KR101373109B1 - A Method for Screening ionic liquid Capable of dissolving cellulose - Google Patents
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- D21C3/00—Pulping cellulose-containing materials
- D21C3/22—Other features of pulping processes
Abstract
본 발명은 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 탐색하는 방법에 관한 것으로, 상세하게는 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체들로부터 용해도 데이터(data)를 수집하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 용해도 데이터 수집에 적용된 이온성 액체들의 기하구조를 최적화하여 최소 에너지 상태(Global minimum)인 기하구조를 도출하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 도출된 기하구조로부터 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체의 분자 표현자들을 도출하는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3에서 도출된 분자 표현자와, 상기 단계 1에서 수집된 용해도 데이터로부터 분자 표현자로 구성된 목적함수를 도출하는 단계(단계 4);를 포함하는 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 탐색하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 탐색하는 방법은 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 용매로 알려진 이온성 액체들로부터 표현자를 도출한 후, 도출된 표현자 값을 이용하여 이온성 액체를 표현할 수 있는 목적함수를 도출해냄으로써, 상기 목적함수를 만족하여 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 검색해낼 수 있다. 아울러, 본 발명에 따라 검색된 이온성 액체는 종래 셀룰로오스의 용매로 사용되었던 이온성 액체들과 비교하여 더욱 우수한 용해도를 나타낼 수 있다.The present invention relates to a method for searching for an ionic liquid capable of dissolving cellulose, specifically collecting solubility data from ionic liquids capable of dissolving cellulose (step 1); Optimizing the geometry of the ionic liquids applied to the solubility data collection of step 1 to derive a geometry that is a global minimum (step 2); Deriving molecular presenters of an ionic liquid capable of dissolving cellulose from the geometry derived in step 2 (step 3); And a step (step 4) of deriving the objective function consisting of molecular descriptors from the molecular descriptors derived in step 3 and the solubility data collected in step 1 (step 4). Provide a way to. The method for searching for an ionic liquid capable of dissolving cellulose according to the present invention derives the presenter from ionic liquids known as a solvent capable of dissolving cellulose, and then uses the derived presenter value to determine the ionic liquid. By deriving the objective function which can be expressed, the ionic liquid which can satisfy | fill the said objective function and can dissolve a cellulose can be searched out. In addition, the ionic liquids searched according to the present invention can exhibit better solubility compared to ionic liquids that have been used as solvents of conventional cellulose.
Description
본 발명은 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 탐색하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of searching for an ionic liquid capable of dissolving cellulose.
화석연료의 고갈에 따른 가격 인상과 지구 온난화 현상이 가속화됨에 따라 천연 자원으로부터 연료와 화학물질의 제조를 위한 알코올의 생성이 고려되고 있다. 바이오매스(biomass) 중 약 40%를 차지하는 셀룰로오스(cellulose)는 자연계에 풍부히 존재하는 재생 가능한 천연 자원이다. 셀룰로오스는 β-1,4-글리코시딕 결합을 갖는 D-글루코오스(포도당)의 집합체로서, 약 100 내지 3000개의 D-글루코오스로 구성되어 있다. 각각의 D-글루코오스는 3개의 히드록시기를 가지고 있으며, 이에 따라 다른 물질과의 친화력은 매우 높으나 분자 사슬 간 또는 사슬 내의 강한 수소결합으로 이루어지는 결정구조로 인하여 α-1,4-글리코시딕 결합을 갖는 녹말(starch)과는 달리 물이나 유기 용매에 쉽게 용해되지 않는 특성이 있다. 이러한 셀룰로오스의 특성으로 인하여, 셀룰로오스를 연료 또는 화학물질로의 활용하는 데 어려움이 있으며, 이러한 셀룰로오스의 구조를 파괴하여 셀룰로오스 용액을 제조할 수 있는 용매 가운데 가장 널리 사용되고 있는 것은 3급 아민옥사이드이다.
As the price increases and global warming accelerate due to the depletion of fossil fuels, the production of alcohols for the production of fuels and chemicals from natural resources is being considered. Cellulose, which makes up about 40% of biomass, is a renewable natural resource that is abundant in nature. Cellulose is an aggregate of D-glucose (glucose) having β-1,4-glycosidic bonds and is composed of about 100 to 3000 D-glucose. Each D-glucose has three hydroxyl groups, thus having a very high affinity with other substances but having α-1,4-glycosidic bonds due to the crystal structure consisting of strong hydrogen bonds between or within molecular chains. Unlike starch, it does not dissolve easily in water or organic solvents. Due to the characteristics of such cellulose, it is difficult to utilize cellulose as a fuel or a chemical, and tertiary amine oxide is most widely used among solvents capable of preparing a cellulose solution by destroying the structure of the cellulose.
한편, 1980년대 초반부터 강화되기 시작한 환경규제는 점차 엄격해지고 있으며, 특히 대기오염의 심각성이 증가함에 따라 휘발성 유기화합물(VOCs)의 사용에 대한 규제가 강화되고 있다. 또한, 정밀화학 공정에 있어서 용제 분리 및 회수를 위한 에너지 사용량과 비용이 급증하고 있는 추세이다. 이에 환경과 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 청정 대체용매(Green Media) 기술이 요구되고 있으나, 이러한 청정 대체용매 기술은 아직 세계적으로 초기 단계에 있으며, 현재 청정 대체용매로써 이온성 액체, 물, 초임계 유체, 액체 고분자(liquid polymer) 등의 연구가 진행되고 있다. On the other hand, environmental regulations, which have been tightened since the early 1980s, are becoming increasingly strict, and in particular, as the severity of air pollution increases, regulations on the use of volatile organic compounds (VOCs) are tightened. In addition, in the fine chemical process, energy consumption and cost for solvent separation and recovery are rapidly increasing. Therefore, there is a need for a green alternative technology that can simultaneously solve environmental and energy problems. However, such a clean alternative solvent technology is still in the early stages of the world and is currently a clean alternative solvent. Research into fluids, liquid polymers, and the like has been conducted.
이들 차세대 용매 중에서 이온성 액체(ionic liquid)는 이온만으로 구성된 액체를 일컬으며, 일반적으로 질소를 포함하는 거대 양이온과 보다 작은 음이온으로 이루어져 있다. 이러한 구조에 의하여 결정구조의 격자에너지가 감소하게 되고 결과적으로 낮은 녹는점을 가지게 된다. 특히 상온에서 액체로 존재하는 이온성 액체를 상온이온성 액체(room temperature ionic liquids; RTILs)라 한다. 이온성 액체는 기존의 유기 용매와 다른 독특한 성질로 인하여 다양한 유기 화학 반응에서 청정 용매 및 촉매로서 이용되고 있을 뿐만 아니라 연료전지 및 태양전지의 전해질, 윤활유, 열매체, 추출 및 분리매체 등의 다양한 목적으로 활용될 수 있다.
Among these next-generation solvents, ionic liquids refer to liquids consisting solely of ions, and are generally composed of large cations containing nitrogen and smaller anions. This structure reduces the lattice energy of the crystal structure and consequently has a low melting point. In particular, ionic liquids present as liquids at room temperature are called room temperature ionic liquids (RTILs). Ionic liquids are not only used as clean solvents and catalysts in various organic chemical reactions due to their unique properties different from conventional organic solvents, but also for various purposes such as electrolytes, lubricating oils, heating media, extraction and separation media in fuel cells and solar cells. Can be utilized.
또한, 상기 이온성 액체는 미국 알라바마 대학교의 Rogers 교수가 세계 최초로 이온성 액체를 활용한 셀룰로오스 용해 가능성을 보고한 이후로, 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 용매로 주목받고 있으며, 이에 대한 연구도 활발히 진행되고 있으며, In addition, the ionic liquid has been attracting attention as a solvent capable of dissolving cellulose since Rogers of the University of Alabama reported the world's first possibility of dissolving cellulose using ionic liquid. And
일례로, 대한민국 공개특허 제10-2008-0006550호(공개일 2008년 01월 16일), 제10-2008-0104053호(공개일 2008년 11월 28일), 및 제10-2008-0006550호(공개일 2008년 01월 16일)에서는 이온성 액체를 용매로 이용하여 셀룰로오스를 용해시키는 방법이 개시된 바 있다.For example, Korean Patent Publication Nos. 10-2008-0006550 (published January 16, 2008), 10-2008-0104053 (published November 28, 2008), and 10-2008-0006550 (January 16, 2008) a method of dissolving cellulose using an ionic liquid as a solvent has been disclosed.
그러나, 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체의 용해도는 더욱 발전의 여지가 남아있어, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
However, the solubility of the ionic liquid capable of dissolving cellulose remains a room for further development, and research on this has been actively conducted.
이에, 본 발명자들은 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체의 용해도를 향상시키기 위하여 연구하던 중, 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체들의 특성을 나타내는 표현자(descriptor)를 도출한 후, 도출된 표현자 값을 이용하여 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 검색해내는 방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors, while researching to improve the solubility of the ionic liquid capable of dissolving cellulose, derive a descriptor representing the characteristics of the ionic liquid capable of dissolving cellulose, and then the derived expression. We have developed a method for searching for an ionic liquid capable of dissolving cellulose using a ruler value and completed the present invention.
본 발명의 목적은 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 탐색하는 방법을 제공하는 데 있다.
It is an object of the present invention to provide a method for searching for an ionic liquid capable of dissolving cellulose.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 In order to achieve the above object,
셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체들로부터 용해도 데이터(data)를 수집하는 단계(단계 1);Collecting solubility data from ionic liquids capable of dissolving cellulose (step 1);
상기 단계 1의 용해도 데이터 수집에 적용된 이온성 액체들의 기하구조를 최적화하여 최소 에너지 상태(Global minimum)인 기하구조를 도출하는 단계(단계 2);Optimizing the geometry of the ionic liquids applied to the solubility data collection of
상기 단계 2에서 도출된 기하구조로부터 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체의 분자 표현자들을 도출하는 단계(단계 3); 및Deriving molecular presenters of an ionic liquid capable of dissolving cellulose from the geometry derived in step 2 (step 3); And
상기 단계 3에서 도출된 분자 표현자와 상기 단계 1에서 수집된 용해도 데이터로부터 분자 표현자로 구성된 용해도에 관한 목적함수를 도출하는 단계(단계 4);를 포함하는 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 탐색하는 방법을 제공한다.
Deriving the objective function of the solubility consisting of molecular descriptors from the molecular descriptors derived in
본 발명에 따른 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 탐색하는 방법은 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 용매로 알려진 이온성 액체들로부터 표현자를 도출한 후, 도출된 표현자 값을 이용하여 이온성 액체를 표현할 수 있는 목적함수를 도출해냄으로써, 상기 목적함수를 만족하여 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 검색해낼 수 있다. 아울러, 본 발명에 따라 검색된 이온성 액체는 종래 셀룰로오스의 용매로 사용되었던 이온성 액체들과 비교하여 더욱 우수한 용해도를 나타낼 수 있다.
The method for searching for an ionic liquid capable of dissolving cellulose according to the present invention derives the presenter from ionic liquids known as a solvent capable of dissolving cellulose, and then uses the derived presenter value to determine the ionic liquid. By deriving the objective function which can be expressed, the ionic liquid which can satisfy | fill the said objective function and can dissolve a cellulose can be searched out. In addition, the ionic liquids searched according to the present invention can exhibit better solubility compared to ionic liquids that have been used as solvents of conventional cellulose.
도 1은 표현자들의 값을 도출해내기 위하여 도시된 그래프들이고;
도 2는 최대용해도를 도출해내기 위한 회귀분석 그래프이다.1 is graphs shown for deriving values of presenters;
2 is a regression analysis graph for deriving maximum solubility.
본 발명은The present invention
셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체들로부터 용해도 데이터(data)를 수집하는 단계(단계 1);Collecting solubility data from ionic liquids capable of dissolving cellulose (step 1);
상기 단계 1의 용해도 데이터 수집에 적용된 이온성 액체들의 기하구조를 최적화하여 최소 에너지 상태(Global minimum)인 기하구조를 도출하는 단계(단계 2);Optimizing the geometry of the ionic liquids applied to the solubility data collection of
상기 단계 2에서 도출된 기하구조로부터 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체의 분자 표현자들을 도출하는 단계(단계 3); 및Deriving molecular presenters of an ionic liquid capable of dissolving cellulose from the geometry derived in step 2 (step 3); And
상기 단계 3에서 도출된 분자 표현자와 상기 단계 1에서 수집된 용해도 데이터로부터 분자 표현자로 구성된 용해도에 관한 목적함수를 도출하는 단계(단계 4);를 포함하는 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 탐색하는 방법을 제공한다.
Deriving the objective function of the solubility consisting of molecular descriptors from the molecular descriptors derived in
이하, 본 발명에 따른 이온성 액체 탐색방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, the ionic liquid searching method according to the present invention will be described in detail for each step.
본 발명에 따른 이온성 액체 탐색방법에 있어서, 단계 1은 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체들로부터 용해도 데이터(data)를 수집하는 단계이다. In the ionic liquid search method according to the present invention,
상기 단계 1에서 용해도 데이터를 수집하는 것은 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 것으로 알려져 있는 이온성 액체(음이온 액체 및 양이온 액체)들의 구조 및 용해도와의 상관관계를 도출하기 위한 것으로, 이때, 상기 단계 1에서 용해도 데이터 수집에 이용되는 이온성 액체는 셀룰로오스를 용해시키는 조건, 수단 등이 유사한 물질들을 선정하는 것이 바람직하다. 즉, 모든 이온성 액체가 동일한 조건 및 수단으로 셀룰로오스를 용해시키는 것이 아니며, 특정 온도 조건 또는 수단(가열, 초음파 처리, 마이크로파 처리 등)을 통해 셀룰로오스를 용해시킬 수 있다. 이때, 이러한 조건 또는 수단이 유사한 이온성 액체들의 목록을 작성하여 이들의 구조로부터 용해도와의 상관관계를 도출해낸다면, 이로부터 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 탐색해낼 수 있는 것이다. Collecting solubility data in
이에, 본 발명에 따른 이온성 액체 탐색방법의 단계 1에서는 셀룰로오스를 용해시키는 조건이 유사한 이온성 액체인 음이온 액체 및 양이온 액체들을 선정하고, 선정된 이온성 액체들로부터 용해도 데이터를 수집한다.
Therefore, in
본 발명에 따른 이온성 액체 탐색방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1의 용해도 데이터 수집에 적용된 이온성 액체들의 기하구조를 최적화하여 최소 에너지 상태(Global minimum)인 기하구조를 도출하는 단계이다. In the ionic liquid search method according to the present invention,
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 종래의 이온성 액체들의 구조로부터 용해도와의 상관관계를 도출하여 최대 용해도를 나타내는 이온성 액체를 탐색하고자 하며, 이에 상기 단계 1에서는 이러한 이온성 액체들의 용해도 데이터를 수집하였다. 상기 단계 2에서는 단계 1에서 용해도 데이터 수집에 적용된 이온성 액체들의 기하구조를 최적화하여 최소 에너지 상태인 기하구조를 도출한다. As described above, the present invention seeks to search for the ionic liquid showing the maximum solubility by deriving solubility from the structure of the conventional ionic liquids capable of dissolving cellulose. Solubility data of the liquids were collected. In
이때, 상기 최소 에너지 상태 기하구조는 여러 개의 국소 에너지 구조들(Local minima)보다 에너지가 낮은 유일한 최소 에너지 구조 (Global minimum)로써, 볼쯔만 분포(Boltzmann distribution)상 이온성 액체 상태로 존재 가능성이 가장 큰 구조이며, 이러한 구조들을 셀룰로오스를 용해시키는 용매 선택시 사용할 수 있다. 특히, 이온성 액체는 양이온과 음이온으로 구성되어 있으므로, 양이온 및 음이온 두 가지 이온들의 구조를 따로 최적화하여 각각의 최소에너지 구조를 구한다. 이때, 상기 단계 2에서 최소 에너지 상태인 기하구조를 도출하는 것은 반경험적 분자 궤도함수법 (Semi-empirical molecular orbital method) 인 AM1(Austin Model 1)에 의해 수행될 수 있으나, 상기 단계 2의 기하구조 도출이 이에 제한되는 것은 아니다.
At this time, the minimum energy state geometry is the only minimum energy structure (Global minimum) having a lower energy than several local energy structures (Local minima), the most likely to exist in the ionic liquid state in the Boltzmann distribution (Boltzmann distribution) It is a large structure and these structures can be used in the selection of a solvent to dissolve cellulose. In particular, since the ionic liquid is composed of cations and anions, the structures of the two ions, cation and anion, are optimized separately to obtain respective minimum energy structures. At this time, deriving the geometry of the minimum energy state in
본 발명에 따른 이온성 액체 탐색방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 도출된 기하구조로부터 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체의 분자 표현자들을 도출하는 단계이다. In the ionic liquid search method according to the present invention,
이온성 액체의 물리적인 성질, 특성 등에 대한 이론적인 연구을 수행함에 있어서, 최근에는 Monte Carlo simulation 또는 CODESSA program을 통해 이온성 액체의 구조와 물리적인 성징, 특성 등에 대한 상관 관계를 연구하는 내용이 수행되고 있다. 이때, 상기 CODESSA program은 분자 표현자 (Molecular Descriptors) 계산 소프트웨어의 일종이고, 상기 표현자(Descriptors)란 분자 자체의 물성, 원자의 결합환경 등을 반영하도록 정의된 값들로써, 예를 들어 상기 CODESSA program은 구조적(Constitutional) 표현자, 위상적(Topological) 표현자, 기하학적(Geometrical) 표현자, 정전기적(Electrostatic) 표현자, 양자화학적(Quantum Chemical) 표현자, 열역학적(Thermo- dynamic) 표현자가 있으며, 분자 (또는 원자)의 종류에 따라 최대 400 여개 이상의 표현자들로 분자를 표현할 수 있다. In conducting theoretical studies on the physical properties and properties of ionic liquids, recently, Monte Carlo simulation or CODESSA program has been conducted to investigate the correlations between the structure and physical properties and characteristics of ionic liquids. have. In this case, the CODESSA program is a kind of molecular descriptors calculation software, and the descriptors are values defined to reflect the properties of the molecules themselves, the binding environment of atoms, and the like, for example, the CODESSA program. Is a structural presenter, a topological presenter, a geometrical presenter, an electrostatic presenter, a quantum chemical presenter, and a thermodynamic presenter. Depending on the type of molecule (or atom), up to 400 or more descriptors can be used to represent a molecule.
이에, 본 발명에 따른 상기 단계 3에서는 상기 단계 2에서 도출된 기하구조로부터 이온성 액체들의 분자 표현자들을 도출해내며, 도출된 분자 표현자들을 통해 단계 2에서 도출된 최소 에너지 상태 기하구조를 표현할 수 있는 분자 표현자들을 도출해낼 수 있다.
Thus, in
본 발명에 따른 이온성 액체 탐색방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3에서 도출된 분자 표현자와 상기 단계 1에서 수집된 용해도 데이터로부터 분자 표현자로 구성된 용해도에 관한 목적함수를 도출하는 단계이다. In the method for searching for an ionic liquid according to the present invention,
상기 단계 3에서 도출된 분자 표현자들은 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 표현하는 것으로, 상기 분자 표현자와 상기 단계 1에서 수집된 용해도 데이터를 통계적으로 분석하는 경우, 이온성 액체의 셀룰로오스 용해도 및 상기 분자표현자의 상관관계를 나타내는 분자 표현자로 구성된 용해도에 대한 목적함수를 도출해낼 수 있다. 따라서, 상기 단계 4에서는 단계 3에서 도출된 분자 표현자와, 단계 1에서 수집된 용해도 데이터로부터 분자 표현자로 구성된 목적함수를 도출해내며, 상기 목적함수로부터 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 탐색해낼 수 있다. The molecular presenters derived in
이때, 상기 단계 4의 목적함수는 MARS(Multivariate Adaptive Regression Spline) 회귀분석법에 의해 도출될 수 있다. 상기 MARS 회귀분석법은 회귀모형의 확장으로서, 모형 예측의 주요 변수와 패턴이 변하는 점을 자동으로 찾아주며, 비선형적인 형태의 자료에 유연하게 대응할 수 있다. 또한, 도출된 결과를 이해하기 쉽고 해석이 용이한 특징이 있다. In this case, the objective function of
상기한 바와 같은 장점들이 있는 것으로 알려진 상기 MARS 모형으로 상기 단계 3에서 도출된 분자 표현자들 및 단계 1에서 수집된 용해도 데이터를 적용함으로써, 이온성 액체의 셀룰로오스 용해도를 나타내는 분자 표현자로 구성된 목적함수를 도출할 수 있다. 이때, 상기 목적함수를 도출하는 것은 각 표현자의 데이터 점을 매듭점(knot)로 하고 각 매듭점에 대한 선형 스프라인(spline)을 생성하여 이를 베이스로 하여 가장 중요한 베이스를 순차적으로 선택하는 방법을 통해 수행될 수 있으며, 이를 통해 용해도와 관련된 중요 표현자 및 상기 중요 표현자에 대한 매듭점을 선정하여 이온성 액체의 셀룰로오스 용해도를 나타내는 목적함수를 도출할 수 있다.
By applying the molecular descriptors derived in
한편, 상기 단계 4의 목적함수는On the other hand, the objective function of
하기 수학식 1 및 2로 나타내어지는 결합정보내용(Bonding information content, BIC);Bonding information content (BIC) represented by
탄소 원자의 평균 원자가(Average of atomic valency of a carbon atom);Average of atomic valency of a carbon atom;
하기 수학식 3으로 나타내어지는 수소 수용체 표면적의 분율(Fractional hydrogen acceptors surface area, FHASA);Fractional hydrogen acceptors surface area (FHASA) represented by the following formula (3);
탄소 원자의 최대 원자 상태에너지(Max atomic state energy for a C atom);Max atomic state energy for a C atom;
하기 수학식 4로 나타내어지는 부분적으로 양전하가 인가된 표면적의 분율(Fractional partial positively charged surface area, FPSA); 및Fractional partial positively charged surface area (FPSA) represented by
수소 수용체가 전이된 표면적(Hydrogen acceptors charged surface area, HACA);인 표현자로 구성될 수 있다.
Hydrogen acceptor charged surface area (HACA);
<수학식 1>&Quot; (1) "
<수학식 2>&Quot; (2) "
<수학식 3>&Quot; (3) "
<수학식 4>&Quot; (4) "
(상기 수학식 1 및 2에 있어서, (In the
상기 n i 는 i번째 클래스의 원자수(number of atoms in the ith class)이고, N i is the number of atoms in the i th class,
상기 n은 분자 내의 전체 원자수(the total number of atoms in the molecule)이며, N is the total number of atoms in the molecule,
상기 k는 주어진 원자 주변 배위권 내의 원자층 수(number of atomic layers in the coordination sphere around a given atom)이고, K is the number of atomic layers in the coordination sphere around a given atom,
q는 분자 그래프 내의 엣지수(number of edges in the molecular graph)이다.)
q is the number of edges in the molecular graph.)
상기 표현자들은 용해도와 관련된 중요 표현자들로써 상기 표현자들을 통해 이온성 액체의 셀룰로오스 용해도에 관한 목적함수를 작성할 수 있으며, 작성된 목적함수로부터 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 탐색해낼 수 있다.
The presenters can use the presenters as an important presenter related to solubility to prepare an objective function relating to the cellulose solubility of the ionic liquid and to search for an ionic liquid capable of dissolving cellulose from the prepared objective function.
한편, 본 발명에 따른 이온성 액체 탐색방법은 상기 목적함수로부터 최대용해도를 도출하는 단계를 더 포함할 수 있다. On the other hand, the ionic liquid search method according to the invention may further comprise the step of deriving the maximum solubility from the objective function.
즉, 도출된 상기 목적함수를 이용하여 이온성 액체의 셀룰로오스 용해도를 분석함으로써, 궁극적으로 셀룰로오스의 최대로 용해시킬 수 있는 최대용해도를 도출해낼 수 있으며, 이를 통해 종래의 이온성 액체보다 용해도가 향상된 이온성 액체를 탐색해 낼 수 있다. 이와 같이 검색된 이온성 액체를 이용하여 고농도의 셀룰로오스 용액을 제조할 수 있으며, 검색된 이온성 액체를 이용하여 제조된 고농도 셀룰로오스 용액은 다양한 분야, 특히 바이오 소재로 적용할 수 있다.
That is, by analyzing the cellulose solubility of the ionic liquid by using the derived objective function, it is possible to derive the maximum solubility that can ultimately dissolve the cellulose to the maximum, through which the ion solubility improved than the conventional ionic liquid The sex liquid can be retrieved. The cellulose solution of high concentration can be prepared using the ionic liquid found as described above, and the high concentration of cellulose solution prepared using the ionic liquid found can be applied to various fields, particularly biomaterials.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described more specifically by way of examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, but the scope of the present invention is not limited by the following examples.
<실시예 1> 최대 용해도를 가지는 이온성 액체 검색Example 1 Ionic Liquid Search with Maximum Solubility
단계 1 : 다양한 형태의 셀룰로오스[MCC(250), MCC, Avicel, cellulose, Eucalyptus pre-hydrolysis sulfate pulp, α-cellulose, spruce sulfite pulp (593), cotton linters (1198), pulp(650), cotton linters, Kraft pulp, pulp cellulose (1000), commercial collulose 등]를 용해시킬 수 있는 이온성 액체들에 있어서, 온도 조건, 용해 수단(가열, 초음파 처리, 마이크로파 처리)을 변화시켜가며, 셀룰로오스의 용해도 자료를 계산해내었으며, 계산된 용해도 자료를 검토하여실험조건이 가장 유사한 이온성 액체 용해도 데이터를 작성하였다. Step 1: Various forms of cellulose [MCC (250), MCC, Avicel, cellulose, Eucalyptus pre-hydrolysis sulfate pulp, α-cellulose, spruce sulfite pulp (593), cotton linters (1198), pulp (650), cotton linters , Kraft pulp, pulp cellulose (1000), commercial collulose, etc.] in ionic liquids, varying the temperature conditions, dissolution means (heating, sonication, microwave treatment), The calculated solubility data were reviewed and the ionic liquid solubility data with the most similar experimental conditions were prepared.
이때, 용해도 데이터 작성에 이용된 이온성 액체들은 110 ℃(또는 90, 100 ℃)의 온도, 가열을 통한 용해조건에서 셀룰로오스(아비셀, Avicel)를 용해시킬 수 있는 이온성 액체들이며, 용해도 데이터 작성에 이용된 이온성 액체들의 목록은 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
At this time, the ionic liquids used for preparing the solubility data are ionic liquids capable of dissolving cellulose (avicel, Avicel) at a temperature of 110 ° C (or 90, 100 ° C) and dissolution conditions by heating. The list of ionic liquids used is shown in Table 1 below.
(℃) Temperature
(℃)
(weight %) Solubility
(weight%)
(℃)Temperature
(℃)
(weight %) Solubility
(weight%)
단계 2 : 상기 단계 1에서 선정된 이온성 액체들을 양이온과 음이온으로 분리한 후 분리된 양이온 및 음이온들의 기하구조를 반경험적인 계산방법인 AM1을 이용하여 최적화하였으며, 이때, 계산 프로그램으로는 Gaussian 03을 사용하였다. 또한, 최적화된 기하구조를 가지는 분자가 최저 에너지 구조임을 확인하기 위하여 GaussView를 이용하여 확인하여 가장 낮은 에너지 구조 (Global minimum)인 기하구조를 도출해내었다.
Step 2: After separating the ionic liquids selected in
단계 3 : 상기 단계 2에서 도출된 기하구조로부터 CODESSA program을 통해 표현자들을 도출해내었다.
Step 3: The presenters were derived from the geometry derived in
단계 4 :상기 단계 3에서 도출된 표현자들과, 상기 단계 1의 용해도 data를 MARS 회귀분석법으로 적용하여 하기 수학식 1인 목적함수(R-스퀘어(R-square)는0.8487) 및 셀룰로오스의 최대 용해도를 도출해내었으며, 상기 최대용해도 도출에는 상호작용(interaction)이 있는 MARS 모형을 사용하였다. 이때, 상기 목적함수에 적용된 표현자들은 도 1의 그래프 및 하기 표 2에 나타낸 바와 같으며, 상기 최대용해도 도출에 적용된 표현자들의 값은 하기 표 2에 나타낸 바와 같다.
Step 4: The objective function (R-square is 0.8487) and the maximum of cellulose represented by
<수학식 1>&Quot; (1) "
용해도(%) = 10.19543 + 219.02773 × max(0.0169 - (FHASA, Fractional HASA (HASA/TMSA) [Quantum-Chemical PC]), 0) - 24.51059 × max((Max atomic state energy for a C atom) - 103.568, 0) - 39.08106 × max(103.568 - (Max atomic state energy for a C atom), 0) - 2.15486 × max(3.8048 - (Bonding Information content(order 1)), 0) - 48.08038 × max((Bonding Information content (order 1)) - 3.8048, 0) × max((FHASA, Fractional HASA (HASA/TMSA) [Quantum-Chemical PC]) - 0.0169, 0) - 194.90408 × max((Bonding Information content (order 1)) - 3.8048, 0) × max((Avg atomic valency of a C atom) - 3.8735, 0) + 66.12931 × max( (Bonding Information content (order 1)) - 3.8048, 0) × max(0.9316-(FPSA-1, Fractional PPSA (PPSA-1/TMSA) [Zefirov's PC]), 0 ) + 0.22651 × max(3.8048 - (Bonding Information content (order 1)), 0) × max(11.2246 - (HASA-1 [Zefirov's PC]), 0) - 2.41683 × max((Bonding Information content (order 1)) - 3.8048, 0) × max((HACA-2 [Zefirov's PC]), 0)
Solubility (%) = 10.19543 + 219.02773 × max (0.0169-(FHASA, Fractional HASA (HASA / TMSA) [Quantum-Chemical PC]), 0)-24.51059 × max ((Max atomic state energy for a C atom)-103.568 , 0)-39.08106 × max (103.568-(Max atomic state energy for a C atom), 0)-2.15486 × max (3.8048-(Bonding Information content (order 1)), 0)-48.08038 × max ((Bonding Information content (order 1))-3.8048, 0) × max ((FHASA, Fractional HASA (HASA / TMSA) [Quantum-Chemical PC])-0.0169, 0)-194.90408 × max ((Bonding Information content (order 1)) -3.8048, 0) × max ((Avg atomic valency of a C atom)-3.8735, 0) + 66.12931 × max ((Bonding Information content (order 1))-3.8048, 0) × max (0.9316- (FPSA-1 , Fractional PPSA (PPSA-1 / TMSA) [Zefirov's PC]), 0) + 0.22651 × max (3.8048-(Bonding Information content (order 1)), 0) × max (11.2246-(HASA-1 [Zefirov's PC] ), 0)-2.41683 × max ((Bonding Information content (order 1))-3.8048, 0) × max ((HACA-2 [Zefirov's PC]), 0)
한편, 상기 MARS 회귀분석법을 통해 도출된 셀룰로오스의 최대 용해도 값은 48.4 중량%로 나타났다. 즉, 현재 알려진 실험적 용해도는 약 15 중량%의 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 반면, 본 발명에서 도출된 최대 용해도 값은 이의 3배에 달하는 것으로 나타났다. 이를 통해, 본 발명에 따른 탐색방법으로 종래의 이온성 액체보다 더욱 우수한 셀룰로오스 용해도 값을 갖는 이온성 액체를 탐색할 수 있음을 알 수 있다.
On the other hand, the maximum solubility value of the cellulose derived through the MARS regression analysis was found to be 48.4% by weight. In other words, currently known experimental solubility can dissolve about 15% by weight of cellulose, while the maximum solubility value derived from the present invention was found to reach three times that. Through this, it can be seen that the search method according to the present invention can search for the ionic liquid having a better cellulose solubility value than the conventional ionic liquid.
Claims (5)
상기 단계 1의 용해도 데이터 수집에 적용된 이온성 액체들의 기하구조를 최적화하여 최소 에너지 상태(Global minimum)인 기하구조를 도출하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 도출된 기하구조로부터 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체의 분자 표현자들을 도출하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 도출된 분자 표현자와 상기 단계 1에서 수집된 용해도 데이터로부터 분자 표현자로 구성된 용해도에 관한 목적함수를 도출하는 단계(단계 4);를 포함하는 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 탐색하는 방법.
Collecting solubility data from ionic liquids capable of dissolving cellulose (step 1);
Optimizing the geometry of the ionic liquids applied to the solubility data collection of step 1 to derive a geometry that is a global minimum (step 2);
Deriving molecular presenters of an ionic liquid capable of dissolving cellulose from the geometry derived in step 2 (step 3); And
Deriving the objective function of the solubility consisting of molecular descriptors from the molecular descriptors derived in step 3 and the solubility data collected in step 1 (step 4); How to navigate.
하기 수학식 1 및 2로 나타내어지는 결합정보내용(Bonding information content, BIC);
탄소 원자의 평균 원자가(Average of atomic valency of a carbon atom);
하기 수학식 3으로 나타내어지는 수소 수용체 표면적의 분율(Fractional hydrogen acceptors surface area, FHASA);
탄소 원자의 최대 원자 상태에너지(Max atomic state energy for a C atom);
하기 수학식 4로 나타내어지는 부분적으로 양전하가 인가된 표면적의 분율(Fractional partial positively charged surface area, FPSA); 및
수소 수용체가 전이된 표면적(Hydrogen acceptors charged surface area, HACA);인 표현자로 구성되는 것을 특징으로 하는 셀룰로오스를 용해시킬 수 있는 이온성 액체를 탐색하는 방법:
<수학식 1>
<수학식 2>
<수학식 3>
<수학식 4>
(상기 수학식 1 및 2에 있어서,
상기 n i 는 i번째 클래스의 원자수(number of atoms in the ith class)이고,
상기 n은 분자 내의 전체 원자수(the total number of atoms in the molecule)이며,
상기 k는 주어진 원자 주변 배위권 내의 원자층 수(number of atomic layers in the coordination sphere around a given atom)이고,
q는 분자 그래프 내의 엣지수(number of edges in the molecular graph)이다.).
According to claim 1, wherein the objective function of step 4
Bonding information content (BIC) represented by Equations 1 and 2 below;
Average of atomic valency of a carbon atom;
Fractional hydrogen acceptors surface area (FHASA) represented by the following formula (3);
Max atomic state energy for a C atom;
Fractional partial positively charged surface area (FPSA) represented by Equation 4 below; And
Method for searching for an ionic liquid capable of dissolving cellulose, characterized in that the hydrogen acceptor charged surface area (HACA);
&Quot; (1) "
&Quot; (2) "
&Quot; (3) "
&Quot; (4) "
(In the above formulas 1 and 2,
N i is the number of atoms in the i th class,
N is the total number of atoms in the molecule,
K is the number of atomic layers in the coordination sphere around a given atom,
q is the number of edges in the molecular graph).
The method of claim 1, wherein the objective function of step 4 is derived by a multivariate adaptive regression spline (MARS) regression method.
The method of claim 1, wherein the geometry of step 2 is derived by the AM1 method, which is a semi-experimental molecular orbital method.
The method of claim 1, further comprising the step of deriving maximum solubility from the objective function of step 4. The method for searching for an ionic liquid capable of dissolving cellulose.
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