에틸렌디아민테트라아세트산 (EDTA): 성질, 제조 및 용도

에틸렌디아민테트라아세트산이란 무엇인가?

흔히 EDTA로 더 잘 알려진 에틸렌디아민테트라아세트산은 화학식 C₁₀H₁₆N₂O₈을 가진 아미노폴리카르복실산입니다. 이는 물에 용해되지 않는 흰색 고체로, 다양한 산업 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 킬레이트제 중 하나입니다.

에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA), 니트릴로트리아세트산(NTA) 및 그 염들은 1930년대 I.G. Farbenindustrie 실험실의 Ferdinand Munz에 의해 처음으로 합성되었습니다. 그 이후로 이들은 산업용 킬레이트제로서 중요한 위치를 차지해 왔습니다.

아미노산과 유사하게 EDTA와 같은 아미노폴리카르복실산은 강산 및 강염기와 염을 형성할 수 있습니다. 또한, 이들은 2가 및 3가 양이온과 강력한 수용성 착물을 형성하는 능력을 갖추고 있습니다. 이러한 착물은 금속 이온의 반응성을 크게 변화시켜 다양한 산업 공정에서 가치 있는 화합물이 됩니다.

EDTA의 주요 산업적 응용은 칼슘, 바륨, 철 및 기타 양이온을 포함하는 스케일과 불용성 침전물을 방지하거나 제거하는 것입니다.

목차

• 에틸렌디아민테트라아세트산이란 무엇인가?
• 1. 에틸렌디아민테트라아세트산 (EDTA)의 물리적 성질
  • 표 1: EDTA의 물리적 성질
• 2. 에틸렌디아민테트라아세트산의 화학적 성질
• 3. 에틸렌디아민테트라아세트산 (EDTA)의 제조
  • 3.1. 에틸렌디아민의 알칼리 시아노메틸화
  • 3.2. 2단계 싱어(Singer) 합성
• 4. 에틸렌디아민테트라아세트산 (EDTA)의 용도
• 5. EDTA의 독성학
• 참고 문헌

1. 에틸렌디아민테트라아세트산 (EDTA)의 물리적 성질

에틸렌디아민테트라아세트산은 무색의 결정성 고체로, 물에 약간 용해됩니다. EDTA의 주요 물리적 성질은 다음 표와 같습니다.

표 1: EDTA의 물리적 성질

성질	값
CAS 번호	[60-00-4]
화학식	C10H16N2O8
분자량	292.24 g/mol
녹는점	245 °C (분해)
상대 밀도	0.86 g/cm3
물에 대한 용해도 (20 °C)	0.1 g/L
pKa1	2
pKa2	2.7
pKa3	6.16
pKa4	10.26
인화점	> 100 °C

2. 에틸렌디아민테트라아세트산의 화학적 성질

EDTA는 2가 및 3가 금속 양이온과 수용성 착물을 형성합니다. 이러한 착물은 킬레이트(그리스어 “chele”, 집게발에서 유래)라고 불리는 고리 구조를 특징으로 하며, 여기서 금속 이온은 해리된 리간드 EDTA^4-에 의해 단단히 결합됩니다.

이 착물의 강도는 안정도 상수로 정량화되며, 이는 금속 이온(M)과 킬레이트제(EDTA^4-)의 평형 농도를 반영합니다.

킬레이트화 강도에 영향을 미치는 요인으로는 pH, 경쟁 음이온 및 침전 음이온이 있습니다.

높은 pH는 완전히 해리된 킬레이트 음이온(예: EDTA^4-)의 농도를 높여 결합 능력을 향상시키므로 킬레이트화에 유리합니다. 그러나 높은 pH에서 수산화 이온(OH^–)은 금속이 불용성 수산화물을 형성하는 경우(예: pH 5.5 이상에서 Fe³⁺ 침전) 금속 킬레이트를 파괴하여 이 효과에 상충될 수 있습니다.

탄산염, 인산염 및 옥살산염과 같은 음이온은 킬레이트제와 경쟁하여 금속-킬레이트제 착물의 유효 강도를 감소시킬 수 있습니다.

일반적으로 EDTA와 같은 킬레이트제는 금속 이온과 1:1 착물을 형성합니다. 그러나 킬레이트제 농도를 1:1 이상으로 높이면 안정성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

금속 양이온을 음이온 금속 착물로 전환하면 다른 종과의 상호작용이 달라집니다. 예를 들어, 음전하를 띤 [Fe(III)(EDTA)]^– 착물은 흡착된 Fe³⁺ 양이온에 비해 토양을 통해 더 쉽게 이동할 수 있습니다.

킬레이트화는 착물 형성을 통해 자유 금속 이온(M)의 농도를 낮추어 실질적으로 유효 산화 전위를 증가시킵니다. 이 원리는 다양한 중요한 산업 공정의 기초가 됩니다.

3. 에틸렌디아민테트라아세트산 (EDTA)의 제조

에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)은 에틸렌디아민, 클로로아세트산 및 수산화나트륨의 반응에 의해 상업적으로 생산되었습니다. 이 공정은 염화나트륨으로 오염된 제품을 생성했으며 정제 문제로 인해 폐기되었습니다.

특정 원료의 촉매 산화와 같은 다른 방법들도 탐구되었으나 상업적으로 채택되지는 않았습니다.

오늘날 EDTA 및 관련 킬레이트제 생산에는 두 가지 주요 공정이 지배적이며, 두 공정 모두 모체 폴리아민의 시아노메틸화를 포함합니다.

3.1. 에틸렌디아민의 알칼리 시아노메틸화

에틸렌디아민의 알칼리 시아노메틸화는 에틸렌디아민테트라아세트산을 합성하는 데 가장 널리 사용되는 공정입니다.

시안화나트륨과 포름알데히드는 에틸렌디아민과 반응하여 90% 이상의 높은 수율로 EDTA를 생성합니다. 암모니아는 주요 부산물이며 반응 중에 지속적으로 제거됩니다. 그러나 소량의 암모니아가 반응하여 니트릴로트리아세트산 및 글리신과 같은 원치 않는 부산물의 염을 형성하기도 합니다.

출발 물질 간의 반응으로 글리콜산염이 형성될 수도 있습니다. 이러한 불순물은 대부분의 킬레이트제 응용 분야에 미치는 영향이 미미합니다.

3.2. 2단계 싱어(Singer) 합성

2단계 싱어 합성은 시아노메틸화 단계와 가수분해 반응을 분리합니다. 여기서 시안화수소와 포름알데히드는 에틸렌디아민과 반응하여 96% 이상의 높은 수율로 중간 생성물인 (에틸렌디니트릴로)테트라아세토니트릴을 형성합니다.

이 불용성 중간체는 분리 및 세척된 후 수산화나트륨으로 가수분해되어 암모니아를 부산물로 하는 순수한 EDTA 사나트륨염을 생성합니다. 반응을 두 단계로 분리하면 불순물 형성을 최소화하고 고순도 킬레이트제를 생산할 수 있습니다.

이 2단계 접근 방식은 암모니아를 사용한 순수한 니트릴로트리아세트산의 효율적인 생산에도 사용됩니다.

4. 에틸렌디아민테트라아세트산 (EDTA)의 용도

금속 이온을 결합하고 비활성화하는 독특한 능력을 가진 EDTA 유형의 킬레이트제는 다양한 산업 분야에서 응용되고 있습니다.

• 섬유 산업: EDTA 유형의 킬레이트제는 섬유, 화학 물질 및 물의 미량 금속 오염 물질을 착물화하여 염료의 원치 않는 색상 변화를 방지합니다.
• 펄프 및 제지 산업: EDTA는 과산화수소 또는 디티오나이트로 표백된 종이 펄프의 밝기를 개선합니다. 펄프화 및 표백 단계에서 안정제 및 금속 이온 제어제 역할을 합니다.
• 보일러 세척 및 스케일 방지: EDTA는 보일러의 스케일 퇴적물을 청소하고 금속 이온을 착물화하여 칼슘 및 마그네슘 스케일의 형성을 방지하는 데 사용됩니다. 그러나 부식을 방지하기 위해 적절한 용량 조절이 중요합니다.
• 금속 세정 및 도금: EDTA는 부착된 산화막을 용해시켜 금속 표면을 세정하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 금속 도금 용액에는 종이 킬레이트제를 첨가하여 착금속 이온을 형성함으로써 더 매끄럽고 균일한 금속 코팅을 얻습니다.
• 세제 및 세정제: 세탁 세제, 경질 표면 세정제 및 욕실 세정제에 EDTA를 첨가하여 세척력을 높입니다.
• 화장품 및 살균제: EDTA는 특정 박테리아(특히 그람 음성균)의 외세포벽을 파괴하여 살균제의 효과를 높입니다. 또한 살균 활동을 증가시켜 화장품, 샴푸 및 안과 제품의 보존제 보조제 역할을 합니다.
• 식품 산업: 에틸렌디아민테트라아세트산은 부패를 가속화할 수 있는 금속 이온을 착물화하여 마요네즈 및 샐러드 드레싱과 같은 지방 에멀젼의 산화적 산패를 방지합니다. 또한 감자와 같은 식품에서 철분에 의한 변색을 방지합니다.
• 기타 산업 응용: EDTA를 이용한 킬레이트화는 스티렌-부타디엔 고무의 유화 중합 및 사진 필름의 표백에 상업적으로 사용됩니다. 철 킬레이트는 황화수소의 산업적 배출을 제어하고 질소 산화물의 가역적 흡수제로 사용됩니다.
• 농업: 철, 아연, 망간 및 구리와 같은 미량 영양소는 킬레이트 형태로 비료에 첨가됩니다. 이는 인산염 및 기타 토양 성분과 상호작용하여 침전이 발생하고 식물의 흡수가 감소하는 것을 방지합니다.
• 분석 화학: EDTA는 당량점에서 자유 금속 이온 농도의 급격한 변화 때문에 적정법에 널리 사용됩니다. 또한 일부 분광 광도법에서 금속 이온의 간섭을 제거하기 위한 마스킹제로 사용됩니다.

5. EDTA의 독성학

EDTA와 그 염들은 식품 첨가물, 의약품 및 화장품을 포함한 다양한 응용 분야에서 오랫동안 안전하게 사용되어 온 역사가 있습니다. 초기 독성학 연구에 따르면 독성은 상대적으로 낮습니다.

쥐를 대상으로 한 연구에 따르면 Na₂EDTA(이나트륨염)의 치사량(LD₅₀)은 체중 kg당 2.0~2.2g 범위입니다.

식단에 Na₂EDTA를 0.5%에서 5.0%까지 포함하여 실시한 연구에서 최고 용량에서 설사와 음식 섭취량 감소를 제외하고는 유의미한 부작용이 나타나지 않았습니다. EDTA 삼나트륨염은 피부 감작제가 아닌 것으로 보입니다.

EDTA가 유전 물질과 상호작용할 수는 있지만, 인간의 유전독성(유전적 손상 유발)과의 관련성은 미미해 보입니다. Na₃EDTA(삼나트륨염)에 대한 연구에서는 해당 화합물과 관련된 발암성이 확인되지 않았습니다.

참고 문헌

Ethylenediaminetetraacetic Acid and Related Chelating Agents; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a10_095.pub2