카복실산

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1. 개요2. 제법3. 반응

3.1. 친핵성 아실 치환 반응3.2. 환원 반응3.3. 기타 반응

4. 분류

4.1. 지방산

4.1.1. 포화 지방산4.1.2. 불포화 지방산

4.2. 아미노산4.3. 히드록시산4.4. 기타

5. 관련 문서

1. 개요

Carboxylic acid. 일반식 R-COOH(카르복시기)[1].

유기화합물의 종류로 액성은 대부분 산성이다. 이쪽 계열의 화합물은 대부분 국문으로 '-산(酸)', 영어로 '-ic acid'라는 접미사가 붙는다[2]. 다만 카복실기 외에 염기성을 띠는 다른 작용기를 가진 화합물은 다른 액성을 띠는 경우도 많다[3].

아미노산, 지방산 등 화학적/생물학적으로 의미를 가지는 분자 중 적지 않은 수가 카복실기를 가지고 있다.

생물학적으로는 알코올의 산화 과정 등을 통해 만들어질 수 있으며, 생명 활동의 핵이기도 하다.

미생물의 경우 알코올과 카복실산을 같이 생산하는 미생물은 일반적으로 pH가 높으면 산발효(酸醱酵; Acidogenesis)를 통해 주로 카복실산을, pH가 낮아지면 용매발효(溶媒醱酵;Solventogenesis)를 통해 알코올과 아세톤등을 주로 생산한다. biorefinery로 주목받는 부티르산을 생산하는 주요 미생물들은 대부분 Clostridium에 속하며 카복실산만 생산하는 미생물로는 C. tyrobutyricum이 대표적이며 알코올 및 아세톤등의 용매를 같이 생산하는 미생물로는 C. acetobutylicum이나 C. beijerinckii 등이 있다.

탄소 수가 적은 포름산과 아세트산은 물에 잘 녹는다. 그리고 물에 녹아 일부만 수소 이온을 내놓으므로 약한 산성을 띤다. 수소결합하기 때문에 탄소 수가 비슷한 탄소화합물에 비해 끓는 점이 높다. 카복실산 두 분자가 수소 결합에 의한 이합체를 형성한다.

탄소 수가 같은 알카인의 이름 끝에 '-산'을 붙여서 명명한다. 대표적인 예시로는 포름산과 아세트산이 있는데, 포름산(HCOOH)은 H-의 관용명인 form-에서 따온 이름이고, 아세트산(CH₃COOH)은 CH₃의 관용명인 acet-에서 따온 이름이다.

2. 제법

가장 일반적이며 유용한 제법은 1차 알코올이나 알데하이드를 산화시키는 것이다. 이때 해당 반응의 메커니즘은 알데하이드가 수화되는 과정을 포함하기에, 반응이 진행되기 위해서는 반드시 물이 필요하다[4].

RCH₂OH → RCHO → RCOOH

당연하게도 카복실산 유도체의 가수분해를 통해서 카복실산을 만드는 것도 가능하다. 반응성이 비교적 높은 산 염화물, 산 무수물 등에서는 쉽게 반응이 진행되지만, 에스터나 아마이드 등 치환기의 leaving group ability가 높지 않은 경우에는 비교적 격렬한 조건을 필요로 한다. 나이트릴의 가수분해를 통해서도 만들 수 있다.

3차 이하의 알켄을 가오존 분해(ozonolysis)하거나, 산화성 분해할 경우에도 하나의 수소를 가지고 있는 쪽에서 카복실산이 만들어진다. 비슷하게 알카인의 가오존 분해에서도 카복실산이 만들어진다.

한쪽에 메틸기를 가진 케톤을 기질로 해 haloform reaction을 진행시키면 haloform과 함께 카복실산을 얻을 수 있다[5].

Aryl aldehyde 등 enolization이 진행되지 않는 알데하이드의 Cannizzaro reaction을 통해, 1:1 비율로 대응되는 알코올과 함께 카복실산을 얻을 수 있다[6].

Grignard 시약, 유기리튬 시약 등 염기도가 높은 유기금속 시약과 이산화탄소의 반응을 통해서도 카복실산을 합성할 수 있다[7]

3. 반응

예전 화1에서는 금속을 넣어주면 수소 기체가 발생하는 반응, 염기와 만나 중화되는 중화반응, 산 촉매 하에서 알코올과 반응하여 에스테르를 생성하는 에스테르화 반응을 배웠다. 또한 포름산(HCOOH)은 분자 내에 카복실기와 포르밀기를 동시에 갖고 있어서 은거울 반응과 펠링 반응을 한다.

2RCOOH + 2Na → 2RCOONa + H₂⬆️
RCOOH + NaOH → RCOONa + H₂O
RCOOH + R'OH → RCOOR' + H₂O

3.1. 친핵성 아실 치환 반응

카보닐 탄소가 친핵체에 의해 공격받은 후, 하이드록시기 자체 또는 양성자화되거나 다른 시약에 의해 변형된 하이드록시기가 이탈하는 과정을 통해 카복실산 유도체를 만들 수 있다.

산 염화물의 경우, POCl₃, SOCl₂, PCl₅ 등의 시약을 처리하여 하이드록시기를 좋은 이탈기로 변환한 후, Cl^-가 공격하는 메커니즘을 통해 만들어진다.

산 무수물은 TFAA, ethyl chloroformate 등 좋은 이탈기를 가진 카복실산 유도체와의 반응을 통해 얻을 수 있다. 또한 분자 내에 2개의 카복실기가 존재하는 경우, 엔트로피적으로 충분한 driving force가 존재하기에 Ac₂O 등과 반응시켜서 탈수시켜 산 무수물을 만들어내는 것도 가능하다.

에스터의 경우, 가장 단순한 제법은 Fischer esterification을 이용하는 것이다. 이는 산 촉매[8]하에서 알코올와 카복실산을 가열하는 과정이다. 다만 해당 반응은 가역적이라는 문제점이 있기에, 수율을 높이기 위해서는 생성된 물을 제거해 주어야 한다[9][10].

Methyl ester의 경우에는 CH₂N₂[11]과의 반응을 통해 합성할 수 있다. 다만 다른 ester에는 이 방법을 적용하기 어렵다.

메틸기 또는 1차 알킬기를 가진 카복실산의 경우, 제한적으로 carboxylate와 alkyl (pseudo)halide의 S_N2 반응을 통해 합성하는 것도 가능하다. 다만 해당 반응은 carboxylate의 nucleophilicity가 높지 않기에 제한적으로만 사용된다[12]

카복실산을 in situ로 만들어낼 수 있는 peptide coupling agent[13]를 이용하는 방식도 널리 사용된다.

아마이드의 경우에는 단순히 카복실산과 아민을 혼합해 고온으로 가열[14]해 합성하는 것도 가능하지만, 일반적으로는 에스터의 합성과 동일하게 peptide coupling agent를 이용하는 것이 가장 깔끔하다.

다만 위에서 논한 것처럼 카복실산에서 직접 합성하는 방법도 가능하지만, 에스터와 아마이드, acyl azide 등 많은 카복실산 유도체는 산 염화물 등 반응성 높은 카복실산 유도체를 경유해 합성하는 방식이 일반적으로 사용된다.

3.2. 환원 반응

1차 알코올로의 환원은 일반적으로 산 염화물, 에스터 등을 경유해 이루어진다. 다만 BH₃ 등을 이용하면 카복실산을 바로 1차 알코올로 환원시키는 것도 가능하다[15].

알데하이드가 카복실산으로 쉽게 산화되는 것과 달리, 카복실산을 알데하이드로 환원시키는 것은 어렵다. 이 때문에 카복실산을 1차 알코올까지 환원시킨 후, 이를 다시 알데하이드로 산화시키는 2단계 반응이 가장 많이 이용된다. 하지만 한 단계로 반응시키는 것이 불가능하지는 않으며, 대표적으로 -78℃ 수준의 저온에서 안정한 중간체를 형성하는 DIBAL[16]을 이용한 에스터의 환원이 있다[17]. 2단계 반응을 이용하는 것이 안정적이고 대부분의 경우 수율도 나쁘지 않기에 합성에서 흔히 사용되지는 않지만, 카복실산을 알데하이드로 바로 산화시키는 다양한 methodology들이 개발되어 있다[18][19].

3.3. 기타 반응

카복실산에 LDA 등 2당량의 비친핵성 유기리튬 시약을 처리하는 식으로 만든, carboxylic acid의 dilithium derivative를 d² synthon으로 사용할 수 있다. 또는 dilithium derivative에 silylation을 거쳐 사용할 수도 있다.

초기 형태인 Hunsdiecker reaction을 비롯해, 다양한 종류의 decarboxylate halogenation이 개발되어 합성에서 사용되고 있다.

카복실기에 결합되어 있는 탄소를 하나 늘릴 수 있는 유용한 homologation으로 Arndt-Eistert synthesis이 존재한다.

4. 분류

4.1. 지방산

4.1.1. 포화 지방산

이중결합이 없는 사슬 형태의 카복실산. 알코올에서 하이드록시기(-OH)를 카복실기(-C(=O)OH)로 치환한 꼴.

보통은 펜탄산(C5) 이하는 short-chain fatty acid로 분류하는데, 헥산산(C6)부터 글리세롤과 지방 결합을 하기 때문. 또한 short-chain fatty acid은 증발될 수가 있어 휘발성 지방산(volatile fatty acid)라고도 불리기도 한다.

이들 중 대부분은 IUPAC명과 별개로 관용명을 가지고 있다.

메탄산(HCOOH) - 포름산(Formic acid), 개미산이라고도 불린다.
에탄산(CH₃COOH) - 아세트산(Acetic acid), 초산이라고도 불리며 식초의 주성분이 된다.
프로판산(C₂H₅COOH) - 프로피온산(Propionic acid)이라고도 한다.
부탄산(C₃H₇COOH) - 부티르산(Butyric acid)이라고도 한다.
펜탄산(C₄H₉COOH) - 발레르산(Valeric acid)이라고도 한다.
헥산산(C₅H₁₁COOH) - 카프로산(Caproic acid)이라고도 한다.
헵탄산(C₆H₁₃COOH) - 에난트산(Enanthic acid)이라고도 한다.
옥탄산(C₇H₁₅COOH) - 카프릴산(Caprylic acid)이라고도 한다.
노난산(C₈H₁₇COOH) - 펠라곤산(Pelargonic acid)이라고도 한다.
데칸산(C₉H₁₉COOH) - 카프르산(Capric acid)이라고도 한다.
운데칸산(C₁₀H₂₁COOH) - 운데실산(Undecylic acid)이라고도 한다.
도데칸산(C₁₁H₂₃COOH) - 라우르산(Lauric acid)이라고도 한다.
트리데칸산(C₁₂H₂₅COOH)
테트라데칸산(C₁₃H₂₇COOH) - 미리스트산(Myristic acid), 육두구산이라고도 한다.
펜타데칸산(C₁₄H₂₉COOH)
헥사데칸산(C₁₅H₃₁COOH) - 팔미트산(Palmitic acid)이라고도 한다.
헵타데칸산(C₁₆H₃₃COOH) - 마르가르산(Margaric acid)이라고도 한다.
옥타데칸산(C₁₇H₃₅COOH) - 스테아르산(Stearic acid)이라고도 한다.
노나데칸산(C₁₈H₃₇COOH)
이코산산(C₁₉H₃₉COOH) - 아라키드산(Arachidic acid)이라고도 한다.
도코산산(C₂₁H₄₃COOH)- 베헨산(Behenic acid)이라고도 한다.
테트라코산산(C₂₃H₄₇COOH) - 리그노세르산(Lignoceric acid)이라고도 한다.
헥사코산산(C₂₅H₅₁COOH) - 세로트산(Cerotic acid)이라고도 한다.
옥타코산산(C₂₇H₅₅COOH) - 몬탄산(Montanic acid)이라고도 한다.
트리아콘탄산(C₂₉H₅₉COOH) - 멜리스산(Melissic acid)이라고도 한다.
헨트리아콘탄산(C₃₀H₆₁COOH)
도트리아콘탄산(C₃₁H₆₃COOH) - 라세릴산(Lacceroic acid)이라고도 한다.
트리트리아콘탄산(C₃₂H₆₅COOH) - 프실린산(Psyllic acid)이라고도 한다.
테트라트리아콘탄산(C₃₃H₆₇COOH) - 게딘산(Geddic acid)이라고도 한다.
펜타트리아콘탄산(C₃₄H₆₉COOH) - 밀랍산(Ceroplastic acid)이라고도 한다.
헥사트리아콘탄산(C₃₅H₇₁COOH)
테트라콘탄산(C₃₉H₇₉COOH)
펜타콘탄산(C₄₉H₉₉COOH)
헥사콘탄산(C₅₉H₁₁₉COOH)

4.1.2. 불포화 지방산

사슬 중간에 이중결합을 포함하고 있는 지방산. 흔히 말하는 트랜스 지방이 trans 이중 결합을 가진 지방산을 포함하는 중성 지방을 지칭하는 것이다.

오메가 명명법(Omega Nomenclature)에 의해 카복실기의 반대쪽 끝에서 세어 몇 번째에 이중결합이 있는지에 따라 오메가-3, 오메가-6, 오메가-7, 오메가-9 등으로 지칭한다.

오메가-3

오메가-6

오메가-7

오메가-9

기타

4.2. 아미노산

카복시기(-COOH)와 아미노기(-NH₂)를 함께 가지고 있는 분자. 일반적으로는 카복실기의 α 탄소에 아미노기가 결합되어 있는 α-amino acid만을 지칭한다. 자세한 사항은 해당 항목 참조. 카복시기와 아미노기가 만나서 펩티드 결합을 형성하며, 이렇게 형성된 폴리펩타이드가 접히고 가공되어 입체적인 구조를 이루고 있는 것이 단백질이다.

4.3. 히드록시산

카복실기와 하이드록시기가 함께 존재하는 분자. 카복실기를 이루는 탄소와 하이드록시기가 결합된 탄소의 상대적 위치에 따라, 알파 히드록시산[20] 베타 히드록시산[21] 등으로 나뉜다. 대응되는 모체 산에 비해 일반적으로 강한 산이며[22], 이는 하이드록시기와 카복실기의 상대적 위치가 가까울수록 더 극적인 영향을 끼친다[23].

알파 히드록시 산

베타 히드록시 산

감마 히드록시 산

4.4. 기타

그 외에, 카복실산인 동시에 케톤인 분자를 지칭하는 케톤산 등의 하위 분류가 있다.

5. 관련 문서

[1] 유기화학, 생화학 등에서는 R-CO₂H 형태로 표기되기도 한다.[2] 짝염기, 즉 수소 이온이 해리된 형태는 접미사 -ic acid 대신 -ate가 붙는다.[3] 대표적으로 아르기닌, 라이신 등은 카복실산에 속하지만 액성이 염기성이다.[4] 역으로, 무수 조건에서 반응을 진행시키면 1차 알코올을 알데하이드까지만 산화시키는 것도 가능하다.[5] 해당 반응은 유튜브 등에서 클로로포름을 만들어내는 방법으로 알려져 있기도 하다.[6] 해당 반응은 LiAlH₄가 발견되지 전까지 알데하이드의 마땅한 환원법이 얼마 없었던 과거에나 사용되었지, 현재에는 유기화학 실습 등이 아니면 실질적으로 사용할 일이 없는 반응이다.[7] 학부 유기화학에서 이 반응을 배우기는 하지만, 합성적으로는 하등 쓸모가 없는 반응이다. 오히려 역으로 decarboxylate halogenation을 수행하는 일이 더 많다.[8] 염기를 이용하면 카복실산이 탈양성자화되어 반응성이 없어지기에 반드시 산을 이용해야 한다.[9] 간단한 방법으로 알코올을 용매로 사용해 과량 투입하거나, 알코올의 분자량이 충분히 크다면 distilation을 이용할 수 있다.[10] 또는 물만을 선택적으로 흡수할 수 있는 3 Å molecular sieve를 이용하는 것도 가능하다[11] diazomethane[12] Ag⁺는 halogen-selective한 루이스 산으로 작용하기에, 이를 함께 처리해 주거나 silver carboxylate를 사용해 반응시키는 방법을 들 수 있다.[13] DCC/EDC/CDI 등의 stoichiometric한 reagent에 DMAP/NHS 등을 촉매량 넣어 주는 방식을 사용한다.[14] 저온에서는 산-염기 반응만 일어난다.[15] 해당 반응은 다른 카복실산 유도체에 대해 chemoselectivity를 가진다.[16] (ⁱBu)₂AlH[17] 다만 -15℃ 정도의 고온에서는 중간체가 붕괴되기에, 과량의 DIBAL을 고온 조건에서 사용하면 에스터를 높은 수율로 알코올로 변환할 수 있다. LAH 등보다 상대적으로 사용이 편해서인지, 교과서에 나와 있는 것과 달리 DIBAL을 이런 식으로 사용해 에스터를 환원시킨 후 DMP 등으로 다시 산화시키는 전합성 논문을 자주 볼 수 있다. e.g. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 7373. doi:10.1002/anie.201103088[18] Org. Lett. 2013, 15, 496. doi:10.1021/ol303296a[19] Org. Lett. 2019, 21, 7804. doi:10.1021/acs.orglett.9b02779[20] 화장품 등에서는 AHA로 지칭한다.[21] 화장품 등에서는 BHA로 지칭한다.[22] 유도 효과 및 분자내 수소 결합 등에 따른 것이다.[23] 다만 하이드록시기의 상대적 위치가 멀어지면 차이가 무시할 수 있을 정도로 작아진다.[24] 지방산과 수산화나트륨의 화합물이다.