유기 인 화합물

3. 유기인 화합물의 분류

유기인 화합물은 탄소-인 결합을 갖는 화합물로, 화학 구조와 작용기에 따라 다양하게 분류된다.

분류:유기화학

분류:화학 원소별 화합물

분류:인 화합물

3. 1. 포스핀 (Phosphines) 및 관련 유도체

• 유기 금속 시약(그리냐르 시약 등)을 이용한 할로겐화 인의 친핵성 치환 반응:
• R_{\mathit{n}}PCl_{\mathit{m}}\ + \mathit{m}\ R'M -> R_{\mathit{n}}R'_{\mathit{m}} P\ + \mathit{m}\ MCl (\mathit{n} + \mathit{m} = 3)
• 금속 칼륨 등을 이용해 포스핀으로부터 합성된 금속 포스피드를 이용한 친핵성 치환 반응:
• R2PM\ + R'Cl -> R2R'P\ + MCl \ (M = Li, Na, K)
• 강염기 조건에서 포스핀의 알켄, 알킨에 대한 친핵성 부가 반응. 반응은 마르코프니코프 규칙을 따른다.^[15]
• 아조비스이소부티로니트릴 또는 유기 과산화물을 사용한 포스핀의 알킨에 대한 라디칼 부가 반응 (안티마르코프니코프형 생성물).
• 클로로실란을 사용한 포스핀 옥사이드의 환원.

• 할로겐화 알킬과의 반응을 통한 포스포늄 염 생성.
• 슈타우딩거 반응에서 아지드를 아민으로, 미츠노부 반응에서 알코올을 에스터로 변환하는 환원제로 사용. 이 과정에서 포스핀은 산화되어 포스핀 옥사이드가 된다.
• 활성화된 카르보닐기 환원.^[16]
• 디아자포스포렌과 같이 적절한 치환기로 수식하면 P-H 결합의 극성이 반전(극성 변환)되어 카르보닐기를 환원.^[17]

3. 1. 1. 포스포늄 염 (Phosphonium salts)

3. 1. 2. 포스핀 옥사이드 (Phosphine oxides)

3. 2. 포스파알켄 (Phosphaalkenes) 및 포스파알카인 (Phosphaalkynes)

3. 3. 유기인(V) 화합물

3. 3. 1. 인산 에스터 (Phosphate esters) 및 아미드

3. 3. 2. 포스폰산 (Phosphonic acids) 및 포스핀산 (Phosphinic acids) 에스터

4. 유기인 화합물의 반응

유기인 화합물은 다양한 반응에 참여한다. 주요 반응으로는 친핵성 치환 반응, 친핵성 부가 반응, 산화-환원 반응 등이 있다.

• 친핵성 치환 반응: 인 할로겐화물은 그리냐르 시약과 같은 유기금속 시약과 반응하여 새로운 인-탄소 결합을 형성한다.^[10] 또한, 금속 포스피드는 할로겐화 알킬과 반응하여 유기인 화합물을 생성한다.^[15]

• 친핵성 부가 반응: 포스폰산 에스터(포스포네이트)는 호너-와즈워스-에몬스 반응이나 세이퍼스-길버트 탄소 연장 반응에서 카르보닐 화합물과 반응하여 탄소-탄소 결합을 형성하는 데 사용된다.

• 산화-환원 반응: 유기포스핀은 환원제로 작용하여 스타우딩거 환원에서 아지드를 아민으로, 미츠노부 반응에서 알코올을 에스터로 전환시킨다. 이 과정에서 포스핀은 인(V)로 산화된다. 또한, 활성화된 카르보닐기를 환원시켜 α-케토에스터를 α-히드록시에스터로 만들기도 한다.^[11]

4. 1. 친핵성 치환 반응

• 그리냐르 시약과의 반응: 인 할로겐화물은 그리냐르 시약과 같은 유기금속 시약에 의해 친핵성 치환 반응을 거친다.^[10]

• 금속 포스피드와의 반응: 금속 칼륨 등과 포스핀으로부터 합성된 금속 포스피드는 친핵성 치환 반응에 사용된다. 이 반응은 할로겐화 알킬과 나트륨 아미드의 반응에 대응한다.^[15]

4. 2. 친핵성 부가 반응

4. 3. 산화-환원 반응

• 환원제로서의 이용
• 슈타우딩거 반응에서 아지드를 아민으로, 미츠노부 반응에서 알코올을 에스터로 변환하는 데 사용된다. 이러한 반응 과정에서 포스핀은 산화되어 포스핀옥사이드가 된다.
• 활성화된 카르보닐기를 환원시키는 데에도 사용되며, 예를 들어 α-케토에스터의 α-히드록시에스터로의 환원이 알려져 있다.^[16] 트리메틸포스핀 위의 수소 원자의 이동을 포함하는 반응 메커니즘이 제안되어 있다(트리페닐포스핀은 반응하지 않음).
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• 디아자포스포렌과 같이, 적절한 치환기로 수식하면 P-H 결합의 극성이 반전되어(극성 변환), 이러한 포스핀히드리드는 카르보닐기를 환원한다. 벤조페논의 예를 다음에 나타낸다.^[17]
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5. 유기인 화합물의 응용

유기인 화합물은 농업, 의약, 화학 산업, 유기금속 화학 등 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있다.

• 농업: 유기인계 농약은 말라티온과 같은 살충제, 글리포세이트와 같은 제초제 등 널리 사용되나, 환경 및 인체 유해성으로 인해 한국에서는 사용 규제가 강화되고 있으며, 친환경 농업으로의 전환이 추진되고 있다.
• 의약: 비스포스포네이트는 골다공증 치료제로 사용되며, 신경 가스 작용제인 사린은 포스포네이트의 일종이다.
• 화학 산업: 인산 에스터는 난연제 및 가소제로 사용된다. 포스포네이트는 제초제, 골다공증 치료제 등으로 사용되며, 포스피네이트는 제초제로, 포스포늄 염은 섬유 난연제로 사용된다.
• 유기금속 화학: 포스핀류는 전이 금속에 대한 배위자로 작용하여 유기 금속 화학 발전에 기여했다. 윌킨슨 촉매는 균일계 수소화 촉매로 유명하며, BINAP은 불균등 반응에 우수한 결과를 보여 개발자가 노벨 화학상을 수상하기도 했다.

5. 1. 농업 분야

5. 2. 의약 분야

신경 가스 작용제인 사린은 C-P 및 F-P 결합을 모두 포함하는 포스포네이트이다.

5. 3. 화학 산업

인산 에스터는 P(=O)(OR)₃의 일반적인 구조를 가지며, 난연제 및 가소제로 사용된다.^[6] 포스파티딜콜린과 같이 자연에서 발견되는 경우도 있다. 인산 에스터는 염화 인산의 알코올 분해를 통해 합성된다. 항암제 사이클로포스파미드와 살충제 말라티온 등이 인산 에스터 유도체에 속한다. 엔진 오일 첨가제로 사용되는 아연 디티오인산염은 유기 인산염 중 가장 대규모로 제조되는 화합물이다.^[6]

포스포네이트는 RP(=O)(OR')₂의 일반식을 가지며, 제초제 글리포세이트(라운드업)가 대표적인 예시이다. 비스포스포네이트는 골다공증 치료제로 사용된다. 신경 가스 작용제인 사린 역시 포스포네이트의 일종이다. 포스피네이트는 R₂P(=O)(OR')의 일반식을 가지며, 제초제 글루포시네이트가 상업적으로 중요하다.

미카엘리스-아르부조프 반응은 포스포네이트 화합물을 합성하는 주요 방법이다. 호너-워즈워스-에먼스 반응 및 세이퍼스-길버트 상동화 반응에서는 포스포네이트가 카보닐 화합물과의 반응에 사용된다. 카바치니크-필즈 반응은 아미노포스포네이트를 제조하는 방법이다.

center(포스포네이트), 포스포마이신(포스포네이트), 졸레드론산(포스포네이트) 및 글루포시네이트(포스피네이트).]]

[PR₄⁺]X⁻의 화학식을 갖는 포스포늄 염 중에서는 테트라키스(히드록시메틸)포스포늄 클로라이드([P(CH₂OH)₄]Cl)가 섬유 난연제로 사용된다.^[6]

5. 4. 유기금속 화학

포스핀류는 부드러운 비공유 전자쌍을 가지므로, 로듐이나 팔라듐 등의 전이 금속에 대한 좋은 배위자가 된다. 이들 착물은 용액 중에서도 안정적인 것이 많아, 유기 금속 화학의 발전에 기여했다. 예를 들어 윌킨슨 촉매는 균일계에서의 수소화 촉매로 유명하다.

최근, 포스핀 배위자를 사용하여 금속 촉매의 기능을 향상시키려는 시도가 큰 성과를 거두고 있다. 예를 들어 축 비대칭 요소를 통합한 BINAP은 각종 불균등 반응에 우수한 결과를 보였고, 개발자인 노요리 료지는 이러한 성과로 노벨 화학상을 수상했다. 또한 최근에는 포스핀 배위자를 부피가 크고, 전자가 풍부하게 함으로써 크로스 커플링 반응 등에서의 반응성이 현저하게 높아진다는 것이 밝혀져, 유기 화학 분야에서 가장 괄목할 만한 발전을 보이는 영역 중 하나가 되었다.^[10]

6. 유기인 화합물과 환경 및 안전 문제

유기인 화합물은 독성으로 인해 환경 및 안전 문제를 야기한다. 특히 유기인계 농약과 신경 가스는 인체에 심각한 중독을 일으킬 수 있다. 사린, VX 가스와 같은 신경 가스에 노출된 경우, 프랄리독심 요오드화 메틸(팜, 옥심제)이나 아트로핀과 같은 해독제를 사용하여 치료할 수 있다.^[1] 1995년 일본에서 발생한 지하철 사린 사건은 유기인 화합물의 위험성을 보여주는 대표적인 사례이다.^[1]

6. 1. 독성 및 중독

7. 유기인 화합물 관련 논란 및 윤리적 문제

유기인 화합물과 관련된 사회적, 윤리적 논란은 주로 화학 무기 개발과 농약 사용의 안전성 문제에서 비롯된다.

화학 무기 개발과 관련하여, 유기인 화합물은 신경 작용제와 같은 치명적인 무기를 만드는 데 사용될 수 있다. 이러한 무기는 국제 협약에 의해 금지되어 있지만, 일부 국가에서는 비밀리에 개발 및 사용 의혹이 제기되고 있다.

농약 사용과 관련해서는, 유기인 화합물이 해충을 효과적으로 제거하는 데 기여하지만, 인체와 환경에 미치는 잠재적 위험성에 대한 우려가 존재한다. 특히, 농약 잔류물은 식품 안전 문제를 야기할 수 있으며, 장기간 노출될 경우 건강에 해로운 영향을 미칠 수 있다는 연구 결과가 보고되고 있다.

이러한 논란에 대해 다양한 관점이 존재한다. 화학 무기 개발에 대해서는 국가 안보를 명분으로 옹호하는 입장과 인도주의적 차원에서 반대하는 입장이 대립한다. 농약 사용에 대해서는 식량 생산 증대를 위한 필요악이라는 주장과 환경 보호와 국민 건강을 우선해야 한다는 주장이 맞서고 있다.

참조

_[1] 서적 Merriam-Webster's Unabridged Dictionary http://unabridged.me[...] Merriam-Webster 2015-12-17
_[2] 서적 Lewisʼ Dictionary of Toxicology https://books.google[...] CRC Lewis 2013-07-18
_[3] 서적 Phosphorus. The Carbon Copy John Wiley & Sons
_[4] 서적 A Guide to Organophosphorus Chemistry John Wiley & Sons
_[5] 서적 Degradation of organophosphorus insecticides in environmental matrices Academic Press, San Diego
_[6] 서적 Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry Wiley-VCH
_[7] 서적 Sulfur in Organic and Inorganic Chemistry Marcel Dekker
_[8] 서적 Synthesis of Carbon-Phosphorus Bonds CRC Press
_[9] 문서 phosphanes
_[10] 간행물 Phosphorus Ligands
_[11] 간행물 Reduction of activated carbonyl groups by alkyl phosphines: formation of α-hydroxy esters and ketones
_[12] 간행물 Carbene-Stabilized Diphosphorus
_[13] 서적 Phosphorus. The Carbon Copy John Wiley & Sons
_[14] 서적 A Guide to Organophosphorus Chemistry John Wiley & Sons
_[15] 간행물 Nucleophilic and free-radical additions of phosphines and phosphine chalcogenides to alkenes and alkynes
_[16] 간행물 Reduction of activated carbonyl groups by alkyl phosphines: formation of α-hydroxy esters and ketones
_[17] 간행물 "P"-Hydrogen-Substituted 1,3,2-Diazaphospholenes: Molecular Hydrides
_[18] 간행물