알코올

개요

또는 물 분자에서 수소 하나가 탄화수소 화합물로 치환된 화합물을 말하기도 한다. 일반적으로 불포화탄소와 결합한 히드록시기를 가지고 있는 화합물(예를 들면 페놀류)은 알코올에 속하지 않는다.

명명법

보통 간단한 알코올은 그 분자 속의 히드록시기 이외의 부분을 나타내는 말에 알코올을 붙여서 명명한다. 또한 2개의 히드록시기가 별개의 탄소에 결합해 있는 화합물은 글리콜을 붙인다. 그러나 이 명명법은 많은 화합물에는 적용할 수 없으므로 다음에 서술되어 있는 3종류의 명명법 중의 하나를 사용한다. ① IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry) 법에서는 알코올이 유도된 원래의 탄화수소의 이름에다 히드록시기를 나타내는 접미어 '올'(-ol) 을, 히드록시가 붙어 있는 탄소의 위치를 나타내는 숫자와 함께 덧붙인다. ② 메틸알코올(메탄올)을 카르비놀이라고 하고, 다른 알코올을 메틸알코올의 유도체로 명명한다. ③ 히드록시기 이외의 작용기를 포함하는 복잡한 화합물에서는 히드록시라는 접두어를 붙이고, 히드록시가 붙어 있는 탄소의 위치를 나타내는 숫자를 첨가해준다. 알코올의 성질은 히드록시기의 탄소 골격상의 위치에 따라 다소 다르기 때문에, 알코올은 히드록시기를 가진 탄소 원자와 인접해 있는 탄소 원자의 수에 따라 세 부류로 분류된다. 에탄올이나 1-도데칸올처럼 인접해 있는 탄소 원자가 단 하나일 경우 이 알코올은 1차 알코올이라고 하고, 2-프로판올과 같이 인접해 있는 탄소 원자가 2개인 경우 이 알코올은 2차알코올이라고 한다. 또 2-메틸-2-프로판올과 같이 히드록시기를 가지고 있는 탄소에 3개의 탄소 원자가 결합한 알코올은 3차 알코올이라고 한다. 메탄올은 일반적으로 1차 알코올이다.

물리적 성질

대부분의 알코올은 무색의 액체 또는 고체이다. 12개 미만의 탄소원자로 이루어진 1차 알코올은 상온에서 액체이고, 12개 이상의 탄소원자로 이루어진 알코올은 상온에서 고체이다. 히드록시기가 2개 이상 결합된 다가 알코올은 보통 시럽 정도의 굳기를 갖고 있다. 스테롤같이 탄소가 복잡하게 배열되어 있는 알코올은 일반적으로 고체이다. 탄소 수가 3개 이하인 저급 알코올은 물에 녹고, 모든 1가 알코올은 유기용매에 녹는다. 분자량이 커질수록 물에 대한 용해도는 감소하고 끓는점·증기압·밀도·점성도는 증가한다. 알코올의 녹는점과 끓는점이 이에 대응하는 탄화수소보다 높은 주된 이유는 알코올 분자 사이에 수소결합이 형성되기 때문이다. 알코올의 히드록시기가 증가하면 단맛이 높아진다. 예를 들면 에탄올(C₂H₅OH)은 달지 않고, 프로필렌글리콜(C₃H₆(OH)₂)은 약간 달다. 글리세롤(C₃H₅(OH)₃)은 매우 달고, 만니톨(C₆H₈(OH)₆)은 아주 달기 때문에 감미료로 쓰인다. 탄소의 수가 적은 알코올은 특유의 향기를 가지고 있다. 8~12개의 탄소 원자를 가진 알코올은 장미나 백합 향이 나므로 향수로 사용된다.

산출 및 용도

알코올이 천연에서 유리된 알코올로서 산출되는 일은 드물다. 7~12개의 탄소원자로 이루어진 알코올은 주로 꽃·나뭇잎·나뭇가지의 휘발성 기름이나 추출물에서 발견된다. 지방족 알코올(긴 직선의 탄소 사슬을 지닌 1차 알코올)은 천연에서 산출되는 알코올 중의 하나이다. 몇 개의 당 알코올도 식물에서 발견된다. 콜레스테롤 같은 스테롤은 동물과 식물에서 모두 발견된다. 천연에서 알코올은 독립된 화합물보다는 다른 화합물과 결합한 형태로 산출된다. 예를 들어 지방은 3가알코올인 글리세롤의 에스테르이며, 왁스와 기름은 지방족 알코올의 에스테르이다. 스테롤 중 상당수도 천연에서 에스테르화된 형태로 나타난다. 메탄올과 에탄올 외에 시판되고 있는 알코올 중에서 중요한 것으로는 다음과 같은 것이 있다. 예를 들면 n-부틸알코올은 용매로, 에틸렌글리콜은 비휘발성 동결방지제로 사용되며, 합성 섬유나 합성 수지의 제조에도 필요하다. 글리세린은 알키드 수지, 니트로글리세린의 제조, 화장품·담배·잉크 등을 만드는 데 쓰인다. 이외에 알코올 중에서 대량 생산되는 것으로는 이소프로필알코올·아릴알코올·프로필렌글리콜·소르비톨·폴리비닐알코올 등이 있다. 알코올은 이외에도 향수의 제조, 약품의 합성, 기타 화학공업의 여러 분야에 사용되고 있다.

생물학적·의학적 성질

메탄올을 제외하고는 공업적으로 사용되는 대부분의 1차 포화 알코올은 내장기관에 축적되어 손상을 줄 정도로 독성은 없다. 그러나 몇 가지는 신경 계통에 축적되어 영향을 미친다.

확인과 분석

분광법과 크로마토그래피같은 물리적 방법이 가장 흔히 사용되는 알코올 확인 방법이다. 화학적으로는 히드록시 작용기를 갖는 유도체를 만들어서 확인한다. 흔히 알코올 분석에서 관심을 갖게 되는 물질은 알코올 자체보다는 불순물인 경우가 있다. 따라서 많은 분석 방법은 실험실적 조작에 의해서 2차적 요소를 분리하는 일도 포함하고 있다. 반면 알코올의 양은 기기에 나타난 결과로부터 알 수 있다. 색·향기·맛·굴절률·밀도·녹는점·끓는점은 알코올의 순도를 결정하는 데 도움을 주는 성질이다.

알코올 합성법

개요

에탄올·메탄올·글리세롤 같은 알코올은 대단히 많은 양이 소비된다.

일반적으로 천연물로부터 생산되는 알코올은 값이 비싸고, 정제하기 어려우며, 이용 가능성도 예측하기 어려운 면이 있다. 따라서 산업체의 순수하고 값싼 여러 알코올에 대한 요구를 충족시키기 위해서 생산자들은 세심하게 조정된 조건하에서 쉽게 얻을 수 있는 원료로부터 알코올을 만들어내는 특수한 공정을 개발했다.

알돌 축합

카보닐기에 인접한 탄소에 수소 원자를 가지고 있는 알데하이드나 케톤은 각각 β-하이드록시알데하이드나 케톤으로 축합될 수 있다.

탈수반응에 이어 촉매에 의한 수소화 반응을 하면 최종적으로 알코올이 만들어진다. 예를 들어 아세트알데하이드는 자가축합반응을 하여 크로톤알데하이드가 된다. 이 생성물은 알코올인 1-부탄올로 환원될 수 있다.

그리냐르 반응

그리냐르 반응에서 염화알킬마그네슘 또는 염화아릴마그네슘을 알데하이드·케톤·에스터·에폭시드에 첨가하고 가수분해하면 알코올이 된다.

반응식은 다음과 같다.

올레핀(알켄)의 수화반응

수화반응(물을 이중결합에 첨가하는 것)은 공업적으로 에틸렌에서 직접 에탄올을 만드는 데 사용된다.

간접적인 수화반응은 올레핀에 황산을 가한 후에 중간물질인 황산알킬을 계속 가수분해시켜 알코올을 만든다.

2차 및 3차 알코올은 이 방법에 의해서 만든다.

올레핀의 하이드로포르밀화 반응

분자량이 작은 올레핀에 촉매 존재하에서 일산화탄소와 수소를 반응시키는 반응을 하이드로포르밀화 또는 옥소반응이라고 한다.

이 반응에 의해 만들어진 알데하이드는 수소화반응에 의해 알코올로 된다.

할로젠화물과 황산염의 가수분해

할로젠화알킬과 황산염을 알칼리 가수분해시켜 알코올을 만든다.

이 과정에서 1차 알코올과 2차 알코올이 만들어진다.

유기 에스터의 가수분해

산과 염기 촉매에 의한 에스터의 가수분해는 한때 천연 에스터에서 알코올을 생산하는 상당히 중요한 방법 중의 하나였다.

탄화수소의 산화반응

포화 탄화수소는 높은 온도(260~370℃), 적당한 압력(15~50기압)에서 촉매와 짧은 기간 동안 접촉하면 공기 중에서 알코올로 산화된다.

지방산의 열분해

특수한 경우 하이드록시기가 치환된 불포화 지방산의 소듐염은 열분해 도중에 다른 생성물과 함께 알코올을 생성한다.

카보닐 화합물의 환원

고온·고압하에서 카보닐 화합물은 복합촉매 작용에 의해 환원될 수 있다.

이 반응의 가장 큰 용도는 일산화탄소로부터 메탄올을 생산하는 것이다.

카보닐 화합물인 에스터는 알코올에서 알칼리 금속에 의해서 환원된다.

현대적인 기술에서는 산화구리-산화크로뮴 촉매에서 고압의 수소화반응에 의해 환원된다. 이 방법은 지방산의 에스터로부터 지방족 알코올을 공업적으로 생산하는 데 사용된다.

올레핀의 촉매 중합반응

1955년경 이후로 곧은 사슬을 가진 1차 알코올은 석유공업에서 에틸렌으로부터 제조되었다.

이때 촉매로서 삼에틸알루미늄 촉매(치글러 촉매)가 사용된다.

주요화학반응

개요

일반적으로 알코올에 의해서 진행되는 화학반응은 반드시 히드록시기와 분자 내에서의 히드록시기의 위치와 관계가 있다. 그러나 탄화수소 라디칼의 성질과 다른 작용기의 존재도 상당한 영향을 미친다. 알코올은 물 속에서 이온화되지 않는 중성 화합물이다. 하지만 알코올은 알칼리 금속과 반응할 경우에는 산으로, 강산과 반응할 경우에는 염기로 작용한다.

3차 알코올은 알코올 중에서 가장 염기성이 강한데, 이는 산소가 붙어 있는 탄소에 알킬기가 전자를 줌으로써 산소 원자의 전자밀도를 높여서 양성자에 더 잘 끌리게(즉 더 염기성임) 한다. 알코올의 가장 흔한 반응은 산화반응과 에스터와 에터의 생성반응일 것이다. 그외에 다음과 같은 반응이 있다.

가암모니아 분해와 가아민 분해

알코올은 일반적으로 암모니아와 반응해서 아민을 생성하며, 아민과 더 반응하며 알킬화 생성물을 만든다.

탈수반응

탈수제를 가하면 알코올에서 물이 제거되어 불포화 화합물이 생성된다. 그러나 만일 두 분자의 알코올이 반응에 참여할 경우에는 에터가 생성된다.

3차 알코올은 탈수되어 알켄으로 되는 경향이 가장 크다. 이 경향은 1차 알코올에서 가장 적기 때문에 1차 알코올은 더 쉽게 에터로 전환된다.

탈수소반응

산화반응과 마찬가지로 1차 알코올과 2차 알코올을 탈수소반응시키면 각각 알데하이드와 케톤이 생성된다. 에틸알코올이 고온 탈수소반응에 의해 아세트알데하이드가 생성되는 것이 좋은 예이다.

에톡시화 반응

알코올과 산화에틸렌을 반응시켜 많은 에톡시기(-CH₂CH₂O-)가 들어 있는 중합체를 만든다.

할로젠화 반응

알코올을 염화수소나 삼할로젠화인으로 처리하면 할로젠화알킬로 전환된다.

알칼리 금속과의 반응

알칼리 금속과 알코올을 반응시키면 알콕시화된 알칼리 금속으로 전환된다. 예를 들어 알코올과 금속 소듐을 반응시키면 알콕시화소듐이 생성된다.

술폰화 반응

알코올을 발연 황산으로 처리하면 황산알킬이 생성된다. 이 반응은 카복실산과의 반응에 의해 에스터가 형성되는 것과 유사하다.