1 요약(Abstract)아스피린 합성 실험의 목표는 적은 비용으로 쉽게 구할 수 있는 살리실산을 사용해 아스피린을 합성하며 재결정을 통해 화합물을 정제해 의약품의 순도에 대해 이해하는 것이다. 살리실산과 아세트산 무수물을 반응시켜 아세틸살리실산을 생성한 후 그 중 일부를 취득해 재결정법을 시도하였다. 이를 통해 얻은 데이터값으로 아스피린의 수득률을 계산하였으며 이는 약 76.12%였다. 이번 실험에서 순도 높은 아스피린을 수득할 수 있었으며, 이를 통해 유기합성과 정제법을 체험할 수 있었음에 의의가 있다.2 도입(Introduction)아스피린은 아세틸 살리실산이라고도 불리며 최초로 합성된 진통제이다. 아스피린은 방향족 벤젠 분자에 카복실기와 에스터기가 결합된 구조로 이루어져있으며 버드나무 껍질에 함유되어있는 살리실산이라는 물질으로부터 비롯되었다. 그러나 살리실산은 먹기에 지나치게 쓰며 구역질을 유발하였고, 계속해서 처방을 받을 시 소화기관이 손상된다는 부작용 또한 있었다. 이러한 살리실산의 문제점을 해결하면서도 진통제로의 효능은 유지할 수 있도록 호프만 박사는 ‘아세틸살리실산(Acetylsalicylic acid)’을 개발하였다. 호프만은 1897년 8월에 아세트산을 이용하여 살리실산을 아셀티화시켰고, 이후 살리실산의 부작용을 없앤 진통제인 아스피린이 생산되었다.▲ Fig 1. 아스피린 구조식: 아스피린의 골격 구조식이다.스피린 합성 실험에서는 에스터화 반응을 통해 살리실산과 아세트산 무수물을 반응시켜 아스피린을 합성했다. 에스터화 반응은 산과 알콜 또는 페놀에서 에스터를 생성하는 모든 화학 반응을 포함하며 가역반응이다. 화학 반응식은RCOOH+ROH` lrarrow RCOOR+H _{2} O 이다.▲ Fig 2. 에스터화 반응: 에스터화반응의 화학 반응식으로 가역반응임을 나타내고 있다.에스터화 반응에 따라 살리실산과 아세트산을 반응시키면 물이 생성되는데, 이때 물이 아스피린의 가수분해를 일으켜 역반응이 일어난다. 따라서, 아스피린의 수득률을 높이기 아세트 차이를 이용하여 물질을 분리를 시키는 방법이다. 재결정 정제법을 통해 살리실산과 아세틸살리실산을 분리할 수 있으며 이후 최종적으로 얻은 아스피린 결정을 세척할 때는 용매에 결정이 용해되지 않도록 아스피린 결정 대해 용해도가 작은 석유에터를 이용해 결정을 세척했다.3 실험 방법(Experimental)3.1 Materials살리실산, 가열기, 오븐, 아세트산 무수물, 저울, 85% 인산, 50mL 삼각플라스크, 석유에터, 비이커, 얼음, 유리 막대, 다이에틸에터(Diethyl ether), 스탠드, 클램프, 눈금실린더, 감압거름장치(뷰흐너 깔때기, 감압플라스크), 녹는점 측정 장치, 온도계, 거름종이, 피펫3.2 Method물중탕 장치를 준비하여 미리 물을 데운 후, 살리실산 2.5 g과 아세트산 무수물 3 mL을 건조된 50 mL 삼각플라스에게 넣으면서 용기벽에 묻은 살리실산을 씻어냈다. 그 후 스탠트와 클램프를 이용하여 물중탕 장치를 통해 가열해주었다. 가열을 할 때는 85% 인산 3~4방울을 촉매로 넣어주고 용액이 맑아질 때까지 70~80 ℃로 15분 정도 유지해주었다. 증류수 2 mL를 천천히 넣어주어 남아있는 아세트산 무수물을 분해시키고 아세트산 증기가 더 이상 발생하지 않으면 플라스크를 물중탕 장치에서 꺼내 증류수 20 mL를 넣어주고 실온까지 냉각하였다. 플라스크를 꺼낼 때는 표면이 뜨거우므로 목장갑을 착용해주었다. 이때 침전물이 생기지 않는다면 플라스크를 얼음으로 냉각시키고 유리막대로 플라스크 안쪽을 긁어준다. 미리 오븐에 넣어 건조된 filter paper의 무게를 측정한 후 생성된 침전을 감압 여과기를 이용해 걸러내고 5ml의 차가운 물로 씻어냈다. 여과된 아스피린을 120 ℃ 오븐에서 약 5분간 건조시킨 후 오븐에서 꺼내어 무게를 측정했다. 약 1g을 측정해 기록하고 삼각플라스크에 담았다. 15 mL 정도의 다이에틸에터를 넣어 50 ℃ 물중탕으로 녹이고, 녹지 않는 물질이 있다면 다이에틸에터를 좀 더 넣어 완전히 녹여주었다. petroleu무게4.931 g재결정에 사용한 혼합물 무게1.012 g2차 여과 후 아스피린 무게0.510 g4.1 아스피린 합성 실험 결과Table 1을 통해 아스피린 합성 실험에서 사용한 재료의 무게와 실험을 통해 구해진 혼합물, 아스피린 무게를 정리하였다. 사용한 살리실산은 2.501 g이며, 살리실산에 아세트산 무수물 3 mL를 가하여 만들어진 침전물을 건조한 후의 혼합물 무게는 4.931 g이다. 이중 1.012 g만을 취해 재결정을 하였고, 재결정 과정을 통해 얻은 아스피린의 무게는 0.510 g 이다.4.2 아스피린 수득률 계산하기아스피린 합성 실험을 통해 얻어진 아스피린의 수득률을 계산하기 위해 먼저 사용한 살리실산의 몰수를 계산하였다. 이때, ‘살리실산의 몰수 = 살리실산의 무게/살리실산의 분자량’을 이용하여 몰 수로 변환해주었다.사용한 살리실산의 무게 = 2.501 g, 살리실산의 몰 수 ={2.501g} over {138.12g*mol ^{-1}} =1.81*10 ^{-2}mol두 번째로 아세트산 무수물의 무게를 구하기 위해 ‘아세트산 무수물의 밀도 = (아세트산 무수물)질량/부피’를 이용했다. 이후 구해진 아세트산 무수물의 무게를 통해 살리실산과 같은 방식으로 아세트산 무수물 몰수로 변환하였다.사용한 아세트산 무수물의 부피 = 3 mL, 아세트산 무수물의 무게 =3.00ml*1.082g/ml =3.25g`, 아세트산 무수물의 몰 수 ={3.25g} over {102.09g*mol ^{-1}} =3.18*10 ^{-2} mol 아스피린 합성 과정에서 반응하는 살리실산, 아세트산 무수물, 아스피린의 비는 1:1:1이다. 실험 데이터 값에 따르면, 사용한 살리실산의 몰 수는1.81*10 ^{-2}mol, 아세트산 무수물의 몰 수는3.18*10 ^{-2} mol 이다. 따라서 한계 반응물은 살리실산이며 생성되는 아스피린의 몰 수 역시 이론적으로는1.81*10 ^{-2}mol 임을 알 수 있다. 이를 통해 이론적으로 생성되는 아스피린의 질량을 계산할 수 있으며 종 아스피린의 수득률은 76.12%이었다.5 논의(Discussion)5.1 아스피린 합성 과정아세트산 무수물과 살리실산을 반응시켜 아세틸살리실산과 아스피린을 합성할 수 있다. 아스피린이 1차적으로 합성되고 난 후에는 감압 여과 장치를 통해 아스피린을 여과하는데 이때 filter paper 위에는 아세틸살리실산, 살리실산 등의 혼합물이 플라스크 내에는 촉매로 사용된 인산과 생성물인 아세트산이 물에 녹아 존재한다. 때문에 증류수를 넣어서 남아있는 불순물들을 제거하는 과정을 거쳤다.5.2 아스피린 수득률 오차 원인 분석이번 실험을 통해 얻은 아스피린의 수득률은 76.12%로 높은 순도의 아스피린을 얻을 수 있었다. 하지만 여전히 이론으로 얻은 값과의 오차가 존재하였기에 오차의 원인을 분석하고 이를 해결하기 위한 방안을 생각해보았다. 우선, 아스피린의 합성이 에스터화 반응임을 고려할 때 가수분해가 일어난 가능성을 배제할 수 없다. 에스터화 반응의 가수분해는 물이 있을 때 일어나므로 1차적으로 아스피린을 합성할 때 실험에 사용하는 플라스크 등의 실험기구를 완전히 건조시킨 후 실험을 진행하는 것이 중요하다. 플라스크에 남아있는 수분과 아세트산무수물이 반응하면 아세트산이 생기는데, 아주 적은 양이더라도 아세트산이 생기면 르 샤틀리에의 원리에 따라 합성 반응이 잘 일어나지 않을 수 있기 때문이다.또한, 감압 여과를 진행할 때 증류수를 넣어 남아있는 아세트산무수물, 아세트산 등의 다른 불순물을 제거하는 과정에서 합성된 아스피린도 역반응을 일으켜 분해된 후 씻겨 내려갈 가능성이 있다. 때문에 합성 이후 얼음을 이용해서 이전의 실험보다 더 차가운 물로 아스피린을 씻어 물에 대한 용해도를 낮춰 세척할 때 역반응이 최대한 일어나지 않도록하는 것이 수득률을 높이는 방법 중 하나라고 분석하였다.5.3 산 촉매로 작용하는 인산의 역할아스피린 합성 실험에서 인산은 산 촉매의 역할을 하며 살리실산과 아세트산무수물의 반응을 촉진한다. 산 촉매 하의 에스터화 반응 메커니즘은 다음과 같다.▲ F 수소이온을 공격하여 ?COO-형태로 형성된다. 이는 친핵체와 친전차체의 원리에 의해 일어나는 메커니즘으로, 친핵체는 상대적으로 전자를 많이 가져 친전자체에 전자를 주며, 친전자체는 상대적으로 전자가 적어 친핵체로부터 전자를 얻고자 하는 원자단을 나타낸다. 친핵체와 친전자체는 루이스 정의에 따른 산-염기 관계에 대응된다.5.4 아스피린의 순도 확인아스피린의 순도를 높이기 위해 재결정 정제법을 사용하였으나, 실제로 순수한 아스피린이 합성된 것인지는 정확히 확인할 수 없다. 때문에, 이를 확인하기 위해 정색반응을 이용할 수 있다. 정색반응은 화학적인 변화가 생길 때 발색 또는 변색의 현상이 나타나는 반응을 말하며, 아스피린은 염화철 수용액을 이용해 변색을 확인한다. 아스피린은 살리실산이 에스터화되면서 하이드록시기의 수소가 사라져 페놀류에 속하지 않아 염화철 수용액을 넣어도 색 변화가 없으나, 살리실산은 염화철 수용액과 반응하여 보라색으로 변한다. 이외에도 순수한 아스피린은 녹는점이 135℃이나 불순물이 섞여있을수록 녹는점이 높아진다는 점을 이용하여 아스피린의 순도를 확인할 수 있다.6 결론(Conclusion)아스피린 합성 실험을 통해 유기합성과 화합물의 정제법에 대한 전반적인 개념부터 실험에 이르기까지 폭넓은 이해를 할 수 있었다. 아스피린 합성 반응은 에스터화 반응의 일종으로 가역반응이기에 물이 존재하면 역반응이 일어날 수 있다는 점을 유의해야했다. 때문에 아세트산이 아닌 아세트산무수물을 이용해 실험을 진행하였으며 실험을 통해 얻은 아스피린에서 불순물을 제거하여 순도를 높이기 위해 재결정 정제법을 사용하였다. 아스피린 합성 과정에서 반응하는 살리실산, 아세트산 무수물, 아스피린의 비는 1:1:1이라는 사실을 이용하여 아스피린의 몰수, 질량을 구할 수 있었고 최종적으로 얻은 아스피린의 무게는 0.510 g 으로 수득률은 약 76.12%였다. 수득률을 좀 더 높이기 위해 아스피린의 1차 합성 전 실험기구를 완전히 건조하는 것과 감압 여과 전 증류수가 아닌 얼음물을이다.
