유기화학실험 | 크로마토그래피와 이성질체

 

 

 

TIP

 

 

전개용매의 혼합비와 화합물 종류에 따른 전개 경향성을 알아본다.

 

 

 

크로마토그래피(Chromatography)

모든 과학 분야에서 널리 이용되고 있는 분석 방법으로써 소량으로 화합물을 확인하고, 많은 종류로 이루어진 혼합물을 분리하는데 사용하고 있다. 크로마토그래피는 상 분배 원칙에 근거하여 정지상 (stationary phase)과 이동상 (mobile phase) 사이의 물질의 분배를 수반한다.

 

크로마토그래피 중 얇은 층 크로마토그래피는 유리판 위에 실리카 겔이나, 알루미나 가루를 바인더로 이용하여 만든 고체 - 액체 흡착 크로마토그래피이다. 얇은 층 크로마토그래피에서 정지상 (고체)은 실리카 겔 층이고 전개용매는 이동상 (액체)이며, 실리카 겔 층 밑의 유리는 단순히 지지체이다.

 

분석물질은 모세관 현상에 의해서 전개되는데, 이 때 실리카 겔 층과 분석물질, 전개용매와 분석물질의 상호작용에 의해서 선택적으로 흡수된다. 일반적으로 정지상 (실리카 겔, 알루미나)은 강한 극성 (strongly polar)이다. 따라서 실리카 겔은 극성을 띄는 화합물일수록 잘 흡착하지만 극성이 약하거나 비극성 (nonpolar)인 물질과는 덜 흡착되어 멀리 이동한다.

 

실리카 겔과 강하게 결합하는 순서는 산 (acid)과 염기 (base) > 아마이드류 (amides) > 알코올류 (alcohols) > 알데하이드류 (aldehydes), 케톤류 (ketones) > 할라이드류 (halides) > 에스터류 (esters) > 불포화 탄화수소류 (unsaturated hydrocarbons) > 포화탄화수소류 (saturated hydrocarbons) 이다.

 

얇은 층 크로마토그래피에서도 극성이 강한 물질일수록 실리카 겔 층에 잘 흡착되어 전개용매가 이동하는 동안 상대적으로 느리게 이동해 아래쪽에 흡수되고, 반대로 극성이 약한 물질은 실리카 겔 층과 덜 흡착되어 위쪽에 나타나게 된다. 유기화학 반응에서 얇은 층 크로마토그래피 (TLC)가 필요한 이유를 몇 가지로 나누어 보면 아래와 같다.

 

1) 유기반응에서는 시작 물질인 시약의 순도를 반드시 확인해야한다. 만일 시약에 불순물이 포함되어 있으면 부가 반응 (side reaction)이나 부가 생성물 (by-product)의 형성으로 반응이 원활하게 진행하지 않기 때문이다. 특히 오래 전에 개폐한 시약은 분해 (decomposed)의 가능성이 있으므로 반응 전 시작물질의 순도를 반드시 확인해야 한다. TLC로는 핵자기 공명 분광법 (NMR)에서도 감지되지 않은 극소량의 불순물도 감지 할 수 있다. 순수한 물질이라면 한 개의 점적(spot)만이 나타나며, 반응물이 오염되었거나 혼합물이라면 그 개수만큼 나타난다.

 

2) 반응을 진행시키면서 시간이 경과함에 따라 시작 물질의 감소와 새로운 화합물의 생성을 확인하는 모니터링 (monitoring)은 반응의 진행속도와 종결을 결정하는 데 중요하다. 얇은 층 크로마토그래피를 찍고 확인하는데 2～3분의 시간이 소요되고, 얇은 층 크로마토그래피 시료 표본(sample)의 양은 밀리그램(miligram) 이하이므로 전체적인 수율에 큰 영향 없이 반응 중간 과정을 간편하고 빠르게 확인할 수 있다.

 

3) 반응 후 생성물 확인을 위해서는 생성물의 건조, 핵자기 공명 분광법(NMR), 적외선 분광법(IR), 질량 분광법(Mass) 분석 등의 여러 작업과 시간이 필요하다. 하지만 알려진 화합물 (authentic sample)인 경우에는 이것과 비교하여 R_f값이 같은지 확인하면 된다.

 

 

실험 방법

1. 전개용매의 조성을 변화시켜 가며 분석 물질의 R_f값의 변화를 관찰한다.

1) 분석물질 준비 - 분석물질들을 선택해서 각각을 작은병 (vial)에 50.0 ㎎씩 넣고 각각의 병에 에틸 아세테이트 (ethyl acetate) 3.0 ㎖을 넣어 녹인다.

 

2) 전개용매 준비 - 에틸 아세테이트와 헥세인의 혼합용액을 여러 가지 조성으로 전개용매를 제조한다.

 

3) TLC 전개통에 2에서 제조한 전개용매를 바닥에서 0.5 ㎝ 정도 높이까지 넣은 후 전개통의 뚜껑을 덮어놓아 전개용매가 휘발되어 조성이 변하는 것을 막는다.

 

4) TLC 판에 분석물질을 공점적 (co-spot)하여 찍은 후 핀셋을 이용하여 TLC 전개통에 약간 세워서 넣는다.

 

5) 전개용매가 TLC 판 끝에서 0.5 ㎝ 정도 남은 곳까지 이동하면 핀셋으로 꺼내서 전개용매가 날아가기 전에 연필로써 이동한 거리를 표시하고 상온에서 잠시 동안 TLC 판을 말린다.

 

6) TLC 판을 자외선 램프를 이용하여 분석물질의 종류와 이동거리를 관찰한다.

 

7) R_f값을 구한다. 전개용매 조건을 적고, TLC 판은 직접 대고 그린다.

 

2. 전개용매의 극성을 일정하게 유지한 상태에서 작용기 변화시켜 가며 분석 물질의 Rf값의 변화를 관찰한다.

1) 전개용매의 조성선택과 제조 - 에틸 아세테이트와 헥세인의 혼합용액을 제조

 

2) 분석물질 준비 - 분석물질들을 선택해서 각각을 작은 병에 50.0 ㎎씩 넣고 각각의 병에 에틸 아세테이트 3.0 ㎖를 넣어 녹인다.

 

3) TLC 전개통에 1에서 제조한 전개용매를 바닥에서 0.5 ㎝ 정도 높이까지 넣은 후 뚜껑을 덮어놓아 전개용매가 휘발되어 조성이 변하는 것을 막는다.

 

4) TLC 판에 분석물질을 공점적으로 찍은 후 핀셋을 이용하여 TLC 전개통에 약간 세워서 넣는다. 3가지 물질 중 2가지씩 공점적하여 찍는다.

 

5) 전개용매가 TLC 판 끝에서 0.5 ㎝정도 남은 곳까지 이동하면 핀셋으로 꺼내서 전개용매가 날아가기 전에 연필로써 이동한 거리를 표시하고 상온에서 잠시 동안 TLC 판을 말린다.

 

6) TLC 판은 자외선 램프와 발색을 이용하여 분석물질의 종류와 이동거리를 관찰한다.

 

7) R_f값을 구한다. 전개용매 조건을 적고, TLC 판은 직접 대고 그린다.

 

3. 방향족 화합물 위치 이성질체

1) 이성질체들을 선정하고 각각을 50.0 ㎎씩 취해서 작은 병에 넣은 후 에틸 아세테이트 3.0 ㎖를 넣고 녹인다.

 

2) TLC 전개통에 전개용매를 바닥에서 0.5 ㎝정도 높이까지 넣은 후 뚜껑을 덮어놓아 전개용맥 휘발되어 조성이 변하는 것을 막는다.

 

3) TLC 판에 분석물질 공점적으로 찍은 후 핀셋을 이용하여 TLC 전개통에 약간 세워서 넣는다.

 

4) 전개용매가 TLC 판 끝에서 0.5 ㎝ 정도 남은 곳까지 이동하면 핀셋으로 꺼내서 전개용매가 날아가기 전에 연필로써 이동한 거리를 표시하고 상온에서 잠시 동안 TLC 판을 말린다.

 

5) TLC 판은 자외선 램프를 이용하여 분석물질의 종류와 이동거리를 관찰한다.

 

6) R_f값을 구한다. 전개용매 조건을 적고, TLC 판은 직접 대고 그린다.

 

 

 

[유기화학실험]크로마토그래피와 이성질체 레포트