프로필렌글리콜

프로필렌글리콜(Propylene glycol, IUPAC 이름: 프로페인-1,2-다이올)은 점성이 있는 무색 액체이다. 거의 무취이며 약간 단맛이 난다. 화학식은 CH3CH(OH)CH2OH이다.
두 개의 알코올 그룹을 포함하므로 다이올로 분류된다. 지방족 다이올은 글라이콜이라고도 불린다. 물, 아세톤, 클로로폼을 포함한 다양한 용매와 혼합될 수 있다. 일반적으로 글라이콜은 비자극성이며 휘발성이 매우 낮다.

특정 식품 첨가물 용도의 경우, 프로필렌글리콜은 미국 식품의약국에 의해 GRAS로 간주되며 식품 제조용으로 승인되었다. 유럽 연합에서는 식품 용도로 E 번호 E1520을 사용한다. 화장품 및 약리학의 경우 번호는 E490이다. 프로필렌글리콜은 E405로 알려진 프로필렌글리콜 알지네이트에도 존재한다.

프로필렌글리콜은 미국과 유럽에서 국소, 경구 및 일부 정맥 주사 제제용 운반체로 승인 및 사용된다.

구조
이 화합물은 때때로 (알파) α-프로필렌글리콜로 불리며, 이는 이성질체인 프로페인-1,3-다이올((베타) β-프로필렌글리콜로 알려짐)과 구별하기 위함이다. 프로필렌글리콜은 카이랄성이다. 상업적 공정에서는 일반적으로 라세미 혼합물을 사용한다. S-이성질체는 생명공학적 경로를 통해 생산된다.

생산
산업적
산업적으로 프로필렌글리콜은 주로 프로필렌 옥사이드에서 생산된다(식품 등급 용도). 2018년 자료에 따르면 연간 2.16 M톤이 생산된다. 제조업체는 ~ 에서 비촉매 고온 공정을 사용하거나, 이온 교환 수지 또는 소량의 황산 또는 알칼리 존재 하에 ~ 에서 진행되는 촉매 방법을 사용한다.

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최종 제품에는 20% 프로필렌글리콜, 1.5%의 다이프로필렌글리콜 및 소량의 기타 폴리프로필렌글리콜이 포함된다. 추가 정제를 통해 일반적으로 99.5% 이상인 완성된 산업용 또는 USP/JP/EP/BP 등급의 프로필렌글리콜이 생산된다. USP(미국 약전) 프로필렌글리콜을 사용하면 약식 신약 허가 신청(ANDA) 거부 위험을 줄일 수 있다.

프로필렌글리콜은 바이오디젤 생산의 부산물인 글리세롤에서도 얻을 수 있다. 이 출발 물질은 일반적으로 최종 제품에 동반되는 눈에 띄는 냄새와 맛 때문에 산업용으로만 사용된다.

실험실
(S)-프로페인다이올은 발효 방법을 통해 합성된다. 락트산과 락트알데하이드는 일반적인 중간체이다. 과당 1,6-이중인산 분해(해당과정)의 두 가지 생성물 중 하나인 다이하이드록시아세톤 인산은 메틸글리옥살의 전구체이다. 이 전환은 상품 화학 물질인 1,2-프로페인다이올의 잠재적인 생명공학적 경로의 기초이다. 3탄소 데옥시당 또한 1,2-다이올의 전구체이다.

소규모의 비생물학적 경로로 D-만니톨로부터 (S)-프로페인다이올을 합성하는 방법은 다음 도식에 나와 있다.

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적용

폴리머
생산된 프로필렌글리콜의 45%는 불포화 폴리에스테르 수지 생산을 위한 화학 원료로 사용된다. 이와 관련하여 프로필렌글리콜은 불포화 말레산 무수물과 아이소프탈산의 혼합물과 반응하여 공중합체를 생성한다. 이 부분적으로 불포화된 폴리머는 추가 가교를 거쳐 열경화성 플라스틱을 생성한다. 이 응용 분야와 관련하여 프로필렌글리콜은 프로필렌 옥사이드와 반응하여 올리고머 및 폴리우레탄 생산에 사용되는 폴리머를 생성한다. 프로필렌글리콜은 수성 아크릴 건축용 페인트에 사용되어 물보다 증발 속도가 느려 표면이 건조되는 것을 방지함으로써 건조 시간을 연장한다.

식품 및 의약품
규제된 양 내에서 프로필렌글리콜은 고결방지제, 유화제, 향료, 습윤제, 질감 강화제, 안정제, 용매, 항산화 물질, 항미생물제, 증점제로서 식품 제조에 안전한 것으로 지정되어 있다.

미국 FDA가 GRAS로 간주하는 물질에 대한 규제에 따르면, 프로필렌글리콜은 "자격을 갖춘 전문가들에 의해 의도된 사용 조건 하에서 안전하다고 일반적으로 인식되기 때문에 FDA의 시판 전 검토 및 승인을 받지 않는다." 식품 제조용 프로필렌글리콜을 평가하는 과학 패널은 결론을 다음과 같이 정의했다. "현존하는 [프로필렌글리콜]에 대한 정보에는 현재 또는 미래에 합리적으로 예상될 수 있는 수준에서 사용될 때 대중에게 위험을 나타내거나 합리적인 의심을 제기할 만한 증거가 없다."

FDA 법률은 우수 의약품 제조 및 품질관리 기준에 따라 다양한 식품 범주에서 프로필렌글리콜 사용에 대한 최대 한도를 정의했다.

 일반 식품 범주: 2.0%
 냉동 유제품: 2.5%
 주류: 5%
 견과류 및 견과류 제품: 5%
 제과 및 아이싱: 24%
 조미료 및 향료: 97%

유럽 식품안전청은 프로필렌글리콜의 식품 제조 사용을 승인하며, 체중 kg당 25mg의 안전한 일일 섭취량을 설정한다. 특히 아이스크림 또는 아이스 밀크 제품의 경우, 헬스 캐나다는 프로필렌글리콜 모노 지방산 에스터를 유화제 및 안정제로 사용하도록 허용하며, 재료 혼합물로 만들어진 아이스크림의 최대 사용 수준은 0.35%이다.

프로필렌글리콜은 구운 식품, 디저트, 즉석 식사, 향료 혼합물, 사탕, 팝콘, 휘핑 유제품, 소다와 같은 다양한 다른 식용 품목에도 사용된다. 또한 맥주 거품을 안정화하는 데도 사용된다.

의약품 또는 개인 위생 용품 전달에 사용되는 흡입기에는 종종 프로필렌글리콜이 성분으로 포함된다. 알코올 기반 손 소독제에서는 피부 건조를 방지하는 습윤제로 사용된다. 프로필렌글리콜은 경구 투여, 주사, 국소 제제를 포함한 많은 의약품에서 용매로 사용된다. 물에 불용성인 많은 의약품은 프로필렌글리콜을 용매 및 운반체로 활용한다. 벤조디아제핀 정제가 한 예이다. 프로필렌글리콜은 또한 많은 제약 캡슐 제제에서 용매 및 운반체로 사용된다. 또한 특정 인공 눈물 제제는 프로필렌글리콜을 성분으로 사용한다.

섬네일|프로필렌글리콜은 항공기 제빙에 흔히 사용된다.

부동액
물과 프로필렌글리콜을 혼합하면 물의 어는점이 낮아진다. 항공기 제빙 및 착빙 방지액으로 사용된다. 50% 물로 희석하고 가열된 용액은 지상의 상업용 항공기 동체에서 얼음 축적물을 제거하는 데 사용되며(제빙), 100% 희석되지 않은 차가운 용액은 이륙 전 특정 시간 동안 얼음 축적물이 형성되는 것을 방지하기 위해 항공기의 날개와 꼬리 표면에만 사용된다(착빙 방지). 일반적으로 이러한 시간 프레임은 눈의 심각성과 외부 기온에 따라 15~90분으로 제한된다. 분홍색으로 염색되어 비교적 무독성임을 나타내는 물-프로필렌글리콜 혼합물은 RV 또는 해양 부동액이라는 이름으로 판매된다. 프로필렌글리콜은 독성이 낮고 환경 친화적인 자동차 부동액에서 에틸렌 글라이콜의 대체제로 자주 사용된다. 또한 비어 있는 건물의 배관 시스템을 동결 방지하는 데도 사용된다. 공융 조성/온도는 프로필렌글리콜:물 = 60:40 비율로 -60 °C이다. 그러나 -50 °F/-45 °C 상업용 제품은 물이 풍부하다. 일반적인 제형은 40:60이다.

전자담배 액상

프로필렌글리콜, 식물성 글리세린, 또는 둘의 혼합물은 전자담배에 사용되는 전자 액상의 주요 성분이다. 이는 연기와 유사하게 에어로졸화되어 니코틴 및 향료와 같은 물질의 운반체 역할을 한다.

기타 용도
 천연 및 합성 물질 모두에 대한 용매로 사용된다.
 습윤제 (E1520)로 사용된다.
 어는점 강하제로 슬러리 얼음에 사용된다.
 수의학에서 반추류의 고케톤혈증에 대한 경구 치료제로 사용된다.
 화장품 산업에서 다양한 종류의 화장품의 운반체 또는 기본 성분으로 매우 흔하게 사용된다.
 영화 및 라이브 엔터테인먼트 특수 효과에서 무대 연기 및 안개 생성을 위해 사용된다. 소위 '연기 기계' 또는 '헤이저'는 프로필렌글리콜과 물의 혼합물을 기화시켜 연기의 환영을 만든다. 이러한 기계 중 상당수가 프로필렌글리콜 기반 유체를 사용하지만, 일부는 오일 또는 트라이에틸렌 글라이콜을 사용한다. 프로필렌글리콜을 사용하는 기계는 전자담배 작동 방식과 동일한 공정을 사용하여 발열체를 이용하여 밀도 높은 증기를 생성한다. 이러한 기계에서 생성된 증기는 미적으로 연기와 같은 모양과 매력을 가지고 있지만, 연기 자체와 관련된 해로움과 냄새에 공연자와 무대 스태프를 노출시키지 않는다.
 중합효소 연쇄 반응 (PCR)에서 핵산의 녹는점을 낮춰 GC가 풍부한 서열을 표적으로 삼는 첨가제로 사용된다.
 계면활성제로 물이 물체에 구슬처럼 맺히는 것을 방지하는 데 사용된다. 사진에서는 물 얼룩이나 필름 또는 종이 처리용 물의 미네랄 침전물 위험을 줄이기 위해 이 목적으로 사용된다.
 초음파 검사 및 의료 초음파용 결합제의 성분으로 사용된다.

인체 안전성

평균량으로 사용될 때, 프로필렌글리콜은 동물에게 발달 및 생식에 측정 가능한 영향을 미치지 않으며, 활성 사용 없이도 인간의 발달이나 생식에 부정적인 영향을 미치지 않을 가능성이 높다. 프로필렌글리콜 기반의 니코틴 또는 THC 및 기타 카나비노이드 제제를 사용하는 전자담배의 안전성은 많은 논란의 대상이다. 비타민 E 아세테이트 또한 이러한 논란에서 확인되었다.

경구 투여
프로필렌글리콜의 급성 경구 독성은 매우 낮으며, 인간에게 인지할 만한 건강 영향을 일으키려면 많은 양이 필요하다. 실제로 프로필렌글리콜의 독성은 에탄올의 3분의 1 수준이다. 프로필렌글리콜은 인체 내에서 피루브산(포도당 대사 과정의 정상적인 부분으로, 에너지로 쉽게 전환됨), 아세트산(에탄올 대사에 의해 처리됨), 락트산(소화 과정에서 일반적으로 풍부한 정상적인 산), 및 프로피온알데하이드(잠재적으로 유해한 물질)로 대사된다. 다우 케미칼에 따르면 쥐의 LD50 (시험 개체군의 50%를 죽이는 용량)은 20g/kg(경구/쥐)이다.

독성은 일반적으로 혈장 농도가 4g/L를 초과할 때 발생하며, 이는 비교적 짧은 시간 내에 극도로 높은 섭취량을 필요로 하거나, 약물 또는 비타민을 대량 볼루스 투여로 정맥 주사 또는 경구 투여하는 경우에 해당된다. 최대 1g/kg의 PG를 함유한 식품이나 보충제를 섭취하여 독성 수준에 도달하는 것은 거의 불가능하며, 미국에서 5% = 50g/kg까지 허용되는 주류는 예외이다. 프로필렌글리콜 중독 사례는 일반적으로 부적절한 정맥 주사 또는 어린이가 대량으로 우발적으로 섭취하는 것과 관련이 있다.

장기 경구 독성 가능성도 낮다. 미국 국립 독성 프로그램의 연속 번식 연구에서, 음용수로 최대 10100 mg/kg bw/day의 용량으로 프로필렌글리콜을 투여받은 수컷 또는 암컷 쥐에서 생식력에 대한 영향은 관찰되지 않았다. 처리된 쥐의 1세대 또는 2세대 모두에서 생식력에 대한 영향은 없었다. 2년 연구에서 12마리의 쥐에게 최대 5%의 프로필렌글리콜을 함유한 사료를 제공했으며, 어떠한 명백한 부작용도 보이지 않았다.

피부 및 눈 접촉
섬네일|프로필렌글리콜은 종종 전자담배에 사용된다.
프로필렌글리콜은 피부에 비자극성일 수 있다. 알레르기 반응에 대한 자세한 내용은 아래 #알레르기 반응 섹션을 참조하라. 희석되지 않은 프로필렌글리콜은 눈에 최소한의 자극을 주며, 경미하고 일시적인 결막염을 유발한다. 노출이 제거되면 눈은 회복된다.

2018년 인체 자원자 연구에서, 10명의 남성 및 여성 피험자들이 최대 442 mg/m3 농도에 4시간 노출되고, 최대 871 mg/m3 농도에 30분 노출된 후 중간 강도 운동을 병행한 결과, 폐 기능 결함이나 안구 자극 징후는 나타나지 않았으며, 경미한 호흡기 자극 증상만이 보고되었다.

프로필렌글리콜은 실험동물 연구에서 민감화나 발암성을 유발하지 않았으며, 유전독성 가능성도 보이지 않았다.

흡입
프로필렌글리콜 증기의 흡입은 일반적인 적용에서 심각한 위험을 나타내지 않는 것으로 보인다. 만성 흡입 데이터가 부족하기 때문에 프로필렌글리콜은 연극 제작물 또는 비상 눈 세척 스테이션용 부동액과 같은 흡입 응용 분야에 사용하지 않는 것이 좋다. 최근 프로필렌글리콜(일반적으로 글리세롤과 함께)은 전자담배 액상에 니코틴 및 기타 첨가제의 운반체로 포함되었으며, 이는 새로운 형태의 노출을 나타낸다. 프로필렌글리콜 또는 후자의 물질 전체의 만성 흡입에 대한 잠재적 위험은 아직 알려지지 않았다.

2010년 연구에 따르면, 실내 공기, 특히 침실 공기 중 PGE(프로필렌글리콜과 글리콜 에테르의 합계) 농도는 어린이의 천식, 고초열, 습진 및 알레르기를 포함한 수많은 호흡기 및 면역 질환 발병 위험 증가와 관련이 있으며, 위험 증가는 50%에서 180% 범위이다. 이 농도는 수성 페인트 및 수성 시스템 세척제 사용과 관련이 있다. 그러나 연구 저자들은 프로필렌글리콜이 아닌 글리콜 에테르가 주범일 가능성이 있다고 기술한다.

정맥 투여
정맥 투여된 프로필렌글리콜에 대한 연구는 쥐와 토끼에서 7 mL/kg BW의 LD50 값을 나타냈다. 러디크(1972)는 또한 쥐의 근육 주사 LD50 데이터를 13~20 mL/kg BW, 토끼의 경우 6 mL/kg BW로 요약했다. 프로필렌글리콜을 부형제로 사용하는 약물의 정맥 투여에 대한 부작용은 특히 대량 볼루스 투여의 경우 여러 사람에게서 관찰되었다. 반응에는 중추신경계 억제, "저혈압, 느린맥, ECG의 QRS 및 T파 이상, 부정맥, 심장 부정맥, 발작, 초조, 혈청 고삼투압혈증, 젖산 산증 및 용혈"이 포함될 수 있다. 직접 주사된 프로필렌글리콜의 높은 비율(12~42%)은 용량에 따라 변형되지 않은 채 소변으로 배출되거나 분비되며, 나머지는 글루쿠론산 형태로 나타난다. 신장 여과 속도는 용량이 증가함에 따라 감소하는데, 이는 알코올로서 프로필렌글리콜의 경미한 마취/중추신경 억제제 특성 때문일 수 있다. 한 사례에서 노인 남성에게 프로필렌글리콜에 현탁된 니트로글리세린을 정맥 주사한 것이 혼수 상태와 산성혈증을 유발했을 수 있다. 그러나 프로필렌글리콜로 인한 확인된 치사율은 보고되지 않았다.

동물
프로필렌글리콜은 동물 사료 범주에서 개와 유대하늘다람쥐 사료에 대한 승인된 식품 첨가물이며 개에게 GRAS로 일반적으로 인식되며, LD50은 9mL/kg이다. 대부분의 실험동물(20mL/kg)의 LD50은 더 높다. 그러나 하인츠 소체 형성 및 적혈구 수명 단축과 관련이 있어 고양이 사료에는 사용이 금지되어 있다. MPG로 인한 하인츠 소체 형성은 개, 소 또는 사람에게서 관찰되지 않았다.

알레르기 반응
프로필렌글리콜 알레르기의 유병률 추정치는 0.8%(10% 프로필렌글리콜 수용액)에서 3.5%(30% 프로필렌글리콜 수용액)까지 다양하다. 1996년부터 2006년까지 북미 접촉 피부염 그룹(NACDG) 데이터에 따르면 프로필렌글리콜 접촉 피부염의 가장 흔한 부위는 얼굴(25.9%)이었고, 그 다음은 전신 또는 산발적 패턴(23.7%)이었다. 연구자들은 프로필렌글리콜에 대한 알레르기성 접촉 피부염 발병률이 습진 또는 곰팡이 감염 환자에서 2%보다 높을 수 있다고 믿고 있으며, 이는 햇빛 노출이 적고 비타민 D 균형이 정상보다 낮은 국가에서 매우 흔하다. 따라서 프로필렌글리콜 알레르기는 이러한 국가에서 더 흔하다.

알레르기 반응 가능성과 다양한 국소 및 전신 제품에 자주 사용되기 때문에 프로필렌글리콜은 2018년 미국 접촉 피부염 학회의 올해의 알레르기 유발 물질로 선정되었다. 메이요 클리닉의 최근 발표에 따르면 1997년에서 2016년까지 20년 동안 프로필렌글리콜에 대한 양성 패치 테스트(11,738명의 환자 중 100명) 발생률은 0.85%였고, 전체 자극률은 0.35%(11,738명의 환자 중 41명)였다. 반응의 87%는 약하게 분류되었고 9%는 강하게 분류되었다. 양성 반응률은 5%, 10%, 20% 프로필렌글리콜에 대해 각각 0%, 0.26%, 1.86%로 농도 증가에 따라 증가했다. 자극 반응률은 5%, 10%, 20% 프로필렌글리콜에 대해 각각 0.95%, 0.24%, 0.5%였다. 프로필렌글리콜 피부 민감화는 다른 여러 동반 양성 알레르겐에 민감한 환자에서 발생했으며, 그 중 가장 흔한 것은 Myroxylon pereirae 수지, 벤잘코늄 클로라이드, 카바 혼합물, 중크롬산 칼륨, 네오마이신 황산염이었다. 양성 프로필렌글리콜 반응의 경우 전체 중간값 5개, 평균 5.6개의 동반 양성 알레르겐이 보고되었다.

환경 영향
프로필렌글리콜은 인간 장의 혐기성 당 이화작용의 결과로 자연적으로 발생할 가능성이 있다. 이는 비타민 B12 의존성 효소에 의해 분해되어 프로피온알데하이드로 전환된다.

프로필렌글리콜은 생물학적 과정에 의해 물에서 빠르게 분해될 것으로 예상되지만, 가수분해, 산화, 휘발, 생물농축 또는 퇴적물에 대한 흡착에 의해 크게 영향을 받지 않을 것으로 예상된다. 프로필렌글리콜은 담수, 해수 및 토양에서 호기성 조건 하에 쉽게 생분해된다. 따라서 프로필렌글리콜은 환경에서 지속적이지 않은 것으로 간주된다.

프로필렌글리콜은 수생 생물에 대해 낮은 독성을 보인다. 여러 가이드라인 연구에 따르면 무지개송어 (Oncorhynchus mykiss) 연구에서 96시간 LC50 값이 40,613 mg/L인 가장 낮은 관찰 치사 농도를 나타냈다. 유사하게, 해양 어류에서 결정된 치사 농도는 Scophthalmus maximus에서 96시간 LC50이 >10,000 mg/L이다.

프로필렌글리콜은 독성이 낮지만, 표면수에서 분해되는 동안 높은 수준의 생화학적 산소 요구량 (BOD)을 발생시킨다. 이 과정은 수생 생물이 생존하는 데 필요한 산소를 소비하여 수생 생물에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 미생물 개체군이 프로필렌글리콜을 분해할 때 수주의 많은 용존 산소 (DO)가 소비된다.

 각주 

 외부 링크 
 Agency for Toxic Substances and Disease Registry 
 Alton E. Martin - Frank H. Murphy, DOW CHEMICAL COMPANY
 Propylene glycol website
 WebBook page for C3H8O2
 ATSDR - Case Studies in Environmental Medicine: Ethylene Glycol and Propylene Glycol Toxicity U.S. Department of Health and Human Services (public domain)
 Propylene Glycol - chemical product info: properties, production, applications.
 ChemSub Online: Propylene glycol
 Propylene Glycol Toxicity in Pets

분류:가정용 화학물질
분류:알코올 용매
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분류:부형제
분류:알케인다이올
분류:상업용 화학물질
분류:비시날 다이올
분류:E 번호 첨가제
분류:3개의 탄소 원자를 가진 유기 화합물