유기화학실험 | 1-Bromobutane의 합성 - Synthesis of 1-Bromobutane

 

 

 

TIP

 

 

할로알케인의 친핵성 치환 반응으로  반응과  반응을 이해하고 1-Bromobutane의 합성을 할 수 있다.
SN₂ 반응을 통해 1-Butanol이 1-Bromobutane로 합성되는 과정을 관찰한다.

 

 

 

할로겐화 알킬의 제법

알킬 할로겐화물(R-X, X=Cl, Br, I 때로는 F)은 유기 합성에서 중심적인 역할을 하는 화합물로, 할로알켄은 친핵성 치환반응 및 제거반응을 통해 다양한 화합물로의 변환이 가능하다. 친핵성 치환 반응은 속도 결정 단계에서 일분자가 관여하는 반응과 반응이 있으며, 이런 치환반응은 치환 반응 메커니즘과 유사한 경로로 진행되는 E1 또는 E2 제거 반응과 경쟁적 이다.

 

이탈기인 X가 떨어져 나가 탄소양이온이 형성된다. 이 탄소양이온은 탄소가 혼성을 하고 있어 탄소와 결합된 3개 원자는 하나의 평면에 존재한다. 따라서 두 번째 단계에서 친핵체는 오른쪽 또는 왼쪽으로 공격해 들어갈 수 있고, 탄소의 배열이 절반은 보전되고 절반은 반전된 혼합물이 얻어진다.

 

친핵체의 이탈기가 결합된 탄소를 반대쪽에서 공격해야 하므로 공격받는 탄소 주변이 구조적으로 단순한 것이 유리하고, 이 반응은 1단계 반응이다. 또 친핵체가 이탈기의 반대편에서 도입되므로 반응자리 탄소의 입체 배열이 완전히 반전되는 특성을 나타낸다.

 

이들 두 치환 반응은 할로알케인의 구조, 반응 용매, 이탈기의 종류 및 친핵체의 종류와 크기 등에 영향을 받는다. 반응에서는 반응 용매가 생성되는 탄소양이온을 얼마나 안정화시키는가에 달려 있고, 반응에서는 용매와 친핵체 간의 상호작용이 반응 속도에 영향을 미친다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 100-㎖ round-bottomed flask에 sodium bromide 13.3g 넣고, 물 15㎖와 n-butyl alcohol 10㎖ 를 첨가한다.

 

2) 이 혼합물을 ice-water bath에서 냉각시킨다.

 

3) 천천히 농축된 sulfuric acid 용액 11.5㎖를 첨가시킨다.(빠르게 돌며 냉각하는 동안)

 

4) flask를 전기 flask heater 안에 넣고, flask를 안전하게 고정시키며, reflux(역류) condensation을 위한 짧은 condenser를 그림과 같이 장착한다.

 

5) 끓는점까지 가열하여 시간을 기록하고 refluxing 하는 동안에 그 열을 조절한다.

 

6) 45분 동안 reflux 를 진행한다.

 

7) 가열을 멈추고 condenser에서 물을 몇 분간 빼내고 condenser를 제거한다.

 

8) flask 안에 stillhead 를 고정시키고 구부러지거나 진공인 adapter를 50-㎖ Erlenmeyer flask에 넣어서 단순 증류를 위해 condenser를 준비한다.

 

9) 혼합물을 증류하면서 수시로 온도를 체크하고, 더 이상 물에 용해될 수 없는 방울이 떨어질 때까지 계속해서 증류한다. 그 때의 온도는 115℃에 도달해야 한다. (증류되어 나온 몇 방울을 test tube에서 모아 물에 녹는지 확인해 본다)

 

10) 증류되어 나온 용액을 분별깔때기에 붓고, 약 10㎖ 물을 넣고 흔들면 n-butyl bromide가 아래 층을 형성하는 것을 볼 수 있다.

 

11) sodium bisulfate 조금을 첨가하고 다시 흔들면 남아있는 bromine으로 인해 아래 층에서 핑크색으로 탈색되어 나타난다.

 

12) 아래 층의 1-bromobutane을 깨끗한 flask로 옮겨 담고, 분별깔때기를 세척하고 건조시켜 다시 분별깔때기에 붓는다.

 

13) ice bath 에서 농축 sulfuric acid 10㎖를 냉각시키고, 그 acid를 깔때기에 부어 잘 흔든다. 그리고 층 분리를 위해 5분간 기다린다.

 

14) 층이 나누어지면, 배수를 위해 추가로 5분을 더 기다린다.

 

15) acid의 잔액을 제거하기 위해 10㎖의 3M sodium hydroxide 용액을 첨가하여 1-bromobutane을 세척한 후, 분리한다.

 

16) 1g의 anhydrous calcium chloride pellet을 넣어 탁한 1-bromobutane의 용액이 맑아질 때까지 잘 저으면서 탈수 시킨다.

 

17) 5분 후, 탈수 된 용액을 fluted filter paper 이용해 25-㎖ flask 또는 filter에 옮기고, boiling stone을 넣어 증류하고 생성물을 얻는다. (boiling range; 99-103℃)

 

 

18) 이 전의 증류된 물질과 남은 잔여물의 양을 대략적으로 적고, 구멍이 좁은 적절한 크기의 병 안에 sample을 넣는다. 생성물의 처음 이름과 식, 그리고 실험한 사람의 이름을 label에 넣어 프린트한다.

 

19) filter paper를 사용하여 라벨을 병 위에 붙이고 안전하게 보관되어야 한다.

 

 

 

[유기화학실험]1-Bromobutane의 합성 레포트