Acetanilide to p-nitroaniline 실험 - acetanilide to p-nitroaniline silheom

오늘은 아세트 아닐라이드의 합성 결과 레포트를 공유합니다. 학교에서 화학과나 화학 관련 전공이신 대학생 분들께서 일반화학실험 때 아세트 아닐라이드의 합성 실험을 종종 진행하고 계실텐데요. 본 포스팅을 통해 레포트를 작성할 때 어떤 점을 유의해야 하는지, 내가 놓친 부분은 없었는지 고찰할 수 있는 시간이 되시길 바랍니다. 그럼 포스팅 시작하겠습니다.

■ 합성(Synthesis)이란?

2개 또는 2개 이상의 원자 혹은 비교적 간단한 화합물로부터 여러 가지 화학 반응에 의해 새로운 물질이나 복잡한 화합물을 생성하는 것을 합성이라고 한다. 합성을 할시 비교적 간단한 과정을 통해 필요한 물질들을 쉽게 얻을 수 있다.

참고) 본 실험은 아닐린이라는 출발 물질을 아세틸화 반응(Acetylation)에 의해 아세트 아닐라이드로 합성시키는 실험이다.

■ 아세트 아닐라이드(Acetanilide)는 무엇인가?

아세트산과 아닐린의 아미드로, 아닐린과 아세트산 무수물을 반응시켜 제조한다. 끓는점은 약 139‘C, 밀도는 약 1.08g/mL, 분자량은 약 102.1g/mol이며 무색 투명한 자극성의 액체이다. 아세트 아닐라이드 증기는 코나 목에 자극적이며 기침을 수반하며 피부에 접촉시 다량의 물로 즉시 씻어내야 한다.

참고) 아세틸 아닐린, 안티페브린이라고도 하며 찬물에는 조금 녹지만, 특히 유기 용매에 잘 녹는다. 강한 산을 작용시키면 불안정한 염을 생성하고, 금속 나트륨을 작용시키면 나트륨 유도체를 생성한다. 유기 화합물의 합성 원료로써도 중요하며, 의약품으로도 사용된다.

■ 아실화 반응(Acylation)이란?

유기 화합물에 아실기(acyl group, RCO-)를 도입시키는 아실화 반응(acylation)은 공업적으로 중요한 유기 단위 반응 중의 하나이다. 아실화 반응은 일반적으로 아미노기(-NH2)나 하이드록시기(-OH)의 수소를 아실기나 벤조일기(C6H5CO-)로 치환하게 된다. 방향족 화합물의 아실화 반응(Friedel-Crafts acylation)은 방향족 탄화수소와 할로젠화 아실(RCOX)을 AlCl3 촉매 하에서 반응시켜 케톤을 합성한다.

Friedel-Crafts 아실화 반응은 19세기에 새로운 탄소-탄소 결합을 형성하는 반응을 발견한 Charies Friedel과 James Crafts의 이름을 따서 명명하였으며, Friedel-Crafts 아실화 반응에서 AlCl3는 Lewis 산이다. AlCl3는 산 염화물의 탄소-할로젠 결합을 이온화하고, 이로써 형성되는 양으로 하전된 공명 안정화 될 수 있는 탄소 친전자체를 생성한다. 이를 아실륨 이온이라 부른다. 아실륨 이온의 양으로 하전된 탄소 원자가 벤젠과 반응하고, 이 반응은 두 단계로 일어나는 친전자성 방향족 치환 반응이다.

■ 아세틸화 반응(Acetylation)의 원리는?

아닐린(aniline)에 무수 아세트산(anhydride acetic acid) 혹은 아세트산(acetic acid)을 반응시키고 가열하면 아미노기(NH2)의 수소가 아세틸기(-COCH3, acetyl group)로 치환되어 아세트 아닐라이드(acetanilide)가 생성된다. 이를 아세틸화 반응(acetylation)이라 한다.

위의 반응은 아닐린의 아미노기 중의 수소 원자 1개와 아세틸기의 치환반응(아세틸화 반응)이 이루어지고 있다. 아세틸화 시약(acetylating agents)으로 빙초산(glacial acetic acid)을 사용하면 생성되는 수분에 의해 농도가 묽어지고 반응은 느려진다. 그러므로 반응 장치를 잘 선택하여 생성되는 수분을 제거함으로써 반응의 평형을 오른쪽으로 진행시키도록 하면 반응 시간을 단축시킬 수 있을 것이다.

아세트산 무수물을 사용하면 반응 시간이 단축되어 효율이 좋으나 다이아세틸 유도체가 소량 부산물로 생겨날 수 있다. 아세틸화제로서는 아세트산 무수물만을 사용하거나 빙초산만을 사용할 수도 있고, 이 둘의 혼합액을 사용할 수도 있다. 그러나 이들을 단독으로 사용하는 경우보다 혼합액으로 사용하는 경우가 훨씬 더 아세틸화 반응이 용이하게 일어나며 수득량도 좋다.

참고) 대응하는 아실기에 따라 아세틸화, 숙시닐화, 말레일화라고 한다. 즉 아세틸화 반응(acetylation)은 아실화 반응(acylation)의 예 중 하나이다.

■ 실험 목적

1) 일반적인 친핵성 아실 치환 반응에 대해 이해한다.

2) 아닐린에 아세틸기가 도입되어 아마이드를 생성하는 반응을 실험을 통해 이해한다.

■ 실험 방법

1) 100mL 둥근 플라스크에 아닐린 5mL를 넣고, 아세트산 무수물과 빙초산(아세트산)을 1:1 비율로 10mL를 넣는다.

-> 아닐린 5mL, 아세트산 무수물 5mL, 빙초산(아세트산) 5mL를 각각 넣었다.

2) 환류 냉각기를 장치하고, 30~40분 동안 혼합물을 가열한다.(reflux)

-> Hot plate의 온도는 200도를 유지시키면서 가열하였다.

3) 뜨거운 반응액을 200mL 차가운 증류수에 넣고 식힌다.

4) 식으면서 차츰 결정이 생기는 것을 육안으로 확인한다.

5) 결정을 감압 여과하고 물로 세척한다.

6) 세척 후 건조시키고, 무게를 측정한다. (수득률을 계산)

■ 실험 기구, 용매 및 시약

실험 기구

100mL RB, 환류 냉각기, 환류 연결 고무관, 비커, 감압 여과 장치, Hot plate, 피펫, 메스 실린더, Stir bar, Magnetic bar

용매 및 시약

아닐린, 아세트산 무수물, 빙초산, 증류수(DW)

■ 실험 결과

금일 실험에서 우리 조는 약 8.43g의 아세트 아닐라이드를 수득하였다.

아닐린(C6H5NO2)의 몰질량 = 93g/mol,

아세트 아닐라이드(C6H5NH(COCH3))의 몰질량 = 135g/mol

아닐린의 밀도 = 1.02g/mL, 아세트 아닐라이드의 밀도 = 1.219g/mL

사용된 아닐린의 부피 = 5mL,

밀도 = 질량 / 부피이므로 1.02g/mL = 질량 / 5mL이다. 그러므로 사용된 아닐린의 질량은 5.1g이다.

사용된 아닐린의 몰수 = 질량/몰질량 = 5.1g / 93g/mol = 0.055mol

이론적으로 반응한 아닐린과 생성된 아세트 아닐라이드의 몰수 비는 1:1이므로

생성된 아세트 아닐라이드의 몰수 = 0.055mol = 질량/몰질량 = 질량 / 135g/mol이다.

실제로 생성된 아세트 아닐라이드의 질량은 7.425g이다.

그러므로 아세트 아닐라이드의 수득률은 8.43g/7.425g x 100 = 약 113.5% 이다.

■ 고찰

금일 실험은 아닐린으로부터 아세트 아닐라이드를 합성하는 실험이었다. 우선 둥근 바닥 플라스크에 Magnetic bar를 넣고 아닐린 5mL, 아세트산 무수물 5mL, 빙초산 5mL를 넣고 호일로 플라스크를 감쌌는데, 이는 호일을 감쌈으로써 혼합 용매에 열이 골고루 퍼질 수 있도록 하기 위함이었다.

그 후 환류 과정을 거치게 되는데, 환류를 시켜주는 이유는 증기를 냉각 응축하여 다시 하부의 용기 안으로 돌려보내주므로 휘발성 물질의 증기가 그 주위를 흐르는 물에 의해 냉각, 응축되어 플라스크 안으로 하강 환류하므로 달아남을 막아주기 때문이다. 환류를 다 시킨 후 반응액을 상온에 어느 정도 식히고 차가운 증류수를 넣게 되면 흰색의 아세트 아닐라이드 결정이 검출된다. 그 뒤 감압 여과를 통해 수득량을 측정하였다.

NRCO를 작용기로 가지고 있을 때 이를 아마이드기라고 한다. 아마이드는 암모니아, 1차 아민, 2차 아민과 아세트산, 에스터, 염화 아세틸, 염화 아실, 아세트산 무수물 등과 반응하여 만들 수 있다. 아세트산 무수물의 증기는 최루성이 있어 매운 냄새가 날 수 있으므로 마스크를 쓰고 유의하였다.

실험에 사용되는 용매로는 아세트 아닐라이드와 아세트산이 있는데 이 둘 중 하나만 사용해도 무방하다. 헌데 빙초산의 사용은 매우 경제적이기는 하지만 장시간 가열해야 한다는 단점이 있다. 그러므로 이들을 단독으로 사용하는 경우보다 혼합액으로 사용하는 경우가 훨씬 더 반응이 용이하게 일어나고 수율도 좋다.

우리 조는 약 113.5%의 수득률을 갖는 아세트 아닐라이드를 수득하였다. 이론적으로라면 100%를 검출해야 하나, 오히려 이를 초과하였다. 이에 대한 원인으로 반응액의 냉각 속도를 생각해 볼 수 있다. 반응액(아세트 아닐라이드 혼합물)을 상온에서 식히지 않고 너무 빨리 결정화 시켰기 때문에 결정이 급격하게 성장하여 불순물들이 채 빠져나오지 못하게 되므로 수득량만 많을 뿐, 낮은 순도의 아세트 아닐라이드를 검출하게 된 것이다. 이에 대해 아래에 있는 고찰 2번 문제에 보다 자세하게 설명해 놓았다.

1) 친핵성 아실 치환 반응의 메커니즘에 대해 생각해 보시오.

우선 아닐린의 친핵성 아실 치환 반응의 메커니즘을 그려보면 다음과 같다.

아닐린과 아세트산 무수물이 반응하게 되는데 아세트산 무수물의 좌우 대칭이므로 좌, 우 카보닐 탄소 어디를 공격하든 상관이 없다. 아닐린의 질소 원자의 비공유 전자쌍이 아세트산 무수물의 카보닐 탄소에 친핵성 공격을 하게 되고, 그 뒤 양성자 이동이 일어난다. 반응 중 양성자가 하나 첨가 된 양전하를 갖는 중간체가 형성된다.

위 그림의 메커니즘을 보면 알 수 있듯이, 아마이드를 만드는 과정에서는 양성자를 제거해 줄 수 있는 염기성을 띠는 화합물이 있어야 한다. 즉 똑같은 아민 화합물이지만 반응하는 아민 화합물이 있고, 보조적으로 양성자를 제거하기도 한다는 것이다. 본 실험에서는 1차 아민인 아닐린을 사용하였으므로 생성물로는 2차 아마이드인 아세트 아닐라이드가 생성되었다.

2) 반응 후 결정이 생성되는 원인과 결정 생성 시간이 순도에 끼치는 영향을 생각해 보시오.

아세트 아닐라이드는 유기 용매이므로 일반적인 유기 용매에는 잘 녹으나 수용성 용매인 증류수에는 통상적으로 100mL당 0.1g이하만 녹을 정도로 거의 녹지 않는다. 금일 실험에서 증류수를 사용하였는데, 이는 아세트 아닐라이드를 결정으로 형성시키기 위함이다.

물론 아세트산 수소 결합을 할 수 있으므로 증류수에 잘 녹아 들어가겠으나 아세트 아닐라이드의 경우 증류수를 과량으로 넣어줄 경우 증류수에 대한 용해도가 떨어져서 결정이 석출되는 것이다. 또한 아세트 아닐라이드의 녹는점은 약 114‘C이므로 상온에서 고체 상태로 존재한다. 그러므로 아세트 아닐라이드 결정을 얻을 수 있는 것이다.

또한 결정들은 서로 뭉쳐야 가장 낮은 E 준위를 갖게 되어 가장 안정한 상태가 되는데 반응액(아세트 아닐라이드 혼합물)을 상온에서 식히지 않고 반응 속도를 너무 빠르게 하면 불순물이 섞여 들어가는 등 원치 않는 부반응이 생길 수 있다.

너무 빨리 결정화시키면 결정이 급격하게 성장하여 불순물들이 채 빠져나오지 못하게 되는데, 이는 열역학적 평형보다 kinetic(시간적) 평형이 먼저 도달하기 때문이다. 그러므로 결정 생성 시간을 넉넉하게 주는 것이 높은 수득률을 구하는 데 있어 유리하다.

3) 만약 아세트 아닐라이드가 결정으로 석출되지 않을 경우 정제 과정을 설계해 보시오.

교수님의 지시 : 사용하는 용매로 증류수 대신 에탄올을 사용하여라.

-세트 아닐라이드는 증류수에 대한 용해도가 매우 떨어지므로 증류수를 가할 시 결정이 형성된다. 그러나 만일 용매로 증류수 대신 에탄올 같은 유기 용매를 썼다면 아세트 아닐라이드 역시 유기 용매이므로 결정으로 석출되지 않고 에탄올과 섞일 것이다. 증류, 추출, 재결정을 이용하여 에탄올과 아세트 아닐라이드를 분리할 수 있는 방법을 설계해야 한다.

만일 증류를 이용하여 에탄올, 아세트 아닐라이드의 혼합물을 분리하고자 한다면 단순 증류는 옳지 못하다. 에탄올의 끓는점은 약 78.4‘C이고, 아세트 아닐라이드의 끓는점은 약 304’C인데, 통상적으로 단순 증류는 끓는점 차이가 2~30‘C 이내인 유기 화합물의 분리에 쓰이기 때문이다. 끓는점이 비교적 높은 액체 혼합물을 분리하기 위해 증류공정의 압력을 감소시켜 끓는점을 낮게 하여 증류하는 방법인 감압 증류를 사용해야 한다.

추출을 이용하는 것도 생각해 볼 수 있다.추출이란 고체, 또는 액체 중에 포함되어 있는 불순물을 용매를 사용하여 분리해 내는 방법을 말한다. 이를 위해 혼합물의 산도를 알아야 한다. 아마이드는 일반적인 아민에 비해서 매우 약염기이다. 그래서 강한 산과 반응을 시켜야만 산-염기 반응이 일어난다.

아세트 아닐라이드라는 염기와 산-염기 반응을 하기 위해서는 아세트 아닐라이드의 짝산보다 더 강한 산을 넣어주어야 한다. 가해준 강산의 짝염기는 아세트 아닐라이드보다 더 약염기이므로 아세트 아닐라이드보다 쉽게 양성자를 얻을 수 있다. 그렇기 때문에 염기(아세트 아닐라이드)의 대부분이 이온화 된다.

이온화 된 아세트 아닐라이드는 극성을 가지므로 극성을 갖는 에탄올층에 섞여 들어갈 것이다. 그러나 여기서 모순이 생긴다. 원래부터 에탄올과 아세트 아닐라이드는 유기 용매이기 때문에 서로 섞여 있다. 그러므로 여전히 섞여 있는 상태일 것이다. 그렇다면 아세트 아닐라이드 대신 에탄올에 산-염기 반응을 시켜주면 어떨지 생각해 보았다. 에탄올은 중성으로서 상황에 따라 산으로도 염기로도 반응할 수 있다.

그러나 추출의 원리는 산-염기 반응을 통해 무극성의 물질을 극성으로 만들어 주어 이온화 된 물질을 극성층(수층)으로 이동시켜 혼합물을 분리하는 방법인데, 에탄올 자체가 극성의 물질이므로 이미 이온화 된 상태이다. 그러므로 추출은 적당하지 않다.

그렇다면 마지막으로 재결정을 생각해 보아야 한다. 재결정의 원리는 고체 혼합물 중에 한 화합물의 순도를 높게 얻기 위해 고체의 결정 구조를 재배열 하는 것이다. 두 가지 이상의 물질들이 섞인 혼합물을 가열하여 결정을 녹인 후, 다시 냉각하여 상대적으로 용해도가 낮은 고체 물질만 선택적으로 결정화하는 것인데 에탄올을 용매로 쓴다면 재결정을 사용할 수 없다.

재결정의 조건으로, 용질은 낮은 온도(상온)에서는 용매에 녹지 않되, 높은 온도로 가열하면 서서히 용매에 들어가야 한다. 하지만 아세트 아닐라이드와 용매인 에탄올은 둘 다 유기 용매로 상온에서 역시 잘 섞인다. 그러므로 에탄올을 용매로 사용하였을 때, 재결정을 사용하는 것은 적절하지 않다.