DBNPA

2,2-다이브로모-3-나이트릴로프로피온아미드(2-2 dibromo-3-nitrilopropionamide, DBNPA)는 브로민화된 아세트아마이드이다. 동의어로는 2,2-다이브로모-2-카바모일아세토니트릴 알파, 알파-다이브로모-알파-시아노아세트아마이드 다이브로모시아노아세트아마이드 등이 있다. DBNPA는 상온에서 옅은 흰색 고체이며 약한 소독약 냄새가 나고, 종종 분말 형태로 판매된다. DBNPA는 산업용 수처리 시스템에서 조류 제거제, 살균제 및 살진균제로, 그리고 종이, 접착제, 코팅제, 향상된 석유 회수 시스템 및 금속 가공품 제조 시 방부제로 자주 사용된다.

 역사 
2,2-다이브로모-3-나이트릴로프로피온아미드(DBNPA)의 첫 기록된 합성은 1896년 베른하르트 콘라드 헤세에 의해 수행되었다. DBNPA의 실제 적용은 1947년까지 탐구되지 않았는데, 이때 DBNPA는 씨앗 및 식물 살진균제로 사용되기 시작했다. 이러한 초기 사용에도 불구하고, 항균제로서의 완전한 잠재력은 아직 이해되지 않았다.

1970년대 초까지 DBNPA는 산업 환경에서 미생물 오염을 통제하는 효과로 주목을 받았다. 제지 시스템, 냉각수 처리 및 생물막 오염에 취약한 기타 산업에서 슬라임 제거제로 널리 사용되기 시작했다. DBNPA의 입증된 살생물제 효능은 1972년 미국에서 살충제로 공식 등록되는 결과를 낳았다.

최근 몇 년 동안 DBNPA는 살생물제로서의 일반적인 용도 외에도 다른 용도로 연구되었다. 에탄올 발효 중 세균 통제를 위한 항생제 대체제로서의 잠재력이 연구되었다. DBNPA는 오늘날 제조 및 산업 공정에서 미생물 오염을 제거하는 신속 작용 항균제로 자주 사용된다. 물에서 빠르게 분해되기 때문에 환경 지속성이 적고 효율적인 미생물 통제가 필요한 응용 분야에서 DBNPA 사용이 선호된다. 다양한 산업에서 그 효과와 안전성은 여전히 탐구 중이다.

 구조 및 반응성 
DBNPA는 할로젠화 시아노아세트아미드 화합물로, 탄소 골격의 2,2-위치에 두 개의 브로민 원자가 존재하는 것이 특징이다. DBNPA는 세 개의 탄소 사슬에 시아노(-CN) 그룹과 아마이드(-CONH₂) 그룹이 결합되어 있다. 분자식은 이며, 분자량은 241.87g/mol이다.

DBNPA는 두 개의 전자를 끌어당기는 브로민 원자와 중앙 탄소 골격에 결합된 시아노(-CN) 그룹으로 인해 매우 반응성이 높다. 이러한 치환체는 매우 전자 결핍된 핵을 형성하여 친핵성 공격에 매우 취약하게 만든다. 시아노 그룹은 전자 결핍을 안정화시켜 화합물의 반응성을 증가시키는 반면, 아마이드(-CONH₂) 그룹은 수용성에 영향을 미친다. 브로민 원자에 인접한 전자 결핍 탄소는 DBNPA의 살생물 특성에 결정적인 역할을 하여 미생물 세포 기능을 방해한다.

DBNPA는 매우 반응성이 높은 분자이므로 약한 탄소-브로민 결합 때문에 중성 및 알칼리성 조건에서 pH 의존적 가수분해에 취약하다. 또한 DBNPA는 환원 환경에서 단계적 탈브롬화에 의해 분해될 수 있다. 또한 DBNPA는 자외선(UV) 노출에 매우 민감하여 수성 환경에서 분해를 가속화한다.

반응성이 강한 특성 때문에 DBNPA는 제품에 적용하기 전에 조기 분해를 방지하기 위해 안정화되어야 한다. 물과 빛에 노출된 환경에서 DBNPA의 빠른 분해는 장기적인 오염에 대한 우려를 줄이지만, DBAA 및 DBAN과 같은 분해 부산물의 독성에 대한 고려 사항을 제기한다.

 합성 
DBNPA를 생성하는 과정은 3-시아노아세트아미드의 산 촉매 브로민화이다. 폴리에틸렌 글리콜은 반응물과 생성물을 효과적으로 용해하는 능력 때문에 용매로 자주 사용된다.

다음으로, 브로민화 단계는 브로민(Br₂) 또는 산화제와 함께 브롬화나트륨(NaBr)과 같은 대체 브로민화제를 도입하여 시작된다. DBNPA(C₃H₂Br₂N₂O)는 3-시아노아세트아미드의 α-탄소에서 친전자성 브로민화 반응의 결과로 형성된다. 브로민화 후 DBNPA의 분리 및 정제가 수행된다. 반응 혼합물을 중화하고, 생성물을 추출 및 정제한다. 다음 단계는 건조이며, 이는 안정적인 결정 형태의 DBNPA를 생성한다. 일반적으로 반응 온도는 의도하지 않은 부반응을 최소화하기 위해 10°C에서 20°C 사이로 유지된다. 브로민 농도는 주의 깊게 조절되는데, 과도하면 전체 수율을 감소시키는 원치 않는 부산물이 형성될 수 있기 때문이다.

DBNPA의 안정성은 보관 조건에 따라 달라진다. 금속과 호환되지 않으므로 DBNPA는 비금속 용기에 보관해야 한다. 또한 자외선 노출로부터 멀리 보관해야 하는데, 이는 DBNPA를 분해시킬 수 있기 때문이다.

 반응 
DBNPA 분해는 pH 의존적 가수분해와 환원성 친핵체와의 광촉매 반응이라는 두 가지 반응 경로에 의해 지배된다. DBNPA의 친전자성 브로민 원자와 전자를 끌어당기는 시아노(-CN) 그룹은 그 반응성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 온도, pH, 빛 노출, 환원제 등 여러 변수는 DBNPA 분해 속도와 메커니즘에 상당한 영향을 미친다. 따라서 다양한 유기 및 무기 부산물이 생성될 수 있으며, 이는 DBNPA의 독성 및 살생물 효과에 영향을 미칠 수 있다.

 가수분해 
DBNPA는 수성 환경에서 빠르게 pH 의존적 가수분해를 겪으며, 다양한 분해 산물을 형성한다. 중성에서 알칼리성 환경에 노출되면 친핵성 치환 때문에 C-Br 결합이 더 작은 유기 및 무기 부산물로 빠르게 분해된다. DBNPA는 가수분해 속도가 낮기 때문에 산성 환경에서 더 오래 지속될 수 있다.

pH는 DBNPA의 분해에 상당한 영향을 미친다. pH 5에서 주요 분해 산물은 다이브로모아세트산(DBAA)으로, 이는 모든 DBNPA 분해 산물의 30.6%를 차지한다. pH가 증가함에 따라 분해 메커니즘이 변하여 pH 7(54.5%) 및 pH 9(38.6%)에서 지배적인 다이브로모아세토니트릴(DBAN)의 합성을 선호한다. 암모니아, 이산화탄소, 브롬화 이온 및 시아노아세트산은 중성 또는 약알칼리성 조건에서 추가 가수분해에 의해 생성된다.

 친핵성 치환 
DBNPA는 친전자성 브로민 원자로 인해 친핵체와 반응한다. 가장 중요한 반응 중 하나는 티올 그룹(R-SH)과의 티오에테르 유도체 형성이다.

R-SH + DBNPA → R-S-CH2C(Br)(NO2)NH2

유사하게, DBNPA는 아민(R-NH2)과 반응하여 치환된 아마이드 화합물을 형성한다.

R-NH2 + DBNPA → R-NH-C(Br)(NO2)NH2

염기성 환경에서 DBNPA는 수산화 이온에 의한 친핵성 치환을 겪으며, 이는 가수분해를 시작한다. 이 반응은 DBNPA를 더 작은 분해 산물로 분해함으로써 DBNPA의 환경 지속성을 감소시킨다.

DBNPA+OH−→가수분해 생성물

 환원성 탈브롬화 
환원제의 존재하에 DBNPA는 단계적 탈브롬화를 겪으며, 이는 브로민화가 적은 유도체 또는 완전한 탈할로젠화를 초래한다.

DBNPA + 환원제 → 모노 또는 탈브롬화된 제품

 광분해 
또한 DBNPA는 특히 자외선(UV) 방사선에 노출될 때 빛에 의한 분해에 취약하다. 광촉매 분해는 탈브롬화 및 반응성이 낮은 중간체의 형성을 유발하여 수성 시스템에서 분해를 더욱 가속화한다.

 사용 가능한 형태 
DBNPA의 사용 가능한 형태는 의도된 산업적 용도에 따라 다르다. 순수한 상태는 결정성 고체이며, 녹는점은 123-126°C이다. 물에는 약간 용해되지만(25°C에서 100g당 1.5g), 아세톤 및 에탄올과 같은 특정 유기 용매에는 쉽게 용해된다. 실제 응용 분야에서는 DBNPA가 물 및 폴리에틸렌 글리콜과 결합된 20% 활성 용액 형태로 가장 흔히 사용되며, 이는 수성 시스템에서의 안정성과 취급성을 향상시킨다. 고체 형태도 사용 가능하지만 주로 포장 및 보관에 사용되며, 보관 시 수분 노출을 방지하기 위해 25kg 직조 백에 담아 포장되는 경우가 많다.

 작용 메커니즘 
DBNPA는 중간 정도의 친전자체이다. DBNPA는 박테리아, 곰팡이 및 조류와 같은 미생물의 중요한 세포 과정을 매우 빠르게 방해하여 궁극적으로 세포 사멸을 유발함으로써 광범위한 비산화성 살생물제로 작용한다. 주요 메커니즘은 세포막을 침투하여 친핵성 부위를 표적으로 삼는 것이며, 세포 대사에 중요한 단백질의 황 함유 그룹과 브로민이 상호 작용하는 것에 의존한다. 세포 내에서 DBNPA는 이러한 황 함유 그룹과 반응하여 산화환원 방정식에 관련된 효소를 불활성화시키는 공유 결합을 형성한다. 이러한 방해는 비가역적이며 에너지 생산을 중단시켜 노출 후 5-10분 이내에 세포 사멸을 초래한다. 요약하면, DBNPA는 미생물 세포벽을 영구적으로 공격함으로써 수계의 생물막 오염(미생물의 원치 않는 축적)을 매우 빠르게 중단시킨다.

비산화성 메커니즘은 DBNPA를 표백제와 같은 다른 산화제와 구별한다. DBNPA는 세포 구성요소를 광범위하게 산화시키는 대신 기능성 단백질 그룹을 선택적으로 표적으로 삼아 그람음성균 및 곰팡이와 같은 병원균에 효과적이다. 예를 들어, 냉각수 시스템에서 DBNPA는 5mg/L의 낮은 농도에서도 10분 이내에 그람음성균인 레지오넬라 뉴모필라(Legionella pneumophila)의 수를 99.9% 감소시키는 것으로 나타났다.

DBNPA의 니트릴 그룹이 단백질이나 아미노산의 아미노 그룹과 같은 다른 친핵성 부위와의 잠재적 상호작용을 통해 살생물 활성에 기여하는 보조 메커니즘이 있을 수 있지만, 이 메커니즘은 널리 연구되지 않아 알려진 바가 많지 않다.

아이소티아졸리논과 같이 효과를 내기 위해 장기간 노출이 필요한 다른 유사 살생물제와 달리, DBNPA의 빠른 반응은 수성 환경에서의 화학적 불안정성 때문으로, 몇 시간 내에 분해될 수 있다. 이러한 불안정성으로 인해 미생물은 높은 초기 용량에 노출되지만, 살아남은 세포가 장기간 아치사 농도에 노출되지 않으므로 내성 발생 가능성이 작다. 이러한 빠른 분해는 또한 DBNPA가 단기적인 미생물 제어에는 적합하지만 장기적인 보존에는 적합하지 않으며, 이는 보다 안정적인 살생물제와는 다른 목적을 수행한다는 것을 의미한다.

 적응증 
DBNPA는 여러 산업 분야에서 소독제, 살균제, 조류 제거제, 슬라임 제거제 및 곰팡이 억제제로 사용된다. 유전수 주입 시스템 및 순환 냉각수 시스템에서 박테리아, 조류 및 슬라임의 성장을 조절하는 데 자주 사용된다. DBNPA는 제지 산업에서 슬라임 제거제, 살균제 및 조류 제거제로 사용되어 기계를 미생물로부터 자유롭게 유지하고 제품 품질을 유지한다. 또한 페인트, 왁스, 잉크, 세제, 계면활성제, 슬러리 및 수지에서 미생물 분해를 방지하는 방부제로 활용된다. DBNPA는 또한 도시 물 경관에서 살진균제 및 조류 제거제 역할을 하여 물의 안전과 투명성을 보장하며, 기계 제조 부문의 공정수 및 공기 청정 시스템에서 살생물제로 사용된다. 수처리 슬라임 제거제로 사용될 때의 농도는 30~50mg/L이다. 수처리용 살균제로 사용될 때는 10~20mg/L의 농도로 사용된다.

산업 및 환경 샘플에서 분석적 검출 측면에서, UV 검출을 사용하는 고성능 액체 크로마토그래피는 230nm에서 흡수를 측정하여 수질 샘플에서 극히 낮은 농도(>0.1mg/L)의 DBNPA를 검출한다. 가스 크로마토그래피-질량 분석법은 또한 환경 샘플에서 DBNPA 및 관련 분해 산물을 식별하고 정량화할 수 있다(검출 한계 0.05mg/L).

 효능 및 부작용 
DBNPA는 냉각수 및 제지 처리와 같은 다양한 수처리 응용 분야에서 박테리아 성장을 제한하는 데 사용되었다. 이러한 응용 분야에서 DBNPA의 긍정적인 적용은 즉각적인 항균 활성과 비교적 무독성 부산물로의 빠른 화학적 분해였다. 이러한 적용은 에탄올 산업에 유익할 수 있다.

 의학적 효능 
옥수수-에탄올 공정 초기에 발견된 DBNPA의 박테리아에 대한 미생물학적 효능과 분해 결과는 이 살생물제가 옥수수-에탄올 바이오연료 산업에서 항생제를 대체할 수 있게 할 것이다. DBNPA는 옥수수-에탄올 공정의 박테리아 감염으로부터 보호하는 데 사용될 수 있으며, 원료, 완제품 및 박테리아 감염 후 청소 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 이 살생물제를 사용하면 항생제 내성 예방에 도움이 될 수 있다고 제안된다.

부작용

DBNPA에 노출되면 급성 독성, 피부 및 눈 자극, 호흡기 영향 등 여러 건강 문제가 발생할 수 있다. DBNPA 제조 과정, 대량 하역, 보관 및 보관 구역에서 직업적 노출 가능성이 존재하며, 다른 제품 제조 시 첨가제로 화학 물질을 사용하는 시설에서 샘플링 및 유지보수 작업 중에도 발생한다. 훈련된 인원이 폐쇄형 제조 공정에서 DBNPA를 사용하는 시설에서는 노출 가능성이 훨씬 낮다. DBNPA의 공기 중 농도가 권장 노출 한도를 초과할 경우 양압 공기 공급 호흡기가 필요하다. 또한 LANXESS는 DBNPA를 취급할 때 측면 보호대가 있는 보안경 또는 보안경, 내화학성 장갑, 내화학성 보호복 및 적절한 보호 신발을 착용할 것을 권장한다. 단기 건강 영향과 관련하여 DBNPA는 흡입 시 매우 유독하고 섭취 시 유독하다. 장기간 노출되면 심한 코, 목 및 폐 자극을 유발할 수 있다. DBNPA 먼지는 피부, 눈 및 호흡기에 기계적(마모성) 자극을 유발할 수 있으며 눈에 심한 자극을 주고 영구적인 각막 손상을 유발할 수 있다. 피부 접촉은 알레르기성 피부 반응을 유발할 수 있다. 기존 피부 질환은 이 제품에 과도하게 노출되면 악화될 수 있다. 장기 건강 영향과 관련하여 DBNPA에는 동물 데이터에 근거하여 표적 장기 손상을 유발할 수 있는 물질이 포함되어 있다. DBPNA 먼지에 반복 또는 장기간 흡입하면 만성 호흡기 문제가 발생할 수 있다. 일단 민감해지면 매우 낮은 수준의 DBNPA에 노출될 때 알레르기성 피부 반응이 발생할 수 있다.

 독성 
DBNPA는 정상적인 사용 조건에서 안정하지만 급성 경구 독성, 피부 독성 및 흡입 독성과 같은 다양한 정도의 독성을 나타낸다. 그러나 강한 아민, 염기, 산화제 및 환원제와의 접촉은 피해야 한다. DBNPA는 연강, 철 및 알루미늄에 부식성이다. DBNPA를 취급할 때는 먼지 생성을 피하고 정전기 방전에 대한 예방 조치를 취해야 한다. DBNPA를 취급할 때는 열, 화기 및 기타 잠재적인 발화원을 피해야 한다. 또한 DBNPA는 눈에 부식성이다. 경구 또는 흡입 경로를 통해 중간 정도의 독성을 나타내며 피부 경로를 통해 약간의 독성을 나타낸다. DBNPA는 토끼에게 고용량으로 장기간 투여했을 때 피부 조직을 죽일 수 있다. DBNPA는 또한 피부 감작제이다. 쥐를 대상으로 한 독성 연구에서 DBNPA는 폐 또는 심장 질환과 관련된 호흡 곤란뿐만 아니라 고용량에서 체중 감소 및 여러 사망을 유발했다. 다른 연구에서 쥐의 피부에 적용했을 때 DBNPA는 고용량에서 신체 화학 변화 및 피부 자극을 유발했다. DBNPA는 토끼에게 발달 독성 물질이다. 이는 모체에는 독성이 없는 용량 수준에서 구조적 변화(여러 태아 골격 요소의 골화 지연)를 유발하는 것으로 나타났다. DBNPA는 돌연변이 유발성이 없다. 미국 환경보호청(EPA)은 DBNPA의 유출 또는 오용으로 인해 눈, 목, 호흡기 자극, 콧물 및 두통이 발생한 여러 인간 사고 보고서를 접수했다.

 동물에 대한 영향 
수중에서의 생태학적 노출은 야생 동물에게 심각한 독성 영향을 미친다. 성체 및 유생 제브라피쉬가 다양한 농도의 DBNPA에 노출되었을 때, 상당한 형태학적 변화와 사망률이 관찰되었다. 상대적으로 낮은 농도의 DBNPA도 제브라피쉬 배아 발달에 해로운 영향을 미칠 수 있으며, 고농도는 성체 제브라피쉬와 유생에서 빠른 사망을 초래했다. DBNPA는 급성 경구 흡입에 대해 포유류 및 조류에 매우 유독하지만, 음식 섭취에 대해서는 조류에 대한 독성이 낮다. 이 살충제는 담수어, 기수어 및 새우에 중간 정도의 독성을 나타내며, 담수 갑각류에 중간 정도에서 높은 독성을 나타내고, 기수 연체동물 및 유생에 매우 높은 독성을 나타낸다. 수생 생물에 대한 많은 영향은 노출 후 24시간 이내에 발생한다.

이전에 육류에서 잔류 항생제가 발효를 방해하고 감염 위험을 증가시키며, 병원균이 항생제 치료에 의학적으로 덜 민감해진다는 것이 밝혀졌다. 분명히, 에탄올 공정의 끝에서 낮은 농도로 발견된 항생제는 높은 수준의 항생제 내성을 유발할 수 있다. 이러한 문제는 에탄올 공정에서 박테리아를 제어하기 위해 항생제 대신 DBNPA를 적용함으로써 피할 수 있다. DBNPA는 공정 종료 전에 분해되므로 동물 사료로 사용되는 DDGS에 들어갈 수 없으므로, 이는 이 분야에서 상당한 진전을 나타낸다. 이는 DBNPA의 적용이 미국 식품의약국의 우려 사항인 박테리아 항생제 내성 문제를 우회할 수 있음을 의미하며, 항생제의 성공적인 대안이 된다. 그러면 사료에 DDGS를 농업적으로 사용하는 것은 DBNPA가 분해되고 항생제 사용을 불필요하게 만들며 먹이 사슬의 소, 돼지, 가금류 적용에서 박테리아의 항생제 내성을 줄여주기 때문에 더 안전한 관행이 될 것이다.

 환경적 영향 
DBNPA는 생물체 내의 의약품처럼 생물학적이라기보다는 시스템 내에서 화학적으로 분해된다. 생물학적 및 비생물학적 과정 모두 토양과 물에서 분해를 일으킬 수 있다. 토양에서의 반감기는 4시간에서 25시간 범위이며, pH 값은 4.8에서 7.5 사이이다. DBNPA는 햇빛에 노출된 지역에서는 광분해에 취약하고 습한 토양에서는 수성 가수분해에 취약하다.

DBNPA는 물속의 퇴적물 및 부유 고형물에 흡착될 것으로 예상되지 않는다. 물에서 pH 5의 주요 분해 산물은 다이브로모아세트산이며, pH 7 및 9에서는 다이브로모아세토니트릴이 주요 분해 산물이다. 또한 브로모아세트아미드, 브로모아세트산, 2-시아노아세트아미드 및 옥살산으로 분해될 수 있다. 반감기는 약 4시간이다. DBNPA는 광분해에 취약하다.

대기 중 운명은 증기상 DBNPA가 광화학적으로 생성된 수산화 라디칼에 의해 대기 중에서 분해되며, 이 과정의 반감기는 약 8일이다. DBNPA는 또한 대기 중에서 직접적으로 광분해에 취약하다.

 각주 

분류:나이트릴
분류:유기 브로민 화합물
분류:항미생물제
분류:아세트아마이드