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아세트산 무수물

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1. 개요

아세트산 무수물은 아세틸화 반응에 사용되는 무색의 자극적인 액체로, 다양한 상업적 물질 생산에 중요한 역할을 한다. 주로 셀룰로스 아세테이트, 아스피린 제조에 사용되며, 목재의 내구성을 높이는 데에도 활용된다. 공업적으로는 아세트산 메틸의 카보닐화, 케텐과 아세트산의 반응으로 제조되며, 실험실에서는 직접 제조보다는 구매하여 사용한다. 아세트산 무수물은 헤로인 제조에 사용될 수 있어 여러 국가에서 규제 대상이며, 대한민국에서는 마약류 원료물질로, 일본에서는 특정 마약 향정신성 의약품 원료로 지정되어 관리된다. 또한, 피부에 부식성이 있고 가연성이므로 취급에 주의해야 한다.

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아세트산 무수물 - [화학 물질]에 관한 문서
일반 정보
명칭아세트산 무수물
다른 이름에탄올 에탄산
아세트산 무수물
아세틸 아세테이트
아세틸 산화물
아세트산 산화물
화학식(CH₃CO)₂O
다른 화학식Ac₂O
식별 정보
켐스파이더 ID7630
ChEBI36610
UNII2E48G1QI9Q
PubChem7918
ChEMBL1305819
RTECSAK1925000
UN 번호1715
CAS 등록번호108-24-7
EINECS203-564-8
InChI1S/C4H6O3/c1-3(5)7-4(2)6/h1-2H3
InChIKeyWFDIJRYMOXRFFG-UHFFFAOYSA-N
SMILESO=C(OC(=O)C)C
물리화학적 정보
겉모양무색 액체
밀도1.082 g cm⁻³, 액체
용해도2.6 g/100 mL, 반응 (본문 참조)
녹는점-73.1 °C
끓는점139.8 °C
굴절률1.3901
증기압4 mmHg (20 °C)
자기 감수율-52.8·10⁻⁶ cm³/mol
열화학
표준 생성 엔탈피−624.4 kJ/mol
위험성
GHS 그림 문자'[[파일:GHS02.svg|GHS02]] [[파일:GHS05.svg|GHS05]] [[파일:GHS07.svg|GHS07]]'
신호어위험
H 문구H226, H302, H314, H330
P 문구P210, P233, P240, P241, P242, P243, P260, P261, P264, P270, P271, P280, P301+312, P301+330+331, P303+361+353, P304+312, P304+340, P305+351+338, P310, P312, P321, P330, P363, P370+378, P403+235, P405, P501
NFPA 704건강: 3
화재: 2
반응성: 1
특수: W
인화점49 °C
자연 발화점316 °C
폭발 한계2.7–10.3%
PELTWA 5 ppm (20 mg/m³)
RELC 5 ppm (20 mg/m³)
IDLH200 ppm
LC501000 ppm (쥐, 4시간)
법적 규제 (호주)S6
법적 규제 (캐나다)Schedule VI
관련 화합물
다른 산 무수물프로피온산 무수물
관련 화합물아세트산
염화 아세틸

2. 구조 및 성질

유리병 속의 아세트산 무수물


아세트산 무수물은 비평면 구조를 가진 유연한 분자이다.[4] 중심 산소를 통한 파이 계 결합은 약한 공명 안정화를 제공한다.[5] 카보닐 탄소 원자는 친전자성을 가지며, 이탈기는 카르복실산염이다. 내부 비대칭성은 아세트산 무수물의 친전자성에 영향을 준다.

아세트산 무수물은 무색 액체로 강한 신맛과 자극취를 가지며, 증기는 최루성을 띈다. 피부 접촉 시 수포나 염증을 일으킬 수 있다. 에탄올에 잘 녹고, 에테르, 벤젠, 니트로벤젠 등에도 녹는다. 에는 약간(약 2.6%[18]) 녹으며, 서서히 반응하여 아세트산이 된다. 강염기와 반응하면 아세트산염이 된다.[18]

아세트산 무수물은 자극성이 있는 가연성 액체로, 피부에 부식성이 강하다. 화재 진압에는 폼이나 이산화탄소가 사용된다.[25] 증기는 유해하다.[26] 물에 가수분해되어 카르복실산을 생성하기 때문에 수용액은 안정성이 제한적이다.[19]

:(CH3CO)2O + H2O → 2 CH3COOH

2. 1. 구조

아세트산 무수물은 대부분의 산 무수물과 마찬가지로 비평면 구조를 가진 유연한 분자이다.[4] 중심 산소를 통한 파이 계 결합은 두 개의 카보닐 산소 간의 쌍극자-쌍극자 반발력에 비해 매우 약한 공명 안정화를 제공한다. 각 최적 비평면 배치의 결합 회전에 대한 에너지 장벽은 매우 낮다.[5]

대부분의 산 무수물과 마찬가지로 아세트산 무수물의 카보닐 탄소 원자는 친전자성을 가지며, 이탈기는 카르복실산염이다. 내부 비대칭성은 아세트산 무수물의 강력한 친전자성에 기여할 수 있는데, 비대칭 기하학으로 인해 카보닐 탄소 원자의 한쪽 면이 다른 쪽보다 더 반응성이 커지며, 그렇게 함으로써 카보닐 탄소 원자의 전기양성도를 한쪽으로 통합하는 경향이 있다.

2. 2. 물리적 성질

무색으로 강한 신맛과 자극취를 갖는 액체이다. 증기는 최루성을 가지며, 액체를 피부에 접촉시키면 수포나 염증을 일으킨다.

에탄올에 잘 녹지만, 서서히 반응하여 아세트산 에틸이 된다. 또한, 에테르, 벤젠, 니트로벤젠 등에도 녹는다. 에는 약 2.7% 녹으며, 서서히 반응하여 아세트산이 된다. 이 반응은 의 존재에 의해 촉진된다. 강염기와 반응시키면 아세트산염이 된다.[18] 수용액은 대부분의 산 무수물과 마찬가지로 아세트산 무수물이 가수분해되어 카르복실산을 생성하기 때문에 안정성이 제한적이다. 이 경우 아세트산이 생성되며, 이 반응 생성물은 물과 완전히 섞인다.[19] 아세트산 무수물은 자극성이 있으며 가연성 액체이다. 피부에 매우 부식성이 있으며 직접적인 접촉은 심각한 화상을 유발한다. 물 및 알코올에 대한 반응성 때문에, 화재 진압에는 폼 또는 이산화탄소가 선호된다.[25] 아세트산 무수물의 증기는 유해하다.[26]

2. 3. 화학적 성질

아세트산 무수물은 물에 약 2.6%(무게)로 녹는다.[18] 수용액은 대부분의 산 무수물과 마찬가지로 아세트산 무수물이 가수분해되어 카르복실산을 생성하기 때문에 안정성이 제한적이다. 이 경우 아세트산이 생성되며, 이 반응 생성물은 물과 완전히 섞인다.[19]

:(CH3CO)2O + H2O → 2 CH3COOH

에탄올에 잘 녹지만, 서서히 반응하여 아세트산 에틸이 된다. 또한, 에테르, 벤젠, 니트로벤젠 등에도 녹는다. 물에는 약 2.7% 녹으며, 서서히 반응하여 아세트산이 된다. 이 반응은 의 존재에 의해 촉진된다. 강염기와 반응시키면 아세트산염이 된다.

3. 제조

샤를 프레데릭 게르하르트는 1852년에 아세트산 칼륨을 벤조일 클로라이드와 가열하여 아세트산 무수물을 처음으로 합성했다.[6] 아세트산 무수물은 가격이 저렴하기 때문에 연구실에서 사용하기 위해 일반적으로 직접 제조하지 않고 구매한다.

3. 1. 공업적 제조

아세트산 무수물은 아세트산 메틸의 카보닐화를 통해 생산한다.[7]

테네시 이스트만 아세트산 무수물 공정은 아세트산 메틸을 아이오딘화 메틸과 아세트산염으로 전환시키는 공정을 포함한다. 아이오딘화 메틸의 카보닐화는 아이오딘화 아세틸을 생성하며, 이는 아세트산염 또는 아세트산과 반응하여 생성물을 생성한다. 염화 로듐은 아이오딘화 리튬의 존재 하에 촉매로 사용된다. 아세트산 무수물은 물에 안정하지 않기 때문에 무수 조건에서 전환이 수행된다.

아세트산 무수물은 45–55 °C 및 저압(0.05–0.2 bar)에서 케텐(에테논)과 아세트산의 반응으로도 제조된다.[8]

케텐을 통한 아세트산에서 아세트산 무수물로의 경로는 바커 케미에 의해 1922년에 개발되었는데,[9] 이는 아세테이트 섬유소 생산으로 인해 아세트산 무수물의 수요가 증가했기 때문이다.

과거에는 무수 염화 알루미늄촉매로 한 아세트산과 포스겐의 반응이나 염화 아세틸아세트산 나트륨의 반응으로도 생성되었다.

3. 2. 실험실적 제조

샤를프레데릭 게르하르트는 1852년에 아세트산 칼륨을 벤조일 클로라이드와 가열하여 아세트산 무수물을 처음으로 합성했다.[6] 아세트산 무수물은 저렴하기 때문에 연구실에서 사용하기 위해 일반적으로 직접 제조하지 않고 구매한다.

4. 반응

아세트산 무수물은 유기 기질에 아세틸기를 도입하는 아세틸화 반응에 사용되는 다용도 시약이다.[10] 이러한 변환에서 아세트산 무수물은 CH3CO+|CH3CO+영어의 공급원으로 간주된다.

카르복실산 무수물의 반응성을 가지며, 염기 또는 산을 촉매로 하여 아세트산 유도체의 합성에 사용된다. 예를 들어 알코올과 반응하면 아세트산 에스터가, 아민과 반응하면 아세트아미드 유도체가 얻어진다.

이염기산은 아세트산 무수물로 처리하면 무수물로 전환되며,[15] 아세틸 질산과 같은 무수물을 제조하는 데에도 사용된다.

알데히드는 산성 촉매 존재 하에 아세트산 무수물과 반응하여 제미날 디아세테이트를 생성한다.[16] 과거 비닐 아세테이트의 산업적 제조 경로는 아세트알데히드와 아세트산 무수물로부터 얻어지는 제미날 디아세테이트인 에틸리덴 디아세테이트를 거치는 것이었다.[17] 19세기 후반에 아세트산 무수물의 주요 용도는 퍼킨 반응이었다.[20]

4. 1. 알코올 및 아민의 아세틸화

알코올아민은 쉽게 아세틸화된다.[11] 예를 들어, 아세트산 무수물과 에탄올의 반응은 아세트산 에틸을 생성한다.

: (CH3CO)2O + CH3CH2OH → CH3CO2CH2CH3 + CH3COOH

종종 피리딘과 같은 염기를 촉매로 첨가한다. 특수 응용 분야에서는 루이스 산성 스칸듐 염도 효과적인 촉매로 입증되었다.[12]

4. 2. 방향족 화합물의 아세틸화

방향족 고리는 아세트산 무수물에 의해 아세틸화될 수 있다. 일반적으로 반응을 촉진하기 위해 산 촉매가 사용된다.[13] 벤젠아세토페논으로, 페로센을 아세틸페로센으로 변환하는 반응이 그 예시이다.[14]

:(C5H5)2Fe + (CH3CO)2O → (C5H5)Fe(C5H4COCH3) + CH3CO2H

4. 3. 기타 반응

이염기산은 아세트산 무수물로 처리하면 무수물로 전환된다.[15] 또한 질산과의 혼합 무수물인 아세틸 질산과 같은 무수물을 제조하는 데에도 사용된다.

알데히드는 산성 촉매의 존재 하에 아세트산 무수물과 반응하여 제미날 디아세테이트를 생성한다.[16] 과거 비닐 아세테이트의 산업적 제조 경로는 아세트알데히드와 아세트산 무수물로부터 얻어지는 제미날 디아세테이트인 에틸리덴 디아세테이트를 거치는 것이었다.[17] 19세기 후반에 아세트산 무수물의 주요 용도는 퍼킨 반응이었다.[20]

카르복실산 무수물의 반응성을 갖는다. 염기 또는 산을 촉매로 하여 아세트산 유도체의 합성에 사용된다. 예를 들어, 알코올과 반응하면 아세트산 에스터가, 아민과 반응하면 아세트아미드 유도체가 얻어진다.

5. 용도

아세트산 무수물은 주로 상업적으로 중요한 물질을 생성하는 아세틸화에 사용된다. 가장 큰 용도는 셀룰로스 아세테이트로의 전환인데, 이는 사진 필름 및 기타 코팅 재료의 구성 요소이며 담배 필터 제조에 사용된다.[21] 살리실산의 아세틸화를 통해 아스피린(아세틸살리실산)을 생산하는 데도 사용된다.[21] 또한 오토클레이브 함침 및 후속 아세틸화를 통해 내구성이 뛰어나고 오래 지속되는 목재를 만드는 데 사용된다.[22]

전분 산업에서 아세트산 무수물은 변성 전분(E1414, E1420, E1422) 생산에 사용되는 일반적인 아세틸화 화합물이다. 아세트산 셀룰로스 섬유의 원료, 아스피린 등의 의약품 제조, 향료, 염료 등의 합성 원료로도 사용된다.

6. 법적 규제

아세트산 무수물은 모르핀헤로인으로 합성하는 데 사용되기 때문에, 미국 마약 단속국(DEA)의 List II 전구 물질로 지정되어 있으며, 다른 많은 국가에서도 규제 대상이다.[23][24] 일본에서는 2001년 11월 25일에 시행된 개정 마약 및 향정신성의약품 취급 단속법에 의해 "특정 마약 향정신성 의약품 원료"로 지정되었다. 미국에서는 마약 단속국(DEA) 규정에 의해 사용 및 판매가 제한된다.

2016년에 개정된 독극물 및 극물 지정령에 의해, 7월 15일부터 아세트산 무수물 및 이를 포함하는 제제가 극물로 지정되었다.[31][32]

또한 인화성이 있으므로 대량 저장 관리에 있어서는 위험물 취급자 면허가 필요하다(위험물 제4류 제2석유류).

7. 안전성

아세트산 무수물은 자극성이 있으며 인화성 액체이다. 피부에 매우 부식성이 있으며 직접 닿으면 심한 화상을 입을 수 있다. 물 및 알코올에 대한 반응성 때문에 화재 진압에는 폼 또는 이산화탄소가 선호된다.[25] 증기는 유해하다.[26]

참조

[1] 서적 CRC Handbook of Chemistry and Physics CRC Press 2018-06-18
[2] 문서 PGCH
[3] 문서 IDLH
[4] 간행물 Acetic anhydride at 100 K: the first crystal structure determination
[5] 간행물 Acetic Anhydride in the Gas Phase, Studied by Electron Diffraction and Infrared Spectroscopy, Supplemented with ab Initio Calculations of Geometries and Force Fields
[6] 뉴스 Recherches sur les acides organiques anhydres https://books.google[...] Charles Gerhardt 1852
[7] 간행물 Eastman Chemical Company Acetic Anhydride Process
[8] 간행물 Industrielle organische Chemie: Bedeutende vor- und Zwischenprodukte https://books.google[...] Wiley-VCH 2007-01-11
[9] 웹사이트 Milestones in the history of WACKER http://www.wacker.co[...] Wacker Chemie AG 2009-08-27
[10] 웹사이트 Acid Anhydrides http://www.chemguide[...] 2006-03-25
[11] 웹사이트 Acetic Acid & Acetic Anhydride http://scifun.chem.w[...] Department of Chemistry, University of Wisconsin 2006-03-25
[12] 간행물 ("R")-(+)-2-Hydroxy-1,2,2-Triphenylethyl Acetate
[13] 논문 p-Bromoacetophenone
[14] 웹사이트 Column chromatography: Preparation of Acetyl Ferrocene http://valhalla.chem[...] Department of Chemistry and Biochemistry, University of Delaware 2009-08-27
[15] 논문 3-Nitrophthalic Anhydride
[16] 논문 Furfuryl Diacetate
[17] 간행물 Vinyl Esters John Wiley & Sons
[18] 웹사이트 Acetic Anhydride: Frequently Asked Questions http://www.bp.com/li[...] British Petroleum 2006-05-03
[19] 웹사이트 Acetic Anhydride: Material Safety Data Sheet (PDF) http://www.celanese.[...] Celanese 2006-05-03
[20] 서적 A Laboratory Manual of Organic Chemistry: A Compendium of Laboratory Methods for the Use of Chemists, Physicians, and Pharmacists https://books.google[...] Macmillian and Company Limited 1895
[21] 문서
[22] 뉴스 Making Wood Last Forever With Acetylation https://cen.acs.org/[...] American Chemical Society 2012-08-06
[23] 웹사이트 § 1310.02 - Substances Covered https://www.ecfr.gov[...] 2022-02-15
[24] 뉴스 UN Intercepts Taliban's Heroin Chemical in Rare Afghan Victory https://www.bloomber[...] Bloomberg L.P. 2008-10-07
[25] 웹사이트 Data Sheets http://www.inchem.or[...] 2006-04-13
[26] 웹사이트 NIOSH https://www.cdc.gov/[...] 2006-04-13
[27] 서적 CRC Handbook of Chemistry and Physics CRC Press 2018-06-18
[28] 문서 PGCH
[29] 문서 IDLH
[30] 웹사이트 経済産業省生産動態統計年報化学工業統計編 https://www.meti.go.[...] 経済産業省
[31] 웹사이트 毒物及び劇物指定令の一部改正について(通知)平成28年7月1日 薬生発0701第1号 https://www.nihs.go.[...]
[32] 웹사이트 毒物及び劇物指定令 第二条 https://www.nihs.go.[...]
[33] 문서 PGCH
[34] 문서 IDLH



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