올레핀

올레핀(olefin)은 알켄(alkene)의 동의어로 분자 내 탄소-탄소 이중 결합을 갖는 유기 화합물을 가리킨다. 올레핀은 라틴어인 ‘oleum facere’로부터 유래되었는데, 이는 곧 조리용 기름(cooking oil)을 만드는 물질을 일컫는다.

카놀라유(canola oil), 올리브유(olive oil), 팜유(palm oil), 옥수수유(corn oil) 등의 식물성 조리용 기름은 액체 상태인데 반해, 버터나 라드(lard, 돼지 비계를 식용으로 활용하기 위해 정제한 반고체 조리용 기름) 등의 동물성 기름은 고체 상태이다. 이는 식물성, 동물성 기름 모두 분자 내 탄소-탄소 단일 결합만으로 구성된 포화(saturated) 지방산과 분자 내 탄소-탄소 이중 결합을 갖는 불포화(unsaturated) 지방산의 혼합물로 구성되지만 식물성 기름의 경우 불포화 지방산의 비율이 상대적으로 높아서 액체 상태이며, 동물성 기름은 포화 지방산의 비율이 높아 고체 상태이다. 올레핀이란 이름은 이처럼 조리용 기름의 성분에서 유래가 되었다.

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알켄 화합물을 분류하는 다양한 방법이 있다. 예를 들면 이중 결합에 참여하는 두 탄소 원자 중에서 한 쪽 탄소의 치환기(substituent)가 모두 수소 원자인 알켄 화합물을 말단 알켄(terminal alkene), 이중 결합의 두 탄소 원자가 모두 하나 이상의 알킬 치환기(alkyl substituent)를 갖는 알켄 화합물을 내부 알켄(internal alkene)이라 한다.

아래 그림처럼 프로펜(propene), 1-뷰텐(1-butene), 1-펜텐(1-pentene) 등이 모두 말단 알켄이며 각각 1-뷰텐과 1-펜텐의 구조 이성질체인 2-뷰텐, 2-펜텐은 내부 알켄의 예이다. 말단 알켄의 경우에는 주사슬(또는 모체 사슬)의 탄소 원자에 번호를 매길 수 있는데, 아래 그림과 같이 이중 결합에 참여하는 말단 탄소를 1번으로 하고, 인접한 탄소를 따라서 차례대로 번호를 할당한다.

주사슬의 탄소 원자들을 번호 대신에 그리스 문자로 표현하기도 하는데, 1번 탄소는 알파 탄소로 하고, 인접한 탄소를 따라서 차례대로 베타, 감마, 델타 탄소로 나타낸다. 1-뷰텐과 같이 주사슬 내 알파 탄소-베타 탄소 사이 이중 결합을 갖는 알켄 화합물이 알파 올레핀이며, 따라서 알파 올레핀과 말단 알켄은 동의어이다.

알파 올레핀(말단 알켄)과 내부 알켄(출처:대한화학회)

알파 올레핀은 구조에 따라 선형(linear) 구조와 곁가지(branched) 구조로 나눌 수 있다. 알파 올레핀 분자에서 주사슬을 구성하는 각 탄소 원자에 알킬 치환기가 결합되지 않은 구조를 선형 구조의 알파 올레핀이라 하며, 말단 탄소를 제외한 내부의 탄소 원자에 하나 이상의 알킬 치환기가 결합된 구조를 곁가지 구조의 알파 올레핀이라 한다.

선형 구조 및 곁가지 구조의 알파 올레핀(출처:대한화학회)

폴리올레핀이란 분자식 (CH₂CHR)_n으로 나타낼 수 있는 고분자 화합물(polymer)로서, CH₂=CHR 구조의 알파 올레핀 화합물을 단량체(monomer)로 사용하여 중합 반응(polymerization)을 통해 합성한다. 이때 R은 포화 탄화수소 치환기(알킬 치환기)이므로 고분자 생성물은 모두 단일 결합으로 구성된 포화 탄화수소 물질이다.

시중에서 쉽게 접할 수 있는 폴리올레핀 중합체로는 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 폴리뷰틸렌(polybutylene), 폴리아이소뷰틸렌(polyisobutylene) 등이 있는데, 각 고분자의 단량체로 CH₂=CH₂, CH₂=CHCH₃, CH₂=CHC₂H₅, CH₂=C(CH₃)₂ 등이 사용된다.

중합 반응은 일반적으로 지글러-나타 촉매(Ziegler-Natta catalyst)를 이용하여 진행되는데, 지글러-나타 촉매를 사용하여 에틸렌 단량체의 중합 반응을 진행하면 외부 충격에 강하고 전기절연성이 우수한 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE)가 생성된다. 반면에 라디칼 중합 반응을 사용하여 에틸렌 단량체의 중합 반응을 진행하면 투명한 필름 제품으로 활용도가 큰 저밀도 폴리에틸렌(low density polyethylene, LDPE)이 생성된다. 선형 저밀도 폴리에틸렌(linear low density polyethylene, LLDPE)은 LDPE와 HDPE의 중간 정도 물성을 갖는데, 강도와 투명성이 뛰어나며 동시에 내열성이 우수하다.