KR100251218B1

KR100251218B1 - 오존을 이용하여 폴리에틸렌글리콜을 도입한 폴리스티렌 구형 수지의 제조방법

Info

Publication number: KR100251218B1
Application number: KR1019970031983A
Authority: KR
Inventors: 이윤식; 왕영; 변장웅
Original assignee: 유선종; 주식회사비드테크
Priority date: 1997-07-10
Filing date: 1997-07-10
Publication date: 2000-04-15
Also published as: KR19990009547A

Abstract

물을 포함하는 친수성의 용매들 뿐만 아니라 소수성의 용매들에 대해서도 고른 팽윤성을 가지면서, 소수성의 핵과 친수성의 표면을 가지는 폴리에틸렌글리콜이 도입된 폴리스티렌 구형 수지의 제조방법을 개시한다. 본 발명은 폴리스티렌 구형 수지를 오존으로 처리하여 수지 표면에 히드로퍼옥시기를 도입한 다음, 이를 통해 비닐기가 함유된 각종 폴리에틸렌글리콜 단량체들을 라디칼 중합에 의해 그라프트시켜 일정 길이의 폴리에틸렌글리콜 사슬이 표면에 밀집되어 존재하는 삼차원 구조의 입자상의 수지를 제조한다. 본 발명에 의해 제조된 입자상 수지는 펩티드 합성, 뉴클레오타이드 등 여러 가지 생체 활성을 가지는 화합물의 합성에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

오존을 이용하여 폴리에틸렌글리콜을 도입한 폴리스티렌 구형 수지의 제조방법{Method for manufacturing bead type polystyrene grafted with polythylene glycol utilizing ozone}

본 발명은 소수성의 핵과 친수성의 표면을 가진 수지에 관한 것으로, 특히 내부 구조는 폴리스티렌, 외부 표면은 폴리에틸렌글리콜로 이루어진 구형(球形) 수지의 제조방법에 관한 것이다.

고체상에서의 유기 합성 방법은 액체상 합성 방법에 비해 미반응물의 제거나 생성물의 분리 및 정제가 간편하고 얻어지는 생성물의 순도가 높다는 뛰어난 장점을 가지고 있기 때문에, 메리필드에 의해 펩티드 합성에 처음으로 응용된 이후[메리필드(R. B. Merrifield), J. Am. Chem. Soc., 85, 2149, (1963)참조], 뉴클레오티드 합성 등 여러 가지 다양한 유기 반응에 광범위하게 이용되고 있다. 특히 최근에 조합합성(combinatorial synthesis)법에 의해 펩티드나 유기화합물들의 라이브러리(library)들을 합성하고 이를 새로운 종류의 신약 및 진단시약 등에 유용한 후보 화합물들을 스크리닝하는 데에 있어 이러한 수지의 수요가 날로 증가하고 있는 추세에 있다.

이러한 고체상 유기 합성에 있어서, 통상 1∼2%의 디비닐벤젠에 의해 가교된 200∼400 메시 크기의 폴리스티렌 수지가 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 폴리스티렌 수지는 소수성이 매우 크기 때문에, 폴리펩티드와 같은 친수성의 물질이 합성될 때 이들과 상용성이 나빠져 합성에 필요한 각 반응의 수율 감소를 초래하는 문제점이 있다. 또한 고체상에서의 유기합성 반응은 불균일 반응이기 때문에 고분자 사슬에 의한 입체장애 효과가 있으므로 반응 속도가 저하되고 이에 따라 수율이 감소된다는 문제점이 있다.

이러한 단점들을 보완하기 위하여 최근 폴리스티렌 수지에 친수성 구조의 폴리아크릴아미드가 그라프트된 수지가 제안된 바 있다. [셰퍼드(R. C. Sheppard), "Solid Phase Peptide Synthesis A Practical Approach", Oxford University Press, Oxford, (1989)참조]. 또한 폴리스티렌 수지에 폴리에틸렌글리콜이 그라프트된 수지도 제안된 바 있다. [헬러만(H. Hellermann) 외 공저, Makromol. Chem., 184, 2603 (1983); 베이어(E. Bayer) 및 랩(W. Rapp), Ger. Offen. DE 3,500,180 (1986); 베이어(E. Bayer), Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 30, 113 (1991)참조].

이들 수지는 아미드 결합이나 폴리에틸렌글리콜 사슬을 포함하고 있기 때문에 친수성의 용매나 시약 등에 대해 높은 팽윤성 및 상용성을 가지므로, 소수성이 매우 강한 폴리스티렌계 수지의 물성을 상당히 개선한 수지로 평가되고 있다. 그러나, 폴리아크릴아미드 수지의 경우, 겔에 가까운 상태이기 때문에 기계적 강도가 약하여 교반 반응을 수행할 수 없고, 유리 표면에 대해 점착성을 가지며 수지가 서로 엉킬 수 있다는 문제점을 가지고 있다.

독일연방공화국 특허 제DE 3,500,180 호에 개시된 폴리에틸렌글리콜이 그라프트된 폴리스티렌 수지는 기계적 강도 및 여러 가지 용매에 대한 팽윤성이 좋다는 점 때문에 이제까지 개발된 어느 고분자 지지체들보다도 각광을 받고 있다. 그러나, 이 수지는 폴리스티렌 수지에 에틸렌옥사이드를 부가하여 제조하기 때문에, 그라프트되는 폴리에틸렌글리콜 사슬의 길이가 균일하지 못하고 그 조절이 어렵다는 점과, 또한 폴리스티렌 수지로부터 출발하여 클로로메틸화 반응을 시키는 과정에서 독성이 강한 클로로메틸에테르를 사용하여야 한다는 점이 문제점으로 지적되고 있다. 또한, 폴리에틸렌글리콜 사슬이 수지의 내부까지 균일하게 분포하므로 수지의 표면 쪽에 노출되어 있는 기능기와 수지의 내부에 존재하는 기능기 간에 반응성이 다르다는 점도 단점으로 지적되고 있다.

이러한 단점들을 해소하기 위하여 균일한 분자량 분포를 가진 폴리에틸렌글리콜 유도체를 합성한 후, 아미노기 등을 가진 폴리스티렌 수지와 공유결합시키는 방법이 소개된 바 있다. [헬러만(H. Hellermann)외 공저, Makromol. Chem., 184, 2603(1983); 잘립스키(S. Zalipsky)외 공저, In "Peptides : Structure and Function", C.M. Deber, V.J. Hruby and K.D. Kopple (eds.), Proc. 9th Am. Pep. Symp., pp 257-260, Pierce Chem. Co., Rockford, IL (1985)참조]. 이러한 수지에는 균일한 크기를 가진 폴리에틸렌글리콜이 도입된다는 점이 장점이기는 하나, 폴리에틸렌글리콜의 분자량이 400 이상이면 반응 진행이 매우 느리다는 단점이 있다. 더욱이, 대칭적인 2 관능성 폴리에틸렌글리콜 유도체를 사용하는 경우, 가교 반응이 우려되며 이를 조정하기 위해 비대칭적인 2 관능성 폴리에틸렌글리콜 유도체를 사용할 경우, 그 제조가 매우 까다롭다는 단점도 있다. 또한, 이들 두 방법 모두 기존에 잘 알려져 있는 1∼2% 의 디비닐벤젠에 의해 가교된 200∼400 메시의 폴리스티렌 수지를 출발 물질로 하고 있으며, 관능기가 수지 전체에 걸쳐서 분포하므로 수지 내부에 존재하는 관능기의 반응성과 수지 표면에 존재하는 관능기의 반응성이 다르다는 문제점을 여전히 가지고 있게 된다.

이러한 단점을 해결할 수 있는 가장 이상적인 고분자 지지체로서는 가교도가 높고 단단한 불용성의 수지 중심부를 가지며, 긴 선형 고분자 사슬을 머리카락처럼 늘어뜨린 구조를 가지는 수지를 상정할 수 있다. 이와 같은 구상으로 실리카 표면이나 미세 유리 구슬 입자에 선형 폴리스티렌과 같은 고분자 사슬을 공유 결합시키는 방법이 있는데, 이렇게 합성된 재료들을 연속 흐름 합성 공정에 사용할 경우, 역압력도 없고 반응 효율도 뛰어나지만, 관능기 도입의 재현성이 부족하고, 치환률이 통상 0.05 mmol/g 에도 못 미치는 등의 문제점 때문에 그동안 널리 사용되지 못하였다. 따라서 이 기술 분야에서는 전술한 모든 문제점들을 보완할 수 있는 새로운 이상적인 수지의 제조가 절실히 요구되어 왔다.

본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위하여 물을 포함하는 친수성의 용매들 뿐만 아니라 소수성의 용매들에 대해서도 고른 팽윤성을 가지면서, 소수성의 핵과 친수성의 표면을 가지는 고분자 수지를 보다 간단한 방법으로 제조하는 것을 기술적 과제로 한다.

도 1은 폴리스티렌 구형 수지의 주사전자현미경 사진이다.

도 2는 본 발명에 의한 구형 수지의 주사전자현미경 사진이다.

본 발명은 폴리스티렌 구형 수지를 오존으로 처리하여 수지 표면에 히드로퍼옥시기를 도입한 다음, 이를 통해 비닐기가 함유된 각종 폴리에틸렌글리콜 단량체들을 라디칼 중합에 의해 그라프트시켜 일정 길이의 폴리에틸렌글리콜 사슬이 표면에 밀집되어 존재하는 삼차원 구조의 입자상의 수지를 제조한다.

본 발명의 방법은 다음의 화학식 1로 표현되어질 수 있다.

상기 구형 폴리스티렌에 오존 처리를 하기 위하여 오존 발생기로부터 생성되는 기체 상태의 오존을 반응기 내에 일정한 유속으로 통과시킨다. 이때 오존 처리 시간과 도입되는 히드로퍼옥시기의 양은 선형적인 비례관계를 보인다. 다음 잔류 오존을 제거하기 위해 오존 처리된 폴리스티렌 구형수지를 진공건조기에서 건조한다.

본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 히드로퍼옥시기가 도입된 폴리스티렌 구형 수지를 촉매를 이용하여 산화환원 반응시킴으로써 폴리스티렌 구형 수지 표면에 폴리에틸렌글리콜이 함유된 단량체들을 그라프트시킨다. 이때 사용하는 촉매로는 2가의 염화철과 같은 철을 포함한 전이금속촉매가 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 히드로퍼옥시기가 도입된 폴리스티렌 구형 수지에 열중합법으로 폴리에틸렌글리콜 단량체들을 그라프트시킨다.

본 발명에 의해 제조된 입자상 수지는 친수성의 용매 뿐만 아니라 소수성의 용매들에 대해서도 고른 팽윤성을 가지면서, 소수성의 핵과 친수성의 표면을 가지기 때문에 펩티드 합성, 뉴클레오타이드 등 여러 가지 생체 활성을 가지는 화합물의 합성에 유용하게 사용될 수 있다.

이하 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 이들 예에만 국한되는 것은 아니다.

<실시예 1>

오존처리 반응

200-400메시의 폴리스티렌 구형 수지(디비닐벤젠 1% 함유) 5g을 반응기에 넣고, 오존 발생기로부터 생성되는 기체 상태의 오존을 30 l/hr의 유속으로 통과시켜 수지의 표면에 히드로퍼옥시기(hydroperoxy group)를 도입하였다. 일정 시간동안 처리한 후에 30℃의 진공건조기에서 건조하여 흡착되어 있는 잔류 오존을 제거하였다. 도입된 히드로퍼옥시기의 양은 널리 알려진 요오드법(Iodometry method)와 DPPH법(Diphenylpicrylhydrazyl method)를 이용하여 정량하였다. 오존 처리 시간과 도입되는 히드로퍼옥시기의 양은 선형적인 비례관계를 보인다. 오존 처리 시간에 따른 히드로퍼옥시기 도입양은 다음의 표 1과 같다.

실험번호	오존 처리 시간(hr)	히드로퍼옥시기의 양(mmol/g)
1	0.5	0.045
2	1.0	0.055
3	2.0	0.068
4	3.0	0.082

산화-환원 반응에 의한 그라프트 반응

상기 실험번호 2에서 얻어진 폴리스티렌 구형 수지 5 g을 500 ml 반응기에 넣고, 증류수 200ml를 가한 후 축교반기로 교반하면서 비닐기를 포함하고 있는 다양한 형태의 폴리에틸렌글리콜(PEG, polyethyleneglycol) 단량체를 촉매와 함께 넣어 폴리스티렌 구형 수지 표면에 그라프트시켰다.

폴리에틸렌글리콜이 함유된 단량체는 아크릴 또는 메타크릴 에스테르 형태의 단량체로서 분자량이 200, 400인 것과 알릴 에테르 형태의 단량체로서 분자량이 750, 1500인 것을 각각 사용하였다. 각각의 단량체의 농도는 1%(w/w)∼10% (w/w)로 반응시켰으며, 촉매로는 2가의 염화 철을 0.001%(w/w)∼0.02%(w/w)의 농도로 사용하였다. 반응 용액의 온도는 20℃∼60℃의 범위 내에서 유지하였다. 3∼24시간 정도로 충분히 중합반응을 진행시킨 후, PEG가 그라프트된 폴리스티렌 수지를 걸러 내어 물, 에탄올, 아세톤, 다이옥신, 메틸렌 클로라이드로 미반응의 단량체와 PEG 호모폴리머(homopolymer)를 세척하였다. 제조한 수지를 30℃의 진공건조기에서 건조하였다. 제조한 수지의 그라프트 수율을 구하기 위하여 말단의 히드록시기에 시아누릭클로라이드(cyanuric chloride)를 결합시키고 원소분석을 통하여 시료에 포함된 질소 원자의 양으로부터 도입된 PEG의 양을 구하였다. 원소분석으로부터 구한 폴리스티렌 내에 그라프트된 PEG의 양은 다음의 표 2와 같다.

실험번호	단량체의 종류	단량체의 농도 (w/w%)	촉매의 농도(w/w%)	시료 속의N 함량(%)	도입된 PEG의 양(mmol/g)
5	PEG 200	1.0	0.001	1.472	0.35
6	PEG 400	3.0	0.005	0.937	0.23
7	PEG 750	5.0	0.01	0.764	0.18
8	PEG 1500	6.0	0.02	0.517	0.12

<실시예 2>

열 중합 반응에 의한 그라프트 반응

상기 실시예 1에서 얻어진 오존으로 처리한 폴리스티렌 구형 수지에 열중합법으로 촉매 없이 가열하여 폴리에틸렌글리콜 단량체들을 그라프트시킬 수 있었다. 구체적으로, 오존 처리된 폴리스티렌 구형 수지 5 g과 증류수 200ml를 반응기에 넣고, 분자량 400의 PEG 단량체를 2%(w/w)의 농도로 사용하여 중합하였다. 반응용액의 온도는 70±5 ℃를 유지하면서 12시간 정도 충분히 중합반응을 진행시켰다. 중합반응을 종결하고 PEG가 그라프트된 폴리스티렌 수지를 걸러 내어 물, 에탄올, 아세톤, 다이옥신, 메틸렌 클로라이드로 미반응의 단량체와 PEG 호모폴리머(homopolymer)를 세척하였다. 제조한 수지를 30℃의 진공건조기에서 건조하였다. 건조한 구형수지들을 실시예 1에서와 같은 방법으로 분석하였다. 원소 분석으로부터 구한 폴리스티렌 내에 그라프트된 PEG의 양은 다음의 표 3과 같다.

단량체의 종류	시료 속의N 함량(%)	도입된 PEG의 양(mmol/g)
PEG 400	0.672	0.16

도 1과 도 2는 각각 폴리스티렌 구형 수지와 상술한 실시예들에 의한 방법으로 제조한 본 발명의 구형 수지를 주사전자현미경(Scanning Electron Miscrope) 사진으로 나타낸 것이다. 오존으로 처리하기 전의 폴리스티렌 구형 수지는 도 1에서와 같이 표면이 매끄러우나, 본 발명의 구형 수지는 그라프트된 폴리에틸렌글리콜의 영향으로 도 2에서와 같이 귤껍질과 같은 표면을 이루고 있다.

본 발명의 구형 수지는 친수성의 용매들 뿐만 아니라 소수성의 용매들에 대해서도 고른 팽윤성을 가지며, 본 발명의 방법은 소수성의 핵과 친수성의 표면을 가지는 고분자 수지를 보다 간단한 방법으로 제조할 수 있는 장점이 있다.

Claims

폴리스티렌 구형 수지를 오존으로 처리하여 상기 구형 수지의 표면에 히드로퍼옥시기를 도입하는 단계; 및

상기 히드로퍼옥시기가 도입된 폴리스티렌 구형 수지의 표면에 분자량 200 내지 30,000의 폴리에틸렌글리콜 단량체를 그라프트시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리에틸렌글리콜이 그라프트된 폴리스티렌 수지의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 폴리에틸렌글리콜 단량체가 그 내부에 비닐기를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 폴리에틸렌글리콜 단량체의 농도가 0.1%(w/w)∼20%(w/w)인 것을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 폴리에틸렌글리콜 단량체들을 상기 구형 수지의 표면에 그라프트시켜 도입하는 단계는 촉매를 이용한 산화환원중합으로 진행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 촉매는 철을 포함한 전이금속 촉매인 것을 특징으로 하는 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 촉매의 농도가 0.0001%(w/w) ∼ 0.1%(w/w)인 것을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 폴리에틸렌글리콜 단량체들을 상기 구형 수지의 표면에 그라프트시켜 도입하는 단계는 열중합으로 진행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
제7항에 있어서, 상기 열중합을 60℃∼90℃의 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.