Cross-Course Collaboration in the Undergraduate Chemistry Curriculum: Isotopic Labeling with Sodium Borodeuteride in the Introductory Organic Chemistry Laboratory 2016056016 신이지 2016056012 안경화 J. Chem. Educ. 2017. 6

CONTENTS 01 Abstract 02 Background 03 Experimental Overview 04 Hazards 05 Results and Discussion 06 Conclusion 07 References

Abtract 이 실험은 각각 NaBH4 와 NaBD4를 이용하여 Acetophenone을 1-phenylethanol로 환원시키고 스펙트럼 데이터를 비교합니다. 비용은 합리적이며 실험은 1 H NMR 분광법 및 질량 분석법(MS)의 첫 경험으로 적합합니다 .  실험 준비 및 1 H NMR 데이터 수집을 포함한 전체 실험은 3 시간 내에 완료됩니다.  실험은 다른 장치의 도움 없이 실행될 수 있습니다. 유기 화학 연구소와 물리 화학 연구소 간의 교차 코스 협력에 도움이 됩니다.

Background 다음은 이 논문에서 주로 다루고 있는 반응의 반응식입니다. 학생들은 각각 nabh4와 nabd4로 나뉘어 실험을 진행하게 됩니다. 여기서 Nabh4와 nabd4는 환원제로, 수소 음이온을 내놓아 아세토 페논과 반응합니다. NaBH4가 내놓는 수소 음이온은 다른 수소 음이온에 비해 안정합니다. 반응물과 생성물을 비교해보면 벤질 자리의 탄소와 반응한 것을 알 수 있습니다

Background 학생들은 1H NMR을 통해 중수소의 위치를 알 수 있고, 메커니즘을 추측할 수 있습니다. 이것이 앞서 보여드렸던 반응의 메커니즘입니다. 먼저 Nabd4의 중수소 음이온이 아세토페논과 반응하여 다음과 같은 생성물이 생성됩니다. 그 후 hcl을 넣어주어 음전하를 띄고있는 산소와 반응시켜 반응을 종결짓습니다. 학생들은 이 생성물의 H NMR을 이용하여 중수소의 위치를 알 수 있고 위의 메커니즘을 추측~ 또한 학생들ㄹ은 MS를 통해~ 학생들은 1H NMR을 통해 중수소의 위치를 알 수 있고, 메커니즘을 추측할 수 있습니다. MS를 통해 생성물에 포함된 중수소의 개수를 알 수 있습니다.

Experimental Overview 1. 무게를 잰 시약을 15mL centrifuge tube에 넣습니다. [ methanol 1mL, acetophenone 50.0μL ] 2. 1에 20mg의 NaBH 4 또는 NaBD4 를 넣습니다. 3. 흔들어 섞어준 뒤 상온에 10분간 둡니다. 첫번째로 물질을 반응시킵니다. 먼저, 무게를 잰 시약을~

HCl Experimental Overview 4. HCl을 넣어주어 반응을 완결시킵니다. [ 10% HCl (aq) 1mL ] 5. Methylene chloride를 이용해 생성물을 추출합니다. [ CH2Cl2 1mL, Pasteur pipet ] 6. 건조제인 Na2SO4를 이용해 건조시킵니다. 첫번째로 물질을 반응시킵니다. 먼저, 무게를 잰 시약을~ HCl

Experimental Overview 7. Rotary evaporator를 이용해 용매를 증발시킵니다. [ 10mL round bottom flask ] 8. 남은 용매를 증발시켜 제거합니다. 9. GC-MS와 1H NMR을 측정합니다. 이렇게 얻은 생성물의 gc-ms와~

Hazards 이 실험에서 사용된 화학 물질을 흡입 또는 섭취하거나, 눈에 들어가지 않도록 주의해야 합니다. 이 실험에서 사용된 화학 물질을 흡입 또는 섭취하거나, 눈에 들어가지 않도록 주의해야 합니다.  눈 보호구는 항상 착용해야 하며, 학생들은 장갑을 착용하는 것을 권장합니다. NaBH4 , NaBD4 , HCl은 부식성이 있고 후자는 흡입 위험이 있습니다. CDCl3 , CH2Cl2 및 메탄올에 만성적으로 노출되면 독성 및 돌연변이 유발 위험이 나타날 수 있습니다. Acetophenone과 1-phenylethanol은 인화성이며 피부와 눈의 자극을 일으킬 수 있습니다. NaBH4 또는 NaBD4의 반응으로부터 생성된 수소기체와 메탄올은 인화성입니다.

RESULT AND DISCUSSION 이 실험은 동위 원소에 대한 이해가 필요한 향후 주제를 준비하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 실험은 NaBH4을 사용한 절차적으로 간단한 동위 원소 실험입니다. NaBH4는 LiAlH4에 비해서 상대적으로 안전합니다. RESULT AND DISCUSSION입니다. 1~3읽기 (3에 추가설명) LiAlH4는 NaBH4처럼 케톤이나 알데하이드를 환원 시키는데 사용하는 시약이지만, 반응성이 더 커 물과 격렬하게 반응하고, 120’C이상으로 가열하면 폭발적으로 분해됩니다.

Acetophenone을 선택한 2가지 이유 RESULT AND DISCUSSION Acetophenone을 선택한 2가지 이유 첫째, 동적 동위 원소 효과 (KIE) 실험에 사용하기 위해 1 차 알코올보다 2 차 알코올 생성물이 더 바람직합니다. 둘째, 표지 된 알코올과 표지 되지 않은 알코올은 모두 단순한 1 H NMR 스펙트럼을 가집니다. 1번 읽기 (1번 설명) 1차 알코올의 의 산화의 경우 알데하이드에서 멈추지 않고 산을 생성합니다. 2차 알코올은 KIE실험에 필요한 케톤을 만들 수 있습니다. 마지막으로 3차 알코올의 경우 산소가 공격할 수소를 가지고 있지 않아 반응이 일어나지 않습니다. 2번읽기+프로톤엔엠알을 처음 접하는 학생들이 쉽게 이해할 수 있습니다.

RESULT AND DISCUSSION 다음은 반응물과 생성물, 비생성물들의 MS와 프로톤엔엠알의 피크를 정리한 표 입니다. <NaBD4 환원 생성물에서 122에서 123으로 어미피크의 이동과 M-15의 피크가 관찰됩니다. 이는 생성물 안의 새로운 두 수소 원자 중 오직 하나만이 환원제로부터 나오는 것, 또한 중수소가 메틸기에 첨가되지 않았음을 추론할 수 있습니다. MS를 사용 할 경우 몇 개의 중수소가 첨가되었는지 알 수 있습니다. 하지만 보시는 것과 같이 MS만으로는 첨가된 정확한 위치를 알아내는 데에는 한계가 있습니다. 따라서 환원제로부터 첨가 된 수소의 정확한 위치를 파악하기 위해서는 프로톤엔엠알을 사용할 필요성이 있습니다. 프로톤엔엠알 피크에 대해서는 뒤에서 다루겠습니다. Borohydride / Borodeuteride

RESULT AND DISCUSSION 먼저 GC-MS의 그래프를 확인해보겠습니다. 이 그래프는 NaBH4를 사용한 실험데이터입니다. 반응물 기준으로 생성물의 MS 값이 2씩 증가한 것을 확인할 수 있습니다. 이것은 Supporting Information에 게시되어 있는 생성물의 MS입니다. 앞서 말한것과 같이 M-15의 피크가 관찰됩니다.

RESULT AND DISCUSSION NaBD4를 사용한 실험데이터입니다. 반응물 기준으로 생성물의 MS 값이 3씩 증가한 것을 확인할 수 있습니다. 조금전에 봤던 생성물의 MS와 현재 보이는 생성물의 MS를 통해 이 반응은 환원제로부터 하나의 수소가 첨가된 것을 알 수 있습니다.

RESULT AND DISCUSSION 다음은 반응물인 아세토페논의 프로톤 엔엠알 스펙트럼입니다. 페닐기의 피크와 단일선의 메틸기의 피크를 확인 할 수 있습니다.

RESULT AND DISCUSSION 다음은 NaBH4를 사용한 반응의 생성물 피크입니다. 다음 자료를 보고 생성물이 1페닐에탄올임을 알 수 있습니다. 페닐기 수소의 피크, 메틸기 수소에 의해 4중선으로 나타난 수소의 피크, OH의 피크, 벤질자리탄소에 붙어있는 수소에 의해 2중선으로 갈라진 메틸기의 피크를 확인할 수 있습니다. 추가적으로 설명하자면 OH기의 수소 또한 다른 수소들과 커플링이 가능하고 더 낮은장에서 나타난다고 생각할 수 있지만, 화면에 보이는 스펙트럼에서는 생각보다 높은장에서 단일 피크가 관찰됩니다. 이 이유는 OH기가 1-페닐에탄올 외의 다른 분자들과 상호작용을 하기 때문에 분자내에서 커플링이 일어나기 어려워지기 때문입니다.

RESULT AND DISCUSSION 다음은 NaBD4를 사용한 반응의 생성물의 피크입니다. 페닐기, OH기의 피크는 같지만 메틸기의 수소피크가 단일선으로 변했고, 벤질자리탄소의 수소피크가 사라진 것으로 보야 다음 화합물을 예측할 수 있습니다. 1 H NMR 스펙트럼은 학생들에게 쉽게 이해할 수 있는 스핀 – 스핀 커플링의 예를 제공합니다. 이 실험은 NMR 분광법에서 두 가지 중요한 개념을 설명합니다. 첫째, 산소 원자에 붙어있는 양성자는 다른 양성자의 신호를 효과적으로 분할(split)하지 못하고 또한 다른 양성자에 의해 분할되지 않습니다. 둘째로 2 H가 1프로톤엔엠알 스펙트럼에서 보이지 않고, 이웃수소를 분할하지 않는 것처럼 보입니다.

CONCLUSION Acetophenone의 NaBH 4 / NaBD 4 환원은 동위 원소 표지 화합물의 준비와 Characterization, 유기 실험실 코스의 가치 있는 측면을 학생들에게 교육합니다. 1 H NMR, GC-MS와 함께 사용하도록 구성 할 수 있습니다. 교차 코스 협력 실험의 일환으로, 입문 유기 실험실의 학생들은 KIE 측정 및 반응 메커니즘 결정에 대한 반응 생성물의 유용성을 관찰합니다. 물리 화학을 전공하는 학생의 경우 Full circle(산화, 환원)을 보게 됩니다.

REFERENCES This work was presented in part at the CCLI/TUES Principal Investigators Conference, January 23−25, 2013, in Washington DC and the 242nd National Meeting of the American Chemical Society, Indianapolis, IN, September 8−12, 2013 (Poster and Oral CHED 343). Robinson, R. K.; De Jesus, K. The Mechanism of NaBH4 Addition to Aldehydes: A Labeling Experiment. J. Chem. Educ. 1996, 73 (3), 264−266. Harding, C. E.; Mitchell, C. W.; Devenyi, J. Kinetic Isotope Effect in the Chromic Acid Oxidation of Secondary Alcohols. J. Chem. Educ. 2000, 77 (8), 1042−1044. Noll, R. J.; Fitch, R. W.; Kjonaas, R. A.; Wyatt, R. A. CrossCourse Collaboration in the Undergraduate Chemistry Curriculum: Primary Kinetic Isotope Effect in the Hypochlorite Reduction of 1Phenylethanol in the Physical Chemistry Laboratory. J. Chem. Educ. 2017, DOI: 10.1021/acs.jchemed.6b00950. Giles, R.; Kim, I.; Chao, W. E.; Moore, J.; Jung, K. W. Dual Studies on a Hydrogen-Deuterium Exchange of Resorcinol and the Subsequent Kinetic Isotope Effect. J. Chem. Educ. 2014, 91 (8), 1220− 1223 and references therein.. Hansen, J. R. The Organic Chemistry of Isotopic Labeling; The Royal Society of Chemistry Press: Cambridge, U.K., 2011. Harwood, L. M.; Moody, C. J.; Percy, J. M. Experimental Organic Chemistry: Standard and Microscale, 2nd ed.; Blackwell Science: Malden, MA, 1999; pp 654−657. For some current and older textbook examples see: (a) Loudon, G. M.; Parise, J. Organic Chemistry, 6th ed.; Roberts and Co.: Greenwood Village, CO, 2016; pp 408−409, 643−645. (b) Morrison, R. T.; Boyd, R. N. Organic Chemistry, 3rd ed.; Allyn and Bacon, Inc.: Boston, MA, 1973; pp 107−108, 353, 358, 437−439. There are at least 13 papers in this Journal noting sample changers. See for example: Mills, N. S.; Shanklin, M. Access to NMR Spectroscopy for Two-Year College Students: The NMR Site at Trinity University. J. Chem. Educ. 2011, 88 (6), 835−839. Hansen, R. M. 24/7 Dynamic NMR Spectroscopy: A New Paradigm for Undergraduate NMR Use. In Modern NMR Spectroscopy in Education; Rovnyak, D., Stockland, R., Jr., Eds.; American Chemical Society: Washington, DC, 2007; ACS Symposium Series Vol. 969; pp 62−76. See, for example: Hanson, J. R. Some Deuterium Labeling Experiments. J. Chem. Educ. 1982, 59 (4), 342−343. Nataro, C.; Ferguson, M. A.; Bocage, K. M.; Hess, B. J.; Ross, V. J.; Swarr, D. T. Lewis Acid-Base, Molecular Modeling, and Isotopic Labeling in a Sophomore Inorganic Chemistry Laboratory. J. Chem. Educ. 2004, 81 (5), 722−724. Nakiboglu, C.; Tekin, B. B. Identifying Students’ Misconceptions about Nuclear Chemistry: A Study of Turkish High School Students. J. Chem. Educ. 2006, 83 (11), 1712−1718. Lee, M. Microscale Yeast mediated Enantiospecific Reduction of Vanillin, and the Absolute Configuration of (−)-R-α-Deuteriovanillyl Alcohol. J. Chem. Educ. 1993, 70 (6), A155−A158. Of course splitting can be observed in very dry samples, but we have not observed this among any of our student samples. @blog.naver.com/dream09so

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