[일반화학실험]아스피린의 합성 1부

실험 목적

산과 알코올의 에스터화 반응을 이해하고 이를 이용하여 아스피린을 합성한다.

실험 이론 및 원리

1. 유기 합성(Organic Synthesis)

유기 화합물을 화학적으로 합성하는 일이다. 탄소 화합물을 중심으로 하는 유기 화합물의 인공적인 합성은 현대 화학의 핵심이며, 합성 의약품의 눈부신 발전을 가능하게 함으로써 새로운 물질을 창조하는 경지에 이르렀다. 미국의 화학자 우드워드가 비타민 B12의 인공적인 합성이 그 대표적인 예이다. 유기 합성은 시작 물질로부터 시작하여 여러 단계의 합성 과정을 거쳐서 이루어진다. 합성의 단계마다 중간 생성 물질을 여러 가지 물리적 화학적 방법으로 확인하고 분리하여 다음 합성 단계로 넘어가게 된다. 복잡한 경우에는 몇 년 동안에 수십 단계의 합성 단계를 거치기도 한다.

 

2. 아스피린(Aspirin)

합성 의약품 중에서 가장 성공적인 것으로 알려졌다. 아세틸살리실산이라는 화합물로 방향족 벤젠 분자에 카복실기와 에스터기가 결합한 비교적 간단한 구조로 되어 있다. 아스피린은 유기산의 일종으로 값이 싼 화합물인 살리실산에 결합하여 있는 작용기 –OH를 에스터화 반응으로 변환시켜서 합성할 수 있다. 아스피린 합성에는 카복실산 대신 카복실 무수물을 이용하기도 한다. 카복실 무수물로 아세트산 무수물을 이용하고, 촉매로 소량의 인산을 사용한다.

아스피린의 구조

아스피린의 주성분은 아세틸살리실산(acetylsalicylic acil)이며, 살리실산(salicylic acid)의 2번 위치에 있는 하이드록시가 아세톡시(acetoxy, OCOCH3)로 치환된 화합물이다. 전세계에서 가장 많이 사용되는 약물 중 하나이며, 진통제, 해열제, 항염증제, 항응고제로 사용되는 바이엘사의 상품명이다. 보통 아스피린 한 태블릿에는 아세틸살리실산 0.3g, 강력 아스피린에는 0.5g이 들어있다.

 

아스피린의 주성분인 아세틸살리실산은 살리실산과 무수 아세트산의 에스터화 반응을 통해서 생성된다. 이 때 살리실산과 무수 아세트산은 1:1의 비율로 반응하고 사용한 무수 아세트산과 살리실산의 양을 알고 있다면, 계산을 통해 이론적으로 얻을 수 있는 살리실산의 양을 알 수 있다.

아스피린 제법

살리실산과 과량의 아세트산 무수물(Acetic anhydride)을 황산이나 인산과 같은 산 촉매 하에 가열하여 얻을 수 있다. 반응 종료시 반응하고 남은 아세트산 무수물 제거를 위해 물을 가하면 생성된 아스피린은 물에 대한 낮은 용해도로 인하여 고체로 석출되며, 부산물로 아세트산이 얻어진다. 아스피린 구조에서 아세톡시 작용기의 벤젠 탄소와 결합하고 있는 sp3산소는 살리실산에서 유래한 것이다.

 

이렇게 합성하는 아세틸살리실산을 아스피린과 같이 사용하는 데에는 문제가 있다. 아세틸살리실산을 합성하는 과정에서 아세틸살리실산과 같은 비율로 아세트산이 형성되고, 미처 반응하지 못한 살리실산 등이 남아 있을 수 있기 때문에 의약품으로 사용하기에는 어려움이 따른다. 대부분의 부생성물은 일련의 과정을 통해 제거되지만, 좀 더 순수한 아세틸살리실산을 얻기 위해서는 재결정의 과정이 필요하다. 아스피린은 대부분의 유기 분자들처럼 물보다는 에탄올에 더 잘 녹는 특징을 가지고 있고, 이 특징을 재결정에 이용한다.

 

3. 에스터(Ester)

유기산 또는 무기산과 알코올에서 물을 잃고 생기는 구조를 가진 화합물을 일반적으로 에스테르라고 한다. 실제로 산과 알코올에서 탈수되어 반드시 에스테르를 생성한다고 할 수 있다.

1) 물리적 성질

중성 에스테르는 일반적으로 방향이 있는 휘발성 액체이며 물에 녹기 쉽고 유기 용매에 잘 녹는다. 특히 비교적 저위의 지방산과 알코올의 에스테르는 과실의 상쾌한 냄새가 있으므로 인공 과실의 에센스로서 식품의 향료로 사용된다. 일반적으로 카르복시산이 저위의 알코올과 에스테르를 만들면 끓는점이나 녹는점이 저하되며 또 알코올이 저위의 카르복시산과 에스테르를 만들면 끓는점이나 녹는점이 저하된다. 그래서 대부분의 에스테르는 액체인데 고위의 산이나 고위의 알코올의 에스테르는 고체이다. 산성 에스테르는 물리적 성질이 달라서 일반적으로 휘발이 잘 되지 않는 성질이고 물에 녹아서 산성을 나타내며 염기와 염을 만든다.

 

2) 화학적 성질

① 물과 가열하면 산과 알코올로 분해된다. 이 반응을 에스테르의 가수분해라고 하며, 산이나 알칼리에 의해 뚜렷하게 촉진된다.

특히, 알칼리에 의한 가수분해는 쉬우며 이 반응을 비누화라고 한다.

② 암모니아와 반응해 산아마이드를 생성한다.

RCOOR' + NH3 → RCONH2 + R'OH

③ 나트륨과 알코올, 수소화알루미늄리튬으로 환원하거나 또는 구리 크로마이트를 촉매로 하는 고압 접촉 환원으로 일차 알코올이 된다.

RCOOR' + 4H → RCH2OH + R'OH

 

4. 에스터화 반응(Esterification)

에스터화 반응은 자연적으로 생성되며, 꽃, 식물, 과일의 냄새와 맛을 내는 원인이 된다. 카복실산과 알코올이 반응하여 에스터가 생성되는 반응으로 산성 용액에서 매우 빠르게 일어난다. 카복실산 대신 카복실 무수물을 이용하기도 한다. 에스터는 알코올과 카복실산으로부터 합성가능한데, 이 반응을 에스터화 반응이라고 한다. 이 반응을 일반적인 화학 반응식으로 나타내면 다음과 같다.

RCOOH + R'OH	→	RCOOR' + H2O
카복실산 알코올		에스터 물

화학 반응식을 통해 에스터는 알코올과 유기산의 반응을 통해 생성되며, 이때 물 분자 하나가 같이 생성됨을 알 수 있다. 위의 반응에서 반응을 에스터화 반응, 역반응을 가수분해 반응이라고 하며, 유기산 대신 산 무수물을 사용하게 될 경우 역반응이 진행하지 않는다는 특징이 있다. 

이 반응에서 유의할 점은 알코올의 탄소와 산소 결합은 그대로 유지된 채로 에스터에 남아 있게 되고, 카복실산의 아실기가 알코올의 수소 원자 대신 결합하게 된다는 사실이다. 즉, 간단히 정리하자면 에스터화 반응이란 산과 알코올이 반응하여 에스터를 형성하는 반응이며, 알코올의 수소 원자가 카복실산의 아실기로 치환하는 형태이다.

 

에스터화 반응

 

5. 무수물(Anhydride)

화합물에서 물분자가 빠져나간 형태의 화합물이다. 무기화합물에는 무수염·무수산화물 등이 있다. 무수염으로는 탄산나트륨10수화염에서 탈수된 탄산나트륨이나, 황산구리5수화염에서 탈수된 황산구리 등이 있다. 알칼리금속·알칼리토금속 등의 산화물은 물과 반응하여 염기를 만든다. 따라서 이들은 염기의 무수물로 볼 수 있다. 염기성 무수산화물의 예로

 

산화나트륨 : Na2O + H2O → 2NaOH (수산화나트륨)

산화칼슘 : CaO + H2O → Ca(OH)2 (수산화칼슘)

 

등이 있다. 또 질소·인·황·염소 등 비금속원소의 산화물은 물과 반응하여 산을 만든다. 따라서 이들은 산의 무수물로 볼 수 있다. 산성 무수산화물의 예로

 

육산화이질소 : N2O6 + H2O → 2HNO3 (질산)

삼산화황 : SO3 + H2O → H2SO4 (황산)

 

등이 있다. 이들을 각각 염기성 무수물, 산성 무수물이라고도 한다. 유기화합물에 있어서는 카복시산무수물과 설폰산무수물 등의 산무수물이 있다. 예를 들어, 아세트산무수물[(CH3CO)2O]은 아세트산(CH3COOH)의 무수물이다.

 

2CH3COOH·H2O → 2H2O 제거 (탈수) → (CH3CO)2O

 

한편, 수분을 포함하지 않은 순수한 알코올을 가리키는 알코올무수물 또는 무수알코올 등은 화학적 의미의 무수물은 아니다. 또한 물이 섞이지 않은 순수한 아세트산인 빙초산을 아세트산무수물(무수아세트산, acetic anhydride)과 혼동하면 안된다.

아세트산 무수물

6. 정제(Purification)

어떤 물질로부터 혼재해 있는 불순물을 제거하여, 순도를 높이는 조작이다. 그 방법으로 용해도의 차이를 이용한 재결정이나 분별결정, 증기압에 근거한 종류나 분별종류 및 분배-흡착-이온교환 크로마토그래피법, 전기영동법, 겔여과법 등 여러 종류의 방법이 사용된다.

 

7. 재결정(Recrystalization)

결정성 물질을 적당한 용매에 용해하여 적당한 방법으로 다시 결정으로 석출시키는 조작. 정제 방법으로 잘 사용된다. 결정을 석출시키기 위해서는 온도에 의해 용해도의 상위(相違)를 이용하여 고온의 포화 용액을 냉각시키거나 용매를 증발시켜 농축시키거나 또는 용액에 다른 적당한 용매를 가해서 용해도를 감소시키는 등의 방법이 취해진다.

공존하는 불순물은 대부분의 경우 그 대부분이 용액 속에 남기 때문에 정제의 목적이 달성된다. 또 온도가 낮은 데서 가공한 금속 등을 가열하면 가공시에 가해진 비틀림이 없어지고 결정이 성장하는데, 이것도 재결정이라 한다. 재결정이 일어나는 하한 온도를 재결정 온도라 하고, 물질의 종류 뿐만 아니라 가공률, 가공법에 따라서도 다르며, 또 일반적으로 불순물이 적을수록 낮다.

 

8. 작용기(Functional Group)

탄소 화합물에서 독특한 성질을 나타내는 원자단을 작용기라고 한다. 예를 들어 알코올에는 히드록시기 -OH, 케톤에는 카르보닐기 -CO-, 알데히드에는 포르밀기 -CHO, 유기산에는 카르복시기 -COOH, 아민에는 아미노기 -NH2라는 작용기가 있다. 화합물은 작용기에 따라서 독특한 성질을 나타내는데, 히드록시기 -OH는 물에 대한 용해성이 좋으며, 카르복시산과 에스테르화 반응을 한다. 또한 나트륨과 반응을 하여 수소를 발생시킨다. 알데히드에는 포르밀기 -CHO는 환원성이 있어서 은거울 반응과 펠링 용액 반응을 한다. 카르복시기 -COOH는 산성을 띠며, 아미노기 -NH2는 염기성을 띤다.

 

9. 광학 이성질체(Optical isomer)

탄소 주의이 4개의 작용기가 모두 다른 비대칭 탄소를 가지고 있으므로 서로 거울상은 되지만 겹쳐지지 않는 이성질체이다. 광학 이성질체는 다른 이성질체와 달리 결정 모양, 비중, 끓는점과 같은 물리적, 화학적 성질은 모두 일치한다. 하지만 광학 이성질체는 편광된 빛을 흡수하는 정도가 다르므로 광학 이성질체의 결정이나 용액층에 편광된 빛을 통하면 편광면을 회전하는 방향이 좌, 우로 다르게 나타난다.

광학 이성질체 구조

 

10. 비대칭 중심(Chiral Center)

비대칭 분자로부터 비대칭이 아닌 구조의 부분을 제거하고 최후에 남은 비대칭 구조를 가진 가장 작은 조각을 말한다. 즉 그 분자를 비대칭으로 하고 있는 원인이 소재하는 중심을 말하고, 비대칭기(基)라고도 할 수 있다. 혹은 비대칭 원자(예를 들면 비대칭 탄소 원자)가 존재함으로써 분자가 비대상(非對象)으로 되어 있는 경우, 그 비대칭 원자가 비대칭 중심에 해당한다. 비대칭 중심과 같은 의미를 나타내는 술어에 로토포르가 있다. 크로모포르(발색단)와 같은 사고 방식에 기초해서 만들어진 것으로 생각되는데 엄밀한 정의는 아니다.

 

11. 산 촉매

산염기 촉매 반응에는 수소 이온에 의해 촉진되는 반응이 많은데, 극히 약한 염기가 관여하는 반응에는 강한 산이 촉매로 쓰인다. 예를 들어, 에틸렌 계열 탄화수소의 중합, 이성질화, 알킬화, 일산화탄소 첨가 등의 반응에 황산, 인산이 사용되며, 중합, 알킬화 및 이성질화에는 유기 술폰산, 플루오르화수소가 쓰인다. 이외에 고체산 촉매에 의한 반응도 있다.

 

12. 유기산

무기산과 대응하는 말로, 아세트산, 뷰틸산, 옥살산 등이 있다. 대부분은 카복실산이기에 좁은 의미로 유기산은 카복실산을 의미한다. 그러나 아스코르브산, 요산 등과 같이 카복실산이 아닌 산성물질도 다수 존재하기 때문에, 넓게 설폰산, 페놀 등도 포함하여 말하는 경우가 많다. 일반적으로는 무기산보다 약하지만, 설폰산과 같이 강한 산도 존재한다. 즉, 산성을 띠는 유기화합물의 총칭이며 카복시기와 설폰기가 들어 있는 유기화합물이 대표적인 유기산이다. 

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