본문내용
1. Cyclohexanol의 Dehydration 반응
1.1. 실험 목적
알코올의 OH 그룹이 산 촉매에 의해 protonation 되고, 그로부터 생긴 alcohol 분자에서 물분자가 빠져나가는 제거반응을 해 본다. 이런 반응은 alkene을 만드는 한 방법이다.
1.2. 이론 및 원리
1.2.1. 알코올의 산 촉매 탈수반응
알코올의 산 촉매 탈수반응은 말 그대로 물이 제거되는 반응인데 이로 인해 알켄으로 변환시킬 수 있다. 실험실에서 가장 흔히 사용되는 방법은 알코올을 85% 인산 또는 진한 황산과 가열하는 것이다. 일차알코올 < 이차알코올 < 삼차알코올 순으로 반응이 잘 일어나기 때문에 필요한 가열온도 또한 그에 상응한다. (온도를 높일수록 반응이 잘 일어난다.) 알코올에 산 촉매를 넣으면 양성자 첨가에 의해 -OH기가 -H₂O로 바뀐 후 할로알케인의 반응과 같은 방향으로 반응이 진행된다. 이때 탈수반응은 알켄으로 변환되는 반응이므로 치환반응이 아닌 E1, E2와 같은 제거반응이다. 그러나 실험 시 두 반응이 경쟁반응으로 일어날 수 있다.
1.2.2. E1 반응 메커니즘
E1 반응 메커니즘은 알코올의 제거 반응 중 하나로, 첫 번째 단계에서 산 촉매에 의해 알코올의 -OH기가 양성자 첨가되어 -OH2+로 변환되는 것이 특징이다.
이때 생성된 -OH2+는 좋은 이탈기로, 두 번째 단계에서 탄소-산소 결합이 끊어져 탄소양이온 중간체가 형성된다. 이 단계가 반응의 속도 결정 단계로, 치환기가 많을수록 탄소양이온이 안정화되어 반응이 더 잘 일어난다. 따라서 1차 알코올보다는 2차, 3차 알코올에서 E1 반응이 더 잘 일어나게 된다.
마지막 단계에서는 염기가 β-위치의 수소를 공격하여 수소가 전자를 양이온에게 주면서 이중결합이 형성되어 알켄이 생성된다. 이러한 일련의 과정을 통해 알코올이 산 촉매 하에서 탈수되어 알켄으로 전환되는 것이 E1 반응 메커니즘이다.""
1.2.3. E2 반응 메커니즘
E2 반응 메커니즘은 다음과 같다. 첫 번째 단계는 산 촉매와의 반응으로 알코올의 OH기에 양성자가 첨가되어 oxonium 이온을 생성한다. 그 다음 단계에서는 염기가 β 탄소의 수소를 제거하는 동시에 이탈기인 물이 떨어져나가는 협동반응(concerted reaction)이 일어난다. 이러한 과정을 통해 알켄이 생성된다. E2 반응은 일차, 이차, 삼차 알코올에서 모두 일어날 수 있으나, 입체적 요인에 의해 일차 알코올을 선호한다. 그러나 강염기나 좋은 친핵체 조건이 주어진다면 이차, 삼차 알코올에서도 E2 반응이 일어날 수 있다. 따라서 E2 반응의 메커니즘은 산 촉매에 의해 알코올의 OH기가 protonation되고, 이어서 염기가 β 탄소의 수소를 제거하면서 물이 떨어져나가는 과정을 통해 알켄이 생성되는 것이다.
1.3. 시약 및 초자
1.3.1. 초자
초자는 실험실에서 사용되는 유리제품들을 말한다. 본 실험에서 사용되는 초자에는 분액 깔대기, 둥근 플라스크, 시험관, 마그네틱 스터러, 증류 장치 등이 있다.
분액 깔대기는 혼합된 용액을 서로 분리할 때 사용되는 초자로, 두 용매층을 분리할 수 있다. 둥근 플라스크는 실험 반응이 진행되는 용기이며, 마그네틱 스터러를 사용하여 용액을 교반할 수 있다. 시험관은 소량의 시료를 다루는 데 사용된다. 증류 장치는 혼합물을 분리하기 위해 사용되며, 회수 플라스크를 통해 증류물을 받아낼 수 있다.
이와 같은 초자들은 실험 과정에서 필수적으로 사용되며, 실험 목적에 맞게 적절히 활용되어야 한다. 정량적인 실험을 위해서는 정밀도가 높은 초자를 사용해야 하며, 내산성 및 내열성 등의 특성을 고려하여 적합한 초자를 선택해야 한다.
1.3.2. 시약
Cyclohexanol은 휘발성이 있으며 가연성이 있는 무색의 액체이다. 장뇌와 유사한 냄새가 난다. 대부분의 유기 액체에 용해되며, 흡입 또는 피부 노출 시 유독할 수 있으며, 고농도의 증기는 마약성이다. 또한 피부, 눈 및 점막을 자극하며, 래커 및 플라스틱 제조에 사용된다.""
황산(sulfuric acid)은 무색의 점성이 강한 액체이다. 순수한 황산은 물론 무기물 및 유기물을 녹이며, 가열하면 삼산화황을 발생한다. 물과의 친화력이 강하여 혼합하면 강하게 발열한다. 또 강력한 탈수작용이 있어 다른 여러가지 화합물로부터 산소와 수소를 빼앗기 때문에 각종 건조제나 탈수제로 사용된다.""
염화칼슘(calcium chloride)은 이수화물 및 무수물이 조해성이 강하여 수분을 잘 흡수하므로 장마철 건조제로 많이 이용된다.""
탄산나트륨(sodium carbonate)은 흡습성이 강한 백색 분말의 물질이다. 유리, 비누 등의 제조원료로 사용되며, 알칼리로서 종이 제조 등에 사용된다.""
1.4. 실험 방법
실험 방법은 다음과 같다.
먼저 25mL 둥근 flask에 cyclohexanol (4mL, 0.038mol)을 넣은 후, 제조한 65% H2SO4 용액 (1.5mL)을 천천히 넣는다. 이 flask에 magnetic stirring bar를 넣고 증류장치를 설치한다.
그 다음 magnetic stirrer / hot plate에서 천천히 가열하여, 생성물인 cyclohexene과 물을 회수 flask에 받는다. 이때 회수 flask는 얼음물 속에서 차갑게 냉각시킨다.
증류 잔여물 (대부분은 황산과 물)이 약 1mL 정도 남을 때까지 증류를 계속한다. 회수 flask의 증류물 용액에 소량의 황산이 따라 나오기 때문에, 이 회수 flask에 10% Na2CO3 용액을 조금씩 넣어 중화시킨다. pH Paper를 이용하여 용액의 중화상태를 확인한다.
중화된 혼합액을 분액깔때기로 옮겨서 아래의 물 층을 제거하고, 유기물 cyclohexanol을 test tube에 담는다. 여기에 anhydrous CaCl2 (약 0.6g)을 넣고 약 5분간 잘 흔들어 준 다음, 가만히 방치하여 고체가 ...
