1-프로판올: 특성, 반응, 생산 및 용도

1-프로판올이란 무엇인가?

n-프로필 알코올 또는 프로판-1-올이라고도 불리는 1-프로판올은 화학식 CH₃CH₂CH₂OH를 가진 1차 알코올입니다. 특유의 알코올 향이 나는 투명하고 무색인 액체이며 물, 에탄올, 에테르와 자유롭게 혼합됩니다.

1-프로판올은 이소프로필 알코올의 구조 이성질체이지만, 산업적으로는 용제 및 소독제로 널리 사용되는 이소프로필 알코올의 중요성이 더 큽니다.

자연계에서 1-프로판올은 퓨젤유(fusel oils)에서 발견되며, 발효 과정의 부산물이나 식물성 물질의 변질 또는 분해 중에 소량 형성됩니다.

목차

• 1-프로판올이란 무엇인가?
• 1. 1-프로판올의 물리적 특성
  • 표 1: 1-프로판올의 물리적 성질
• 2. 1-프로판올의 화학 반응
  • 산화 반응 (A)
  • 에스테르화 반응 (B)
  • 아미노화 반응 (C)
  • 에테르화 및 탈수 반응 (D)
  • 아세탈 형성 (E)
• 3. 1-프로판올의 산업적 생산
  • 3.1. 하이드로포밀화 및 수소화 반응을 통한 1-프로판올 생산
  • 3.2. 사솔(Sasol) 피셔-트롭슈 공정에 의한 1-프로판올 생산
• 4. 1-프로판올의 용도
• 5. 1-프로판올의 독성학
  • 표 2: 1-프로판올의 독성 데이터
• 참고 문헌 (References)

1. 1-프로판올의 물리적 특성

1-프로판올은 투명하고 무색인 액체로 특유의 알코올 냄새를 풍깁니다. 물과 완전히 혼화되며 에테르, 에스테르, 산, 케톤 및 기타 알코올을 포함한 많은 유기 용매에 쉽게 용해됩니다.

n-프로판올의 물리적 특성은 아래 표 1에 요약되어 있습니다.

표 1: 1-프로판올의 물리적 성질

특성	값
CAS 등록 번호	71-23-8
화학식	C3H8O
몰 질량, g/mol	60.09
어는점, °C	−126.2
끓는점, °C	97.20
증기압, kPa	20 °C 기준: 1.987 40 °C 기준: 6.986 60 °C 기준: 20.292 80 °C 기준: 50.756
안투안(Antoine) 식 (2–120 °C, t: °C)	log P(kPa) = 6.97257 − 1499.21 / (204.64 − t)
증기 밀도 (공기 = 1)	2.07
밀도 (20 °C), g/cm3	0.80375
프란시스(Francis) 식 (−21 ~ 180 °C, t: °C)	Density = 0.8813 + (5.448 × 10-4 t) − 21.536 / (313.09 − t)
굴절률, nD20	1.38556
점도 (20 °C), mPa·s	2.256
표면 장력 (20 °C), mN/m	23.75
임계 온도, °C	263.65
임계 압력, kPa	5169.60
임계 밀도, g/cm3	0.275
열용량 (액체, 25 °C), J/(mol·K)	141
증발열, kJ/mol	25 °C 기준: 47.53 97.20 °C 기준: 41.78
연소열 (액체, 25 °C), kJ/mol	2033
생성열 (증기, 25 °C), kJ/mol	−254.7
인화점 (태그 개방식), °C	28.9
자연 발화 온도, °C	371.1
공기 중 폭발 한계, vol %	하한: 2.2 상한: 14.0
전기 전도도 (25 °C), S	2 × 10-8

2. 1-프로판올의 화학 반응

1-프로판올의 화학적 성질은 저분자량 1차 알코올의 전형적인 특성을 나타냅니다. 산화, 에스테르화, 아미노화, 탈수 및 에테르화 반응을 포함하여 하이드록실(-OH) 작용기의 특징적인 다양한 반응을 거칩니다. 생물학적 계에서 1-프로판올은 원활하게 분해되며, 가장 쉽게 생분해되는 알코올 중 하나로 간주됩니다.

산화 반응 (A)

1-프로판올의 산화는 우선 대응하는 알데하이드인 프로판알(propanal)로 진행되며, 추가적인 산화를 거쳐 프로피온산(propionic acid)이 됩니다. 부분 산화는 크롬산 구리(copper chromite), 산화 크롬(^VI) 또는 피리디늄염과 같은 금속 기반 촉매 존재 하에 공기를 이용하여 수행할 수 있습니다.

에스테르화 반응 (B)

다른 알코올과 마찬가지로, 1-프로판올은 유기산 및 무기산과 반응하여 에스테르를 형성합니다. 강산 촉매(예: 황산(H₂SO₄), p-톨루엔술폰산, 메탄술폰산 또는 이온 교환 수지) 존재 하에서 아세트산과 반응하면 코팅, 잉크 및 향료 산업에서 중요한 용제로 사용되는 n-프로필 아세테이트가 생성됩니다.

아세트산 메틸 또는 아세트산 에틸과의 에스테르 교환 반응을 통해서도 n-프로필 아세테이트를 제조할 수 있습니다.

아미노화 반응 (C)

1-프로판올은 니켈, 코발트 또는 몰리브덴과 같은 전이 금속 촉매 존재 하의 고온 및 고압 조건에서 암모니아 또는 아민과 환원적 아미노화 반응을 거칠 수 있습니다. 이 반응을 통해 프로필아민 유도체가 생성되지만, 이는 대응하는 이소프로필아민 유도체에 비해 산업적 중요성은 낮습니다.

에테르화 및 탈수 반응 (D)

1-프로판올을 알킬렌 옥사이드(예: 에틸렌 옥사이드, 프로필렌 옥사이드)와 반응시키면 용제로 널리 쓰이는 글리콜 에테르가 생성됩니다. 또한 고체 산 촉매를 사용하여 1-프로판올을 탈수시키면 디-n-프로필 에테르를 제조할 수 있습니다. 프로펜으로의 탈수도 가능하지만, 이는 실질적인 산업적 의미는 없습니다.

아세탈 형성 (E)

다른 1차 알코올과 마찬가지로 1-프로판올은 알데하이드와 반응하여 헤미아세탈을 형성하며, 이는 탈수 조건의 산 촉매 하에서 아세탈로 추가 전환될 수 있습니다. 1-프로판올 유래 아세탈은 의약품 합성의 중간체로 사용됩니다.

3. 1-프로판올의 산업적 생산

산업적으로 1-프로판올은 주로 에틸렌을 하이드로포밀화(옥소 공정)하여 프로판알(프로피온알데하이드)을 형성한 후, 이를 촉매 수소화하여 알코올로 만드는 방식으로 생산됩니다.

한때 미국 텍사스주 비숍에서 셀라ニーズ(Celanese)사가 프로판의 기상 산화 공정을 운영하기도 했으나, 이 경로는 1973년에 중단되었습니다. 그 이후로는 미국과 유럽에서 옥소(OXO) 기술이 지배적인 방법으로 자리 잡았습니다.

남아프리카 공화국에서는 사솔(Sasol)사가 피셔-트롭슈 합성을 통해 1-프로판올을 생산합니다. 프로필렌의 안티-마르코프니코프 수화 반응을 통한 1-프로판올 제조 시도도 연구된 바 있으나, 상업적 응용 단계에는 이르지 못했습니다.

3.1. 하이드로포밀화 및 수소화 반응을 통한 1-프로판올 생산

하이드로포밀화(옥소 공정)를 통한 1-프로판올의 상업적 생산은 2단계 공정으로 이루어집니다. 먼저 에틸렌을 합성 가스와 함께 하이드로포밀화하여 프로판알로 전환한 후(1), 이어서 프로판알을 촉매 수소화하여 1-프로판올을 얻습니다(2).

(1) C₂H₄ + CO + H₂ → CH₃CH₂CHO

(2) CH₃CH₂CHO + H₂ → CH₃CH₂CH₂OH

하이드로포밀화 단계의 미량 부산물로는 프로판, 1-프로판올, 그리고 알돌 축합에 의해 형성된 고비점 잔사(heavy ends)가 포함됩니다. 코발트, 철, 니켈, 로듐, 이리듐의 전이금속 카르보닐 착물이 옥소 반응을 촉매할 수 있으나, 상업적으로는 코발트와 로듐만이 사용됩니다.

미국 내에서는 Texas Eastman, Union Carbide, Hoechst Celanese가 옥소 기술을 사용하여 1-프로판올을 제조합니다. Texas Eastman은 원래 코발트 기반의 HCo(CO)₄ 촉매를 사용했으나, 1989년에 포스핀 변성 로듐계 시스템을 도입했습니다. 유럽에서는 Hoechst AG와 BASF AG에 의해 생산이 이루어집니다.

로듐-트리페닐포스핀 촉매는 더 높은 반응 속도, 개선된 안정성, 낮은 운전 압력 및 적은 부산물 생성 덕분에 기존의 코발트 촉매를 상당 부분 대체하였습니다. 로듐 카르보닐은 원래 코발트 촉매용으로 설계된 설비에도 적합합니다.

로듐은 더 높은 압력을 필요로 하지만 활성이 더 크며, 고비점 분획을 적게 생성합니다. 독일의 Hoechst AG(Werk Ruhrchemie)에서는 로듐 카르보닐을 사용하여 프로판알을 합성하고, 이를 수소화하여 1-프로판올을 얻습니다. 로듐 카르보닐은 코발트 유사체보다 반응성이 100~1,000배 더 높은 것으로 보고되었습니다.

로듐 촉매를 이용한 에틸렌 하이드로포밀화는 90~120 °C, 2.17~3.55 MPa, H₂:CO 비율 1:1~3:1, 로듐 농도 1~10 mM, 트리페닐포스핀 농도 0.1~0.4 M 조건에서 수행됩니다. 이러한 조건 하에서 프로판알 수율은 98~99%에 달하며, 에탄 및 고비점 잔사로의 전환율은 0.5~1.0%에 불과합니다.

할로겐 함유 로듐 원료는 촉매 활성을 억제하는데, 이는 할로겐화 착물이 불량한 하이드로포밀화 성능을 보이기 때문입니다. 가장 활성적인 촉매 전구체는 하이드리도카르보닐트리스(트리페닐포스핀)로듐인 HRhCO[P(C₆H₅)₃]₃으로, 트리페닐포스핀 리간드의 해리를 통해 활성 종을 생성합니다.

과량의 트리페닐포스핀은 인(P)에서 로듐(Rh)으로의 페닐기 이동으로 인한 촉매 비활성화를 억제합니다. 이러한 이동이 방치될 경우 불활성 로듐-인화물 클러스터가 형성될 수 있습니다.

프로판알을 1-프로판올로 수소화하는 반응은 이미 확립된 공정입니다. 라네이 니켈(Raney nickel) 또는 담지 니켈과 같은 니켈 기반 촉매와 구리-크롬 산화물 촉매가 흔히 사용됩니다. 기상 및 액상 수소화 방식이 모두 채택되고 있습니다.

액상 공정은 2.17~4.24 MPa 및 100~170 °C에서 수행됩니다. 기상 수소화는 일반적으로 790 kPa 미만에서 작동합니다. 고정층(fixed-bed), 슬러리층(slurry-bed) 또는 세류층(trickle-bed) 반응기 구조가 사용되며, 1-프로판올에 대해 95% 이상의 수율을 달성합니다.

주요 부산물로는 아세탈, 에테르, 에스테르, 디올 등이 있습니다. CO와 트리페닐포스핀은 촉매 독으로 작용하므로 수소화 전 피드에서 반드시 제거해야 합니다.

산업 공정에서는 과량의 합성 가스를 사용하여 옥소 반응기 유출물로부터 프로판올 증기를 스트리핑(stripping)한 후, 수소화 전에 응축 및 CO 제거 과정을 거칩니다. 결과물인 조(crude) 1-프로판올은 2탑식 증류 시스템에서 정제됩니다.

코발트 카르보닐 또는 로듐 카르보닐 촉매를 사용하는 경우, 높은 반응기 압력으로 인해 프로판알의 액체 인출이 필요하며, 촉매 회수 및 처리를 위한 추가 설비가 요구됩니다.

3.2. 사솔(Sasol) 피셔-트롭슈 공정에 의한 1-프로판올 생산

사솔(Sasol)은 피셔-트롭슈(Fischer–Tropsch) 합성의 부차적인 생성물로서 1-프로판올을 생산합니다. 이 공정에서는 루르기(Lurgi) 고정층 반응기에서 석탄을 가스화하여 합성 가스(CO 및 H₂)를 생성합니다. 가스 흐름은 응축 가능한 성분으로부터 분리 및 정제된 후 사솔 신톨(Sasol Synthol) 유닛으로 도입됩니다.

유동층 반응기 내에서 가스는 미세하게 분쇄된 철 기반 촉매와 접촉하며, 여기서 매우 강한 발열 반응인 피셔-트롭슈 반응을 통해 탄화수소와 산소 화합물의 혼합물이 생성됩니다.

반응기에서 나온 응축물은 탄화수소 분획과 수계 상(aqueous phase)으로 분리됩니다. 수계 스트림에는 알코올과 케톤 혼합물이 포함되어 있습니다. 대부분의 알코올은 고옥탄가 가솔린에 블렌딩되지만, 선택된 알코올 분획은 순수 제품 회수를 위해 증류 과정을 거칩니다.

이러한 공정을 통해 1-프로판올과 에탄올이 다단 분리 시스템에서 분리되며, 전체 연간 생산 능력은 약 25,000~30,000톤에 달합니다.

4. 1-프로판올의 용도

1-프로판올은 주로 용제 및 화학 중간체로 사용됩니다. 가장 중요한 유도체는 n-프로필 아세테이트이며, 이는 전 세계 소비량에서 가장 큰 비중을 차지합니다.

1-프로판올은 플렉소(flexographic) 및 그라비어(rotogravure) 인쇄 잉크, 특히 폴리올레핀 및 폴리아미드 필름 인쇄용 용제로 널리 사용됩니다. 에탄올 및 2-프로판올과 비교했을 때, 인쇄 품질과 건조 특성 면에서 장점이 있습니다. 또한 도료, 코팅제, 화장품, 살충제 및 살균제의 용제로도 사용됩니다.

유럽에서 1-프로판올은 박테리아, 곰팡이 및 바이러스에 대한 높은 살생물(biocidal) 활성 덕분에 손 소독제 및 표면 소독제 성분으로 그 중요성이 점점 커지고 있습니다.

1-프로판올의 상당 부분은 잉크, 래커, 셀룰로오스 유도체, 왁스 및 살충제 제형의 용제로 쓰이는 n-프로필 아세테이트로 전환됩니다. n-프로필 프로피오네이트와 같은 다른 에스테르는 코팅제에 사용되며, 개선된 향취 특성 덕분에 n-부틸 아세테이트의 대체제로 간주됩니다.

1-프로판올은 에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노프로필 에테르, 프로필렌 글리콜 모노프로필 에테르, 디프로필렌 글리콜 모노프로필 에테르와 같은 글리콜 에테르 생산의 원료이기도 합니다. 이러한 용제들은 높은 용해력과 수분 친화력을 동시에 갖추고 있어 코팅제 및 세정제에 사용됩니다.

유럽에서 생산되는 1-프로판올의 상당량은 제초제 및 의약품 제조의 중간체인 프로필아민으로 전환됩니다.

또한 1-프로판올은 염화메틸렌 및 오존층 파괴 물질의 대체 용제로 사용되는 1-브로모프로판의 전구체입니다. 소수 응용 분야로는 향료 및 향수 성분, 살충제 제형의 보조 용제, 사료 첨가제 등이 있습니다.

5. 1-프로판올의 독성학

1-프로판올은 인화점이 38 °C 미만인 인화성 액체로 분류됩니다. 미국 직업안전보건청(OSHA)의 29 CFR 1910.1200 규정에 따라 유해 물질로 관리됩니다.

독성 연구에 따르면 1-프로판올은 동물에게 약한 독성만을 나타냅니다(표 2 참조). 에임스 시험(Ames test) 및 마우스 림프종 전방 돌연변이 분석에서 음성 결과를 보여 돌연변이 유발 가능성이 없음을 시사합니다.

표 2: 1-프로판올의 독성 데이터

투여 방법 / 매개변수	값
경구 투여, 랫트, LD50	1.9 g/kg
경피, 토끼, LD50	5.4 g/kg
흡입, 랫트, LC50	24,000 ppm
ACGIH TLV, TWA	200 ppm
위험 등급 (NFPA: 건강, 인화성, 반응성)	1, 3, 0
위험 등급 (HMIS: 건강, 인화성, 반응성)	2, 3, 0

비고: LD₅₀ = 중간 치사량. LC₅₀ = 중간 치사 농도. TLV = 임계값 한계치, TWA = 시간 가중 평균치.

미국 국립독성계획(NTP) 및 국제암연구소(IARC)는 1-프로판올을 발암 물질로 분류하지 않습니다. 급성 노출 시 눈에 자극이나 화상을 입을 수 있으며, 반복적인 피부 접촉은 피부염을 유발할 수 있습니다. 과도한 증기 농도를 흡입하면 눈과 호흡기에 자극을 줄 수 있으며, 매우 높은 농도에서는 마취 효과가 나타날 수 있습니다.

미국에서 1-프로판올은 포괄적 환경 대응 재정 보상 책임법(CERCLA)에 등재되어 있으며, 하루 보고 의무 누출량은 100 lb(45.4 kg)입니다. 또한 40 CFR 60.489에 따른 대기 배출 표준에 포함되어 제조 장비로부터 발생하는 휘발성 유기 화합물(VOC) 배출을 제어해야 합니다.

식품 및 살충제 규정에서 1-프로판올은 21 CFR 172.515에 따라 착향료 및 보조제로 허용되며, 살충제 제형의 용제 또는 보조 용제로 사용될 경우 잔류 허용량 요건에서 면제됩니다.

참고 문헌 (References)

1. Unruh, J.D. and Pearson, D. (2000). n-Propyl Alcohol. In Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, (Ed.). https://doi.org/10.1002/0471238961.1618151621141821.a01

2. Klabunde, J., Bischoff, C. and Papa, A.J. (2025). Propanols. In Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. https://doi.org/10.1002/14356007.a22_173.pub3