카프로락탐

카프로락탐(caprolactam)은 카프로산(caproic acid)의 락탐(lactam: 고리형 아마이드) 형태이며, 물에 녹는 무색 또는 흰색 고체 유기 화합물이다. 카프로락탐은 의류, 타이어코드, 어망, 카펫트 등을 만들 때 주 원료로 사용되는 나일론 섬유와 기계 부품 또는 플라스틱의 제조에 사용되는 나일론 수지의 원료로 사용된다.

목차

카프로산(caproic acid)의 6번(또는 ε) 위치에 아민 작용기가 존재하는 ε-아미노카프로산(aminocaproic acid)이 분자 내 탈수 반응에 의해 고리화되면 카프로락탐이 만들어진다.¹⁾ 분자식은 C₆H₁₁NO 이고, 분자량은 113.16 g/mol 이다.²⁾

카프로락탐, 카프로산, ε-아미노카프로산의 구조(출처: 대한화학회)

카프로락탐 또는 ε-카프로락탐이라고 부른다. ε은 카보닐 탄소 바로 옆 첫 번째 탄소를 α로 시작하여 다섯 번째 탄소(ε)의 아민이 락탐을 형성했다는 뜻이다. 7각형 고리에 질소가 하나 존재하는 아제페인(azepane)을 기준으로 2번 위치에 케톤이 있다는 뜻에서 아제판-2-온(azepan-2-one)이라고도 부른다.

카프로락탐과 아제페인의 구조(출처: 대한화학회)

카프로락탐이라는 이름은 1940년 대에 카프로산(caproic acid)과 락탐(lactam: 고리형 아마이드)이 합성되어 만들어졌다.³⁾ 한편, 락탐은 락톤(lactone)과 아마이드(amide)의 합성어이다.¹⁾

1899년에 가브리엘(S. Gabriel)과 마스(T. A. Maas)는 ε-아미노카프로산을 가열하여 고리화반응을 통해 최초로 카프로락탐을 합성하였다.⁴⁾ 왈라(O. Wallach)는 사이클로헥산온 옥심(cyclohexanone oxime)의 베크만 자리옮김 반응(Beckmann rearrangement)에 의해 카프로락탐을 합성하였다.⁵⁾⁶⁾

락탐은 고리의 크기에 따라 α-락탐(3각형), β-락탐(4각형), γ-락탐(5각형), a δ-락탐(6각형), ε-락탐(7각형)으로 나눌 수 있다. 이들은 또한 β-프로피오락탐(propiolactam), γ-뷰티로락탐(butyrolactam), δ-발레로락탐(valerolactam), ε-카프로락탐(caprolactam)이라고도 부른다. 이들의 IUPAC 명은 각각 아지리딘-2-온(aziridin-2-one), 아제티딘-2-온(azetidin-2-one), 피롤리딘-2-온(pyrrolidin-2-one), 피페리딘-2-온(piperidin-2-one), 아제판-2-온(azepan-2-one)이다.⁷⁾

고리 크기에 따른 락탐의 종류와 명명법(출처: 대한화학회)

사이클로헥산온(cyclohexanone), 하이드록실아민(hyroxylamine; NH₂OH), 암모니아(ammonia) 등을 반응시켜 사이클로세인온 옥심을 만들고, 이를 황산 촉매 하에서 베크만 자리옮김반응(Beckmann rearrangement)시켜 합성한다. 전 세계 수요는 연간 약 500만 톤이며, 우리나라에는 주식회사 카프로에서 연간 약 27만톤을 생산하여 국내 소비량의 약 80%를 공급하고 있다.

사이클로헥산온으로부터 카프로락탐 합성 방법()

일본의 토레이(Toray Industries)사에서는 사이클로헥세인의 광나이트로소화 반응(photonitrosation)에 의한 ε-카프로락탐 생산 공정을 개발하여 1963년에 첫 번째 생산 설비를 갖추었는데, 사이클로헥세인에서 출발하여 중합 반응을 통한 나일론 6(nylon 6)을 생산하는 첫 번째 공정이었다. 현재 전 세계 ε-카프로락탐 생산량의 10% 정도가 사이클로헥세인의 광나이트로소화 반응으로 생산하며, 90%는 공기를 사용한 사이클로헥세인의 촉매 산화 방법에 의해 만들어진다.⁶⁾

카프로락탐으로부터 중합 반응을 통한 나일론 6의 합성(출처: 대한화학회)

생산되는 거의 모든 카프로락탐은 고리 열림 중합반응(ring-opening polymerization)을 통해 나일론 6의 제조에 사용된다. 나일론 6은 섬유, 플라스틱을 만드는 데 이용된다. 카프로락탐은 펜틸렌테트라졸(pentylenetetrazol), 멥타지놀(meptazinol) 및 로로카프람(laurocapram) 등의 다양한 의약품 합성에 사용된다.

1.
2.
3.
4. S. Gabriel, T.A. Maass, Ber., 32, 1270 (1899)
5. O. Wallach, Ann., 312, 187 (1900)
6. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley InterScience, 2012,
7.