간단한 아스피린 합성 실험

🧪 실험 목표

  에스터화 반응을 이용하여 의약품인 아스피린을 합성할 수 있다.

🧪 실험 원리

✏️ 아스피린

  기원전 고대 이집트 시대부터 버드나무 껍질이 해열제로 이용되었는데 18세기 초에 이탈리아 화학자 피리아는 약효의 주성분인 살리실산을 추출하였다. 아스피린(Aspirin)은 살리실산처럼 해열제와 진통제의 효과는 있으면서 살리실산보다 소화 기능의 문제가 덜 일어나는 물질인데 1897년 독일의 바이엘 사에서 식물(조팝나무 꽃)로부터 정제하여 생산하기 시작했다. 1899년에는 바이엘 사로부터 아스피린의 대중적인 판매가 시작되었으며, 1918년 스페인 독감에서의 효능으로 유명해졌다.

(좌) 버드나무, (우) 바이엘 사의 아스피린

✏️ 에스터화 반응

  화학적으로 아스피린은 살리실산과 아세트산 무수물이나 아세트산이 에스터화 반응하여 생성되는 화합물이다. 에스터화 반응(esterification)은 카르복실산과 알코올의 탈수 반응으로 에스터와 물이 생성되는 반응이다. 살리실산은 두 작용기를 모두 가지고 있어 어느 작용기를 이용하여 에스터화 반응을 시킬 것인가 생각해 보아야 한다.

에스터화 반응

  여기서 R과 R'은 Methyl(-CH₃), ethyl(-CH₂CH₃)등의 알킬기이다. 에스터를 합성하기 위하여 유기산과 알코올이 항상 필요한 것은 아니다. 유기산(RCOOH)의 반응성이 낮아서 이의 유도체인 할로젠화물(RCOX) 또는 유기산 무수물(RCOOCOR)을 알코올과 반응시키면 에스터를 더욱 빠르고 쉽게 만들 수 있다.

아스피린의 분자구조

  아스피린은 아세트산과 살리실산의 하이드록시기를 에스터화 반응을 시켜 생성된 아세틸 살리실산이다. 이때도 아세트산을 사용할 것인지 아니면 아세트산 무수물을 사용할 것인지도 생각해 보아야 한다. 아세틸 살리실산의 합성 반응식은 아래와 같다.

아스피린 합성 반응식

  살리실산은 하이드록시기 이외에도 카르복실기를 가지고 있기 때문에 메탄올과의 에스터화 반응도 가능하며 이 반응으로 생성된 살리실산 메틸은 피부에 바르는 진통제로 사용된다.

살리실산메틸 합성 반응식

  실험실에서 합성한 아스피린은 여러 가지 불순물이 섞여 있을 수 있기 때문에 약으로 사용할 수 없다. 아스피린을 정제하기 위해서는 불순한 아스피린을 가열한 다이에틸 에테르나 에틸 아세테이트 포화용액이 되도록 녹인 후, 실온에 방치하였다가 얼음물에 담그면 결정이 석출된다. 여과하여 분리한 결정을 다시 2~3회 더 재결정 하면 순수한 아스피린을 얻을 수 있다. 

🧪 시약 및 기구

  아세트산 무수물(acetic anhydride, (CH₃CO)₂O), 살리실산(salicylic acid, C₆H₄(OH)COOH), 진한 인산(phosphoric acid, H₃PO₄, 85%), 얼음, 거름종이, 바이랄 병, 비커, 물중탕 장치, 깔때기, 스포이드

📌 유의 사항

1) 진한 황산과 아세트산 무수물은 피부와 눈을 부식시킬 수 있으므로 보안경을 착용한다.

2) 아세트산 무수물은 식초 냄새가 나고 과량의 아세트산 무수물에 물을 가하여 분해시키면 뜨거운 증기가 발생하므로 조심한다.

3) 실험에서 합성한 아스피린은 순수하지 않으므로 절대 복용하지 않는다.

🧪 실험 방법

💡 아스피린의 합성

1. 살리실산 2 g을 바이랄 병에 넣고, 아세트산 무수물 3 mL를 넣는다.

2. 바이랄 병에 진한 인산 5방울 정도를 넣고 잘 흔들어 준 후, 뜨거운 물에 담궈 10분간 기다린다. 모든 고체가 잘 녹았는지 확인한다.

3. 과정2의 바이랄 병을 실온으로 냉각시켜 결정이 생기기 시작하면, 얼음이 든 비커에 바이랄 병을 담근다.

만약 아스피린 결정이 생기지 않으면 얼음물을 바이랄 병에 40 mL정도 넣고 결정이 생기도록 기다린다.

(빨리 생기지 않는다고 조급해 하지 말기. 가만히 두고 기다리면 생성됩니다.)

4. 결정이 하얗게 생기면 20~30 mL의 얼음물을 넣고 잘 저어 거를 준비를 한다.

5. 깔때기로 아스피린을 거르고, 거름종이 위의 아스피린을 소량의 얼음물로 2~3회, 차가운 알코올로 1회 씻는다.

6. 여과한 아스피린 결정을 건조시킨 후 질량을 측정한다.

뜨거운 물에서 뺀 후 흔들지 말고 실온으로 냉각해야 결정이 잘 생성된다.

충분히 아스피린 결정이 생겼다면 잘 걸러주어 말린다.

💡 아스피린의 재결정

1. 합성하여 건조시킨 아스피린 결정을 삼각플라스크에 담긴 20 mL 에탄올에 녹인 다음 차갑게 방치한다.

2. 녹지 않은 성분을 걸러내고 약 50 ℃의 따뜻한 물을 넣고, 고체가 모두 녹을 때까지 따뜻하게 유지한다.

3. 플라스크를 다시 차갑게 유지하여 결정이 생기기 시작하면, 얼음물 중탕으로 냉각시킨 후, 감압 거름으로 아스피린을 걸러 건조한다.

🧪 결과 및 분석

❓ 실험에서 사용한 물질들의 몰수를 구해 한계 시약을 밝히고 그에 따른 이론적 생성량을 계산하시오.

      (살리실산 Mw : 138.12  /  아세트산 무수물 Mw : 102.09 , d : 1.082 g/mL  /  아스피린 Mw : 180.15 )

  살리실산의 몰수 = 2.0 g ÷ 138.12 g/mol = 0.0145 mol

  아세트산 무수물의 몰수 = 3 mL × 1.082 g/mL ÷ 102.09 g/mol = 0.0318 mol

  살리실산의 몰수가 아세트산 무수물의 몰수보다 작으므로 한계 시약은 살리실산이다.

  생성되는 아스피린은 살리실산의 몰수와 비례하므로

  생성되는 아스피린의 질량 = 0.0145 mol × 180.15 g/mol = 2.61 g  이다.

 

❓ 실험에서 얻은 정제하지 않은 아스피린의 수득률을 계산하시오.

수득률 계산

  건조한 아스피린의 질량 = 2.06 g

  수득률(%) = 2.06 / 2.61 × 100 = 78.92 %

 

❓ 아스피린 합성 반응에서 진한 인산을 사용하는 이유?

  아스피린 합성 반응은 에스터화 반응으로 산성 용액에서 매우 빠르게 일어난다.

  진한 염산(37%)는 가열시 염화수소(HCl) 기체가 생성되며,

  진한 황산(99%)는 진한 인산(85%)보다 부식성이 강하다는 단점이 있다.

  따라서 아스피린 합성 반응에는 다루기 쉬운 진한 인산을 촉매로 사용한다.

 

❓ 아세트산 대신 아세트산 무수물을 사용하는 이유는 무엇인가?

  아세트산을 사용하게 되면 부산물로 물이 생기는 데 이 때 생성된 물이 아스피린을 분해시키는 작용을 한다. 수득률이 떨어지지 않게 하기 위헤 부산물로 물이 생성되지 않는 아세트산 무수물을 사용한다.

  아세트산 무수물의 카보닐 탄소가 전자친화도가 높아 살리실산-살리실산 에스터화 반응보다 살리실산-아세트산 무수물의 반응이 더 잘 일어난다.

 

❓ 합성 반응을 진행하기 위해 반응 용액을 가열하는 이유는?

  아스피린 합성반응은 흡열반응으로 반응 속도를 빠르게 할 수 있다. 또한 아세트산 무수물의 분해반응은 발열반응으로 아세트산 무수물의 분해를 억제하는 효과도 있다.

 

❓ 결정이 잘 생기게 하기 위하여 얼음물에 담그는 이유는?

  증류수를 넣은 뒤 냉각하면 용해도가 내려가 과포화 상태인 아스피린이 석출된다.

 

** 아스피린 합성 메커니즘

아스피린 합성 메커니즘