10장. 카르복시산
카르복시산과 유도체는 아실기가 산소, 질소, 할로겐과 같이 비교적 전기음성도가 큰 원자와 결합된 화합물이다.
1. 명명
카르복시산 (RCOOH): 단순한 카르복시산은 어미에 -oic acid를 붙인다. 우리말로는 해당 알칸명의 어미에 '산'을 붙인다. 카르복시산 탄소는 중간에 올 수 없으므로 그 원자는 항상 1번이 되므로 번호를 부여하지 않는다. 고리에 카르복시기가 결합된 경우는 -carboxylic acid를 붙인다. 이때도 1번 탄소가 되므로 번호를 부여하지 않는다. 일반명으로 불리는 카르복시산들의 명칭은 암기해두어야 한다 (acetic, propionic, butyric, oxalic, malonic, succinic, acrylic, benzoic)
산할로겐화물 (RCOX): 먼저 아실기를 나타내고 해당하는 halide를 명명한다. 아실기는 -ic acid 대신 -yl로 바꾸고, -carboxylic acid는 -carbonyl로 명명한다. 우리말로는 '할로겐화 아실'이라 부른다.
산무수물 (RCOOCOR): 간단한 카르복시산에서 유래한 대칭적 무수물은 acid를 anhydride로 바꾸어 부른다. 우리말로는 '산' 뒤에 '무수물'을 붙인다. (acetic acid의 산무수물은 acetic acid 두 분자에서 물이 빠져나가면서 ester 결합을 이룬 것으로 acetic anhydride라 부른다)
아미드 (RCONH2): 치환되지 않은 -NH2 기를 가진 아미드는 -oic acid 또는 -ic acid 어미를 -amide로 바꾸어 부르고, -carboxylic acid는 -carboxamide로 명명한다. 만일 질소원자에 알킬기가 치환되었을 경우는 먼저 치환기를 나타낸 후 명명한다. 그리고 치환기 앞에는 'N-'을 붙여 질소에 결합되어 있음을 표시한다 (N-methylpropanamide). 치환기를 추가로 가지는 경우는 'N,N-'으로 표기한다. 다른 위치의 질소에 치환기가 있는 경우는 N,N'-로 표시한다.
에스테르 (RCOOR'): 먼저 산소에 결합한 알킬기를 치환기로 표시하고 해당하는 카르복시산을 -ate로 바꾸어 부른다. 우리말로는 '-산 알킬'이라 부른다.
니트릴 (R-C≡N): 작용기가 -C≡N인 화합물을 니트릴이라 부른다. 니트릴 탄소가 1번이 되며, 알칸명에 -nitrile을 붙여서 부른다.
2. 카르복시산의 분포, 구조, 성질
카르복시산의 작용기 -COOH은 평면 구조를 가진다.
카르복시산은 분자간 수소결합으로 비슷한 분자량의 알칸에 비해 높은 끓는 점을 가진다.
3. 카르복시산의 산성도
이름에서 알 수 있듯이 카르복시산은 산성이다. 따라서 수산화나트륨과 같은 강염기와 작용하여 금속염을 형성한다. 이러한 금속염은 이온성이므로 물에 잘 녹는다.
카르복시산은 물에 해리되어 carboxylate ion과 oxonium ion은 형성한다. 이때 carboxylate ion은 -ate를 붙여 명명한다 (예: formic acid의 carboxylate ion 형태는 formate로 명명)
카르복시산이 물에 해리되는 정도를 표시하는 해리상수 Ka는 대부분 10-5 정도이다. 이는 카르복시산 중 1% 정도만이 해리되는 것을 의미한다. 이것은 강산에 비해 매우 낮으나 같은 OH기를 가진 알콜보다는 높다. 그 이유는 카르복시 이온이 공명안정성을 가지기 때문이다. 한편 전자끌개인 염소로 치환된 카르복시산 (chloroacetic acid) 경우는 acetic acid에 비해 강산이며, 염소기가 증가할수록 커진다. 그 이유는 염소기가 전자를 끌어당겨 카르복시기의 전자를 분산시키는 효과를 가지기 때문이다 (일견 카르복시기의 공명안정성과 유사하다). Formic acid는 acetic acid 보다 10배 정도 강산이다. 그 이유는 메틸기에 비해 수소가 전자끌개로 작용하기 때문이다 (3차 알코올의 경우 카르보양이온의 형성을 안정화시키기 때문에 SN1 반응에 유리함을 상기하라).
4. 친핵성 아실 치환반응
케톤과 알데히드의 경우는 친핵성 첨가반응이 일어난다. 그러나 카르복시산 유도체들은 친핵성 치환반응이 일어난다. 그 이유는 tetrahedral 중간체 상태에서 양성자를 받는 대신 치환기를 떼어내기 때문이다. 이러한 반응은 치환기의 성질에 따라 좌우된다. 이탈기로서의 성질은 염기성이 약할수록 강해진다. 따라서 매우 약한 염기인 Cl-는 좋은 이탈기가 되고, RCOO-, R'O-, NH2- 순으로 약해진다 (HCl이 강산인 것을 생각해보면 쉽게 이해될 것이다). 케톤이나 알데히드 경우는 이탈기가 R- 또는 H- 이어야 하는데 알다시피 이들은 강염기에 해당된다. 따라서 케톤이나 알데히드에서는 치환반응보다는 첨가반응이 일어나는 것이다.
5. 카르복시산의 반응
에스테르로 전환: 카르복시산의 반응 중에서 가장 중요한 반응이다.
카르복시산 음이온은 일차 할로겐화 알킬과 SN2 반응에 의해 에스테르를 생성한다.
카르복시산은 알콜과의 친핵성 치환반응으로 에스테르를 합성할 수도 있다. 이 방법은 Fisher 에스테르화 반응이라 하며, 촉매로 소량의 무기산을 첨가하여 가열반응시킨다. 우선 카르복시산은 산촉매에 의해 양성자화되어 알콜이 카르보닐기에 첨가되어 정사면체 중간체를 형성한다. 이 중간체에서 양성자는 다른 산소원자로 옮겨가 두 번째 정사면체 중간체를 형성하여, OH-가 좋은 이탈기가 되게 만든다. 결과적으로 H3O+가 이탈하여 에스테르가 생성되면서 산촉매도 재생된다.
6. 산할로겐화물의 화학
산할로겐화물은 카르복시산과 SOCl2 (thionyl chloride)또는 삼염화인 (PCl3)과의 반응을 통하여 얻는다. 산할로겐화물은 카르복시산 유도체 중 가장 반응성이 큰 편에 속하여 여러 가지 화합물로 전환될 수 있다.
가수분해: 물과 반응하여 카르복시산을 생성한다. 이 반응은 전형적인 친핵성 아실치환반응에 해당된다.
가알콜분해: 가수분해와 흡사한 반응으로 에스테르를 생성한다.
가아민분해: 암모니아나 아민과 신속히 반응하여 아미드를 생성한다.
7. 산 무수물의 화학
산 무수물은 산 염화물과 카르복시산 음이온과의 친핵성 치환반응을 통해 얻는다.
산 무수물의 화학은 산 염화물과 비슷하다. 산 무수물은 물과 반응하여 카르복시산을, 알콜과는 에스테르를, 아민과는 아미드를 생성한다.
8. 에스테르의 화학
에스테르는 주로 일차 할로겐화 알킬과 카르복시산 염기의 반응이나 무기산 촉매하에서 카르복시산과 알콜의 반응에서 카르복시산을 에스테르로 전환시킨다. 또는 산 염기물과 알콜과의 반응을 통해서도 얻을 수 있다.
에스테르는 다른 아실 유도체와 유사한 화학반응을 보이나 산 염화물이나 무수물보다는 친핵체에 대하여 낮은 반응성을 보인다.
가수분해: 에스테르는 염기나 산 수용액에 의해 가수분해되어 카르복시산과 알콜을 생성한다.
비누화: 특히 염기용액 중에서 에스테르를 가수분해하는 것을 비누화라고 한다. 이 반응은 전형적인 친핵성 아실치환반응이다.
9. 아미드의 화학
아미드는 산 염화물과 아민 간의 반응으로부터 얻는다.
아미드는 산 염화물이나 산 무수물, 에스테르보다 반응성이 낮다. 안정한 아미드 결합은 모든 단백질을 이루는 기본 구성단위가 된다. 아미드는 산성이나 염기성 수용액에서 가열하면 가수분해되어 카르복시산과 아민을 형성한다. 이 반응은 전형적인 친핵성 아실치환반응이다.
10. 니트릴의 화학
니트릴 (R-C≡N)은 아실 유도체와 같은 의미에서는 카르복시산 유도체는 아니다. 그럼에도 니트릴과 카르복시산의 화학은 매우 유사하다.
니트릴을 제조하는 가장 좋은 방법은 일차 할로겐화 알킬을 시안산 음이온으로 치환하는 SN2 반응이다.
니트릴은 카르보닐기와 마찬가지로 강하게 편극화되어 있다. 따라서 니트릴 탄소원자는 친전자성이며 친핵체의 공격을 받아 이민 음이온 중간체를 형성한다. 이 중간체는 여러 가지 생성물을 만들 수 있다.