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산소나 질소를 함유한 탄소화합물

알코올·에테르·페놀

탄소 화합물 중에는, 탄소와 수소만으로 되어 있는 탄화수소 외에 산소를 함유하여 탄소·산소결합을 하고 있는 화합물도 많이 있다. 그 중에서 알코올·에테르·페놀에 대하여 어떠한 특징을 가지고 있는지 알아보자.

알코올

알코올은 지방족 탄화수소의 수소를 히드록시기로 치환한 구조의 화합물로 일반식은 R－OH(R는 알킬기)로 나타낸다. 치환된 히드록시기의 수에 따라 히드록시기가 1개, 2개, 3개, 그 이상 있는 것을 각각 1가, 2가. 3가, 다가 알코올이라고 한다. 또. 히드록시기가 직접 결합하고 있는 탄소 원자에 수소 원자가 몇 개 붙어 있는가에 따라 분류하는 방법도 있다. 즉 히드록시기가 붙은 탄소원자에 결합하고 있는 3개의 수소 원자 중 1개가 알킬기와 치환되어 있는 것을 1차(일급) 알코올, 2개일 때를 2차(이급) 알코올, 3개의 경우는 3차(삼급) 알코올이라고 한다.

알코올의 성질

alcohol－性質 물에 대한 용해도――알킬기가 작고 히드록시기가 분자 전체에서 큰 비중을 차지하는 알코올(저급 알코올)은 물에 잘 녹는다. 알킬기가 커짐(이것을 고급 알코올이라고 한다)에 따라 탄화수소기가 분자의 성질을 지배하게 되어 물에 대한 용해도는 감소하고 그 성질은 탄화수소와 닮아간다. 예를 들면, 탄소수가 3개까지의 알코올은 어떤 비율로도 물과 섞이는데 1－부탄올은 20℃에서 100g의 물에 7.9g, 1－펜탄올은 2.3g, 1－헥산올은 0.6g밖에 녹지 않는다. 또, 탄소수가 많아지면 거의 물에 녹지 않게 된다. 2가 및 3가의 알코올은 같은 탄소수를 가지는 1가의 알코올보다 물에 녹기 쉽다. 저급 알코올이 물에 녹는 것은 알코올 분자중엔 극성이 있는 히드록시기(－OH)가 있어서 물분자와 수소 결합을 하기 때문이다. 끓는점――탄소 화합물의 끓는점·녹는점, 물에 대한 용해도 등의 물리적 성질은 분자량에 관계할 것으로 예측된다. 탄화수소의 경우도 같아서, 알코올도 메탄올, 에탄올 …… 로 탄소수가 증가하면 끓는점은 상승하고 탄소수가 같으면 n－ 사슬보다 가지가 있는 알코올의 끓는점이 낮다. 3차알코올은 2차, 1차 알코올에 비하여 상당히 낮다. 그런데 거의 같은 분자량인 n－사슬의 탄화수소와 알코올의 끓는점을 비교해 보면, 알코올의 끓는점이 대단히 높다. 산소 원자 때문이라면 에테르의 끓는점은 더 높아야 된다. 알코올류의 끓는점이 이와 같이 높은 것은 물의 경우와 같이, 수소 결합으로 화합하고 있는 까닭이라고 알려져 있다. 하나의 알코올 분자에서 히드록시기의 수소 인자와 다른 알코올 분자의 산소 인자와의 사이에서 －OH……O라고 하는 수소 결합이 생긴다. 이와 같은 일이 계속 일어나 많은 분자가 화합하고 있다. 끓는점이 높은 것은 이 수소 결합을 절단하는 데에 보다 많은 에너지가 필요하기 때문이다.

에테르

두 개의 탄화수소가 산소 원자 한 개와 결합한 구조, 즉 R－O－R′같은 것을 에테르라고 한다. 알콜의 히드록시기의 수소 원자를 탄화수소기로 치환한 것이라고 생각해도 된다. 산화에틸렌이나 디옥산과 같이 분자 속에서 고리를 만들고 있는 에테르를 고리에테르라고 한다.

페놀(C6H5OH)

알코올은 지방족 탄화수소의 H원자를 히드록시기로 치환한 화합물인데, 방향족의 수소 원자를 히드록시기로 치환한 것을 일반적으로 페놀류라고 한다. 히드록시기가 직접 방향족 고리에 결합하고 있는(페놀성 히드록시기라고 한다) 점이 알코올과 다르다. 알코올과 같이 히드록시기의 수에 따라 1가, 2가, 3가 페놀로 분류된다. 1가 페놀의 대표적인 물질인 석탄산을 간단히 페놀이라고 부를 때가 많다. 치환 명명법에서는 페놀성 히드록시기도 '－ol'로 나타내는데, 관용명이 인정되고 있다.

페놀의 성질

phenol－性質 녹는점·끓는점――기본형인 페놀과 가까운 것은 액체든지 녹는점이 낮은 고체이다. 끓는점은 분자량으로 예상한 것보다 높다. 이것은 알코올류의 경우와 같이 수소 결합에 의한 페놀 분자 사이의 화합 때문인 것으로 생각된다. 용해도와 수용액――페놀 그 자체는 어느 정도 물에 녹는데 이것도 물과 수소 결합을 할 수 있기 때문이다, 또 알코올류와 달리 그 수용액은 약한 산성을 나타낸다. C6H5OH + H2 ―→ C6H5O- + H3O+ 산의 세기는 탄산보다 약산이므로 페놀의 염에 이산화탄소를 도입하면 페놀이 유리된다. 페놀의 벤젠핵에 니트로기가 들어가면 산성이 강해진다. 피크르산과 같이 오르토, 파라의 위치에 니트로기가 3개 들어가면 무기산과 같은 강산이 된다. 알코올과의 차이――페놀도 히드록시기를 가지고 있기 때문에 알코올과 같이 에스테르이지만 에테르로 변하기도 하고, 나트륨과 반응하여 페녹시화물을 만들어 수소를 발생한다. 그러나 알코올은 수산화나트륨과 반응하여 염을 만들지 않지만, 페놀은 가용성의 염(나트륨 페녹시화물)을 만든다. 또 페놀에 황산을 작용시켜도 디페닐이 되지 않고 요오드화수소와 반응시켜도 요오드화벤젠(C6H5I)으로 되지 않는다. 페놀은 디아조늄염과 반응하여 아조색소를 만드는데. 알코올은 디아조늄염과는 반응하지 않는다. 알코올의 OH와 페놀의 OH의 차이는, 페놀의 OH가 붙어 있는 탄소가 불포화한 벤젠핵을 구성하고 있는 탄소라는 것이다. 벤젠핵에 산소 원자가 결합하면 탄소 ― 산소결합은 알코을 등의 보통의 탄소 ― 수소 결합보다 강해진다. 또 페놀류는 일반적으로 중성 또는 약산성 용액으로 철(Ⅲ)용액에 의하여 보라색을 나타내는데 알코올은 이 발색 반응을 하지 않는다. 따라서, 이 반응은 페놀성 OH의 검출에 널리 사용되고 있다. 산화 반응에서는 알코올은 쉽게 알데히드나 케톤으로 산화되는데, 페놀은 조성이 일정치 않은 착색 물질을 만들어낸다.

대표적인 페놀

代表的－phenol 페놀류(석탄산) C6H5O는 폭약, 염료, 의약 등 여러 가지로 유용한 용도를 가지고 있다. 석탄산은 가장 기본적인 페놀이므로 간단히 페놀이라고도 한다. 순수한 석탄산은 무색의 결정으로 알코올에는 잘 녹지만 물에는 별로 녹지 않는다. 묽은 용액은 방부제나 소독제로 쓰인다. 나일론 제조의 원료가 되는 시클로핵산, 베이클라이트라고 불리는 페놀 포르말린수지, 피크르산, 살리실산 등은 의약품, 염료 등의 원료로서 수요는 매우 많다. 공업적으로는 벤젠으로부터 합성된다. 크레졸(CH3C6H4OH) ―― 3종류의 이성질체(o－, m－, p－)가 있는데 콜타르에서 얻는 것은 그것들의 혼합물이다. 크레졸을 칼륨 비눗물에 가하여 가용화한 것이 소독용의 크레졸 비눗물이다. 나프톨(C10H17OH) ―― 나프탈렌(C10H3)의 H의 하나를 OH로 치환한 구조로 두 종류의 이성질체가 있다. 나프탈렌으로부터 합성되어 염료의 원료로 쓰인다.