[화실] 실험03 - 아스피린 합성
1. Introduction
1.1 실험 동기 및 목적
아스피린은 진통제와 해열제로 사용되는 가장 대중적인 의약품 중 하나이다. 아스피린은 아세틸 살리실산이라는 화학명이 있으며, 버드나무 껍질에서 비롯된 살리실산의 하이드록시키를 아세틸기와 에스테르화 반응을 통해 유기산으로 합성한 것이다. 화학과 약학 전반에 걸쳐 큰 의미가 있는 아스피린을 실험실에서 직접 합성하고, 재결정을 통해 정제하여 순도 높은 아스피린을 수득하는 것이 이번 실험의 목표이다.
2. Theory
2.1 이론적 배경
2.1.1 작용기 (Functional Group)
작용기, 혹은 Functional group이란, 유기화학에서 분자의 주요한 화학 반응에 관여하는 분자 내의 특정 부분, 혹은 치환기를 의미한다. 즉 동일한 작용기를 가진 두 물질은 유사한 화학적 반응을 보이게 된다. 일반적으로 작용기는 다음과 같은 것들이 존재한다.
Figure 1. 여러 종류의 작용기들
2.1.2 반응 매커니즘 (Reaction Mechanism)
반응 매커니즘이란 화학 반응이 일어나는 세부적인 부분을 알아보는 것으로, 물질들 간에 전자 교환 수준까지의 step으로 쪼개어 화학 반응을 설명한다. 반응 매커니즘을 통해 어떠한 과정으로 반응이 일어나는지, 그 자발성에 대해 알 수 있으며, 생성물과 부산물이 얻어지는 과정과 촉매의 이용까지 명확히 설명할 수 있다. 또한, 반응속도론에서 각 step의 반응을 이해하여 속도 결정단계를 파악하는 방법으로 반응 매커니즘을 이용한다. 단순히 반응물과 생성물을 각각 좌변과 우변에 기록하는 화학식과는 다르게 루이스 전자점식을 이용하여 실제로 전자의 교환을 화살표로 표시한다. 이 때 전자 한 쌍이 움직이는 경우 온전한 화살표를, 전자 한 개가 움직이는 경우 반쪽짜리 화살표로 표시하게 된다. 아래 그림은 각각 전자쌍과 하나의 전자가 이동하는 단일 step 반응 매커니즘에 대한 그림이다. 반응 매커니즘의 step이 많고 한 눈에 반응의 진행을 이해하기 어려운 유기화합물의 경우에는 반응 매커니즘을 이용한 반응의 분석이 필수적이다.
Figure 2. 물의 생성과 브로민 기체의 반응에 대한 반응 매커니즘
2.1.3 에스테르화(Esterification)
에스터화, 혹은 에스테르화는, 카복실산과 알코올의 탈수반응으로 에스터와 물이 생성되는 반응을 뜻한다. 카복실기의 -OH의 수소와 알코올의 작용기가 만나 탈수축합반응을 일으키면서 반응이 일어나게 산소를 기준으로 두 탄소사슬이 연결되며 물이 빠져나오게 된다. 대표적인 예로 생물의 DNA에서 뉴클레오타이드 간의 결합에서 에스테르화에 의해 뉴클레오타이드간의 에스터 결합이 형성된다.
Figure 3. 에스테르화 과정의 반응 매커니즘
에스테르화 과정에서 수소 이온이 필요하기 때문에 산 환경에서 해당 반응이 진행됨을 알 수 있으며, 산성 촉매 또한 필요한 경우가 있다.
2.1.4 한계 반응물 (Limiting Agent)
한계 반응물이란, 화학 반응의 반응물 중 가장 먼저 소모되는 반응물을 의미한다. 화학 반응식에서 계수 비만큼의 반응물이 필요하므로, 반응물의 몰수를 반응물의 계수로 나누었을 때 가장 작은 화학종이 한계 반응물이 될 것이다. 예를 들어, 수소와 산소 기체로 물을 만드는 반응에서 수소 기체가 5mol, 산소 기체가 3mol 존재한다면 해당 반응에서의 한계 반응물은 수소가 될 것이다. 산소 기체가 모두 반응하려면 수소 기체가 6mol 필요하기 때문이다. 한계 반응물은 화학 평형을 고려하지 않은 것이므로, 역반응보다 정반응이 매우 우세한 반응에서 이러한 개념을 사용할 수 있을 것이다.
2.1.5 재결정 (Recrystallization)
재결정이란, 용매에 대한 용질의 용해도 차이를 이용하여 결정으로부터 불순물을 제거하고 순도를 높이는 방법이다. 대부분의 고체 결정의 경우 온도가 증가함에 따라 용해도가 증가하므로, 불순물이 포함된 결정을 뜨거운 용매에 모두 용해시킨 후 이를 냉각 후 감압여과 하여 용해도 감소에 의해 생성된 순도 높은 결정을 얻는 방법이다.
2.1.6 르 샤틀리에의 원리 (Le Chatelier’s Principle)
르 샤틀리에의 원리란, 화학 평형 이론에서 반응물이나 생성물의 농도, 외부 압력이나 온도를 변화시켰을 때 화학 평형이 해당 변화를 상쇄시키는 방향으로 이동하는 것을 의미한다. 만약 반응물에 해당하는 화학종의 농도를 높이게 된다면, 해당 화학종의 농도가 감소하는 반응, 즉 정반응으로 평형이 이동하게 되며, 정반응이 발열반응인 반응에서 외부 온도가 증가하면 온도를 다시 감소시키기 위해 역반응인 흡열반응이 일어나게 될 것이다. 마찬가지로 외부 압력이 증가한다면 반응식에서 압력을 줄이는 방향, 즉 기체 화학종의 계수의 합이 작은 쪽으로 평형이 이동하게 될 것이다.
3. Procedure
3.1 실험 준비물
살리실산 2.5g, 아세트산 무수물 3ml, 삼각플라스크, 85% 인산, 증류수, 얼음, Diethyl ether(디에틸 에테르), Petroleum ether(벤진), 삼각 플라스크, 스탠드와 클램프, 알코올 램프, 감압 여과장치, Filter(거름종이), 유리막대, 오븐
3.2 실험 방법
3.2.1 아스피린의 합성
- 알코올 램프, 스탠드와 클램프를 이용하여 물 중탕 장치를 준비한 뒤 미리 물을 데운다.
- 살리실산 2.5g과 아세트산 무수물 3mL를 건조된 50mL 삼각 플라스크에 넣는다. 이후 물을 용기 벽에 묻은 살리실산을 씻어내듯이 넣은 다음 물 중탕으로 가열한다.
- 산 촉매의 역할을 할 85% 인산 3~4방울을 가열 중에 넣고, 용액이 모두 용해되어 맑아질 때까지 70~80℃로 15분가량 유지시킨다.
- 아세트산 무수물이 남아 있다면 증류수 2mL를 더 넣어 분해 시킨다.
- 플라스크를 물중탕에서 꺼내 추가로 증류수 20mL를 넣어주고, 실온까지 냉각한다.
- 침전이 생기지 않을 경우 플라스크를 얼음이 든 수조에 넣어 냉각시키고 유리막대를 이용하여 플라스크 안에 묻은 결정을 긁어 준다.
- 오븐에 넣어 건조된 Filter Paper의 무게를 측정 후 생성된 침전물을 5mL의 차가운 물을 이용해 씻어내어 건조된 Filter Paper 위에 올려준다.
- 감압 장치를 작동시키고 난 뒤 Filter Paper 위에 남은 아스피린을 120℃ 오븐에서 약 5분간 건조 시켜 수분을 제거하고, 오븐에서 꺼내어 무게를 측정한다.
3.2.2 아스피린의 재결정
- 2.2.1에서 얻은 아스피린 1g을 측정하여 삼각 플라스크에 담는다.
- 무극성 용매의 역할을 하는 15mL 정도의 diethyl ether를 삼각 플라스크에 넣고 50℃ 물중탕으로 가열하여 녹인다. 만약 아스피린이 모두 녹지 않으면 diethyl ether를 더 추가하여 모두 용해시킨다.
- 물중탕을 멈추고 Petroleum ether 15mL를 가하고, 용액을 젓지 않고 얼음물에 담가둔다.
- 시간이 지나면 흰색 바늘 형태의 결정이 생기는데, 이를 걸러 소량의 Petroleum ether로 씻은 후 건조시킨다.
- 재결정된 아스피린의 질량을 측정하여 수득률을 계산하고, 결정의 녹는점을 측정한다.
4. Data and Results
4.1 실험 데이터
4.1.1 실험 1 – 아스피린의 합성
아스피린 합성 실험에서 사용된 살리실산의 질량은 2.569g이며, 오븐을 통해 수분을 제거한 Filter Paper 2장의 무게는 1.364g, Filter Paper 2장과 합성된 아스피린 결정의 질량의 합은 5.303g이었다. 원래 Filter Paper의 무게를 뺀 순수한 아스피린의 질량은 (5.303-1.364)g = 3.939g이다.
| 실험 전 | 실험 후 | |
|---|---|---|
| 종류 | 살리실산 | 아스피린 |
| 질량 | 2.569g | 3.939g |
undefined Table 1. 실험 전후의 질량
4.1.2 실험 2 – 아스피린 재결정 실험
아스피린 재결정 실험에서 사용된 아스피린의 질량은 1.035g이었으며, 재결정 후 얻어진 아스피린의 무게는 4.1.1과 같이 Filter Paper 2장과 아스피린 질량의 합에서 순수한 Filter Paper의 질량을 빼 구하였다. Filter Paper 2장과 재결정된 아스피린의 질량은 1.874g, Filter Paper 2장의 질량은 1.351g이므로, 재결정된 순수한 아스피린의 질량은 0.523g이다.
| 실험 전 | 실험 후 | |
|---|---|---|
| 질량 | 1.035g | 0.523g |
undefined Table 2. 실험 전후의 아스피린의 질량
4.2 실험 결과 분석
4.2.1 실험 1 – 아스피린 합성 반응의 정량적 분석
먼저, 아스피린 합성 반응식을 확인해 보자.
Figure 4. 살리실산의 에스터화 반응
Figure 4를 통해 아세트산 무수물과 살리실산이 1:1로 반응한다는 사실을 알 수 있다. 반응물로 사용한 살리실산과 아세트산 무수물의 질량과 부피가 각각 주어져 있으므로, 이를 통해 몰수를 계산해보자. 살리실산의 분자량은 138.122g/mol이므로, 2.569g의 살리실산의 몰수는 0.01860mol이다. 또한, 사용된 아세트산 무수물의 부피는 3mL, 밀도는 1.08g/mL, 분자량은 102.09g/mol[2]이므로, 유효숫자를 고려하면 0.03mol의 아세트산 무수물이 반응하였다. 반응물 중 살리실산의 몰수가 더 작으므로, Limiting Agent, 즉 한계 반응물은 살리실산이다. 또한 살리실산과 아스피린(아세트살리실산)의 계수비가 1:1이므로, 실험을 통해 얻을 수 있는 아스피린의 몰수의 최댓값 또한 살리실산의 몰수인 0.01860mol과 동일하다. 아스피린의 분자량 180.16g/mol을 곱하면, 아스피린의 이론적 수득량이 3.351g임을 알 수 있다. 이러한 정보를 표로 정리하면 다음과 같다.
| 금속 | 살리실산 | 아세트산 무수물 | 아스피린 | 아세트산 |
|---|---|---|---|---|
| 질량 [g] | 2.569 | 3.24 | 3.351 | 1.117 |
| 분자량 [g/mol] | 138.122 | 102.09 | 180.16 | 60.052 |
| 몰수[mol] | 0.01860 | 0.03 | 0.01860 | 0.01860 |
undefined Table 3. 아스피린 합성 반응에서의 이론값 (살리실산이 Limiting Agent)
이론값과 실제 수득된 양의 비율을 % 단위로 나타낸 것이 수득율이다. 이를 구해보면,
\[yield= \frac{M_{exp}}{M_{theorical}}\times 100=117.5%\tag{1}\]수득율이 117%로 100%를 초과하였다는 사실을 알 수 있다. 실제로 수득율은 이론상 얻을 수 있는 생성물의 최댓값이므로, 올바르게 진행된 화학반응에서의 수득률은 100% 이하여야 한다. 그러나 본 실험에서의 수득률이 100%를 초과하였으므로, 몇 가지 전제조건 중 일부분이 만족되지 않았을 것으로 예측할 수 있다. 수득률이 100%를 초과한 원인에 대한 오차 분석과 개선 방안은 아래 discussion에서 다루기로 한다.
4.2.2 실험 2 – 아스피린의 재결정
재결정 실험에서 또한 수득율을 구해볼 수 있는데, 처음 재결정에 사용한 살리실산의 질량이 1.035g, Filter paper 2장의 질량이 1.351g, Filter Paper 2장과 재결정된 살리실산의 질량이 1.874g이므로, 수득률을 계산할 수 있다.
\[yield= \frac{M_{exp}}{M_{theorical}}\times 100=\frac{1.874-1.351}{1.035}\times 100=50.53%\tag{2}\]또한, 4.1.1과 4.1.2를 합친 전체 아스피린 합성 및 재결정 실험에 대한 수득률은 식 (1)에서의 수득률과 식 (2)에서의 수득률을 곱한 것과 같다. 이를 구해보면,
\[yield_{total}= 1.175\times 0.5053\times 100=59.37%\tag{3}\]4.2.3 아스피린의 반응 매커니즘
Figure 5. 아스피린 합성 반응 매커니즘
Figure 5.는 아스피린 합성 반응의 매커니즘을 나타낸 것으로 이를 설명하면 다음과 같다. 먼저 인산 촉매로 인해 Acid 환경에서 아세트산무수물의 한쪽 산소와 인산의 수소 하나가 결합한다. 이후 살리실산의 수산기와 앞서 인산과 결합한 쪽의 메틸기가 결합한다. 이와 동시에 산소와 탄소의 이중결합이 끊어진다. 앞선 단계에서 수소 이온을 잃은 인산 1가 음이온이 다시 수소 이온을 가져가면서 원래의 인산으로 돌아가게 되고, 형식전하가 +1이던 산소를 기준으로 아세트산 이온이 분리된다. 마지막으로 아세트산 이온이 전자를 아세트살리실산 이온에게 주면서 반응이 종결된다. 이 때 촉매로 작용하였던 인산은 반응 전후에 변화가 없음을 확인할 수 있다. [1]
5. Discussion
5.1 아스피린 합성 실험과 재결정 실험에서의 수득률에 대한 오차분석
실험 1, 즉 아스피린을 합성한 실험에서는, 이론적 최대 수득량인 3.351g보다 많은 3.939g을 얻을 수 있었다. 100%보다 높은 수득률은 화학적으로 모순이 되는 경우이기 때문에, 정제한 아스피린의 순도에 문제가 있다는 결론을 내릴 수 있다. 즉 재결정 과정을 거치지 않고 처음 합성된 아스피린은 불순물이 존재하는 상태라는 뜻이다. 불순물로 예측되는 물질은 또다른 생성물인 아세트산인데, Filter Paper를 이용하여 거르는 과정에서 수분이 제거되지 않은 아스피린이 Filter Paper 위에 올려졌고, 아스피린 속 물에 아세트산이 용해되어 있는 상태인 것이다. 이후 오븐을 통해 수분을 제거했다 하더라도 수분만 증발하고 아스피린 결정 사이에 아세트산이 남아 있었을 것으로 추정된다. 추가로 살리실산이 전부 아세트산과 반응하지 않아 살리실산 또한 불순물로 남아있을 가능성이 존재한다.
이후 실험 2, 즉 아스피린의 재결정 실험에서는 Diethyl ether와 Petroleum ether라는 무극성 용매를 이용하여 재결정하였기 때문에, 재결정된 아스피린에서는 불순물의 농도가 낮은, 보다 순수한 상태가 되었을 것이다. 이로 인해 원래의 아스피린에서 질량비로 50.53%의 수득률을 얻을 수 있었으며, 실험 1과 실험 2에 대한 전체 수득률은 59.37%가 도출되었다. 아스피린 합성 실험에서 수득률을 높이기 위해서는 다음과 같은 방법을 사용할 수 있다. 먼저 재결정 과정을 거치기 전 감압 여과장치에서 물을 이용하여 아세트산을 용해시켜 없애는 방법으로 아스피린의 순도를 높일 수 있으며, 실험 과정에서 가루의 손실을 줄인다면 수득률을 높일 수 있을 것이다. 또한, 아세트산 대신 아세트산 무수물을 사용하였기 때문에 수득률을 높이게 되었는데, 아세트산 무수물 대신 아세트산을 사용하게 될 경우 에스테르의 가수분해 반응이 동시에 일어나 수득률이 매우 떨어진다. 아세트산 무수물은 상온에서 물과 반응하여 아세트산 두 분자로 바뀌는데, 본 실험에서도 물을 사용하였으므로 아세트산이 생겨 수득률을 낮추었을 수 있다.더 자세한 반응 매커니즘은 아래의 Assignment에서 서술하였다.
5.2 아스피린 합성 실험에서 반응용액을 가열하는 이유
아스피린 합성 실험에서 반응 용액을 가열하는 이유는 크게 2가지이다. 아스피린 합성 반응의 정반응이 흡열 반응이기 때문에 반응 용액을 가열할 경우 르 샤틀리에의 원리에 의하여 정반응 쪽으로 평형이 이동하기 때문에 수득률을 높일 수 있다. 수득률을 높이기 위해 중탕의 온도를 더 높이는 것도 하나의 방법이 될 수 있다.
두번째로, 화학 반응속도론에 따라 온도가 높으면 유효충돌이 많이 일어나고, 이로 인해 반응 속도가 증가하여 빠르게 아스피린을 얻을 수 있다. 제한된 시간동안 반응을 일으키기 때문에 반응 속도가 빠를수록 한계반응물이 모두 소모될 때까지 빠르게 반응이 일어날 것이므로, 이 또한 수득률을 높이는 방법 중 하나로 볼 수 있다.
5.3 아스피린이 합성되었는지 알아보는 방법
기존 반응물인 살리실산과 아스피린의 가장 큰 차이점은 살리실산은 페놀류이고, 아스피린은 그렇지 않다는 것이다. 이러한 차이점을 이용하여 살리실산이 모두 아스피린으로 변하였는지를 눈으로 확인할 수 있는데, 이 것이 페놀류의 정색반응을 이용한 방법이다. 페놀류의 정색반응은, 페놀기를 포함하고 있는 물질이 3가 양이온인 철과 만나면 결합하여 색이 변하는 성질을 이용한 것이다. 즉 살리실산의 경우 페놀이므로 FeCl3와 만나면 HCl과 OFeCl2 형태가 되며 페놀이 철 원소에 결합하게 된다. 이때 나타나는 보라색은 전이 금속의 결정장 갈라짐에 따라 해당 에너지를 빛의 파장으로 바꾸었을 때 그 보색에 해당하는 색을 의미한다. 살리실산이 모두 소모되고 아스피린이 합성되었는지 확인하기 위해 3가 염화 철을 넣었을 때 보라색이 생기지 않는다면, 대부분의 살리실산이 아스피린으로 합성되었다고 결론 내릴 수 있을 것이다.
6. Conclusion
본 실험을 통해 아스피린을 합성하고 재결정하여 순도 높은 아스피린을 실험실에서 수득할 수 있었으며, 약 50%라는 수득률을 구할 수 있었다. 실험에서 아세트산이 아닌 아세트산 무수물을 사용하는 이유가 에스테르의 가수분해반응으로 인한 수득률 저하를 막기 위함이며, 촉매로써 사용된 인산의 쓰임새를 확인하였다. 낮은 수득률을 높일 수 있는 방법에 대해서는 반응 속도를 높이고 르 샤틀리에의 원리를 통해 정반응 쪽으로 평형을 옮길 수 있도록 반응시 온도를 높이는 방법을 제시하였다.
7. Reference
[1] Walter Scharf and Charles Malerish, “The Synthesis of a Medicinal Agent- Aspirin), Natural Sciences/Chemistry, Baruch College New York. (2020. 09.)
[2] Jean-Claude Bradley 외, “Open Notebook Science Challenge Solubilities of Organic Compounds in Organic Solvents” (2010)
[3] Lisa Nichols, “Mixed Solvents”. (2021)
https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_Lab_Techniques_(Nichols)/03%3A_Crystallization/3.03%3A_Choice_of_Solvent/3.3F%3A_Mixed_Solvents (접속일 : 2021.09.30.)
8. Assignment
8.1 왜 아세트산 대신 아세트산 무수물을 사용하는지 서술하시오.
만약 아세트산 무수물 대신 아세트산을 사용할 경우 생성물로 아세트산이 아닌 물이 생성되며, 산성 환경에서 물은 에스테르의 가수분해 반응을 촉발한다. 즉 아스피린이 가수분해되어 다시 아세트산과 살리실산으로 돌아가는 역반응이 진행된다는 것이다. 이러한 역반응은 수득률을 현저히 낮추는 원인이 되므로, 아세트산 무수물을 사용하여 생성물로 물이 생성되는 것을 막기 위함이다.
8.2 아스피린 합성 매커니즘을 자세히 그리고, 그 과정에서 촉매의 역할이 무엇인지 설명하시오.
앞서 설명한 살리실산의 에스터화 반응에 대한 반응 매커니즘을 그대로 가져왔다. 먼저 인산 촉매로 인해 Acid 환경에서 아세트산무수물의 한쪽 산소와 인산의 수소 하나가 결합한다. 이후 살리실산의 수산기와 앞서 인산과 결합한 쪽의 메틸기가 결합한다. 이와 동시에 산소와 탄소의 이중결합이 끊어진다. 앞선 단계에서 수소 이온을 잃은 인산 1가 음이온이 다시 수소 이온을 가져가면서 원래의 인산으로 돌아가게 되고, 형식전하가 +1이던 산소를 기준으로 아세트산 이온이 분리된다. 마지막으로 아세트산 이온이 전자를 아세트살리실산 이온에게 주면서 반응이 종결된다. 이 때 촉매로 작용하였던 인산은 반응 전후에 변화가 없음을 확인할 수 있다. 이 반응을 통해 인산 촉매는 아세트산 무수물에 양성자를 제공하여 아세틸화 반응이 일어날 수 있도록 촉매 역할을 해주게 된다.
8.3 재결정의 원리를 고려했을 때 왜 diethyl ether와 petroleum ether, 2개의 solvent가 사용됐는지 설명하시오.
이렇게 2개의 solvent를 사용하는 경우에 solvent pair method라고 하며, 이 때 두 solvent 중 하나는 용질에 대한 용해도가 높고, 다른 solvent은 용질에 대한 용해도가 낮아야 한다. 또한 두 solvent는 서로 잘 섞여야 한다. 단일 solvent에 의한 재결정은 단순히 온도 차이에 의한 용해도 차이에 따른 효과만을 고려한 것이지만, 용해도가 서로 다른 두 용매를 이용할 경우 온도를 낮추었을 때 용해도가 낮은 용매에 대해 과표화 상태가 되므로 더 결정이 많이 생기게 된다.[3]