KR20000045851A - 키토산 유도체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 키토산 유도체의 제조방법에 관한 것으로, 키토산을 유도체와 반응시키기 전에 염화나트륨, 황산나트륨, 염화암모늄, 염화칼륨, 황산암모늄, 초산나트륨 등의 무기염을 무기 분산제로, 유기 분산제로는 우레아를 사용하여 키토산을 산성 용액에서 50 내지 100℃에서 5 내지 60분 반응시켜 균일한 키토산염을 제조한 후 유도체를 도입시키는 키토산 유도체의 제조방법에 관한 것으로 유도체 치환 효율의 저하 요인을 개선하여 치환도가 높은 키토산 유도체를 합성할 수 있다.

Description

키토산 유도체의 제조방법

본 발명은 키토산 유도체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자의 불용성 키토산을 유도체와 반응시키기 전에 적절한 유기물 또는 무기염의 산성 용액에 키토산을 용해시켜 균일한 키토산염을 제조한 후, 이를 여러 종류의 유도체와 반응시켜 보다 높은 치환도를 가지는 키토산 유도체 제조방법에 관한 것이다.

1980년대 중반부터 키토산의 다양한 용도가 산업분야에서 밝혀지기 시작하면서 특정용도 및 응용분야에 부합되는 고유한 물성을 갖는 다양한 종류의 키토산 원료와 그 유도체의 개발이 활기를 띠기 시작하였다.

키토산의 주요 용도는 주로 응집제, 중금속 흡착제, 염료폐수 정화제 등의 폐수처리 분야와 토양개량제, 살충제, 식물항바이러스제, 농약 등의 농업분야에서 많이 이용되어 왔으며, 키토산의 콜레스테롤 저하, 면역기능 강화, 간 기능 강화, 혈당 조절 작용, 혈압 상승 억제 등의 생리활성기능을 이용한 식품 및 건강식품, 기능성 음료 응용분야, 피부노폐물 제거, 탁월한 보온, 보습 효과, 항균성, 피부세포의 활성화 등 화장품의 원료로서도 탁월한 기능이 밝혀지면서 샴푸, 린스, 헤어스프레이, 헤어젤, 크림, 입욕제, 팩, 세안제 등 화장품 응용분야, 상처치료제, 화상치료제, 봉합사, 지혈사 등 보건위생 응용분야, 섬유관련 응용분야, 의약품 응용분야 등으로 더욱 확대되고 고급화되어 가고 있다.

이미 상업적으로 시판되고 있는 키토산은 게 껍질에서 추출한 아미노 글루코즈 단위로 구성되는 다당류로서 N-아세틸아미노글루코즈를 기본 단위체로 하여 구성된 고분자의 키틴을 출발물질로 한다.

키틴에서 화학적 혹은 생물학적 처리로 아세틸기를 떼어내면 탈아세틸화 반응이 진행되어 아세틸기(NHCOCH₃)가 유리 아미노기(-NH₂)로 바뀐다. 이렇게 형성된 글루코사민의 피라노즈 단위체가 무수히 베타-1,4결합으로 연결된 것이 키토산이다.

상업적으로 이용되는 키토산은 약 80%이상의 탈아세틸화도를 가지며, 평균 중합도(mean degree of polymerization)가 일반적으로 500∼10,000의 범위를 가진다.

반면 천연 키틴의 경우 항상 5,000 이상의 값을 가진다.

키토산의 구조를 자세히 살펴보면 2번 위치의 탄소에 유리 아미노기(-NH₂)와 6번의 위치의 탄소에 알콜(-OH)기를 가진다.

따라서 이 두 작용기에 새로운 화학적 치환기를 도입시켜 새로운 키토산 유도체를 합성하면 기존의 키토산 자체보다 더 우수한 특징을 가지는 새로운 물질의 키토산 유도체 합성이 기대된다.

기존의 키토산 유도체 제조로는 "카보하드레이트 폴리머(Carbohydrate Polymers 8(1988), p1-21)"에서 알칼리 존재 하에서의 키토산의 카복시메틸화에 대한 다양한 가능성 제시를 하고 있으며, Int.J.Biol.Macromol. 10(1988), p124-125, J.Chem.Soc., Chem, Comm(1980), p1153-1154, J.App.Polymer Science 31(1986), p1951-1954, Makromol. Chem.188(1987), p1659-1664 등에서 키토산 유도체 제조에 관해 기술하고 있다.

또한 유럽특허 EP-A 0,224,045 와 EP-A 0,277,322 에서는 N-하이드록시메틸키토산, N-하이드록시프로필키토산과 N-하이드록시프로필 에테르 키토산 등의 키토산 유도체 제조방법을, 또 다른 유럽특허 EP-A 0,115,574 와 DE-A 3,502,833에서는 물 혹은 수용성 유기용매에서의 암모늄기가 도입된 키토산 유도체의 제조방법을, 일본특허 JP-A 61-60701에서는 키토산과 4급 암모늄알킬 할로겐성분, 글리시딜 트리알킬 암모늄 할로겐성분과 알킬렌 옥사이드와의 반응에 의한 키토산 유도제 제조방법을 제시하고 있다.

상기 논문 및 특허에서 제시되는 키토산 유도체 제조방법은 크게 먼저 키토산염을 제조한 후 제조된 키토산염과 유도체를 반응시켜 키토산 유도체를 제조하거나, 키토산을 유기용매에 단순히 분산시킨 후 적절한 반응체제를 이용하여 키토산에 유도체를 직접 반응시켜 키토산 유도체를 합성한다.

혹은 산을 이용하여 적정농도(주로 1% 기질농도)의 키토산 용액을 제조한 후 여기에 유도체를 직접 반응시켜 키토산 수용액 유도체를 제조한다.

그러나 이러한 방법들은 키토산 자체의 높은 점도로 인해 매우 희석된 상태 즉 매우 낮은 농도에서 반응시키거나, 대체적으로 위 반응이 용매에 완전히 용해시키지 못하고 단순히 분산만 시키는 불균일계 반응이므로 반응효율이 저하되어 실제 키토산에 치환되는 유도체의 비율이 매우 낮아 목적하는 최종 생산물의 수율이 매우 낮은 것이 단점으로 지적되고 있다.

일반적으로 고분자의 치환반응은 균일하지 않다. 특히 셀룰로우즈 혹은 전분 등의 경우 대부분의 반응이 불균일한 조건에서 수행되며, 화학적 치환은 고분자사슬의 도입부위 즉 작용기에 의존한다. 특히 키토산 같은 천연 고분자의 경우 도입부위 즉 작용기의 노출은 키토산 유도체를 제조하는데 있어서 중요한 요인이 되며, 반응계를 균일한 반응계로 유도하는데 매우 중요한 요인이 된다.

일반적으로 균일한 반응계를 이루기 위해서는 반응 출발물질인 불용성 키토산에 산을 첨가하여 키토산을 용해하는 과정이 수반되며, 이를 위해서 키토산을 염형태로 변화시킨 후 반응시키거나, 혹은 키토산을 저분자 수준, 가령 올리고당 수준으로 사슬을 절단하여 키토산의 두 작용기의 입체장애를 최대한 억제한 후 반응을 수행하게 된다.

그러나 전자의 경우 고분자의 키토산이 용해되었을 때 완전히 직선형태의 분자상태로 펼쳐지는 것이 아니라 분자간 혹은 분자내의 인력으로 인하여 많이 접혀지거나 구부러져 있어서 작용기가 숨겨지거나 많은 입체장애를 받게 되어 유도체의 치환이 그 만큼 어려워진다.

후자의 경우에는 키토산 고분자를 올리고당 수준으로 분해하는 과정인 저분자화 과정을 위한 시간이 많이 소요되며 분리 및 정제시간이 비례적으로 증가되는 문제점이 발생한다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 키토산 유도체 제조시 발생하는 문제점을 해결하고, 유도체 치환·효율의 저하 요인을 개선하고 생산물의 손실을 최소화하기 위한 것으로 유기물 또는 무기염의 적절한 분산제를 사용하여 균일한 키토산염을 제조하고, 이를 유도체와 반응시켜 균일한 반응계에서 치환도가 높은 키토산 유도체의 제조방법을 제공하는 것이다.

즉, 본 발명은 키토산 유도체의 합성에 있어서, 키토산을 유도체와 반응시키기 전에 분산제로 유기물 또는 무기염을 첨가하여 키토산을 산성 용액에 용해시키고 여기에 유기용매를 가하여 균일한 키토산염을 제조하는 전처리 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저 일차적으로 키토산에 염산, 초산, 젖산 등의 산성분을 첨가하여 물에 용해시켜 줌으로서 키토산염을 제조한다.

초기 출발키토산이 고분자일 경우, 가령 분자량 100,000이상일 경우, 더 넓게는 200,000이상일 경우, 산 첨가 후 수용성이 부여되어 과정에서 마치 전체가 염형태를 이룬 듯이 보여지나, 실제로는 고분자 사슬이 고도로 원형 또는 일정한 형태 없이 뭉쳐진 형태를 띄므로 적은 시간 산성분 존재 하에서 반응시키면 일부 고분자 표면부위만 염형태를 이루게 되고 나머지 부분은 분자 내 혹은 분자간의 결합에 계속 참여하는 경우가 많다.

결국 우리가 목적하는 작용기를 도입하는 과정에서 고분자 표면의 일부만이 균일계 반응이 가능하여 여기에만 유도체가 치환되어 전체적인 반응효율이 낮아지게 된다.

본 발명에서는 키토산염 제조시 분산제로 적정량(대부분의 키토산염이 용액 상에 용해되지 않을 정도의 양)의 무기염 혹은 우레아(Urea)를 첨가하여 키토산 분자간 또는 분자내 소수성을 블로킹함으로써 고분자 사슬의 꼬임현상이나 뭉침현상을 최소화하여 직선형태의 균일한 키토산염을 제조한 후 여기에 유기용매을 첨가하고 여과, 건조하여 고체의 키토산염을 제조한다.

특히 우레아를 사용할 경우 접혀 있거나 일정한 형태없이 뭉쳐져 있는 고분자의 키토산 사슬을 거의 직선상태의 분자구조로 만들어 작용기가 입체장애 없이 자유롭게 유도체와 반응할 수 있도록 도와준다.

본 발명은 주로 수용액상, 특히 무기염 및 우레아(Urea)가 존재하는 수용액상에서 이루어지며, 이 때 사용되는 무기염 및 우레아의 양은 키토산염이 수용액상에서 용해되지 않을 정도로 충분한 양을 사용하며, 이는 사용하는 염에 따라 달라진다.

첨가되는 무기염의 함량은 일반적으로 2 내지 20중량%를 첨가하며 우레아의 경우에는 2M 내지 8M, 바람직하게는 3M 내지 6M을 사용한다.

이 때 사용되는 염으로는 물에 용해성이 우수한 클로라이드류, 나이트레이트류, 설파이드류 혹은 아세테이트류가 있으며, 알칼리 금속염 혹은 암모늄 금속염 등을 사용한다.

금속염은 염화나트륨, 황산나트륨, 염화암모늄, 염화칼륨, 황산암모늄, 혹은 초산나트륨 등을 사용한다. 키토산염 추출용매로는 에탄올, 메탄올, 아세톤, 테트라히드로퓨란 등을 사용한다.

본 발명의 첨가되는 키토산의 양은 분산제 대비 1 내지 20중량%이며, 바람직하게는 2.5 내지 15중량%이다.

또한 이때 사용되는 키토산은 탈아세틸화도는 80%이상, 중합도는 100내지 10,000 바람직하게는 1,000내지 7,000인 것이 적당하다. 입자크기는 1㎜미만, 바람직하게는 0.04내지 0.3㎜이하가 적당하다. 입자크기가 1㎜이상일 경우 반응효율이 저하될 수 있으며, 0.04㎜미만일 경우 투입 및 제조에 불리하게 된다.

초기 유도체 합성을 위한 염제조 반응은 일반적으로 온도에 의존하며 50내지 100℃, 바람직하게는 60∼90℃에서 5내지 60분, 바람직하게는 10내지 60분의 조건이 바람직하다.

온도가 100℃이상일 경우에는 반응공정이 과격하여 열분해과정이 발생할 수 있으며, 50℃미만에서는 반응시간이 너무 길어져 비경제적이다.

또한 염제조 반응이 10분 미만일 경우 미반응 비율이 높아져 작용기의 적절한 도입이 이루어지지 않으며, 60분 이상일 경우에는 산에 의한 가수분해반응이 일어나 분자사슬이 급속도로 끊어져 분리/정제에 많은 비중을 두게 되어 비경제적이다.

본 발명의 실시예는 아래와 같으나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

〈실시예 1〉

중합도 8,000, 탈아세틸화도 90%, 입자크기 0.01㎜이하의 키토산 30g을 4M 우레아 용액 3000g에 분산시킨 후, 초산 62.5g을 첨가하여 pH를 2.7로 맞춘 후 60℃에서 45분간 교반한 다음, 교반액을 25℃로 냉각한 후 에탄올 9,000㎖를 첨가하고 여과, 건조한다. 이렇게 제조된 키토산 염 26.3g과 에탄올 26.0g을 혼합하여 10분간 교반한 후 모노클로로 아세트산 3.8g을 첨가한 후 질소 분위기 하에서 80℃, 6시간 반응시켜 N-카복시메틸키토산을 제조하였다.

이 때 얻어진 N-카복시메틸키토산의 아미노기의 치환도는 0.55이었다.

〈실시예 2〉

중합도 8,000, 탈아세틸화도 90%, 입자크기 0.01㎜이하의 키토산 10g을 10%염화나트륨 용액 1000g에 분산시킨 후, 37% 염산 43.5g을 첨가하여 pH를 2.5로 맞춘 후 60℃에서 60분간 교반한 다음, 교반액을 다시 25℃로 냉각한 후 메탄올 3,000㎖를 첨가하고 여과하여 진공 건조한 후, 건조된 키토산 염 5.0g과 50% 메탄올 8.0g을 혼합하여 10분간 교반한 후 모노클로로 아세트산 3.8g을 첨가한 후 질소 분위기 하에서 80℃, 6시간 반응시켜 N-카복시메틸키토산을 제조하였다.

이 때 얻어진 N-카복시메틸키토산의 아미노기의 치환도는 0.38이었다.

〈실시예 3〉

중합도 8,000, 탈아세틸화도 90%, 입자크기 0.01㎜이하의 키토산 30g을 10%염화나트륨 용액 3000g에 분산시킨 후, 37% 젖산 60.5g을 첨가하여 pH를 2.7로 맞춘 다음 60℃에서 60분간 교반한 다음, 교반액을 25℃로 냉각한 후 아세톤 9,000㎖를 첨가하고 여과하여 진공 건조한 후, 이렇게 제조된 키토산 염 15.6g과 메탄올 26.0g을 혼합하여 10분간 교반한 후 요오드에틸 8.5g을 첨가한 후 질소 분위기 하에서 80℃, 5시간 반응시켜 N-카복시메틸키토산을 제조하였다.

이 때 얻어진 N-카복시메틸키토산의 아미노기의 치환도는 0.37이었다.

〈비교예 1〉

실시예 1에서 일차적으로 키토산염 제조과정 없이 중합도 8,000 탈아세틸화도 90%, 입자크기 0.01㎜이하의 키토산 10g을 물 250g과 혼합하여 10분간 교반한 후 모노클로로 아세트산 100g을 첨가한 후 질소 분위기 하에서 80℃, 24시간 반응시켜 N-카복시메틸키토산을 제조하였 다음, 이 때 얻어진 N-카복시메틸키토산의 아미노기의 치환도는 0.25이었다.

〈비교예 2〉

실시예 1에서 일차적으로 키토산염 제조과정 없이 중합도 8,000 탈아세틸화도 90%, 입자크기 0.01㎜이하의 키토산 10g을 물 150g과 에탄올 100g을 혼합하여 10분간 교반한 후 모노클로로 아세트산 100g을 첨가한 후 질소 분위기 하에서 80℃, 24시간 반응시켜 N-카복시메틸키토산을 제조하였다.

이 때 얻어진 N-카복시메틸키토산의 아미노기의 치환도는 0.22이었다.

상시에서 기술한 바와 같이 본 발명에서는 키토산을 유도체와 반응시키기 전에 분산제로 유기물 또는 무기염을 첨가하여 키토산을 산성 용액에 용해시키고, 여기에 유기용매를 가하여 균일한 키토산염을 제조함으로써 키토산 유도체의 효율적 생산에 의해 키토산의 이용성 증대를 이룰 수 있으며, 기능기 도입의 고 효율성으로 인한 응용범위의 확대를 가져올 수 있다.

Claims (4)

1. 키토산 유도체의 합성에 있어서, 키토산을 산성용액에 용해시킬 때 무기염 또는 유기물을 분산제로 사용하여 키토산염을 제조하는 전처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도체 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 분산제로 상기 무기염의 종류는 클로라이드류, 나이트레이트류, 설파이트류, 아세테이트류, 알칼리 금속염, 암모늄 금속염으로 염화나트륨, 황산나트륨, 염화암모늄, 염화칼륨, 황산암모늄, 초산나트륨으로 이루어진 군과 유기분산제로 우레아를 사용하는 것을 특징으로 하는 키토산 유도체의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 키토산염제조 반응은 50 내지 100℃에서 5내지 60분 동안 반응시키는 것을 특징으로 하는 키토산 유도체 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 키토산은 탈아세틸화도가 90%이상, 중합도가 100 내지 10,000인 것을 분산제 대비 1내지 20 중량%를 사용하는 것을 특징으로 하는 키토산 유도체의 제조방법.