018. 화학반응공학 실험 보고서_유기 합성 결과 보고서_200413_R0

1. 실험 요약

- 이번 실험은 환원제로 많이 쓰이는 NaBH4로부터 나온 H‐이온이 4‐Chlorobenzaldehyde를 환원시켜서 4‐Chlorobenzyl Alcohol이 생성되는 환원반응을 알아보는 실험이다. 이때, 하나의 NaBH4로부터 4개의 H‐이온이 나오게 돼서, 4개의 4개의 4‐Chlorobenzaldehyde를 환원시킬수 있게 된다. 따라서 실험을 하기 전 미리 실험에 쓰이는 4-Chlorobenzaldehyde의 양과 이에 따라 필요한 NaBH4의 양을 계산해야한다. 반응 속도를 증가시키기 위해 2당량의 NaBH4을 첨가한다. 또한 모든 반응이 끝난 후, 생성물과 4‐Chlorobenzaldehyde를 같이 TLC 분석을 통해 4-Chlorobenzyl alcohol이 생성되는지를 확인해본다. 이때, TLC 분석에 쓰이는 전개액은 (20% Ethylacetate + 80% Hexane) 혼합용액을 사용하고, 결과를 확인하기 위해 UV-detector을 통해 시료들의 Rf 값을 통해 결과를 비교한다.

 

2. 실험 방법

1) 실험 순서

① 실험 전 안전을 위해 장갑을 착용한다.

② 잘 건조된 플라스크를 준비한다.

③ 전자저울의 영점을 맞추고, 4-Chlorobenzaldehyde 200mg, NaBH4 27mg을 계량하여, 준비된 플라스크에 넣어준다. 무게를 측정할 때, 덮개를 닫아준 후 무게를 측정해야 정확하다.

④ 준비된 플라스크에 Ethanol을 1ml 주사기를 이용해 1.6ml를 첨가한다.

⑤ 플라스크를 기울인 채, 마그네틱 바를 넣어주고 교반기를 이용해 혼합물이 들어있는 플라스크의 뚜껑을 코르크로 막은 뒤 15분 간 교반한다.

⑥ H2O를 Ethanol의 부피의 1/3인 0.5ml를 넣어준 뒤 다시 15분 간 교반한다.

⑦ 실험 여건상 정제 및 수율과정(교재의 4번과정에서 9번과정)은 생략한다.

⑧ TLC 판의 끝부분에서 적당히 떨어진 부분(1cm정도)에 연필을 이용해 선을 반듯이 그은 뒤 3등분 하고 2개의 부분을 표시한다. (이때, TLC 판에 코팅된 고정상이 떨어지지 않도록 주의한다.) 또한 TLC 판의 선에서 적당한 거리를 둔 곳에 연필을 이용해 선을 표시해준다.(실험 때는 4cm를 표시했으며, 이는 이동상의 이동거리를 기준을 잡아 설정해줌과 동시에, 실험 결과의 Rf값의 계산 편의를 위해 표시해주는 것이다.)

⑨ TLC 판의 선의 좌측에는 반응물인 4-Chlorobenzaldehyde을 찍고, 우측에는 생성물을 찍는다. 이 때 모세관을 이용해 찍게 되는데, 모세관의 끝은 MC(Methylene Chloride)용액과 솜을 이용해 2~3회 반복해서 세척해야 한다. TLC판에 찍을 때는 과량의 시약이 지나치게 묻지 않게 주의하고, 두 용액의 부피차가 크지 않도록 주의해야한다. TLC 판에 찍을 때도 마찬가지로 2~3회 정도 반복해서 찍어준다.

준비된 전개액 (20% Ethylacetate + 80% Hexane)에 TLC판을 담그고, TLC 판의 상단부에 표시해 놓은 선까지 이동상이 전개될 때까지 기다린다.(이때 핀셋을 이용해 전개액에 넣어주고, 냄새가 나므로 뚜껑을 닫아준다. 또한 이동상이 이동할 때 영향을 받지 않도록 전개액이 흔들리지 않도록 주의한다. 또한 TLC판이 뒤집어지거나 기울여지지 않도록 해야 한다.)

전개가 끝난 TLC 판을 핀셋을 이용해 꺼낸 후, 말린 후 UV-detector를 이용해 결과를 관찰한다. UV-detector는 시료에 포함된 각 성분들의 자외선 빛을 흡수하는 발색단을 가진 물질을 검출하는 기계로 육안으로 보이지 않는 TLC 결과를 확인하기 위해 이용된다.(이때 TLC의 전개부분을 연필을 이용해 표시한 뒤, 결과는 Rf값을 이용해 측정한다.)

 

2) 시약 및 실험 장치

① NaBH4

-일반적으로 많이 사용되는 환원제 중 하나이다. 다른 작용기 하에 Aldehyde와 Ketone을 1° 또는 2° Alcohol로 환원시킨다.

② 4-Chlorobenzaldehyde

- 이는 무색의 고체 분말로서, 노출 시 폐에 자극을 줄 수 있는 독성물질이다. 이번 실험에서 반응물로서 NaBH4에 의해 환원되어 4-Chlorobenzyl alcohol이 된다.

③ UV-Detector

- UV-Detector는 검출기에 UV가 어느 정도 흡수되었는지 시각적으로 확인할 수 있게 해주는 장치이다.

④ 전개액(20% Ethylacetate + 80% Hexane)

- 이번 실험의 전개액은 20% Ethylacetate와 80% Hexane으로 이루어져 있는데, Ethylacetate는 Acetic Acid와 EtOH에 소량의 H2SO4을 가하고 가열 증류하여 제조한다. Ethylacetate는 무색의 액체로, EtOH, Ether, Benzene 등의 각종 유기용매와 임의의 비율로 혼합한 뒤 유기용매로 사용한다.

⑤ Hexane

- Hexane는 C6H14이며 이는 석유의 정류과정 중에 제조된다. 무색의 액체이며 5개의 이성질체를 가진다. 화학적으로 반응성이 낮고, 이 때문에 용매로서의 활용도가 높은 물질이다.

3) NaBH4의 당량 계산

- NaBH4 한 분자 내에는 4개의 수소원자가 있다. 이는 4당량 4-Chlorobenzaldehyde를 환원시킬 수 있다. 이번 실험에서는 1.42mmol(200mg)의 4-Chlorobenzaldehyde를 반응시키는데 반응 속도를 증가시키기 위해 기존의 필요한 0.355mmol의 2배인 0.71mmol(26.86mg)의 NaBH4를 사용하여 실험을 진행한다.

 

3. 실험 결과

	4‐Chlorobenzaldehyde	NaBH4	Ethanol	4‐Chlorobenzyl alcohol
Fw	140.57g/mol	37.83g/mol	46.07g/mol	142.5g/mol
Wt	200mg	26.86mg	1.6ml
Mmol	1.42mmol	0.71mmol	27.4mmol
eq	1	0.5	8

 

 

- Rf 값 계산 (시료의 이동거리/이동상의 이동거리)

① 4-Chlorobenzaldehyde의 Rf값 : 2.4cm/4cm = 0.6

② 4-Chlorobenzyl alchohol의 Rf값 : 1.5cm/4cm = 0.375

 

- 수율계산 : 이번 실험에서 생성물을 정제 분리하는 과정을 생략했다. 따라서 생성된 4‐Chlorobenzyl alcohol의 무게는 측정 불가하고, 이 때문에 수득률은 계산할 수 없다.

따라서 생성물이 올바르게 생성되었는지 만 TLC를 통해 확인하였다.

 

4. 실험결과 분석 및 고찰

1) TLC 분석

실험 결과의 TLC 결과 사진은 TLC의 이동상을 모두 진행시킨 뒤 UV detector를 이용해 확인한 TLC 판이다. 이 판의 사진에서 왼쪽의 물질은 반응물로 4-Chlorobenzaldehyde이고, 오른쪽의 물질은 생성물로 4-Chlorobenzyl alchohol이다. 먼저 TLC의 경우 Rf값을 비교해야한다. Rf값의 경우, 이동상이 4cm 진행할 때, 반응물인 4-Chlorobenzaldehyde은 2.4cm 진행했으므로 2.4cm/4cm=0.6이 나오게 된다.

 또한 생성물인 4-Chlorobenzyl alchohol은 1.5cm 진행했으므로 1.5cm/4cm=0.375이다. Rf 값을 통해 이동상과의 친밀도는 반응물인 4-Chlorobenzaldehyde가 생성물인 4-Chlorobenzyl alchohol보다 더 높다고 볼 수 있다. 이번 실험에서 쓰인 이동상을 살펴보면 20%의 Ethylacetate 와 80%의 Hexane이 사용되었는데 여기서 무극성 분자인 Hexane의 비율이 극성인 Ethylacetate보다 훨씬 많은 비율이 사용되었으므로 이동상은 상대적으로 무극성을 띄게 되는데, 이 때문에 무극성인 성질을 지닌 4-Chlorobenzaldehyde가 극성인 4-Chlorobenzyl alchohol보다 더 많은 이동거리를 나타내었다고 볼 수 있다. 만약 극성인 Ethylacetate의 비율을 높인 이동상을 사용했다면, 상대적으로 4-Chlorobenzyl alchohol의 Rf값이 증가하고 4-Chlorobenzaldehyde의 Rf값은 감소하였을 것이다.

 하지만 이번 실험에서 반응물과 같은 높이에 긴 줄무늬가 생겼다. 이는 정상적으로 실험이 진행되었다면 나타나면 안되는 것이다. 줄무늬의 원인을 몇 가지 생각해 보았는데, 이는 처음에 TLC를 측정하던 도중 TLC가 들어있는 통을 흔듦으로서 생기거나, 처음 TLC를 이동상에 담글 때, 점이 찍힌 곳보다 위인 부분에 담가진 것이 원인으로 생각했다. 하지만 여기서 두 번째 이유보다는 첫 번째 이유가 타당하다고 생각한다. 만약 점이 찍힌 곳보다 위 부분에 잠겼다고 가정할 때 생성물 또한 줄무늬가 생겨야하므로, 줄무늬는 두 군데 생겨야 한다. 하지만 한 개의 줄무늬만 생겼으므로 이는 실험도중 통을 흔들어서 생긴 오차라고 생각한다.

 

5. 참고 문헌

- Janice G. Smith, Organic Chemistry, 3rd Edition, McGrawHill

- 김택제 외 2명 기체·액체 크로마토그래피 및 질량 분석학 자유아카데미