화학반응공학 실험 보고서_유기합성 결과 보고서_Ver2_200516_R0

1. 실험요약

이번 실험은 4-Chlorobenzaldehyde를 환원제인 NaBH4와 반응시켜 4-Chlorobenzyl alcohol이 되는 반응을 통해 유기합성 반응에서 환원 반응의 과정과 배경지식에 대해 알아보는 실험이었다. 실험방법은 4-Chlorobenzaldehyde을 에탄올용매 내에서 NaBH4와 환원반응을 진행하여 4-Chlorobenzyl alcohol을 생성한다. 환원제인 NaBH4는 수소 음이온을 쉽게 만들어 내고 수소이온이 카르보닐기(C=O) 결합에 nucleophlic attack하여 한 개의 π결합이 끊어져 반응이 일어나게 된다. 그 후 –OH 작용기와 산소음이온이 protonation을 하게 되어 반응은 완전히 끝나게 된다. 이로써 4-Chlorobenzaldehyde는 4-Chlorobenzyl alcohol로 환원이 된다.

반응을 일으킨 후 TLC를 이용하여 생성물을 분석한다. TLC판 아래에 선을 긋고 좌우에 표시를 하여 한쪽에는 생성물, 다른 쪽에는 반응물을 찍은 뒤 전개하여 결과를 관찰한다. 전개액으로는 (20% Ethylacetate + 80% Hexane) 혼합용액을 사용하며 전개 결과는 UV-Detector를 이용하여 분석한다. TLC 분석은 얇은 막 크로마토그래피로 유리판이나 플라스틱 판과 같은 받침 판에 실리카겔과 같은 고체 흡착제의 얇은 막을 입혀서 사용하는데 고정상과 이동상에서 물질과의 흡착도 차이에 의해서 분리되는 방법이다. 이 방법은 전개 시간이 짧아 손쉽고 빠르게 할 수 있으며 적은 양으로도 시료를 분석할 수 있는 장점이 있다.

 

2. 실험 방법

1) 실험 순서

① 실험 전 안전을 위하여 장갑을 착용한다.

② 잘 건조된 플라스크에 교반을 위해 마그네틱 바를 넣어서 준비한다.

③ 전자저울의 영점을 맞추고 4-Chlorobenzaldehyde 200mg, NaBH4 27mg을 계량하여, 준비된 플라스크에 넣어준다. 용매로 사용되는 Ethanol을 1ml 주사기를 이용하여 1.6ml 첨가한다.

 

④ 교반기를 이용하여 혼합물이 들어있는 플라스크를 15분 간 교반한다.

⑤ 물을 Ethanol의 부피의 1/3인 0.5ml를 넣어주고 다시 15분간 교반한다.

⑥ TLC판에 끝에서 1cm 지점에 연필로 시작 선을 긋는다.

⑦ TLC판 위의 선에 좌측에는 반응물인 4-Chlorobenzaldehyde을 찍고, 우측에는 생성물을 찍는다. 이때 모세관을 통해 찍게 되는데 모세관 끝은 MC(Dimethyl Carbonate)용액과 솜을 이용해서 2~3회 반복 세척한다. TLC판에 과량의 시약이 묻게되면 관측이 어려우므로 한두방울 가량을 묻혀준다.

⑧ 준비된 전개액(20% Ethylacetate + 80% hexane)에 TLC판을 담그고 TLC판의 70~80%까지 전개 시킨다.

 

⑨ 전개 후 TLC판을 잘 말려 UV-detector를 이용하여 결과를 관찰한다. UV-detector는 시료에 포함된 각 성분들의 자외선 빛을 흡수하는 발색단을 가지는 물질을 검출하는 기계로 육안으로는 보이지 않는 TLC결과를 확인하기 위해 이용된다.

2) 시약 및 실험장치

① NaBH4

LiAlH4와 함께 일반적으로 많이 사용되는 환원제이다. 다른 작용기 하에서 Aldehyde와 Ketone을 1° 또는 2° Alcohol로 환원시킨다.

② 4-Chlorobenzaldehyde

4-Chlorobenzaldehyde는 무색의 고체 분말로서 노출시 폐에 자극을 줄 수 있는 독성물질이다. 본 실험에서는 NaBH4와의 반응을 통하여 환원되어 4-Chlorobenzyl alcohol이 된다.

③ UV-Detector

광원에서 특정 파장의 빛이 광로를 거쳐 검출기 셀 내의 시료에 투입되면 특정 파장의 빛이 시료에 흡수된다. UV-Detector는 검출기에 얼마만큼 빛이 흡수되었는지를 전기적인 신호로 나타내고 이 신호의 크기를 이용하여 시료의 정량 분석이 이루어진다.

UV-Detector는 많은 용질들이 자외선을 흡수하고 검출기의 감도가 상당히 높기 때문에 HPLC 검출기로 가장 많이 사용되고 있다. 또한 사용이 간편하고 안정화 시간이 짧고 파장 선택 조절이 가능한 장점이 있다.
④ Ethylacetate

Ethylacetate (CH3COOC2H5)는 소량의 H2SO4를 가해서 Acetic acid와 EtOH를 가열 증류하여 제조한다. Ethylacetate는 무색의 액체로, EtOH, Ether, Benzene 등 각종 유기용매와 임의의 비율로 잘 섞여서 유기용매로 주로 사용된다.

⑤ Hexane

Hexane (C6H14)은 석유의 정류과정에 의해 제조된다. 무색의 액체로서 5개의 이성질체를 갖고 화학반응성이 낮으며 용매로서의 활용도가 매우 높은 물질이다.

 

3) NaBH4의 당량

하나의 NaBH4에 포함된 수소원자의 개수가 4개이므로 이론상으로 모든 분자가 반응한다고 가정하면 4당량의 4-Chlorobenzaldehyde를 환원시킬 수 있다. 반응의 편리를 위해 과량의 NaBH4를 사용한다.
4) 환원 반응을 진행한 후 추출 및 수율분석을 하여야하나 실험장비의 고장으로 인하여 미실시.

 

3. 실험결과

 

	4-Chlorobenzaldehyde	NaBH4	Ethanol	4-Chlorobenzyl alcohol
Fw	140.57g/mol	37.83g/mol	46.07 g/mol	142.5 g/mol
Wt	0.199g	0.270g	1.6ml
Mmol	1.415mmol	0.714mmol	27.4mmol
eq	1	0.5	19.4

1) TLC 분석 결과

4. 실험결과 및 고찰

1) TLC 분석

UV Detector를 이용하여 확인한 TLC판이다. TLC판에서 왼쪽은 반응물인 4-chlorobenzaldehyde이고, 오른쪽은 반응이 끝난 혼합물이다. 이번 실험에서 사용한 전개액은 20% ethylacetate + 80% hexane 이므로 극성 물질보다 비극성 물질이 더 많이 전개된다. 이 때문에 좌측의 가장 멀리간 점이 4-chlorobenzaldehyde라는 분석이 타당하다. 가장 멀리 떨어져 있고 가장 큰 분포를 가지며 선명하게 보이는 부분인 좌측 동그라미 부분이 4-chlorobenzaldehyde이다. 오른쪽에 전개시킨 시료를 분석해보면, 왼쪽의 반응물의 전개와 비교하여 덜 전개된 부분을 확인할 수 있는데 이는 극성물질인 4-chlorobenzyl alchohol이라고 할 수 있다.

 

2) 전개액의 구성을 변화 시킨다면?

만약 20% Ethylacetate +80% Hexane 전개액이 아닌 50% Ethylacetate +50% Hexane 용액을 전개액으로 사용했다면 어떨 결과가 나올지 추측 해보자. ethylacetate는 극성물질이고, hexane이 비극성 물질이다. 따라서 실험에 쓰인 전개액은 극성이 약한 물질이기 때문에 비극성 무질인 4-Chlorobenzaldehyde가 4-Chlorobenzyl alcohol 보다 더 잘 전개가 잘 일어남을 위에서 알 수 있었다. 전개액에서 극성 용매인 Ethylacetate의 비율을 늘리게 된다면 4-Chlorobenzyl alcohol 이 위 실험결과보다 더 올라가고, 4-Chlorobenzaldehyde의 경우에는 무극성 용매인 Hexane의 비가 줄어듦으로 인하여 위 실험결과보다 더 아래에 위치하게 될 것이다.

 

5. 참고문헌

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

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

- www.chemicalbook.com ; 4-Chlorobenzaldehyde NaBH4 Hexane Ethylacetate property 검색