하이드록실아민

1. 개요

하이드록실아민은 1865년 빌헬름 클레멘스 로센에 의해 하이드록실암모늄 클로라이드 형태로 처음 합성된 물질이다. 라시히 공정, 일산화질소 수소화, 전기분해적 환원 등 다양한 제조 방법을 통해 얻을 수 있으며, 나일론 6의 전구체인 사이클로헥사논옥심의 합성, 유기 및 무기 반응에서의 환원제, 지방산 산화 방지제 등으로 사용된다. 생물학적 질산화 과정, 펩타이드 절단, 헴 포함 효소 비활성화 등 생화학적 역할도 수행하며, 폭발성, 자극성, 돌연변이 유발 가능성 등의 안전 및 환경 문제와 관련하여 대한민국 소방법 및 독극물, 극물 취급법에 따라 관리된다.

2. 역사

하이드록실아민은 1865년 독일 화학자 빌헬름 클레멘스 로센이 하이드록실암모늄 클로라이드 형태로 처음 합성하였다. 그는 에틸 니트레이트 존재 하에 주석과 염산을 반응시켰다. 순수한 형태는 1891년 네덜란드 화학자 코르넬리스 아드리아안 로브리 드 브륀과 프랑스 화학자 레옹 모리스 크리스머에 의해 처음으로 분리되었다.

2.1. 초기 발견

하이드록실아민은 1865년 독일 화학자 빌헬름 클레멘스 로센(Wilhelm Clemens Lossen, 1838~1906)이 하이드록실암모늄 클로라이드 형태로 처음 합성하였다. 그는 에틸 니트레이트 존재 하에 주석과 염산을 반응시켰다. 순수한 형태의 하이드록실아민은 1891년 네덜란드 화학자 코르넬리스 아드리아안 로브리 드 브륀(Cornelis Adriaan Lobry van Troostenburg de Bruyn)과 프랑스 화학자 레옹 모리스 크리스머(Léon Maurice Crismer, 1858~1944)에 의해 처음으로 분리되었다.

2.2. 순수 분리

하이드록실아민은 1865년 독일 화학자 빌헬름 클레멘스 로센이 하이드록실암모늄 클로라이드 형태로 처음 합성했다. 그는 에틸 니트레이트가 있는 곳에서 주석과 염산을 반응시켰다. 1891년에는 네덜란드 화학자 코르넬리스 아드리아안 로브리 드 브륀과 프랑스 화학자 레옹 모리스 크리스머가 순수한 형태의 하이드록실아민을 처음으로 합성했다. 크리스머 염으로 알려진 배위착물 ZnCl₂(NH₂OH)₂ (염화아연 디(하이드록실아민))는 가열하면 하이드록실아민을 방출한다.

3. 제조 방법

하이드록실아민은 다양한 방법으로 생산될 수 있다. 상업적으로는 라시히 공정과 일산화질소의 수소화 반응이 주로 사용된다.

* 라시히 공정: 아질산암모늄을 원료로 사용하여 하이드록실아민을 합성한다. (자세한 내용은 하위 항목 참조)
* 일산화질소 수소화: 황산 존재 하에 백금 촉매를 이용한 일산화질소의 수소화를 통해 하이드록실아민을 생산한다. (자세한 내용은 하위 항목 참조)

이 외에도 아질산 또는 아질산나트륨을 아황산 이온으로 환원시키는 방법이 있다. 생성된 하이드록실아미드-N-설페이트를 가수분해하여 하이드록실암모늄염으로 만든 후, 나트륨 부톡사이드로 중화하여 유리 하이드록실아민을 얻는다.

:HNO2\ + 2 HSO3^- ->\ [N(OH)(OSO2) 2]^{2-}\ + H2O ->\ [NH(OH)(OSO2)]^-\ + [HSO4]^-
:[NH(OH)(OSO2)]^-\ + H3O^+ ->\ [NH3(OH)]^+\ + [HSO4]^- (100 ℃, 1시간)
:[NH3(OH)]Cl\ + NaOBu -> NH2OH\ + NaCl\ + BuOH

율리우스 타펠(Julius Tafel)은 염산 또는 황산을 이용한 질산의 전기분해적 환원을 통해 하이드록실아민 염산염 또는 황산염을 생성할 수 있다는 것을 발견했다.

3.1. 라시히 공정 (Raschig process)

아질산암모늄 수용액을 0 ℃에서 중아황산이온(HSO₃⁻)과 이산화황(SO₂)으로 환원시켜 하이드록실아미도-N,N-디설페이트를 만든다. 이것을 가수분해하여 황산염(NH₃OH)₂SO₄을 얻는다.

:NH₄⁺NO₂⁻ + 2SO₂ + NH₃ + H₂O → 2NH₄⁺ + N(OH)(SO₃⁻)₂
:N(OH)(SO₃⁻)₂ + H₂O → NH(OH)(SO₃⁻) + HSO₄⁻
:2NH(OH)(SO₃⁻) + 2H₂O → (NH₃OH)₂SO₄ + SO₄²⁻

고체 하이드록실아민(NH₂OH)은 액체 암모니아로 처리하여 얻을 수 있다. 액체 암모니아에 불용성인 부산물인 황산암모늄((NH₄)₂SO₄)은 여과하여 제거하고, 액체 암모니아를 증발시켜 목적 생성물을 얻는다.

총 반응식은 다음과 같다.

:2NO₂⁻ + 4SO₂ + 6H₂O + 6NH₃ → 4SO₄²⁻ + 6NH₄⁺ + 2NH₂OH

3.2. 일산화질소 수소화

Hydroxylamine^영어 또는 그 염(하이드록실암모늄 양이온을 포함하는 염)은 여러 경로를 통해 생산될 수 있지만 상업적으로 실행 가능한 것은 두 가지뿐이다. 하이드록실아민은 주로 황산염인 하이드록실암모늄 황산수소염([NH₃OH]⁺[HSO₄]⁻) 형태로, 황산 존재 하에 백금 촉매를 이용한 일산화질소의 수소화를 통해 생산된다.

3.3. 기타 방법

율리우스 타펠(Julius Tafel)은 염산 또는 황산을 이용한 질산의 전기분해적 환원을 통해 하이드록실아민 염산염 또는 황산염을 생성할 수 있다는 것을 발견했다.

하이드록실아민은 또한 아질산 또는 아질산칼륨을 중아황산염으로 환원시켜 생성할 수 있다. 이 반응은 100 °C에서 1시간 동안 진행된다.

2024년에는 물 플라스마에서 분자 질소로부터 하이드록실아민을 직접 합성하는 실험실 합성법이 시연되었다.

4. 화학적 성질 및 반응

하이드록실아민은 친전자체와 반응하여 O-알킬화 또는 N-알킬화 생성물을 형성할 수 있다.

:R-X\ + NH2OH -> R-ONH2\ + HX
:R-X\ + NH2OH -> R-NHOH\ + HX

클로로술폰산과 반응하여 히드록실아민-O-술폰산을 생성한다. 히드록실아민-O-술폰산은 0 ℃ 이하로 보관해야 하며, 요오드 적정으로 확인할 수 있다.

4.1. 옥심 생성

하이드록실아민은 알데하이드 또는 케톤과 반응하여 옥심을 생성한다.

:R2C=O\ + NH2OH \cdot HCl, NaOH -> R2C=NOH\ + NaCl\ + H2O

이 반응은 케톤과 알데하이드의 정제에 유용하다. 용액에 있는 알데하이드 또는 케톤에 하이드록실아민을 첨가하면 일반적으로 용액에서 침전되는 옥심이 생성된다. 침전물을 무기산으로 가열하면 원래의 알데하이드 또는 케톤이 회복된다.

디메틸글리옥심과 같은 옥심은 리간드로도 사용된다.

4.2. 기타 반응

클로로술폰산과 반응하여 히드록실아민-O-술폰산을 생성한다.

가열하면 히드록실아민은 폭발한다. 80% 이상의 중량 농도의 수용액은 뇌관으로 쉽게 폭발할 수 있으며, 50% 용액도 대량으로 시험하면 폭발할 수 있다. 공기 중에서는 연소가 빠르고 완전하다. 공기가 없는 경우, 순수한 히드록실아민은 더 강한 가열이 필요하며, 폭발은 완전 연소를 하지 않는다.

아민 옥사이드로의 부분적인 이성질화는 높은 반응성에 기여한다.

5. 생화학적 역할 및 반응

생물학적 질산화 과정에서 암모니아(ammonia^영어, NH₃)의 하이드록실아민으로의 산화는 암모니아 모노옥시게나제(ammonia monooxygenase, AMO)에 의해 매개된다. 하이드록실아민 산화환원효소(hydroxylamine oxidoreductase, HAO)는 하이드록실아민을 아질산염으로 더 산화시킨다.

암모니아 산화 박테리아(ammonia-oxidizing bacteria)인 니트로소모나스 유로파에(Nitrosomonas europaea)에서 발견되는 시토크롬 P460 효소는 하이드록실아민을 강력한 온실가스인 아산화 질소로 전환할 수 있다.

하이드록실아민은 펩타이드와 단백질에서 아스파라긴-글리신 펩타이드 결합을 매우 선택적으로 절단하는 데에도 사용될 수 있다. 또한, 헴을 포함하는 효소(heme-containing enzymes)에 결합하여 영구적으로 비활성화(독성)시킨다. 물과 유사한 구조 때문에 광합성의 산소 발생 복합체(oxygen-evolving complex)의 비가역적 억제제로 사용된다.

6. 응용 분야

하이드록실아민은 주로 나일론 6의 전구체인 사이클로헥사논옥심을 합성하는데 사용된다. 이 옥심을 산으로 처리하면 베크만 전위반응을 통해 카프로락탐이 만들어진다. 카프로락탐은 이후 개환 중합되어 나일론 6가 된다.

질산히드록실암모늄은 로켓 추진제로 연구되고 있으며, 일액추진제(수용액) 및 고체연료 형태로 사용된다. 또한 하이드록실아민은 농약의 원료로도 쓰인다.

6.1. 실험실 용도

하이드록실아민과 그 염은 다양한 유기 및 무기 반응에서 환원제로 흔히 사용된다. 지방산의 산화방지제 역할도 할 수 있다.

고농도의 하이드록실아민은 DNA 염기 아민-하이드록실화제로 작용하여 돌연변이를 유도하는 데 사용된다. 주로 시티딘을 하이드록시아미노시티딘으로 하이드록실화하여 C:G에서 T:A로 전이 돌연변이를 유발한다. 시험관 내에서 고농도 또는 과도한 하이드록실아민 반응은 DNA의 다른 영역을 변형시켜 다른 유형의 돌연변이를 유발할 수 있다. 어니스트 프리즈(Ernst Freese)는 히드록실아민을 가장 특이적인 돌연변이원으로 간주하기도 했다. 박테리오파지 캡시드 내에 포장된 DNA의 돌연변이 및 시험관 내에서 정제된 DNA의 돌연변이 와 같은 특수한 용도로 사용되었다.

호이스트 AG(Hoechst AG)–셀라니즈(Celanese)가 개발한 파라세타몰의 대체적인 산업적 합성법은 케톤을 하이드록실아민을 이용하여 케톡심으로 전환하는 것을 포함한다.

일부 비화학적 용도에는 동물 가죽에서 털 제거 및 사진 현상액이 포함된다. 반도체 산업에서는 히드록실아민이 종종 리소그래피 후 포토레지스트를 제거하는 "레지스트 스트리퍼"의 구성 요소이다.

히드록실아민은 단백질에 대한 번역 후 변형의 특성을 더 잘 규명하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 폴리(ADP-리보스) 사슬은 글루탐산 또는 아스파르트산에 부착될 때 히드록실아민에 민감하지만, 세린에 부착될 때는 민감하지 않다. 마찬가지로, 세린 또는 트레오닌 잔기에 결합된 유비퀴틴 분자는 히드록실아민에 민감하지만, 라이신(이소펩타이드 결합)에 결합된 유비퀴틴 분자는 내성을 가진다.

6.2. 기타 응용

히드록실아민은 동물 가죽의 털 제거, 사진 현상액에 사용된다. 반도체 산업에서는 리소그래피 후 포토레지스트를 제거하는 "레지스트 스트리퍼"의 구성 요소로 사용된다. 또한 파라세타몰의 대체적인 산업적 합성법에 사용되는데, 호이스트 AG(Hoechst AG)–셀라니즈(Celanese)가 개발했으며, 케톤을 히드록실아민을 이용하여 케톡심으로 전환하는 것을 포함한다.

질산히드록실암모늄은 로켓 추진제로서, 일액추진제(수용액) 및 고체연료 모두 연구되고 있다. 히드록실아민 및 그 염류는 많은 유기화학 및 무기화학 반응에서 환원제로 일반적으로 사용된다. 지방산의 산화방지제로서도 작용한다. 화학 이외의 용도로는 가죽의 탈모나 사진 현상액 등이 있다. 반도체 세척제로도 사용된다. 농약의 원료가 되기도 한다.

7. 안전성 및 환경 문제

하이드록실아민은 이론적으로 약 5 kJ/g의 분해 에너지를 가진 폭발물이 될 수 있으며, 80% 이상의 수용액은 밀폐된 상태에서 뇌관이나 강한 가열에 의해 쉽게 폭발할 수 있다. 1999년 이후 하이드록실아민을 취급하는 공장이 최소 두 곳 이상 파괴되어 인명 피해가 발생했다. 특히, 제1철 및 제2철 철염이 50% 용액의 분해를 가속화시키는 것으로 알려져 있다.

하이드록실아민은 호흡기, 피부, 눈 및 기타 점막에 자극을 준다. 피부를 통해 흡수될 수 있으며, 섭취 시 유해하고, 잠재적인 돌연변이원이다. 증기가 다량으로 체내에 들어가면 메트헤모글로빈이 생성되어 혈액의 산소 흡수력이 저하될 수 있다.

2000년 6월 10일, 군마현 오지마정(당시)의 철 이온 프리 하이드록실아민 50% 수용액 제조 공장에서 폭발이 있었고, 1999년 2월 19일 미국 펜실베이니아주에서도 50% 수용액 제조 공장에서 폭발 사고가 발생했다. 두 경우 모두 하이드록실아민이 고농도이거나 철 이온의 존재에 의해 격렬하게 분해되어 위험하다는 것은 알려져 있었다.

군마현의 공장 폭발을 계기로 소방 연구소에서 폭발 위험성에 대한 여러 실험을 실시했다. 그 결과는 다음과 같다.

* 시차 열 분석(DTA) 결과, 하이드록실아민의 분해는 스테인리스강 표면 촉매 작용에 의해 촉진되며, 열분해 시 TNT와 동등한 반응열을 발생시킨다. 80% 이상의 수용액은 전파성을 가지며, 뇌관 충격만으로도 쉽게 폭굉을 일으킨다.
* 철 이온(Fe²⁺·Fe³⁺)은 하이드록실아민 수용액 분해에 큰 영향을 미치며, 0.9 ppm의 미량 철 이온으로도 격렬하게 분해될 수 있다. 85% 수용액에 0.2%(200 ppm)의 Fe³⁺ 용액을 투입하면 점화 후 수 초 만에 자연 발화한다.
* 하이드록실아민의 염 중 황산염은 폭발성이 없지만, 염산염과 인산염은 폭발성이 있다. 분해의 격렬함은 황산염과 염산염이 격렬하고, 인산염은 격렬하지 않다.
* 50% 수용액은 국제연합 기준으로는 자기 반응성 물질에 해당하지 않지만, 철 이온을 함유한 시료는 자기 반응성 물질로 판정되었다.

7.1. 대한민국 법규

소방법에서 제5류 위험물(자기반응성물질)로 지정되어 있다.

독극물 및 극물 취급법에 따라 극물로 지정되어 있다.