카복실산 및 그 유도체(에스터, 아미드)

카복실기는 하나의 탄소 원자가 산소 원자와 이중 결합(카보닐기)을, 또 다른 산소 원자와 단일 결합(하이드록실기)을 형성한 작용기(-COOH)이다. 이 구조는 sp2 혼성 오비탈을 이루는 중심 탄소 원자에 의해 결정된다. 중심 탄소 원자는 세 개의 시그마 결합(카보닐 산소, 하이드록실 산소, 알킬기 또는 아릴기)을 형성하고, 남은 p 오비탈은 카보닐 산소의 p 오비탈과 겹쳐 파이 결합을 만든다.

이 독특한 구조는 공명 현상을 일으킨다. 하이드록실기의 산소 원자가 가진 고립 전자쌍이 카보닐기의 파이 결합과 겹칠 수 있어, 음전하가 두 산소 원자에 걸쳐 분산된다. 이 공명 안정화는 카복실기의 화학적 성질, 특히 그 산성도에 결정적인 영향을 미친다. 공명으로 인해 카복실산 음이온은 매우 안정해지며, 이는 양성자를 쉽게 잃는 경향, 즉 강한 산성을 설명한다.

카복실기의 결합 길이와 각도는 전형적인 값을 보인다. C=O 결합 길이는 약 1.20 Å, C-O(H) 결합 길이는 약 1.34 Å으로, 단순한 케톤의 C=O 결합(약 1.22 Å)보다 짧고, 알코올의 C-O 결합(약 1.43 Å)보다 짧다. 이는 공명 효과에 따른 결합의 부분적 이중 결합 성격을 반영한다. O=C-O 결합 각도는 약 124°, C-C=O 결합 각도는 약 118°에 가깝다.

카복실산의 IUPAC 명명법은 해당 화합물이 포함하는 가장 긴 탄소 사슬을 선택하는 것으로 시작한다. 이 사슬은 카복실기(-COOH)의 탄소를 포함해야 하며, 그 카복실기 탄소는 항상 1번 위치를 부여받는다. 사슬의 이름은 해당하는 알케인 이름의 '-e'를 '-oic acid'로 바꾸어 결정한다. 예를 들어, 메탄(CH₄)에서 유래한 1개의 탄소를 가진 산은 'methanoic acid'이며, 에탄(C₂H₆)에서 유래한 2개의 탄소를 가진 산은 'ethanoic acid'이다.

사슬에 가지사슬이나 다른 관능기가 존재할 경우, 그 위치는 카복실기 탄소를 기준으로 번호를 매겨 표시한다. 번호는 가능한 한 작은 숫자를 사용하는 방향으로 부여한다. 관능기의 이름은 접두사로 붙이며, 알파벳 순서에 따라 배열한다. 예를 들어, 3번 탄소에 메틸기가 있는 펜탄산은 '3-methylpentanoic acid'이다. 고리형 카복실산의 경우, 고리 이름 뒤에 'carboxylic acid'를 붙인다. 예를 들어, 벤젠 고리에 카복실기가 하나 붙은 경우 'benzenecarboxylic acid'라 명명하지만, 더 일반적으로는 'benzoic acid'라는 일반명을 사용한다.

다중 카복실산의 경우, 사슬 내의 카복실기 개수에 따라 '-dioic acid', '-trioic acid' 등의 접미사를 사용한다. 이때 주 사슬은 두 카복실기 탄소를 모두 포함해야 한다. 예를 들어, HOOC-COOH는 'ethanedioic acid'이며, HOOC-CH₂-COOH는 'propanedioic acid'이다. 불포화 결합(이중결합, 삼중결합)이 있는 경우, '-oic acid' 앞에 해당 불포화 결합을 나타내는 'en' (이중결합) 또는 'yn' (삼중결합)을 삽입하고, 그 위치를 표시한다.

많은 카복실산은 오랜 사용으로 인해 IUPAC 체계적 명명법보다 먼저 붙여진 일반명으로 더 널리 알려져 있다. 이러한 일반명은 종종 산을 처음 발견한 자연물의 이름에서 유래한다. 예를 들어, 포름산은 개미의 라틴어 이름 'formica'에서, 아세트산은 식초를 뜻하는 라틴어 'acetum'에서, 부티르산은 버터를 뜻하는 라틴어 'butyrum'에서 비롯되었다.

일반명은 종종 분자의 탄소 수나 구조적 특징을 반영하는 그리스어 접두사를 사용하여 체계화되기도 한다. 이는 특히 직쇄 포화 지방산에서 두드러진다.

생화학 및 식품 과학 분야에서는 지방산을 지칭할 때 특정 약어가 널리 사용된다. 이 약어는 탄소 사슬의 길이와 이중 결합의 수 및 위치를 간결하게 표시한다. 예를 들어, 올레산은 18개의 탄소에 1개의 시스 이중 결합을 가지며, 이중 결합은 탄소 번호 9와 10 사이에 위치한다. 이는 'C18:1, n-9' 또는 '18:1(Δ⁹)'로 표기된다. 다불포화 지방산인 리놀레산은 'C18:2, n-6' 또는 '18:2(Δ⁹,¹²)'로, 아라키돈산은 'C20:4, n-6'으로 표기된다. 'n-x' 표기법(또는 ω-x)은 메틸 말단에서부터 세어 이중 결합이 처음 나타나는 위치를 나타낸다[3].

카복실산의 녹는점과 끓는점은 그 분자량과 분자 구조에 크게 의존한다. 일반적으로 동일한 탄화수소 사슬 길이를 가진 다른 유기 화합물(예: 알코올, 알데하이드, 케톤)에 비해 상대적으로 높은 값을 보인다. 이는 카복실기(-COOH)가 강한 분자간 힘, 특히 분자간 수소 결합을 형성할 수 있기 때문이다.

분자간 수소 결합은 카복실산 분자들이 이량체를 형성하게 만든다. 이는 고체 상태와 액체 상태, 심지어 기체 상태에서도 일부 존재할 수 있는 안정한 구조이다. 이량체화는 분자량을 효과적으로 두 배로 증가시켜 반데르발스 힘을 강화하고, 분자들이 더 많은 에너지를 가지고 있어야만 분리될 수 있게 만든다. 따라서, 낮은 분자량의 카복실산은 예상보다 높은 끓는점을 가지며, 그 끓는점은 물이나 해당하는 알코올과 비슷하거나 더 높은 경우도 있다.

사슬 길이와 녹는점/끓는점의 관계는 다음과 같은 경향을 보인다.

표에서 알 수 있듯이, 사슬이 짧을수록 극성의 카복실기 영향이 커져 수소 결합의 효과가 두드러지고, 사슬이 길어질수록 비극성의 알킬 사슬 부분의 영향이 커진다. 메탄산과 아세트산은 강한 수소 결합으로 인해 비교적 높은 끓는점을 가지지만, 알킬 사슬이 짧아 녹는점은 상온 근처에 있다. 알킬 사슬이 길어짐에 따라 분자량 증가에 의한 반데르발스 힘의 증가로 녹는점과 끓는점은 일반적으로 상승한다. 그러나 사슬 내 탄소 원자 수가 짝수인지 홀수인지에 따라 녹는점이 교대로 변하는 현상도 관찰된다[4].

카복실산의 수소 결합 능력은 그들의 물리적 성질, 특히 용해도에 결정적인 영향을 미친다. 카복실산 분자는 강한 분자간 수소 결합을 형성할 수 있다. 이는 분자 내에 존재하는 카복실기의 수소 원자(산성 수소)와 다른 분자의 카르보닐기 산소 원자 사이, 그리고 카복실기의 하이드록실기 산소 원자와 다른 분자의 산성 수소 사이에서 발생한다. 이 강한 인력은 분자들이 이량체를 형성하게 하며, 이는 기체 상태에서도 관찰된다. 이러한 강한 분자간 상호작용은 낮은 분자량의 카복실산이 비교적 높은 끓는점을 갖는 주된 이유이다.

용해도에 있어서, 카복실산은 탄소 사슬의 길이에 따라 극명한 차이를 보인다. 저분자량 카복실산(예: 포름산, 아세트산, 프로피온산)은 물과 강한 수소 결합을 형성할 수 있어 물에 잘 녹는다. 이들은 물 분자와 완전히 혼화될 수 있다. 그러나 탄소 사슬이 길어질수록 소수성인 알킬기 부분이 커지고, 친수성인 카복실기의 상대적 영향력이 줄어든다. 따라서 부탄산(C4)부터는 물에 대한 용해도가 급격히 감소하기 시작하며, 팔미트산(C16)이나 스테아르산(C18)과 같은 고급 지방산은 사실상 물에 녹지 않는다.

한편, 카복실산은 극성 유기 용매에는 일반적으로 잘 녹는다. 예를 들어, 에탄올, 에테르, 벤젠 등에는 비교적 쉽게 용해된다. 이는 카복실산 분자가 극성 부분(카복실기)과 비극성 부분(알킬 사슬)을 모두 가지고 있기 때문이다. 짧은 사슬의 카복실산은 극성 용매와의 수소 결합 덕분에, 긴 사슬의 카복실산은 비극성 용매와의 반데르발스 힘 덕분에 각각 용해된다.

카복실산의 산성도는 수용액에서 수소 이온(H⁺)을 내놓는 정도를 나타내는 지표이다. 이는 해리 상수(Ka) 또는 그 음의 로그값인 pKa로 표현된다. 일반적인 카복실산의 pKa 값은 3~5 범위에 속하여, 무기산보다는 약하지만 알코올이나 페놀보다는 강한 산성을 보인다[6].

산성도의 세기는 분자 구조에 크게 의존한다. 카복실기에 결합한 치환기가 전자 끌개 성질을 가지면 산성이 강해지고, 전자 밀개 성질을 가지면 산성이 약해진다. 예를 들어, 클로로아세트산(ClCH₂COOH)의 pKa는 약 2.86으로 아세트산보다 산성이 강한데, 이는 염소 원자의 강한 전자 끌기 효과에 기인한다. 반대로 프로피온산(CH₃CH₂COOH)의 pKa는 약 4.88로 아세트산보다 약간 약한 산성을 보인다.

일반적인 카복실산의 pKa 값은 다음과 같다.

이러한 산성도는 카복실산의 화학적 행동을 결정하는 핵심 요소이다. pKa 값은 중화 적정을 통해 실험적으로 결정되며, 약한 산의 강도를 정량적으로 비교하는 데 유용하게 사용된다.

카복실산의 가장 특징적인 화학적 성질은 산으로서의 행동이다. 이는 카복실기(-COOH)의 수소 원자가 해리되어 양성자를 내놓을 수 있기 때문이다. 물과 같은 극성 용매에서 카복실산은 다음과 같은 평형 반응을 통해 카복실산염 음이온과 수소 이온을 생성한다.

R-COOH + H₂O ⇌ R-COO⁻ + H₃O⁺

이 반응에서 생성된 카복실산염 음이온은 두 개의 산소 원자가 음전하를 공유하는 공명 구조를 가져 안정화되므로, 카복실산은 알코올이나 알데하이드보다 훨씬 강한 산성을 나타낸다. 대부분의 알킬 카복실산의 pKa 값은 4-5 범위에 있다[8].

카복실산의 산성도는 분자 구조에 크게 영향을 받는다. 전자를 끌어당기는 성질(전기 음성도)이 큰 치환기가 카복실기에 결합하면, 산성은 증가한다. 예를 들어, 아세트산(CH₃COOH)의 pKa는 약 4.76이지만, 트리클로로아세트산(CCl₃COOH)의 pKa는 약 0.66으로 훨씬 강한 산이다. 이는 염소 원자가 전자를 끌어당겨 산소-수소 결합의 극성을 증가시키고, 생성된 음이온을 추가로 안정화시키기 때문이다. 반대로, 전자를 밀어내는 알킬기는 산성을 약화시킨다.

카복실산은 강한 염기와 반응하여 중화되어 염을 형성한다. 이 반응은 일반적으로 발열 반응이며, 수용액 상태에서 진행된다.

생성된 카복실산염은 일반적으로 상응하는 카복실산보다 물에 대한 용해도가 훨씬 높다. 이러한 산-염기 반응은 카복실산의 정성 분석, 정량 분석(적정), 그리고 에스터나 아미드 같은 유도체를 합성하기 위한 전처리 단계에서 널리 활용된다.

에스터화 반응은 카복실산과 알코올이 반응하여 에스터와 물을 생성하는 축합 반응이다. 일반적인 반응식은 R-COOH + R'-OH ⇌ R-COO-R' + H₂O로 나타낸다. 이 반응은 가역적이며 평형에 도달하므로, 높은 수율을 얻기 위해서는 평형을 생성물 쪽으로 이동시켜야 한다. 일반적인 방법은 반응 중 생성된 물을 제거하거나, 반응물 중 하나를 과량으로 사용하는 것이다.

반응 메커니즘은 산 촉매 하에 진행되는 친핵성 아실 치환 반응이다. 첫 단계에서 카복실산의 카보닐기 산소 원자가 산성 촉매의 양성자와 결합하여 양이온성을 띠게 된다. 이는 카보닐 탄소의 친전자성을 증가시킨다. 다음으로 알코올의 산소 원자가 친핵체로 작용하여 친전자성 카보닐 탄소를 공격한다. 그 결과 중간체가 형성된 후, 양성자 이동과 물 분자의 탈리 과정을 거쳐 최종 에스터가 생성된다.

에스터화 반응의 효율과 속도는 여러 요인에 영향을 받는다. 카복실산과 알코올의 구조가 중요한데, 일반적으로 1차 알코올이 가장 반응성이 높고, 3차 알코올은 반응이 어렵다. 촉매로는 강산인 황산이나 염화 수소가 흔히 사용된다. 반응 조건을 최적화하기 위해 다양한 방법이 개발되었다. 대표적인 것이 피셔 에스터화 반응으로, 이것은 산 촉매 하에 카복실산과 알코올을 직접 가열하는 방법이다. 다른 방법으로는 반응성 높은 산 할라이드나 산 무수물을 알코올과 반응시키는 것이 있으며, 이 경우 반응은 비가역적으로 진행된다.

이 반응은 실험실과 산업 현장 모두에서 에스터를 합성하는 핵심 경로이다. 합성 향료, 용매, 가소제, 그리고 폴리에스터와 같은 고분자 물질의 단량체를 제조하는 데 널리 활용된다. 생물체 내에서는 효소인 에스터가수분해효소가 촉매하는 에스터화와 그 역반응인 가수분해가 중요한 대사 과정에서 일어난다.

카복실산은 수소 기체와 금속 수소화물 등의 일반적인 환원제로는 쉽게 환원되지 않는다. 이는 카복실기가 상대적으로 안정적이기 때문이다. 따라서 강력한 환원제를 사용하거나, 먼저 보다 반응성이 높은 유도체로 전환시킨 후 환원하는 방법이 주로 사용된다.

가장 강력한 환원제로는 리튬 알루미늄 하이드라이드(LiAlH₄)가 있다. 이는 카복실산을 직접 1차 알코올로 환원시킨다. 반면, 붕소 수소화 나트륨(NaBH₄)은 일반적으로 카복실산을 환원시키지 못하지만, 더 반응성이 큰 산 할라이드나 산 무수물은 환원시킬 수 있다. 산업적으로는 고압 수소 기체와 구리(II) 크로뮴 산화물(CuCr₂O₄) 또는 란타넘 계열의 촉매를 사용하는 촉매 수소화 방법이 알코올을 대량 생산하는 데 이용된다.

카복실산을 먼저 에스터나 산 할라이드로 변환한 후 환원하는 간접적인 방법도 널리 쓰인다. 예를 들어, 에스터는 LiAlH₄로 1차 알코올로 환원될 수 있다. 특히 산 할라이드는 로젠문드 환원 조건(수소 기체와 독극물 처리된 팔라듐 촉매)을 통해 알데하이드로 선택적으로 환원될 수 있다[10]. 이는 카복실산으로부터 알데하이드를 합성하는 중요한 경로 중 하나이다.

할로겐화 반응은 카복실산의 카복실기에 있는 하이드록실기를 할로젠 원자로 치환하여 산 할라이드를 생성하는 과정이다. 이 반응은 티오닐 클로라이드(SOCl₂), 옥살릴 클로라이드((COCl)₂), 또는 인산 염화물(예: PCl₃, PCl₅)과 같은 할로겐화 시약을 사용하여 수행된다. 생성된 산 할라이드는 에스터, 아미드, 산 무수물 등 다른 카복실산 유도체를 합성하는 데 매우 유용한 중간체 역할을 한다.

반응 메커니즘은 사용하는 시약에 따라 다르다. 티오닐 클로라이드를 사용할 경우, 먼저 카복실산과 반응하여 반응성 중간체를 형성한 후, 이산화 황(SO₂)과 염화 수소(HCl) 기체를 부산물로 방출하면서 산 염화물을 생성한다. 이 방법의 장점은 부산물이 기체 상태이므로 정제가 용이하다는 점이다. 옥살릴 클로라이드를 사용하는 방법도 유사한 원리로 진행된다.

산 할라이드, 특히 산 염화물은 카복실산보다 훨씬 반응성이 높다. 이는 할로젠 원자의 높은 전기 음성도로 인해 카보닐 탄소의 부분 양전하가 증가하고, 동시에 염화물 이온이 우수한 이탈기로 작용하기 때문이다. 따라서 산 염화물은 핵친화성 치환 반응을 통해 다양한 유도체로 쉽게 전환된다.

이러한 할로겐화 반응은 유기 합성에서 카복실산의 반응성을 높이는 핵심 단계로, 의약품, 고분자, 정밀 화학물질 생산에 광범위하게 응용된다.

에스터는 카복실산의 수소 원자가 탄화수소 기로 치환된 화합물이다. 일반적인 구조식은 R-COO-R'로 나타내며, 여기서 R과 R'는 알킬 또는 아릴 기를 나타낸다. 에스터는 특유의 과일 향을 내는 경우가 많아 천연 및 합성 향료로 널리 사용된다.

에스터의 가장 일반적인 합성 방법은 에스터화 반응이다. 이는 카복실산과 알코올을 산 촉매(예: 황산) 존재 하에 가열하여 물 분자를 제거하고 결합시키는 방법이다. 이 반응은 가역적 평형 반응이므로, 높은 수율을 얻기 위해 과량의 알코올을 사용하거나 생성된 물을 제거하는 방법이 사용된다. 다른 주요 합성 경로로는 산 할라이드나 산 무수물과 같은 반응성 높은 카복실산 유도체를 알코올과 반응시키는 방법이 있다. 이 방법들은 일반적으로 비가역적이며 높은 수율을 제공한다.

에스터는 다양한 용도로 활용된다. 저분자량 에스터는 과일 향을 모방한 합성 향료[12] 및 식품 첨가물로 사용된다. 또한, 폴리에스터와 같은 고분자 물질의 단량체로도 중요하다. 다이에틸 에테르와 같은 특정 에스터는 유기 합성에서 흔히 사용되는 용매 역할을 한다. 에스터는 가소제로서 플라스틱의 유연성을 높이는 데에도 사용되며, 지방과 기름은 천연적으로 존재하는 글리세롤의 삼중 에스터인 트라이글리세라이드이다.

아미드는 카복실산의 카복실기에서 하이드록실기가 아민 또는 암모니아로 치환된 화합물이다. 일반식은 R-C(O)NR'R''으로 나타내며, 여기서 R, R', R''은 수소 원자나 알킬기 등을 의미한다. 아미드는 에스터와 함께 카복실산의 가장 중요한 유도체 중 하나이며, 특히 생명 현상에서 핵심적인 역할을 한다.

아미드의 합성 방법은 여러 가지가 있다. 가장 직접적인 방법은 카복실산과 아민 또는 암모니아를 반응시키는 것이지만, 이 반응은 일반적으로 가역적이며 물을 부산물로 생성하기 때문에 높은 수율을 얻기 어렵다. 따라서 더 반응성이 높은 산 할라이드나 산 무수물을 아민과 반응시키는 방법이 흔히 사용된다. 예를 들어, 아세틸클로라이드와 암모니아를 반응시키면 아세트아미드가 생성된다. 또 다른 중요한 합성 경로는 니트릴의 부분 가수분해나 에스터와 아민의 아미노분해 반응이다.

아미드는 단백질과 폴리아미드의 기본 구조 단위로서 생물학적, 산업적으로 매우 중요하다. 생물학적 시스템에서 펩타이드 결합은 하나의 아미노산의 카복실기와 다른 아미노산의 아민기가 반응하여 아미드 결합을 형성하는 것이다. 이 결합은 모든 단백질의 기본 골격을 구성한다. 또한 많은 의약품(예: 페니실린, 파라세타몰)과 자연 발생 생체 활성 물질의 핵심 구조에 아미드 기능기가 존재한다. 산업적으로는 나일론과 같은 합성 섬유의 제조에 폴리아미드가 광범위하게 사용된다.

아미드의 화학적 성질은 비교적 안정한 것이 특징이다. 에스터보다 가수분해되기 어렵고, 카복실산보다 산성이 훨씬 약하다. 그러나 강한 산 또는 염기 조건과 고온에서 가수분해되어 원래의 카복실산과 아민을 생성할 수 있다. 또한 강한 환원제를 사용하면 해당 아민으로 환원될 수 있다.

산 할라이드는 카복실산의 하이드록시기가 할로겐 원자로 치환된 화합물로, 일반식은 R-COX (X = F, Cl, Br, I)이다. 이 중 염화 아실(R-COCl)이 가장 흔하게 사용된다. 산 무수물은 두 개의 아실기가 산소 원자를 공유하는 구조(R-CO-O-CO-R')를 가지며, 대칭형(R=R')과 비대칭형(R≠R')으로 나눈다.

이들 유도체는 공통적으로 높은 반응성을 보인다. 탄소와 전기음성도가 큰 원자(할로겐 또는 산소) 사이의 극성 결합 때문에 카보닐 탄소가 강한 친전자체로 작용한다. 따라서 핵친공격을 쉽게 받아 다양한 아실화 반응의 시약으로 널리 쓰인다. 반응성은 일반적으로 산 할라이드 > 산 무수물 > 카복실산 순이다.

산 할라이드는 티오닐 염화물(SOCl₂), 옥살릴 염화물((COCl)₂), 또는 인산 염화물(예: PCl₅, PCl₃)과 같은 시약을 사용해 카복실산으로부터 합성한다. 산 무수물은 산 할라이드에 카복실산의 염을 반응시키거나(무수 아세트산 제조), 두 분자의 카복실산이 물 분자를 잃으며 축합하는 방식으로 만들어진다.

이들 화합물은 공기 중의 수분과 반응하여 쉽게 가수분해되기 때문에 보통 건조 조건 하에서 취급한다. 특히 산 할라이드는 부식성과 자극성이 강하며, 가수분해 시 해당 카복실산과 할로젠화 수소산을 생성한다. 산 무수물은 아세틸살리실산(아스피린)과 같은 의약품 합성의 중간체로 중요하게 활용된다.

니트릴은 탄소-질소 삼중결합(C≡N)을 가지는 유기 화합물로, 공식적으로는 R-C≡N으로 표기된다. 이는 카복실산의 유도체 중 하나로 간주되며, 가수분해를 통해 카복실산이나 그 에스터로 전환될 수 있다. 니트릴은 높은 반응성을 지니며, 다양한 유기 합성에서 중간체로 널리 사용된다.

니트릴의 명명법은 두 가지 체계를 따른다. IUPAC 체계에서는 모체 알케인 사슬에 'nitrile'을 붙이거나, 사슬 끝의 탄소 원자를 시아노기(-C≡N)의 탄소로 간주하여 'carbonitrile'로 명명한다. 예를 들어, CH₃CN은 에탄니트릴 또는 아세토니트릴이다. 일반명은 해당 카복실산의 이름에서 '-ic acid'나 '-oic acid'를 '-onitrile'로 바꾸는 방식으로 부여되기도 한다.

니트릴의 물리적 성질은 극성이 높은 시아노기에 의해 결정된다. 낮은 분자량의 니트릴은 높은 끓는점과 물에 대한 좋은 용해도를 보인다. 이는 분자 간 수소 결합을 형성할 수 있기 때문이다. 주요 반응으로는 가수분해, 환원, 그리고 그리냐르 시약과의 반응이 있다.

니트릴은 아크릴로니트릴과 같은 형태로 고분자 산업에서 핵심적인 단량체로 사용된다. 또한, 의약품과 농약의 합성에 있어서 시아노기는 중요한 관능기로 작용한다. 그러나 일부 휘발성 니트릴은 독성을 가지므로 주의 깊게 취급해야 한다.

산화 반응은 1차 알코올이나 알데하이드를 카복실산으로 전환하는 일반적인 합성 경로이다. 1차 알코올은 먼저 알데하이드로 산화된 후, 추가 산화를 통해 카복실산이 된다. 이 반응은 과망간산칼륨(KMnO₄)이나 중크롬산나트륨(Na₂Cr₂O₇)과 같은 강한 산화제를 사용하여 산성 조건에서 수행된다. 알데하이드는 상대적으로 더 쉽게 산화되며, 은 거울 반응으로 알려진 톨렌스 시약(Ag(NH₃)₂⁺)과 같은 약한 산화제로도 카복실산 염을 생성한다.

특정 조건에서는 알켄이나 알카인의 오존 분해를 통해 카복실산을 합성할 수 있다. 또한, 측쇄를 가진 방향족 화합물인 알킬벤젠을 강력하게 산화시키면, 측쇄가 벤조산과 같은 방향족 카복실산으로 전환된다. 이 반응에서는 측쇄의 길이와 관계없이 알파 탄소가 카복실기로 변환된다[15].

산화 반응을 통한 합성 경로는 다음과 같이 요약할 수 있다.

이 방법은 출발 물질의 구조를 알고 있을 때, 특정 위치에 카복실기를 도입하는 데 유용하다. 그러나 산화제의 선택과 반응 조건을 조절하지 않으면 과산화로 인해 분해 반응이 일어나거나 원하지 않는 부산물이 생성될 수 있다는 한계가 있다.

카복실화 반응은 유기 화합물에 카복실기(-COOH)를 도입하여 카복실산을 생성하는 반응을 총칭한다. 가장 대표적인 방법은 그리냐르 시약이나 유기리튬 화합물과 같은 유기금속 화합물에 이산화탄소를 첨가한 후 산성 용액으로 처리하는 것이다. 이 과정에서 유기금속 시약의 탄소 음이온이 이산화탄소의 탄소 원자에 친핵성 첨가를 일으켜 카복실산염을 형성하며, 이후 산 처리를 통해 자유 카복실산을 얻는다[16]. 이 방법은 1차, 2차, 3차 알킬 할로겐화물로부터 대응하는 카복실산을 합성하는 데 유용하다.

또 다른 중요한 카복실화 반응은 콜베-슈미트 반응이다. 이는 페놀의 나트륨염에 고압의 이산화탄소를 반응시켜 히드록시벤조산 유도체를 만드는 방법이다. 특히 살리실산의 합성에 핵심적인 공정으로 사용된다. 방향족 고리의 친전자성 치환 반응 메커니즘으로 진행되며, 반응 조건(온도, 압력)에 따라 생성물의 입체 위치 선택성이 달라진다.

이 외에도 말론산 에스터 합성이나 아세트아세트산 에스터 합성과 같은 활성메틸렌 화합물의 알킬화 후 가수분해 및 탈카복실화를 통한 카복실산 합성도 카복실화 반응의 범주에 포함된다. 이러한 반응들은 복잡한 구조의 카복실산, 특히 치환된 아세트산 유도체를 만드는 데 널리 응용된다.

가수분해 반응은 카복실산 및 그 유도체가 물과 반응하여 카복실산을 생성하는 과정이다. 이 반응은 산 또는 염기 촉매 하에 진행되며, 유도체의 종류에 따라 반응성과 조건이 크게 달라진다. 일반적으로 반응성은 산 할라이드 > 산 무수물 > 에스터 > 아미드 순으로 감소한다[17].

염기 촉매 하의 에스터 가수분해는 특히 비누화 반응으로 알려져 있다. 이는 에스터가 수산화 나트륨 또는 수산화 칼륨 같은 강염기와 반응하여 카복실산의 염(비누)과 알코올을 생성하는 과정이다. 이 반응은 비누 제조의 기초가 되며, 일반적으로 산 촉매 가수분해보다 비가역적으로 진행된다. 아미드의 가수분해는 가장 어려워서 농축된 산 또는 염기 용액을 장시간 가열해야 하며, 이는 펩타이드 결합의 안정성을 반영한다.

지방산은 긴 탄화수소 사슬과 하나의 카복실기를 가진 카복실산이다. 이들은 생물체 내에서 에너지 저장, 세포막 구성, 신호 전달 등 다양한 중요한 역할을 수행한다. 지방산은 포화 지방산과 불포화 지방산으로 구분되며, 탄소 사슬 내 이중 결합의 유무와 개수에 따라 그 생물학적 성질이 달라진다.

에너지 대사에서 지방산은 매우 효율적인 에너지원이다. 중성 지방(트라이글리세라이드) 형태로 저장된 지방산은 필요 시 지방 분해 과정을 거쳐 유리된다. 유리된 지방산은 베타 산화라는 대사 경로를 통해 분해된다. 이 과정에서 지방산 사슬은 두 개의 탄소 단위(아세틸 CoA)로 반복적으로 절단되며, 이는 시트르산 회로에 들어가 최종적으로 많은 양의 ATP를 생산한다. 지방산 1g당 약 9kcal의 에너지를 공급하여, 동일한 무게의 탄수화물이나 단백질보다 두 배 이상 높은 에너지 밀도를 가진다.

지방산의 에너지 대사는 여러 호르몬에 의해 조절된다. 공복 상태나 운동 시에는 글루카곤과 에피네프린의 분비가 증가하여 지방 분해를 촉진한다. 반면, 포도당 수준이 높을 때 분비되는 인슐린은 지방 분해를 억제하고 지방 합성을 촉진한다. 주요 지방산 대사 경로는 다음과 같이 요약할 수 있다.

특히 장기간의 금식이나 당뇨병 상태에서는 케톤체 생성이 활성화된다. 간에서 과도하게 생성된 아세틸 CoA가 케톤체로 전환되어, 뇌와 같은 장기에게 포도당 대신 대체 에너지원을 제공한다. 이러한 지방산 대사의 균형 장애는 비만, 당뇨병, 지방간 등의 대사 질환과 직접적으로 연관된다.

아미노산은 아민기(-NH₂)와 카복실산기(-COOH)를 모두 가지는 분자로, 이 두 작용기가 동일한 탄소 원자에 결합된 구조를 가진다. 이 구조는 양쪽성 이온 형태로 존재할 수 있어 생체 내 pH 환경에서 중요한 역할을 한다. 약 20가지의 표준 아미노산이 단백질의 기본 구성 단위를 이룬다.

단백질은 아미노산들이 펩타이드 결합을 통해 선형으로 연결된 고분자이다. 펩타이드 결합은 한 아미노산의 카복실산기가 다른 아미노산의 아민기와 반응하여 물 분자를 잃고 형성되는 아미드 결합의 일종이다. 이 반응은 생체 내에서 효소의 촉매 하에 일어난다.

단백질의 기능과 3차원 구조는 구성 아미노산의 서열과 각 아미노산 측쇄의 특성에 의해 결정된다. 소수성 상호작용, 이온 결합, 수소 결합, 황다리 결합 등이 단백질의 접힘과 안정화에 기여한다. 따라서 카복실산에서 유래된 아미드 결합은 생명의 기본 물질인 단백질의 골격을 형성하는 핵심 연결고리이다.

많은 카복실산 및 그 유도체는 강력한 생리 활성을 보이며, 다양한 의약품의 핵심 구조로 활용된다. 예를 들어, 아스피린(아세틸살리실산)은 카복실산과 에스터가 결합된 구조로, 항염증, 해열, 진통 효과를 가진 대표적인 비스테로이드성 항염증제이다. 이부프로펜이나 나프록센과 같은 다른 비스테로이드성 항염증제도 카복실산기를 포함한다. 또한 페니실린 계열 항생제는 베타-락탐 고리와 카복실산기를 지닌 구조로, 세균 세포벽 합성을 억제한다.

생체 내에서 자연적으로 생성되는 많은 활성 물질도 카복실산 기능기를 지닌다. 필수 지방산인 리놀렌산과 아라키돈산은 에이코사노이드 계열 물질(예: 프로스타글란딘, 류코트리엔)의 전구체로 작용한다. 이들 에이코사노이드는 염증, 통증, 혈액 응고 등 다양한 생리적 과정을 조절한다. 또한, 거의 모든 아미노산은 카복실산기를 가지며, 이들이 연결되어 형성된 펩타이드와 단백질은 생명 활동의 기본을 이룬다.

카복실산 유도체인 아미드 결합은 의약품 설계에서 매우 중요한데, 이는 생체 내에서 비교적 안정하며 표적 효소나 수용체와의 특이적 상호작용을 가능하게 하기 때문이다. 많은 ACE 억제제(예: 리시노프릴)와 수면제(예: 바르비투르산 유도체)가 아미드 구조를 포함한다. 또한, 스타틴 계열 약물은 하이드록시기가 치환된 카복실산 유사체로, HMG-CoA 환원효소를 억제하여 콜레스테롤 생합성을 차단한다.

카복실산과 그 유도체는 다양한 고분자 물질의 핵심 구성 요소로 사용된다. 특히 폴리에스터와 폴리아미드는 대표적인 합성 고분자로서, 각각 에스터 결합과 아미드 결합을 반복 단위로 갖는다.

폴리에스터는 디카복실산과 다이올의 축합 중합, 또는 히드록시산의 자기 축합을 통해 합성된다. 가장 잘 알려진 예는 테레프탈산과 에틸렌 글리콜로부터 만들어진 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)이다. PET는 섬유(폴리에스터 섬유), 플라스틱 병, 필름 등에 널리 사용된다. 다른 중요한 폴리에스터로는 폴리락트산(PLA)과 같은 생분해성 고분자가 있다.

폴리아미드는 디카복실산과 다이아민의 축합 중합으로 제조되며, 강한 수소 결합으로 인해 높은 인장 강도와 내열성을 보인다. 대표적인 상업용 폴리아미드로는 나일론 6,6(아디프산과 헥사메틸렌다이아민으로 합성)과 나일론 6(카프로락탐의 개환 중합으로 합성)이 있다. 이 물질들은 섬유, 엔지니어링 플라스틱, 필름 등 다양한 분야에 적용된다.

이러한 고분자의 물성은 주사슬의 화학 구조, 결정성, 분자량에 의해 결정된다. 합성 과정에서 반응 조건을 조절함으로써 원하는 기계적 강도, 내화학성, 용융 점도를 가진 고분자를 설계할 수 있다.

카복실산 에스터는 극성과 비극성 성질을 조절할 수 있는 특성 덕분에 다양한 용매로 사용된다. 저분자량 에스터인 에틸 아세테이트나 부틸 아세테이트는 페인트, 니스, 접착제의 용매로 널리 쓰인다. 이들은 적당한 증발 속도와 유기 물질에 대한 우수한 용해력을 지닌다. 고분자량의 프탈산 에스터나 아디프산 에스터와 같은 에스터는 가소제 역할을 하여 폴리염화 비닐(PVC)과 같은 플라스틱의 유연성과 가공성을 향상시킨다. 이들은 고분자 사슬 사이에 끼어들어 분자 간 인력을 약화시켜 재료를 부드럽게 만든다.

카복실산 에스터는 또한 향료 및 식품 첨가물 분야에서 중요한 역할을 한다. 많은 에스터는 과일이나 꽃에서 발견되는 천연 향기 성분과 유사한 휘발성과 향기를 지닌다. 예를 들어, 이소아밀 아세테이트는 바나나 향, 메틸 살리실레이트는 겨우살이 향을 낸다. 이들은 합성 향료나 천연 향료를 모방하는 데 사용된다. 식품에서는 에틸 부티레이트(파인애플 향)와 같은 에스터가 향미 증진제로 활용된다.

다양한 에스터의 용도는 그 구조에 따라 크게 달라진다. 주요 응용 분야를 정리하면 다음과 같다.

이러한 응용은 카복실산 에스터가 비교적 안정하면서도 화학 구조를 다양하게 변형할 수 있다는 점에서 비롯된다. 특히 가소제의 경우, 환경 및 건강에 대한 우려로 인해 프탈산 에스터 유도체에서 다른 종류의 에스터로 대체되는 추세이다[18].

카복실산 유도체는 계면활성제의 핵심 구성 요소로 작용하여 세제 산업의 기반을 이룬다. 특히 지방산의 나트륨 또는 칼륨 염은 전통적인 비누의 주성분이다. 이들 비누는 물과 기름의 경계면에서 작용하여 오염 물질을 유화시켜 제거한다. 그러나 경수(硬水)에서 칼슘 및 마그네슘 이온과 반응하여 불용성 침전물을 형성하는 단점을 지닌다.

이러한 한계를 극복하기 위해 합성 계면활성제가 개발되었다. 대표적으로 알킬벤젠설폰산염(LAS)과 같은 설폰산 염이 있으며, 이들은 경수에서도 효과를 유지한다. 또한, 지방 알코올을 황산화하여 만든 알킬 황산염(AS)과 알킬 에테르 황산염(AES)도 널리 사용된다. 이들 합성 세제는 친수성 머리와 소수성 꼬리 구조를 가져 분자 수준에서 계면 장력을 감소시킨다.

카복실산 기반 계면활성제는 그 구조에 따라 이온성 여부에 따라 분류된다.

이들 물질은 가정용 세제, 식기 세척제, 샴푸, 바디 워시 등 다양한 생활용품에 활용된다. 또한, 산업용 세정제, 농업용 유화제, 석유 회수 증진제 등으로도 응용된다. 환경적 측면에서 생분해성이 높은 선형 알킬벤젠설폰산염(LAS)이 과거의 분지형 알킬벤젠설폰산염(ABS)보다 선호되는 추세이다[19].

카복실산 및 그 유도체는 특정한 적외선 흡수 대역을 나타내며, 이는 적외선 분광법을 통한 확인과 분석에 유용하게 활용된다. 카복실기의 존재는 특히 1700 cm⁻¹ 부근의 강한 탄소-산소 이중결합 신호(C=O 신호)로 나타난다. 그러나 정확한 흡수 파수는 분자의 구조와 주변 환경에 따라 달라지며, 이를 통해 특정 유도체를 구별할 수 있다.

일반적인 흡수 대역은 다음과 같은 표로 정리할 수 있다.

카복실산의 경우, 수소 결합으로 인해 이량체를 형성하기 때문에 C=O 신호가 약간 낮은 파수(약 1710 cm⁻¹)로 이동하며, 2500–3300 cm⁻¹ 사이에 매우 넓고 뭉툭한 산소-수소 결합 신호가 관찰되는 것이 결정적인 특징이다. 에스터는 일반적으로 카복실산보다 높은 파수에서 신호를 보이며, 강한 탄소-산소 단일결합 신호가 동반된다.

분석 시에는 스펙트럼 전체를 종합적으로 고려해야 한다. 아미드의 경우 C=O 신호(카보닐기)가 가장 낮은 파수 영역에 나타나며, 1차 아미드는 두 개의 N-H 신호를, 2차 아미드는 하나의 N-H 신호를 보인다. 이러한 특징적인 패턴은 단백질의 아미드 결합 분석에도 핵심적으로 사용된다. 적외선 분광법은 시료를 손상시키지 않고 빠르게 작용기를 확인할 수 있는 강력한 도구이다.

핵자기 공명 분광법(NMR)은 카복실산 및 그 유도체의 구조를 확인하고 분석하는 데 필수적인 도구이다. 특히 수소 핵(¹H NMR)과 탄소 핵(¹³C NMR)의 신호는 분자 내 특정 작용기의 존재와 주변 화학 환경에 대한 정확한 정보를 제공한다.

¹H NMR 스펙트럼에서 카복실산의 수소 원자는 강한 전자 끌개인 카복실기에 직접 결합되어 있기 때문에 매우 낮은 장(低場, downfield)인 10~13 ppm 부근에 넓은 피크(singlet)로 나타난다. 이는 수소 결합에 의한 척력 효과와 산성 수소의 빠른 교환 때문이다. 에스터의 경우, 카복실기 옆의 메틸렌(–CH₂–O–) 또는 메틸(–O–CH₃) 기의 수소 신호는 3.5~4.5 ppm 부근에 나타나며, 아미드의 아미드 수소(N–H) 신호는 5~9 ppm 범위에서 관찰된다.

¹³C NMR은 카복실 탄소의 신호를 직접적으로 보여준다. 카복실산, 에스터, 아미드, 산 할라이드 등의 카복실 탄소(–C=O) 신호는 모두 160~185 ppm의 낮은 장 영역에 나타난다. 그러나 정확한 화학적 이동치는 유도체의 종류에 따라 구별된다.

이러한 NMR 데이터는 미지 화합물이 카복실산인지, 그 유도체인지, 그리고 어떤 유도체인지를 판별하는 데 결정적인 증거가 된다. 또한 2차원 NMR 기법을 통해 분자 내 다른 원자들과의 결합 관계를 확인함으로써 복잡한 유도체의 완전한 구조를 해석할 수 있다.

적정법은 카복실산의 농도나 함량을 정량적으로 분석하는 데 널리 사용되는 방법이다. 특히 산-염기 적정을 통해 산의 당량점을 결정하고, 이를 바탕으로 산의 농도나 순도를 계산할 수 있다.

가장 일반적인 방법은 수산화나트륨(NaOH)이나 수산화칼륨(KOH) 같은 강염기 표준 용액으로 카복실산 시료 용액을 적정하는 것이다. 반응은 중화 반응으로 진행되며, 페놀프탈레인이나 브로모티몰 블루 같은 산-염기 지시약을 사용하여 종말점을 판단한다. 당량점 근처에서 pH가 급격히 변하는 것을 이용하는 전위차 적정법은 색이 있는 시료나 종말점 판단이 어려운 경우에 더 정확한 결과를 제공한다.

분석 대상이 에스터나 아미드 같은 유도체인 경우, 먼저 가수분해를 통해 카복실산으로 전환한 후 적정을 수행하기도 한다. 예를 들어, 에스터는 알칼리 가수분해(비누화) 후 과잉의 염기를 역적정하여 원래 에스터의 양을 간접적으로 구할 수 있다[21]. 이러한 적정법은 품질 관리, 합성 산물의 순도 확인, 생화학적 샘플 분석 등 다양한 분야에서 필수적인 분석 도구로 사용된다.

대부분의 카복실산은 부식성과 피부, 눈, 점막에 대한 자극성을 지닌다. 이 성질은 그들의 산성도에서 비롯되며, 농도가 높을수록 위험성이 증가한다. 낮은 분자량을 가진 지방산인 포름산과 아세트산은 강한 자극성과 부식성을 보이며, 특히 농축된 상태에서는 심각한 화학적 화상을 유발할 수 있다. 불포화 지방산이나 방향족 카복실산도 유사한 위험성을 가진다.

카복실산의 부식성은 금속, 콘크리트, 일부 플라스틱과 같은 재료를 손상시킬 수 있다. 취급 시에는 적절한 보호 장비, 예를 들어 내산성 장갑, 보호안경, 방호복의 사용이 필수적이다. 환기 장치가 갖춰진 공간에서 작업을 해야 하며, 증기 흡입을 피해야 한다.

노출 시 응급 조치가 중요하다. 피부 접촉 시에는 즉시 많은 물로 15분 이상 씻어내야 하며, 의료 처치를 받아야 한다. 눈에 들어갔을 때도 동일하게 세척 후 즉시 병원 치료가 필요하다. 증기를 흡입한 경우에는 신선한 공기로 대피시키는 것이 우선이다.

카복실산 및 그 유도체는 생산, 사용, 폐기 과정에서 다양한 환경적 영향을 미친다. 많은 저분자량 카복실산은 물에 대한 높은 용해도와 생분해성을 보여 비교적 빠르게 환경에서 제거되지만, 특정 조건이나 유도체 형태에 따라 지속성과 독성이 문제가 될 수 있다.

산업 폐수에 포함된 강한 카복실산은 수생 환경의 pH를 낮추어 수생 생물에 급성 독성을 나타낼 수 있다. 일부 할로겐화된 카복실산 유도체는 환경에서 분해되기 어렵고 생물농축 가능성이 있어 우려의 대상이 된다[23]. 또한, 에스터 형태의 가소제(예: 프탈레이트 에스터)나 폴리에스터 미세플라스틱은 지속성 유기 오염물질로 분류되기도 하며, 토양과 수계에 장기간 잔류하여 생태계에 영향을 줄 수 있다.

이들의 환경 거동은 주로 가수분해, 광분해, 미생물에 의한 생분해 과정을 통해 결정된다. 일반적으로 지방족 카복실산은 생분해가 잘 이루어지는 반면, 방향족 고리나 할로겐 원자가 결합된 구조는 분해 속도가 느리다. 환경 영향 평가와 관리를 위해 국제적으로 화학물질의 등록, 평가, 허가 및 제한에 관한 REACH 규정과 같은 법적 체계가 마련되어 운영 중이다.