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[국내논문] 크롬(VI)-4-(Dimethylamino)pyridine에 의한 알코올류의 산화반응과 반응속도에 관한 연구
A Study for Kinetics and Oxidation Reaction of Alcohols by Cr(VI)-4-(Dimethylamino)pyridine 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.1, 2013년, pp.499 - 505  

김영식 (강원대학교 화학공학과) ,  박영조 (강원대학교 화학공학과) ,  김영준 (청운대학교 화장품과학과)

초록
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6M-HCl 용매 하에서 헤테로고리 화합물인 4-(dimethylamino)pyridine과 chromium(VI) trioxide의 반응을 통하여 4-(dimethylamino)pyridinium chlorochromate[$C_7H_{10}N_2HCrO_3Cl$] 착물을 합성하여, 적외선분광광도법(IR), 유도결합 플라즈마(ICP) 등으로 구조를 확인하였다. 여러 가지 용매 하에서 4-(dimethylamino)pyridinium chlorochromate를 이용하여 벤질알코올의 산화반응을 측정한 결과 유전상수(${\varepsilon}$) 값이 큰 용매 즉, 시클로헥센<클로로포름<아세톤산 촉매($H_2SO_4$)를 이용한 N,N'-디메틸포름아미드 용매 하에서 4-(dimethylamino)pyridinium chlorochromate는 벤질 알코올과 그의 유도체들(p-$OCH_3$, m-$CH_3$, H, m-$OCH_3$, m-Cl, m-$NO_2$)을 효과적으로 산화시켰다. 그리고 전자받개 그룹들은 반응속도가 감소한 반면에 전자주개 치환체들은 반응속도를 증가시켰다. 또한 Hammett 반응상수(${\rho}$) 값은 -0.68(303K) 이었다. 그러므로 본 실험에서 알코올의 산화반응 과정은 속도결정단계에서 수소화 전이가 일어나는 메카니즘임을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Cr(VI)-4-(dimethylamino)pyridine[4-(dimethylamino)pyridinium chlorochromate] was synthesized by the reaction of 4-(dimethylamino)pyridine with chromium trioxide in 6M-HCl, and characterized by IR, ICP. The oxidation of benzyl alcohol using 4-(dimethylamino)pyridinium chlorochromate in various solven...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 4-(Dimethylamino)pyridinium chlorochromate (1.00×10-3mole)가 함유된 DMF 5mL 용매 하에서 온도변화 (303K, 308K, 313K)에 따라 치환 벤질 알코올류(p-OCH3, m-CH3, H, m-OCH3, m-Cl, m- NO2) 각각을 1.00×10-1mole 첨가한 후, 용액 전체에 산 촉매(H2SO4) 농도가 5.00×10-2mole 되게 신속하게 가한 다음, 시간에 따라 감소하는 흡광도 변화를 측정하였다[4-7, 10, 12, 13].
  • 4-(Dimethylamino)pyridinium chlorochromate를 합성하여 구조를 확인하였고, 4-(dimethylamino) pyridinium chlorochromate의 농도 변화에 따른 벤질 알코올의 산화 반응성을 조사 하였고, 여러 가지 용매 하에서 벤질 알코올의 산화 반응성을 조사하였다.
  • 4-(Dimethylamino)pyridinium chlorochromate와 알코올의 산화반응에서 최적의 농도비를 구하기 위하여, 벤질 알코올 1.00×10-2mole에 대해 4-(dimethylamino)pyridinium chlorochromate의 농도를 변화시키면서 DMF 용매 하에서 각각 반응시켜 GC로 분석 하였다.
  • DMF 용매 하에서 4-(dimethylamino)pyridinium chlorochromate를 이용하여 치환된 벤질 알코올류 (p-OCH3, m-CH3, H, m-OCH3, m-Cl, m- NO2)를, 산 (H2SO4) 촉매를 첨가하여 온도변화(303K, 308K, 313K) 에 따라 각각 반응시켜 속도상수를 구하였고, 치환 벤질알코올류의 농도를 산화제의 농도에 비하여 과량으로 취하여 유사일차 반응으로 진행시켰다. 이 속도상수(k) 값으로부터 열역학적 활성화 파라미터(ΔH, ΔS, ΔG)값과 치환기 효과에 따른 Hammett 반응상수(ρ) 값을 계산하였다.
  • 그리고 4-(dimethylamino)pyridiniumchlorochromate를 이용하여 벤질 알코올과 그의 유도체들(p-OCH3, m-CH3, H, m-OCH3, m-Cl, m- NO2)의 산화반응 속도 실험을 통하여 열역학적 성질(ΔH≠, ΔS≠, ΔG≠)과 치환기 효과에 따른 Hammett 반응상수(ρ) 값 등에서 산화반응 과정의 메카니즘을 고찰하였다.
  • 시클로헥센, 1,4-디옥산, 사염화탄소, 클로로포름, 디클로로메탄, 아세톤, N,N'-디메틸포름아미드 등의 용매 하에서, 4-(dimethylamino)pyridinium chlorochromate를 이용하여 벤질 알코올을 각각 산화반응 시키고, 생성된, 알데히드의 수율을 GC로 분석하여 Table 2에 나타내었다. 그리고 GC 크로마토그램에서 벤즈알데히드 표준물질과 벤질 알코올의 산화반응시 생성되는 벤즈알데히드을 비교하였다. 4-(dimethylamino)pyridinium chlorochrom- ate는 1,4-디옥산, 시클로헥센 등에는 용해되지 않았고, 클로로포름, 아세톤, 디클로로메탄 등에는 일부가 용해되었고, N,N'-디메틸포름아미드 등에는 모두 용해되었다.
  • 또한 산(H2SO4) 촉매 존재 하에서 온도변화에 따른 4-(dimethylamino)pyridinium chlorochromate를 이용한 치환 벤질 알코올류의 산화반응 속도 측정 실험을 하였다. 이상과 같은 실험에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • Cl]를 합성하여 적외선분광광도법(IR), 원소분석 등으로 구조를 확인하였다. 또한 산화반응의 최적 조건을 찾기 위하여 4-(dimethylamino)pyridinium chlorochromate의 농도 변화에 따른 벤질 알코올의 산화 반응성을 조사 하였고, 여러 가지 용매 하에서 4-(dimethylamino) pyridinium chlorochromate를 이용한 벤질 알코올의 산화 반응성 을 조사하였다. 그리고 4-(dimethylamino)pyridiniumchlorochromate를 이용하여 벤질 알코올과 그의 유도체들(p-OCH3, m-CH3, H, m-OCH3, m-Cl, m- NO2)의 산화반응 속도 실험을 통하여 열역학적 성질(ΔH, ΔS, ΔG)과 치환기 효과에 따른 Hammett 반응상수(ρ) 값 등에서 산화반응 과정의 메카니즘을 고찰하였다.
  • 시클로헥센, 1,4-디옥산, 사염화탄소, 클로로포름, 디클로로메탄, 아세톤, N,N'-디메틸포름아미드 등의 용매 하에서, 4-(dimethylamino)pyridinium chlorochromate를 이용하여 벤질 알코올을 각각 산화반응 시키고, 생성된, 알데히드의 수율을 GC로 분석하여 Table 2에 나타내었다.
  • 이 속도상수(k) 값으로부터 열역학적 활성화 파라미터(ΔH≠, ΔS≠, ΔG≠)값과 치환기 효과에 따른 Hammett 반응상수(ρ) 값을 계산하였다.
  • 이러한 연구의 일환으로 본 실험에서는 크롬(Ⅵ)-계열의 4-(dimethylamino)pyridinium chlorochromate [C7H10N2HCrO3Cl]를 합성하여 적외선분광광도법(IR), 원소분석 등으로 구조를 확인하였다. 또한 산화반응의 최적 조건을 찾기 위하여 4-(dimethylamino)pyridinium chlorochromate의 농도 변화에 따른 벤질 알코올의 산화 반응성을 조사 하였고, 여러 가지 용매 하에서 4-(dimethylamino) pyridinium chlorochromate를 이용한 벤질 알코올의 산화 반응성 을 조사하였다.
  • 00 ×10-2mole과 실온에서 DMF용매 5mL에서 반응시켰다. 최대 수율치가 일정함을 보일 때까지를 반응종료 시간으로 하여 GC로 수율을 구하였다[4-6, 11].
  • 00 ×10-2mole과 실온에서 DMF용매 5mL에서 반응시켰다. 최대 수율치가 일정함을 보일 때까지를 반응종료 시간으로 하여 GC로 수율을 구하였다[4-6, 11].

대상 데이터

  • GC-FID(Varian 3400) 측정은 capillary column: DB-5(30m ×0.253mm), DB-WAX(30m×0.253mm), DB-1(30m ×0.253mm), carrier gas로는 N2를 사용하여 측정하였다.
  • 실험에 사용한 4-(dimethylamino)pyridine, 황산 (H2SO4), chromium(VI) trioxide, 치환 벤질 알코올류(p-OCH3, m-CH3, H, m-OCH3, m-Cl, m- NO2), 알데히드류, N,N'-디메틸포름아미드(DMF) 등은 Aldrich 사의 HPLC급 시약을 사용하였다.

데이터처리

  • ), 알데히드류, N,N'-디메틸포름아미드(DMF) 등은 Aldrich 사의 HPLC급 시약을 사용하였다. 녹는점 측정은 Electrothermal 1A 8103 측정기기를 사용하여 3회 측정하여 그 평균값을 취하였다. Cr 정량은 ICP-IRIS(Thermo Jarrell Ash, USA)를 사용하였고, C, H, N, O 함량은 elemental anlysis(Vario EL: Germany), FT-IR 측정은 ATI-Mattson사의 Research series 1을 사용하여 측정하였다.

이론/모형

  • 녹는점 측정은 Electrothermal 1A 8103 측정기기를 사용하여 3회 측정하여 그 평균값을 취하였다. Cr 정량은 ICP-IRIS(Thermo Jarrell Ash, USA)를 사용하였고, C, H, N, O 함량은 elemental anlysis(Vario EL: Germany), FT-IR 측정은 ATI-Mattson사의 Research series 1을 사용하여 측정하였다. 흡광도 측정은 UV-Visible spectrophoto- meter(Hewlett Packard UV-8452A)로 absorption band(λmax) 455nm에서 측정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
산화제로 이용되는 크롬(Ⅵ)-계열 시약들은 어떤 것이 있는가? 유기합성 과정에서 응용범위가 넓고 안정한 알코올류의 산화제에 대해 많은 연구가 진행 되고 있으며, 그 중에서도 크롬(Ⅵ)-계열의 시약들(quinolinium dichromate, pyrazinium-N-oxide-chlorochromate, tripyridinium hydrochloride chl-orochromate, naphthyridinium dichromate, pyri-dinium chlorochromate, bipyridinium chlorochr-omate)이 산화제로 널리 이용되어 왔다.[1-8] 그러나 이 시약들은 일차 알코올의 산화제로 사용했을 경우에 생성되는 알데히드가 더욱 산화되어 카르복시산이 되므로 유기성인 순수 알데히드를 얻기가 힘들다.
크롬(Ⅵ)-계열의 시약의 한계점은? [1-8] 그러나 이 시약들은 일차 알코올의 산화제로 사용했을 경우에 생성되는 알데히드가 더욱 산화되어 카르복시산이 되므로 유기성인 순수 알데히드를 얻기가 힘들다. 크롬(Ⅵ)-계열의 시약은 보통 수용성이며 유기용매에 불용성이어서 산화반응을 수용액에서 수행해야 하는 용매의 선택에 제한점이 있고, 알데히드를 얻기에 많은 난점이 있다. 또한 반응이 쉽게 분해되어 정확한 메카니즘은 아직도 분명치가 않다.
일차 알코올에서 한 분자 내에 여러 가지 hydroxy group이 존재할 때 어떤 연구가 이루어지고 있는가? 그러므로 유기 용매에 잘 용해되고, 일차 알코올을 알데히드까지만 산화시키는 산화제의 합성과 그에 따르는 메카니즘 규명이 필요하게 되었다. 그리고 한 분자 내에 여러 가지 hydroxy group (benzylic, allylic, primary, secondary)이 존재할 때, 특정 hydroxy group만을 선택적으로 산화시키는 산화제에 대해서도 연구가 이루어지고 있다.[10-12]
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (21)

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  11. M. K. Mahanti, "Kinetics and Mechanism of the Oxidative Cleavage of Unsaturated Acids by Quinolinium Dichromate", Bull. Chem. Soc. Japan, 67, 8, pp. 2320-2322, 1994. DOI: http://dx.doi.org/10.1246/bcsj.67.2320 

  12. M. K. Mahanti, "Quinolinium Dichromate Oxidations Kinetics and Mechanism of the Oxidative Cleavage of Styrenes", J. Org. Chem., 58, 18, pp. 4925-4928, 1993. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/jo00070a031 

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  17. M. H. Cho, J. H. Kim, and H. B. Park, "Kinetic Study of Macrocyclic Ligand-Metal Ion Complexes", J. Korean Chem. Soc., 33, pp.366-371, 1989. 

  18. G. D. Yadav, "Mechanistic and Kinetic Investigation of Liquid-Liquid Phase Transfer Catalyzed Oxidation of Benzyl Chloride to Benzaldehyde", J. Phys. Chem., 101, pp. 36-40, 1997. 

  19. M. K. Mahanti, "Kinetics and Mechanism of the Oxidative Cleavage of Unsaturated Acids by Quinolinium Dichromate", Bull. Chem. Soc. Japan, 67, pp. 2320-2324, 1994. DOI: http://dx.doi.org/10.1246/bcsj.67.2320 

  20. D. Richard and Gilliom, "Physical Organic Chemistry", pp. 169-180, 1992. 

  21. M. K. Mahanti, "Quinolinium Dichromate Oxidations Kinetics and Mechanism of the Oxidative Cleavage of Styrenes", J. Org. Chem., 58, pp.4925-4928, 1993. DOI: http://dx.doi.org/10.1021/jo00070a031 

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