#9. 아스피린 합성

1. 실험 제목 : 아스피린 합성

 

2. 실험 목적 : 가장 성공적으로 의약품의 하나인 아스피린의 합성을 통하여 유기 합성의 의미를 배운다,

 

3. 시약 및 실험기구 : 무수 아세트산, 살리실산, 인산

시약명	화학식	몰질량(g/mol)	녹는점(℃)	끓는점(℃)	밀도(g/mL)
무수 아세트산	C4H6O3	102.09	-73.1	139.8	1.08
살리실산	C7H6O3	138.121	159.0	211	1.443
인산	H3PO4	97.994	42.35	158	1.88

실험도구 : 항온조, 저울, 50mL 삼각플라스크, 비커, 유리 막대, 스탠드, 클램프, 눈금 실린더, 뷰흐너 깔대기, 감압 플라스크, 온도계, 거름종이

 

4. 이론

 

1) 유기 합성이란?

유기화합물을 합성하는 일로써 시작물질로부터 시작하여 여러 단계의 합성과정을 거쳐 이루어지며, 합성의 각 단계마다 중간물질을 여러 가지 물리화학적 방법으로 확인하고 정제하여 다음 합성 단계로 넘어간다. (정제란 다성분 물질에서 불순물을 제거하여 주성분의 순도를 높이는 과정을 말한다. 물질의 궁긍적인 특성을 알아내거나 순물질의 성질을 이용하여 새로운 재료를 얻기 위한 목적으로 정제한다. 예로는 재결정, 증류, 크로마토그래피, 추출 등의 방법이 있다.)

 

2) 아스피린이란?

아스피린은 1897년에 처음 합성된 가장 오래된 합성의약품으로 지금까지도 널리 사용되고 있는 해열진통제이다. 유기화합물인 아세틸살리실산의 구조는 방향족 벤젠고리와 카복실기, 에스터기가 결합된 비교적 간단한 구조로 구성되어있다. 아스피린은 진통, 해열, 항류머티즘, 혈소판 응집 저해제로 사용된다. 그 중 혈소판 응집 저해제의 경우 아스피린은 아스피린은 체내 프로트롬빈 생성을 억제해 혈소판 제거반응을 하게 된다. 이를 통해 항응고 작용을 통해 혈전을 예방하는 효과를 나타내게 되고 이 때문에 급성 심장마비에 사용한다. 그러나 통증 억제를 위해 복용할 경우 과다 출혈과 같은 부작용을 일으킬 수 있다. 진통 효과는 중추 신경의 억제 및 말초신경에 작용하며, 해열 효과는 간뇌 시상하부의 온열 중추에 작용하여 항상성 유지에 도움을 준다.

 

3) 에스터화 반응

하이드록시 그룹(-OH)을 가진 알코올과 카르복실릭 그룹(-COOH)을 가진 카르복실산이 반응하여 에스터 그룹(-COO)을 가진 에스터 물질을 형성하는 반응이다. 이때 알코올과 카르복실산은 산 촉매 하에서 만나 반응하게 된다. 참고로 산 무수물이나 탄염화물 알코올 및 페놀과 반응해 에스터를 형성하는 경우도 에스터화 반응에 속한다.

 

4) 아스피린의 합성 원리

1. 기본 방식

기본적으로는 살리실산과 아세트산을 활용한다. 살리실산의 하이드록시 그룹과 아세트산의 카르복실릭 그룹이 반응을 하게 된다. 분홍색으로 표시된 부분들이 떨어져 나가고 남은 부분들이 결합을 하게 된다. 여기에서 진한 황산은 산 촉매에 해당한다.

 

5） 인산을 촉매로 쓰는 이유

인산을 촉매로 쓰는 이유는 짝염기로서의 역할, 시약에 첨가된 수분의 양, 실험의 안전성 때문이다. 촉매는 반응을 촉진할 뿐 반응에 참여하지는 않으므로 H+ 양이온은 촉매로 쓰이고 회수 되어야 한다. 그래서 이 역할을 짝염기가 수행하게 된다. 그래서 염산의 경우 염소 이온이 이를 만족시키지 못하고 염산의 경우 시중에는 35% 염산이 판매되어 다량의 수분을 가지고 있어 오히려 합성 반응의 역반응인 가수분해를 일으켜 수득률이 낮아지는 결과를 야기한다. 황산은 산성이 매우고 점성이 있는 동시에 탈수 작용이 매우 강하게 일어나기 때문에 위험이 있다. 그래서 산 촉매로 인산을 사용하게 된다.

 

6）아스피린 합성의 확인

여러 가지 방법이 있으나 염화제이철(FeCl3)을 이용한 정색반응으로 확인할 수 있다. 환원 반응을 통해 색깔을 나타내게 되는 것인데 벤젠 고리를 가지는 페놀류가 검출에 이용되게 된다. 색을 띄게 되기 때문에 살리실산이 얼마나 남아있는지 확인이 가능하게 된다. (단점은 아스피린의 합성을 확인하는 것이 아니고 살리실산의 존재 여부를 확인하는 것이다. 따라서 간접적으로 확인하는 방법이다.)

TLC를 이용하는 방법이 있다. 이는 간편하고 비교적 정확하나 기료를 건조시켜 수분을 없애야 가능한 방법이다. 수분이 남아있다면 TLC로 확인하기 어렵다.

 

5. 실험방법

1.살리실산 2.5g을 100mL 삼각 플라스크에 넣어준다.

2.흄후드 안에서 아세트산 무수물을 바이알에 옮겨 스포이트로 바이알에서 삼각 플라스크에 3mL 옮겨 넣어준다. (이때, 용기 벽에 묻은 살리실산을 모두 씻어낼 수 있도록 용기 벽을 따라 무수물이 흘러내리도록 해준다.)

3.흄후드 안에서 85% 인산을 바이알에 옮겨 스포이트를 이용해 바이알에서 삼각 플라스크에 3~4 방울을 넣어 준다.

4.항온조의 온도가 70~80℃에 달하는지 온도계로 확인하고 확인되면 삼각 플라스크에 리드링을 끼우고 항온조에 넣어주어 가열하여 반응시켜 준다. 시간이 흐르면 용액이 투명해진다.

5.반응이 다 된 것 같으면 증류수 2mL를 삼각 플라스크에 넣어 남은 아세트산 무수물을 분해시킨다. 증류수를 넣으면 아세트산 증기가 발생하면서 용액이 잠시 뿌옇게 변했다가 다시 투명해진다.

6.아세트산 증기가 발생하지 않으면 플라스크를 물중탕에서 꺼내 증류수 20mL를 넣어주고 실온에서 냉각시킨다. 용액이 뿌옇게 변하면서 아스피린이 석출된다. (아스피린 결정이 잘 생겨나지 않으면 얼음물로 냉각시키고 유리 막대로 플라스크 안쪽을 긁어 준다.)

7.여과기의 거름종이를 증류수로 미리 적셔주고 생성된 결정을 유리 막대에 흘려주며 여과기로 옮겨 걸러준다. 플라스크에 남은 결정은 증류수로 씻어 옮겨준다.

8.공기 중에서 거름종이의 합성물을 건조시켜 질량을 측정한다.

 

6. 주의사항

에터 화합물은 인화성 물질이기 때문에 가열기 근처에서 취급하지 않는다.

아세트산 무수물에 물을 가하여 분해시키면 뜨거운 증기가 발생하므로 주의한다.

합성한 아스피린은 순수하지 않으므로 주의한다.

 

7. 관찰

저울에 거름종이를 올려 영점을 맞추고 살리실산 2.5g을 측정한다. 그 후 흄후드 안에서 플라스크에 무수 아세트산 3mL와 인산 3~4방울을 스포이트로 옮긴다.

항온조에 플라스크를 넣어주어 반응을 진행시킨다. 그 후 반응이 마무리된 것 같으면 증류수 2mL를 넣어준다. 넣어주고 아세트산 증기가 발생하나 이내 없어진다.

삼각 플라스크에 증류수 20mL를 넣어주고 실온에서 냉각시켜준다. 살리실산 결정이 생겨나는 것을 확인하고 잘 생기지 않으면 얼음물에서 냉각한다.

거름종이의 질량을 미리 측정하고 합성된 살리실산을 여과기에 걸러주고 건조시켜준다. 그리고 합성물과 거름종이의 질량을 함께 측정한다,

살리실산의 몰수(mol): 0.018mol

아세트산 무수물의 부피(mL): 3mL

아세트산의 무수물의 질량(g, 밀도=1.087g/mL): 3.261g

아세트산 무수물의 몰수(mol): 0.03194mol

살리실산과 아세트산 무수물의 몰분율: 살리실산-0.36, 무수 아세트산-0.64

몰분율에 기초하여 어떤 물질이 한계 반응물인가? 살리실산

아스피린의 이론적 질량(g): 3.2g

거름종이의 질량(g): 0.711g

거름종이에 걸러진 아스피린의 질량(g): 3.494g

수득한 아스피린의 질량(g): 2.783g

수득률(%): 87%

 

8. 토의

1. 오차 원인 분석

수득량이 이론 합성량에 달하지 못하는 이유는 인산이 원인일 것이다. 우리는 실험에서 85% 인산을 사용하였다. 물론 염산보다는 나은 방식이었지만 황산보다는 물이 더 존재하게 된다. 그래서 아마 이 물이 이번 실험의 역반응인 가수분해 반응을 촉진하여 수득률이 13% 정도 낮게 측정되었을 것이라 생각된다. 또한 인산의 짝염기로서 역할도 고려가 된다. 위의 짝산-짝염기 표에서 보아도 인산의 H2PO4-는 염기로서의 세기가 낮은 편이다. 그래서 짝염기로서 역할이 충실히 이루어지지 않아 수득률이 이론보다 낮을 수 있다. 또한 아스피린 결정이 생성되고 플라스크에 남은 결정을 걸러내는 과정에서 플라스크 내부를 증류수로 씻어 내는 과정에서 증류수가 많이 사용되어 결정이 오히려 녹았을 수도 있다. 또한 이번 실험에서 합성된 아스피린은 순수한 물질이 아니라 혼합물이기에 이때 더불어 일어난 반응이 합성 반응을 저해시켰을 수도 있다.

 

2. 이론이 어느 부분에서 적용되었는가?

살리실산이 무수 아세트산과 반응하여 아스피린을 형성하여 삼각 플라스크 내부 용액이 뿌옇게 변하는 것에서 앞서 구조식으로 작성한 화학 반응식에서 하이드록시 그룹과 카르복실릭 그룹이 반응하여 에스터기를 형성하는 과정을 확인할 수 있었다. 또한

 

3. 정색 반응

염화제이철을 이용한 정색반응의 경우 염화제이철은 진한 갈색을 가지고 있는 시료다. 이를 아스피린만 들어있는 수용액에 몇 방울 떨어트려도 색의 변화는 일어나지 않는다. 그러나 살리실산이 들어있는 수용액에 염화제이철을 떨어트리면 색의 변화가 다음과 같이 일어난다.

살리실산 수용액	살리실산 수용액+염화제이철	아스피린 수용액	아스피린 수용액+염화제이철