EDTA

EDTA는 N,N,N’,N’-ethylenediaminetetraacetic acid라는 유기 화합물로, 화합물 이름은 ethylene의 E, diamine의 D, tetra의 T, acetic acid의 A를 조합하여 만들어졌다. 하지만 EDTA는 전기적으로 중성인 형태가 아닌 4가 음전하를 갖는 ethylenediaminetetraacetate로도 통용되는데, 이러한 경우 앞서 언급한 화합물 ethylenediaminetetraacetic acid는 H₄EDTA로 표기한다.

응용성 측면에서 4가 음이온의 전하를 갖는 EDTA는 양전하를 갖는 주족 또는 전이 금속 이온과 6 배위 결합을 하는데, 이러한 이유로 EDTA는 ethylenediaminetetraacetate를 가리키는 용어로 활용되는 경우가 더 많다.

아래 그림은 H₄EDTA의 구조를 나타낸 것으로 분자 내 3차 아민과 카복실산을 갖는 aminocarboxylic acid 유도체이고, 분자량이 292. 24 g/mol의 흰색 고체로 추가적인 화합물 정보는 아래의 표와 같다.

H₄EDTA의 구조(출처:대한화학회)

목차

오스트리아의 화학자 뮌츠(Ferdinand Munz, 1888~1969)는 1935년 독일의 세계적 화학공업 회사인 이게파르벤(IG Farben)에 근무할 때 H₄EDTA의 합성을 최초로 보고하였다. 당시 독일은 경수에 들어있는 금속 이온을 제거하는 연화제로 사용되던 시트르산(citric acid)에 대한 해외 의존도가 높아서, 정부 차원에서 시트르산을 대체할 수 있는 연화제 개발에 대한 연구를 활발히 진행하고 있었다. 뮌츠 또한 이게파르벤에서 관련 연구를 수행하던 중 H₄EDTA를 합성하였고, 결과적으로 시트르산보다 훨씬 더 좋은 킬레이팅 화합물이라는 것을 알아냈다.

H₄EDTA는 아래의 반응식과 같이 1,2-ethylenediamine (또는 1,2-diaminoethane, en), 폼알데하이드(formaldehyde), 시안산 소듐(sodium cyanide)을 이용하여 합성할 수 있고, 이때 합성되는 테트라소듐 염 화합물은 HCl 처리를 통해 H₄EDTA로 전환될 수 있다.

이러한 과정을 통해 전세계적으로 연간 8만톤 이상의 H₄EDTA가 제조, 유통되고 있다.

@@NAMATH_INLINE@@\ce{ H2NCH2CH2NH2 + 4 CH2O + 4 NaCN + 4 H2O }@@NAMATH_INLINE@@ @@NAMATH_INLINE@@\ce{ -> (NaO2CCH2)2NCH2CH2N(CH2CO2Na)2 + 4 NH3 }@@NAMATH_INLINE@@

@@NAMATH_INLINE@@\ce{ (NaO2CCH2)2NCH2CH2N(CH2CO2Na)2 + 4 HCl }@@NAMATH_INLINE@@ @@NAMATH_INLINE@@\ce{ -> (HO2CCH2)2NCH2CH2N(CH2CO2H)2 + 4 NaCl }@@NAMATH_INLINE@@

킬레이트 효과(chelate effect)란 일정한 배위수를 갖는 특정 금속 이온에 대해 한자리 리간드(monodentate ligand)로 해당 배위수가 채워진 배위 결합 화합물보다, 두자리 리간드 또는 여러 자리 리간드의 배위 결합을 통해 해당 배위수가 채워진 화합물이 열역학적으로 더 안정한 현상을 가리킨다.

예를 들어 아래 그림과 같이 Ni²⁺ 이온은 한 자리 리간드 암모니아 분자 (NH₃) 6개와 배위 결합을 하여 정팔면체 구조의 착화합물을 형성하는데, 이 용액에 1,2-ethylenediamine (en, 두자리 리간드)을 첨가하면 en 분자 3개가 반응에 참여하여 [Ni(en)₃]²⁺ 이온과 6개의 수화된 암모니아 분자가 자발적으로 생성된다. 이 과정에서 @@NAMATH_INLINE@@\Delta G^o = -52.9 @@NAMATH_INLINE@@kJ/mol이다.

킬레이트 효과(출처:대한화학회)

이처럼 킬레이트 효과로 인해 한자리 리간드 6개가 Ni²⁺에 배위 결합한 형태보다 두자리 리간드인 en 분자 3개가 Ni²⁺에 결합한 형태가 열역학적으로 더 안정한데, 이러한 현상은 리간드 치환 과정에 있어서 엔트로피 변화를 통해 쉽게 이해할 수 있다. 즉 위의 화학 반응식에서 왼쪽에는 [Ni(NH₃)₆]²⁺ 착이온 화합물 1개와 수화된 en 3개의 분자가 존재하는데 반해, 반응식의 오른쪽은 [Ni(en)₃]²⁺ 착이온 화합물 1개와 수화된 암모니아 6개 분자로 반응을 통해 분자의 수가 늘어나는데 이는 곧 엔트로피 증가를 의미한다. 따라서 주어진 리간드 치환 반응에서 @@NAMATH_INLINE@@\Delta G = \Delta H - T \Delta S @@NAMATH_INLINE@@이고, @@NAMATH_INLINE@@\Delta S @@NAMATH_INLINE@@가 양수이므로 @@NAMATH_INLINE@@-T \Delta S @@NAMATH_INLINE@@는 큰 음수값이 되어 @@NAMATH_INLINE@@\Delta G @@NAMATH_INLINE@@의 부호가 음(-)이 되는데 크게 기여한다.

실제로 아래의 그림은 Mg²⁺이온과 EDTA^4-의 배위 결합을 통한 [Mg(EDTA)]^2- 착이온 화합물의 생성을 나타낸 것으로, 이 과정의 엔탈피 변화값은 298 K에서 @@NAMATH_INLINE@@\Delta H^o = +13.8 @@NAMATH_INLINE@@kJ/mol로 엔탈피 변화만 보면 열역학적으로 불리하다. 하지만 상온에서 엔트로피 변화값 @@NAMATH_INLINE@@\Delta S^o = +218 @@NAMATH_INLINE@@JK^-1mol^-1, @@NAMATH_INLINE@@T \Delta S^o = +65.0 @@NAMATH_INLINE@@kJ/mol로 @@NAMATH_INLINE@@\Delta G^\circ = -51.2 @@NAMATH_INLINE@@kJ/mol의 값을 가져 상온(25 °)에서 자발적으로 진행됨을 알 수 있다.

Mg²⁺ 이온과 EDTA^4- 배위 결합에 따른 착화합물 형성(출처:대한화학회)

이처럼 EDTA는 금속 이온과 배위 결합하여 열역학적으로 안정한 착화합물을 형성(킬레이트 효과)하는데, 이러한 EDTA의 성질을 화학 실험, 의료, 미용 등 다양한 분야에서 활용하고 있다.

유기 화합물 합성 실험 분야에서는 용액 내 금속 이온과 배위 결합하고 있는 유기 화합물을 금속 이온과 분리하여 해당 화합물만을 얻고자 할 때, EDTA를 첨가하여 금속 이온의 리간드 치환 반응을 통해 EDTA 착이온 화합물을 형성시킨 후 유기화합물을 해리(dissociation) 및 추출(extraction)하여 분리할 수 있다.

분석 화학 분야에서는 EDTA를 이용하여 마그네슘, 니켈 등 금속 이온의 적정을 통해 정량 분석을 할 수 있으며, 물의 경도 분석에 사용하거나 분석을 방해할 수 있는 금속 이온을 격리하는 차폐제로 사용한다. 또한 금속 의존성 효소의 경우에는 EDTA를 효소 내 금속 원소와 배위 결합시켜서 단백질을 비활성화시키는 목적으로 활용할 수 있다.

EDTA는 금속 의존성 효소의 비활성화 이외에도 dNTP 가수분해 효소(deoxynucleotide triphosphate hydrolase), 아르지네이스(arginase) 및 양고추냉이 과산화효소 등에 대해서도 선택적 억제제로서 작용하는 성질을 갖고 있다.

의료 분야에서 수은 및 납 등의 중금속 중독 치료에 있어 EDTA 유도체인 소듐 칼슘 에데테이트(Sodium Calcium edetate)가 사용되며, 신체에서 과도한 철분으로 부작용이 일어날 때 철분의 제거 목적으로도 사용된다. 또한 신장 기능을 평가할 때에는 Cr(EDTA)를 정맥 주사하고 소변으로 여과되는 과정을 모니터링한다.

EDTA는 혈액 분석에도 광범위하게 사용되는데, 혈액에 존재하는 칼슘과 킬레이트하여 응고 과정을 정지시켜 혈구 형태를 보존하는 CBC/FBC용 혈액 샘플용 항응고제로 활용된다. EDTA는 또한 인공수정체를 이식하는 동안 박테리아 성장을 줄이는데 매우 효과적인 것으로 밝혀졌다. 뿐만 아니라 샴푸나 세정제 등에 있어서 EDTA 염을 격리제로 사용하여 공기 중 안정성을 향상시키는 것으로 알려져 있다.