCHO → 1°, RCHO → 2°, R₂CO → 3° 알코올
풀이 예제
1. (CH₃)₂CH–OH, CH₃CH₂CH₂OH, (CH₃)₃C–OH를 분류하세요.
1단계: –OH를 붙잡고 있는 탄소를 찾아요. 2단계: 그 탄소에 붙은 탄소의 개수를 세요. (CH₃)₂CH–OH: 탄소 2개 → 2차. CH₃CH₂CH₂OH: 탄소 1개 → 1차. (CH₃)₃C–OH: 탄소 3개 → 3차.
2. CH₃–CH(OH)–CH₂–CH₃의 IUPAC 이름을 쓰세요.
가장 긴 사슬은 탄소 4개(뷰테인)예요. 왼쪽부터 번호를 매기면 –OH가 2번이고, 오른쪽부터 매기면 3번이에요. 그래서 2번을 골라요. 이름: 뷰탄-2-올.
3. (CH₃)₂CH–CH₂–CH₂OH의 이름을 쓰세요.
C–OH 탄소를 포함하는 가장 긴 사슬은 탄소 4개예요. –OH 쪽에서 번호를 매기면 C1에 OH가 있고, CH₃ 가지는 C3에 있어요. 이름: 3-메틸뷰탄-1-올.
4. 프로펜에서 (a) 산 촉매 수화, (b) 하이드로보레이션–산화로 만들어지는 알코올은 각각 무엇인가요?
(a) H⁺가 끝의 CH₂에 붙어서 C2에 더 안정한 2차 탄소 양이온이 생기고, 물이 거기를 공격해요 → 프로판-2-올. (b) 붕소가 끝 탄소에 붙고, H₂O₂/OH⁻가 B를 OH로 바꿔요 → 프로판-1-올.
5. 2-메틸프로판-2-올이 되는 그리냐르 시약과 카보닐 화합물은 무엇인가요?
생성물이 3차 알코올이므로 케톤이 필요해요. (CH₃)₃C–OH는 카비놀 탄소에 CH₃가 3개 있어요. 프로판온 (CH₃)₂C=O + CH₃MgBr을 쓰고 물을 넣어요. CH₃가 C=O 탄소에 붙고 O는 OH가 돼요.
6. 라벨 없는 병 세 개에 뷰탄-1-올, 뷰탄-2-올, 2-메틸프로판-2-올이 들어 있어요. 어떻게 구별하나요?
실온에서 각각에 루카스 시약(진한 HCl + ZnCl₂)을 넣어요. 바로 뿌옇게 되면 2-메틸프로판-2-올(3차)이에요. 약 5분 뒤에 뿌옇게 되면 뷰탄-2-올(2차)이에요. 맑게 남으면 뷰탄-1-올(1차)이에요. 뿌연 것은 물에 녹지 않는 염화 알킬이에요.
자주 하는 실수
- 1차, 2차, 3차를 나눌 때 C–OH 탄소에 붙은 탄소가 아니라 H 원자를 세는 것.
- 벤젠 고리에 –OH가 붙은 화합물을 알코올이라고 부르는 것. 그건 페놀이에요. 벤질 알코올(C₆H₅CH₂OH)은 OH가 CH₂에 붙어 있어서 알코올이에요.
- 3차 알코올이 산성이 가장 세다고 말하는 것. 반대예요. 산성은 1° > 2° > 3°이지만, HX와의 반응성과 탈수의 쉬움은 3° > 2° > 1°예요.
- 프로펜에서 나오는 생성물을 헷갈리는 것. 산 촉매 수화는 프로판-2-올, 하이드로보레이션–산화는 프로판-1-올이에요.