테트라하이드로퓨란

[ tetrahydrofuran ]

테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran)은 줄여서 THF라고도 부르며 산소 하나를 포함하는 포화된(saturated) 오각 헤테로고리(heterocyclic) 유기화합물이다. 물과 섞이며 유기 화학 반응시 비양성자성(aprotic) 극성 용매로 많이 사용한다.¹⁾


이름	테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran)
다른 이름	옥솔레인(oxolane) 옥사사이틀로펜테인(oxacyclopentane)
CAS 번호	109-99-9
분자식	C₄H₈O
분자량	72.11 g/mol
녹는점	-108.4 °C
끓는점	66 °C
밀도	0.8876 g/cm³ (20 °C)
성상	무색 액체
반수 치사량(LD₅₀)	1,650 mg/kg (경구투여, 쥐, rat) 2,300 mg/kg (경구투여, 쥐, mouse)

퓨란(furan)은 오각형 고리에 산소가 하나 있는 방향족(aromatic) 헤테로고리 화합물이며, 퓨란(furan)의 이중 결합 두 개가 환원되어 포화된 오각 고리 화합물이 테트라하이드로퓨란이다.²⁾ THF는 고리화된 에터(ether) 구조를 가지고 있다. 퓨란의 산소에는 두 개의 비공유 전자쌍이 있는데, 하나는 sp² 오비탈에 다른 하나는 p 오비탈에 존재한다. 반면에 테트라하이드로퓨란의 산소에 있는 두 개의 비공유 전자쌍은 sp³ 오비탈에 존재한다. 사이클로펜테인(cyclopentane)의 메틸렌(methylene, CH₂) 하나가 산소로 치환된 화합물로 볼 수도 있다.

테트라하이드로퓨란과 퓨란의 구조: 퓨란의 이중 결합이 모두 환원되면 테트라하이드로퓨란이 된다(출처: 대한화학회).

명명법

퓨란에 수소가 네 개 더 첨가되어있다는 뜻에서 '테트라하이드로'가 추가되어 테트라하이드로퓨란이라고 부른다. 명명법 시 번호는 THF의 산소가 1번이다. 포화된 탄소 고리에 산소가 하나 포함된 화합물의 명명법은 고리의 크기에 따라 다음과 같다: 3각 고리는 옥시레인(oxirane) 또는 에폭사이드(epoxide), 4각 고리는 옥시테인(oxetane), 5각 고리는 옥솔레인(oxolane), 6각 고리는 파이란(pyran) 이라고 부른다.

합성 방법

연간 약 200,000 톤의 테트라하이드로퓨란이 생산된다.

산업적으로 가장 많이 사용되는 THF 합성 방법은 1,4-뷰테인다이올(1,4-butanediol, HO(CH₂)₄OH)을 산 촉매 하에 탈수 고리화반응시키는 방법이다. 이 방법을 이용해서 THF를 가장 많이 생산하는 기업은 미국 화학 회사인 Ashland/ISP 이다. 1,4-뷰테인다이올은 아세틸렌(acetylene, CHCH)과 폼알데하이드(formaldehyde)의 축합 반응(condensation) 후 수소화 반응에 의해 합성할 수 있다. 이와 관련한 미국 특허만 1975년과 2007년 사이에 24개가 넘는다.

세계적 화학 기업 듀퐁(DuPont)은 n-뷰테인(n-butane)을 산화시켜 말레산 무수물(maleic anhydride)을 만들고, 이를 촉매 하에 수소화 반응시켜 THF를 생산하는 공정을 길버트(W. W. Gilbert)와 후크(B. W. Howk) 주도로 개발하여 1956년에 특허를 출원하였다. 듀퐁은 나중에 퓨란을 THF로 수소화하는 공정도 개발하였다.³⁾

세 번째로 많이 사용되는 산업적 방법은 알릴 알코올(allyl alcohol, CH₂=CH-CH₂-OH)을 하이드로포밀화 반응(hydroformylation)한 후, 수소화 반응시켜 1,4-뷰테인다이올을 합성하는 방법이 있다.

퓨란을 촉매 하에 수소화 반응시켜 THF를 얻을 수 있다.

고분자화 반응

THF는 강산을 촉매로 쓰면 폴리테트라메틸렌옥사이드(polytetramethylene oxide; PTMO)라고도하는 폴리(테트라메틸렌에터)글라이콜(poly(tetramethylene ether) glycol; PTMEG) 선형 고분자로 변환되며, 이 고분자는 스판덱스와 같은 탄성 폴리우레탄 섬유를 만들 때 사용된다.

nC₄H₈O → −(CH₂CH₂CH₂CH₂O)_n−

용도

폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC) 또는 바니쉬(varnish; 니스라고도 하며 목재 및 기타 소재의 표면에 광택을 내는 투명한 도료) 제조시 공업용 용매로 사용된다.

유전 상수(dielectric constant)가 7.6인 비양자성이며 중간 극성 용매로서 다양한 비극성 및 극성 유기화합물을 용해할 수 있다.

THF는 역상 액체 크로마토그래피를 위한 이동상(mobile phase)의 구성 요소로 사용된다. 메탄올이나 아세토나이트릴(acetonitrile)보다 용출 강도(elution strength)가 더 크지만 이러한 용매보다 덜 사용된다.

다이에틸 에터보다 염기성이 더 크며, 리튬 이온(Li⁺), 마그네슘 이온(Mg²⁺), 보레인(borane; BH₃)과 강한 착물(complex)을 형성한다. 따라서, 하이드로보레이션 반응(hydroboration)과 유기 리튬 및 그리냐르 시약(Grignard reagent)과 같은 유기 금속 화합물에 널리 사용되는 용매이다. 시판되는 THF에는 수분이 포함되어 있기 때문에 수분에 민감한 유기금속 화합물을 이용한 반응시에는 미리 THF의 수분을 제거해야 한다.

테트라하이드로퓨란 포함 약물

신약 개발 분야에서 새로운 화합물 합성 시 테트라하이드로퓨란은 약효와 약물성(염기도, 수용성, 안정성, 수소 결합 능력 등) 측면에서 유용하게 사용되는 구조 중 하나이다. 테트라하이드로퓨란을 포함하는 블록버스터 약물(blockbuster; 년 매출이 10억불 이상인 약물)로는 2018년 매출이 $23.09 억인 제2형 당뇨병 치료제인 엠파글리플로진(Empagliflozin, 상품명 자디안스(Jardiance))이 있다. 그 외에도 항암 효과가 있는 아노퍼퓨리신 A(annopurpuricins A), 신경보호제 일리시모닌 A(illisimonin A), 항암 효능이 있는 브레비폴리드 M(Brevipolide M) 등이 있다.

독성 및 안정성

경구 투여시 THF의 반수 치사량(LD₅₀)은 쥐(rat)의 경우 1650 mg/kg, 쥐(mouse)의 경우 2300 mg/kg 이다. 비교적 독성이 없는 편이며, 아세톤(acetone)과 유사한 반수 치사량을 나타낸다.

피부를 잘 투과하여 탈수 현상을 초래한다. THF는 라텍스를 쉽게 용해하기 때문에, THF 사용시 보통 나이트릴 또는 네오프렌 고무 장갑을 사용한다.

테트라하이드로퓨란은 공기 중에 장기간 노출하면 산화되어 폭발성 THF 과산화물(tetrahydrofuran hydroperoxide)을 형성한다. 이를 방지하기 위해 보통 THF 시약병에는 2,6-다이-터셔리-뷰틸-4-메틸페놀(BHT; 2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol)과 같은 산화 방지제를 추가한다. 과산화물의 검출은 아이오딘화 포타슘 수용액과 반응시켜 갈색 아이오딘에 의한 변색으로 확인된다. 이 과산화물은 황산 철(II) (FeSO₄)을 가하여 제거할 수 있다.

참고문헌

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동의어

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