포스젠

포스젠(phosgene)의 화학식은 COCl₂로 어원은 그리스어 phose(빛) + genes (탄생)으로 1812년 영국의 데이비 (John Davy)가 CO + Cl₂ 혼합물에 빛을 쪼여 얻은 결과로 명명하였다. 다른 이름은 carbon oxychloride, carbonyl chloride, chloroformyl chloride등이 있다. CAS번호는 [75-44-5]이다. 분자량은 98.92 g/mol이다. 공업적으로는 CO와 Cl₂ 혼합물을 가열한 활성 탄소의 촉매 위에 통과시켜 얻는다. 실험실적 제조법은 사염화 탄소에 발연 황산을 가하여 가열하여 얻는다.

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목차

포스젠의 구조 (출처:대한화학회)

무색이고 매우 독성이 센 기체이다. 자극적인 냄새가 난다. 공기 중에 소량 존재하면 제초한 풀 냄새가 난다. 물에 소량 녹으며 서서히 분해된다. 벤젠, 톨루엔, 빙상 아세트산, 그리고 대부분의 액체 탄화수소 화합물에 녹는다. 0 ºC 근처에서 무색의 액체로 응축된다. 녹는점은 -118 ºC 이고 끓는점은 1기압 하에서 8.2 ºC이고 밀도는 1.432 g/mL이다.

 치사량은 다음과 같다. LCt50(Inh): 1500 mg-min/m³ (190 ppm농도에 2분 동안 노출).

1차 세계대전에서 화학 무기로 사용되어 많은 사람의 목숨을 앗아갔다. 위험 수준에 노출되어도 바로 자극을 느끼지 않지만 결국 폐에 심한 자극을 받는다. 이 화합물을 호흡으로 흡입하면 처음에는 눈이 따갑고, 기침이 나고, 목이 따갑고, 호흡이 곤란해지고, 거품있는 가래가 나오고, 가슴에 통증이 있고, 토하는 증상이 약하게 나타난다. 시간이 지나서 나타나는 증상은 기관지 주위에 부종, 허파 출혈, 폐포 부종, 청색증, 무산소증이 있다. 액체에 직접 접촉되면 동상에 걸릴 수도 있다.

p-다이메칠아미노벤즈알데하이드(p-dimethylaminobenzaldehyde)와 다이페닐아민(d iphenyl amine)을 알코올이나 CCl₄에 1 : 1로 녹여 10% 용액을 만들고 종이를 푹 담가서 적셨다가 말린다. 이 노란색을 띠는 검출지는 포스젠의 최대 허용 농도에서 짙은 오렌지 색으로 변한다. 포스젠 생성이 가능하거나 의심스러운 곳에서는 이 검출지를 항상 사용해야 한다.

포스젠은 분자량이 작고 반응성이 매우 큰 유용한 화합물이다.

2 당량의 알코올과 친핵성 치환 반응하여 카보네이트 화합물을 생성한다.

  카보네이트 합성 (출처:대한화학회)

다이올을 반응물로 이용하면 렉산((C₁₆H₁₄O₃)_n)이라는 폴리카보네이트를 제조할 수 있다.

렉산은 우리 생활에서 널리 사용되는 여러 제품을 제조하는데 사용되는 고분자이다. 렉산은 가볍고 투명한 물질이어서 자전거용 헬멧, 고글, 야구 포수의 마스크, 방탄 유리의 재료로 활용된다. 하지만 포스젠이 독성이 있는 기체여서 다루기 어렵기 때문에 다이페닐 카보네이트로 대체되는 경향이 있다.

  폴리카보네이트 합성 (출처:대한화학회)

포스젠은 지질성 혹은 방향성 1차 아민과 반응하여 클로로폼아마이드 중간 물질을 생성한다. HCl을 제거 하면 아이소사이아네이트라는 매우 유용한 화합물을 제조할 수 있다.

  아이소사이아네이트 합성 (출처:대한화학회)

N-알킬 폼아마이드에서 물을 제거하면 아이소사이아나이드를 제조할 수 있다. 이때 사용되는 시약들이 여러 가지 있다. 포스젠도 반응성이 커서 좋은 시약이 된다.

포스젠과 방향성 고리 화합물을 반응시키면 초기 생성물은 반응성이 몹시 큰 산염화물이 생성된다. 이 중간 물질을 가수분해시키면 원칙적으로 방향성 카복실산을 합성할 수 있다. 하지만 산염화물의 높은 반응성으로 인해 방향성 고리 화합물과 반응이 진행되어 다이아릴 케톤이 만들어진다.

포스젠과 방향족 고리 화합물의 반응. 이 경우 다이아릴케톤이 생성된다 (출처:대한화학회)

포스젠은 분자량이 작고 반응성이 매우 큰 유용한 화합물이다. 하지만 기체이며 독성이 몹시 크기 때문에 다루기에 매우 위험하다. 이 화합물의 반응성을 활용하기 위해 유도체를 합성하였다. 다이포스젠(diphosgene, 액체)과 트라이포스젠(triphosgene, 고체)이다. 이 두 화합물도 독성은 포스젠과 같지만 기체가 아니어서 보다 안전하게 사용할 수 있다. 따라서 포스젠을 꼭 사용해야 하는 실험 조건이면 다이포스젠(diphosgene이나 트라이포스젠(triphosgene)으로 대체하여 사용하는 경향이 있다. 아니면 위의 렉산 제조 예에서처럼 다른 안전한 화합물로 대체되기도 한다.

  포스젠의 대체 시약 (출처:대한화학회)

The Merck Index 13th edition.

Organic Chemistry 2nd edition, Janice Gorzynski Smith.

March’s Advanced Organic Chemistry Reactions, Mechanisms, and Structure 5 th edition Michael B. Smith and Jerry March.