[유기화학실험]용해와 극성 2부






실험 방법

1. 실험 과정

1) 실험 1

① 다음 각 화합물 2.0㎖를 시험관에 취한다.

② 동량의 용매를 섞은 후, 잠시 놓아둔 후 층이 갈라지는지 관찰한다.

③ 층이 분리되지 않으면 “섞인다.” 층이 분리되면 “섞이지 않는다.”로 기록하고 결과를 해석한다.

 

2) 실험 2

① 다음 각 화합물 2.0㎖를 시험관에 취한다.

② 동량의 용매를 섞은 후, 잠시 놓아둔 후 층이 갈라지는지 관찰한다.

③ 층이 분리되지 않으면 “섞인다.”, 층이 분리되면 “섞이지 않는다.”로 기록하고 결과를 해석한다.

 

3) 실험 3

① 다음 각 화합물 3.0㎖를 시험관에 취한다.

② 1.0㎖의 용매를 섞은 후, 잠시 놓아둔 후 층이 갈라지는지 관찰한다.

③ 층이 분리되지 않으면 “섞인다.”, 층이 분리되면 “섞이지 않는다.”로 기록하고 결과를 해석한다.

 

4) 실험 4

① 각 화합물을 약 2.0㎖씩 시험관에 취한다.

② 동량의 물을 섞은 후 잠시 놓아둔 후 층이 갈라지는지 관찰한다.

③ 층이 분리되지 않으면 ‘섞인다.’, 층이 분리되지 않으면 ‘섞이지 않는다.’로 기 록하고 결과를 해석한다.

④ 위의 시험관에 고체 염화소듐(NaCl) 0.2g을 2회 첨가하여 섞은 후 각각 층이 갈라지는지 관찰한다.

⑤ 층이 분리되지 않으면 ‘섞인다.’, 층이 분리되지 않으면 ‘섞이지 않는다.’로 기 록하고 결과를 해석한다.

 

5) 실험 5

① 10㎖ 시험관에 고체 화합물의 경우 50mg(성냥개비 2알 크기 정도의 무게)을 담고 용매를 3.0㎖를 넣은 후 맑은 용액으로 되었으면 ‘녹음’ 또는 ‘녹지 않 음’으로 기록한다.

② 액체인 경우에는 화합물 2.0㎖에 용매 2.0㎖를 넣고 관찰한다.

 

6) 실험 6

① 10㎖ 시험관에 각각의 화합물 1.0㎖를 넣는다.

② 각각의 시험관에 용매를 2.0㎖ 넣은 후, 층 분리여부를 확인하여 ‘녹음’ 또는 ‘녹지않음’으로 기록한다.



주의 사항

1. 실험 6에서 6.0M 염산을 넣을 때는 산-염기 반응이므로 천천히 넣는다.


2. 실험에 사용되는 유기물질은 인체에 치명적일 수 있으므로 주의한다.


3. 실험에 사용되는 유기화합물의 냄새가 매우 역하고 신체에 악영향을 미칠 수 있으므로 주의하여 실험한다.



실험 결과

1. 실험 1

명명

구조

물(H2O)

헥세인(Hexane)

사염화탄소

(Carbon tetrachloride)

 

X

(물보다 무거움)

O

에탄올

(Ethanol)

O

O

메탄올

(Methanol)

O

X

(헥세인보다 가벼움)

다이에틸 에테르

(Diethyl ether)

X

(물보다 가벼움)

O

아세트산

(Acetic acid)

O

O

에틸 아세테이트

(Ethyl acetate)

X

(물보다 가벼움)

O

아세톤

(Acetone)

 

O

O

아세토나이트릴

(Acetonitrile)

O

X

(헥세인보다 무거움)

톨루엔

(Toluene)

X

(물보다 가벼움)

O


2. 실험 2

명명

구조

물(H2O)

헥세인(Hexane)

메탄올

(Methanol)

O

X

(헥세인보다 가벼움)

프로판올

(Propanol)


O

O

펜탄올

(Pentanol)

X

(물보다 가벼움)

O

옥탄올

(Octanol)

X

(물보다 가벼움)

O

로우리 알코올

(Lauryl alcohol)

X

(물보다 가벼움)

O

에틸렌 글라이콜

(Ehtylene glycol)

O

X

(헥세인보다 무거움)

 

3. 실험 3

명명

구조

물(H2O)

헥세인(Hexane)

1-뷰탄올

(1-Butanol)

X

(물보다 가벼움)

O

아이소뷰틸 알코올

(Isobutyl alcohol)

X

(물보다 가벼움)

O

2- 뷰탄올

(2-Butanol)

X

(물보다 가벼움)

O

t-뷰틸 알코올

(tert-Butyl alcohol)

O

O

다이에틸 에테르

(Diethyl ether)



X

(물보다 가벼움)

O

 

4. 실험 4

명명

구조

물(H2O)

염화소듐(NaCl)

다이에틸 에테르

(Diethyl ether)

X(물보다 가벼움)

X

테트라하이드로퓨란

(THF)

O

X

퓨란

(Furan)

X

(물보다 가벼움)

X

다이옥세인

(Dioxane)

O

O

 

5. 실험 5

명명

구조

물(H2O)

메틸렌 클로라이드

(methylene chloride)

1.0M NaOH

아세트산

(Acetic acid)

O

O

O

스테아르산

(Stearic acid)

X

O

X

벤조산

(Benzoic acid)

X

O

X→O

 

6. 실험 6

명명

구조

물(H2O)

메틸렌 클로라이드

(methylene chloride)

6.0M HCl

헥실아민

(Hexylamine)

X

(물보다 무거움)

O

O

옥틸아민

(Octylamine)

X

(물보다 가벼움)

O

X

아닐린

(Aniline)

X

(물보다 무거움)

O

O

 


토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 용해도 측정으로서 여러 화합물들의 용해현상을 관찰함으로서 분자구조, 분자간 인력을 알아보고 유기 작용기의 특성을 알아보는 실험이었다. 본 실험에서 비교를 위해 선택한 용매로는 물(H2O)과 헥세인 (C6H4)이 었는데, 물은 산소-수소 극성 공유 결합으로 이루어져 있고 산소원자에 존재하는 비공유 전자쌍간의 반발로 인하여 결합각이 104.5도를 이루고 있다. 산소원자에 있는 비공유전자쌍들은 양전하를 띠는 핵으로부터 공간적으로 멀리 튀어나와 있어서 전하분리가 크므로 쌍극자 모멘트에 기여하는 정도가 크다.


헥세인은 C-H의 단일 결합만으로 이루어진 비극성화합물이다. 이러한 화합물은 탄화수소 화합물이라고 한다. C-H의 단일 결합은 탄소와 수소 사이에 전기 음성도 차이가 크지 않아 쌍극자 모멘트가 형성되지 않는다. 따라서 헥세인은 비극성 화합물이다. 이들 비극성 화합물 분자는 극성이 없어서 친수성을 자닌 -OH와는 상호작용하지 않게 되므로 물과는 섞이지 않는다. 이러한 극단적이 두 용매에 여러 화합물을 넣어 봄으로써 우리는 그 화합물이 극성인 비극성인지 화합물 내의 작용기는 어떠한 역할을 하는지를 알아볼 수 있었다.

 

먼저, 실험1은 각각의 작용기가 극성에 미치는 영향을 알아본 것이다. 일단 CCl4는 C-Cl의 극성결합을 가지고 있다.(쌍극자 모멘트를 가지고 있다.) 그러나 탄소는 정사면체의 구조를 가지고 있으므로 CCl4의 C-Cl 결합의 쌍극자 모멘트의 벡터 합은 0이된다. 따라서 CCl4는 비극성화합물이 되고, likes dissolve likes 때문에 극성인 물에 녹지 않고 헥세인에는 녹게 되며, 물에는 섞이지 않고 밀도 차이로 인하여 위로 뜨게 된다.

 

에탄올과 메탄올은 전기음성도가 큰 O 원자가 한쪽으로 치우쳐 있어서 쌍극자 모멘트가 크다. 따라서 둘 다 극성용매인 물에 잘 섞인다. 또한 탄소수가 2개인 에탄올은 비극성 용매인 헥세인에도 섞이는데 반해, 1개인 메탄올은 헥세인과 섞이지 못하는 것으로 보아, 소수성기인 탄소사슬의 길이 따라 알코올의 성질이 달라짐을 알 수 있었다. 메탄올의 경우에는 헥세인 밑으로 가라앉았다.

 

디메틸에테르는 전체적인 벡터 합이 크지 않고, 전자가 어느 한쪽으로 편재되지 않으므로 비극성의 성질을 갖는다. 따라서 물에서는 가라앉고, 헥세인에만 섞이는 경향을 보인다. 아세트산는 극성의 -COOH(카르복실기)를 지니고 있고, -OH의 친수성이 작용하므로, 물에 잘 녹는다. 반면 에틸아세테이트는 카복실기를 가지지만 에톡시기가 카르복실기보다 분자에 미치는 영향이 크기 때문에 물에는 섞이지 않고 가라앉으며, 헥세인에만 섞인다. 아세톤은 카보닐기를 가지고 있어서 전체적인 벡터 합은 O원자 쪽으로 작용하여 극성을 나타내어 물에 녹고, 극성이 크지 않아서 양쪽의 메틸기에 의해 비극성 요소도 작용하여 헥세인에도 잘 섞인다.

 

아세토나이트릴의 C≡N은 삼중결합에 의한 짧은 결합거리에서 나타나는 C-N의 전기음성도 차이에 의해 강한 극성을 띤다. 따라서 물에는 녹고 헥세인에서는 녹지 않고 뜬다. 톨루엔은 헥세인에만 섞이고 물에는 섞이지 않고 가라앉는다. 벤젠은 벤젠의 이중결합들이 conjugated되어 있으며, 평면구조를 가지고 있다. 벤젠의 파이전자는 6개이고 이들은 자유로이 이동할 수 있어서 각 탄소사이의 결합에 골고루 분포한다. 따라서 벤젠은 비극성 화합물이다. 벤젠과 같은 화합물을 aromatic compound라고 부르며, 이들의 특이한 성질을 aromaticity라 한다.

 

실험2는 알코올 화합물의 용해도를 관찰한 것이다. 앞서 언급한 것과 같이 메탄올은 -CH3와 -OH의 작용기의 작용에서 -OH 쪽의 힘이 압도적으로 강해서 물에는 녹고 헥세인에는 녹지 않고 가라앉는다. 하지만 프로판올의 경우에는 탄소사슬 길이도 충분하여 헥세인에도 녹고, -OH도 아직 강한 영향을 끼치므로 물에도 섞인다. 하지만 펜탄올, 옥탄올, 로우리 알코올처럼 탄소수가 많아지고 체인이 길어지게 되면 소수성인 -CH3의 영향이 많아져서 알코올은 물에 녹지 않고 가라앉으며, 헥세인에만 녹게 된다. 그리고 에틸렌 글라이콜의 경우에는 -OH가 두 개나 존재하므로 물에는 녹고, 헥세인과는 섞이지 않으며 위로 뜨게 된다.


실험3은 C4H10으로 이루어진 이성질체들의 극성을 알아보는 것이었다. 1-뷰틸알코올과 아이소뷰틸알코올, 2-뷰틸알코올은 탄소사슬길이가 3개인 프로판올보다 길어 물과는 섞이지 않고 가라앉았고, 헥세인과는 섞였다. 그러나 t-뷰틸알코올은 물과도 섞이고 헥세인과도 섞였다. t-뷰틸알코올은 1-뷰탄올에 비하여 탄소-탄소 결합의 비극성 부분이 구형을 띠어 소수성이 감소하며, 상대적으로 다른 뷰탄올에 비해서 하이드록시의 친수성의 영향을 더 많이 받게 된다. 따라서 물에 더 잘 녹을 수 있게 되는 것이다.

 

실험4는 cyclic 여부와 이중결합 여부에 따른 용해도 차이를 보고, 염석효과를 알아보는 실험이었다. 먼저 다이에틸에테르는 앞서 언급한 것처럼 물에 섞이지 않으나, THF은 물에 아주 잘 녹아 균일하게 섞인다. 이들 화합물은 분자량에 약간 차이가 있으나 4개의 C와 1개의 O를 가지고 있고, 에테르기를 공통으로 가지고 있다. 이들의 차이는 cyclic을 형성하는가 여부인데 고리골격을 이루는 화합물은 분자 내 고리가 만들어 지므로 단일결합에서 나타나는 회전운동이 자유롭지 못하게 된다. 이 회전운동이 자유롭지 못하면 분자는 일정한 구조를 유지하게 되고 산소의 비공유 전자쌍은 고리 바깥쪽으로 향하는 방향성이 커지게 되어 분자의 극성이 증가하게 된다. 그런데, 물과 섞여있는 THF에 NaCl을 넣고 흔들어주면 층이 나뉘는 현상을 관찰할 수 있다. 소금이 물에는 녹지만 THF에는 녹지 않기 때문이다. 이러한 현상을 염석효과라고 한다. 


소금이 물에 녹는 성질이 THF보다 더 강하므로, 물에 녹아있던 THF을 소금이 대체하게 되어 물과 THF 층이 분리된다. 이 원리는 물에 녹아 있는 유기물질을 유기 층으로 옮기려고 할 때 많이 적용된다. 퓨란은 물에 섞이지 않고 가라앉는다. THF와 퓨란은 오각형의 고리 화합물과 에테르 작용기를 갖고 있다는 것이 유사하지만, 퓨란은 이중 결합이 conjugated되어서 평면구조를 가지고 있으며, 이중결합의 파이전자 4개와 O의 비공유전자쌍의 전자가 상호작용하여 벤젠과 같이 음이온이 골고루 분포하여 aromaticity를 가진다. 여기서 Huckel의 법칙을 들여다보면, 파이전자가 4n+2를 만족해야 aromaticity를 가진다는 것이다. 여기서 퓨란은 이것을 만족하므로 방향성을 가진다. 또한 다이옥세인은 THF과 유사하나 O전자를 하나 더 가지고 있다. 다이옥세인은 양쪽으로 O전자가 전자쌍을 잡아당기고 평면구조가 아니라 입체구조이기 때문에, THF보다도 더 극성인 모습을 보여주고 염석효과도 일어나지 않는다.

 

실험5는 여러가지 카복실산의 용해도를 알아보는 실험이었다. 먼저 아세트산의 경우, CH3 체인이 짧아서 물에 잘 용해되었고, 메틸렌 클로라이드를 처리했어도 녹았다. 메틸렌 클로라이드는 유기용매임에도 약간의 극성을 띠는 용매이다. 아세트산은 1.0M NaCl과도 반응이 잘 일어났다. 스테아르산은 탄소체인이 매우 길어서 물과 반응하지 않았지만, 메틸렌 클로라이드와는 반응을 하였다. 하지만 알갱이 상태인 스테아르산은 NaOH와의 중화반응도 일어나지 않았다. 이온화가 일어나지 않았기 때문이다. 벤조산은 벤젠 링의 구조적 안정성과 aromaticity 때문에 물에는 녹지 않았다. 하지만 벤조산은 C 체인이 긴 것이 아니라, 단지 구조적 안정성 때문에 물에 녹지 않는 것이기 때문에 NaOH와의 중화반응은 시간이 흐름에 따라 서서히 일어났다. 물론 유기용매인 메틸렌 클로라이드에도 녹았다.

 

실험6은 여러 아민들의 용해도를 알아보는 실험이었다. 우리가 실험한 헥실아민, 옥틸아민, 아닐린은 모든 메틸렌 클로라이드 용매에는 섞였다. 아민은 고립전자쌍의 큰 쌍극자능률이 C→N과 H→N의 쌍극자 능률에 더해지므로 강한극성을 나타낸다. 또한 O-H또는 N-H결합을 가진 분자들과는 수소결합을 할 수 있다. 하지만 N는 O보다 전기음성도가 작기 때문에 N-H결합은 O-H결합보다 극성이 낮다. 그래서 아민은 비슷한 분자량을 갖는 알코올 보다 더 약한 수소결합을 형성한다. 일반적으로 아민의 끓는점은 상응하는 크기의 알코올과 알케인 사이에 위치한다. 아민의 크기가 작을수록 용매와 수소결합을 잘 형성할 수 있기 때문에, 물에 잘 녹는다. 


아민의 소수성 부분인 C의 수가 6개 이상이면, 아민의 물에 대한 용해도는 급격히 감소하며 거대한 크기의 아민은 물에 녹지 않는다. 따라서 우리가 실험에 사용한 헥실아민, 옥틸아민, 아닐린은 모두 물에 녹지 않는다. 알코올처럼 아민은 염기성이면서도 산성이기도 하다. 아민의 산도는 알코올의 산도보다 약 20정도 낮은 반면, 질소의 고립전자쌍은 양성자화 반응을 더 잘 일으키므로 아민은 좋은 염기가 된다. 따라서 헥실아민은 HCl과의 반응에서 중화반응을 한다. 그러나 옥틸아민은 탄소수가 매우 많아서 중화반응으로도 (헥실아민 보다 더 큰 인력을 가지는) 옥틸아민 사이의 인력을 끊을 수 없다. 그래서 HCl과도 반응하지 않는다. 그리고 아닐린은 보통의 지방족 아민보다 더 약한 염기이다. 이 같은 염기도의 감소는 아민의 비결합 전자들이 공명에 의한 비편재화에 의한다. 아닐린에서 질소의 고립전자쌍이 고리의 파이계에 비편재화 된다. 따라서 반응물이 생성물보다 안정해지고, 반응은 왼쪽으로 이동한다.

 

쌍극자 모멘트 값과 유전상수의 값이 맞지 않는 이유는 이렇다. 유전상수는 용매의 극성을 대략적으로 표시하는 양이다. 따라서 유전상수가 크면 극성이 강하다고 보면 된다. 그리고 쌍극자 모멘트는, 쌍극자를 특징짓는 벡터양을 말한다. 하지만 쌍극자 모멘트는 작용기와의 관계를 고려하지 않았기 때문에, 단순히 쌍극자 모멘트 값이 크다고 극성이 세다고 말할 수는 없다.

 

여기서 SN 반응메카니즘과 용매를 비교해 볼 수 있다. 극성이더라도, 극성 양성자성 용매는 SN1반응을 선호하고, 극성 비양성자성 용매는 SN2 반응을 선호한다. 극성 양성자성 용매는 양이온과 음이온을 모두 잘 용매화한다. 이 특성은 C-X 결합의 불균형 분해로 생성되는 SN1메커니즘에서 중요하다. 탄소양이온은 극성 용매와 이온-쌍극자 상호작용으로 용매화되고 이탈기는 수소 결합으로 용매화된다. 


이 상호작용은 반응성이 큰 중간체를 안정화한다. 극성 비양성자성 용매는 쌍극자-쌍극자 상호작용을 한다. 그러나 수소 결합은 하지 않는다. 그 결과로 음이온을 잘 용매화하지 못한다. 이 현상은 음이온 친핵체의 친핵성에 매우 큰 영향을 미친다. 용매의 강한 상호작용이 이 친핵체들을 숨겨 주지 못하기 때문에 이 친핵체들은 친핵성이 더욱 커졌다. 더 강한 친핵체는 SN2 반응을 선호하기 때문에 극성 비양성자성 용매는 SN2 반응에 특별히 좋은 것이다.



참고 문헌

1. 솔로몬유기화학(개정8판), T.W.G.Solomons, C.B.Fryhle, 이창규, 한인숙, 범한서적주식회사


2. 유기화학(3판), L.G.Wade.Jr, 화학교재편찬위원회, 청문각


3. 유기화학실험, 허태성, 녹문당, 2003


4. (다시 쓴) 유기화학 실험, 김홍범, 자유아카데미, 2006


5. 유기화학, McMurry, John, 사이플러스, 2008 




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