KR20020090782A - 카르복실 키토산의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 화장품 원료로 많이 사용되고 있는 수용성 키토산 유도체의 제조방법에 관한 것으로, 수용성이면서도 제조시 수율이 높고, 제조단가를 낮추어 기존 키토산 유도체에 비하여 보다 폭 넓은 범위에 적용할 수 있도록 하는데 그 목적이 있으며, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 키토산과 증류수를 1:7 내지 1:15의 중량비로 혼합하여 교반하고, 여기에 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딘 옥소 암모늄(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine oxu ammonium)을 키토산 100중량부에 대하여 1.0중량부이상 첨가한 다음, 소듐브로마이드(Sodium bromide;NaBr) 30중량부 내지 50중량부를 첨가하고 다시 4% 소듐 하이포클로라이트(Sodium hypochlorite) 수용액 150중량부 내지 200중량부를 첨가한 후, 상기 반응액을 0±5℃로 냉각하고 여기에 수산화나트륨 수용액을 pH10 내지 11이 될 때까지 천천히 첨가한 후 상온에서 3시간 이상 반응시킨 다음, 상기 반응액을 다시 염산으로 pH6 내지 7로 조절한 후 이를 1/3정도로 농축시킨 다음 에탄올을 첨가하여 결정을 석출시킨 후 필터하고 건조함을 특징으로 하는 카르복실 키토산의 제조방법을 제공함으로서 달성할 수 있다.

Description

카르복실 키토산의 제조방법{A manufacturing method of carboxyl chitosan}

본 발명은 각종 화장품 원료로 많이 사용되고 있는 수용성 키토산 유도체의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 키토산 유도체와 동일한 특성을 나타냄과 동시에 수율이 높고, 제조단가가 낮아 기존 키토산 유도체에 비하여 보다 폭 넓은 범위에 적용할 수 있도록 한 O-카르복실 키토산의 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, 이로 인하여 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 유도체로는 대표적으로 하기 화학식 1의 구조를 가지는 N,O-카르복시메틸 키토산(N,O-carboxymethyl chitosan; 이하 NOCC라 함)과 하기 화학식 2의 구조를 가지는 O-카르복시메틸 키틴(O-carboxymethyl chitin; 이하 CMC라 함)이 있다.

상기 화학식 1에서 n은 1이상의 정수를 나타낸다.

상기 화학식 2에서 n은 1이상의 정수를 나타낸다.

상기 화학식 1에 나타낸 NOCC 또는 화학식 2에 나타낸 CMC의 키토산 유도체는 일반적으로 키틴 또는 키토산을 모노클로로아세트산(CH₂ClCOOH)과 반응시켜 제조하고 있다. 이때 상기 NOCC와 CMC에 포함되어 있는 카르복실기(COOH)는 쉽게 CH₂CH₂COO^-Na⁺및 NHCH₂COO^-Na⁺형태로 이온화되는 경향을 나타내므로 수용성이 발현되게 된다.

이중에서도 NOCC의 통상적인 제조방법을 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 키토산을 수산화나트륨 수용액에 넣어 교반하여 슬러리화 시킨 다음, 이 반응물을 90℃로 가열한 후 모노클로로아세트산나트륨을 수회 나누어 투입하고, 여기에 수산화나트륨 수용액을 다시 더 첨가하여 pH를 10내지 10.5로 유지시킨다. pH가 안정화 된후 반응물을 24시간 동안 90℃에서 교반한 다음 25℃로 냉각시키고 다시 아세트산 수용액을 사용하여 pH를 8.5로 중화시킨다. 이를 증류수에 대해 투석하고 동결 건조시키면 NOCC를 얻을 수 있게 된다.

그러나 상기한 방법으로 키토산 유도체를 제조할 경우 미반응 출발물질(키토산)이 많이 남아 수득율이 대략 35%정도로 현저하게 낮고, 또한 키토산 유도체가 겔상태로 얻어지는 단점이 있다. 뿐만 아니라 키토산 유도체의 제조시 사용되는 모노클로로아세트산의 가격이 고가이므로 제조단가를 상승시키는 문제점이 있다.

이에 본 발명자는 상기 NOCC와 동일한 수용성을 가짐과 동시에 제조시 수율이 높고 제조단가를 낮출 수 있도록 한 키토산 유도체를 연구한 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이에 본 발명의 목적은 수용성이면서도 제조시 수율이 높고, 제조단가를 낮추어 기존 키토산 유도체에 비하여 보다 폭 넓은 범위에 적용할 수 있도록 한 O-카르복실 키토산의 제조방법 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은

키토산과 증류수를 1:7 내지 1:15의 중량비로 혼합하여 교반하고, 여기에 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딘 옥소 암모늄(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine oxu ammonium)을 키토산 100중량부에 대하여 1.0중량부이상 첨가한 다음, 소듐브로마이드(Sodium bromide;NaBr) 30중량부 내지 50중량부를 첨가하고 다시 4% 소듐 하이포클로라이트(Sodium hypochlorite) 수용액 150중량부 내지 200중량부를 첨가한 후, 상기 반응액을 0±5℃로 냉각하고 여기에 수산화나트륨 수용액을 pH10 내지 11이 될 때까지 천천히 첨가한 후 상온에서 3시간 이상 반응시킨 다음, 상기 반응액을 다시 염산으로 pH6 내지 7로 조절한 후 이를 1/3정도로 농축시킨 다음 에탄올을 첨가하여 결정을 석출시킨 후 필터하고 건조함을 특징으로 하는 O-카르복실 키토산의 제조방법을 제공함으로서 달성할 수 있다.

이하 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에서는 하기 화학식 3의 구조를 갖는 O-카르복실 키토산(O-carboxyl chitosan; 이하 OCC라 함)의 제조방법을 제공한다.

상기 화학식 3에서 n은 1이상의 정수를 나타낸다.

상기 화학식 3에 나타낸 OCC의 경우 카르복실기(COOH)는 쉽게 CH₂CH₂COO^-Na⁺및 NHCH₂COO^-Na⁺형태로 이온화되는 경향을 나타내므로 수용성이 발현되게 되며, 또한 상기 OCC의 특성이 기존 NOCC와 비하여 유사한 특성을 가지는 것이 알려져 있다.

상기한 OCC를 제조하기 위하여 본 발명은 먼저 키토산과 증류수를 1:7 내지 1:15의 중량비로 혼합하여 교반하고, 여기에 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딘 옥소 암모늄(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine oxu ammonium 이하 TEMP라 함)을 키토산 100중량부에 대하여 1.0중량부 이상 첨가하게 된다.

이때 키토산과 증류수의 혼합비율은 제한된 혼합비율을 적용할 필요는 없으나 반응액의 농도와 농축시의 시간 등을 고려하여 1:7 내지 1:15의 비율로 혼합하는 것이 적당하다.

이와 같이 키토산과 증류수를 혼합한 다음 TEMP를 키토산 100중량부에 대하여 1.0중량부 내지 1.5중량부를 첨가하게 된다. 이때 상기 TEMP는 반응개시제로서라디칼 형성시키는 역할을 하며, 그 첨가량이 1.0중량부 미만일 경우 반응시간이 길어지고 미반응물이 많이 남게 되어 수율이 저하되는 문제점이 있으므로 1중량부 이상 첨가하는 것이 좋다. 그러나 상기 TEMP의 첨가량이 1.5중량부를 초과할 필요는 없고 오히려 TEMP의 가격이 높아 제조단가를 상승시키는 단점이 있으므로 TEMP의 첨가량은 1.0중량부 내지 1.5중량부가 보다 바람직하다.

상기와 같이 키토산에 TEMP를 첨가하게 되면 키토산은 하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이 CH₂OH기가 CHO기로 변화된다.

상기 반응식 1에서 n은 1이상의 정수를 나타낸다.

상기와 같이 TEMP를 첨가한 다음, 여기에 소듐브로마이드 30중량부 내지 50중량부를 첨가하고, 다시 4% 소듐 하이포클로라이트(NaOCl) 수용액 150중량부 내지 200중량부를 첨가하게 된다.

이때 소듐브로마이드를 첨가하게 되면 CHO기는 하기 반응식 2에 나타낸 바와 같이 COBr로 변화된다. 이때 그 첨가량이 30중량부 미만일 경우 미반응물이 다량 남게되어 최종수율이 저하되는 문제점이 발생하게 되고, 50중량부를 초과할 경우 반응 종결시 남은 소듐브로마이드의 제거가 어려운 단점이 있으므로 소듐브로마이드의 첨가량은 30중량부 내지 50중량부가 바람직하다.

상기 반응식 2에서 n은 1이상의 정수를 나타낸다.

또한 소듐 하이포클로라이트는 하기 반응식 3과 같이 COBr을 산화시키는 역할을 하는 것으로 그 첨가량이 150중량부 미만일 경우 미반응물이 다량 남게 되어 최종수율을 저하시키는 문제점이 발생하게 되고, 200중량부를 초과할 경우 잔량의 소듐 하이포클로라이트의 제거가어려운 단점이 있으므로 소듐 하이포클로라이트의 첨가량은 150중량부 내지 200중량부 첨가하는 것이 좋다.

상기 반응식 2에서 n은 1이상의 정수를 나타낸다.

이와 같이 소듐 하이포클로라이트를 첨가한 후 반응액을 0±5℃로 냉각하고 여기에 수산화나트륨 수용액을 pH10 내지 11이 될 때까지 천천히 첨가한 후 상온에서 3시간 이상 반응시키게 된다.

이때 반응액 냉각하는 이유는 수산화나트륨을 첨가하게 되면 열이 발생하게되는데, 발생되는 열을 제거시킴으로서 반응을 보다 빠르게 유도시킬 목적으로 냉각하는 것이다. 수산화나트륨을 첨가하여 pH가 10 내지 11정도가 되면 첨가를 중지하고 상온으로 온도를 올린 다음 3시간 이상 반응시킨다.

반응을 시킨 후 미반응 키토산이 남아 있을 경우에는 소듐 하이포클로라이트를 더 첨가할 수도 있으며, 이와 같이 미반응 키토산을 반응시키면 수율을 극대화시킬 수 있다.

반응이 완료되면 상기 반응액에 염산을 첨가하여 pH6 내지 7로 조절하게 되며, 이때 하기 반응식 4에서 보는 바와 같이 COONa기가 COOH로 변화되어 본 발명에 의한 OCC 키토산 유도체를 제조된다.

상기 반응액은 최종 키토산 유도체를 얻기 위하여 반응혼합액을 1/3정도로 농축한 다음 에탄올을 첨가하여 결정을 석출시킨 후 필터하고 건조하게 된다.

이때 에탄올을 천천히 첨가하면 본 발명의 OCC의 경우 알코올에 용해성을 갖지 않으므로 서서히 결정이 석출되는 것을 볼 수 있으며, 더 이상 석출되지 않을 정도까지 첨가한 다음 통상의 방법으로 필터링하고 건조하게 되면 상기 화학식 3에 나타낸 OCC를 얻을 수 있다.

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 13>

키토산 10g과 증류수 100g을 혼합 교반하고, 여기에 TEMP, 소듐브로마이드, 및 4% 소듐 하이포클로라이트를 하기 표1에 나타낸 량만큼 순차적으로 투입한 후, 상기 반응액을 0±5℃로 냉각하고 여기에 수산화나트륨 수용액을 pH11이 될 때까지 10분에 걸쳐 투입한 다음 상온에서 3시간 동안 반응시켰다. 상기 반응액에 다시 염산을 pH7이 될 때까지 투입한 후 이를 가열하여 반응액이 약 1/3정도로 될 때까지 농축시킨 다음 에탄올 220g을 첨가하여 결정을 석출시킨 후 필터링하고 건조하여 OCC를 제조하였다. 이렇게 제조된 OCC의 수율을 산출하여 하기 표 1에 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	TEMP(g)	NaBr(g)	NaClO(g)	수율(%)
실시예 1	0.05	4	150	75.2
실시예 2	0.10	4	150	91.5
실시예 3	0.12	4	150	92.7
실시예 4	0.15	4	150	93.5
실시예 5	0.20	4	150	94
실시예 6	0.12	2	150	77.6
실시예 7	0.12	3	150	85.7
실시예 8	0.12	5	150	93.7
실시예 9	0.12	6	150	94.2
실시예 10	0.12	4	120	88.7
실시예 11	0.12	4	180	94.2
실시예 12	0.12	4	200	94.0
실시예 13	0.12	4	250	94.0
비교예 1	-	-	-	36

상기 표 1에서 보는 바와 같이 TEMP를 본 발명의 바람직한 범위 내에서 첨가한 실시예 2 내지 5의 경우 본 발명의 범위를 벗어나도록 첨가한 실시예 1에 비하여 수율이 높은 것을 알 수 있다. 특히, TEMP의 첨가량을 0.20g 이상 첨가시 수득율은 더 이상 크게 변화하지 않는 것을 확인할 수 있었다.

또한 NaBr을 본 발명의 범위 내에서 첨가한 실시예 7과 8의 경우 본 발명의 범위를 벗어나도록 첨가한 실시예 6에 비하여 수율이 높은 것을 알 수 있다. 그러나 그 첨가량을 과량 첨가한 실시예 9의 경우 수율이 높게 나타난 것을 알 수 있으나, 이 경우 미반응 NaBr이 과량 남아 반응 후 이를 제거하는데 많은 어려움이 있었다.

마찬가지로 NaClO의 첨가량을 본 발명의 범위 내에서 첨가한 실시예 11과 12의 경우 본 발명의 범위를 벗어나도록 첨가한 실시예 10에 비하여 수율이 높을 것을 알 수 있다. 그러나 그 첨가량을 과량 첨가한 실시예 13의 경우 수율이 높게 나타난 것을 알 수 있으나, 이 경우 미반응 NaClO가 과량 남아 반응 후 이를 제거하는데 많은 어려움이 있었다.

특히, 본 발명에 의한 OCC 제조방법의 경우 수율이 80%이상으로 종래의 NOCC제조방법에 비하여 매우 높게 나타남을 알 수 있다.

상기 실시예 3에서 제조한 키토산 유도체의 IR(KBr) 및¹³C NMR(D₂O) 데이터를 하기 표 2에 나타내었으며, 상기 표2에서 보는 바와 같이 제조된 키토산 유도체의 경우 화학식 3에 나타낸 OCC임을 확인할 수 있다.

IR	NMR
1707cm-1ν(C=O)3298.7cm-1ν(N-H)1458.4cm-1ν(C-N)1229cm-1 ν(C-O)	δ176.4(COOH), δ174.9(C=O)δ101.8(C-1), δ80.1(C-4)δ79.8(C-5), δ75.5(C-3),δ58.3(C-2)

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은 수용성이면서도 제조시 수율이 높고, 제조단가를 낮춤으로서 기존 키토산 유도체에 비하여 보다 폭 넓은 범위에 적용할 수 있도록 한 O-카르복실 키토산의 제조방법 제공하는 유용한 발명이다.

Claims (1)

1. 키토산과 증류수를 1:7 내지 1:15의 중량비로 혼합하여 교반하고, 여기에 2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리딘 옥소 암모늄(2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidine oxu ammonium)을 키토산 100중량부에 대하여 1.0중량부이상 첨가한 다음, 소듐브로마이드(Sodium bromide;NaBr) 30중량부 내지 50중량부를 첨가하고 다시 4% 소듐 하이포클로라이트(Sodium hypochlorite) 수용액 150중량부 내지 200중량부를 첨가한 후, 상기 반응액을 0±5℃로 냉각하고 여기에 수산화나트륨 수용액을 pH10 내지 11이 될 때까지 천천히 첨가한 후 상온에서 3시간 이상 반응시킨 다음, 상기 반응액을 다시 염산으로 pH6 내지 7로 조절한 후 이를 1/3정도로 농축시킨 다음 에탄올을 첨가하여 결정을 석출시킨 후 필터하고 건조함을 특징으로 하는 카르복실 키토산의 제조방법.