KR100407790B1

KR100407790B1 - 키토산 유도체의 제조방법

Info

Publication number: KR100407790B1
Application number: KR10-2001-0029800A
Authority: KR
Inventors: 김성수; 전병찬
Original assignee: 주식회사 이제
Priority date: 2001-05-29
Filing date: 2001-05-29
Publication date: 2003-12-03
Also published as: KR20020090783A

Abstract

본 발명은 각종 화장품 원료로 많이 사용되고 있는 수용성 키토산 유도체의 제조방법에 관한 것으로, 종래 키토산 유도체의 제조방법을 개선하여 보다 높은 수율로 키토산 유도체를 제조할 수 있도록 하는데 그 목적이 있으며, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 키토산에 NaOH 수용액을 첨가하여 pH10 이상인 출발 반응용액을 제조한 다음, 이 반응물을 90℃로 가열하고 여기에 반응물질을 가하고 교반하여 반응시킨 다음, 이를 상온으로 냉각시켜 여과하고 유기용매로 세척하여 건조시키는 키토산 유도체의 제조방법에 있어서, 상기 출발 반응용액이 키토산을 유기산 또는 무기산과 혼합하여 교반하면서 pH3 내지 4로 조절한 다음, 여기에 이소프로판올(isopropanol)을 키토산 100중량부에 대하여 1500중량부 내지 2500중량부 천천히 첨가(dropping)하고 NaOH 수용액을 첨가하여 pH10 이상으로 하여 제조됨을 특징으로 하는 키토산 유도체의 제조방법을 제공함으로서 달성할 수 있다.

Description

키토산 유도체의 제조방법{Manufacturing method chitosan derivatives}

본 발명은 각종 화장품 원료로 많이 사용되고 있는 수용성 키토산 유도체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 키토산 유도체의 제조방법에 비하여 수율이 월등하게 높은 키토산 유도체의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 키틴은 셀룰로우스를 구성하는 기본 단당류인 글루코피라노우스 (glucopyranose) 2번 탄소의 수산기(-OH) 대신에 N-아세틸기(-N-acetyl)가 결합한 N-아세틸글루코피라노우스(N-acetylglucopyranose)가 연속적으로 β-1,4 결합된 구조를 가지며, 상기 키틴을 강알칼리로 처리하여 탈아세틸화(deacetylation)시키면 아세틸기가 아민기로 바뀐 키토산을 얻을 수 있다.

상기 키토산은 고분자 물질이므로 수불용성을 나타내며, 따라서 그 용도가 극히 제한적일 수밖에 없다는 단점이 있다. 따라서 키토산이 가지는 물성을 그대로 확보함과 동시에 수용성을 갖는 키토산 유도체에 관한 많은 기술이 공지되어 있다.

상기 수용성 키토산의 경우 키토산이 가지는 여러 물성을 보완함과 동시에 넓은 pH 범위(pH3 내지 pH10)에서 사용될 수 있으며, 특히 흡착성, 지속성, 보습성, 피막형성능력 및 증점성이 우수하여 샴푸 샴푸, 린스, 트리트먼트, 헤어셋 로션 등의 두발용 화장품을 비롯하여 크림, 유액 팩, 파운데이션, 비누, 치약 등의 수성 첨가제로 널리 사용되고 있다. 또한, 항균성이 우수하여 입안 세균에 의한 치아의 플라그 생성과 충치를 예방해 주는 치석제거제로도 사용되고 있다.

상기와 같이 다양한 용도로 사용되는 키토산 유도체의 일반식을 하기 화학식 1에 나타내었다.

상기 화학식 1에서 n은 1이상의 정수를 나타내며, R¹은 H, OH, COOH 또는 CH₂COOH기 이며, R²는 H, COCH₃, CH₂COOH, CHOHCH₂CH₃또는 CH₂CHOHCH₂CH₂CH₃기이다.

이중에서도 널리 사용되는 키토산 유도체로는 상기 화학식 1에서 R¹과 R²가 모두 CH₂COOH기인 하기 화학식 2의 N,O-카르복시메틸 키토산(N,O-carboxymethyl chitosan; 이하 NOCC라 함)과; R¹이 OH 이고 R²가 CHOHCH₂CH₃인 하기 화학식 3의 N-하이드로프로필 키토산(N-hydropropryl chitosan; 이하 NHPC라 함); 및 R¹이 OH 이고 R²가 CH₂CHOHCH₂CH₂CH₃인 하기 화학식 4의 N-하이드로부틸 키토산(N-hydrobutylchitosan; 이하 NHBC라 함)이 있다.

상기 화학식 2에서 n은 1이상의 정수를 나타낸다.

상기 화학식 3에서 n은 1이상의 정수를 나타낸다.

상기 화학식 4에서 n은 1이상의 정수를 나타낸다.

특히 상기 NOCC, NHPC 및 NHBC는 모두 수용성을 가지고 있으며, 특성 또한 유사한 것으로 알려져 있다. 또한 그 제조방법도 유사하며, 제조방법상의 차이점은 각각 R1과 R2에 붙어 있는 작용기가 상이하므로 반응물질에 차이점이 있다.

상기 수용성 키토산 유도체의 제조방법을 NOCC의 제조방법을 통해 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

키토산에 NaOH 수용액을 첨가 교반하여 출발 반응용액을 제조한 다음, 이 반응물을 90℃로 가열하고 모노클로로아세트산나트륨을 가하고 교반한 후, 여기에 NaOH 수용액을 첨가하여 pH 10 내지 10.5로 유지시킨 후 반응물을 24시간 동안 90℃에서 교반하고, 이를 상온으로 냉각시킨 다음 아세트산 수용액을 사용하여 pH를 8.5로 중화시키고, 중화된 반응물을 증류수에 대해 투석하고 동결 건조시키면 NOCC를 얻을 수 있다.

그러나 상기한 방법으로 키토산 유도체를 제조할 경우 키토산이 NaOH 수용액에서 팽윤이 제대로 이루어지지 않아 미반응 출발물질(키토산)이 많이 남아 수득율이 현저하게 낮고, 또한 키토산 유도체가 겔상태로 얻어지는 단점이 있다.

따라서 본 발명자는 상기한 방법을 개선하여 높은 수율로 키토산 유도체를 얻을 수 있는 키토산 유도체의 제조방법을 연구한 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이에 본 발명은 종래 키토산 유도체의 제조방법을 개선하여 보다 높은 수율로 키토산 유도체를 제조할 수 있도록 한 키토산 유도체의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 키토산에 NaOH 수용액을 첨가하여 pH10 이상인 출발 반응용액을 제조한 다음, 이 반응물을 90℃로 가열하고 여기에반응물질을 가하고 교반하여 반응시킨 다음, 이를 상온으로 냉각시켜 여과하고 유기용매로 세척하여 건조시키는 키토산 유도체의 제조방법에 있어서,

상기 출발 반응용액이 키토산을 유기산 또는 무기산과 혼합하여 교반하면서 pH3 내지 4로 조절한 다음, 여기에 이소프로판올(isopropanol)을 키토산 100중량부에 대하여 1500중량부 내지 2500중량부 천천히 첨가(dropping)하고 NaOH 수용액을 첨가하여 pH10 이상으로 하여 제조됨을 특징으로 하는 키토산 유도체의 제조방법을 제공함으로서 달성할 수 있다.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에서는 키토산 유도체를 제조하기 위하여 키토산을 유기산 또는 무기산과 혼합하여 교반하면서 pH3 내지 4로 조절한 다음, 여기에 이소프로판올을 키토산 100중량부에 대하여 1500중량부 내지 2500중량부 천천히 첨가(dropping)하고 NaOH 수용액을 첨가하여 pH10 이상인 출발 반응액을 제조한 다음, 이 반응액을 90℃로 가열하고 여기에 반응물질을 가하고 교반하여 반응시킨 다음 이를 상온으로 냉각시켜 여과하고 유기용매로 세척하여 건조시켜 제조하게 된다.

먼저 키토산을 유기산 또는 무기산과 혼합하여 교반하면서 pH3 내지 4로 조절하게 되는데, 이는 상기 키토산이 유기산 또는 무기산에 잘 용해되기 때문에 이와 같은 조작을 통하여 일단 키토산을 겔상태로 용해시키게 된다.

이때 상기 유기산으로 사용 가능한 산에는 포름산(formic acid), 락틱산(lactic acid) 또는 아세트산(acetic acid) 등이 있으며, 무기산으로 사용 가능한 것에는 염산(HCl)이 있다.

상기와 같은 유기산 또는 무기산을 사용할 경우 pH3 내지 4로 조절하게 되는데 이는 키토산의 용해를 고려한 것으로 특히 유기산일 경우에는 pH가 3미만일 경우에도 키토산이 잘 용해되지만 무기산의 경우에는 pH 3미만일 경우 키토산이 다시 결정상태로 되기 때문에 pH를 상기 범위 내로 조절하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기 키토산을 용해시키기 위해 95% 아세트산을 첨가하여 pH를 3 내지 4로 조절한 다음 교반하여 겔상태를 갖도록 하였다.

상기와 같이 키토산에 아세트산을 첨가한 다음, 여기에 이소프로판올을 키토산 100중량부에 대하여 1500중량부 내지 2500중량부 천천히 첨가(dropping)하고 NaOH 수용액을 첨가하여 pH10 이상인 출발 반응액을 제조하게 된다.

이때 이소프로판올은 키토산이 산에 의해 팽윤시 교반을 원활하게 함과 동시에 팽윤을 보조하는 역할을 하는 것으로 그 첨가량이 키토산 100중량부에 대하여 1500중량부 미만으로 첨가될 경우 키토산이 충분히 팽윤되지 않아 교반이 용이하지 않은 문제점이 발생하게 되고, 그 첨가량이 2500중량부를 초과할 필요는 없으나 그 첨가량이 2500중량부를 초과할 경우 오히려 반응시간을 지연시키고 제조단가를 상승시키는 문제점이 있으므로 상기 범위내에서 이소프로판올을 첨가하는 것이 바람직하다. 이때 이소프로판올을 천천히 첨가하게 되면 겔상태의 키토산이 약간 풀어진 고체상태를 나타낸다.

이와 같이 이소프로판올을 첨가한 후 NaOH 수용액을 사용하여 용액내의 pH를 10이상이 되도록 하여 출발 반응액을 제조하게 된다. 본 발명에서는 40% NaOH 수용액을 사용하였으며, 상기 NaOH 수용액을 첨가하게 되면 젤 상태가 풀어진 고체상태로 교반이 이루어지게 된다. 이때 NaOH 수용액은 천천히 첨가하여야 고체가 엉키지 않고 교반이 이루어질 수 있으므로 주의한다.

상기와 같이 출발 반응액을 제조한 다음, 통상의 방법을 통하여 상기 반응액을 90℃로 가열하고 여기에 반응물질을 가하고 교반하여 반응시킨 다음 이를 상온으로 냉각시켜 여과하고 유기용매로 세척하여 건조시키면 본 발명에 의한 키토산 유도체를 높은 수율을 얻을 수 있게 된다. 이때 상기 반응시간이 5시간 미만일 경우 충분한 반응이 일어나지 않아 수율이 저하되는 단점이 있으므로 5시간 이상 반응시키는 것이 좋다.

이때 상기 유기용매로는 아세톤, 에탄올 또는 에틸아세테이트 등과 같은 유기용매를 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 메탄올을 이용하여 세척하였다.

상기와 같이 본 발명에서는 키토산을 이용하여 키토산 유도체를 제조하는 과정에서 종래 알칼리 수용액에 키토산을 팽윤시킨 다음 반응을 진행한 것과는 달리 키토산을 유기산 또는 무기산에 용해시켜 이를 다시 알칼리 수용액으로 팽윤시킨 것이 특징이다. 이와 같이 키토산이 충분히 팽윤될 수 있도록 함으로서 미반응 출발물질이 적어 최종 제조된 키토산 유도체가 높은 수율로 얻어질 수 있는 것이다.

상기에서 최종적으로 원하는 키토산 유도체를 얻기 위해서는 반응물질을 변화시키면 되는데, 일예로 반응물질로 모노클로로아세트산을 첨가할 경우 NOCC를 제조할 수 있으며, 프로필렌 옥사이드를 첨가할 경우 NHPC를, 부틸렌 옥사이드를 제조할 경우 NHBC를 제조할 수 있게 된다.

이때 상기 반응물질의 첨가량은 통상적으로 첨가되는 범위 내에서 첨가될 수있으며, 본 발명에서는 NOCC를 제조하기 위해 키토산 100중량부에 대하여 200중량부 내지 300중량부의 모토클로로아세트산을 첨가하였으며, NHPC를 제조하기 위해 키토산 100중량부에 대하여 80중량부 내지 150중량부의 프로필렌 옥사이드를 첨가하였으며, NHBC를 제조하기 위해 키토산 100중량부에 대하여 120중량부 내지 180중량부의 부틸렌 옥사이드를 첨가하였다.

이하 본 발명을 하기한 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 하나 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1 내지 5>

키토산 10g에 95% 아세트산을 첨가하여 pH를 3으로 조절한 다음, 여기에 이소프로판올을 하기 표 1에 나타낸 량만큼 천천히 첨가(dropping)한 후 40% NaOH 수용액을 첨가하여 pH10이 되도록 하여 키토산을 팽윤시켰다. 상기 팽윤시킨 반응물을 90℃로 가열하고 여기에 반응물질로 모노클로로아세트산 25g을 가하고 7시간 동안 교반한 다음 이를 상온으로 냉각시켜 여과하고 메탄올로 세척하여 건조시켜 NOCC를 제조하였다. 이때 그 수득율을 하기 표 1에 함께 나타내었다.

<실시예 6 내지 13>

키토산 10g에 95% 아세트산을 첨가하여 pH를 3으로 조절한 다음, 여기에 이소프로판올 180g을 천천히 첨가(dropping)한 후 40% NaOH 수용액을 첨가하여 pH10이 되도록 하여 키토산을 팽윤시켰다. 상기 팽윤시킨 반응물을 90℃로 가열하고 여기에 반응물질로 모노클로로아세트산을 하기 표 1에 나타낸 량만큼 가하고 반응시간을 하기 표 1과 같이 변화시키면서 교반한 다음 이를 상온으로 냉각시켜 여과하고 메탄올로 세척하여 건조시켜 NOCC를 제조하였다. 이때 그 수득율을 하기 표 1에 함께 나타내었다.

<실시예 14 내지 21>

키토산 10g에 95% 아세트산을 첨가하여 pH를 3으로 조절한 다음, 여기에 이소프로판올 180g을 천천히 첨가(dropping)한 후 40% NaOH 수용액을 첨가하여 pH10이 되도록 하여 키토산을 팽윤시켰다. 상기 팽윤시킨 반응물을 90℃로 가열하고 여기에 반응물질로 프로필렌 옥사이드를 하기 표 1에 나타낸 량만큼 가하고 반응시간을 하기 표 1과 같이 변화시키면서 교반한 다음 이를 상온으로 냉각시켜 여과하고 메탄올로 세척하여 건조시켜 NHPC를 제조하였다. 이때 그 수득율을 하기 표 1에 함께 나타내었다.

<실시예 22 내지 29>

키토산 10g에 95% 아세트산을 첨가하여 pH를 3으로 조절한 다음, 여기에 이소프로판올 180g을 천천히 첨가(dropping)한 후 40% NaOH 수용액을 첨가하여 pH10이 되도록 하여 키토산을 팽윤시켰다. 상기 팽윤시킨 반응물을 90℃로 가열하고 여기에 반응물질로 부틸렌 옥사이드를 하기 표 1에 나타낸 량만큼 가하고 반응시간을 하기 표 1과 같이 변화시키면서 교반한 다음 이를 상온으로 냉각시켜 여과하고 메탄올로 세척하여 건조시켜 NHBC를 제조하였다. 이때 그 수득율을 하기 표 1에 함께 나타내었다.

<비교예 1>

25g의 키토산을 200g의 5중량%수성 NaOH중에 슬러리화하고 이 슬러리를 1시간 동안 교반한다음, 이 반응물을 90℃로 가열하고 58.2g의 나트륨 클로로 아세테이트를 고체로서 4분획으로 10분 간격으로 가하고, 이 반응액의 pH를 4중량 %의 수성 NaOH을 첨가하여 10내지 10.5로 유지시킨 후 반응물을 24시간 동안 90℃에서 교반하였다. 이 반응 혼합물을 25℃로 냉각시키고 50중량 %아세트산 수용액을 사용하여 pH를 8.5로 중화시킨 다음, 이를 증류수에 대해 투석하고 동결 건조시켜 NOCC 키토산 유도체를 11.9g (36%)을 수득하였다.

구분	이소프로판올	모노클로로아세트산	프로필렌 옥사이드	부틸렌 옥사이드	반응시간	수율(%)
실시예 1	100	25	-	-	7	90
실시예 2	150	25	-	-	7	94
실시예 3	200	25	-	-	7	94
실시예 4	250	25	-	-	7	95
실시예 5	300	25	-	-	7	84
실시예 6	180	15	-	-	5	85
실시예 7	180	20	-	-	5	95
실시예 8	180	25	-	-	5	97
실시예 9	180	30	-	-	5	97
실시예 10	180	25	-	-	3	87
실시예 11	180	25	-	-	5	95
실시예 12	180	25	-	-	7	97
실시예 13	180	25	-	-	9	92.4
실시예 14	180	-	6	-	5	82
실시예 15	180	-	10	-	5	96
실시예 16	180	-	15	-	5	96
실시예 17	180	-	20	-	5	93
실시예 18	180	-	10	-	3	85
실시예 19	180	-	10	-	5	96
실시예 20	180	-	10	-	7	97
실시예 21	180	-	10	-	9	94.4
실시예 22	180	-	-	7	7	83
실시예 23	180	-	-	10	7	90
실시예 24	180	-	-	15	7	96
실시예 25	180	-	-	20	7	95
실시예 26	180	-	-	10	3	85
실시예 27	180	-	-	10	5	92
실시예 28	180	-	-	10	7	97
실시예 29	180	-	-	10	9	95.4
비교예 1	-	-	-	-	-	36

상기 표 1에서 보는 바와 같이 이소프로판올의 첨가량을 변화시키면서 실시한 실시예 1 내지 5에 있어서, 그 첨가량에 관계 없이 모두 수율이 높은 것을 알 수 있으나, 실험실 실시예 1의 경우 교반이 안되는 문제점이 있었으며, 실시예 5의 경우 그 첨가량이 많아 반응속도가 지연되어 동일시간 하에서는 수율이 저하되는 것을 알 수 있으나 반응시간을 높여줄 경우 높은 수율로 얻을 수 있다.

또 반응물질을 모노클로로 아세트산, 프로필렌 옥사이드 및 부틸렌 옥사이드로 바꾸면서 그 첨가량을 변화시키면서 실시한 실시예 6 내지 29에 있어서, 본 발명의 바람직한 첨가예의 경우 수율이 높으며, 특히 반응시간이 5시간 이상일 경우 수율이 매우 높음을 알 수 있다.

특히, 본 발명에 의한 HIEC 제조방법의 경우 수율이 90%이상으로 종래의 NOCC제조방법에 비하여 매우 높게 나타남을 알 수 있다.

상기 실시예 8에서 제조한 키토산 유도체(NOCC), 상기 실시예 16에서 제조한 키토산 유도체(NHPC) 및 상기 실시예 24에서 제조한 키토산 유도체(NHBC)의 IR(KBr) 및¹³C NMR(D₂O) 데이터를 하기 표 2에 나타내었으며, 상기 표 2에서 보는 바와 같이 각각의 구조물을 확인할 수 있다.

구분	IR	NMR
실시예 8	1635cm-1ν(C=O)1530cm-1ν(N-H)	δ176.4(COOH), δ174.9(C=O), δ101.8(C-1-NCM)δ98.2(C-1) δ77.6(C-4), δ75.4(C-5)δ71.9(C-3) δ61.2(C-6) δ56.3(C-2)
실시예 16	-	δ98.2(C-1), δ76.4(C-4), δ74.3(C-5)δ73.9(C-3), δ59.2(C-6), δ54.3(C-2)δ50.2(C-C-OH)
실시예 24	-	δ98.7(C-1), δ78.4(C-4), δ73.4(C-5)δ68.9(C-3), δ61.2(C-6), δ56.5(C-2)δ51.2(C-C-OH) δ20.6(CH₃)

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은 종래 키토산 유도체의 제조방법을 개선하여 보다 높은 수율로 키토산 유도체를 제조할 수 있도록 한 키토산 유도체의 제조방법을 제공하는 유용한 발명이다.

Claims

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키토산을 유기산과 혼합하여 교반하면서 pH3 내지 4로 조절한 후 이소프로판올을 키토산 100중량부에 대하여 1500중량부 내지 2500중량부 천천히 첨가(dropping)하고, 여기에 NaOH 수용액을 첨가하여 pH10 이상인 출발 반응용액을 제조한 다음 90℃로 가열하고, 이 반응용액에 반응물질을 가하고 교반하여 반응시킨 다음 이를 상온으로 냉각시켜 여과하고 메탄올로 세척하여 건조시키는 키토산 유도체의 제조방법에 있어서,

상기 반응물질로 키토산 100중량부에 대하여 120중량부 내지 180중량부의 부틸렌 옥사이드를 첨가하여 N-하이드로부틸 키토산(N-hydrobutyl chitosan)을 제조함을 특징으로 하는 키토산 유도체의 제조방법.