아민

아민은 암모니아(NH₃)에서 하나 이상의 수소가 알킬 또는 방향족 고리로 치환된 작용기를 포함한 질소 유기 화합물이다. 화합물은 아민기 외에 다른 작용기가 같이 존재할 수도 있다. 수소 대신 치환된 알킬 개수에 따라 1차, 2차, 3차 아민과 4차 암모늄으로 나뉠 수 있고, 화합물 내에 존재하는 아민 작용기 수에 따라 2개를 포함하면 다이아민(diamine), 3개는 트리아민(triamine), 4개 이상은 폴리아민(polyamine)이라 부른다. 또한 아민은 비고리형 아민, 고리형 아민, 아릴 아민으로 분류하기도 한다.

아민 작용기에 있는 질소 원자는 비공유 전자쌍을 가지고 있어, 산(H⁺)과 중화 반응을 하는 염기로 작용할 수 있고 전자가 부족한 친전자체에 전자를 주는 친핵체로 작용한다. 따라서 아민은 산(H⁺) 또는 친전자체와 반응하여 질소에 네 개 결합하는 암모늄염 화합물을 형성한다.

그림1. 아민의 분류 및 구조 (출처: 대한화학회)

목차

아민에 있는 질소 원자는 세 개의 원자들과 공유 결합을 하고 한 쌍의 비공유 전자쌍을 가지고 있어서 sp³로 혼성화되어 있고, 결합각이 약 109.5°C인 삼각뿔 모양을 하고 있다. 아민에 있는 질소 원자는 탄소와 수소보다 전기음성도가 크기 때문에 C-N과 N-H 결합 모두 극성 공유 결합을 형성한다. 따라서 N 원자는 전자가 풍부하고 C와 H 원자들은 전자가 적게 된다.

세 가지 다른 알킬기를 포함한 아민의 질소 원자는 구조적으로 볼 때 입체발생 중심이 있어 두 개의 포개지지 않는 거울상 이성질체를 가질 수 있다. 그렇지만 특정 고리형 아민(아지리딘 유도체 및 천연 알칼로이드 중 고리형 아민)을 제외하면 일반적으로 상온에서 두 개의 거울상 이성질체를 분리할 수 없다. 이는 두 거울상 사이의 에너지 차이가 약 7 kcal/mol 정도로 상온에서 두 이성질체는 서로 빠른 속도로 상호 전환되어 특정한 이성질체를 분리 정제할 수 없기 때문이다. N이 네 개의 다른 기들로 둘러싸여 있는 4차 암모늄염 경우는 상호 전환이 발생하지 않아 카이랄한 탄소와 같이 취급될 수 있어 입체 발생 중심을 생성한다.

그림2. 아민은 카이랄? (출처: 대한화학회)

아민은 극성인 C-N과 N-H 결합 때문에 쌍극자-쌍극자의 상호작용을 보인다. 1차 아민과 2차 아민은 N-H 결합이 있으므로 분자 간 수소 결합을 할 수 있다. 그러나 질소가 산소보다 전기음성도가 작으므로 N과 H의 분자 간 수소 결합은 O와 H의 분자 간 수소 결합보다 약하다. 분자량이 비슷한 메틸아민(CH₃NH₂, 분자량=31.06)과 물(H₂O, 분자량=18.01)의 끓는점/녹는점을 비교하면 1기압에서 각각 –6.6 °C/-93.1 °C 와 100 °C/0 °C이다.

일반적으로 분자량이 비슷한 3차 아민과 2차 아민에서 3차 아민은 수소 결합을 할 수 없어서 2차 아민보다 끓는점이 낮다. 예를 들면 분자량이 73으로 동일한 에틸다이메틸아민(EtNMe₂)의 끓는점은 38 °C 이지만 2차 아민인 다이에틸아민(Et₂NH)의 끓는점은 56 °C로 수소 결합 때문에 끓는점이 더 높다.

탄소가 다섯 개 또는 그 이하인 모든 아민은 H₂O와 수소 결합을 할 수 있으므로 H₂O에 녹지만 탄소가 다섯 개보다 많은 아민은 비극성 알킬 부분이 너무 커서 극성 용매인 H₂O에 녹지 않는다. 아민은 일반적으로 크기에 상관없이 유기 용매에는 잘 녹는다.

자연계에 수많은 아민 작용기를 포함한 화합물이 존재하고 있고 바이오 활성을 가지는 많은 아민들이 합성되었다. 휘발성이 높은 많은 저분자 아민들은 부패한 어류, 정액, 소변 및 심한 입냄새에 부분적으로 관련된 매우 좋지 않은 냄새를 풍긴다. 트라이메틸아민(trimethylamine)은 부패한 어류의 특유한 냄새가 나고 푸트레신(putrescine)과 카다베린(cadaverine)은 썩은 냄새가 난다.

식물로부터 자연적으로 발생된 아민들은 수용액이 약염기성이기 때문에 알칼로이드(alkaloid)라 부르고 퀴닌(quinine), 모르핀(morphine), 코카인(cocaine), 아트로핀(atropine), 니코틴(nicotine), 그리고 코니인(coniine)등이 있다.

아닐린, 툴루이딘 등과 같이 고리 밖에 질소 원자를 포함한 방향족 아민과 피리딘, 이미다졸과 같이 고리 내부에 질소를 함유한 헤테로고리화 화합물도 존재한다.

도파민(dopamine), 아드레날린(adrenaline), 노아드레날린(noradrenaline), 메탐페타민(methamphetamine), 그리고 메스칼린(mescaline)등과 같이 신경 전달 물질로 사용되는 2-페닐에틸아민(2-phenylethylamine, C₆H₅CH₂CH₂NH₂) 계통의 아민은 생물학적인 활성에서 중요한 임무를 수행하고 있다. 환각제인 LSD와 환각성 마취제인 코데인(codeine)은 2-페닐에틸아민을 포함한 복잡한 유도체이다.

인돌 구조를 포함한 아민으로는 행복 호르몬인 세로토닌(serotonin)이 있다. 세로토닌은 사람들의 기분, 수면, 지각 작용과 온도 조절에 중요한 역할을 담당하는 신경 전달 물질이고, 이것이 부족하면 우울증을 일으킨다. 따라서 메시지를 전단한 세로토닌의 재흡수를 억제하여 체내 양을 증가시키는 방향으로 우울증을 치료하는 플루옥세틴[fluoxetine, 상품명은 프로작(prozac)]과 같은 우울증 약품이 개발되었다.

합성된 화합물로는 항생제로 사용되는 설파메톡사졸(sulfamethoxazole), 설피속사졸(sulfisoxazole)과 같은 설파계 항생제가 있고 다이아조 염료와 같은 합성 염료 계통 화합물이 있다.

그림3. 흥미 있고 유용한 아민들(출처: 대한화학회)

아민을 제조하기 위해 다음과 같은 4가지 방법을 사용한다.

아민 반응은 질소에 있는 비공유 전자쌍에 의해 시작된다. 질소는 주기율표의 2주기에 있고 공유 결합을 형성하는 2주기 원소 중에서 질소, 산소, 플루오린의 세 개의 원소만이 중성 유기 화합물에서 비공유 전자쌍을 가지고 있다. 전기음성도가 질소, 산소, 플루오린 방향으로 오른쪽으로 갈수록 증가하므로 이들의 중성 공유 결합 화합물에서 질소, 산소, 플루오린의 염기도와 친핵성도는 전기음성도와는 반대로 오른쪽으로 가면서 감소한다. 따라서 질소는 2주기 원소 중에서 가장 염기성이고 가장 친핵성이다. 질소를 포함한 아민 화합물은 산성의 양성자가 있는 화합물과 염기로서 반응하는 중화반응과 친전자성 탄소가 있는 화합물에 친핵체로 반응하여 치환 반응을 할 수 있다.

비공유 전자쌍을 가지고 있는 아민 화합물들은 다양한 유기 및 무기 산에 대해 염기로서 반응한다. 사용되는 산의 산성도가 적절해야 아민과 산-염기 중화반응을 할 수 있다.

아민의 pK_a는 직접 측정하지 않고 아민의 짝산(R-NH₃⁺)이 해리되는 과정의 산도를 측정한다. 즉, 양성자가 첨가된 알킬 아민의 짝산(R-NH₃⁺)인 암모늄의 pK_a는 일반적으로 10~11 값을 가진다. 약산의 짝염기는 강염기가 되므로 중화 생성물인 암모늄 생성물 쪽으로 평형이 우세하게 이동하려면 중화 반응에 사용되는 산의 pK_a는 일반적으로 10보다 더 작아야만 한다.

아민과 산의 중화 반응을 이용하여 아민을 다른 유기 화합물로부터 용매 추출 방법을 사용하여 분리할 수 있다. 예를 들어 나프탈렌과 사이클로헥실아민이 섞여 있는 혼합물에서 사이클로헥실 아민을 간단한 산-염기 추출법으로 분리할 수 있다. 혼합물을 HCl 수용액으로 처리하면, 염기성이 강한 아민과는 중화반응으로 사이클로헥실 암모늄염을 형성하지만, 나프탈렌은 산-염기 반응을 하지 않는다. 암모늄염은 이온을 띤 극성물질로 물에 용해되나 유기 용매에는 용해되지 않는다. 유기 용매-물을 사용한 추출로 나프탈렌과 사이클로헥실 암모늄염을 유기층과 물층으로 각각 분리할 수 있다. 물층에 있는 사이클로헥실 암모늄염을 강 염기로 처리하고 유기 용매-물을 사용한 추출을 반복하면 유기층에서 사이클로헥실아민을 분리할 수 있게 된다.

아민과 산의 중화 반응은 라셈혼합물에서 각각의 거울상 이성질체를 분리하는 분할(resolution)에 이용할 수 있다. 예를 들어 산 작용기를 가지고 있는 라셈혼합물에서 각각의 거울상 이성질체를 산-염기 중화 반응을 통해 분리할 수 있다. 라셈혼합물에 비대칭 탄소를 가져 분자 전체가 카이랄한 아민(예로 (S)-1-phenethylamine)을 사용하여 산-염기 중화 생성물을 만들면 이들은 부분입체 이성질체가 된다. 두 이성질체는 물리적 성질이 달라지고 적절한 분리 정제 과정으로 각 부분입체 이성질체를 분리할 수 있다. 분리된 이성질체는 강산으로 처리하여 아민과 산을 분리하여 유기 용매-물을 이용한 추출 방법으로 한 가지 산 이성질체를 유기층에서 얻을 수 있다.

화합물의 상대적인 산도는 그들의 pK_a 값을 이용해서 비교할 수 있고, 약산의 짝염기는 강염기가 되고 강산의 짝염기는 약염기가 된다. 이러한 짝산/짝염기 성질을 이용하여 아민 화합물의 상대적인 염기도를 이들의 짝산(conjugated acid)의 pK_a값을 이용해서 비교할 수 있다.

테이블 1. 아민의 짝산 pKa값 (출처: 대한화학회)

어떤 아민의 염기도를 결정하는 요인은 유도 효과, 공명 효과, 방향족성, 혼성화 효과가 있다.

일반적으로

그림4. 아민의 염기도 비교(출처: 대한화학회)