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예비보고서 Ethanol from Korean Rice Wine- Filtration and Distillation

예비보고서1 : Ethanol from Korean Rice Wine- Filtration and Distillation1) 실험 목적①불순물을 포함한 막걸리를 증류하여 에탄올을 순수하게 분리 한다.②단순증류와 분별증류를 이해하고, 실험할 수 있다.③에탄올의 끓는점을 측정할 수 있다.2) 이론 및 원칙① 단순 증류단순증류란, 액체와 고체의 혼합물을 분리하려고 할 때 주로 사용하는 방법으로,얻고자하는 대상물에 따라, 액체의 경우 오른쪽과 같은 증류 실험 장치를 사용하여 증류, 응결과정을 통해 얻어내며, 액체에 녹은 고체를 얻고자 할 때는 리비히냉각기 등을 사용하지 않고, 혼합물을 가열하여 플라스크 내의 혼합물에서 액체를 전부 증발시켜 얻는다.② 분별증류분별증류란, 액체와 액체의 혼합물을 분리할 때 주로 사용하는 방법으로, 혼합물 각각의 끓는점 차이를 이용하여 증발, 냉각시켜 서로 다른 물질의 혼합물을 분리해 내는 방법이다. 가장 대표적인 예로는 청주 증류, 석유의 분별증류 등이 있다. 예를 들어 막걸리의 경우 약 20% 정도의 에탄올이 포함되어 있는데, 에탄올과 물을 분리해내기 위해서 두 물질의 끓는점의 중간값 혹은 그 이상의(그러나 둘 이상의 BP이상으로는 가열해서는 안 된다.)온도로 가열해 준다. 에탄올의 BP는 78.3℃, 물의 BP는 100℃ 이므로, 85~90℃로 가열해 주어 분리해 낸다.(그림1. 분별증류장치)③ 에탄올(C2H5OH) - 분자량 46.07, MP -114.5℃, BP 78.3℃- 에탄올은 관용명으로 에틸알코올 이라고도 하며, 특히 전분의 알코올발효에 의해 얻어진다. 출발물질인 전분은 효소 다이아스테이스에 의해 글루코오스로 분해되고, 이는 다시 알코올 발효과정에서 얻어지는 다른 효소에 의해 에탄올과 CO2로 분해된다.④ 막걸리의 주요 성분성상 - 고유의 색택을 가진 액체로서 특유의 향미가 있고, 고유의 원료를 가지고 만 든다.- 여기에 첨가되는 기타 혼합물에 따라 향미와 향취에 변동이 있을 수 있다.에탄올(v/v%) - 주세법의 규정에 한하여 회사별, 종류별 비율에 차이가 있다.3) 시약 조사 및 실험 기구온도계, 거름종이, 막걸리 50ml, 분별증류 장치 ( 250ml 둥근바닥 플라스크, 끓임쪽, 고무마개, 리히비냉각기, 스탠드, 고무관, 알코올램프 혹은 hot plate, 유리관 도막, 삼각플라스크, 연결관 )4) 실험 방법① 막걸리 50ml을 거름종이로 여과하여, 될 수 있는 대로 맑은 용액을 250ml 둥근바닥 플라스크에 모은다.② 분별증류 장비를 설치한다.③ 둥근바닥 플라스크에 끓임쪽을 넣고, over heating되지 않도록 주의하면서 천천히 가열한다.④ 가열을 시작함과 동시에 고무관에 물을 넣어 냉각기에 물을 채워 흐르도록 한다.⑤ 가열시키던 막걸리에서 에탄올이 증류, 냉각되어 응결되는 순간의 온도를 측정한다.⑥ 증류액이 나오기 시작하면, 30초에 한 방울 정도가 나오도록 온도를 조절한다.⑦ 증류액이 어느 정도 모이면, 증류액이 나오는 온도를 기록한 후, 가열을 중지한다.단, 100℃가 되지 않도록 온도를 조절하며 증류시킨다.(100℃부터는 물이 증류되기 시작하기 때문이다.)⑧ 소주 30 ml에 대해서도 실험을 반복한다.

자연과학| 2013.10.01| 3페이지| 1,000원| 조회(122)

유기화학실험, Ethanol, 에탄올추출

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예비보고서: Dibenzalacetone by Aldol Condensation

예비보고서7: Dibenzalacetone by Aldol Condensation1) 실험 목적① 케톤과 알데히드에 Enolate Anian을 첨가하면 알돌축합반응이 일어난다는 사실을 확인하고, 그 반응 메커니즘과 조건등을 알아본다.2) 이론 및 원칙① Aldol Condensation (알돌축합)가장 단순한 형태로서 알돌 축합은 같은 알데히드 또는 케톤 두 분자가 축합을 이루는 것으로, 한 분자의 카르보닐 탄소가 두 번째 분자의alpha -위치에 연결됨으로써 새로운 C-C결합을 형성하게 된다.CH3CH2?CH〓O + H?CH?CH〓OREL -> {OH ^{-}} {or`H ^{+}} CH3CH2?CH?CH?CH〓OCH3 OH CH3이러한 식의 반응을 위해 분자가 반응성이 큰 카르보닐기를 가지고alpha -위치의 양성자를 잘 떼어내서 엔올 음이온(enolate anion)을 형성할 수 있어야만 한다. 방향족 알데히드는alpha -위치에 어떠한 수소 원자도 없기 때문에 단순한 알돌 축합을 이루지 못한다. 그러나 방향족 알데히드들은 엔올 음이온들을 생성하는 지방족 알데히드 또는 케톤과 혼합(교차) 알돌축합에 참여할 수 있다.O O OH OC6H5?CH +CH3?CHREL -> {OH ^{-}} {} C6H5?CH?CH2?CHOREL -> {````````````} {} C6H5?CH〓CH?CH+H2O일반적으로 혼합 아릴알돌은 자발적으로 쉽게 탈수되어 공명 안정화된alpha , beta -불포화 알데히드 또는 케톤을 생성한다. 이 반응은 클라이젠-슈미트 축합(Claisen-Schmidt Condensation)으로 알려져 있다.알돌 형태의 방향족 알데히드들의 축합들은 말론산 에스테르, 산 무수물, 니트릴, 니트로알칸 및 유사한 화합물들과 같은 활성 메틸렌기를 포함하는 다른 반응물들까지 확장될 수 있다.산 또는 염기는 알돌 축합을 촉진시키지만 염기 촉매가 일반적으로 잘 쓰인다. 묽은 수용성 또는 에탄올성 수산화 나트륨, 에톡시화나트륨, 그리고 2차 아민류들(디에틸아민 또는 피페리딘)은 효과적인 촉매이다.이 과정에서 첫 번째 단계는 염기에 의한 양성자 탈취로 활성 메틸렌 성분의 엔올 음이온 형성이다.이 결과로 생기는 카르보 음이온은 카르보닐 반응물과 결합되고, 용매와의 양성자 교환으로 혼합알돌이 생성되며 이후 탈수반응을 통해alpha , beta -불포화 화합물이 생성된다.알돌형태 축합의 속도론은 반응물들의 성질과 실험 조건에 따라 변화될 수 있다. 수산화나트륨 수용액을 촉매로 사용하는 보통 조건에서 아세트알데히드의 자체축합에서 엔올화 단계는 느리고, 두 번째 단계는 매우 빠르다. 에톡시화나트륨을 촉매로 사용하는 벤즈알데히드와 아세토페논의 축합에서 아세토페논의 가역적 엔올화는 빠르고, 카르보음이온과 벤즈알데히드의 결합은 느린단계이다. 이 반응의 속도는 카르보음이온과 벤즈알데히드의 농도에 비례한다. 산성이 덜한 케톤으로는 평형에서 카르보 음이온의 농도가 낮기 때문에 속도는 더 느려질 것이다. 치환이 많이 된 카르보 음이온에서는 입체장애에 의해서 더 느려질 것이다.교차 알돌축합은 곁가지에 다양한 작용기들을 가지고 있는 방향족 화합물과 또한 지방족계에 몇 개의 방향족 고리가 부착된 구조를 얻기 위해 사용되는 합성 과정에 대한 중간체들을 제공할 것이다. 두 개의 메틸렌기를 가지고 있는 케톤과의 알돌축합은 일 혹은 이 치환의 가능성에 의해 복잡해 질 수 있다. 예를 들면, 벤즈알데히드와 과량의 아세톤의 반응에서 한 번 축합된 생성물인 벤잘아세톤(benzalacetone)을 생성한다. 그러나 벤즈알데히드와 아세톤의 2:1 몰 비로는 대신에 디벤잘아세톤(dibenzalacetone)이 얻어진다.흥미로운 이 치환의 예로는 디벤질케톤(dibenzyl ketone)과 벤질(benzil)의 축합을 통해 좋은 수득률로, 진한 자주색의 테트라페닐시클로펜타디엔온(trtraphenylcyclopentadieneone)이 얻어지는 것이 있다.3) 시약 조사 및 실험 기구2.653g(=0.025mol)의 benzaldehyde, 0.726g(=0.0125mol)의 아세톤,2.5g의 Sodium hydroxide , 20mL 에탄올, 25mL 증류수, 온도계,감압장치, 가열기(sand bath)① Benzaldehyde화학식 C6H5CHO. 특수한 냄새가 나는 무색의 액체로, 분자량 106, 끓는점 179℃, 비중 1,049~1,005(15℃, 물 15℃)이다. 산화하기 쉽고, 공기 속에서 쉽게 벤조산이 되므로, 오랫동안 보존할 때는 주의를 요한다. 산화에 의하여 생긴 벤조산은 벤즈알데하이드에 녹지 않으므로 표면에 막 모양의 물질이 되어 위로 뜬다. 또 수산화알칼리의 작용으로 벤조산과 벤질알코올로, 환원시키면 벤질알코올이 된다.② Sodium hydroxide물에 강하게 발열하여 녹는 무색 결정, NaOH. 가성소다는 화학공업에서 쓰는 통속명. 상온에서는 사방정계이다. 완전히 탈수시킨 수산화나트륨의 녹는점은 328℃이지만 보통은 약간의 수분이 들어 있어 318.4℃이다. 끓는점 1,390℃, 비중 2.13이다. 조해성이 강하여 공기 중에 방치하면 습기와 이산화탄소를 흡수하여 탄산나트륨이 되어 그 결정을 석출한다. 수용액은 강한 알칼리성이며, 용해도는 물 100g에 대하여 0℃에서 42g, 100℃에서 347g이다. 알코올이나 글리세롤에는 잘 녹지만 에테르나 아세톤에는 녹지 않는다. 강하게 가열해도 산화물과 물로 분해하지 않지만 쉽게 융해하여 금·백금·규산 등을 침식하므로 융해 수산화나트륨은 은·니켈 등의 용기를 써서 취급해야 한다. 화학공업 전반에 걸친 원재료이고 실험실에서도 중요한 시약. 극약이다. 진한 수용액 또는 고체가 피부에 닿았을 때는 물로 잘 씻은 다음, 황산마그네슘의 희석 수용액으로 씻으면 된다. 눈에 들어갔을 때는 가능한 한 많은 물과 붕산수로 잘 씻어야 한다. 또 잘못하여 마셨을 때는 식초나 레몬즙을 섞은 물을 많이 마시거나 우유·달걀 흰자위 등을 먹으면 좋다.

자연과학| 2013.10.01| 5페이지| 1,000원| 조회(301)

유기화학실험, Dibenzalacetone, 알돌출합반응

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예비보고서, E1 Reaction: Dehydration of 2-Methyl-2-butanol

예비보고서6: E1 Reaction: Dehydration of 2-Methyl-2-butanol1) 실험 목적① E1 반응으로 2-Methyl-2-butene을 합성할 수 있다.② 2-Methyl-2-butanol을 통해 2-Methyl-2-butene 합성함으로써 알코올의 탈수반응과 E1 반응을 이해하도록 한다.2) 이론 및 원칙① 알코올의 탈수 (Dehydration of Alcohols)산이 촉매 작용을 하는 알코올의 탈수는 mechanism 상으로 볼 때E1 elimination으로 분류할 수 있다. (우리 실험에서는 산으로 진한 황산을 사용)이 반응은 hydroxyl oxygen의 protonation (프로톤이 π결합이나 산소, 질소의 비공유 전자쌍에 부가하는 단계)으로 옥소늄이온을 형성하는 것이 첫 단계이다.다음 단계는 반응속도론 적으로 옥소늄이온이 흡열분해해서 탄소양이온과 물이되는 반응을 포한하는 1차식 과정이다. 따라서 단소양이온은 전하를 띤 인접한탄소로부터 수소를 잃고 alcene을 생성한다.위의 반응 메카니즘에 있어서 탄소양이온을 만드는 두 번째 단계는 속도 결정단계이 다. 이 단계의 여기상태에서의 활성화물(activated complex)은 다음과 같다.Activated complex의 자유에너지는 탄소-산소 결합이 깨질때 양(+)으로 전하 된 탄소원자의 생성에 의해 현저히 영향 받는다. 그러므로 여러 종류의알코올 탄수반응에너지는 각각의 경우에 형성되는 탄소양이온의 안정순위와 같다. 탄소양이온의 안정성은 alkyl이나 aryl치환물의 수가 증가함에 따라 증가하기 때문 에 t-carbocation은 secondary보다 안정하고 차례로 secondary는 primary보다 안 정하다.이 때문에 3차 알코올이 다른 형태의 알코올보다 더 낮은 온도에서 더욱 빨리 탈 수반응을 일으키게 된다. 즉 이것은 3차 알코올의 탈수반응의 속도 결정단계에서 세 개의 탄소양이온중 가장 안전한 것이 만들어지기 때문이다.반응에서 각각의 단계가 가역적이라는 것에 주의하여야 한다. 실험조건에 따라서는 형성된 alkene이 알코올로 다시 가수 반응될지 모른다. Elimination 반응을 하기 위해 (100% conversion) alkene을 반응혼합물로부터 형성될 때 즉시 증류 분리하는 것이 좋다. 이것은 평형을 오른쪽으로 옮기고 alkene의 생성을 최대화하는 효과가 있다.생성물이 생길 때 생성물의 혼합물 반응에서 계속적으로 제거하는 것은 가역반응으로부터 높은 수율로 생성물을 얻는 기술이다. 반응 혼합물에서 물을 계속 제거해도 마찬가지 효과를 얻는다. 그러나 alkene을 제거하는 것이 더욱 유리하다.alkene이 각각의 실험에서 물보다 더 낮은 bp를 나타내기 때문이다.그리고 sulfuric acid촉매(catalyst)는 고분자생성물(polymeric products)형성을 증진시킨다.E1반응은 대개 어느 정도까지 치환반응을 동반한다. 이 경쟁반응에는 중간단계의 탄소양이온과 촉매 혹은 다른 음이온으로 쓰이는 산의 음이온과의 화합도 일어나기 때문이다. 예를 들면, HCl과 alkene이 반응하면 chloroalkane을 만들어 여기서 chlorine은 hydroxyl group을 치환한 결과나 같다. 치환반응 생성물의 양은 사용된 산의 양과 성질에 따라 달라질 것이다. 그러나 때때로 치환 반응물들은 반응조건에 따라 가역적으로 alkene이 생성됨에 따라 증류되어 분리된다면 반응이 한쪽으로 가므로 이러한 부반응이 그렇게 크게 문제되지 않는다.그러나 이러한 사실은 E2반응에서는 2개 혹은 그 이상의 alkene이성질체가 형성될 때는 전혀 달라진다. 만일 하전된 탄소양이온이 비대칭적으로 탄소 골격에 위치할 때 수소들이 2개의 인접탄소 원자들에 의해 공격되면 어느 쪽 수소를 잃게 되느냐에 따라서 서로 다른 생성물이 형성될 것이다. 두개의 alkene이 형성되는 비율은 두개의 제거반응에 있어서 상대적인 활성화 에너지에 의존하고, 활성화 에너지는 두개의 transition state의 자유에너지와 직접적으로 관련이 있다. Transition state는 다음 식으로 표현된다.이 transition state에서 C-H결합은 부분적으로 끊겨지고 C-C이중결합은 부분적으로 형성된다. 각각의 transition state는 부분적 이중결합을 갖기 때문에 그들의 상대적 에너지가 alkene의 에너지와 비슷하다는 것은 타당하다. 그러므로 에너지적으로는 안정한, 즉 유리한 transition state가 더 안정한 alkene을 이끌어낼 것이다. Alkene의 안정성은 이중결합에 있어서 alkyl치환기의 수가 증가함에 따라 증가한다. 경쟁적인 E1반응이 여러 개 가능할 때는 많은 치환기를 가진 alkene(더 많이 alkyl으로 치환된)이 대개 더 많이 형성된다.많은 경우에 있어서 E1반응에서 생성물로 형성되는 alkene종류의 수는 위와 같은 반응 형식으로는 완전히 설명될 수 없다. 일반적으로 탄소양이온은 재배열반응을 일으킨다. 사실 새로운 탄소양이온이 처음보다 덜 안정할지라도 재배열은 일어날지 모른다. 이런 재배열은 alkyl anion(R:-)혹은 hydride ion(H:)이 인접한 탄소원자에서 formal positive charge를 가진 탄소로 이동함으로써 이루어진다. 이와 같이 생긴 새로운 양이온 중간물이 양성자를 잃으면 다른 alkene의 이성질체가 생길 것이다.탄소양이온의 안정성이 1차에서 2차에서 3차로 감에 따라 증가하므로, 2차 혹은 1차 탄소양이온으로부터 3차 탄소양이온으로의 이동은 자발적으로 일어날 것이다. 예를들어 neopentyl cation이 t-pentyl cation으로 methyl의 이동에 의해 재배열된다. 똑같은 “driving force"(자유에너지를 최소화하는 경향)는 isobutyl cation이 hydride migration에 의해 t-butyl cation으로 역시 재배열시킬 것이다. 이 경우에 매우 적은 methyl migration이 예상된다. 왜냐하면 이것은 secondary ion으로 이끌기 때문이다. 여기서 hydride이동(migration)은 더욱 안정된 tertiary ion으로 이끈다.② E1 reactionAlkyl halide에 약염기를 넣으면 이중 결합이 있는 Alkene이 얻어진다.이러한 반응을 dehydrohalogenation 할로젠화수소이탈 반응이라고 한다. 이 반응은 HX 원소를 제거해 π 결합을 도입시켜 alkene을 만드는 가장 흔한 방법 가운데 하나이다. Dehydrohalogenation은 두 개의 인접한 원자에서 원소가 떨어지기 때문에 β elimination β 제거 반응이라고 한다. 할로젠 원소 X가 붙은 탄소를 α 탄소라 하고, α 탄소에 바로 붙은 이웃 탄소를 β 탄소라고 한다.Nucleophilic substitution reaction에서 SN1 반응과 SN2 반응이 있듯이 Elimination 반응에도 E2 반응과 E1 반응이 있다. E2 반응은 SN2 반응과 비슷하고 E1 반응은 SN1 반응과 비슷하다. E1 반응의 메커니즘을 살펴보자. 아래의 반응은 t-butyl iodide((CH3)3CI)가 물과 반응하여 1,1-dimethylethene((CH3)C=CH2)을 만드는 반응이다.a. 반응속도론(Kinetics)E1 반응은 아래의 식처럼 1차 반응 속도식을 나타낸다. SN1 반응처럼 한 단계 이상의 반응이며 속도 결정 단계인 느린 단계 RDS에서 Alkylhalide 만 관여하는 일분자 반응이다.속도 = k[(CH3)3CI]b. 메커니즘Mechanism이러한 1차 반응 속도식에 대한 가장 적절한 설명은 두 단계 반응이다. 아래의 메커니즘처럼 반응은 두 단계로 진행된다C-I 결합이 불균형 분해되어 중간체인 탄소양이온이 생성된다. 이 반응은 SN1 반응의 첫 단계와 똑같다. 이 단계가 가장 느리기에 속도 결정 단계RDS가 된다.염기 H2O 또는 I-가 β 탄소에 있는 양성자를 떼어낸다. C-H 결합에 있던 전자 쌍은 α탄소와 β탄소 사이에 π결합을 형성한다.E1 반응을 결정하는 것은 반응에 관여하는 할로젠화 알킬Alkyl halide, 염기Base, 용매Solvent 이다.c. 할로젠화 알킬(Alkyl halide)R기가 얼마나 붙어있느냐에 따라 E1의 반응속도가 달라지는데, R기가 많을 수록 E1 반응 속도는 증가한다.반응속도가 느림 반응속도가 빠름RCH2-X R2CH-X R3C-X↓ ↓ ↓RC+H2 R2C+H RC+탄소양이온 안정SN1 반응처럼 R기가 많은 Alkyl halide는 더욱 안정한 탄소양이온을 생성하고, Hammond 가설에서 안정한 만큼 활성화 에너지가 낮아져 E1 반응 속도가 빨라지게 된다.d. 염기(Base)반응속도식에는 염기에 관한 항이 없다. E2 반응과 경쟁을 하는 E1 반응은 -OH나 -OR처럼 강한 염기보다는 H2O나 ROH와 같이 약한 염기가 선호한다.e. 용매(Solvent)E1 반응은 반응 중간체로 탄소양이온으로 이온이 생성된다. 이 이온을 용매화 할 수 있는 극성 양성자성 용매Polar protic solvent가 필요하다. 따라서 극성 양성자성 용매인 물이나 알코올은 용매이자 반응물로써 사용이 되기도 한다.3) 시약 조사 및 실험 기구25mL 둥근바닥 플라스크, 증류수, 1mL의 진한 황산, ice bath,2.00mL(1.60g)의 2-methyl-2-butanol, boiling stone, receiver, 온도계,vials, 0.6mL의 3M NaOH, CaCl2 무수물, ethanol, acetone, boiling chip① 2-Methyl-2-butanol㏖.wt.(g/㏖) : 88.15 g mol?1, Density : 805 mg cm?3, m.p.(℃) : -9 °C,b.p.(℃) : 101-103 °C② Fractionation into an ice-cooled receiver③ CaCl2㏖.wt.(g/㏖) : 110.99g mol?1, SG(g/㎖) : 2.512g ml-1, m.p.(℃) : 772℃,b.p.(℃) : 1600℃ 이상실험시 CaCl2의 사용량(㎖) : 약간-위의 실험에서는 유기층에 남아있는 수분을 흡수하기 위해서 사용된다.

자연과학| 2013.10.01| 9페이지| 1,000원| 조회(366)

유기화학실험, Dehydration, E1 Reaction

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친핵치환반응 예비보고서-Nucleophilic Subtitution Reaction of Alkyl Halides

예비보고서5: Nucleophilic Subtitution Reaction of Alkyl Halides1) 실험 목적① 친핵 치환 반응 실험을 통해 포화 탄소원자에 한 그룹을 치환하는 친핵성 공격에 대해서 알아본다.② SN1 메커니즘과 SN2 메커니즘을 충분히 이해한 후, 특정 화합물에 대한 친핵성 치환반응이 이들 중 어떠한 반응경로를 따라서 진행이 되는지 예상하고 반응을 해석할 수 있다.2) 이론 및 원칙① 할로겐화 알코올의 친핵성 치환반응Alkyl halide나 Alkyl sulfonate ester는 대부분 모든 친핵성 치환반응(nucleophilic su-bstitution reaction)에서 반응물(reactant)이나 기질(substrate)로 쓰인다. 친핵성 치환반응은 대부분 SN1과 SN2의 두가지 메커니즘으로 설명된다.SN2는 친핵성 물질(nucleophile)이 C-X결합의 반대편을 공격 하고 X-가 이탈된다. 그러나 SN1은 C-X결합이 먼저 파괴되어 탄소양이온이 생기고 이온이 친핵성 용매와 반응 하여 하나의 새로운 결합을 이룬다. 이 때문에 후자를 종종 가용매분해반응(Solvolysis)라고 부르기도 한다.② SN1 Mechanism(CH3)3CBr (t-butyl bromide)과 CH3COO- (actate)의 반응은 SN1반응의 한 예이다.A .반응속도론 (Kinetics)SN1 반응은 일차 속도식(first-order kinetics)으로 표현된다. SN1 반응에서의 1은 속도식이 1차라는 뜻에서 붙여진 것이다. SN1 반응의 속도는 nucleophile(친핵체)의 특성과 농도가 아닌 alkyl halide(할로젠화 알킬)의 농도에만 의존한다. 위 SN1 반응의 반응속도식은 다음과 같다.속도 = k[(CH3)3CBr]B. 두 단계 메카니즘 (A Two-step mechanism)SN1 반응은 결합이 먼저 끊어지고 나중에 새로운 결합이 생성되는 두 단계 메카니즘이다단계 - 1 C-Br 결합이 끊어진다.먼저 C-Br 결합이 불균형적으로 분해된다. 결합에 참여하고 있던 두개의 전자가 모두 Br에 가면서 반응성이 큰 탄소양이온(carbocation)이 형성된다. 이 단계가 느리기 때문에 이 단계가 속도 결정 단계(rate-determining step)이다.단계 - 2 C-O결합이 형성된다.탄소 양이온에 아세트산 음이온이 친핵성 공격(nucleophilic attack)을 하여 C-O 결합을 형성한다. 이 반응은 Lewis 산-염기 반응인데, 친핵체 acetate는 Lewis 염기이고 탄소양이온은 Lewis 산이 된다. 이 단계는 하나의 결합이 형성이 되기만 하므로 단계-1보다 빠르다.SN1 반응의 메카니즘의 중요한 두가지 특징이 있는데, 첫번째는 메카니즘은 두 단계이며 두번째는 반응성이 큰 중간체인 탄소양이온이 형성된다는 것이다.③ SN2 MechanismSN2 반응의 한 예로 CH3Br (Bromomethane)과 CH3COO- (actate)의 반응이 있다. 전체적인 반응식은 다음과 같다.A. 반응속도론 (Kinetics)SN2 반응은 이차 속도식(second-order kinetics)으로 표현된다. 이분자 반응(bimolecular)이며, 속도식에는 할로젠화 알킬(Alkyl halide)와 친핵체(Nucleophile) 모두 나타난다.반응 속도 = k[CH3Br][CH3COO-]두 반응물 모두 속도에 영향을 주기 때문에, bromomethane의 농도를 2배로 증가시키면 반응 속도가 2배가 된다. 그리고 두 반응물 모두 농도를 2배로 증가시키면 반응 속도는 4배가 된다.B. 한 단계 메카니즘 (A One-step Mechanism)SN2 반응은 결합이 끊어지는 것과 생성되는 것이 동시에 일어난다.④ SN1과 SN2 반응도에 대한 구조의 효과1) SN2주어진 어떤 할로겐화물 계열의 상대적인 반응도(reactivity)를 SN1이 더 우세한 반응조건과 SN2가 더 우세한 조건으로 나누어 관찰할 것이다.반응은 아세톤 용액에서 요오드(iodide)이온에 의해 염소 또는 브롬이 치환 되는 반응으로부터 관찰 한다.SN1이 일어나려는 경향을 최소로 한다.Sodium iodide는 아세톤이 잘 녹지만 Sodium chloride나 Sodium bromide는 매우 낮은 용해도를 갖는다.따라서 반응진행정도는 NaCl 혹은 NaBr의 결정이 생성 되는 것으로부터 관찰 할 수 있다.R-X + NaI-> R-I + NaI ↓(acetone)2) SN1SN1반응에서 구조효과를 관찰 하기 위해 Alkyl halide와 수용성 Ethanol에 AgNO3을 녹여 반응 시키면서 관찰 한다.Nitrate이온은 매우 약한 친핵체 이므로 SN2 반응은 잘 일어나지 않는다.SN1에 의해 Alkyl halide가 해리 되는 것은 Silver halided의 침전 생성으로부터 관찰 가능하다. 즉 탄소양이온이 물이나 알코올에 의해 잡혀 있게 된다.R-X → R+ +X- → AgX↓ +NO3?+R?(AgNO3)3) 시약 조사 및 실험 기구vials 4개, 1-bromobutane, 2-bromo 2-methylpropane, NaI, 아세톤,water bath, 튜브, AgNO3,① 1-bromobutane1-bromobutane(CH3(CH2)3Br)는 무색의 액체로 물에서 녹지 않는다.그러나 ethanol 과 diethyl ether에서 녹는다.가장 중요한 alkyl halide로서 SN2반응에 사용된다.1-bromobutane은 주로 alkylating agent로 사용되거나 탄소-탄소 형태의결합의 dry ether (Grignard reagent)에서 마그네슘과 함께 결합한다.② 2-bromo 2-methylpropanetert-Butyl bromide은 tert-butyl carbon구조에 bromine치환기를 가지고있는 유기혼합물이다.이 혼합물은 1-bromobutane와 2-bromobutane의 이성체를 가진다.③ NaI아이오딘화 나트륨(NaI)은 산화나트륨의 따뜻한 수용액에 요오드를작용시켜 만드는 무색 결정이며 대개 의약으로 쓴다. 녹는점은 661℃이며,끓는점 은 1304℃ 이다.4) 실험 방법① 4개의 vials를 준비해서 2개의 vials에는 1-bromobutane을 넣고 2개의 vials에는 2-bromo 2-methylpropane을 넣는다.

자연과학| 2013.10.01| 6페이지| 1,000원| 조회(447)

유기화학실험, 친핵치환, 친핵치환반응 예비보고서

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Isobutyl Propinate by Fischer Esterification- Column Chromatography & Thin Layer Chromatography예비보고서

예비보고서4: Isobutyl Propinate by Fischer Esterification- Column Chromatography & Thin Layer Chromatography1) 실험 목적① 얇은 막 크로마토그래피와 관 크로마토그래피의 실험을 통해 지시약을 분리하고 크로마토그래피의 원리를 배운다.2) 이론 및 원칙① Fischer Esterification알코올과 카복실산 간의 산-촉매 에스터 형성 반응.1단계 : 산 혹은 루이스 산촉매로 카보닐 탄소의 positive가 증가되어 챈핵체 공격에 대해 카르복실산이 활성된다. 2단계 : positive가 증가된 탄소에 친핵체 알코올(R'OH)의 친핵공격이 이루어져 사면체 중간체가 생 성된다 3단계 : 첨가된 R'OH의 H+이 다른 산소로 이동함(proton shift, tautomerism)이 일어나 두 번째 사면체 중간체가 형성된다.4단계 proton의 이동으로 OH기는 좋은 이탈기로 전환되어 물이 떨어져 나가고, 양성자를 잃어 산촉매를 재생하면서 Ester을 얻는다. 이반응은 가역적이며 생성된 Ester의 Acyl기는 Carboxylic acid로부터, 알콕시기 (OR')는 알코올로부터 유도되었음이 O18동위원소 표지법 연구로 밝혀졌다.② Chromatography의 원리크로마토그래피는(chromatography)는 그리스어의 색(chroma)과 기록(graphein)의 합성어로 색 분리란 의미를 가지며, 혼합물질로부터 순수한 단일 성분으로 분리, 확인, 정량하는 분리분석법 중 가장 많이 이용되는 방법이다. 크로마토그래피법은 관(column)에 정지상을 고정시키고 관 내부를 이동상으로 통화하도록 하는 관에 의한 방법(column method)과 평면 유리판이나 다공성 종이에 정지상을 도포시키고 이동상을 모세관 운동이나 중력에 의해 이동시키는 평면 방법(planar method)으로 구분된다. 관에 의한 방법으로는 기체 크로마토그래피, 액체 크로마토그래피, 이온교환 크로마토그래피 등이 대표적이며, 평면으로 정지상과 이동상의 두 가지 기본구성을 갖는다.정지상 물질은 일반적으로 실리카켈, 알루미나, 규조토, 활성탄, 셀루로스 등과 같은 다공성 고체 입자나 다공성 고체 입자의 표면에 액체를 입힌 물질들이 사용되고, 사용 목적에 따라 정지상의 종류는 다양하게 달라질 수 있다. 이동상 물질은 주로 물이나 유기용매(기체 크로마토그래피에서는 “기체”를 사용)가 사용되며 분리방법이나 목적에따라 다양하다.크로마토그래피에서 혼합물의 각 성분들은 이동상의 흐름에 이동되며 정지상과 이동상에 대한 친화도가 서로 다르기 때문에 정지상을 통과하는 동안에 각 성분들 간에는 이동 속도 차이가 생기고 시간이 흐름에 따라 분리가 일러난다. 용질이 이동상에서 정지상으로 이동하는 방법은 정지상의 상태에 따라 흡착(adsorption), 분배(partition), 이온교환(ion-exchange) 등에 의하며, 단순히 분자 크기에 따라 분리되는 크기배제(size exclusion) 크로마토그래피도 있다. 이때 시료용질은 정지상과 이동상에 대해 연속적인 평형을 이루면서 이동하고 두상에 분포되는 정도는 분배계수(K )로 나타낼 수 있다.K= {C _{s}} over {C _{m}}여기서C _{s}는 정지상에서의 농도이고C _{m}은 이동상에서의 농도이다.두 상 사이에 분배될 때의 평형상수의 차이에 의해 정지상과 친화력이 작은 성분의 분자들은 이동상의 흐르는 방향을 따라 다른 성분들보다 더 빠른 속도로 정지상을 통과하게 된다. 따라서 각 성분들은 이동속도에 따라 분리되어 정지상에 몇 개의 띠를 형성한다.혼합물을 분리하려면 그 혼합물의 각 성분의 분배계수가 서로 달라야 한다. 만일 이들의 분배계수가 비슷한 경우에는 분리된 띠들이 근접되기 때문에 이동상의 통과거리가 아무 크지 않은 한 성분들을 깨끗이 분리할 수 없다.③ Column Chromatography유리관 고체 흡착제를 충진(parking)시켜 정지상하고 여기에 시료용액을 소량 가한 후 시료를 녹일 수 있는 용매 또는 특정용액을 이동상으로 하여 른 이동속도의 차에 의해 분리 되도록 한다. 흡착을 일으키는 원인으로서는 분자들 사이의 인력, 예를 들면 정전기적 인력, 착물화반응, 수소결합, Van der Waals의 힘 따위를 들 수 있다.혼합물 시료용액을 알루미나, 실리카겔등이 충진되어 있는 관의 상부에넣고 관의 상부에서 용매를 계속 첨가함으로써 시료용액을 이동시킨다.이 용매를 용리액(eluent)이라 부른다. 용리액을 잘 선택하면 혼합물이 분리되어 각 성분들이 관내에서 따로 관을 빠져 나온다. 이 과정을 용리(elution)라 부르고 관을 빠져나온 용리액을 용출액(eluate, effuant)이라 한다. 용질들이 색깔을 띠고 있으면 이들이 관을 지나 내려오는 것을 관찰할 수 있지만, 용질이 무색일 경우에는 자외선을 쬐어서 형광을 이용하거나, 물리적 성질을 이용하여 성분들이 이동하는 것을 관찰할 수 있다. 관 크로마토그래피는 일반적으로 화합물들을 분석하는데 쓰이 보다는 복잡한 혼합물을 단일 성분으로 분리하기 위한 목적으로 많이 이용된다. 관(column)을 통과한 용출액은 여러 개의 용기에 일정량씩 (약 30ml) 받아 모아서 용매를 증발시켜 제거하면 순수한 물질만을 얻을 수 있다. 용출되어 나온 물질의 성분은 물리적 성질 또는 스펙트럼을 조사하여 이미 알려져 있는 표문물질과 비교하여 확인한다.④ Thin Layer Chromatography얇은막 크로마토그래피는 액체-고체 흡착크로마토그래피의 한 형태로 관을 쓰지 않고 평면판에서 행해진다. TCL에서는 유리판이나 플라스틱판과 같이 반침판에 실리카겔(silica gel)과 같은 고체 흡착제의 얇은막(약 250mu m)을 입혀서 사용한다. 입자의 크기와 막의 두께는 목적에 따라 각각 달리할 수 있으며 입자의 크기는 미세하면서 균일해야 한다. 분리 또는 정제하고자 하는 물질의 용액을 모세관에 묻혀서 TCL판의 한쪽 끝 가까이에 반점(spot)을 만든다. 이 판을 전개(developer)가 들어있는 용기에 담그는데 전개제는 주로 용기용매나 물을 사용한다. 용서, 시료 혼합물에 있는 각 성분물질을 각각 다른 속도로 끌고 올라간다. 용매에 쉽게 녹으면서도 고체에는 가장 약하게 흡착되는 물질일수록 고체에 세게 흡착되는 물질보다 빠른 속도로 상승할 것이다. 실험에 사용되는 용매와 흡착제는 분리효과가 좋은 것을 선택해야 한다. 이렇게 전개하면 판 위에서는 혼합물의 각 성분이 분리되어 생긴 일련의 반점들이 용매액면에 수직한 일직선상에 늘어선다. 처음 위치 X로부터 용매선 까지 거리 즉 전개제가 이동한 거리 및 각 반점들까지 거리를 잰다. X로부터 성분반점들까지의 거리를 X로부터 전개제가 이동한 용매선까지의 거리를 나누어준 값을R _{f}(머무름 인자, retardation factor)값이라 한다.R _{f} ={성분``물질이``이동한``거리} over {전체가``이동한``거리}R _{f} 값은 각 물질의 성질, 용매의 종류 및 온도에 따라 다르다.그렇지만 흡착제, 용매, 막의 두께, 균일성, 온도 등이 동인한 조건에서 행해질때R _{f}값은 일정하다.TCL의 장점은 아주 적은 양의 시료라도 분석이 가능하다. 특수한 경우에는10 ^{-9}g까지도 검출이 가능하지만 보통은 500mu g 정도는 되어야 한다.색깔이 있는 물질은 크로마토그램 위의 반점을 알아보기 쉽지만 무색의 물질인 경우에는 반점의 위치를 확인하기 위하여 발색제를 뿜어주거나 또는 자외선(UV)을 쬐어서 형광을 발하게 하는 등의 수단을 써야 한다.⑤ reflux넓은 뜻으로는 증류인데, 한번 증기로 되어 탑 안을 오른 것이 응축하여 액체로 되어서 탑 안을 흘러내리는 흐름을 뜻하고, 좁은 뜻으로는 일단 탑 바깥으로 나온 증기가 전축기 또는 분축기에 의하여 응축되어 다시 탑꼭지로 되돌아가는 흐름을 뜻한다.어느 쪽이든, 환류는 증류탑의 정류작용을 증대시키기 위한 작용이다.또 좁은 뜻에서의 환류량 LR와 유출량 D와의 비 LR/D를 환류비라고 하며, 넓은 뜻인 환류가 0일 때의 증류를 단증류라고 하고, 유출량이 0일 때는 환류비는 무한대인데, 이 때를 전환류라고 하여 정류의 환류비의 값을 최소환류비라고 한다.⑥ TCL 실험시 주의사항전개액의 증발을 막아햐 한다. TLC에서는 전개액이라고 부르는 용매가 박막(TLC plate)을 타고 전개되어 가면서 혼합물을 녹여서 함께 전개된다. 이때 기질인 박막과 용질인 혼합물, 그리고 용매인 전개액의 삼자사이에 흡착과 분배 계수의 차이에 의해 용질이 전개되어 가는 속도의 차이가 생기고 따라서 혼합물이 분리되는 것이다.여기에서 박막 기질과 전개액에 대한 용질의 분배계수의 차이라는 관계에 있어서, 박막은 고정된 것이고, 전개액은 보통 혼합용매를 사용할텐데, 이 혼합용매가 증발된다면 용매의 성분에 따라 증발정도가 제각각 다를 것이므로 결과적으로 전개액의 조성이 변하게 된다. 전개액의 조성이 변하게 되면 분배계수가 바뀌게 되고 일관성있는 실험결과를 얻을 수 없다.전개액의 증발은 TLC 박막에서 전개되면서 일어나며 전개의 처음과 중간, 그리고 마지막 부분에서의 전개액의 조성이 차이가 난다. 따라서 실험의 정밀도와 재현성이 떨어진다. 또한 원하는 분리가 불가능할 수도 있다.그러므로 전개액의 증발을 막기위해 TLC는 밀폐된 공간에서 실시한다. 그러면서, 그 공간을 미리 전개액의 증기로 포화시켜서 하면전개액이 박막을 따라 전개되면서 증발을 막을 수 있다.3) 시약 조사 및 실험 기구25ml 둥근바닥 플라스크, 5ml의 2-methyl-1-propanol, 7ml의 acetic acid, 0.5ml의 H2SO4, boiling stone, Air condenser, distilling column,Na2CO3, NaCl, MgSO4, 유리필터, 솜, 1g의 silica gel, dichloromethane,TLC 판, Diethyl Ether, p-anisaldehyde, 크로마토그래피용 유리관① 2-methyl-1-propanol아이소뷰틸알코올(isobutyl alcohol),2-메틸프로판-1-올(2-methylpropan-1-ol)등이라고도 한다.화학식 (CH3)2CHCH2OH . 분자량 74.2, 녹녹는다.

자연과학| 2013.10.01| 9페이지| 1,000원| 조회(193)

크로마토그래피, Chromatography, 유기화학실험

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