아스피린 합성 예비리포트

1. 서론

1. 제목

아스피린 합성

2. 목적

1. 아스피린의 간단한 합성을 통하여 화학량론을 이용한 화학반응을 이해하며, 화합 물의 작용기에 따른 반응성을 경험한다.

2. 아스피린 합성을 통해 한계반응물과 초과 반응물을 이해하며, 퍼센트 수득률($ % yield $)을 계산한다.

3. 해열제 또는 진통제로 사용되는 아스피린을 합성, 정제함으로써 일상생활에 가까 이 있는 화학약품을 직접 제조하는 경험을 한다.

2. 본론

1. 원리

아스피린의 합성과정은 알코올과 카복실산이 반응하여 에스터가 생성되는 반응이다. 이 과정을 통하여 실생활에 매우 유익한 아스피린을 쉽게 합성할 수 있다. 아스피린은 아세틸 살리실산($ acetyl salicylicacid $)이라는 화합물로 방향족 벤젠 분자에 카복실기와 에스터기가 결합된 비교적 간단한 구조로 되어 있다.

합성 의약품 중에서 가장 성공적인 것으로 알려진 아스피린은 유기산의 일종으로 값이 저렴한 화합물인 살리실산에 결합되어 있는 작용기 $ -OH $를 에스터화 반응($ esterification $)으로 변환시켜서 합성할 수 있다.

에스터화 반응은 산성용액에서 매우 빠르게 진행되며, 카복실산 대신에 카복실 무수물($ carboxyl anhydride $)을 사용하기도 한다. 실제 우리 실험은 카복실 무수물($ carboxyl anhydride $)을 사용하여 진행한다.

대부분의 에스터는 자연적으로 생성되며 꽃, 식물, 과일의 냄새와 맛을 내는 원인이다. 또한 공업적으로는 페인트, 광택제 및 액체 아교 같은 물질을 녹이는 용매로서 사용된다. 에스터는 알코올을 유기산과 반응시키면 생성되고 추가로 물 분자가 생성된다. 에스터에 과량의 물과 촉매로 소량의 강산을 넣고 가열하면 다시 알코올과 산으로 쉽게 분해된다.

이번 아스피린의 합성 실험에서는 카복실 무수물로 아세트산 무수물($ acetic anhydride $)을 이용하고, 촉매로 인산을 사용한다. 아스피린의 합성은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

이번 실험에서 살리실산은 한계반응물로 아세트산 무수물은 초과반응물로 반응시켜서 살리실산이 반응이 종결된 이후에는 남아 있지 않도록 반응시켜야 한다.

합성한 아스피린은 불순물을 포함하고 있기 때문에 그대로 의약품으로 사용할 수는 없고, 재결정 방법으로 정제하여야 한다. 순수한 아스피린의 녹는점은 135 ℃이다.

화학반응의 퍼센트 수득률($ %yield $)은 다음 그림을 이용하여 먼저 균형화학식을 쓰고, 화학량론을 이용하여 이론적 생성물의 양을 계산한 후 구할 수 있다.

2. 기구 및 시약

2-1. 기구

50 mL 삼각플라스크, 비커, 피펫, 교반자석, 교반기, 깔때기(funnel), water bath, 스탠드, 집게, 온도계, 여과지, 유리막대, 핀셋, glass filter, ice maker, 얼음

2-2. 시약

살리실산, 인산($ H_{3}PO_{4} $), 초산무수물($ acetic anhydride $), 증류수, 다이에틸 에터($ diethyl ether $), 석유 에터($ petroleum ether $)

3. 방법 및 주의사항

1. 아스피린 합성

ㄱ. 완전히 건조된 50 $ mL $ 삼각플라스크에 살리실산 2.5xxx $ g $을 화학저울로 측정하 여 넣는다.

ㄴ. 초산무수물 3.0 $ mL $로 삼각플라스크 기벽에 묻은 살리실산을 씻어 내린다.

ㄷ. 촉매로는 85% 인산을 소량(0.5 $ mL $) 가하고 교반자석을 조심스럽게 넣는다.

ㄹ. 삼각플라스크를 물중탕 장치에 넣고 가열한다. Hot plate dial 4를 넘지 않도록 주의한다.

ㅁ. 온도를 80~85 ℃로 유지하면서 30분간 가열하여 반응을 완결시킨다.

ㅂ. 증류수 3 $ mL $를 조심스럽게 플라스크에 가하여 남아 있는 초산무수물을 분해시킨다(왜 반응이 종결되었는데 초산무수물이 남아 있어 증류수를 가하는지 결과 레포트에 기록할 것).

ㅅ. 증기가 발생하다가 더 발생하지 않으면 물중탕 장치에서 꺼내어 증류수 30 $ mL $를 더 가하고 실온까지 냉각시킨다. 이때 아스피린 결정이 생기게 된다(ice bath를 사용하면 결정이 빨리 생성).

ㅇ. 생긴 결정을 감압 여과하여 걸러준다. 차가운 증류수를 사용하여 결정을 씻어준다.

ㅈ. 여과지 무게를 미리 측정하여 기록한 뒤 아스피린 결정을 일주일 동안 후드 및 데시케이터에서 건조시킨다.

ㅊ. 다음 실험시간에 잘 말린 아스피린의 무게를 측정하여 수득률을 계산하고, 녹는 점을 측정한다. 또한 합성한 아스피린은 ‘TLC’ 및 ‘생활 속의 산-염기’ 실험 시료로 사용된다.

2. 아스피린 정제(재결정)

ㄱ. 50 $ mL $ 삼각플라스크에 합성한 아스피린 1.0 $ g $정도를 넣고 다이에틸 에터 (diethyl ether) 5 $ mL $를 가하여 완전히 녹인 후, 석유 에터($ petroleum ether $) 15 $ mL $를 조심스럽게 한 방울씩 가한다(다이에틸 에터에 잘 녹지 않으면 물 중탕으로 가열하여 녹인 후, 그래도 녹지 않는 결정은 여과하여 제거).

ㄴ. 용액을 젓거나 흔들지 말고 가만히 놓아두어 결정이 생기도록 한다(결정이 잘 생성되지 않으면 얼음물에 담근다).

ㄷ. 생성된 결정을 glass filter를 사용하여 거르고 소량의 석유 에터로 씻은 후 건조시킨다.

ㄹ. 재결정한 아스피린의 녹는점을 측정하고, 재결정 전의 아스피린의 녹는점 및 TLC와 비교한다.

3. 주의사항

ㄱ. 에터 화합물은 인화성 물질이기 때문에 반드시 후드에서 취급한다.

ㄴ. 아세트산 무수물은 식초와 유사한 냄새가 나고, 과량의 아세트산 무수물에 물을 가하여 분해시키면 뜨거운 증기가 발생하므로 조심해야 한다.

ㄷ. 이 실험에서 합성한 아스피린는 순수하지 않으므로 절대로 복용하지 않도록 한다.

ㄹ. 이번 실험에서 사용하는 물의 부피는 정량 실험이 아니므로 피펫을 사용하여 정확하게 취하지 않아도 된다.

3. 참고

1. 아스피린의 역사

아스피린은 화학명이 아세틸살리실산이며 의사의 처방 없이도 사먹을 수 있는 해열 진통제로 독일의 바이엘사가 1899년에 분말 형태로 시판하기 시작했다. 우리가 흔히 먹는 알약은 1915년에 나왔다.

고대 서양의학 선구자인 히포크라테스는 버드나무 껍질의 해열 및 진통 작용을 발견했다. 그 후 18C 영국 스톤 목사가 버드나무 껍질 즙을 5년 동안 학질환자 50명에게 먹여 해열작용을 확인했다. 그는 이 사실을 1763년에 런던 왕립학회에서 발표했고, 1838년 이탈리아 화학자 피리아는 버드나무 껍질에서 약효의 주성분인 살리신을 분리한 후 살리실산을 얻었다.

1830년대에 그 효과가 버드나무 껍질에 들어 있는 ‘살리신’이라는 물질 때문임이 밝혀졌고, 1850년대 살리실산은 류머티즘 및 관절염 환자에게도 효과가 있음이 밝혀졌다. 그러나 살리실산을 복용하면 속쓰림 및 귀울음의 부작용이 있었다. 바이엘사의 펠릭스 호프만은 1897년 실험실에서 살리실산과 아세트산을 섞어 복용이 간편한 새로운 약을 합성하였다. 이름은 아세틸화($ acetyl $)의 ‘a’와 조팝나무의 라틴어명 $ Sipraea $, 뒤는 발음을 편하게 in을 붙임으로써 아스피린($ aspirin $)이라 명명되었다. 아스피린은 1899년 7월부터 판매하였고, 바이엘사는 아스피린의 대명사가 되었다. 합성된 아스피린은 20세기 유럽에서 유행했던 ‘스페인 독감’ 치료에 성공을 거둠으로써, 먹기 좋고 안전한 해열, 진통제로 전 세계 가정상비약으로 자리를 굳혔다. 그러나 아스피린의 약효는 이 약이 판매되기 시작한 후 70여년이 지난 1971년에 밝혀졌다.

시판되는 아스피린 알약 한 개에는 아세틸살리실산이 0.3~0.5 $ g $이 들어 있다. 아스피린은 통증, 발열, 염증으로 유발되는 프로스타글란딘 생성을 억제하여 진통, 해열, 소염작용을 한다. 아스피린은 현재 16세 이하 청소년에게는 복용을 피할 것을 경고하는데, 독감이나 수두 같은 바이러스성 질환으로 면역력이 떨어진 어린이에게서 발병하는 라이증후군과의 연관성 때문이다. 아스피린이 심장병, 뇌졸중, 백내장 및 치매 방지에도 효과적이라는 보고가 있다.