나프탈렌

나프탈렌은 독특한 콜타르 냄새가 나는 흰색 결정형 고체이며, 프탈산 무수물의 합성 원료 또는 방충제로 사용되기도 한다. 나프탈렌이 공기 중에 0.08 ppm만 있어도 독특한 콜타르 냄새가 난다. 상온에서 서서히 곧바로 기체로 승화하는 성질이 있다.

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1820년대 초에 콜타르 정제 시 얻은 독특한 냄새가 나는 흰색 고체에 대한 2건의 문서가 보고되었다. 1년 후 존키드(John Kidd)가 이 두 개의 문서를 인용하고 이 고체의 성질과 제법에 관해 기술하였다. 모든 휘발성, 인화성 액체 탄화수소 혼합물을 뜻하는 광범위한 용어인 나프타(naphtha)에서 유래했다고 해서 나프탈렌(naphthalene)이라는 이름을 제안하였다. 나프탈렌의 화학식은 패러데이(Michael Faraday)에 의해 1826년 결정되었다. 그로부터 40년 이후 두 개의 벤젠 고리가 접합된 구조가 엘렌마이어(Emil Erlenmeyer)에 의해 제안되었고, 1869년에 그레베(Carl Gräbe)에 의해 확정되었다.

나프탈렌은 두 개의 벤젠고리가 융합된 구조로 되어 있으며, 벤젠계열의 여러 고리 방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon)로 분류된다. 벤젠과 달리 나프탈렌에 있는 8개의 수소는 두 가지로 분류할 수 있다.  나프탈렌의 1, 4, 5, 8번 탄소를 알파 위치라 하고, 이러한 탄소에 결합한 수소를 알파수소라고 한다. 2, 3, 6, 7번 탄소를 베타 위치라 하고, 여기에 결합한 수소를 베타 수소라고 한다.  탄소-탄소 결합 길이도 벤젠과 달리 C1−C2, C3−C4, C5−C6, C7−C8은 약 137 pm이고, 나머지 C-C 결합길이는 142 pm이다 . 이러한 길이의 차이는 x-선 결정 분석으로 확인되었다. 나프탈렌의 공명 구조는 아래와 같다.

나프탈렌: 구조, 탄소간 결합 길이, 공명 구조

나프탈렌은 콜타르 무게의 약 10% 정도를 차지하는 주성분으로 대부분 콜타르로부터 얻는다. 1960-90년대까지는 콜타르로부터 얻는 방법보다 순도가 더 높은 나프탈렌을 얻는 방법으로 석유 정제법이 사용되기도 했으나, 최근 이 방법은 나프탈렌 전체 생산량의 미미한 부분을 차지한다. 콜타르를 증류하면 나프탈렌이 약 절반을 차지하는 기름을 얻을 수 있다. 이 기름을 수산화나트륨 수용액으로 씻어주어 페놀류의 불순물을 제거한다. 그다음 황산으로 씻어주어 염기성 불순물을 제거한 후 분별 증류하여 약 95% 순도의 나프탈렌을 얻는다. 주요 불순물로는 벤조싸이오펜(benzothiophene), 인덴(indene), 메틸나프탈렌이며 각각 2% 미만으로 존재한다. 재결정 과정을 거치면 99% 이상의 나프탈렌을 얻을 수 있다. 2003년 기준으로 연간 약 1.3메가 톤이 생산된다.

나프탈렌의 유기 화학적 합성 방법은 먼저 벤젠에 무수 숙신산(succinic anhydride)을 루이스 산 촉매하에 프리델-크래프츠(Friedel-Crafts) 아실화 반응을 통해 3-벤조일프로판산(3-benzoylpropionic acid) 합성으로부터 시작할 수 있다. 그다음 클레멘슨(Clemensen) 환원 반응을 통해 4-페닐부탄산(4-phenylbutanoic acid)을 얻고, 강산 조건에서 가열하여 탈수 고리화 반응을 거쳐 테트랄린(tetralin)을 합성할 수 있다. 마지막으로 클레멘슨 환원 반응과 셀레늄 산화 반응을 통해 나프탈렌을 얻을 수 있다.

나프탈렌의 합성 방법

나프탈렌은 무수 프탈산(phthalic anhydride) 제조에 많이 사용되었으나, 최근에는 오쏘-자일렌(ortho-xylene)으로 대체되었다. 나프탈렌은 좀약이나 살충제로도 사용되었으나, 최근에는 독성 문제가 개선된 파라-다이클로로벤젠(p-dichlorobenzene) 등 염화 화합물의 등장으로 사용이 감소하였다. 계면활성제, 수지, 염료 중간체 생산에도 사용된다. 남색(indigo), 인단트렌(indanthrene), 트라이페닐메테인(triphenylmethane) 염료 제조를 위한 안트라닐산(anthranilic acid)과 프탈산(phthalic acid)의 합성에 사용된다. 또한, 염료 산업에서 사용되는 나프톨(naphthol), 나프틸아민(naphthylamine), 나프탈렌설폰산(naphthalenesulfonic acid)의 제조에도 사용된다. 합성 수지, 셀룰로이드, 검댕, 무연 가루의 원료로도 사용되며, 윤활유나 자동차 연료의 용매로 사용되는 수소화나프탈렌(테트랄린(tetralin), 데칼린(decalin)) 합성에도 이용된다.

나프탈렌 유래 화합물

오랜 시간 나프탈렌에 노출되면 간과 신경계에 손상을 주며, 백내장, 망막 출혈의 원인이 되기도 한다. 특히 산모가 방충제의 나프탈렌 냄새를 장기간 맡거나 흡입하면 용혈성 빈혈이 있는 신생아가 태어난다고 알려져 있다. 발암 가능 물질로 알려져 있으며, 후두암과 대장암 발병과 관련이 있다고 알려져 있다.

나프탈렌이 출발 물질로 사용되는 친전자성 방향족 치환 반응(electrophilic aromatic substitution)에서 생성물은 반응 조건과 치환기의 크기에 따라 1번 위치 또는 2번 위치에 치환될 수 있다. 1번 위치에 입체적으로 매우 큰 작용기가 도입되면, 8번 위치에 있는 수소와 입체적 방해를 많이 받는다. 한편, 큰 작용기가 2번 위치에 치환되었을 때는 1번 위치의 수소와 상대적으로 입체적 방해를 적게 받는다. 따라서, 1번 위치에 비교했을 때 2번 위치에 치환된 화합물이 에너지 또는 열역학적(thermodynamic) 측면에서 더 안정하다고 할 수 있다. 예를 들어, 나프탈렌에 매우 큰 작용기인 설폰을 도입하는 반응의 경우 낮은 온도(40~60 °C)에서는 대부분 속도론적(kinetic)으로 우세한 1번 위치에 설폰이 치환된 생성물이 생성된다(1-나프탈렌설폰산:2-나프탈렌설폰산 = 96: 4). 반면에, 높은 온도(160~165 °C)에서 반응할 경우 열역학적(thermodynamic)으로 안정한 2번 위치에 설폰이 지환된 화합물이 대부분 얻어진다(1-나프탈렌설폰산:2-나프탈렌설폰산 = 15: 85). 이러한 나프탈렌설폰산 합성 방법을 활용하면 alpha-naphthol과 beta-naphthol을 선택적으로 합성할 수 있다.

나프탈렌의 설폰화 반응 및 나프톨 합성

신약개발 연구분야에서 저분자에 나프탈렌 구조가 도입되면 친유성(liphophilicity)이 증가되는 것으로 알려져있고 다양한 질환의 치료제 후보물질 최적화 과정에서 자주 사용되는 치환체이다. 승인된 약물 중에서 나프탈렌 구조를 포함하는 약물로는 베타-락탐 계열 항생제인 나프실린(nafcilline), 알릴아민 구조의 항진균제 약물인 나프티핀(naftifine), 싸이오카바메이트(thiocarbamate) 작용기가 있는 항진균제인 톨나프테이트(tolnaftate), 무좀약으로 유명한 라미실(Lamisil)이라고 불리는 항진균제의 주성분인 터비나핀(terbinafine) 등이 있다.

나프탈렌 구조를 포함하는 승인된 약물