[기출문제] 인하대 유기화학 2022-1 중간 기출문제 (정답 포함)

인하대 유기화학 2022-1 중간 기출문제 (정답 포함)

 

 

 

 

1. 시험 정보

 

학교/과목	인하대/유기화학
시험명	2022-1 중간
교수명	-
문항수/형식	선택형 10문제/풀이형 5문제/서술형 5문제
정답/해설	✅ 있음
파일형식	-

 

 

 

2. 출제 범위 & 키워드

 

 

 유기화학에서 라디칼 반응의 생성·안정성·사슬 메커니즘과 할로겐화 선택성, NBS 알릴 브롬화, 항산화제의 라디칼 억제 작용을 종합적으로 다루는 기출문제

 

📚 키워드

 

라디칼 형성(Homolysis), 안정성 순서(3°>2°>1°), 개시–전파–종결 단계, 염소화 vs 브롬화 선택성, 알릴 라디칼 공명 안정화, NBS allylic bromination, 비타민 E/BHT 항산화 메커니즘

 

3. 기출 미리보기

 

1. 다음 중 라디칼의 형성 방식으로 옳은 것은?

 

4. 자료 보기

 

[기출 문제 및 정답] 

 

1. 다음 중 라디칼의 형성 방식으로 옳은 것은? ① 이온화 ② 산화환원 반응 ③ 공유결합의 동가분해 (Homolysis) ④ 공유결합의 이온분해 (Heterolysis) → 정답: ③ 2. 라디칼의 안정성 순서는? ① 1° < 2° < 3° ② 3° < 2° < 1° ③ 1° < 3° < 2° ④ 모두 같다 → 정답: ① 3. 라디칼 반응의 개시 단계(initiation)에서 주로 일어나는 현상은? ① 라디칼 재결합 ② 라디칼 생성 ③ 생성물 형성 ④ 반응 종료 → 정답: ② 4. 과산화물(RO–OR)이 라디칼 반응에서 수행하는 역할은? ① 라디칼 억제제 ② 라디칼 개시제 ③ 산화제 ④ 환원제 → 정답: ② 5. 라디칼 반응을 억제하는 물질로 옳은 것은? ① O₂ ② Cl₂ ③ NBS ④ Br₂ → 정답: ① 6. 염소화와 브롬화 반응의 비교 중 옳은 것은? ① 염소화는 느리고 선택적이다 ② 브롬화는 빠르고 비선택적이다 ③ 염소화는 빠르고 비선택적이다 ④ 브롬화는 빠르고 비선택적이다 → 정답: ③ 7. 브롬화 반응의 속도 결정 단계는? ① 흡열 단계 ② 발열 단계 ③ 평형 단계 ④ 종결 단계 → 정답: ① 8. NBS의 주된 역할은? ① 라디칼 억제 ② 브롬 라디칼 생성 ③ 산소 공급 ④ 중합 촉진 → 정답: ② 9. 알릴 라디칼이 안정한 이유는? ① 공명 효과 ② 유도 효과 ③ 입체 장애 감소 ④ 전기음성도 증가 → 정답: ① 10. 항산화제 비타민 E의 라디칼 억제 작용은? ① 라디칼에 수소를 제공해 사슬을 끊는다 ② 산소를 제거한다 ③ 새로운 라디칼을 생성한다 ④ 산화를 촉진한다 → 정답: ① 1. 라디칼 반응의 세 단계는? → 개시, 전파, 종결 2. 브롬화 반응이 염소화보다 선택적인 이유는? → 속도 결정 단계가 흡열 반응이라 안정한 라디칼이 우세하게 형성되기 때문 3. 알릴 라디칼이 안정한 이유는? → π전자와 비편재화된 전자가 공명(delocalization)으로 분산되기 때문 4. NBS의 구조적 약한 결합은? → N–Br 결합 5. 항산화제가 라디칼 반응을 억제하는 메커니즘은? → 라디칼과 반응해 안정한 공명형 라디칼을 형성하고 사슬 전파를 차단한다 1. 라디칼의 안정성 요인을 구조적·전자적 관점에서 자세히 설명하시오. 라디칼은 공유결합의 동가분해(homolysis)로 생성되는 반응 중간체로, 홀전자(unpaired electron)를 가진 매우 반응성이 큰 종(species)이다. 라디칼의 안정성은 일반적으로 3° > 2° > 1° > CH₃ 순으로 증가하며, 이는 크게 유도 효과(inductive effect), 공명 효과(resonance), **입체적 요인(steric factors)**에 의해 좌우된다. 첫째, 유도 효과는 알킬기가 전자를 밀어주는(+I) 효과로, 라디칼의 전자 밀도 부족을 부분적으로 보완하여 안정성을 증가시킨다. 알킬기가 많을수록(3° 라디칼) 이러한 효과가 커져 더 안정해진다. 둘째, 공명 효과는 특히 알릴 라디칼(allyl radical), **벤질 라디칼(benzyl radical)**에서 중요한데, 홀전자가 π 시스템에 비편재화(delocalization)될 수 있어 전자 밀도가 분산되고 에너지가 낮아진다. 이러한 공명 안정화 때문에 알릴 라디칼은 일반적인 3° 라디칼보다 더 안정하다. 셋째, 입체 요인은 결합 해리 에너지(BDE)와 연관된다. 치환기가 많으면 결합이 약해지고, 라디칼 형성이 쉬워진다. 결론적으로 라디칼 안정성은 구조적 치환, 공명 가능성, 전자 밀도 분산의 조합으로 결정된다. ⸻ 2. 알칸의 라디칼 할로겐화 반응 메커니즘(염소화·브롬화)을 단계별로 비교하여 설명하시오. 알칸의 라디칼 할로겐화는 개시–전파–종결의 세 단계로 이루어진 전형적인 라디칼 사슬 반응(chain mechanism)이다【15–18†files_uploaded_in_conversation】. (1) 개시단계 (Initiation) Cl₂ 또는 Br₂의 결합이 열(Δ) 또는 빛(hν)에 의해 동가분해되어 두 개의 할로겐 라디칼을 생성한다. Cl₂ → 2Cl• / Br₂ → 2Br• (2) 전파단계 (Propagation) ① X•가 알칸(C–H 결합)에서 H을 뽑아(H-abstraction) HX를 형성하고 알킬 라디칼 R•를 만든다. ② 생성된 R•가 다시 X₂와 반응하여 R–X를 만들고 X•를 재생한다. 이 과정이 반복되며 실제 생성물이 만들어진다. (3) 종결단계 (Termination) 라디칼끼리 결합하여 중성 분자를 만들고 반응이 종료된다. 염소화 vs 브롬화의 차이 • 염소화: 발열(exothermic) 전파단계를 가지므로 활성화 에너지 차이가 작아 1°·2°·3° 라디칼이 거의 비슷하게 생성됨 → 비선택적, 빠름 • 브롬화: 흡열(endothermic) 속도 결정단계를 가져 더 안정한 라디칼(3°)이 우세하게 생성됨 → 선택적, 느림 즉, 브롬화는 선택성 중심, 염소화는 반응속도 중심의 메커니즘이다. ⸻ 3. 알릴 라디칼이 3° 라디칼보다 더 안정한 이유를 공명구조와 π-오비탈 관점에서 설명하시오. 알릴 라디칼이 매우 안정한 이유는 비편재화된 π 시스템에 홀전자가 분산될 수 있기 때문이다. 알릴 라디칼은 이중결합과 단일결합이 번갈아 나타나는 구조에서 형성되며, π 오비탈과 p 오비탈이 연속적으로 배열되어 있다. 이때 홀전자가 인접한 두 탄소의 p 오비탈과 겹쳐져 공명구조(resonance structures)를 형성한다. 즉, 알릴 라디칼은 다음 두 공명구조의 혼성체이다. CH₂=CH–CH₂• ↔ •CH₂–CH=CH₂ 홀전자의 위치가 두 탄소에 걸쳐 delocalization됨으로써 전자 밀도가 분산되고, 시스템 전체의 에너지가 낮아진다. 이는 같은 개수의 알킬기로 안정화되는 3° 라디칼과 비교해도 더 큰 안정화 효과를 제공한다. 또한 알릴 시스템은 p 오비탈의 연속적 겹침(overlap)이 가능하여 **conjugation(공액 system)**을 형성한다. 따라서 알릴 라디칼은 단순 σ–정도만으로 안정화되는 3° 라디칼보다 에너지적으로 더 안정적이다. ⸻ 4. NBS를 이용한 알릴 브롬화(Allylic Bromination)의 선택성을 반응조건·중간체·메커니즘 관점에서 설명하시오. NBS(N-Bromosuccinimide)는 알릴 탄소만을 선택적으로 브롬화하는 강력한 라디칼 브롬화 시약이다【41–42†files_uploaded_in_conversation】. NBS의 선택성은 크게 (1) 낮은 Br₂ 농도 유지, (2) 브롬 라디칼 생성 메커니즘, (3) 알릴 라디칼의 공명 안정성으로 설명할 수 있다. (1) NBS는 빛 또는 ROOR 존재하에서 N–Br 결합이 동가분해되어 Br•를 생성한다. 이 Br•는 C–H 알릴 수소를 매우 빠르게 추출해 allyl radical을 만든다. (2) 이 과정에서 생긴 HBr은 NBS와 반응해 아주 낮은 농도의 Br₂를 생성하는데, 이 Br₂는 알릴 라디칼과만 반응해 allyl bromide를 생성한다. Br₂ 농도가 너무 낮기 때문에 브로모늄 이온을 생성하는 전형적 이온성 addition은 거의 일어나지 않는다. (3) 생성된 알릴 라디칼은 공명으로 안정화되어 있기 때문에, 알릴 위치에서의 브롬화가 가장 빠르고 선택적으로 진행된다. 따라서 NBS는 알릴 C–H만을 공격하게 하여 addition이 아닌 substitution을 유도하며, 높은 선택성을 가진 allylic bromination을 가능하게 한다. ⸻ 5. 항산화제(비타민 E, BHT)의 라디칼 억제 메커니즘을 구조적 요소·공명안정화·사슬반응 차단 관점에서 설명하시오. 항산화제는 라디칼 연쇄 반응을 차단하여 지질 과산화(lipid peroxidation) 등 세포 손상을 방지하는 물질이며, 대표적으로 비타민 E와 BHT가 있다. 두 화합물 모두 페놀(phenol) 구조를 갖고 있다는 공통점이 중요하다【48–49†files_uploaded_in_conversation】. 라디칼 억제 메커니즘은 다음과 같다. (1) 페놀성 –OH로부터 H 원자를 제공하여 라디칼 R•을 중성 RH로 환원시킨다. R• + ArOH → RH + ArO• (2) **생성된 ArO•(페녹시 라디칼)**은 공명 안정화가 매우 크기 때문에 더 이상 전파 단계에 참여하지 못한다. 즉, 반응성이 낮은 안정한 라디칼로 바뀌면서 연쇄반응(chain propagation)이 ‘끊긴다’. (3) 비타민 E나 BHT의 벤젠 고리는 전자 밀도를 넓은 영역에 분산시키므로 ArO• 라디칼의 활성은 매우 낮아지고, 결국 종결 단계(termination) 효과를 갖게 되어 라디칼 반응이 멈춘다. (4) 이 메커니즘은 생체 지질막의 산화적 손상을 막는 데 매우 중요하며, 이러한 이유로 비타민 E는 생체 내 항산화 기능을 담당하고, BHT는 식품 첨가물로 사용된다.