[무기화학실험]배위화합물의 합성과 분석 (페로센 합성) 2부

실험 결과

Part1: Ferrocene, (C5H5)2Fe의 합성 및 정제

최종적으로 얻어낸 ferrocene의 무게는 0.0331 g 이었다. (FWferrocene = 185.85g/㏖)

2C5H6 + 8KOH + FeCl2・H2O → Fe(C5H5)2 + 2KCl + 6KOH・H2O

ferrocene이 만들어지는 반응식을 통해 수율을 2.723251%로 구할 수 있었다.

 

Part2: Ferrocene의 UV Spectrum 관찰

아래 그림에서 peak점이 두 개가 있음을 확인할 수 있다. 이 두 개의 peak 점에서 흡수된 파장 값은 표 1과 같다. (뒤에 peak 점이 1, 앞의 peak 점이 2)

그림 1. UV-vis spectrum peak pick report

peak No.	Wavelength (nm)
1	440.40
2	327.20

표 1. 그림1의 peak에서의 Wavelength

그림 2. Ferrocene에서 5개의 금속의 d 오비탈과 리간드의 상호작용

오비탈의 에너지 준위를 결정하는 것은 리간드와 금속 간의 상호작용 정도이다. Ferrocene의 경우에 에너지 준위의 순서는 높은 순서대로 dxz와 dyz, d_z², d_x²-y²와 dxy이다. 그림 2를 통해, dxz와 dyz오비탈이 C5H5-의 pz 오비탈 6개의 π전자들과 어느 정도 π-interaction을 할뿐더러, σ-interaction도 어느 정도 함을 알 수 있다. 

반면, d_z² 오비탈은 π-interaction의 영향을 많이 받지만, 가운데의 빈 부분을 d_z² 오비탈이 지나므로 σ-interaction은 없을 것임을 알 수 있다. d_x²-y²와 dxy 오비탈은 거의 overlapping되는 부분이 없어, σ 및 π-interaction 모두 약하므로 에너지 준위가 가장 낮은 것이다.

 

전자는 HOMO가 d_z² 오비탈이므로, d_z² 오비탈에서 LUMO인 dxz와 dyz오비탈로 전자가 들뜰 것이다. HOMO에 전자가 2개가 차있으므로, 1개의 전자가 LUMO로 들뜨고 나면, HOMO의 에너지 준위는 비교적 안정화되고,(전자가 pairing되는 대에도 반발력이 존재하므로 pairing이 풀린다면 더 안정화 될 것이다.) LUMO에는 전자가 채워지면 LUMO의 오비탈은 반결합성이므로 비교적 더 불안정화 될 것이다.

따라서, 1개의 전자가 들뜨고 나서, 2번째 전자가 HOMO에서 LUMO로 들뜨게 되는 과정에서는 더 많은 에너지를 흡수할 것이므로, 흡수하는 파장영역은 더 짧아지게 되는 것이다. 참고로 파장의 영역대로 보아 d 오비탈에서의 전자 전이였음도 알 수 있다.

Ferrocene IR

Ferrocene NMR

순수한 Ferrocene NMR

토의 사항

1. 실험 고찰

실험에서 이론적으로 얻을 수 있는 생성물의 양, 즉 평형상수에 관련된 것을 알 수가 없어서 정반응의 평형상수가 매우 크다고 가정하여 수율을 계산하였다. 우리가 얻어낸 수율 값은 2.723251%였다. 이토록 수율이 낮게 나온 이유는 실험의 단계마다 계속 용기를 옮기는 과정이 계속되었기 때문이다. 이런 단계를 통해, 얻어 내야 할 생성물의 손실이 있었을 것이다. 재결정과 불순물을 거르는 과정에도 생성물이 많이 손실되었다.

또한, 2개의 1,3-cyclopentadiene이 cyclopentadiene으로 이합체화되는 반응은 디엘스-엘더 반응에 의해 상온에서 잘 일어난다. 이를 다시 2개의 1,3 – cyclopentadiene으로 분해하기 위해서는 170℃나 되는 높은 온도를 가해주어야 한다. 하지만, 실험을 할 때에는 170℃보다 훨씬 낮은 온도에서 실험을 진행했기에 170도에서 분해되었던 1.3-cyclopentadiene은 원래 존재했던 양보다 훨씬 적은 양이 존재했을 것이다. 따라서 반응물이 더 적어졌기에, 수율은 더 낮게 나올 수밖에 없었다.

참고 문헌

합성으로 이루어진 세상 실험서

[Chemistry/무기화학] - [무기화학실험]배위화합물의 합성과 분석 (페로센 합성) 1부