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1. 실험 방법 및 이론
1.1. Selective Reduction(Ⅱ): NaBH4를 이용한 Nitroacetophenone의 환원
NaBH4를 이용한 Nitroacetophenone의 환원은 선택적 환원의 한 예이다. 선택적 환원이란 화합물에 환원될 수 있는 그룹이 여러 개 있을 때, 선택적으로 하나만 환원하는 것을 말한다. 이번 실험에서는 Nitroacetophenone의 carbonyl 그룹만을 환원시켰다.
실험 과정은 다음과 같다. 50mL 둥근 플라스크에 m-nitroacetophenone, ethanol, stirring bar를 넣고 가열하여 완전히 녹였다. Stirring하면서 NaBH4를 조금씩 넣었더니 노란색에서 연한 갈색으로 변했다. 반응물에 물을 넣고 잘 흔든 후 수소 기체가 발생하지 않을 때까지 기다렸다. 용액에 CH2Cl2를 넣고 분액깔대기로 옮긴 후 유기층을 모았다. 유기층에 anhydrous Na2SO4를 넣어 건조시킨 뒤 거름 장치로 고체를 제거하고 rotary evaporator로 용매를 제거하면 갈색 액체 또는 고체가 남게 된다.
반응 중 색깔이 노란색에서 갈색으로 변하는 이유는 NaBH4가 nitro 그룹은 환원시키지 못하고 carbonyl 그룹만 선택적으로 환원시켰기 때문이다. 정제 과정에서 고체가 생성되지 않으면 CCl4를 추가로 넣어 반복해 볼 수 있는데, CCl4의 경우 고체 생성이 잘 되지 않아 반복해야 하기 때문이다.
이번 실험은 선택적 환원의 원리를 이해하고 Nitroacetophenone을 1-(m-Nitrophenyl)ethanol로 합성한 것이다. 반응이 잘 진행되고 생성물을 성공적으로 분리할 수 있었던 점이 가장 인상 깊었다.
1.2. 적외선 분광 스펙트럼(IR) 및 핵자기 공명 스펙트럼(NMR) 응용
적외선 분광법(IR)과 핵자기 공명법(NMR)은 화합물의 구조와 특성을 확인하는데 매우 유용한 분석 도구이다.
적외선 분광법은 다양한 분자의 진동 및 회전 운동에 의해 나타나는 특성적인 흡수 스펙트럼을 분석하여 분자 구조를 파악할 수 있다. 적외선은 파장에 따라 근적외선, 중간 적외선, 원적외선 영역으로 구분되며, 주로 중간 적외선 영역에서 분자의 진동 및 회전 운동에 의한 특성적 흡수 스펙트럼이 나타난다. 이를 통해 분자 내 작용기의 종류와 결합 상태를 파악할 수 있다. 따라서 적외선 분광법은 무기 및 유기화학 분야에 널리 활용되고 있다.
핵자기 공명 스펙트럼(NMR)은 원자핵의 자기적 성질을 이용한 분석법으로, 주로 수소 원자의 1H NMR이 많이 사용된다. 시료에 따라 결정, 고분자, 금속 등의 광역 스펙트럼 측정과 기체, 액체, 용액 등의 고분해능 스펙트럼 측정이 가능하다. NMR 분석을 통해 화합물의 화학적 이동, 미세구조, 원자간 결합 상태 등을 확인할 수 있어 유기화합물의 구조 결정에 매우 중요한 역할을 한다.
이번 실험에서는 적외선 분광 스펙트럼과 핵자기 공명 스펙트럼을 활용하여 화합물의 종류와 구조를 확인하고자 한다. 적외선 분광 스펙트럼 측정 시 기기 warming up, 표준 시료 선택, 시료 채취량 조절 등의 과정을 거치며, 핵자기 공명 스펙트럼 측정 시 균일한 5mm 유리관에 시료 용액을 넣고 강력한 자기장 안에 배향시켜 흡수되는 RF 에너지를 모니터링한다. 이를 통해 화합물의 작용기, 결합 상태, 구조 등을 확인할 수 있다.
종합하면, 적외선 분광법과 핵자기 공명법은 화합물의 구조와 특성을 분석하는데 매우 효과적인 분석 기술이라 할 수 있다. 이번 실험을 통해 이러한 분광학적 분석 기법의 원리와 응용을 이해할 수 있을 것이다.
1.3. E {} _{2} Reaction: Cyclohexanol의 Dehydration 반응
alcohol의 OH그룹이 산 촉매에 의해 protonation되고, 그로부터 생긴 alcohol 분자에서 물분자가 빠져나가는 제거반응을 진행하는 실험이다. 이런 반응은 alkene을 만드는 한 방법이다.
우선, 25ml 둥근 플라스크에 cyclohexanol(4ml, 0.038mole)를 넣은 후, 제조한 65% H {} _{2}SO {} _{4}용액(1.5ml)을 천천히 넣는다. 이 플라스크에 magnetic stirring bar를 넣고 증류장치를 설치한다. 그 후 magnetic stirrer/hot plate에서 천천히 가열하여, 생성물인 cyclohexene과 물을 회수 플라스크에 받는다. 이때, 회수 플라스크는 얼음물 속에서 차갑게 냉각시킨다.
증류 잔유물 (대부분은 황산과 물)이 약 1 mL정도 남을 때까지 증류를 계속한다. 회수 flask의 증류물 용액에 소량의 황산이 소량 따라 나오기 때문에, 이 회수 flask에 10 % Na2CO3 용액을 조금씩 넣어서 중화시킨다. 중화된 혼합액을 분액깔대기로 옮겨서 아래의 물 층을 제거하고, 유기물 cyclohexene을 test tube에 담는다.
여기에 anhydrous CaCl2 (약 0.6 g)을 넣고 약 5분간 잘 흔들어 준 다음, 가만히 방치하여 고체가 가라앉으면, 액체부분을 피펫으로 작은 둥근 flask로 옮긴다. 이 flask에 magnetic stirring bar를 넣고 분별 증류장치로 증류한다. 80~85 ℃에서 나오는 물질 (cyclohexene)을 모은다.
이번 실험을 통해 E2반응을 이용하여 Cyclohexanol을 Cyclohexene으로 바꿀 수 있음을 확인하였다. alcohol의 OH그룹이 산 촉매에 의해 protonation되고, 그로부터 생긴 alcohol 분자에서 물분자가 빠져나가는 제거반응을 진행하여 alkene을 합성할 수 있다는 것을 배울 수 있었다.
1.4. S {} _{N}1 Reaction: 2-Chloro-2-methlybutane의 합성
S {} _{N}1 Reaction : 2-Chloro-2-meth...
