[일반화학실험]아스피린의 합성 2부

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

1) 메스실린더(50㎖), 비커(500㎖, 100㎖), 삼각 플라스크(100㎖)

2) 부피 플라스크(100㎖), 10㎖피펫, 피펫 펌프, 뷰흐너 깔때기, 감압 플라스크 

3) 아스피레이터, 온도계, 가열식 자력 교반기, 거름 종이, 핀셋, 유리막대

4) 스탠드, 클램프, Ice bath

 

2. 실험 시약

1) 살리실산, 85%인산, 아세트산 무수물

실험 방법

1. 실험 과정

1) 물중탕 장치를 준비한다. (75~80℃를 유지한다.)

2) 100㎖ 삼각 플라스크에 살리실산 2.5g을 넣고, 아세트산 무수물 3㎖와 85% 인산 3~4방울을 첨가한다.

3) 75~80℃를 유지하면서 10분간 물중탕에서 반응시킨다.

4) 반응이 완결되면 증류수 2㎖를 가하여, 여분의 아세트산 무수물을 분해시킨다. (증기가 발생하므로 주의하도록 한다.) 

5) 물중탕에서 삼각 플라스크를 꺼내어 증류수 20㎖를 넣고 실온까지 식힌다.

6) ice bath에 삼각 플라스크를 넣은 후, 유리막대로 플라스크 안쪽을 긁어주면서 결정을 생성시킨다. (seeding)

7) 결정이 생성되면 감압 여과를 통해 결정을 여과하고, 얼음물 5㎖로 세척한다.

8) 무게를 측정한 거름종이에 결정을 옮기고, 3일 정도 건조시킨다.

9) 건조가 끝나면 무게를 측정하고 수득률을 계산한다.

주의 사항

1. 아세트산 무수물의 증기는 최루성이므로 주의하고 피부에 닿을 경우 물집이나 염증이 생기므로 취급 시 주의한다.

2. 감압 여과가 잘 되지 않을 때는 뷰흐너 깔때기를 살짝 눌러준다.

3. 에틸 에터와 석유 에터는 아주 예민한 인화성 물질이기 때문에 가열판 근처에서 절대로 취급하지 않아야 한다. 화학실험실 화재사고가 이러한 에터로 가끔 일어나므로 아주 조 심할 것.

4. 아세트산 무수물은 식초 냄새가 나고 과량의 아세트산 무수물에 물을 가하여 분해시키 면 뜨거운 증기가 발생하므로 조심해야 한다.

5. 본 실험에서 합성한 아스피린은 순수하지 않으므로 절대 복용하지 말아야 한다.

실험 결과

1. 아스피린의 이론적 수득량

1) 사용한 살리실산의 무게 2.5g

2) 사용한 살리실산의 몰수 2.5g×1㏖/138.12g= 0.0181 ㏖

3) 사용한 아세트산 무수물의 부피 3㎖

4) 사용한 아세트산 무수물의 무게 3㎖×1.082g/1㎖ = 3.246g

5) 사용한 아세트산 무수물의 몰수 3.246g×1㏖/102.09g = 0.0317㏖

6) 이론상 얻어진 아스피린의 몰수 0.0181㏖(=사용한 살리실산의 몰수, 1:1반응이기 때문이다.)

7) 이론상 얻어진 아스피린의 무게 0.0181㏖ x 180.157g/1㏖ = 3.261g

살리실산 분자량 138.12 g/㏖        아세트산 무수물 분자량 102.09 g/㏖

아스피린 분자량 180.157 g/㏖       아세트산 무수물 밀도1.082 g/㎖

 

2. 아스피린의 실제 수득량

1) 건조된 아스피린과 거름종이의 무게 4.226g

2) 거름종이의 무게 0.809g

3) 얻어진 아스피린의 무게 3.417g

 

3. 아스피린의 수득률

수득률 = (얻어진 아스피린의 무게)/(이론상 얻어진 아스피린의 무게) x 100 

       = 3.417g/3.261g x 100 = 104.8%

실험 기구 및 시약

1. 실험 고찰

본 실험은 살리실산과 아세트산 무수물의 에스터화 반응을 이용해 아세틸살리실산, 즉 아스피린을 합성하는 실험을 진행하였다. 에스터화 반응이란 앞서 예비 보고서를 통해 설명했듯 알코올과 유기산의 반응이다. 이 실험에서 알코올로 -OH기가 존재하는 살리실산이 사용되었고, 유기산은 아세트산이 아닌 산 무수물인 아세트산 무수물이 사용되었다. 이 실험에서 합성한 아스피린은 불순물을 포함하고 있으며, 이에 대한 아스피린의 수득률과 실험 결과에 대한 분석은 다음과 같다.

1) 이론적 수득량

아스피린 합성 화학 반응식은 다음과 같다.

C7H6O3(살리실산) + (CH3CO)2O(아세트산 무수물) ↔ C9H8O4(아스피린) + CH3COOH(아세트산)

이 반응식을 통해 이론적 수득량을 구할 수 있는데, 이를 구하기 위해서는 반응에 사용된 살리실산과 아세트산 무수물 각각의 몰수를 구한 후 더 작은 값을 가진 물질을 한계반응물로 설정하여, 한계반응물의 소모량과1:1의 비율로 생성되는 아스피린의 몰수를 구할 수 있다. 그리고 나서, 구한 몰수를 아스피린의 분자량 180.157g/㏖을 이용해 계산하면, 이론적 수득량을 얻을 수 있다.

구체적인 계산과정은 아래에 나타냈다.

A.	① 사용된 살리실산의 무게: 2.5g 살리실산의 분자량: 138.12g/㏖ ② 사용된 살리실산의 몰수: 2.5g x 1 ㏖/138.12g = 0.0181㏖

 

B.	① 사용된 아세트산 무수물의 부피:3㎖ 아세트산 무수물의 밀도: 1.082g/㎖ ② 사용된 아세트산 무수물의 무게: 3㎖ x 1.082g/1㎖ = 3.246g 아세트산 무수물의 분자량: 102.09g/㏖ ③ 사용된 아세트산 무수물의 몰수: 3.246g x 1㏖/102.09g = 0.0317㏖

  

A와 B 과정을 통해 구한 살리실산과 아세트산 무수물의 몰수는 각각 0.0181㏖, 0.0317㏖이다. 따라서 더 작은 몰수가 사용된 살리실산이 이번 실험에서의 한계 반응물로, 이것과 1:1 비율로 생성된 아스피린의 몰수는 동일하게 0.0181㏖이다. 이때, 아스피린의 분자량은 180.157g/㏖이므로, 아스피린의 이론적 수득량은 0.0181㏖ x 180.157g/1㏖ = 3.261g이다.

 

2) 아스피린의 실제 수득량

감압 여과를 통해 얻은 아스피린을 3일간 건조한 후 측정된 무게는 4.226g, 사용된 거름종이의 무게는 0.809g이다. 따라서 본 실험에서 합성된 아스피린의 실제 수득량은 4.226g-0.809g=3.417g이다.

 

3) 수득률

아스피린의 수득률은 (얻어진 아스피린의 무게)/(이론상 얻어진 아스피린의 무게) x 100의 계산 과정을 통해 알 수 있다. 따라서, 본 실험에서의 수득률은 3.417g/3.261g x 100 = 104.8%이다.

 

2. 오차의 원인

본 실험에서는 수득률이 100%를 넘은 104.8%로, 4.8%이상의 오차가 발생하였다. 여기서 이상이라고 서술한 이유는 실제 아스피린 합성 실험에서 재결정 등의 불순물을 제거하기 위한 절차를 가지지 않았기에 순수한 아스피린을 100% 얻기 어렵기 때문이다.

1) 아세트산에서 완전히 증류되지 않은 아세트산 무수물이 사용되었을 가능성

2) 감압과정에서 오차가 발생: 감압 장치를 통해 여과하는 과정에서 입자의 소실, 즉 합성된 아스피린 미량이 같이 여과되었을 경우가 존재한다.

3) 불완전한 건조: 건조가 확실하게 이루어지지 않아, 아스피린의 질량을 측정할 때 오차가 발생했을 가능성이 있다. 이번 실험의 경우 수득률이 100%를 넘었으므로, 건조가 불완전하게 이루어졌을 가능성이 크다.

4) 불순물 존재: 수득률이 100%를 초과하는 경우, 불순물이 발생했을 가능성이 있다. 특히, 이번실험에서는 불순물 제거를 위한 재결정 과정을 가지지 않았으므로 그 가능성이 너무 크다.

 

5) 아스피린의 가수분해 : 아스피린과 물이 반응하면 C9H8O4(s) + H2O(l) → CH3COOH + C7H603와 같이 가수분해가 일어난다. 실험 중, 물을 넣어 남아있는 아세트산 무수물을 분해하는데, 이 과정에서 사용한 물의 영향으로 아스피린의 가수분해가 발생할 수 있다. 이러한 원인들로 인해, 오차가 발생할 수 있다.

 

6) 아세트산 무수물을 사용하는 이유

본 실험에서 에스터화 반응을 일으키는 데에 아세트산 대신 아세트산 무수물을 사용하는데, 이는 역반응인 가수분해를 방지하기 위함이다. 아세트산으로 아스피린을 만들 경우, 물이 발생하게 되는데, 이 물이 가수분해를 야기할 수 있기에 아세트산을 사용하지 않는다. 아세트산 무수물은 아세트산 2분자에서 물이 빠진 형태(CH3COOCOCH3)로 살리실산과 에스터 결합 시, 물을 생성하지 않는다. 그러나, 아세트산 무수물을 모두 반응시키기 위해선 결국 물을 첨가해야 하기 때문에 위의 오차 원인에서 언급한 것처럼 오차가 발생할 수 있다.

 

7) 인산의 역할

에스터화 반응은 산성 환경에서 매우 빠르게 진행된다. 따라서 반응을 활발하게 진행시키기 위해서 인산을 촉매로 첨가한다. 여기서 촉매로 똑같이 산성인 황산을 사용하지 않는 이유는 진한 황산의 경우 물과 반응하면 온도가 상승해 시험관이 터질 가능성이 존재하기 때문이다. 따라서 사용하기에 더 안전한 인산을 사용한다.

 

3. 결론

본 실험은 아스피린을 합성하고, 실험을 통해 얻은 아스피린의 수득률을 계산하는 실험이었다. 아스피린은 일상생활에서도 쉽게 접할 수 있고, 대부분의 사람들이 알고 있는 유명한 약물이라 관련실험에 개인적으로 관심이 있었고, 실험 동영상을 보고 관련된 이론들을 공부하는 등의 활동을 통해 지적 호기심을 충족할 수 있어서 좋은 기회였다고 생각한다.

관련된 이론을 공부하는 과정은 특히 필자에게 많은 도움을 주었다고 생각하는데, 그 이유는 일반화학에서 배운 내용들을 실험과 연관시켜 다시 복습하는 과정은 본 실험 뿐만이 아니라 다른 실험에도 많은 영향을 줄 수 있기 때문이다.

본 실험 에서 개인적으로 중요하다고 생각한 과정은‘여과 및 건조’과정인데, 그 이유는 이 실험에서 오차를 발생시킬 가능성이 가장 큰 과정이라고 생각했기 때문이다. 이전에 여과와 건조 과정이 필요한 실험을 진행한 적이 있는데, 그때에도 건조가 문제가 되어 오차율이 컸던 기억이 있다.

또한 이 두가지가 가장 주의를 가해야 하는 과정이라고 생각했다. 여과의 경우 물질의 손실을 최소한으로 줄여야 한다는 점에서, 건조의 경우 불순물의 첨가와 완벽하게 수분이 제거될 수 있도록 한다는 점에서 실험자의 경험과 관찰력을 많이 요구한다고 생각했다.

아스피린 합성 실험은‘실생활에서 접할 수 있는 물질’을 합성한다는 점에서 흥미로웠다. 그리고 유기 화합물의 합성과 관련해서 광학 이성질체까지도 이번 실험에서 다루었다면 더 좋았을 것 같다는 생각을 했다. 만약 입체화학적인 내용을 간단하게 라도 다루었다면, 이론으로만 배우던 이성질체의 개념을 실험을 통해 학습하고, 화학 물질의 구조와 형태의 중요성 및 역할을 직접 체감할 수 있는 기회가 될 수 있었을 것이라고 생각한다.

참고 문헌

 

1. 대한화학회, 표준 일반화학실험 제7개정판, 천문각, 283-287pp, 2015.

[Chemistry/일반화학] - [일반화학실험]아스피린의 합성 1부