KR100470867B1

KR100470867B1 - 수용성 사이클로덱스트린-플러렌 착체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100470867B1
Application number: KR10-2002-0047438A
Authority: KR
Inventors: 게켈러케이이; 무디씨엔
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2005-03-10
Also published as: KR20040014774A

Abstract

본 발명은 수용성 사이클로덱스트린-플러렌 착체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 사이클로덱스트린과 플러렌의 무수 혼합물이 수성 매질 중에서 반응하여 비공유결합 방식에 의해 사이클로덱스트린-플러렌 착체를 형성하며, 본 발명의 방법에 따르면 유기용매를 이용하는 종래의 방법에 비해 용이하고 또한 높은 수율로 사이클로덱스트린-플러렌 착체를 얻을 수 있으며, 종래의 방법에 의해서는 얻을 수 없었던 α- 및 β-사이클로덱스트린-[70]플러렌 착체를 합성할 수 있다.

Description

수용성 사이클로덱스트린-플러렌 착체 및 그 제조방법{WATER-SOLUBLE CYCLODEXTRIN-FULLERENE COMPLEX AND PREPARATION THEREOF}

본 발명은 플러렌과 사이클로덱스트린간의 비공유결합 방식에 의해 형성되는 수용성 착체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

플러렌은 그 발견 이래로 넓은 범위의 응용 분야에서 사용되고 있다. 이들 분자는 본래 비극성이며, 이케다 등의 문헌[A. Ikeda, T. Hatano, M. Kawakuchi, H. Suenaga, S. Shinkai, J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1999, 15, 1403] 등에서 나타난 바와 같이 생의학 분야에서 플러렌의 응용 가능성이 발견된 이래로 수용성 플러렌 유도체를 제조하기 위한 많은 시도가 있었다.

본질적으로 소수성인 플러렌을 수용성 유도체로 제조하기 위한 방법으로는 주로 2가지가 이용되고 있다. 첫째는, 플러렌을 수용성 기와 공유 결합에 의해 연결시켜 수용성으로 만드는 방법이고[S. R. Wilson 등, J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1993, 784; K. Geckeler 등, Adv. Polym. Sci. 1981, 39, 65; Geckeler 등, J. Am. Chem. Soc. 1993, 115, 3850 등], 둘째는, 사이클로덱스트린 및 칼릭사렌과(calixarenes) 같은 수용성의 거대 고리형 화합물과 비공유 결합에 의해 포접 착체를 형성하는 것이다[S. Samal 등, J. Chem. Soc. Chem. Commun. 2000, 1373; S. Shinkai 등, Pure & Appl. Chem. 1999, 71, No.2., 275]. 칼릭사렌의 경우에는 낮은 수용성 때문에 약품적 특성에 대한 시험이 이루어지지 못한 반면, 사이클로덱스트린은 인체에 무독성으로 알려져 있고, 또 실제로 식품 및 의약 산업 분야에 상업적 적용이 가능하다는 장점이 있다.

그러나, 본 발명에 따른 사이클로덱스트린-플러렌 착체는 생물학적 및 생의학적 분야의 유용성이 매우 높음에도 불구하고 이에 관한 충분한 연구가 이루어지지 않았다. 그 이유 중 하나는 문헌에 보고된 이러한 착체의 제조 방법이 매우 복잡하고 또한 그 수율이 생물학적 응용에 충분치 않을 정도로 낮았기 때문이다.

구체적으로, [60]플러렌 및 [70]플러렌의 포접 착체는 앤더슨[T. Anderson 등, J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1992, 604]에 의해 최초로 알려지고, 나중에 미탈[J. P. Mittal 등, J. Phys. Chem., 1994, 98, 4756] 과 나카니시[H. Nakanishi 등, Fullerene Science and Technology, 1994, 2, 18]에 의해 알려졌다. 그러나, 상기 문헌에 개시된 착체는 비균일성 반응 매질에 기초한 것이며, 또한, 오직 γ-사이클로덱스트린과의 2:1 포접 착체에 관한 것만 개시되어 있다. 상기 문헌에서, α- 및 β-사이클로덱스트린은 착체를 형성하지 않는 것으로 보고되었다. 그 이유로는, [60]플러렌의 상대적인 크기와 γ-사이클로덱스트린 분자의 공동(cavity) 직경 차이로 인해 C₆₀ 분자가 γ-사이클로덱스트린 공동 내부에 깊숙이 포접되지 못하는 것으로 설명되었다. 실제로, 여러 문헌에 β-사이클로덱스트린-[60]플러렌 포접 착체를 제조하는데 실패한 실험예들이 개시된 경우가 있다.

본 발명자들은 이러한 사이클로덱스트린-플러렌 착체의 중요성을 염두에 두고 이들 착체의 형성 이유에 대해 연구해 왔으며, 상기 자료들에 대한 세밀한 검토 및 분자 모델링에 관한 연구를 하던 중, 공동의 크기가 포접 착체 형성에 영향을 끼치는 유일한 요소는 아니며 사이클로덱스트린 분자와 플러렌간의 특정 상호작용 역시 영향을 끼친다는 것을 알게되었다. 예를 들면, β-사이클로덱스트린 공동의 직경은 780pm이고 분자의 극성부인 외부 림(rim)의 직경은 1530pm인 것에 비해 γ-사이클로덱스트린 플러렌은 각각 950pm 및 1690pm이다. 결정 분석 연구에 의해, β-사이클로덱스트린 공동은 아다만탄(adamantane) 유도체와 같은 구형(spherical shaped) 게스트에 적합하고[J. A. Hamilton 등, Acta Crystallogr., Sec. B, 1982, 38, 3063], 머리 대 머리(head-to-head) 다이머(dimer)로 둘러싸이는 공간은 단일 분자의 공동보다 약 2.5배 넓다는 것이 알려져 있다[K. H. Jogun 등, Nature, 1978, 274, 617].

사이클로덱스트린을 메틸화하면, 공동의 깊이가 780pm에서 약 1100pm로 늘어나고, 사이클로덱스트린의 O-2, O-3 및 O-6에 부착된 메틸기 때문에 사이클로덱스트린 양단의 소수성이 변하게되어 아다만타놀 및 나프탈렌유도체를 전적으로 수용할 수 있게 된다. 본 발명자들은 이러한 사실로부터 구형의 [60]플러렌을 β-사이클로덱스트린과 착체를 형성하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있었다[C. N. Murthy, K. E. Geckeler, Chem. Commun., 2001,1194]. 상기 문헌에 나타난 바와 같이, 본 발명자들은 단일상을 이루는 유기 용매를 사용하는 균일한 매질에서 반응시켜 [60]플러렌-β-사이클로덱스트린 착체를 형성하는 등, 종래의 비균질화 방법에 비해 우수한 방법을 개발할 수 있었다. 나아가, 본 발명자들은 더 발전된 방법 즉, 유기용매를 사용하지 않아 무공해·친환경적인 합성 방법을 제공하고자 더욱 연구한 결과, 구형의 [60]플러렌 및 타원형의 [70]플러렌이 수성매질에서 사이클로덱스트린과 착체를 형성하는 것이 이론상 가능함을 알고, 3가지 사이클로덱스트린과 플러렌을 보다 용이하게 반응시켜 수용성 거대분자 구조를 형성하는 착체 및 이의 제조 방법을 제공하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 생물학적·생의학적 용도가 있다고 알려진 사이클로덱스트린을 용해 성분으로 사용하여, 수성 매질에서 안정한 사이클로덱스트린-플러렌 착체를 종래의 방법보다 높은 수율로 형성하는 방법을 제공하고, 또한 종전의 기술에서는 합성되지 않았던 α- 및 β-사이클로덱스트린-[70]플러렌 착체를 제공하는데 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 사이클로덱스트린 및 플러렌을 무수상태로 혼합하는 단계; 및 상기 사이클로덱스트린 및 플러렌의 혼합물을 수성 매질중에서 연마하면서 반응시키는 단계를 포함하는, 수용성 사이클로덱스트린-플러렌 착체의 제조 방법을 제공하고, 또한 상기 방법에 의해 종래의 방법으로는 합성이 불가능했던 α- 및 β-사이클로덱스트린-[70]플러렌 착체를 제공한다.

이하에서 본 발명을 보다 자세히 설명한다.

본 발명에 사용되는 사이클로덱스트린은 α-, β- 또는 γ-사이클로덱스트린일 수 있으며, 플러렌은 구형의 [60]플러렌 또는 타원형의 [70]플러렌일 수 있으며, 본 발명에서는 편의를 위해 [70]플러렌에 대해서만 언급한다.

사이클로덱스트린은 게스트와 다양한 포접 착체를 형성하는 것으로 알려져 있으며, 그 중에서도 사이클로덱스트린:게스트의 몰비가 2:1 또는 1:1인 착체가 일반적이다. 본 발명에 따라 제조된 착체의 경우에는 하기 실시예에서 보는 바와 같이 2:1의 착체가 우세하게 형성된다고 추정된다. 본 발명에 있어서 반응물인 사이클로덱스트린과 플러렌의 몰비(molar ratio)는 임계적인 것은 아니나, 수율을 위해서는 바람직하게는 사이클로덱스트린의 몰수/플러렌의 몰수가 약 1 이상이고, 더욱 바람직하게는 약 2 이상이다.

본 발명에 따른 반응은 반응물(사이클로덱스트린+플러렌)을 무수 상태로 연마하면서 상기 반응물에 수성 매질을 천천히 첨가하는 방법으로 이루어진다. 수성매질은 대표적으로는 물을 들 수 있으며, 물에 알콜 등이 혼합되어 있는 매질도 포함한다. 수성 매질의 양은 통상 반응물에 비해 중량비로 약 1 내지 200배, 바람직하게는 약 10 내지 100배 이고, 반응시간은 약 0.1 내지 약 150시간 정도가 적합하다. .

본 발명에 따른 반응에 의해 생성된 생성물은 수용액상에 존재하게 된다. 상기 반응이 종료된 후, 생성물이 포함된 자홍색의 수용액으로부터 미반응 잔류물을 필요에 따라 통상의 고액 분리 장치, 예를 들면 원심분리기를 이용하여 분리한다. 이렇게 분리된 수용액상은 필요에 따라 통상의 농축·정제과정, 예컨대 한외여과, 동결건조, 증발 또는 세척 등을 거쳐 고체상의 사이클로덱스트린-플러렌 착체를 고순도로 얻을 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 사이클로덱스트린-플러렌 착체의 수율은 사이클로덱스트린에 따라 차이는 있지만 약 50 내지 80% 수준이다. 이러한 수율은 γ-사이클로덱스트린-플러렌 착체에 대해서만 겨우 합성의 확인정도만 가능했던 정도인 종래의 방법에 비해서 비약적으로 높은 수준이며, 더욱이, 본 발명에 의해 위에서 언급한 바와 같이 종래의 방법으로는 합성이 되지 않는 것으로 알려진 α- 및 β-사이클로덱스트린-플러렌 착체를 높은 수율로 제조할 수 있다.

본 발명자들은 이러한 착체를 형성하는 원인에 대해서 하기와 같이 이해하고 있으나, 이러한 이론에 의해 본 발명을 제한하려는 것은 아니다. 분명한 것은 아니나, 본 발명에서 착체를 형성하는 원동력은 두가지 요인에 기인하는 것으로 생각된다. 하나는, 사이클로덱스트린 내부 공동의 비극성 부분과 포접된 물분자간의 척력이고, 또 다른 하나는 물분자와 비극성인 플러렌간의 척력이다. 후자의 경우, 건조한 상태에서는 존재하지 않으며, 따라서 수용액에서 분리되어 건조된 생성물은 단순히 플러렌과 사이클로덱스트린의 미세 분산상이 될 것이라고 생각할 수 있다. 그러나, 하기 실시예에서 보는 것과 같이, 생성물에 대한 X-선 회절 분석은 분리·건조된 생성물이 사이클로덱스트린과 플러렌의 분산상이 아닌 착체임을 분명하게 보여주고 있다.

본 발명에 대해 실시예를 들어 보다 상세히 설명하나, 본 발명이 하기 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 수용성 β-사이클로덱스트린-[70]플러렌 착체 제조.

다음과 같이, 수성 매질 중에서 [70]플러렌과 β-사이클로덱스트린을 반응시켜 수용성 β-사이클로덱스트린-[70]플러렌 착체를 제조하였다.

우선, 건조한 상태의 β-사이클로덱스트린 200mg(0.20 mmol)에 [70]플러렌 84mg(0.10 mmol)을 첨가하였고, 상기 혼합물에 최종 부피가 15ml이 되도록 3시간에 걸쳐 천천히 증류수를 첨가하는 동시에 혼합물을 분쇄하며, 사이클로덱스트린과 [70]플러렌을 반응시켰다.

반응 종료 후, 10분간 원심 분리를 하여 생성물을 포함한 자홍색의 상층액을 분리하였고, 분리된 상층액을 농축하고, 2.0 kg·mol^-1의 막을 사용하는 한외여과를 통해 세척하였다. 세척된 용액을 동결 건조하여 밝은 자홍색의 무정형 고체로서 생성물을 분리하였다. 수율은 60% 정도였다.

실시예 2: 수용성 α-사이클로덱스트린-[70]플러렌 착체 제조.

사이클로덱스트린을 α-사이클로덱스트린을 사용한 것으로 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 α-사이클로덱스트린-[70]플러렌 착체를 제조하였다. α-사이클로덱스트린-[70]플러렌 착체의 경우 수율은 46% 정도였다.

실시예 1에서 제조한 착체를 전형적인 플러렌 분자의 UV-VIS 흡광도로부터 확인하였다. 상기 실시예 1의 생성물에 대해 UV-VIS 흡광도를 측정한 결과 수용액 중에서는 391nm에서 흡수를 보인 반면(도 1(a)), 톨루엔 용액 중의 [70]플러렌은 382nm에서 흡수를 나타내었다(도 1(b)). 이로부터 [70]플러렌의 전형적인 흡수 특성이 수용액 매질에서 적색 이동(red-shift)을 나타내면서 그대로 유지되는 것을 알 수 있었다. 사이클로덱스트린은 수용액상에서는 이 영역에서 흡광도를 나타내지 않으므로, 이러한 흡광도는 수용액상의 착체중의 플러렌에서 기인한 것임을 알 수 있게 해준다.

또한, 실시예 1의 생성물에 대해 FT-IR 스펙트럼을 얻었으며, 도 2(a)에서 보듯이, [70]플러렌의 적외선 흡광 스펙트럼에서는 1431, 1134, 578 및 535cm^-1에서 특성 흡수띠가 나타나는 데 비해, 착체의 적외선 흡광 스펙트럼(도 2 (b))에서는 578 및 535cm^-1의 흡수띠만이 드러나며, 이는 착체를 형성하지 않은 β-사이클로덱스트린의 FT-IR 스펙트럼에서는 보이지 않는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 착체의 형성을 다른 방법으로 확인하기 위하여 실시예 1의 생성물에 대한 X-선 회절 분석을 실시하였다. 그 결과, 실시예 1의 생성물의 회절 패턴은 반응물인 β-사이클로덱스트린 또는 [70]플러렌의 패턴과는 다른 양상을 보였다. 즉, 도 3에서 보는 바와 같이 착체(도 3(b))는 β-사이클로덱스트린(도 3(a), 2θ= 9°, 12.5°, 19.6°, 23.0°, 27.0°, 34.8°) 및 [70]플러렌("J. A. Hamilton 등, Acta Crystallogr., Sec. B, 1982, 38, 3063" 참조)의 결정구조와는 다른 구조를 가지고 있음을 보여주고 있으며, 이러한 사실은 상기 실험결과가 착체에 기인한 것임을 보여준다.

실시예 1 및 2의 생성물의 사이클로덱스트린과 플러렌의 구성비를 확인하기 위해 생성물에 대해 열분석을 실시하였다. 이론적으로는, β-사이클로덱스트린과 [70]플러렌의 2:1 및 1:1 착체에 있어 각 반응물에 있어서의 사이클로덱스트린의 구성비(중량 기준)는 각각 72.9 및 57.5%이고, α-사이클로덱스트린과 [70]플러렌에 있어서는 각각 69.8 및 53.6%이다. 도 4는 α-사이클로덱스트린 착체(a) 및 β-사이클로덱스트린 착체(b)의 열분석 결과를 나타내고 있다. 도 4의 열중량 분석결과는 325℃에서 β-사이클로덱스트린 착체 및 α-사이클로덱스트린 착체의 경우에 각각 76.9% 및 67.8%의 중량 손실을 보여주며, 이러한 결과는 착체가 사이클로덱스트린과 [70]플러렌이 주로 2:1의 몰비로 구성됨을 보여준다.

본 발명에 따라 사이클로덱스트린과 플러렌을 수성매질중에서 연마하면서 반응시켜 사이클로덱스트린-플러렌 착체를 제조하게 되면, 종래 기술에 비해 높은 수율로 용이하게 상기 착체를 제공할 수 있으며, 또한 종전의 방법으로는 제조될 수 없는 것으로 알려진 α- 및 β-사이클로덱스트린-[70]플러렌 착체도 제조할 수 있다.

도 1의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 1에서 제조한 β-사이클로덱스트린-[70]플러렌 착체의 수용액상의 UV-VIS 스펙트럼 및 톨루엔 용액중의 [70]플러렌의 UV-VIS 스펙트럼이고,

도 2의 (a) 및 (b)는 각각 [70]플러렌 및 실시예 1에서 제조한 β-사이클로덱스트린-[70]플러렌 착체의 FT-IR 스펙트럼이며,

도 3의 (a) 및 (b)는 각각 β-사이클로덱스트린 및 실시예 1에서 제조한 β-사이클로덱스트린-[70]플러렌 착체의 X-선 회절 패턴을 나타내고,

도 4의 (a) 및 (b)는 각각 실시예 2에서 제조한 α-사이클로덱스트린-[70]플러렌 및 실시예 1에서 제조한 β-사이클로덱스트린-[70]플러렌의 열분석 결과를 나타낸다.

Claims

α- 또는 β-사이클로덱스트린 및 플러렌을 무수상태로 혼합하는 단계; 및 상기 사이클로덱스트린 및 플러렌의 혼합물을 수성 매질중에서 연마하면서 반응시키는 단계를 포함하는, 수용성 α- 또는 β-사이클로덱스트린-플러렌 착체의 제조 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 수성 매질이 물 또는 물/알콜의 혼합물임을 특징으로 하는 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 수성 매질이 반응물의 총량을 기준으로 1 내지 200중량배의 양으로 사용됨을 특징으로 하는 제조 방법.
제 1 항에 있어서,

0.1 내지 150시간동안 반응시킴을 특징으로 하는 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 반응생성물을 포함한 수용액상으로부터 반응잔류물을 제거하는 단계; 상기 분리된 수용액상을 농축하는 단계; 및 상기 농축물을 정제하는 단계를 추가적으로 포함하는 제조방법.
수용성 α-사이클로덱스트린-플러렌 착체.
제 7 항에 있어서,

수용성 α-사이클로덱스트린-[70]플러렌 착체.
수용성 β-사이클로덱스트린-[70]플러렌 착체.