[실험노트] 일반화학2 실험 3. 유기염료 합성 실험보고서

1. 실험 제목 : 유기염료 합성

 

2. 실험 날짜 :

 

3. 실험 목적 :

p-nitroaniline을 이용하여 아조계 염료를 만들고 수득률을 계산한다.

 

4. 실험 이론 :

화학이 발달하기 전에는 착색을 위해 산화제이철(Fe2O3)을 사용하거나 패각충의 일종인 연지벌레와 같은 곤충이나 식물의 색소를 추출하여 염료로 사용하였다. 천연염료는 자연에서 얻는 염료로, 채취하는 방법에 따라 식물성 염료, 동물성 염료, 광물성 염료 등으로 나뉜다.

천연의 색소에 의존하지 않고 색을 가진 유기물질 (염료)를 합성하여 여러 가지 색을 낼 수 있게 된 것은 19세기 중엽부터였다. 합성연료는 천연염료에 비해 가격도 저렴하고 색상이 다양하여 사용방법이 간단한 특징이 있다. 합성염료의 종류는 염료의 성질에 따라 직접성 염료, 매염성 염료, 환원성 염료, 발색성 염료, 분산성 염료, 반응성 염료, 특수 염료로 나뉜다.

이 중에서 이번 실험은 아조계 염료 (Azoic dye)를 합성한다.

아조 화합물은 기능성기 R-N=N-R'를 지닌 화합물이다. 여기서 R과 R'는 각각 아릴 또는 알킬이다. N=N 그룹은 아조기라고 불리지만 HNNH는 디이미드라 불린다. 더욱 안정된 변종은 두 가지 아릴기를 포함한다. 아일 아조 화합물은 생생한 색상을 지녔다. 특히 붉은색, 오렌지색, 황색 등이 있다. 그래서 아릴아조화합물은 염료로 쓰인다.

 

아조염료는 아조기 -N=N- 를 발색단으로 하는 염료이며 합성염료의 반 이상을 차지하고 있다. 아조 염료는 염료 분자 중에 들어있는 아조기의 수에 의하여 모노아조 (monoazo), 디스아조(disazo), 트리스아조 (trisazo) 염료로 구분되며 염색적으로 산성, 염기성, 직접, 매염, 분산, 아조익염료 등을 포함하고 있고 안료로 사용되는 것들과 형광 증백제, 반응성 염료도 있다. 아조 염료제조는 거의 대부분 디아조화와 커플링에 의하고 있다.

디아조화 반응은 방향족 1차 아민 (Ar-NH3)에 염산의 존재 하에서 아질산 (HNO2)을 반응시키면 디아조늄염 (Ar-N2Cl)을 생성하는 반응이다. 

 

디아조화 반응의 일반적인 반응으로는 아민 1 mol을 약 10배의 H2O와 2.5 mol의 HCl에 용해시키고 얼음으로 냉각하여 0℃ 근처에서 교반 하면서 NaNO2 수용액을 첨가하는 것이다.

디아조 짝지음 (coupling) 반응

디아조 짝지음 (coupling) 반응

 

페놀의 -OH 기 및 아민의 -NH2기에 대하여 p-(para) 위치에서 반응p-위치가 이미 다른 기나 원자로 치환된 경우 o-(ortho) 위치에서 반응아조 염료의 제조 방식반응조 (나무통)에 디아조늄 성분과 염산 용액을 넣고 다음 아질산나트륨 수용액을 가하고 아질산이 반응하지 않고 남는 종점에서 다시 커플링 성분의 수용액을 가하고 pH를 맞춘다. 반응기를 교반 한다. 내용물은 목제 filterpress에서 침전한 염료를 분리하고 건조실에서 건조한 다음 분쇄하고 혼합 위에서 필요성분 (식염, 황산나트륨)을 혼합하여 제품으로 하는 것이다.[ 다이조화 -> 커플링 -> 염석 -> 여과 -> 건조 -> 분쇄 -> 혼합 -> 제품 ]다음은 실험에서 사용하는 아조 염료의 합성 반응이다.

(사진)

아조 염료의 합성 반응

아질산 소듐 (sodium nitrite): 질산나트륨을 납과 함께 녹여서 만든 무색의 결정NaNO2, 분자량 69.0, 녹는점 271℃다이에틸아닐린 (diethylaniline): C10H15N, 분자량 149녹는점 -38.8℃, 끓는점 215.5℃에탄올, 에테르에 녹고 물에 잘 녹지 않는다.

 

5. 실험 기구 및 시약

비커, 피펫, 얼음조, 뷰렛, 감압 필터, 증류수, HCl, p-Nitroaniline, Sodium nitrite, Diethylaniline, NaOH

 

6. 실험 방법

1) 비커에 물을 채우고 (30g) 여기에 진한 염산 8g을 넣는다.2) 위의 염산 용액에 p-nitroaniline 20g을 넣고 교반기와 얼음조(ice bath) 안에서 10분간 저어준다.3) 아질산소듐 (sodium nitrile) 1.05g을 위의 혼합용액에 5분간 조금씩 천천히 투입한다.4) 위의 용액을 20분간 추가로 저어준다.5) 다이에틸아닐렌 2.1g을 투입한 후 30분간 추가 교반 한다.6) 수산화소듐 2.5g을 물 57.5g에 용해한 수산화 소듐 용액을 그림과 같이 10분간에 걸쳐 천천히 넣는다.7) 약 10분간 추가 교반 후 여과 장치를 이용하여 여과한다.

 

7. 참고 문헌

 

8. 결과 및 토의

 

얼음조 Ice bath 사용 이유?

디아조화 반응에서 4-nitroaniline에 sodium nitrite을 투입했는데 디아조늄 용액은 10℃ 이하에서 보관해야 하는 특성이 있는데 온도가 상승하게 되면 디아조늄염은 페놀(phenol)로 가수분해 되기 때문이다.

 

 

제 블로그를 찾아주셔서 감사합니다!

도움이 되셨다면 댓글과 공감 부탁드립니다.✒️