유레테인

일반적으로 에틸 카바메이트(ethyl carbamate)를 유레테인(urethane)이라고 부르며, 분자식 CH₃CH₂OC(O)NH₂의 냄새가 거의 없는 흰색 고체 유기 화합물이다. 에틸 카바메이트는 카밤산(carbamic acid)의 에틸 에스터이다. 엄격히 정의하면 카밤산 에틸 에스터(carbamic acid ethyl ester)를 유레테인이라고 하지만, 광범위한 의미에서 흔히 카밤산(R₂NC(=O)OH)의 다양한 에스터 (R₂NC(=O)OR' (R' ≠ H))를 유레테인이라고 한다. 이러한 광범위한 정의는 일반적으로 폴리유레테인(폴리우레탄)에서 사용하고 있다. 와인, 맥주, 위스키와 같은 효모를 이용한 발효 주류에는 초미량의 에틸 카바메이트(15ppb ~ 12ppm)가 포함되어 있다.¹⁾

목차

에틸 카바메이트에 존재하는 카바메이트(-OC(O)NH-) 작용기는 공명 구조에 의해 거의 같은 평면에 존재한다. 한편, 유레테인의 카보닐(carbonyl) 작용기는 카보닐 탄소를 중심으로 양쪽에 전자를 주는 산소와 질소가 존재하여 친전자성(electrophilicity)이 매우 낮아 친핵체와의 반응성이 좋지 않다. 따라서 에스터에 비해 가수분해가 더 어렵다.

유레테인의 합성 방법: 1) 카밤산과 에탄올의 반응; 2) 에틸 클로로포메이트와 암모니아의 반응; 3) 요소와 에탄올의 반응; 4) 아이소사이아네이트와 알코올의 반응(출처: 대한화학회)

카밤산(carbamic acid)은 아미노폼산(aminoformic acid) 또는 아미노카복실산(aminocarboxylic acid)이라고도 부르는 화학식 H₂NCOOH의 화합물이다. 카밤산의 NH₂ 그룹은 카보닐 그룹과 공명 구조를 이루어 대부분의 아민과 달리 암모늄 그룹 NH₂⁺로 양성자화되기 매우 어렵다.²⁾

카밤산(NH₂COOH)에 알코올(ROH)이 탈수 반응하여 얻어지는 에스터 화합물을 카바메이트(NH₂COOR)라고 부른다. 카밤산의 음이온도 카바메이트(NH₂COO^-)라 부르고, 암모늄 카바메이트(ammonium carbamate; NH₄[H₂NCO₂])와 같은 염(salt)도 카바메이트라고 한다.

유기 화학 반응에서 아민 보호기로 많이 사용되는 것 중의 하나가 카바메이트인데, 보호 반응과 탈보호 반응이 비교적 쉽기 때문에 자주 사용된다. 유레테인(카바메이트)을 아민의 보호기로 사용하는 이유는 유레테인이 염기에 의하여 쉽게 가수분해가 되지 않기 때문이지만, 보호기를 제거하는 조건은 카밤산이 아민과 이산화 탄소로 분해되는 반응 조건이다. 따라서, 카바메이트 에스터의 알코올 부분을 제거하는 방법으로 Boc(t-butyloxycarbonyl)인 경우는 트라이플루오로아세트산(trifluoroacetic acid)과 같은 산 조건, Fmoc(fluorenylmethoxycarbonyl)이나 Cbz(carboxybenzyl)인 경우에는 가수소분해 반응(hydrogenolysis)의 조건을 사용한다.

일반적으로 비-아이소사이아네이트(non-isocyanate) 경로로 만들어진 유레테인을 카바메이트라고 한다.³⁾

폴리우레탄(polyurethane; PU)은 카바메이트(−NH−(C=O)−O−) 작용기로 연결된 고분자이다. 친전자체인 다이아이소사이아네이트(diisocyanate)와 친핵체인 다이올(diol)의 반응에 의해 합성된다. 경질 및 연질 폼(foam), 코팅, 접착제, 섬유 등에 사용되며, 스폰지가 대표적인 폴리우레탄의 한 종류이다. 유레테인 이름을 생각해보면 폴리우레탄의 구성 요소라고 생각하기 쉬운데, 에틸 카바메이트는 고분자인 폴리우레탄의 성분이 아니며 폴리우레탄 합성에 사용되지도 않는다.⁴⁾ 폴리우레탄의 폼 형성 원리는 폴리아이소사이아네이트와 물이 반응하여 카밤산이 생성되며, 이는 또 이산화 탄소와 아민기로 분해되는데, 이때 생성되는 이산화 탄소에 의해 폼이 형성된다.⁵⁾

폴리우레탄의 구조 및 합성 방법()

2차 세계대전 이전에는 다발성 경화증 치료제나 항암제로 사용되었으나, 1943년에 발암 물질로 판명된 이후 거의 사용되지 않았다. 일본에서는 1970년대 중반까지도 물에 잘 녹지 않는 주사용 진통제를 녹이기 위한 용매로 사용되었다. 에틸카바메이트를 의학적으로 사용했을 때 환자의 약 50%가 헛구역질이나 구토 부작용이 나타났고, 장기간 사용하면 위장 출혈이 발생하였다.⁶⁾

많은 종류의 발효 식품과 음료에서 자연적으로 매우 적은 양이 형성된다. 동물 실험에서 마취제로 사용되며, 급성 독성 연구에 따르면 쥐, 생쥐 및 토끼의 최저 치사량은 1.2 g/kg 이상으로 알려져 있다.

1. Too Many Drinks Spiked with Urethane. U. S. Food and Drug Administration, FDA Consumer, April, 1988,
2.
3.
4. Polyurethane Foams: Past, Present, and Future. Materials. 2018, 11 (10), 1841. doi: 10.3390/ma11101841
5. Prediction of the glass transition temperature of polymers: a model based on the principle of corresponding states. J. Polymer Sci., Phys.: Part B: Polymer Physics, 1987, 25, 1949-1969.
6. The Need for Epidemiological Studies of the Medical Exposures of Japanese Patients to the Carcinogen Ethyl Carhamate (Urethane) from 1950 to 1975. Japanese Journal of Cancer Research. 1991, 82 (12), 1323–1324.