니트로사민 생성반응
니트로사민(R₂N–N=O)은 2차 또는 3차 아민과 아질산염(nitrite) 또는 니트로소화제(nitrosating agent)가 산성 조건에서 반응하여 생성됩니다. 2차 아민(예: 디메틸아민, 디에틸아민)은 니트로사민의 주요 전구체로, 분자 내 두 개의 유기 치환기를 가진 아민 구조입니다. 3차 아민도 탈알킬화 반응을 거쳐 니트로사민을 생성할 수 있습니다. 아질산염은 산성 환경에서 아질산(HNO₂)으로 전환된 후, 니트로소늄 이온(NO⁺)이라는 강력한 친전자체를 형성합니다. 이 NO⁺가 아민의 질소와 결합해 니트로사민이 생성됩니다. 니트로소화제에는 NO⁺, 니트로실할로겐, N₂O₃, N₂O₄ 등이 포함됩니다.
- NO₂⁻ + H⁺ → HNO₂ (아질산 형성)
- 2HNO₂ ⇌ N₂O₃ + H₂O (삼산화이질소 생성)
- N₂O₃ ⇌ NO⁺ + NO₂⁻ (니트로소늄 이온 방출)
특히 2차 아민은 니트로소화제와의 반응에서 매우 빠른 반응성을 보이며, 니트로사민 형성이 용이합니다. 반면 3차 아민은 니트로사민 형성을 위해 추가적인 탈알킬화 단계가 필요하여 반응 속도가 약 1000배 느립니다. 이는 3차 아민의 α-CH 결합이 끊어져야 하며, 이 과정이 반응 속도 결정 단계이기 때문입니다. 따라서 3차 아민은 단순 구조에서는 니트로사민 생성 위험이 상대적으로 낮으나, 구조적 특성에 따라 위험성이 달라질 수 있습니다.
주요 전구체와 니트로소화제
니트로사민 생성에는 아민류 외에 아질산염(NaNO₂, KNO₂) 또는 다양한 니트로소화제가 필수적입니다. 아질산염은 산성 환경에서 아질산(HNO₂)으로 전환되고, 이어서 물이 제거되며 니트로소늄 이온(NO⁺)이라는 강력한 친전자체가 생성됩니다. 이 NO⁺가 아민의 질소(비공유전자쌍)와 결합하면서 니트로사민이 형성됩니다. 니트로소화제에는 니트로소늄 이온, 니트로실할로겐, 알킬 아질산염, 삼산화 이질소(N₂O₃), 사산화 이질소(N₂O₄) 등이 포함되며, 이들은 모두 아민과 반응해 니트로사민을 생성하는 역할을 합니다. 특히 2차 아민과 NO⁺의 반응은 대표적인 니트로사민 합성 경로로, 실험실 및 산업 현장에서 잘 알려져 있습니다.
니트로사민 생성 반응조건
니트로사민 생성반응의 핵심은 산성(pH 2.5~3.4) 환경입니다. 아질산염이 산성 조건에서 니트로소늄 이온으로 전환되어야 하며, 이 pH 범위에서 니트로소화 반응이 가장 활발하게 일어납니다. 온도도 중요한 변수로, 반응 온도가 높을수록 니트로사민 생성 속도가 증가할 수 있습니다. 반응 시간, 아민과 아질산염의 농도, 용매 종류(특히 수분 존재 여부)도 생성량에 영향을 미칩니다. 의약품 제조공정에서는 습식 과립화, 고온·고습 조건, 포장재의 아질산염 오염, 용매 회수 및 재사용, 첨가제의 불순물 등 다양한 경로에서 니트로사민 생성 위험이 존재합니다. 예를 들어, 발사르탄 합성 단계에서는 디메틸아민(DMA)과 아질산염이 산성 조건에서 반응해 NDMA가 생성될 수 있으며, 메트포르민 제제화 과정에서는 습식 과립화 및 보관 중 수분과 열이 니트로사민 생성에 영향을 미칠 수 있습니다.
니트로사민 생성은 온도에 민감하게 반응합니다. 저온 구간(-30~20°C)에서는 디메틸아민이 -25°C에서 50% 변환되나, 불안정한 중간체가 생성되어 분해되기 쉬우며, 80°C에서는 변환율이 95% 이상으로 급증합니다. 담배 저장 시 27°C에서 12일만에 TSNA 생성량이 증가하고, 45°C에서는 질소산화물(NOx)이 급격히 생성되어 알칼로이드와 반응, TSNA 농도가 772% 증가합니다. 60°C에서 24시간 노출 시 버어리 담배의 TSNA가 7.7배 증가하는 등, 고온에서는 아질산염의 분해가 가속화되어 반응성이 높아집니다.
유기 용매는 니트로사민 생성에 복잡한 영향을 미칩니다. 클로로포름, 벤젠, 에틸아세테이트, n-헥산, 아세토니트릴, 디옥산은 pH 3 조건에서 시트르산 완충액 대비 3~6배 빠른 NDMA/NDEA 생성을 보입니다. 클로로포름은 아질산의 이온화를 억제해 비이온화 형태(NO⁺)의 농도를 증가시켜 반응을 촉진하며, 아세톤은 빠르게 반응하지만 아질산과의 부반응으로 수율이 감소합니다. 에탄올은 아질산과 반응해 아질산에스터를 생성, 니트로소화제 소모로 인해 니트로사민 생성이 억제됩니다. 수계 시스템에서 아세토니트릴 25% 첨가 시 pH 4 조건에서 NDMA 생성량이 3배, NDEA는 6배 증가하는 등 용매 선택이 생성량에 큰 영향을 미칩니다.
pH와 습도 수준에 따른 니트로사민 생성 속도
니트로사민 생성은 산성 조건(pH 2.5~3.4)에서 가장 활발하며, pH가 7 이상으로 올라가면 생성 반응이 급격히 감소합니다. 이는 N₂O₃, NO⁺ 등 반응성 니트로소화제의 농도가 저pH에서 높아지기 때문입니다. 그러나 일부 연구에서는 중성 pH(pH 7)에서도 니트로사민 생성이 완전히 배제되지는 않으며, 촉매나 보조물질(예: 포름알데히드, 특정 금속)이 존재하면 반응이 촉진될 수 있음이 보고되었습니다. 습도 역시 니트로사민 생성에 중요한 역할을 하며, 고습 환경에서는 아민과 아질산염의 반응이 촉진되어 생성량이 증가합니다. 특히 습식 과립화 공정 중 건조 단계에서 니트로사민 생성이 집중적으로 일어나는 것으로 보고되었으며, FDA 연구에서도 열과 수분이 높은 조건에서 니트로사민 또는 그 전구체가 급격히 증가함이 확인되었습니다.
의약품 품질관리에서의 시사점
니트로사민 생성 메커니즘을 이해하는 것은 의약품 내 불순물 위험 평가와 품질관리에서 매우 중요합니다. 제조공정, 원료, 첨가제, 포장재 등 모든 단계에서 2차/3차 아민, 아질산염, 니트로소화제의 존재와 반응 조건을 면밀히 관리해야 하며, pH·온도·습도 등 제조환경의 변화도 주기적으로 점검해야 합니다. 특히 고온 공정(60°C 이상)이나 유기 용매 사용 시 니트로사민 생성 위험이 크므로, 활성탄 첨가 등 억제 전략이 필수적입니다.
참고문헌
식품의약품안전평가원. 의약품 중 불순물 발생평가 사례집 (2024)