Transcript 유기화학실험 4주차(2조)

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카복실산(Carboxylic acid) 이란?
카복실기 (-COOH)
카복실기(Carboxyl group)를 포함하는
화합물
뚜렷이 산성을 나타낸다.
결합 각도는 120˚ , s𝑝2 혼성화를 이룬다.
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카복실산(Carboxylic acid)의 종류
R 자리(치환체 자리)에
무엇이 오느냐에 따라
달라진다!
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카복실산(Carboxylic acid)의 종류
지방족 산 (propionic acid)
R자리에 알킬기를
가진다.
방향족 산 (benzonic acid)
O=
O=
𝐶𝐻3 − 𝐶𝐻2 − C − O − H
*아릴기
:방향족 화합물에서 수소원자
하나를 뺀 원자단의 총칭
C- O - H
R자리에 아릴기를
가진다.
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카복실산(Carboxylic acid)의 종류
c.f.) 벤조산 (방향족 카복실산의 일종)
->약물의 성분, 음식의 방부제 및 합성에
이용.
->톨루엔을 질산으로 산화시켜 생성 가능
COOH
𝐶𝐻3
𝐻𝑁𝑂3
Toluene
(톨루엔)
benzonic acid
(벤조산)
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카복실산(Carboxylic acid)의 종류
지방산 (fatty acid, steatic acid)
- 지방과 기름의 가수 분해에서 유도된 긴
사슬모양의 지방족 산
글리세롤
지방 및
기름
지방산
O=
𝐶𝐻3 (𝐶𝐻2 )16 −C − O − H
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카복실산(Carboxylic acid) 의 종류
• 다이카복실산(discarboxylic acid)
: 2개의 카복실기를 가지는 화합물
다이카복실산의 관용명
oxalic (옥살산)
HOOC-COOH
malonic (말론산)
HOOCC𝐻2 COOH
succinic (석신산)
HOOC(𝐶𝐻2 )2 COOH
glutaric (글루타르산)
HOOC(𝐶𝐻2 )3 COOH
adipic (아디프산)
HOOC(𝐶𝐻2 )4 COOH
pimelic (피멜산)
HOOC(𝐶𝐻2 )5 COOH
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카복실산(Carboxylic acid) 의 종류
• 프탈산(phthalic acid)
: 2개의 카복실기를 갖는 벤젠류 화합물
프탈산, 아이소프탈산, 테레프탈산으로 나뉜다.
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카복실산(Carboxylic acid) 산도
카복실산 음이온 (carboxylate ion)
O=
𝑅 − 𝐶 − 𝑂 − 𝐻 + 𝐻2 𝑂
O-H 결합의 분해에 의해
양성자 + 카복실산 음이온
으로 분해
카복실산
O=
𝑅 − 𝐶 − 𝑂− + 𝐻3 𝑂+
카복실산 음이온
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카복실산의 𝐾𝑎 = 10−5
카복실산의 𝑝𝐾𝑎 = 5
카복실산(Carboxylic acid) 산도
산-해리 상수 𝐾𝑎 (acid-dissociation constant)
𝑅 − 𝐶𝑂2 − [𝐻3 𝑂+ ]
𝐾𝑎 =
[𝑅 − 𝐶𝑂2 𝐻]
𝑝𝐾𝑎 = −log10 𝐾𝑎
O=
𝑅 − 𝐶 − 𝑂 − 𝐻 + 𝐻2 𝑂
𝑅 − 𝐶 − 𝑂
이 값이 작을수록
산도의 세기가 강하다
(강산일수록 Ka값이
커지기때문)
−+
𝐻3 𝑂+
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카복실산(Carboxylic acid) 산도
그렇다면 왜!!
카복실산은 상대적으로 pKa가 낮을까?
알코올은 단 하나의 산소원자에 음전하가 존재하지만,
카복실산 음이온은 전자가 산소 원자 두개에 고르게 분포하기 때문에 훨씬 안정하고,
따라서 수소 이온이 떨어지기 쉽다. (공명안정화)
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카복실산(Carboxylic acid) 산도증가 원인
• 카복실산의 산도를 커지게 하는 요인은 크
게 두 가지로 나뉜다!
1) 유발효과
2) 공명 안정화
유발효과 (inductive effect)
치환체에 의한 산도변화
<
H
l
Cl −𝐶 − 𝐶 − 𝑂 − 𝐻
l
H
chloroacetic acid
𝑝𝐾𝑎 = 2.86
<
Cl
l
Cl −𝐶 − 𝐶 − 𝑂 − 𝐻
ㅣ
Cl
O=
acetic acid
𝑝𝐾𝑎 = 4.74
치환체의 전기 음성도가 클수록 해리가 촉진되
어 더 강한 산이 되는 효과
O=
O=
H
l
𝐻−𝐶−𝐶−𝑂−𝐻
H
l
2
trichloroacetic acid
𝑝𝐾𝑎 = 0.64
2
치환체에 의한 산도변화
1) 전자 끄는 기의 개수
: 많을수록 산도 증가!
2) 전자 끄는 기의 세기
: 세기가 셀수록 산도 증가 !
3) 카복실기와 전자 끄는 기
사이의 거리
: 거리가 가까울수록 산도 증가!
Cl
l
O=
산도를 증가시키는 요인
Cl −𝐶 − 𝐶 − 𝑂 − 𝐻
ㅣ
Cl
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C𝐻3 COO의 공명을 통한
안정화 덕분에 𝐻 + 가 쉽게
떨어져 나간다
𝐻
+
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Carboxylic acid
유도체
2 Carboxylic acid
명명법
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Ester의 정의▪특성▪제법
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Carboxylic acid 유도체
Carboxylic acid 유도체의 종류
Anhydride
Acid Halide
Amide
Ester
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Carboxylic acid 유도체
Carboxylic acid 유도체의 종류
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Carboxylic acid 유도체
Carboxylic acid 유도체의 종류
② 에스터(Ester)
: 에스터는 과일 향기가 나는 액체로,
청량 음료나 과자 등을 만드는
향료로 사용된다.
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Carboxylic acid 유도체
Carboxylic acid 유도체의 종류
③ 아마이드(Amide)
: 유기합성 원료로 널리 이용된다.
예)나일론(폴리아마이드)
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Carboxylic acid 유도체
Carboxylic acid 유도체의 종류
④ 산 무수물(Anhydride)
: 유기합성 원료로 널리 이용된다.
예)나일론(폴리아마이드)
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Carboxylic acid 명명법
IUPAC 방법
①알케인 이름에서 e를 빼고, 끝에-oic
acid. 를 붙인다.
②카복실그룹의 탄소가 1번 탄소다
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Carboxylic acid 명명법
관용명 방법
①탄소개수에 따라 각각의 관용명 존재.
②카복실기에 연결된 탄소가 α탄소다
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Carboxylic acid 명명법
관용명 방법
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Ester의 정의▪특성▪제법
① Ester의 정의
-카르복시산에서 카르복시기의
수소를 알킬기로 치환한 화합물
-보통 카르복시산이나
알콜로부터 유도
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Ester의 정의▪특성▪제법
② Ester의 특성
-향기가 나는 액체
-물에는 잘 녹지 않으며 유기 용매에는
잘용해된다
-동물성 지방 성분
-유기용매 (ex. Ethyl acetate)
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Ester의 정의▪특성▪제법
①
②
SN2
3
Ester의 정의▪특성▪제법




산 촉매
카복실산과 알코올과 반응
에스터 생성
가역반응 ( 비누화반응 )
Fischer Esterification
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Ester의 반응성
1)
2)
3)
4)
5)
비누화반응
교환반응
암모니아와의 반응
환원반응
grignard 시약과의 반응
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Ester의 반응성
안정성
에스터 〉산 염화물, 무수물
→ 중성에서는 물과 반응 x
산 또는 염기성 조건에서는 가수분해됨.
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Ester의 반응성
Ester는 산, 염기 조건하에서 또는 특정한 환원제나
시약등에 의한 특정조건에서 반응하여
새로운 유기물을 생성하는 반응을 함.
ex) saponification, transesterification, reduction, grignard, ammonolysis
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Ester의 반응성
⇒공명 안정화는 산 유도체의 반응성에 영향 , Ester 는 적은 양의 안정화 존재
친핵성 공격으로 공명 안정화를 잃게 되면 반응성이 커지게 된다. 이때, ester
는 약한 공명 안정화를 가지고 있는데 친핵성의 공격을 받으면 공명 안정화가
사라지게 되고 반응성이 커지는 결과를 가지게 된다.
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Ester의 반응성
비누화 ( saponification )
≫ 에스터의 염기성 가수 분해
비누 = 긴 사슬 카복실산 ( 지방산 )
+ 트라이올 글리세롤 ( glycerol )
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Ester의 반응성
1) 비누화반응
Saponification reaction Mechanism
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Ester의 반응성
비누화반응=esterification의 역반응
『Mechanism』
1) 비누화반응
Saponification reaction Mechanism
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Ester의 반응성
2) 교환 반응 ( transesterification )
⇒ ester가 산 또는 염기 조건하에서 하나의 알콕시기가 다른 것으로
치환되는 반응
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Ester의 반응성
Transesterification reaction
Mechanism
< 염기 촉매화 >
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Ester의 반응성
Transesterification reaction mechanism
< 산 촉매화 > 앞부분 – 친핵체의 산 촉매 첨가
1단계 : 카보닐의 양성자 첨가 2단계 : 친핵체 공격 3단계 : 탈양성자
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Ester의 반응성
Transesterification reaction mechanism
< 산 촉매화 > 뒷부분 – 이탈기의 산 촉매 제거
1단계 : 이탈기의 양성자 첨가 2단계 : 이탈기의 제거 3단계 : 탈양성자
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Ester의 반응성
암모니아화 반응
<ammonolysis reaction>
Ester가 암모니아나 아민과 함께 가열되면
아마이드로 전환 ⇒ 가암모니아 분해
1단계 : 친핵체의 첨가 2단계 : 이탈기의 제거 3단계 : 양성자를 잃음
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Ester의 반응성
Ester는 상대적으로 환원시키기 어려움
⇒ 따라서 강한 환원제 필요!
1단계 : 친핵체(수소화물)의 첨가 2단계 : 알콕시화 이온의 제거
3단계 : 두 번째 수소화물 첨가 4단계 : 산 첨가로 알콕시화 이온의 양성자화
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Ester의 반응성
Grignard 시약이란?
: R-Mg-X 로 나타내는 시약으로
1,2,3차 할로젠화 알킬, 할로젠화 바이닐,
할로젠화 아릴로 부터 생성가능.
※ R이 음이온이 되는 친핵성 시약으로서
유기화합에 이용
에스터의 grignard 시약과의 반응
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Ester의 반응성
에스터의 grignard 시약과의 반응
Grignard reagent reaction mechanism
※ Grignard 시약 ☞ 친핵성 시약 !
Grignard 시약과 halide과
결합한 탄소는 델타(-) 혹은
강한(-)전하를 띠기 때문에
강한친핵성을 가짐!
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Ester의 반응성
에스터의 grignard 시약과의 반응
Grignard reagent reaction mechanism
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Pentanol의 이성질체
이성질체(isomer)란?
-분자식은 같으나 분자 내에 있는 구성
원자의 연결방식이나 공간배열이 동일
하지 않은 화합물을 말함.
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Pentanol의 이성질체
OH 그룹이 어느 가지에 붙느냐에 따라 다양한 Pentane isomers가 만들어짐.
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Pentanol의 이성질체
n- : normal
iso- : 주 탄화수소 사슬에
하나의 탄소 가지가
나와 있는 경우
neo- : 주 탄화수소 사슬에
두 개의 탄소 가지가
나와 있는 경우
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Pentanol의 이성질체
이성질체란, 분자식은 같고 성질이 다른 물질!
따라서 pentanol isomers는 성질이 다름!
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50ml
둥근 플라스크
플라스크
스터링바
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Reflux 장치 (환류냉각기)
화합물을 가열할 때 기화되어 나오는 물질
을 냉각기를 통해 냉각하여
액체로 되돌려서 반응용기로 다시 흘러 들
어오도록 하는 장치
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1-pentanol
(아밀알코올)
acetic acid
(아세트산)
분자식 : CH3COOH
분자량 : 60.05 g/mol
분자식 : C5H11OH
분자량 : 88.15 g/mol
포화 지방족 알코올
8가지의 이성질체 존재
용제, 가소제로 쓰임
대표적인 지방산의 하나
무색의 강한 자극성 냄새
를 가지는 액체
진한 황산
분자식 : H2SO4
분자량 : 98.07 g/mol
무색의 비휘발성 액체
흡습성이 매우 강함
산 촉매로 사용
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탄산수소나트륨
분자식 : NaHCO3
분자량 : 84.02 g/mol
무색의 결정성 분말
2NaHCO3 → Na2CO3＋
H2O＋CO2
수용액은 가수분해에 의
해 약한 알칼리성
베이킹 파우더, 제산제 등
에 쓰임
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1) 1-pentanol (10ml)
glacial acetic acid (30ml)
진한 황산 (2-3방울)
stirring bar
를 50ml 둥근 플라스크에 넣는다.
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2) 환류 냉각장치를 설치하고 은박지로 둥근 플라스크를 감싼 후 150℃ 의 온도로 1시간 동안
교반시킨다.
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3) 상온에서 식힌 후 분액깔때기로 옮겨 담는다.
4) 물 (20ml) 를 넣고 뚜껑을 닫고 흔든 후 층 분리하고 아래 물 층을 산폐액에 버린다.
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5) NaHCO3 (10ml) 를 천천히 넣은 후 흔들어 기체를 제거한다.
6) 층 분리를 기다린 후 아래 층을 분리하고 ph를 측정한다.
7) 중성이 아니면 중성이 될 때 까지 NaHCO3 (10ml) 를 더 첨가하여 반복한다.
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7) 중성이 아니면 중성이 될 때 까지 NaHCO3 (10ml) 를 더 첨가하여 반복한다.
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8) 유기층을 비커로 옮겨 담은 후
수분제거를 위해 MgSO4
작은 한숟갈을 넣는다
9) 아스피레이터로 감압하여
고체를 없앤다.
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10) 빈 플라스크의 무게와 ester를 포함한 플라스크의 무게를 측정한다.
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※ 수득률
=(실험값/이론값) X 100(%)
※ 오차
= (l이론값-실험값l)/이론값
X 100(%)
1-pentanol의 밀도
0.811 g/mL
1-pentanol의 분자량
88.15 g/mol
1-pentanol의 질량
8.11 g
1-pentanol의 몰수
0.092 mol
Acetic acid의 밀도
1.049 g/mL
Acetic acid의 분자량
60 g/mol
Acetic acid의 질량
31.47 g
Acetic acid의 몰수
0.525 mol
Pentyl acetate의 분자량
130.19 g/mol
Pentyl acetate의 질량 (이론값)
11.977 g
수득률
%
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※ 수득률
=(실험값/이론값) X 100(%)
=52 %
※ 오차
= (l이론값-실험값l)/이론값
X 100(%)
=48 %
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1. 핫플레이트에 물관이 닿지 않도록 조심한다.
닿게 되면 물관이 녹게 되고 어느 순간 물관에
서 물이 새게 된다.
2. Oil bath 없이 직화
-> 1-pentanol의 끓는점이 높은데,
oil bath로는 그 끓는 점까지 가열이 불가능