[일반화학실험]Analysis of Aspirin (아스피린의 분석) 2부

실험 방법

1. Ferric Chloride test

1) 건조시킨 ASA 결정, 시판 ASA, SA(salicylic acid)을 각각 시험관에 소량씩 넣는다

2) 각 시험관에 약 3㎖의 물을 가하여 녹인다.

3) 각 시험관에 1% FeCl3수용액 3방울을 떨어뜨리고 흔들면서 색깔의 변화를 관찰한다

 

2. 아스피린의 녹는점 측정

융점측정기로 ASA와 시판 ASA의 녹는점을 측정해 비교한다. 융점측정기의 사용법은 아래와 같다.

1) ASA를 곱게 갈아서 Capillary tube에 넣는다. Capillary tube의 열린쪽 입구로 ASA 결정을 톡톡 두드리면서 4~6㎜ 정도 넣어준다.

2) Capillary tube의 반대쪽으로 ASA를 옮겨준다. (방향을 돌려 두드려도 되고, 기계를 이용해도 된다.)

3) Melting point determination 메뉴를 선택한다.

4) START를 누르고, Method/Options를 지정한다. 다이얼을 돌려 시약명, 시작온도, 종료온도, 온도변화/분을 입력하고 EDIT를 클릭한다.

5) STARAT를 누르면 heating이 시작된다.

6) 시작 온도가 되면 삐 소리가 나고, Press Start문구가 뜨면 Capillary tube를 융점측정기의 구멍 중 하나에 넣고 START를 누른다.

7) 가동 중 Set버튼으로 샘플당 3번 온도를 지정할 수 있다.

8) 실험이 종료되면 Result 창이 뜨고 다이얼로 화면을 이동시켜 확인할 수 있다.

Auto : 측정기가 측정한 온도 값, Manual : Set버튼으로 지정한 온도 값

9) Replay 버튼을 눌러 용해되는 과정을 볼 수 있다.

 

3. FT-IR 분석

FT-IR을 사용하여 합성한 ASA와 시판 ASA의 peak를 비교해본다. FT-IR의 사용법은 아래와 같다.

1) OMNIC아이콘을 클릭해 실행한다. (컴퓨터에서) Diamond ATR로 설정한다.

2) Collect background로 background data를 측정한다.

3) 측정한 background를 바탕화면에 다른 이름으로 저장한다.

4) Experiment Setup 아이콘을 눌러 final format를 %Transmittance로 바꾸고, 오른쪽의 창에 을 클릭한 후 background handling use specified background file , 파일 경로를 과정 에서 저장한 바탕 화면의 파일로 지정한다

5) Spatula를 이용해 ASA를 ATR에 소량 넣은 후, swivel pressure tower를 돌려 시료를 고정한다.

6) Collect sample 아이콘을 눌러 ASA의 IR spectrum을 찍는다.

7) 시료를 닦아내고, 세척용 알코올로 diamond plate를 3회 세척 후 건조시킨다.

실험 중, 그리고 실험이 끝나고 FT-IR의 전원을 끄지 않도록 주의한다.

실험 결과

1. 실험 환경

실험실의 온도는 19℃였다.

 

2. 분석 장비 및 기구

본 실험에서는 크게 2가지 분석장비가 사용되었다. 

1) Melting point apparatus (융점측정기) : BUCHI사의 Melting point M-565 사용

2) FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy) : Thermo Fisher사의 Nicolet 6700모델 사용

 

3. 실험 결과

1) Ferric Chloride test(염화철의 정색변화)

Ferric Chloride를 가했을 때 색 변화는 아래 Figure 4.과 5.와 같이 나타났다. Figure 4.은 물을 첨가하고 FeCl3용액을 첨가하였을 때, Figure 5.는 물을 첨가하지 않고 FeCl3용액만 떨어뜨렸을 때의 색변화이다.

 

Figure 4. 물과 FeCl3를 같이 첨가

Figure 5. FeCl3만 첨가

 

색변화	Salicylic acid	시판 Aspirin	합성한 Aspirin
FeCl3 + 증류수	진한 보라색	연한 보라색	연한 보라색
FeCl3	진한 보라색	연한 보라색	갈색

Table 1. Salicylic acid, 시판 Aspirin, 합성한 Aspirin의 FeCl3에 대한 색 변화

 

2) 아스피린의 녹는점

합성한 Aspirin과 시판 Aspirin을 곱게 갈아준 후, Melting point apparatus로 녹는점을 측정한 결과는 아래 Table 2.와 같이 나타났다.

색변화	합성한 Aspirin	시판 Aspirin
Metling Point Apparatus 측정결과
녹는점	135.1℃	130.3℃

Table 2. Melting point of aspirin

3) FT-IR Analysis

FT-IR 분석을 위해 시판 Aspirin, 합성한 Aspirin, Salicylic acid 3가지 물질을 FT-IR로 분석했다. FT-IR 결과는 아래 Figure 6. 7. 8에 나타내었다.

 

Figure 6. IR spectrum of 시판 Aspirin

Figure 7. IR spectrum of 합성된 Aspirin

Figure 8. IR spectrum of Salicylic acid

토의 사항

1. 합성된 Aspirin의 분석

1) Ferric Chloride test

FeCl3를 Salicylic acid, 시판 ASA(Acetylsalicylic acid), 합성한 ASA에 떨어뜨린 결과, SA(Salicylic acid)는 진한 보라색을, 시판 ASA는 연한 보라빛을, 합성한 ASA는 노란색을 나타냈다.

Ferric Chloride는 phenol류와 반응하여 보라색을 내는 착화합물을 형성하는데, 노란색 계열의 색깔을 phenol류를 포함하지 않는 시료에서 Ferric Chloride test의 결과가 negative(음성)으로 나온 결과이다.

ASA의 구조는 아래 Figure 9.와 같고, SA의 구조는 아래 Figure 10.과 같다. ASA는 phenol을 포함하지 않는 반면, ASA는 phenol을 포함한 화합물이다.

 

Figure 9. Structure of ASA

Figure 10. Structure of SA

 

그러므로, Salicylic acid는 phenol 검출 반응에서 positive한 반응 결과를 보였다. SA가 phenol기를 포함한다는 사실을 염두에 둘 때, 당연한 결과이다.

반면, 시판 ASA은 연한 보라빛을 나타내어 positive한 반응 결과를 보였지만, 완전히 positive한 결과를 보였다고 하기 어렵다. 이는 시판 ASA가 완전히 ASA만으로 이뤄지지 않고, 불순물과 SA가 소량 포함되어 있기 때문에 나타난 결과라고 생각한다.

마지막으로, 합성한 ASA는 노란색을 나타내었다. 그러므로, 합성한 ASA는 phenol류를 거의 포함하고 있지 않다고 볼 수 있다. 그러므로, 우리가 합성한 ASA는 SA를 거의 포함하고 있지 않으므로, SA에서 ASA로의 합성반응이 잘 진행되었다고 볼 수 있다.

 

2) Melting point analysis

합성한 ASA와 시판 ASA를 녹는점 측정한 결과, 합성한 ASA에는 135.1℃의 끓는점이, 시판 ASA에는 130.3℃의 끓는점이 측정되었다. 실제로 알려진 ASA의 녹는점은 135℃ 정도로, 합성된 ASA와 매우 유사한 결과가 관측되었다. 이를 통해, 합성한 Aspirin은 불순물을 거의 포함하지 않는 높은 순도의 ASA라고 생각할 수 있다.

그러나, 시판 ASA의 녹는점이 130℃ 정도로 측정되어 ASA의 실제 녹는점인 135℃와 조금 다르게 측정되었다. 이 결과는 시판 ASA가 순수한 ASA가 아니라는 해석이 가능하며, 실제 약으로 섭취할 때 순수 ASA만을 섭취하는 것은 호흡기와 피부에 문제를 일으킬 수 있어 바람직하지 못하다는 것을 고려하면 예상가능한 결과이다.

 

3) FT-IR analysis

마지막으로, SA, 시판 ASA, 그리고 합성한 ASA에 대해 FT-IR을 이용한 IR spectrum을 분석했다. 본 실험에서 각 시료들을 Reference와의 일치율을 비교하였는데, 일치율은 기계와 분석장비의 차이로 인해 조금씩 다른 결과가 나타날 수 있어, 일치율을 무조건 믿는 것은 바람직하지 못하다. 실제로도, FT-IR의 일치율은 하나의 보조자료로만 쓰이고, 그 이상의 의미를 갖지 못한다. FT-IR의 분석을 하는 이유는 H-NMR과 C-NMR에 대한 추가적인 시료에 대한 정보를 주기 때문이다. 절대로 FT-IR을 우선적으로 사용하면 안 된다.

그러나, 본 실험에서는 NMR사용을 할 수 없던 관계로 FT-IR을 사용하게 되었다. NMR과 다르게, FT-IR은 한 번 작동에 걸리는 시간과 비용의 측면에서는 매우 효율적이다. 그런 효율성에 비하면, 얻어지는 데이터는 작용기를 파악하는데 의미가 있으므로 본 실험을 수행한 것으로 생각된다.

우선, 일치율을 간단히 언급만 하고 넘어가자면, SA와 시판 ASA, 그리고 합성된 ASA모두 각각의 물질(SA와 ASA)과 85%정도의 일치율을 보였다. 높은 일치율을 보였으므로, 우리가 원하는 물질이 합성되었다는 하나의 증거로 생각할 수 있다.

또한, 우리가 원하는 물질을 합성하였다는 하나의 또 다른 증거는 IR spectrum에서 알 수 있다. Figure 8.을 자세히 살펴보면, SA에서는 3300㎝-1~2900㎝-1의 파수 영역에서 넓은 포물선 같은 curve를 가진다. 이는 Figure 6.의 시료에 -OH(Hydroxy) 작용기가 있다는 간접적인 증거이다. Hydroxy 작용기는 수소결합으로 인해 3200㎝-1 부근에서 넓은 영역의 peak를 가지기 때문이다.

반면, Hydroxy 작용기가 존재하지 않는 시판 ASA와 합성된 ASA에서는 3200㎝-1 부근에 그러한 넓은 peak가 관찰되지 않았다. 하나 특이한 것은 Figure 7.에 나타난 Transmittance(y축)이 100%를 넘었던 것인데, 이는 Background data를 collect할 때, 시료를 놓는 부분이 오염되어 있기 때문이다. Background data를 collect할 때는 alcohol 세척을 하지 못해서 발생한 결과인 것을 생각된다. 이런 결과가 나온다는 것을 알았기 때문에, 다음부터는 Background data를 collect할 때도 alcohol로 세척을 할 것이다.

 

2. Further Study : FT-IR 심화 분석

FT-IR 결과를 해석할 때, 2000㎝-1이하의 파수 영역에서는 IR spectrum 해석을 하지 않았다. 그 이유는 크게 2가지가 있다. 우선, Phenyl ring(aromatic ring)을 포함하는 화합물은 2000㎝-1부근에서 매우 다양한 peak를 가지기 때문이다. 그러므로, 해석을 해도 별 의미가 없는 구간이다. 또한, 2번째 이유는 1500㎝-1 이하의 지문영역(Fingerprint region)이라고 불리는 구간 때문이다. 지문영역은 매우 난해한 peak로 인해, 단순히 일치율을 구할 때 하나의 보조적인 지표로 사용하는 구간인데, 신뢰도가 크게 높지 않은 구간이다. 

신뢰도가 크지 않은 이유는 단순히 파수가 낮기 때문인데, 낮은 파수의 영역에서는 결합의 낮은 에너지 간격으로 인해 같은 파수에 대해서도 다양한 peak가 나타날 수 있기 때문이다. 그러므로, 실제로 작용기를 파악하기 위해 200㎝-1 이상의 파수에 대해서만 분석을 하였다. 아쉽게도, ASA와 SA는 Hydroxy기를 제외한 크게 FT-IR에 peak로 강하게 나타날 만할 작용기가 존재하지 않아서 다양한 분석을 실시하기는 어려웠다.

 

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