피롤리딘

피롤리딘(pyrrolidine)의 다른 이름은 테트라하이드로피롤(tetrahydropyrrole)과 아자사이클로펜테인(azacyclopentane)이다. CAS번호는 [123-75-1]이고 분자식은 C₄H₉N이며 분자량은 71.12 g/mol이다. 담배와 당근 잎에서 발견된다. 오르니틴(ornithine)과 푸트레신(putrescine)에서 생합성되는 것으로 알려져 있다. 피롤(pyrrole)을 환원시키는 것이 일반적인 제조 방법이다. 공업적 합성 방법은 뷰테인다이올과 암모니아를 알루미늄-토륨 산화물과 같은 촉매를 사용하여 고온 고압에서 수소화시켜서 생산하는 것이다.

목차

피롤리딘의 구조 (출처:대한화학회)

고리형 2차 아민으로 분류된다. 거의 무색의 액체이며 불쾌한 암모니아 같은 냄새가 난다. 공기 중에서 연기가 난다. 끓는점은 88.5-89 ºC이다. 물에 잘 섞이고 수용액은 염기성을 나타내며 알코올, 에터, 클로로폼에 녹는다.

질소를 포함하는 헤테로고리 화합물들은 고리의 형태와 고리 크기에 따라서 다른 이름을 사용한다. 많이 볼 수 있는 네 가지 고리형 아민들의 구조와 이름을 나타내었다. 번호는 질소가 1 번 위치가 된다. 피폴리딘은 피롤(pyrrole)과 이딘(-idine, 포화된 오원자고리)의 합성어다.

여러 가지 고리형 아민 (출처:대한화학회)

일반적으로 아민은 염기이며 친핵체이다. 질소에 있는 비공유 전자가 염기성과 친핵성을 지배한다. 아민은 알코올보다 센 염기이다. 아민의 염기성의 세기는 아민의 짝산(암모늄 이온)의 산성의 세기로 나타낸다. 산의 세기를 나타내는 척도로 pK_a 값을 이용한다. pK_a 값이 크면 약한 산이 되고 따라서 그 짝염기는 센 염기가 된다. 아민의 짝산이 센 산이면 아민은 약염기다.

아민들의 짝산의 pK_a 값을 비교해 보면 피롤리딘이 다이에틸아민, 암모니아, 피리딘, 피롤보다 더 센 염기임을 알 수 있다. 알킬 치환기 숫자가 더 많은 2차 아민이 1차 아민보다 더 센 염기이고 , 열린 고리 2차 아민보다 고리형 2차 아민이 센 염기가 되는 경향이 일반적이다. 피롤리딘의 염기성이 다이에틸아민 보다 큰 이유는 F-무리(F-strain; 즉 알킬 부분이 고리로 묶여 산과 반응시 전면의 입체 장애가 작아짐) 때문이며, 같은 이유로 친핵성도 다이에틸아민 보다 커진다.

피롤의 질소 비공유 전자쌍은 방향성 고리를 만드는데 참여하기 때문에 염기로 작용하지 않는다. 양성자도 질소에 첨가되지 않고 탄소에 결합된다. 피롤의 짝산의 pK_a가 0.4이므로 피롤의 pK_b는 13.6이 되고 매우 약한 염기임를 나타낸다. 피롤리딘의 짝산의 pK_a가 11.27이므로 피롤리딘의 pK_b가 2.73이 되며 이는 피롤리딘이 매우 센 염기성 아민임을 나타낸다.

암모늄 이온들의 pK_a 값 (출처:대한화학회)

아민은 더 센 염기와 반응하여 산으로 작용할 수 있다. 아민의 산성의 세기는 아민의 pK_a 값으로 쉽게 비교할 수 있다. 피롤의 pK_a는 16.5이고 피롤리딘의 pK_a은 35이다. 피롤은 피롤리딘보다 염기도가 낮아 중성에 가깝다. 피롤리딘의 음이온은 LDA (lithium diisopropylamide)처럼 매우 센염기가 된다.

피롤과 피롤리딘의 산성의 세기 (출처:대한화학회)

피롤리딘은 엔아민을 만들 때 많이 사용되는 2차 아민이다. 피페리딘과 모폴린도 흔히 엔아민을 만들 때 사용되는 고리형 2차 아민이다. 엔아민을 이용하면 강 염기를 사용하지 않고 카보닐의 알파 위치에 친전자체를 도입하는 반응을 아주 편리하게 할 수 있다. 엔올레이트를 이용하는 방법을 대체할 수 있는 반응이 된다. LDA 등의 강염기를 사용하는 데 나타나는 불편함을 줄이고 온화한 조건에서 반응을 할 수 있기 때문에, 여러 작용기에 관용성이 커서 매우 유용한 반응이다.

피롤리딘은 엔아민을 이용하는 반응에 많이 사용된다 (출처:대한화학회)

콘쥬게이트 카보닐에 알데하이드나 케톤을 친핵성 첨가하는 반응도 엔아민을 이용하여 할 수 있는데 이때도 피롤리딘을 이용하여 엔아민을 만드는 경우가 많다. 스토크 엔아민 합성이라는 이 반응을 활용하면 1,5-다이카보닐 화합물을 합성할 수 있다 (화학백과 엔아민 참조).

피롤리딘은 루카르트-왈라쉬(Leuckart –Wallach) 반응과 만니크(Mannich) 반응을 할 수 있다. 이런 반응을 이용하여 항생제를 비롯한 여러 가지 의약품 제조에 피롤리딘이 사용된다. 그리고 가황 촉진제 (vulcanization accelerators) 제조에도 사용된다.

The Merck Index 13th edition.

Organic Chemistry 2nd edition, Janice Gorzynski Smith.

Organic Chemistry 8th edition, John E. McMurry.

Organic Chemistry 6th edition, Structure and Function, Peter Vollhardt and Neil Schore.