작용기의 변화와 반응

와인을 마개 없이 두면 시큼한 식초가 된다. 그런데 아세트산과 에탄올에 진한 황산을 조금 넣고 데우면 바나나나 파인애플 같은 과일 향이 나는 물질이 생긴다. 술이 식초가 되고, 식초와 술이 향기 물질이 되는 과정에서 작용기는 어떻게 바뀔까? 그리고 향기 물질을 많이 얻으려면 어떻게 해야 할까?

에탄올 / 아세트산 몰비

3.2.1산화로 바뀌는 작용기

에탄올(CH₃CH₂OH)이 산화되면 수소 두 개를 잃고 아세트알데하이드(CH₃CHO)가 된다. 아세트알데하이드가 다시 산화되면 산소 하나를 얻어 아세트산(CH₃COOH)이 된다. 이때 하이드록시기가 붙은 탄소의 산화수는 −1에서 +1, 다시 +3으로 커진다. 와인이 식초가 되는 것은 공기 중의 초산균이 이 산화를 일으키기 때문이다. 우리 간도 술을 같은 순서로 분해하며, 중간 물질인 아세트알데하이드가 숙취의 원인이다.

3.2.2에스터화와 가수 분해

카복실산과 알코올이 만나면 카복실기의 −OH와 하이드록시기의 −H가 물로 빠져나가며 두 분자가 이어진다. 이렇게 생긴 −COO− 결합을 에스터 결합, 생긴 물질을 에스터라 한다. 작은 에스터는 대부분 과일 향이 난다. 이 반응은 가역적이어서 에스터에 물을 넣고 산이나 염기와 데우면 다시 카복실산과 알코올로 나뉜다. 이를 가수 분해라 한다.¹

평형 상수가 4이므로 아세트산과 에탄올을 1 mol씩 넣으면 3분의 2만 에스터가 된다. 그림 1에서 에탄올의 몰비를 키워 보자. 르샤틀리에 원리에 따라 반응물 하나를 많이 넣으면 평형이 오른쪽으로 이동하여 아세트산의 대부분이 에스터가 된다. 생긴 물을 계속 없애는 방법도 같은 효과를 낸다.

3.2.3예제 풀이

에스터가 \(x\) mol 생기면 \(K = \dfrac{x^2}{(1 - x)(1 - x)} = 4\)이다. 양변의 제곱근을 취하면 \(\dfrac{x}{1 - x} = 2\), 곧 \(x = \dfrac{2}{3} \approx 0.67\) mol이다.

에탄올이 3.0 mol이면 \(\dfrac{x^2}{(1 - x)(3 - x)} = 4\)에서 \(3x^2 - 16x + 12 = 0\)이다. 근의 공식으로 \(x = \dfrac{16 - \sqrt{256 - 144}}{6} \approx 0.90\) mol이다. 즉 값싼 에탄올을 3배로 넣어 비싼 아세트산의 90%를 에스터로 바꿀 수 있다. 그래서 공장에서는 값싼 반응물을 넉넉히 넣고 생긴 물이나 에스터를 계속 빼내 수득률을 높인다.

아래 탐구 카드에서 와인이 식초가 되고 식초가 과일 향이 되는 반응 지도를 직접 그려 보자.

1. 비누는 지방(에스터)을 수산화 나트륨으로 가수 분해하여 만든다. 이 반응을 비누화라 하며, 지방산의 나트륨염과 글리세롤이 생긴다.