REPORT 메틸오렌지의 합성 전공 화학공학과 과목 전공기초실험Ⅱ 분반 302분반 담당교수 이상호 조 3조 학번 202112083 이름 엄정민 제출일자 2022. 11. . 실험일자 1. 실험목적 Azo계 염료인 메틸오렌지 (methyl orange)를 합성하고 이론적인 수득율과 실제 수득율 을 계산하여 비교한다. 2. 실험 이론 (1) 아조계 염료(Azo)i (= 아조화합물) ′ ′ 아조계 염료는 𝑅 − 𝑁 = 𝑁 − 𝑅 같은 작용기를 갖는 유기화합물이다. 이때 𝑅, 𝑅 은 일반적으로 아릴기를 말한다. 아조계 염료의 아조화합물은 염기성 용액에서 색을 내는 작용기인 아조기를 형성하였다가 양성자가 첨가되면 또 다른 발색단으로 변해 색을 나타낸다. ① 아조기 −𝑁 = 𝑁 −로 표시되는 기이며, 강하게 발색 하는 성질을 가지고 있다. 환원에 비교적 약하다. (2) 다이아조화 반응(diazotization)ii 방향족 1차 아민 화합물을 산(𝐻𝐶𝑙 𝑜𝑟 𝐻2 𝑆𝑂4 )의 존재하에 𝑁𝑎𝑁𝑂2 𝑜𝑟 𝐻𝑁𝑂2 를 반응시키면 다이아조늄염(diazonium salt)이 생성되는데, 이러한 반응을 다이아조화 반응이라고 한다. 이때 2차, 3차 아민은 반응하지 않으며, 반응 속도가 빠르다. 𝐻𝐶𝑙은 이론적으로 2당량이 필요하지만 실제로는 2.5~3당량이 필요하다. 이는 먼저 생성된 다 이아조늄 이온이 부반응인 아민과 커플링 반응을 하는 것을 막기 위해서이다. ① 다이아조늄염 아렌다이아조화 염의 일종으로 다이아조늄염은 친전자체이며, 공명구조를 가지고 있다. 또한, 열과 빛에 쉽게 분해되는 성질을 갖고 있으나 5℃ 이하의 온도와 산성, 약염기성 요액에서는 비교적 안정하기 때문에 다른 친핵체들에 의해 쉽게 치환될 수 있다. (3) 커플링 반응 iii 다디아조늄염, 페놀성 수산기를 가진 화합물, 방향족 아미노화합물 및 활성 메틸렌기를 가진 화합물 등 반응성이 큰 방향족 화합물과 반응하여 아조화합물을 형성하는 반응이다. 다이아조 화합물은 열과 빛에 약하므로 저온에서 산성 또는 알칼리성 용액에서 반응시켜야 하며, 다이아 조화 반응과 커플링 반응의 생성물들은 가시광선 영역에서 흡수되는 conjugate된 π-전자들이 있어 염료에 사용된다. (4) 메틸오렌지 iv 촉매란 반응과정에서 소모되지 않으면서 반응속도를 변화시키는 물질을 말한다. 이는 촉매가 있을 때 더 적은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문이다. 촉매 반응에서 촉매는 일시적인 중간 물질을 형성하기 위해 반응하여 이후 촉매를 재발생 시키는 순환적인 과정을 거친다. 촉매는 소량만 있어도 반응 속도에 영향을 미칠 수 있다. 그 중 산 촉매는 산-염기 반응에서 반응 속 도를 증가시키는 촉매이다, 이번 실험에서는 인산이 산 촉매로 사용되었는데, 이는 인산이 짝염기의 역할을 함과 동시에 실험의 안전성을 높여주기 때문이다. 주로 사용하는 산 촉매인 염산은 용매로 물을 사용한다. 따라서 아스피린 합성과정에서 역반응을 일으켜 수득률을 저하시킬 수 있다. 또한 황산은 산성 이 강하고 점성이 있어 실험에서 사용하기 위험해 인산을 사용한다. 3. 실험방법 (1) 시약 및 기구 ① 시약 𝑁𝐶6 𝐻4 𝑆𝑂3 , 설파닐산 (sulfanilic acid mono hydrate)v 몰질량 : 173.2g/mol 녹는점 : 288℃ 특징 : 분자 안에 산성기와 염기성기가 있어 분자 내 염으로 존재 여러가지 술과 의약제조의 원료 메틸오렌지 지시약 합성에 사용 𝑁𝑎2 𝐶𝑂3 , 탄산나트륨 (sodium carbonate)vi 몰질량 : 105.99 g/mol 끓는점 : 1600℃ 특징 : 흡습성, 무기화합물 각종 유리제품의 주 원료, 조미료의 원료 𝑁𝑎𝑁𝑂3 , 아질산 나트륨 (sodium nitrite)vii 몰질량 : 69.0g/mol 녹는점 : 271℃ 끓는점 : 320℃ 특징 : 무기화합물, 흡습성, 가공육 및 생선제품 에 𝐻𝐶𝑙, 염산 (hydrochloric acid)viii 사용되는 식품첨가물로 사용 몰질량 : 36.4609 g/mol 녹는점 : -114.24℃ 끓는점 : 108.5℃ 특징 : 자극적인 냄새, 각종 시약, 무기약품, 염료, 의약품의 제조 등에 사용 𝑁𝐶8 𝐻11 , 디메틸 아닐린 (N, N-dimethyl aniline, DMA)ix 몰질량 : 121.183 g/mol 녹는점 : 20℃ 끓는점 : 192-194℃ 특징 : 물에 잘 녹지 않지만 유기용제에 잘 녹음, 염료에 사용 𝑁𝑎𝑂𝐻, 수산화 나트륨 (sodium hydroxide)x 몰질량 : 40. g/mol 녹는점 : 328℃ 끓는점 : 1390℃ 특징 : 조해성, 부식성이 높음, 공기 중의 물, 이산화탄수 흡수 𝑁𝑎𝐶𝑙, 염화나트륨 (sodium chloride) 몰질량 : 36.469 g/mol 녹는점 : 58.44℃ 끓는점 : 1413℃ 특징 : 조해성, 일반적으로 소금으로 알려짐 ② 기구 Magnetic stir bar, ice bath, 비이커, 뷰흐너 깔대기, 삼각 플라스크, 감압 플라스크, (2) 실험방법 1) 반응용기에 magnetic stir bar 를 넣고 5.00g (0.026 mol)의 sulfanilic acid mono hydrate 와 2.00 g (0.024 mol)의 sodium carbonate 를 100 mL 의 물에 용해시킨 후 ice bath 를 이용하여 반응물의 온도를 0℃로 맞춘다. 이 때 용액은 magnetic stirrer 으로 잘 저어준다. 2) 2.00 g (0.0235 mol)의 sodium nitrite 을 물 15 mL 에 용해시킨다. 이 용액의 1)에서 준비한 용액에 천천히 가해준다. 3) 진한 염산 4mL 를 25mL 의 물에 묽힌다. 이 염산 수용액을 위의 반응용액에 천천히 가한다. (이 용액은 sulfanilic acid 의 diazonium salt 의 용액이다.) 4) 3.1 mL (3.0 g, 0.0247 mol)의 을 5 mL 의 진함 염산을 15 mL 의 물에 묽힌 염산 수용액에 넣어 용해시킨다. 5) 4)에서 제조한 N, N-dimethyl aniline 용액을 과정 3)에서 제조한 diazonium salt 용액에 천 천히 부어준다. 6) N, N-dimethyl aniline 용액을 부어 주면 반응용액은 붉은 색을 띄게 된다. 7) 약 30 분 후에 3M NaOH 수용액 33 mL 를 천천히 가한다. 그리고 25 - 30 g 의 NaCl 을 가한 후 methyl orange 결정이 생길 때까지 끓여준다. 8) methyl orange 결정이 생기기 시작하면 반응용액을 상온으로 식혀준다. 이 때 water bath 를 이용하면 반응용액을 빨리 식힐 수 있다. 9) 반응용액이 상온까지 식으면, 생성된 methyl orange 결정을 감압필터 한 후 25m 의 물로 세척한다. 10) 오븐에서 건조 시킨 후 생성된 methyl orange 의 무게를 측정하여 수율을 계산한다. (3) flow chart 7. 참고문헌 i Wikipedia, “Azo”, https://en.wikipedia.org/wiki/Azo_dye (2022.11.22.) ii Wikipedia, “Diazonium compound”, https://en.wikipedia.org/wiki/Diazonium_compound (2022.11.22.) iii Wikipedia, “Diazonium compound”, https://en.wikipedia.org/wiki/Diazonium_compound (2022.11.29.) iv Wikipedia, “acid catalysis”, https://en.wikipedia.org/wiki/Acid_catalysis (2022.11.15.) v Wikipedia, “Sulfanilic acid”, https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfanilic_acid (2022.11.29.) vi Wikipedia, “Sodium_carbonate, https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_carbonate (2022.11.29.) vii Wikipedia, “Sodium nitrite, https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_nitrite (2022.11.29.) viii Wikipedia, “Hydrochloric acid, https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrochloric_acid (2022.11.29.) ix Wikipedia, “Dimethylaniline, https://en.wikipedia.org/wiki/Dimethylaniline (2022.11.29.) x Wikipedia, “Sodium hydroxide, https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_hydroxide (2022.11.29.)