2-chloro-2-methylpropane의 제조

2-chloro-2-methylpropane의 제조

 

 

1. 실험목적

 

본 실험에서는 SN 1반응의 증명과 속도론 연구에 사용될 수 있는 화학 중간체인 2-chloro-2

-methylpropane을 합성하게 된다. 이 동일한 과정은 2-chloro-2-methylpropane의 제조에도 이용될 수 있는데 그 이유는 3차 알코올이 좋은 반응성을 가지므로 염산으로 알코올을 haloalkane으로 전환시킬 수 있기 때문이다. 본 실험을 통하여 SN1반응 및 경쟁적으로 같이 일어나는 E1반응을 알아보도록 하자.

 

2. 이론 및 배경

 

2-chloro-2-methylpropane의 합성의 첫 번째 단계는 -OH의 protonation에 의한 oxoniumion의 형성이다. 두 번째 단계는 속도결정단계로 용매인 물분자와 알코올이 O+H ion으로 떨어져 나가는 것을 돕는다.

 

S N1반응에서 protic solvent의 수소 결합력은 leaving group을 제거하는데 도움을 주고 그 후에도 안정화시키는 데에 도움을 준다. 또한 용매 분자가 옆의 이온과 1차 so lvation sphere를 통하여 3차원구조를 이루며 그 때문에 물 분자의 수소를 더 부분적인 positive charge로 만들어 준다. 그러므로 이러한 수소들이 교대로 더 강하게 옆의 용매 분자들로부터 전자를 끌어당기고 2차 solvation sphere를 형성한다. 이 효과는 반복되면서 그 세기가 줄어든다. 따라서 한 개나 두 개의 분자에 의해서 뿐만 아니라 분자 전체에 의해서 안정화 되어짐을 볼 수 있다. 물론 carbocation은 hyperconjugation에 의해서도 안정화된다.

 

마지막 단계는 친핵체인 chloride ion이 용매를 밀어내고 정확한 방향으로 탄소에 충분한 에너지의 충돌을 함으로써 생성물이 형성된다.

첫째, 촉매로서 proton을 공급한다.

둘째, Cl-를 공급한다.

셋째, protonating water에 의해 평형을 정반응쪽으로 공급한다.

 

① 단순증류

증류할 물질의 증기압이 1기압이 되도록 가열하여도 분해되지 않은 비교적 안정할 물질은 수수하게 정제하거나 비휘발생 물질을 포함하는 균일 혼합물에서 한 물질을 분리하는 데 가장 간편하게 사용되는 증류법이다. 이 증류법은 어떤 물질의 비점을 간편하게 측정할 수 있으나 실험장치의 조작에 있어서는 주의를 요한다.

온도계는 수은주의 끝이 증류 플라스크 가지 밑에 5~10mm의 위치에 놓이도록 하고 증류 플라스크의 가지는 냉각기 속으로 약 25mm정도 들어가 있도록 장치하여 증류액이 콜크 또는 고무마개에 접촉하지 않도록 하여야 한다. 냉각기 끝에 있어서도 adapter 및 수기(receiver)와 연결할 때에도 마찬가지로 이 점을 주의 하여야 한다. 증류 플라스크, 냉각기 및 수기 등 단증류에 필요한 기구는 증류하려는 물질의 물리적 및 화학적 성질에 따라 선정하여 장치를 할 것이며 bumping를 방지하기 위하여 초벌구이 조각같은 비등석을 Conc-HCl로 처리하고 끓인 후 더운 물로 잘 씻어 air bath에서 건조시킨 것을 몇 개 넣어 액체가 규칙적으로 일정한 속도로 유출되도록 증류 플라스크에 열을 가하여 주어여 한다.

액체가 비점에 달하여 있을 때나 비점에 가까워졌을 때 그 액체 속에 비등석 넣는 것은 격렬한 비등이 일어날 것으므로 가열을 시작하기 전에 액체 속에 1개 또는 2개의 조그마한 비등석을 넣어 주어야 한다.

 

② 액체-액체 추출

액체시료 중의 성분 물질을 해당 액체와 불혼화(不混和) 용매에 용해시켜 분리하는 방법. 용매 추출이라고도 한다. 물질의 중요한 분리·정제법의 하나이다.

 

③ 기체-액체 크로마토그래피

기체-액체 크로마토그래피의 고정상은 관에 채워진 고체 또는 고체에 부착된 액체이다. 그리고 이동상은 운반체라고 부르는 헬륨 등의 기체이다.

이동상에 포함된 증발된 기체 혼합물의 각 성분들은 고정상에 각각 다른 크기의 인력으로 끌리기 때문에 분리되게 되어 있다.

기체-액체 크로마토그래피는 유기 화합물들을 분리하는데에 널리 사용된다. 그리고 물질의 순도를 결정할때에도 기체-액체 크로마토그래피가 많이 사용되는데, 그 이유는 매우 적은 양의 불순물까지도 분명하게 분리할 수 있기 때문이다.

이 밖에 환경적, 생물학적 변화로 인한 유해 물질을 규명해 내는 데에도 중요하게 이용되고 있다. 헬륨 기체나 질소 기체가 이동상으로는 크로마토그래피관을 통과할 때, 혼합물의 성분 물질들도 증발되어 함께 지나가는데, 일정한 온도에서 어떤 물질이 관을 통과하여 검출기까지 걸리는 머무름 시간이 일정하기 때문에 머무름 시간을 이용하여 혼합물을 분리, 확인할 수 있다. 주어진 시간 동안에 크로마토그래피관을 이동하는 속도는 검출기에서 감지되고 기록계에서 곡선으로 기록된다.

 

④ IR

적외선 분광기에는 분산형과 간섭형이 있다. 분산형 분광기는 광을 분산시켜 파장에 따른 광의 투과율을 측정하는 것이고 간섭형 분광기는 광의 간섭현상을 이용하고 투과광의 spectrum을 얻기 위하여 Fourier 변환을 행하는데 이러한 분광기에 의한 분광분석법을 Fourier transform infrared spectroscopy: FT-IR라 부르며 근년에는 computer의 발달로 FT-IR의 사용이 보편화되어 있다.

 

• 분산형분광기에 의한 적외선분광법(IR 법)

광원으로부터 나온 광을 prism과 회절격자를 이용하여 광을 분광시켜 파장을 순차적으로 변화하면서 시료에 조사시켜 투과율을 측정하여 적외선 흡수 spectrum을 얻는 방법

• 간섭형분광기에 의한 적외선분광법(FT-IR 법)

FT-IR은 간섭계를 이용하여 광원으로부터 나온 연속광의 일부에 광로타를 주어서 얻어지는 간섭파를 Fourier 변환(Fourier transformation)시켜 성분파의 spectrum을 얻는 분광법

 

3. 실험방법

 

① 삼각플라스크(125㎖) 안에 2-methyl-2-propanol 0.10 mole 과 35% 진한 HCl 20㎖

을 넣는다. 만약 2-methyl-2-propanol이 고체인 경우엔 m.p.가 25.6℃이기 때문에 쉽게

녹여서 사용할 수 있다.

② 처음 1분정도는 이 혼합용액을 가볍게 흔들어주다가 나머지 3분은 강하 게 흔들어 준다.

 

3.2.1 실험 시 주의사항

① 유리기구가 깨져있거나 금이 가있나 확인하고 heating하는 동안 금이 생기지 는 않나 살펴보

아야 한다.

② separatory funnel에서 산을 중화시키는 동안 CO2의 형성이 생기므로 압력을 낮추어야 한

다는 것을 명심한다.

③ HCl을 다룰 때에는 hood안에서 장갑을 끼고 해야 한다.

 

3.3 분리 및 정제

① 혼합물을 110㎖의 분액깔대기에 옮긴다.

② 적은양의 물로 삼각플라스크를 헹군다.

③ 헹군물을 분액깔대기에 넣는다.

④ 두 개의 층이 지면 수용액 층을 분리한다.

⑤ 유기물 층을 10㎖의 증류수, 10㎖ 의 5% aqueous soduim bicarbonate (NaHCO3)

수용액, 10㎖의 증류수를 이용하여 차례로 세척한다.

⑥ 각각의 세척단계마다 funnel을 가볍게 흔든다. 그러나 bicarbonate를 이용해 세 척하는

동안은 약 1분간 강하게 흔들어 주어야 한다.

⑦ 수용액층은 버린다.

⑧ 작은 삼각플라스크에 유기물층을 옮기고 깨끗해 질 때까지 anhydrous calsium chloride

위에 2-chloro-2-methylpropane을 건조시킨다.

⑨ 순수한 생성물을 이미 건조된 작은 flask에 옮긴다.

⑩ 후드에 설치된 container에 젖은 건조제를 버린다.

⑪ receiver쪽을 얼음욕조로 받친 후 생성물을 79∼84℃로 단순 증류한다.

⑫ 만약 처음 증류시 반응기가 뿌옇게 된다면 중단하고, 재건조 시킨후 다시 증류 한다.

⑬ 수율을 계산한다.

 

3.4 분석 및 결과보고

① 굴절률을 측정하여 생성물을 확인한다.

② FTIR spectra를 확인한다.

 

 

4. 기구 및 시약

 

○ Merck Index를 참조하여 다음 화합물의 분자식, 분자량, 녹는점, 끓는 점, 용해도, 밀도, 굴절률를 조사하시오.

	2-Methyl-2-propanol	2-chloro-2-propane
분자식	(CH3)3COH	CH3CH(Cl)CH3
분자량(g/mol)	74.12	92.57
녹는점(℃)	25.6	117
끓는점(℃)	82.41	31.36
용해도	3.1	약간
밀도(g/cm3)	0.785	0.868
굴절률	1.39	1.3811

 

1)시약

① 염산(hydrochloric acid)

무색, 독성이 강한 일염기산 HCl, 염화수소의 수용액. 동물의 위에서 분비되는 위산의 주요 성분이다. 공업적으로는 염소와 수소에서 직접 합성한 염화수소를 물에 흡수시켜서 만드는데, 이것을 합성 염산이라 한다. 또 유기 화합물을 염소화할 때 부가적으로 얻는 경우도 있는데, 이것은 부생(副生) 염산이라 하며, 불순물로 인해 착색되어 있다. 농도 35% 이상의 것을 진한 염산이라고 한다. 진한 염산은 습한 공기 중에서 두드러지게 발연하고 자극적인 냄새가 나는 용액이다. 공업용 염산에는 염화철 등이 함유되어 있어 황색을 띤다. 시중에서 판매되는 것은 37.2%(100g 내에 있는 염화수소의 그램수)로 약 12N, 비중 1.190이다. 또 10% 이하를 묽은 염산이라고 한다. 농도 C%와 비중 d의 관계는 C＝200(d－1)로 표시된다. 1기압하에서는 일정한 끓는점 108.584℃를 가진다. 20.24%에서 물과 공비 혼합물을 만들기 때문에 농도에 관계없이 끓는점은 차차 올라가며, 이 온도에서 증발분과 잔류분이 같아진다. 아연·알루미늄·주석 등 이온화 경향이 큰 금속과는 반응하여 수소를 발생시킨다. 이온화 경향이 작은 은·수은·금·백금 등과는 반응하지 않지만, 구리·철·니켈 등과는 가열하면 녹는다. 금속의 산화물은 일반적으로 반응하여 염화물이 된다. 비금속과는 거의 작용하지 않는다. 각종 시약으로 중요하다. 또 무기약품·염료·의약품의 제조, 녹말의 당화 등에도 사용되나 가장 소비량이 큰 용도는 글루탐산나트륨·간장 등 아미노산 조미료의 제조이다.

 

② 무수염화칼슘(anhydrous calsium chloride)

화학식은 CaCl 이다. 복염(複鹽)으로서 타키하이드라이트 등의 광물로서 산출되며 바닷물 속에 0.15% 함유되어 있다. 무수물은 조해성이 있는 사방정계의 백색 결정으로 약간 비틀어진 루틸구조를 하고 있다. 화학식량은 111.0, 녹는점은 772℃, 끓는점은 , 1935℃(anhydrous), 비중은 2.15이다. 물에 대한 용해도, 즉 물 100g에 최대로 녹는 염화칼슘의 g수는 74.5g(20℃)으로 상당히 높은 편이며 알코올, 아세톤에도 잘 녹는다.

 

③ 염화나트륨(NaCl)

나트륨과 염소의 화합물로 식염이라고도 한다. 천연적으로는 암염(岩鹽)으로 산출하고, 해수에도 약 2.8% 포함되어 있어 이온 교환법과 해수의 농축으로 채취한다. 무색의 결정으로 적외선을 잘 투과한다. 비중 2.7, 녹는점 800℃, 물 100g에 대한 용해도는 35.8g(20℃)이며 동물의 체내에서 중요한 활동을 한다. 나트륨염과 염소 화합물의 제조 원료, 조미료, 식품 저장, 한제(寒劑) 등에 사용된다.

 

④ Sodium bicarbonate

중조, 중탄산소다, 산성탄산나트륨이라고도 한다. 팽창제, 인조 탄산수, 발포 분말주스의 원료로 사용한다. 단미(單味)로 사용할 때는 열에 의해 분해되어 알칼리성이 강하게 되고 빵 등에 사용하면 황색을 띠고 밀가루 중의 비타민류가 파괴되는 등의 결점이 있으므로 산성인산칼슘 등의 산성물질을 배합하여 사용하면 좋다. 이 외에 의약, 가루비누의 배합제, 양모의 세정용, 포말 소화제, 농업용, 섬유 공업용, 피혁 공업용, 금속 공업용(금속 열처리용, 정련용, 요업용) 등에 쓰인다. 사용기준은 없다. 백색 결정성 분말, 결정덩어리이고 습기 찬 공기 속에서 서서히 변화한다. 냉감(冷感)이 있는 알칼리성 맛을 갖는다. 물에 녹고 에탄올에 녹지 않으며 수용액은 약 알칼리성을 나타낸다. 비중:2.16~2.22, 융점:270℃로 탄산가스를 잃는다. 방치하거나 가온하면 알칼리성이 된다. 50℃로 뜨겁게 하면 분해하여 탄산가스가 발생하여 팽창제의 역할을 한다. 100℃에서 탄산나트륨이 된다. 독성은 없지만 다량 투여로 알칼리증을 일으키는 경우도 있다. 의약으로서 1회 0.5~1g, 1일 3~5g을 사용한다. 보존은 밀봉용기에 해야 한다.

 

 

5. 참고문헌

‣ Merck Index / Rahway, NJ : Merck, 2001. / Budavari, Susan

‣ 염산

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=608040&mobile&categoryId=560

‣ 염화나트륨

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=626434&mobile&categoryId=560

‣ 탄산수소나트륨

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=297474&mobile&categoryId=562

‣ 단순증류

http://kowon.dongseo.ac.kr/~shoe4321/ter/homepage-ccp/root/frame/or_frame02_ob.htm

‣ 액체-액체 추출

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=607586&mobile&categoryId=2905

‣ 기체-액체 크로마토그래피

http://blog.naver.com/eeww2992?Redirect=Log&logNo=140118266001

‣ IR

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=777577&mobile&categoryId=559#TABLE_OF_CONTENT1