KR20130123685A - Catalyst comprising hydrogel and active ingredient - Google Patents

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KR20130123685A
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장리동
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a metal nanoparticle catalyst supported in hydrogel. The catalyst of an embodiment of the present invention can provide hydrogel for a metal nanoparticle support capable of improving the catalyst activation and reusability and can be used as a catalyst in the reduction reaction of an aromatic or heterocyclic nitro compound by supporting a metal nanoparticle on the hydrogel. [Reference numerals] (AA) Phosphonamidate hydrogel;(BB) In-situ reduction;(CC) AuNP-deposited hydrogel reuse;(DD) Reuse route

Description

하이드로젤 및 활성성분을 포함하는 촉매{Catalyst comprising Hydrogel and active ingredient}Catalyst comprising hydrogel and active ingredient

본 발명은 하이드로젤 및 활성성분을 포함하는 촉매에 관한 것이다.
The present invention relates to a catalyst comprising a hydrogel and an active ingredient.

금속, 금속이온 또는 금속산화물과 같은 금속 성분은 촉매의 활성성분으로 사용되어 왔다. 특히, 금속 나노 입자(MNP)는 대응하는 벌크(bulk) 금속보다 부피 대 면적 비율이 높고, 전기적 특성을 가지므로 유기 물질 제조시 효율적인 촉매로서 연구되어 왔다. 최근에는 대규모 공정에서의 적용을 위해 금속 나노 입자의 촉매 활성 및 재사용 가능성(recyclability)을 개선시키는 데 관심이 집중되고 있다. 이와 같이 금속 나노 입자의 촉매 활성 및 재사용 가능성을 개선시키고, 금속 나노 입자의 응집을 피하기 위해 고체 담지체들이 일반적으로 사용되었다. 상기 고체 담지체로는 알루미나, 실리카, 제올라이트, 칼슘 카보네이트, 금속 산화물 및 탄소 나노 튜브 등이 사용되어 왔다. 그러나, 상기 물질을 금속 나노 입자 담지체로 사용하는 경우, 촉매 반응은 오직 고체의 표면에서만 일어날 수 있고, 만일 금속 나노 입자가 상기 고체 담지체 물질의 내부에 놓여지면, 상기 촉매와 반응물 사이의 접촉이 제한되어 촉매 활성을 잃어버리게 된다.Metal components such as metals, metal ions or metal oxides have been used as active ingredients of catalysts. In particular, metal nanoparticles (MNP) have a higher volume-to-area ratio and higher electrical properties than corresponding bulk metals, and thus have been studied as efficient catalysts for producing organic materials. Recently, attention has been focused on improving the catalytic activity and recyclability of metal nanoparticles for applications in large scale processes. As such, solid supports have been generally used to improve the catalytic activity and reusability of metal nanoparticles and to avoid aggregation of metal nanoparticles. As the solid support, alumina, silica, zeolite, calcium carbonate, metal oxide, carbon nanotube, and the like have been used. However, when the material is used as the metal nanoparticle support, the catalytic reaction can only occur on the surface of the solid, and if the metal nanoparticle is placed inside the solid support material, the contact between the catalyst and the reactant is lost. Limited catalytic activity is lost.

따라서, 금속 나노 입자의 촉매 활성 및 재사용 가능성을 개선할 수 있는 효율적인 담지체를 사용하는 것이 중요하다.
Therefore, it is important to use an efficient carrier that can improve the catalytic activity and reusability of the metal nanoparticles.

본 발명은 하이드로젤 및 활성성분을 포함하는 촉매를 제공하기 위한 것이다.
The present invention is to provide a catalyst comprising a hydrogel and the active ingredient.

본 발명의 일 구현예로서, 촉매 활성 및 재사용 가능성을 개선할 수 있는 구조 내에 아민기 또는 티올기를 포함하는 하이드로젤; 및 상기 하이드로젤에 담지된 촉매활성 성분을 포함하는 촉매를 제공할 수 있다.In one embodiment of the present invention, a hydrogel comprising an amine group or a thiol group in the structure that can improve the catalytic activity and reusability; And it can provide a catalyst comprising a catalytically active component supported on the hydrogel.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 하이드로젤은 구조 내에 아민기 또는 티올기를 포함한다. 상기 아민기 또는 티올기는 하이드로젤의 표면 또는 내부에 촉매 활성성분의 전구체, 예를 들어 금속 이온을 강하게 흡착시킬 수 있다. 따라서 아민기 또는 티올기는 하이드로젤의 표면 또는 내부에 촉매활성성분을 담지시킬 수 있다.The hydrogel of the present invention contains an amine group or thiol group in the structure. The amine group or thiol group may strongly adsorb a precursor of a catalytically active component, for example, metal ions, on or inside the hydrogel. Therefore, the amine group or thiol group can carry the catalytically active component on the surface or inside of the hydrogel.

본 발명에 사용된 용어, "담지"는 물리적 또는 화학적 결합에 의하여 촉매활성성분을 하이드로젤 표면 또는 내부에 고정화시키는 것을 의미한다.As used herein, the term "support" means immobilization of the catalytically active component on or within the hydrogel by physical or chemical bonding.

본 발명의 하나의 예시로서, 상기 하이드로젤은 하기의 화학식 1 을 가교사이트로 포함하는 하이드로젤일 수 있다.As an example of the present invention, the hydrogel may be a hydrogel including the following Formula 1 as a crosslinking site.

[화학식 1][Formula 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 화학식 1에서, Y1, Y2 및 Y3는 -O-, -S- 또는 -NH- 로부터 각각 독립적으로 선택되고, Y1, Y2 및 Y3 중 적어도 하나는 -S- 또는 -NH- 이다.In Formula 1, Y 1 , Y 2 and Y 3 are each independently selected from -O-, -S- or -NH-, and at least one of Y 1 , Y 2 and Y 3 is -S- or -NH - to be.

상기 하이드로젤은, 상기 화학식 1로 표시되는 가교 사이트를 기초로 가교되어 하이드로젤을 형성할 수 있다.The hydrogel may be crosslinked based on the crosslinking site represented by Formula 1 to form a hydrogel.

상기 가교 사이트는 고분자 또는 거대 분자의 형성시, 다수의 공유 결합을 형성시켜 가지 또는 망상 구조를 형성할 수 있는 사이트를 의미한다.The crosslinking site means a site capable of forming a branch or a network structure by forming a plurality of covalent bonds when forming a polymer or a macromolecule.

본 발명은 하나의 예시로서 상기 화학식 1의 구조를 가지는 가교 사이트를 포함하여 하이드로젤을 형성할 수 있으며, 상기 화학식 1의 가교 사이트는, 예를 들면, 옥시염화인(POCl3)으로부터 형성될 수 있으나, 상기 구조를 갖는 가교 사이트를 형성할 수 있는 전구체라면 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다.The present invention may form a hydrogel including a crosslinking site having the structure of Formula 1 as an example, the crosslinking site of Formula 1, for example, may be formed from phosphorus oxychloride (POCl 3 ) However, any precursor that can form a crosslinking site having the above structure can be used without particular limitation.

본 발명의 다른 예시로서, 상기 하이드로젤은 하기의 화학식 2 내지 4 중 어느 하나를 반복단위로 포함하는 하이드로젤일 수 있다.As another example of the present invention, the hydrogel may be a hydrogel including any one of the following Formulas 2 to 4 as a repeating unit.

[화학식 2](2)

Figure pat00002
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[화학식 3](3)

Figure pat00003
Figure pat00003

[화학식 4][Formula 4]

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 화학식 2 내지 4에서, R1, R3 내지 R6는 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기이고, R2는 탄소수 1 내지 30의 알킬기이며, L은 말단에 X를 가지는 가지 구조를 나타내고, o 및 p는 1 내지 100의 정수이며, X는 하기 화학식 5로 나타내고,In Formulas 2 to 4, R 1 , R 3 to R 6 is an alkylene group having 1 to 30 carbon atoms, R 2 is an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, L represents a branched structure having X at the terminal, o and p is an integer of 1 to 100, X is represented by the following formula (5),

[화학식 5][Chemical Formula 5]

Figure pat00005
Figure pat00005

상기 화학식 5에서, A1 및 A2는 -NH- 및 -S-로 이루어진 군으로부터 각각 독립적으로 선택되고, R7 및 R8은 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기이다.In Formula 5, A 1 and A 2 are each independently selected from the group consisting of -NH- and -S-, and R 7 and R 8 are alkylene groups having 1 to 30 carbon atoms.

상기 식에서 o 및 p는 1 내지 100, 1 내지 50 또는 1 내지 20의 정수일 수 있으며, 이는 상기 범위 내에서 목적에 따라 적절히 선택될 수 있다.In the formula, o and p may be an integer of 1 to 100, 1 to 50 or 1 to 20, which may be appropriately selected according to the purpose within the above range.

본 명세서에서 용어 알킬렌기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 1 내지 30, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12 또는 탄소수 1 내지 8의 알킬렌기를 의미할 수 있다. 상기 알킬렌기는 직쇄형, 분지쇄형 또는 고리형 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 알킬렌기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환되어 있을 수 있다.As used herein, unless otherwise specified, the term alkylene group may mean an alkylene group having 1 to 30 carbon atoms, 1 to 16 carbon atoms, 1 to 12 carbon atoms, or 1 to 8 carbon atoms. The alkylene group may have a linear, branched or cyclic structure. In addition, the alkylene group may be optionally substituted by one or more substituents.

본 명세서에서 용어 알킬기는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 탄소수 1 내지 30, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12 또는 탄소수 1 내지 8의 알킬기를 의미할 수 있다. 상기 알킬기는 직쇄형, 분지쇄형 또는 고리형 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 알킬기는 임의적으로 하나 이상의 치환기에 의해 치환되어 있을 수 있다.As used herein, unless otherwise specified, the term alkyl group may mean an alkyl group having 1 to 30 carbon atoms, 1 to 16 carbon atoms, 1 to 12 carbon atoms, or 1 to 8 carbon atoms. The alkyl group may have a linear, branched or cyclic structure. In addition, the alkyl group may be optionally substituted with one or more substituents.

또한, 본 명세서의 화학식에서 사용된 기호, "*"는 다른 작용기와 연결되는 부분을 의미할 수 있다.In addition, the symbol used in the chemical formula of the present specification, "*" may mean a part connected to another functional group.

본 발명의 다른 예시로서, 상기 하이드로젤에서 L은 구조 내에 하기 화학식 6 내지 8로 표시되는 단위 중 하나 이상을 포함하는 하이드로젤일 수 있다.As another example of the present invention, L in the hydrogel may be a hydrogel including one or more of the units represented by the following Chemical Formulas 6 to 8 in the structure.

[화학식 6][Chemical Formula 6]

Figure pat00006
Figure pat00006

[화학식 7][Formula 7]

Figure pat00007
Figure pat00007

[화학식 8][Formula 8]

Figure pat00008
Figure pat00008

본 발명의 또 다른 예시에서, L은 화학식 9로 표시되는 단위를 포함하는 하이드로젤일 수 있다.In another example of the present invention, L may be a hydrogel including a unit represented by the formula (9).

[화학식 9][Chemical Formula 9]

Figure pat00009
Figure pat00009

상기 화학식 6 내지 9에서 X는 상기 화학식 5에서 정의한 바와 같다.In Formulas 6 to 9, X is as defined in Formula 5.

본 발명의 하이드로젤은, 상기 화학식 1의 가교 사이트를 통해 형성되는 하이드로젤이라면, 가교 사이트를 통해 가교되는 화합물들은 특별히 제한되지 않으며, 상기 하이드로젤의 특징을 유지할 수 있는 범위 내에서 용도에 맞게 적절히 선택될 수 있고, 예를 들면, 화학식 3을 기초로 형성되는 하이퍼 브랜치 고분자(hyper-branched polymer)가 사용될 수 있다.If the hydrogel of the present invention is a hydrogel formed through the crosslinking site of Chemical Formula 1, the compounds crosslinked through the crosslinking site are not particularly limited, and may be appropriately suited for use within a range capable of maintaining the characteristics of the hydrogel. It may be selected, for example, a hyper-branched polymer (hyper-branched polymer) formed based on the formula (3) can be used.

상기 하이퍼 브랜치 고분자는 다수의 가지 구조를 가지는 고분자로서 많은 작용기를 포함하며, 본 발명의 하나의 예시로, 상기 화학식 3 또는 4를 기초로 화학식 6 내지 8 및/또는 화학식 9의 구조를 포함하여 하이퍼 브랜치 고분자를 형성할 수 있다. 또한, 본 발명에서 사용되는 상기 하이퍼 브랜치 고분자의 중량 평균 분자량은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 1몰 당 분자량의 하한은 100 내지 500 g일 수 있고, 상한은 2,000 내지 10,000 g일 수 있다.The hyper-branched polymer is a polymer having a plurality of branched structures and includes many functional groups. As an example of the present invention, the hyper-branched polymer includes a structure of Chemical Formulas 6 to 8 and / or Chemical Formula 9 based on Chemical Formulas 3 or 4. It is possible to form branched polymers. In addition, the weight average molecular weight of the hyper-branched polymer used in the present invention is not particularly limited. For example, the lower limit of the molecular weight per mole may be 100 to 500 g, and the upper limit may be 2,000 to 10,000 g.

한편, 본 발명의 하나의 구현예로서, 상기 하이드로젤에 담지될 수 있는 촉매활성성분은 예를 들면 금속, 금속이온 또는 금속산화물을 포함한다. 상기 금속의 비제한적인 예는 Au, Pt, Pd, Ir, Rh, Ag, Ru, Al, Cu, Te, Bi, Pb, Fe, Ce, Mo, Nb, W, Sb, Sn, V, Mn, Ni, Co, Zn 및 Ti로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 상기 하이드로젤은 팽윤 특성을 가지고, 물과 같은 용액을 흡수할 수 있는 네트워크 구조를 형성하고 있어, 촉매로서 작용하는 촉매활성성분이 상기 하이드로젤에 담지된 경우, 하이드로젤 표면뿐만 아니라 하이드로젤의 내부에서도 반응물과 촉매활성성분이 접촉하여 반응이 일어날 수 있어, 촉매의 활성을 향상시킬 수 있다.On the other hand, as an embodiment of the present invention, the catalytically active component that can be supported on the hydrogel includes, for example, metal, metal ions or metal oxides. Non-limiting examples of the metal include Au, Pt, Pd, Ir, Rh, Ag, Ru, Al, Cu, Te, Bi, Pb, Fe, Ce, Mo, Nb, W, Sb, Sn, V, Mn, It may be at least one selected from the group consisting of Ni, Co, Zn and Ti. The hydrogel has a swelling property and forms a network structure capable of absorbing a solution such as water, and when the catalytically active component acting as a catalyst is supported on the hydrogel, the hydrogel surface as well as the inside of the hydrogel In addition, the reactant and the catalytically active component may be brought into contact with each other, thereby improving the activity of the catalyst.

또한, 상기 촉매활성성분은 예를 들어 2 내지 50nm 또는 2 내지 40 nm 의 평균입경을 가지는 나노입자일 수 있다.In addition, the catalytically active component may be, for example, nanoparticles having an average particle diameter of 2 to 50 nm or 2 to 40 nm.

상기 하이드로젤은 옥시염화인을 용해시킨 용액에, 말단에 2개 이상의 히드록시기를 가지는 화합물을 첨가하여 반응시키는 단계; 및 상기 반응 생성물에 하기의 화학식 10으로 표시되는 화합물을 첨가하여 반응시키는 단계를 통하여 제조할 수 있다.Reacting the hydrogel by adding a compound having two or more hydroxy groups at a terminal thereof to a solution in which phosphorus oxychloride is dissolved; And it can be prepared through the step of reacting by adding a compound represented by the following formula (10) to the reaction product.

[화학식 10][Formula 10]

Figure pat00010
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상기 화학식 10에서,In Formula 10,

R9은 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기이고, F는 아민기 또는 티올기이다.R 9 is an alkylene group having 1 to 30 carbon atoms, and F is an amine group or a thiol group.

상기 화학식 10으로 표시되는 화합물은 특별히 제한되지 않으며, 말단에 아민기나 티올기를 포함하는 것이라면 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 상기 알킬렌기의 구체적인 내용은 전술한 바와 같다.The compound represented by the above formula (10) is not particularly limited and may be appropriately selected and used as long as it contains an amine group or a thiol group at the terminal. Details of the alkylene group are as described above.

상기 옥시염화인을 용해시키는 용매로서는, 생성된 하이드로젤이 안정적으로 구조를 형성할 수 있도록 하는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, THF(Tetrahydrofuran)가 사용될 수 있다.The solvent for dissolving phosphorus oxychloride is not particularly limited as long as the resulting hydrogel can stably form a structure. For example, THF (Tetrahydrofuran) may be used.

상기 말단에 2개 이상의 히드록시기를 가지는 화합물은, 2개 이상의 히드록시기를 가지는 다가 알코올이라면 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 히드록시기의 개수는 500개 이하일 수 있다.The compound having two or more hydroxy groups at the terminal is not particularly limited as long as it is a polyhydric alcohol having two or more hydroxy groups. For example, the number of hydroxy groups may be 500 or less.

또한, 상기 히드록시기를 가지는 화합물은, 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 탄소수 1 내지 30, 탄소수 1 내지 16, 또는 탄소수 1 내지 8일 수 있고, 말단에 히드록시기를 가지는 하이퍼 브랜치 고분자일 수도 있다.In addition, the compound having a hydroxy group is not particularly limited, but may be, for example, 1 to 30 carbon atoms, 1 to 16 carbon atoms, or 1 to 8 carbon atoms, or may be a hyper-branched polymer having a hydroxy group at the terminal.

상기 옥시염화인을 용해시킨 용액에, 말단에 2개 이상의 히드록시기를 가지는 화합물을 첨가하여 반응시키는 단계의 온도는, 예를 들면 5℃ 이하일 수 있다. 상기 온도 범위에서 반응시키는 경우, 히드록시기의 염소화가 생성되는 반응 등을 억제할 수 있다. 상기 반응 온도의 하한은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면 0 ℃일 수 있다.The temperature of the step of reacting by adding a compound having two or more hydroxy groups at the terminal to the solution in which the phosphorus oxychloride is dissolved may be, for example, 5 ° C or less. When making it react in the said temperature range, reaction etc. which produce | generate chlorination of a hydroxyl group can be suppressed. The lower limit of the reaction temperature is not particularly limited, but may be, for example, 0 ° C.

또한, 상기 반응 생성물에 화학식 10으로 표시되는 화합물을 첨가하여 반응시키는 단계는 0 내지 60℃, 또는 실온에서 수행될 수 있다.In addition, the step of reacting by adding the compound represented by Formula 10 to the reaction product may be carried out at 0 to 60 ℃, or at room temperature.

도 1은, 본 발명의 일 예시로서, 하이드로젤을 제조하는 공정을 나타낸다.1 shows a process for producing a hydrogel as an example of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이 하나의 예시로서, 상기 화학식 1 내지 3의 가교 사이트를 갖는 하이드로젤을 제조할 수 있다.As an example, as shown in FIG. 1, a hydrogel having a crosslinking site of Chemical Formulas 1 to 3 may be prepared.

또한, 상기 하이드로젤 제조 방법은 원 팟(one pot) 공정일 수 있다. 원 팟 공정은, 화합물 등의 제조시, 여러 공정을 거치지 않고 한 번에 원하는 화합물을 제조하는 방법으로, 합성 과정이 용이하고, 수율을 향상시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 즉, 본 발명의 상기 하이드로젤 제조 방법은 원 팟 공정에 의해 진행될 수 있어, 종래의 하이드로젤 제조 방법과 비교하여 보다 용이하게 제조할 수 있다.In addition, the hydrogel manufacturing method may be a one pot process. The One Pot process is a method of preparing a desired compound at one time without passing through various processes when preparing compounds, etc., and has an advantage of easy synthesis and improved yield. That is, the hydrogel manufacturing method of the present invention can be carried out by a one-pot process, it can be prepared more easily than the conventional hydrogel manufacturing method.

상술한 바와 같이, 상기 하이드로젤은 팽윤 특성을 가지고, 물과 같은 용액을 흡수할 수 있는 네트워크 구조를 형성하고 있어, 촉매로서 사용되는 촉매활성성분, 예를 들어 금속 나노 입자가 상기 하이드로젤에 담지된 경우, 하이드로젤 표면뿐만 아니라, 하이드로젤의 내부에서도 반응물과 금속 나노 입자가 접촉하여 반응이 일어날 수 있어, 촉매의 활성을 향상시킬 수 있다.As described above, the hydrogel has a swelling property and forms a network structure capable of absorbing a solution such as water, so that a catalytically active component used as a catalyst, for example, metal nanoparticles, is supported on the hydrogel. In this case, not only the surface of the hydrogel but also the inside of the hydrogel may react with the reactant and the metal nanoparticles, thereby improving the activity of the catalyst.

일 구현 예에서, 상기 촉매의 제조 방법은 구조 내에 아민기 또는 티올기를 포함하는 하이드로젤; 및 촉매활성 성분 전구체를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 하이드로젤은 구조 내에 다수의 아민 또는 티올 작용기를 포함하고 있어, 이들 작용기는 하이드로젤 표면뿐만 아니라 내부에 촉매활성성분 또는 그 전구체를 흡착하여 고정화시킬 수 있다. 상기 작용기는 하이드로젤의 표면 또는 내부에서 금속 이온들을 인 시투(in situ) 환원시켜 금속 나노 입자를 생성할 수 있다. 따라서 이러한 환원을 위한 추가의 다른 환원제가 요구되지 않는다.In one embodiment, the method for preparing the catalyst comprises a hydrogel comprising an amine group or a thiol group in the structure; And mixing the catalytically active component precursor. Since the hydrogel includes a plurality of amine or thiol functional groups in the structure, these functional groups can be immobilized by adsorbing a catalytically active component or a precursor thereof not only on the surface of the hydrogel but also inside. The functional group may generate metal nanoparticles by in situ reduction of metal ions on or inside the hydrogel. Thus no further other reducing agent is required for this reduction.

다른 구현 예에서, 하이드로젤의 표면 또는 내부에 흡착된 금속 이온, 예를 들어 중금속 이온(Fe, Cu, Mo, Co, 또는 Zn)이 쉽게 환원되지 않는 경우, 흡착된 금속 이온 자체가 촉매 활성성분의 역할을 할 수 있다. 또 다른 구현 예에서 금속 산화물이 촉매 활성성분의 역할을 할 수 있다.In another embodiment, when the metal ions adsorbed on or inside the hydrogel, such as heavy metal ions (Fe, Cu, Mo, Co, or Zn), are not readily reduced, the adsorbed metal ions themselves are catalytically active ingredients. Can play a role. In another embodiment, metal oxides can serve as catalytically active ingredients.

촉매활성성분이 금속 이온 또는 금속 산화물인 경우 하기 방법에 의해서 촉매를 제조할 수도 있고, 그 제조과정을 도 2에 도시하였다.When the catalytically active component is a metal ion or a metal oxide, a catalyst may be prepared by the following method, and a manufacturing process thereof is illustrated in FIG. 2.

상기 방법은 옥시염화인을 용해시킨 용액에, 말단에 2개 이상의 히드록시기를 가지는 화합물을 첨가하여 반응시켜 반응물을 생성하는 단계;The method comprises the steps of adding a compound having two or more hydroxy groups at the end of the solution to dissolve the phosphorus oxychloride to produce a reactant;

상기 반응물과 촉매활성성분 또는 그의 전구체를 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계; 및Mixing the reactants with a catalytically active component or a precursor thereof to produce a mixture; And

상기 혼합물과 하기의 화학식 10을 갖는 화합물을 혼합하는 단계를 포함한다:Mixing the mixture with a compound having Formula 10:

[화학식 10][Formula 10]

Figure pat00011
Figure pat00011

상기 화학식 10에서,In Formula 10,

R9은 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기이고, F는 아민기, 티올기 또는 히드록시기이다.R 9 is an alkylene group having 1 to 30 carbon atoms, and F is an amine group, thiol group, or hydroxy group.

상기 옥시염화인을 용해시킨 용액에, 말단에 2개 이상의 히드록시기를 가지는 화합물을 첨가하여 반응시켜 반응물을 생성하는 단계 및 상기 혼합물과 하기의 화학식 10을 갖는 화합물을 혼합하는 단계에 사용되는 구체적인 물질 및 반응 조건은 상술한 하이드로젤을 제조하는 방법과 동일하다.Specific materials used in the step of adding a compound having two or more hydroxy groups at the end of the solution to dissolve the phosphorus oxychloride to produce a reactant and mixing the mixture with a compound having the formula (10) and The reaction conditions are the same as the method for preparing the hydrogel described above.

또한 상기 반응물과 촉매활성성분 또는 그의 전구체를 혼합하여 혼합물을 생성하는 단계에 있어서, 혼합물은 예를 들어 이멀젼 형태일 수 있다. 혼합되는 촉매활성성분 또는 그의 전구체의 양은 각 응용 분야의 요구에 따라 결정할 수 있다.In addition, in the step of producing a mixture by mixing the reactant with the catalytically active component or a precursor thereof, the mixture may be in the form of an emulsion, for example. The amount of catalytically active component or precursor thereof to be mixed can be determined according to the requirements of each application.

상기 촉매활성성분 또는 그의 전구체는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, Au, Pt, Pd, Ir, Rh, Ag, Ru, Al, Cu, Te, Bi, Pb, Fe, Ce, Mo, Nb, W, Sb, Sn, V, Mn, Ni, Co, Zn 및 Ti로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속; 이들의 이온 또는 염; 또는 이들의 산화물일 수 있다.The catalytically active component or its precursor is not particularly limited, and for example, Au, Pt, Pd, Ir, Rh, Ag, Ru, Al, Cu, Te, Bi, Pb, Fe, Ce, Mo, Nb, W At least one metal selected from the group consisting of Sb, Sn, V, Mn, Ni, Co, Zn and Ti; Ions or salts thereof; Or oxides thereof.

상기와 같이, 본 발명의 하이드로젤을 사용하여 촉매활성성분을 하이드로젤에 담지시키는 경우, 상기 하이드로젤은 촉매활성성분을 촉매로 사용하기 위한 매트릭스 역할을 할 뿐만 아니라, 캡핑제(capping agent)의 역할도 한다. 따라서, 상기 하이드로젤에 담지된 촉매활성성분, 예를 들어 금속 나노 입자는 서로 응집되지 않고, 안정하게 분산되어 존재할 수 있어, 활성을 유지할 수 있다.As described above, when the catalytically active component is supported on the hydrogel using the hydrogel of the present invention, the hydrogel not only serves as a matrix for using the catalytically active component as a catalyst, but also a capping agent. It also plays a role. Therefore, the catalytically active component supported on the hydrogel, for example, metal nanoparticles, may not be agglomerated with each other, but may be stably dispersed and exist to maintain activity.

또한, 본 발명의 촉매활성성분이 하이드로젤에 담지된 촉매는 재활용(recycling)이 가능한 특성을 가지고 있다. 즉, 촉매활성성분, 예를 들어 금속 나노 입자가 구조적 완결성(integrity)을 가진 하이드로젤에 고정화되어 있기 때문에, 촉매로서 반응에 참가 후, 다시 분리되어도 높은 촉매 활성을 유지할 수 있어, 예를 들어 20회 이상 반복하여 사용할 수 있다.In addition, the catalyst in which the catalytically active component of the present invention is supported on a hydrogel has a characteristic of being capable of recycling. That is, since the catalytically active component, for example, metal nanoparticles is immobilized on a hydrogel having structural integrity, it is possible to maintain high catalytic activity even if it is separated again after participating in the reaction as a catalyst. It can be used repeatedly more than once.

일 예를 들어, 문헌(M. Tamimi, Separation and Purification Technology, 2008, 61, 103-108; Journal of Hazardous Materials, 2009, 161, 926-932; Applied Catalyst A: General, 2008, 346, 140-148)에 따르면, 중금속 이온들은 폐수로부터 다양한 염료의 제거와 같은 다양한 응용분야에서 촉매로서 사용될 가능성이 있다. 그러나 이와 같은 중금속 이온이 지지체 없이 직접적으로 촉매로 사용되는 경우 반응 후에 다량의 잔사(residue)가 반응계 내에서 발생할 수 있고, 따라서 추가의 정제공정이 필요하다. 이에 비하여 본 발명과 같이 금속이온의 지지체(담체)로서 하이드로겔을 사용하는 경우 촉매 반응이 하이드로겔 메트릭스 내에서 진행되므로, 잔사의 생성을 막을 수 있다.For example, M. Tamimi, Separation and Purification Technology , 2008, 61, 103-108; Journal of Hazardous Materials , 2009, 161, 926-932; According to Applied Catalyst A: General , 2008, 346, 140-148, heavy metal ions are likely to be used as catalysts in a variety of applications such as the removal of various dyes from wastewater. However, when such heavy metal ions are used directly as a catalyst without a support, a large amount of residues may occur in the reaction system after the reaction, and thus an additional purification process is required. In contrast, when the hydrogel is used as a support (carrier) of metal ions as in the present invention, since the catalytic reaction proceeds in the hydrogel matrix, it is possible to prevent the formation of residue.

본 발명의 또 다른 예시에서, 본 발명에 따른 촉매의 존재 하에, 반응물을 산화 또는 환원시키는 단계를 포함하는 목적 물질의 제조방법을 제공할 수 있다.In another example of the invention, in the presence of a catalyst according to the invention, it is possible to provide a method for preparing a target material comprising the step of oxidizing or reducing a reactant.

본 발명에 따른 촉매는 예를 들어 산화, 환원, 또는 유기화합물의 합성 등 다양한 반응에 사용될 수 있다.The catalyst according to the invention can be used for various reactions, for example oxidation, reduction, or synthesis of organic compounds.

일 구체 예에서, 상기 촉매를 사용하여, 반응물인 방향족 니트로 화합물을 환원시켜서 목적 물질인 방향족 아민 화합물을 제조할 수 있다. 일반적으로 방향족 니트로 화합물은 약학, 염료 분야 등에서 부산물로서 제조되며 독성 유기 물질이다. 따라서, 이를 유용한 방향족아민 화합물로 환원시키는 것은 중요한 공정 중의 하나이다.In one embodiment, the catalyst can be used to reduce the reactant aromatic nitro compound to produce an aromatic amine compound of interest. Generally, aromatic nitro compounds are prepared as by-products in pharmacy, dyes and the like and are toxic organic substances. Therefore, reducing it to a useful aromatic amine compound is one of the important processes.

본 발명의 하이드로젤에 담지된 금속 나노 입자 촉매를 사용하는 경우, 촉매 활성이 높고, 재활용 가능하여 효율적으로 방향족 니트로 화합물을 방향족 아민 화합물로 환원시킬 수 있다.When the metal nanoparticle catalyst supported on the hydrogel of the present invention is used, the catalytic activity is high, recyclable, and the aromatic nitro compound can be efficiently reduced to the aromatic amine compound.

상기 환원 반응의 온도는, 예를 들면 -20 내지 80℃가 바람직할 수 있다.The temperature of the reduction reaction may be, for example, -20 to 80 ℃.

상기 환원 반응은 예를 들면, NaBH4, LiAlH4, H3NBH3, NaB(CN)H3, NaB(OAc)3H, LiAl(CN)H3, LiAl(OAc)3H, NaB(OCH3)4, NaBEt3H 및 LiBEt3H로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 환원제의 존재하에서 수행될 수 있으나, 특별히 제한되지 않다.The reduction reaction is, for example, NaBH 4 , LiAlH 4 , H 3 NBH 3 , NaB (CN) H 3 , NaB (OAc) 3 H, LiAl (CN) H 3 , LiAl (OAc) 3 H, NaB (OCH 3 ) but may be carried out in the presence of at least one reducing agent selected from the group consisting of 4 , NaBEt 3 H and LiBEt 3 H, but is not particularly limited.

상기에서 방향족 니트로 화합물로는 하나 이상의 니트로기를 치환기로 포함하고 있는 방향족 화합물이라면 특별히 제한되지 않는다.The aromatic nitro compound is not particularly limited as long as it is an aromatic compound including at least one nitro group as a substituent.

또한, 상기 방향족 니트로 화합물은 벤젠 고리형 니트로 화합물뿐만 아니라, 헤테로 고리형 니트로 화합물 및 다환(polycyclic) 방향족 니트로 화합물을 포함한다.In addition, the aromatic nitro compound includes not only a benzene cyclic nitro compound but also a heterocyclic nitro compound and a polycyclic aromatic nitro compound.

상기 헤테로 고리형 니트로 화합물로는 니트로기를 치환기로 포함하고 있는 헤테로 고리형 화합물이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 헤테로 고리형 화합물은 고리에 한 종류 이상의 다른 원자를 포함하고 있는 화합물을 의미하며, 예를 들면, 이미다졸, 퓨란 또는 피리딘일 수 있다.The heterocyclic nitro compound is not particularly limited as long as it is a heterocyclic compound containing a nitro group as a substituent. The heterocyclic compound refers to a compound containing one or more other atoms in the ring, and may be, for example, imidazole, furan or pyridine.

상기 다환 방향족 니트로 화합물로는 니트로기를 치환기로 포함하고 있는 다환 방향족 화합물이라면 특별히 제한되지 않는다. 상기 다환 방향족 화합물은 2개 이상의 환이 각각 두개 이상의 원자를 공유한 형태로 일체환된 축합환을 가지는 화합물을 의미하며, 예를 들면, 나프탈렌 또는 안트라센일 수 있다.The polycyclic aromatic nitro compound is not particularly limited as long as it is a polycyclic aromatic compound containing a nitro group as a substituent. The polycyclic aromatic compound refers to a compound having a condensed ring in which two or more rings are monocyclic in the form of sharing two or more atoms, for example, may be naphthalene or anthracene.

상기 방향족 니트로 화합물은, 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 2,6-디니트로페놀, 2,4-디니트로페놀, p-니트로페놀, 2,4,6-트리니트로페놀 및 2-니트로피리딘-3-올로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.The aromatic nitro compound is not particularly limited, and for example, 2,6-dinitrophenol, 2,4-dinitrophenol, p-nitrophenol, 2,4,6-trinitrophenol and 2-nitropyridine- At least one selected from the group consisting of 3-ols.

또한, 상기 방향족 아민 화합물도 벤젠 고리형뿐만 아니라, 헤테로 고리형 아민 화합물 및 다환(polycyclic) 방향족 아민 화합물을 포함할 수 있고, 아민기를 포함하고 있는 방향족 화합물이라면 특별히 제한되지 않는다.In addition, the aromatic amine compound may include not only a benzene ring but also a heterocyclic amine compound and a polycyclic aromatic amine compound, and is not particularly limited as long as it is an aromatic compound containing an amine group.

도 3은 하나의 예시로서, 본 발명의 하이드로젤에 담지된 금속 나노 입자 촉매를 사용하여 방향족 아민 화합물을 제조하는 과정 및 재활용 과정을 나타낸 것이다.3 illustrates, as an example, a process for preparing an aromatic amine compound and a recycling process using a metal nanoparticle catalyst supported on a hydrogel of the present invention.

상기 도 3의 사진에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 제조되는 금속 나노 입자는 반응 과정에서 나노 입자가 매트릭스로부터 이탈되는 현상이 적으며, 하이드로젤의 매트릭스 내에 안정하게 담지될 수 있다.As can be seen in the photo of FIG. 3, the metal nanoparticles prepared in the present invention are less likely to be separated from the matrix during the reaction, and can be stably supported in the matrix of the hydrogel.

다른 구체 예에서, 본 발명에 따른 촉매를 사용하여, 반응물인 염료 화합물을 산화시켜서 목적 물질인 상기 염료 화합물의 산화 분해물을 제조할 수 있다.In another embodiment, the catalyst according to the invention can be used to oxidize the dye compound, which is a reactant, to produce an oxidative degradation product of the dye compound of interest.

상기 염료 화합물은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 헤테로고리화합물을 포함한다. 염료로 사용되는 헤테레고리 화합물은 예를 들어 플루오론(Fluorone)계 화합물, 또는 로다민(Rhodamine)계 화합물을 포함한다.The dye compound is not particularly limited but includes, for example, a heterocyclic compound. Heterocyclic compounds used as dyes include, for example, Fluorone-based compounds, or Rhodamine-based compounds.

상기 로다민계 화합물은 로다민 외에 로다민 B, 로다민 6G, 또는 로다민 123을 포함한다.
The rhodamine-based compound includes rhodamine B, rhodamine 6G, or rhodamine 123 in addition to rhodamine.

본 발명의 일 예시로서 촉매 활성이 우수하고, 재활용이 가능한 활성성분이 하이드로젤에 담지된 촉매를 제공할 수 있다.
As an example of the present invention, it is possible to provide a catalyst having excellent catalytic activity and a recyclable active ingredient supported on a hydrogel.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로젤을 제조하는 공정을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이드로젤에 담지된 금속이온 및 금속산화물 촉매의 제조 과정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 하이드로젤에 담지된 금속 나노 입자 촉매를 사용하여 방향족 아민 화합물을 제조하는 과정 및 재활용 과정을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 건조 하이드로젤의 IR 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 건조 하이드로젤의 NMR 스펙트럼을 나타내는 것이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 건조 하이드로젤의 XPS 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 냉동 건조된 하이드로젤의 SEM 이미지를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 하이드로젤의 유연성을 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 하이드로젤의 팽윤 특성을 보여주는 것이다.
도 10은 본 발명의 예시적인 하이드로젤의 온도 및 시간에 따른 ESR 값을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 예시적인 하이드로젤 내부에 금 입자가 환원되는 과정을 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 예시적인 하이드로젤에 담지된 금 나노 입자의 TEM 이미지 및 UV-Vis 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 예시적인 하이드로젤에 담지된 (a) Au, (b) Ag, (c) Pd, (d) Pt, (e) Ru 나노 입자의 TEM 이미지 및 UV-Vis 스펙트럼을 나타내는 것이다.
도 14는 본 발명의 예시적인 하이드로젤에 담지된 금 나노 입자 촉매를 사용하여 2,6-디니트로페놀을 환원시키는 반응에 대해 측정한 UV-vis 스펙트럼((a)NaBH4 첨가 후, (b) 10℃, (c) 30℃, (d) 50℃)을 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 예시적인 하이드로젤에 담지된 금 나노 입자 촉매를 사용하여 2,4-디니트로페놀을 환원시키는 반응에 대해 측정한 UV-vis 스펙트럼((a)NaBH4 첨가 후, (b) 10℃, (c) 30℃, (d) 50℃)을 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 예시적인 하이드로젤에 담지된 금 나노 입자 촉매를 사용하여 p-니트로페놀을 환원시키는 반응에 대해 측정한 UV-vis 스펙트럼((a)NaBH4 첨가 후, (b) 10℃, (c) 30℃, (d) 50℃)을 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 예시적인 하이드로젤에 담지된 금 나노 입자 촉매를 사용하여 2,4,6-트리니트로페놀을 환원시키는 반응에 대해 측정한 UV-vis 스펙트럼((a)NaBH4 첨가 후, (b) 10℃, (c) 30℃, (d) 50℃)을 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명의 예시적인 하이드로젤에 담지된 금 나노 입자 촉매를 사용하여 2,6-디니트로페놀을 환원시키는 반응에 대해 측정한 UV-vis 스펙트럼((a)NaBH4 첨가 후, (b) 30℃)을 나타낸 것이다.
도 19는 본 발명의 예시적인 하이드로젤에 담지된 금속 나노 입자 촉매에서 촉매 양에 따른 반응 속도 상수를 나타낸 것이다.
도 20은 본 발명의 예시적인 하이드로젤에 담지된 금속 나노 입자 촉매를 사용한 환원 반응에서 NaBH4의 양에 따른 반응 속도 상수를 나타낸 것이다.
도 21은 방향족 니트로 화합물의 환원 반응과 관련하여 각각의 온도에서 시간에 따른 농도의 변화를 나타낸 것이다.
도 22는 p-니트로페놀의 환원용 AuNP계 촉매의 촉매 재생 성능을 나타내는 것이다.
도 23은 본 발명의 예시적인 다양한 활성성분이 하이드로젤에 담지된 촉매의 사진을 나타낸 것이다.
도 24는 본 발명의 예시적인 다양한 활성성분이 하이드로젤에 담지된 촉매 중 활성성분의 담지량을 TGA로 측정한 그래프를 나타낸 것이다.
도 25는 본 발명의 예시적인 다양한 활성성분이 하이드로젤에 담지된 촉매의 로다민 6의 분해능을 측정한 그래프를 나타낸 것이다.
도 26는 본 발명의 예시적인 Fe(II)가 담지된 촉매의 로다민 6의 산화 분해능력을 측정한 사진을 나타낸 것이다.
도 27은 본 발명의 예시적인 Fe(II)가 담지된 촉매의 로다민 6의 산화 분해능력을 촉매 및 과산화수소의 양에 따라 도시한 그래프를 나타낸 것이다.
1 shows a process for preparing a hydrogel according to an embodiment of the present invention.
2 illustrates a process of preparing a metal ion and a metal oxide catalyst supported on a hydrogel according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 illustrates a process for preparing and recycling an aromatic amine compound using a metal nanoparticle catalyst supported on a hydrogel according to another embodiment of the present invention.
4 shows the IR spectrum of an exemplary dry hydrogel of the present invention.
5 shows an NMR spectrum of an exemplary dry hydrogel of the present invention.
6 shows the XPS spectrum of an exemplary dry hydrogel of the present invention.
7 shows an SEM image of an exemplary freeze dried hydrogel of the present invention.
8 illustrates the flexibility of an exemplary hydrogel of the present invention.
9 shows the swelling characteristics of an exemplary hydrogel of the present invention.
10 shows ESR values over temperature and time of an exemplary hydrogel of the present invention.
11 illustrates a process of reducing gold particles inside an exemplary hydrogel of the present invention.
12 shows TEM images and UV-Vis spectra of gold nanoparticles supported on exemplary hydrogels of the present invention.
FIG. 13 shows TEM images and UV-Vis spectra of (a) Au, (b) Ag, (c) Pd, (d) Pt, and (e) Ru nanoparticles supported on exemplary hydrogels of the present invention. .
14 is a UV-vis spectrum measured for the reaction for reducing 2,6-dinitrophenol using a gold nanoparticle catalyst supported on an exemplary hydrogel of the present invention ((a) after addition of NaBH 4 , (b ) 10 ° C., (c) 30 ° C., and (d) 50 ° C.).
FIG. 15 is a UV-vis spectrum measured for a reaction for reducing 2,4-dinitrophenol using a gold nanoparticle catalyst supported on an exemplary hydrogel of the present invention ((a) after NaBH 4 addition, (b ) 10 ° C., (c) 30 ° C., and (d) 50 ° C.).
FIG. 16 is a UV-vis spectrum measured for the reaction for reducing p-nitrophenol using gold nanoparticle catalyst supported on an exemplary hydrogel of the present invention ((a) after addition of NaBH 4 , (b) 10 ° C. , (c) 30 ° C, and (d) 50 ° C).
FIG. 17 is a UV-vis spectrum measured for a reaction for reducing 2,4,6-trinitrophenol using a gold nanoparticle catalyst supported on an exemplary hydrogel of the present invention ((a) after NaBH 4 addition, ( b) 10 degreeC, (c) 30 degreeC, and (d) 50 degreeC).
18 is a UV-vis spectrum measured for a reaction for reducing 2,6-dinitrophenol using a gold nanoparticle catalyst supported on an exemplary hydrogel of the present invention ((a) after addition of NaBH 4 , (b ) 30 ° C.).
19 shows reaction rate constants depending on the amount of catalyst in a metal nanoparticle catalyst supported on an exemplary hydrogel of the present invention.
20 shows reaction rate constants according to the amount of NaBH 4 in a reduction reaction using a metal nanoparticle catalyst supported on an exemplary hydrogel of the present invention.
FIG. 21 shows the change in concentration over time at each temperature with respect to the reduction reaction of the aromatic nitro compound.
Fig. 22 shows the catalyst regeneration performance of the AuNP catalyst for reducing p-nitrophenol.
FIG. 23 shows a photograph of a catalyst having various active ingredients of the present invention supported on a hydrogel. FIG.
FIG. 24 shows a graph in which TGA is used to measure the amount of active ingredient in a catalyst in which various active ingredients of the present invention are supported on a hydrogel.
FIG. 25 is a graph illustrating the resolution of rhodamine 6 in a catalyst in which various active ingredients of the present invention are supported on a hydrogel. FIG.
FIG. 26 is a photograph showing the oxidative decomposition ability of rhodamine 6 of an exemplary Fe (II) -supported catalyst of the present invention.
FIG. 27 is a graph showing the oxidative decomposition ability of rhodamine 6 of an exemplary Fe (II) -supported catalyst according to the amount of catalyst and hydrogen peroxide.

이하 본 발명에 따르는 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the scope of the present invention is not limited by the following Examples.

[제조예][Manufacturing Example]

가. 하이드로젤 (PEOPPA400)의 제조end. Preparation of Hydrogel (PEOPPA400)

교반기가 장착된 250 mL 2구 플라스크 내의 THF(tetrahydrofuran, 100 mL) 내에 용해된 옥시염화인(phosphorous oxychloride, 20 mmol, 3.04 g) 및 TEA(triethylamine, 120 mmol, 12.12 g)에, 건조된 2관능성의 PEG400(poly(ethylene glycol), Mw: 400, 10 mmol, 4.00 g)을 적가하고, 5℃ 이하로 유지하면서 20분 동안 교반하여 반응시켰다. 이어서, 실온에서 상기 반응 혼합물에 PDA(propane-1,3-diamine, 99%, 180 mmol, 13.33 g)를 주입한 후, 교반하여 노란색의 하이드로젤을 침전시켰다. 분리된 상기 하이드로젤(PEOPPA400)을 실온에서 5시간 동안 증류수에 담그고, 매시간 마다 상기 증류수를 교체하여 미반응물을 침출(leaching)시켰다. 이어서, 상기 하이드로젤을 2일 동안 90℃에서 진공 하에 건조시켜 정제된 하이드로젤(PEOPPA400)을 수득하였다.Bifunctional dried in phosphorous oxychloride (20 mmol, 3.04 g) and TEA (triethylamine, 120 mmol, 12.12 g) dissolved in THF (tetrahydrofuran, 100 mL) in a 250 mL two-necked flask equipped with a stirrer PEG400 (poly (ethylene glycol), Mw: 400, 10 mmol, 4.00 g) was added dropwise, and the reaction was stirred for 20 minutes while maintaining the temperature at 5 ° C or lower. Subsequently, PDA (propane-1,3-diamine, 99%, 180 mmol, 13.33 g) was injected into the reaction mixture at room temperature, followed by stirring to precipitate a yellow hydrogel. The separated hydrogel (PEOPPA400) was immersed in distilled water at room temperature for 5 hours, and the distilled water was replaced every hour to leach unreacted material. The hydrogel was then dried under vacuum at 90 ° C. for 2 days to obtain purified hydrogel (PEOPPA400).

나. 하이드로젤의 구조 및 성분 측정I. Hydrogel structure and composition measurement

상기 실시예에서 제조된 하이드로젤의 구조 및 성분을 확인하기 위해 각각의 하이드로젤에 대한 FT-IR 스펙트럼, NMR 스펙트럼 및 XPS 스펙트럼을 측정하였다.FT-IR spectra, NMR spectra and XPS spectra for each hydrogel were measured to confirm the structure and components of the hydrogels prepared in the above examples.

도 4는 건조 하이드로젤(PEOPPA400)에 대한 IR 스펙트럼(Shimadzu IR Prestige-21에 의해 측정)을 나타내는 것으로, 1250cm-1 및 1104 cm-1의 피크를 통해 P=O 및 C-O-C 스트레칭을 확인하였고, 958cm-1 및 730cm-1의 피크를 통해 P-N-C 결합의 존재를 확인하였다.4 was confirmed P = O and COC stretching through represents the IR spectrum (measured by a Shimadzu IR Prestige-21), a peak of 1250cm -1 and 1104 cm -1 on the dry hydrogel (PEOPPA400), 958cm Peaks of −1 and 730 cm −1 confirm the presence of PNC binding.

도 5는 NMR 스펙트럼에 관한 것으로, 고체 상태의 31P NMR 분광법에 의해 분석(Bruker Avance 500 NMR 분광기, 31P NMR 주파수는 202.5 MHz, 샘플은 4mm od 지르코니아 로터 안에 팩킹됨)하였으며, 이를 통해, 실시예에서 제조된 하이드로젤의 3 종류의 서로 다른 포스포릴기 포함 여부를 확인할 수 있다.5 relates to an NMR spectrum, analyzed by solid state 31 P NMR spectroscopy (Bruker Avance 500 NMR spectrometer, 31 P NMR frequency at 202.5 MHz, sample packed in a 4 mm od zirconia rotor), through which The hydrogel prepared in the example can be confirmed whether or not including three different phosphoryl groups.

도 6은 XPS(ESCALAB 250, VG Scientifics, UK, 160 eV의 pass energy, 300 x 700 마이크론의 개구 슬롯(aperture slot)을 사용)에 의해 측정된 XPS 스펙트럼을 나타내는 것으로, N1s 및 P2p 피크를 보여준다. 398 eV 주위에서 나타나는 N1s 피크는 하이드로젤의 제조시 사용된 디아민이 각각 가교 반응에 참여했음을 의미한다. 또한, 131 eV 주위에 나타나는 P2p 피크는 하이드로젤 구조에서 포스포릴의 존재를 의미한다.FIG. 6 shows XPS spectra measured by XPS (ESCALAB 250, VG Scientifics, UK, pass energy of 160 eV, using an aperture slot of 300 × 700 microns), showing N1s and P2p peaks. The N1s peak appearing around 398 eV means that the diamines used in the preparation of the hydrogels each participated in the crosslinking reaction. In addition, the P2p peak appearing around 131 eV indicates the presence of phosphoryl in the hydrogel structure.

도 7은 냉동 건조된 PEOPPA400의 SEM 이미지를 나타낸다. 상기 SEM 분석을 위해 제조된 하이드로젤의 샘플을 평형(equilibrium)에 도달할 때까지 48시간 이상 초순수에 담근 후, 팽윤된 하이드로젤 샘플을 24시간 동안 냉동 건조하였다. 냉동 건조된 하이드로젤의 표면 형태 분석은 SEM(S-4800, Hitachi, Japan)에 의해 수행되었다. 상기 도 7을 통해 알 수 있는 바와 같이, PEOPPA400 하이드로젤은 높은 팽윤도를 나타내는 우수한 네트워크 구조를 가진다.7 shows an SEM image of PEOPPA400 freeze dried. For the SEM analysis Samples of the prepared hydrogels were soaked in ultrapure water for at least 48 hours until equilibrium was reached, and the swollen hydrogel samples were freeze dried for 24 hours. Surface morphology analysis of the lyophilized hydrogel was performed by SEM (S-4800, Hitachi, Japan). As can be seen from FIG. 7, the PEOPPA400 hydrogel has an excellent network structure showing a high degree of swelling.

또한, 도 8은 길쭉하게 잘라진 팽윤 상태의 하이드로젤을 나타내는 것으로 우수한 유연성을 가짐을 알 수 있다. 또한, 도 9는 형태를 유지하면서 물을 흡수하는 하이드로젤을 나타낸 것이다.In addition, Figure 8 shows the hydrogel in the swelling state is elongated, it can be seen that it has excellent flexibility. In addition, Figure 9 shows a hydrogel that absorbs water while maintaining the form.

다. 하이드로젤의 ESR(Equilibrium swelling ratio) 측정All. Equilibrium swelling ratio (ESR) of hydrogels

실시예에서 제조된 하이드로젤을 22 내지 80℃의 온도 범위에서, 물, DMF(dimethylformamide) 및 헥산 용매를 포함하는 다양한 극성 및 비극성 용매에서 팽윤시켜, 중량법(gravimetric method)으로 ESR을 측정하였다. 상기 온도 범위 내의 소정의 온도에서, 각각의 용매에 상기 하이드로젤을 담그고, 48시간 후에 상기 하이드로젤을 제거하여, 표면의 물을 제거하기 위해 젖은 필터 종이로 닦아낸 후, 중량을 측정하였다. 하나의 온도에서 ESR의 측정 후, 연속적인 ESR 측정을 위해 상기 하이드로젤을 다른 온도에서 다시 평형을 유지시켰다. 각 샘플에 대해 5번을 측정하여 평균을 내고, ESR은 하기의 일반식으로서 계산되었다.The hydrogels prepared in the Examples were swollen in various polar and nonpolar solvents, including water, dimethylformamide (DMF) and hexane solvents, in the temperature range of 22-80 ° C., and the ESR was measured by gravimetric method. At a predetermined temperature within the temperature range, the hydrogel was immersed in each solvent, and after 48 hours, the hydrogel was removed, wiped off with a wet filter paper to remove water from the surface, and then weighed. After measuring ESR at one temperature, the hydrogel was again equilibrated at another temperature for continuous ESR measurements. Five measurements were taken for each sample and averaged, and ESR was calculated as the following general formula.

[일반식 1][Formula 1]

ESR = Ws/WdESR = Ws / Wd

상기 식에서, Ws는 각각의 온도에서 팽윤된 하이드로젤 내의 물의 중량이고, Wd는 상기 하이드로젤의 건조 중량이다.Wherein Ws is the weight of water in the hydrogel swollen at each temperature and Wd is the dry weight of the hydrogel.

도 10은 상기 하이드로젤 PEOPPA400의 ESR의 측정 결과를 나타낸다. 30분 이내에 ESR의 값은 22까지 상승했고, 시간이 지남에 따라 더 많은 양의 물 흡수가 관찰되었다. ESR은 온도에도 영향을 받으며, 각각 30분으로 시간을 제한하여 측정하였고, 10 내지 30℃의 온도에서는 온도가 증가함에 따라 ESR 또한 10부터 23까지 증가하였다. 50℃ 이상의 온도에서는 ESR이 점근값(asymptotic value)에 이르렀다.10 shows measurement results of ESR of the hydrogel PEOPPA400. Within 30 minutes the value of ESR rose to 22, and over time more water uptake was observed. ESR was also affected by temperature, measured by limiting the time to 30 minutes each, ESR also increased from 10 to 23 with increasing temperature at a temperature of 10 to 30 ℃. At temperatures above 50 ° C., the ESR reached an asymptotic value.

[실시예 1]Example 1

PEOPPA 하이드로젤에 담지된 금 나노 입자(HS-MNP)의 제조Preparation of Gold Nanoparticles (HS-MNP) Supported on PEOPPA Hydrogels

AuCl4 -, Ag+, PdCl4 2 -, PtCl4 2 -, Ru3 +와 같은 귀금속 이온들이 각각 농도 0.1 M을 갖는 수용액을 제조하기 위해 사용되었다. 0.2 mL의 용액은 각각 10 mL 바이알로 옮겨지고, 이어서 제조예 1에서 제조한 건조 하이드로젤(40 mg)이 첨가되었다. 네트워크의 높은 물 함량 때문에, 상기 용액은 완전히 하이드로젤 내로 흡수될 수 있다. 추가로 5 mL 증류수가 주입된 후에, 상기 바이알은 밀봉되어 24시간 동안 고정된 상태로 유지된다. 대응하는 금속 입자의 형성은 상기 하이드로젤 및 UV-Vis 분광기의 색 변화에 의해 결정되었다. AuCl 4 -, Ag +, PdCl 4 2 -, PtCl 4 2 -, noble metal ions such as Ru 3 + were used to prepare an aqueous solution having a concentration of 0.1 M, respectively. The 0.2 mL solutions were each transferred to 10 mL vials followed by the addition of the dry hydrogel (40 mg) prepared in Preparation Example 1. Because of the high water content of the network, the solution can be completely absorbed into the hydrogel. After a further 5 mL of distilled water was injected, the vial was sealed and held fixed for 24 hours. The formation of the corresponding metal particles was determined by the color change of the hydrogel and UV-Vis spectrometer.

도 11 및 도 12는 하이드로젤이 포함된 용액 내에 HAuCl4(0.1 M, 0.2 mL)를 첨가하고, 24시간 환원 후, UV-Vis 스펙트럼은 Au3 +가 Au0로 완전히 전환되었음을 입증했고, 상기 하이드로젤의 색은 무색에서 적색으로 변화했다. AuNP는 수용액의 색에 변화가 없는 것으로 보아, 주로 표면 및 상기 하이드로젤 내부에서 형성되었음을 알 수 있다. 하이드로젤의 표면 상에서 생성되어 용액 안으로 씻겨 들어간(desquamated), free AuNP는 TEM에 의해 관찰되고, DLS(Zetasizer, Malvern Instruments)를 측정하였다(도 12의 (a)). 상기 AuNP의 평균 직경은 약 10 nm였다.11 and 12 are then added to the HAuCl 4 (0.1 M, 0.2 mL ) in that contains the hydrogel solution, and reducing 24 hours, UV-Vis spectra were demonstrate that the Au 3 + has been fully converted into Au 0, the The color of the hydrogel changed from colorless to red. Since AuNP does not change in the color of the aqueous solution, it can be seen that it was formed mainly on the surface and the inside of the hydrogel. Free AuNPs, generated on the surface of the hydrogel and washed into the solution, were observed by TEM and measured DLS (Zetasizer, Malvern Instruments) (FIG. 12A). The average diameter of the AuNP was about 10 nm.

HS-AuNP 제조를 위해 사용된 프로토콜과 동일한 방식으로 하이드로젤에 고정화된 Ag, Pd, Pt 및 Ru 나노입자도 효율적으로 제조될 수 있다. 좁은 크기 분포를 갖는 각각의 HS-MNP의 형성은 TEM 이미지, UV-Vis 스펙트럼 및 생성된 HS-AuNP의 색에 의해 확인될 수 있다(도 13). 도 13의 (f)는 상기 하이드로젤이 MNP를 고정화한 후에도 반응 시스템 사이를 용이하게 이동할 수 있도록 그들의 완결성(integrity)을 유지하는 것을 증명한다.Ag, Pd, Pt and Ru nanoparticles immobilized on hydrogels can also be efficiently produced in the same manner as the protocol used for HS-AuNP preparation. The formation of each HS-MNP with a narrow size distribution can be confirmed by TEM image, UV-Vis spectrum and color of the resulting HS-AuNP (FIG. 13). 13 (f) demonstrates that the hydrogels maintain their integrity so that they can easily move between reaction systems even after immobilizing the MNP.

또한, 하이드로젤 내부의 MNP 양을 정확하게 알기 위해, 제조된 HS-MNP를 증류수로 3회 세척하고, 이어서 깨끗한 용액 속에 NP가 ICP 질량 분석기(7500 ICP-MS, Agilent technologies)에 의해 측정되었다. 하이드로젤 내부에 대응하는 AuNP, AgNP, PdNP, PtNP 및 RuNP의 실제 양은 각각 건조 PEOPPA 하이드로젤 1g 당 80, 50, 48, 82 및 45 mg으로 계산되었다.In addition, to accurately determine the amount of MNP inside the hydrogel, the prepared HS-MNP was washed three times with distilled water, and then NP in a clean solution was measured by an ICP mass spectrometer (7500 ICP-MS, Agilent technologies). The actual amounts of AuNP, AgNP, PdNP, PtNP and RuNP corresponding to the inside of the hydrogel were calculated to be 80, 50, 48, 82 and 45 mg per gram of dry PEOPPA hydrogel, respectively.

[실험예 1][Experimental Example 1]

가. HS-MNP의 촉매 활성 측정end. Determination of catalytic activity of HS-MNP

5개의 니트로 방향족 화합물(2,6-디니트로페놀, 2,4-디니트로페놀, p-니트로페놀, 2,4,6-트리니트로페놀 및 2-니트로피리딘-3-올)이 10, 30 및 50℃에서 NaBH4의 존재 하에 HS-MNP의 촉매 활성 측정을 위해 선택되었다. HS-AuNP 촉매의 전형적인 공정은 다음과 같다: 각각의 니트로 방향족 수용액(4 mL, 1.8 x 10-3 mol/L)이 10 mL 바이알에 준비되고, 각각의 반응 시스템을 위해 2 mg의 NaBH4가 사용되었다. HS-AuNP를 첨가하기 전에, 상기 용액은 UV-Vis 분광기에 의해 분석되어 파장 및 피크 강도(상기 제조된 용액 0.1 mL가 UV-Vis 추적을 위해 석영 셀에서 1 mL 증류수로 희석된다)를 확인하였다. 이어서, HS-AuNP(4 mg)를 첨가한 후, 상기 용액을 지정된 온도에서 UV-vis 분광기에 의해 분석하였다. 다른 촉매들도 유사한 공정으로 측정되었다.Five nitro aromatic compounds (2,6-dinitrophenol, 2,4-dinitrophenol, p-nitrophenol, 2,4,6-trinitrophenol and 2-nitropyridin-3-ol) are 10, 30 and It was selected for the catalytic activity measurement of HS-MNP in the presence of NaBH 4 at 50 ° C. A typical process for the HS-AuNP catalyst is as follows: Each nitro aromatic solution (4 mL, 1.8 x 10 -3 mol / L) is prepared in 10 mL vials and 2 mg of NaBH 4 is added for each reaction system. Was used. Prior to the addition of HS-AuNP, the solution was analyzed by UV-Vis spectroscopy to confirm the wavelength and peak intensity (0.1 mL of the prepared solution was diluted with 1 mL distilled water in a quartz cell for UV-Vis tracking). . Subsequently, after adding HS-AuNP (4 mg), the solution was analyzed by UV-vis spectroscopy at the specified temperature. Other catalysts were measured in a similar process.

중성 또는 산성 조건 하에서, 2,6-디니트로페놀, 2,4-디니트로페놀, p-니트로페놀, 2,4,6-트리니트로페놀 및 2-니트로피리딘-3-올 용액은 427, 357, 317, 353 및 330 nm에서 각각 강한 흡수 피크를 나타낸다. NaBH4의 첨가에 따라, 상기 용액의 알칼리성이 증가하고, 상응하는 니트로페놀레이트 및 2-니트로피리딘-3-올레이트 이온이 각각 430, 414, 400, 390 및 397 nm에서 흡수 피크의 스펙트럼 이동에 의해 수반되어 지배적이게 되었다. 일단 HS-AuNP가 첨가되면, 환원 반응이 진행됨에 따라, 390 nm에서 2,4,6-트리니트로페놀레이트의 소멸을 나타내는, 특징적인 흡수 피크는 서서히 강도가 줄어든다. 동시에, 증가된 반응시간과 함께, 새로운 흡수피크가 보다 낮은 파장에서 나타나기 시작하며, 이것은 대응하는 아미노페놀 및 2-아미노피리딘-3-올의 생산을 나타낸다. 상기 5개의 니트로방향족 화합물 및 촉매로서 하이드로젤 담지된 금속 나노입자를 사용하여 수중에서 NaBH4에 의한 환원 전 및 후의 대응하는 UV-vis 흡수 피크는 하기의 표 1 및 도 14 내지 18에 예시된다.Under neutral or acidic conditions, 2,6-dinitrophenol, 2,4-dinitrophenol, p-nitrophenol, 2,4,6-trinitrophenol and 2-nitropyridin-3-ol solution were found to be 427, 357, Strong absorption peaks are shown at 317, 353 and 330 nm, respectively. With the addition of NaBH 4 , the alkalinity of the solution increases and the corresponding nitrophenolate and 2-nitropyridine-3-oleate ions react to the spectral shift of the absorption peak at 430, 414, 400, 390 and 397 nm, respectively. It was accompanied by and became dominant. Once HS-AuNP is added, as the reduction reaction proceeds, the characteristic absorption peak, indicating the disappearance of 2,4,6-trinitrophenolate at 390 nm, gradually decreases in intensity. At the same time, with increased reaction time, new absorption peaks begin to appear at lower wavelengths, indicating the production of corresponding aminophenols and 2-aminopyridin-3-ols. The corresponding UV-vis absorption peaks before and after reduction with NaBH 4 in water using the five nitroaromatic compounds and the hydrogel supported metal nanoparticles as catalysts are illustrated in Table 1 below and FIGS. 14-18 below.

[표 1][Table 1]

Figure pat00012
Figure pat00012

NaBH4에 의한 2,4-디니트로페닐의 환원에서 반응 속도 상수에 대한 촉매 양의 효과는 50℃에서 촉매 양을 서서히 증가시켜 측정하였다. 반응 조건 및 결과는 도 19에 나타난다. 모든 촉매의 경우에, 속도 상수는 촉매 양이 증가함에 따라 증가한다. 상기 촉매 값과 관련하여, 상기 촉매의 양은 각각의 반응에 따라 4 mg으로 지정된다.The effect of the catalyst amount on the reaction rate constant in the reduction of 2,4-dinitrophenyl by NaBH 4 was measured by slowly increasing the catalyst amount at 50 ° C. Reaction conditions and results are shown in FIG. 19. For all catalysts, the rate constant increases with increasing catalyst amount. Regarding the catalyst value, the amount of the catalyst is designated 4 mg according to each reaction.

유사하게, 도 20은 NaBH4 농도의 영향을 증명한다. 도 17에서 나타난 것처럼, 0.23 x 10-2 mol/L의 NaBH4에서 너무 낮은 농도는 낮은 반응 전환율의 원인이 된다. 예상한 바와 같이 보다 높은 농도는 반응 전환율을 향상시키는 데 도움을 준다. 그러나, NaBH4 농도가 1.32 x10-2 mol/L 이상일 때, 속도 상수의 뚜렷한 향상이 나타나지 않았다. 그러므로, 모든 반응에 대해 적정 농도로서 1.32 x10-2 mol/L이 지정된다.Similarly, FIG. 20 demonstrates the effect of NaBH 4 concentration. As shown in FIG. 17, too low a concentration in NaBH 4 of 0.23 × 10 −2 mol / L causes low reaction conversion. As expected, higher concentrations help to improve reaction conversion. However, when the NaBH 4 concentration was above 1.32 × 10 −2 mol / L, no significant improvement in the rate constant was seen. Therefore, 1.32 × 10 −2 mol / L is specified as the appropriate concentration for all reactions.

또한, 도 21는 모든 방향족 니트로 화합물의 환원 반응시, 각각의 온도에서 시간에 따른 농도 변화를 나타낸 것이다. 특히, HS-AuNP 촉매를 첨가하지 않은 경우, 30℃에서 어떠한 반응도 관찰되지 않았고, 이는 상기 환원이 첨가된 촉매에 의해 활성화되는 것임을 나타낸다. 또한, 30℃에서 유도 시간(induction time)이 가장 짧은 것을 알 수 있다.In addition, Figure 21 shows the concentration change with time at each temperature in the reduction reaction of all the aromatic nitro compounds. In particular, when no HS-AuNP catalyst was added, no reaction was observed at 30 ° C., indicating that the reduction was activated by the added catalyst. Also, it can be seen that the induction time is the shortest at 30 ° C.

나. HS-AuNP의 재활용성(Recyclability) 측정I. Recyclability of HS-AuNP

p-니트로페놀을 가지고 30℃에서 실험을 수행하였다. 하이드로젤 담지체 없이 용액에 분산된 free AuNP는 HS-AuNP와 비교를 위해 적용되었다. 촉매 활성 측정과 동일한 공정에 따라, 한번의 반응 사이클 후, 관련 촉매는 14,000 rpm에서 30분 동안 원심분리되고, 이어서 물로 3회 세척되었다. 새로운 용액에서, 활성 AuNP의 양은 각각의 반응 전에 UV-Vis 추적에 의해 측정되었다. 다음 반응 사이클은 동일한 농도의 p-니트로페놀(1.8 x 10-3 mol/L)을 첨가하여 시작하였다. 재활용 공정을 20회 반복하였다. 두 가지 방법이 반응 혼합물로부터 HS-AuNP 촉매를 분리하기 위해 적용되었다. 즉, 원심 분리하고 3회 물로 세척하는 방법과 반응 생성물로부터 직접제거하고 다음 사이클 사용 전에 3회 물로 세척하는 방법이다.The experiment was performed at 30 ° C. with p-nitrophenol. Free AuNP dispersed in solution without hydrogel carrier was applied for comparison with HS-AuNP. Following one reaction cycle, following one reaction cycle, the relevant catalyst was centrifuged at 14,000 rpm for 30 minutes and then washed three times with water. In the fresh solution, the amount of active AuNPs was measured by UV-Vis tracking before each reaction. The next reaction cycle was started by adding equal concentrations of p-nitrophenol (1.8 × 10 −3 mol / L). The recycling process was repeated 20 times. Two methods were applied to separate the HS-AuNP catalyst from the reaction mixture. That is, centrifugation, washing three times with water and removing directly from the reaction product and washing three times with water before the next cycle use.

Free AuNP의 경우, 오직 원심 분리에 의해서만 분리된다. 활성 AuNP의 손실 백분율은 촉매를 매번 분리하고 세척한 후에, UV-Vis 분광기에 의해 측정되었다.In the case of Free AuNP, it is separated only by centrifugation. The percentage loss of active AuNPs was measured by UV-Vis spectroscopy after each catalyst separation and washing.

도 22는 p-니트로페놀의 환원용 AuNP계 촉매의 촉매 재생 성능 측정을 나타낸다. 원심 분리에 의해 분리될 때, HS-AuNP 촉매는 20 사이클 이후 조차도, 활성 AuNP의 82%를 유지한다. 반면, free AuNP의 경우 오직 10% 활성 AuNP만이 20 사이클 이후 남아있다(도 22의 (a)). 또한, HS-AuNP는 용액으로부터 트위저를 사용하여 직접 제거에 의해 분리할 수 있다(도 22 (b)). HS-AuNP의 경우, 분리 후 구조적 완결성을 가지는 하이드로젤에 AuNP가 고정화되어 있기 때문에 반복된 사이클 후에도 높은 촉매 활성을 유지한다. 그러나, free AuNP의 경우, 활성 AuNP의 손실 및 지루한 후 공정(work up) 절차를 사이클 수가 증가함에 따라 피할 수 없다. 또한, free AuNP의 응집 및 산화를 피할 수 없다.Fig. 22 shows measurement of catalyst regeneration performance of AuNP catalysts for reducing p-nitrophenol. When separated by centrifugation, the HS-AuNP catalyst retains 82% of active AuNPs, even after 20 cycles. On the other hand, in the case of free AuNP, only 10% active AuNP remained after 20 cycles (Fig. 22 (a)). In addition, HS-AuNP can be separated from the solution by direct removal using a tweezer (FIG. 22 (b)). HS-AuNP maintains high catalytic activity even after repeated cycles because AuNP is immobilized on a hydrogel having structural integrity after separation. However, for free AuNPs, the loss of active AuNPs and the boring work up procedure are unavoidable as the number of cycles increases. In addition, aggregation and oxidation of free AuNPs cannot be avoided.

도 22의 (c)는 HS-AuNP 촉매는 20 사이클 동안 활성을 유지하지만, 반응 시간은 서서히 증가함을 나타낸다. 도 22의 (d)는 또한 각 사이클에 대한 반응 시간을 5분으로 제한한 경우, HS-AuNP에 대해 전환율이 5번째 사이클부터 서서히 감소하기 시작함을 나타낸다.22 (c) shows that the HS-AuNP catalyst remains active for 20 cycles, but the reaction time gradually increases. Figure 22 (d) also shows that when the reaction time for each cycle is limited to 5 minutes, the conversion rate for HS-AuNP begins to decrease slowly from the fifth cycle.

[실시예 2][Example 2]

하이드로젤에 담지된 나노 입자(HS-MNP)의 제조Preparation of Nanoparticles (HS-MNP) Supported on Hydrogels

기계적 교반기가 장착된 250 mL 2구 플라스크 내의 THF(tetrahydrofuran, 100 mL) 내에 용해된 옥시염화인(phosphorous oxychloride, 20 mmol, 3.04 g) 및 TEA(triethylamine, 120 mmol, 12.12 g)에, 건조된 2관능성의 PEG300(poly(ethylene glycol), 10 mmol, 3.00 g)을 5℃ 이하로 유지하면서 적가하였다. 20분 동안 교반 한 후에, 각각 FeSO4, Fe2(SO4)3, Fe2O3 및 MnO2 분말을 첨가하고 10분 동안 교반하였다. 용액은 이멀전이 되었고, 반응 혼합물에 1,3-프로판디아민 (PDA, 180 mmol, 13.33 g)을 강한 교반 하에서 실온에서 일정 속도로 주입하였다. 금속 이온 또는 금속산화물을 포함하는 겔 형태의 고체가 침전되었다. 생성물은 물로 세척하고, 60℃의 동적 진공기에서(dynamic vacuum) 2일 동안 탈수되었다.Phosphorous oxychloride (20 mmol, 3.04 g) and TEA (triethylamine, 120 mmol, 12.12 g) dissolved in THF (tetrahydrofuran, 100 mL) in a 250 mL two-necked flask equipped with a mechanical stirrer, dried 2 Functional PEG300 (poly (ethylene glycol), 10 mmol, 3.00 g) was added dropwise while maintaining below 5 ℃. After stirring for 20 minutes, FeSO 4 , Fe 2 (SO 4 ) 3 , Fe 2 O 3 and MnO 2 powder were added and stirred for 10 minutes. The solution became emulsion, and 1,3-propanediamine (PDA, 180 mmol, 13.33 g) was injected into the reaction mixture at a constant rate at room temperature under vigorous stirring. A solid in the form of a gel containing metal ions or metal oxides was precipitated. The product was washed with water and dehydrated for 2 days in a dynamic vacuum at 60 ° C.

이와 같이 제조된 Fe(II), Fe(III), Fe2O3, MnO2가 하이드로젤에 각각 담지된 촉매의 사진을 도 23에 도시하였다. 또한 각각 제조된 촉매를 열중량분석기(TGA)를 사용하여 분석한 결과, Fe(II), Fe(III), Fe2O3, MnO2는 각각 12.2, 22.3, 22.5 및 22.9 wt% 담지된 것을 확인하였고 이를 도 24에 도시하였다.23 shows a photo of the catalyst in which Fe (II), Fe (III), Fe 2 O 3 , and MnO 2 prepared as described above are supported on a hydrogel. In addition, as a result of analyzing the prepared catalysts using a thermogravimetric analyzer (TGA), Fe (II), Fe (III), Fe 2 O 3 and MnO 2 were 12.2, 22.3, 22.5 and 22.9 wt%, respectively. This was confirmed and shown in FIG. 24.

[실험예 2][Experimental Example 2]

하이드로젤에 담지된 나노 입자(HS-MNP)의 로다민 분해 활성의 측정Measurement of Rhodamine Degradation Activity of Nanoparticles Supported on Hydrogels (HS-MNP)

실시예 2에서 제조한 Fe(II), Fe(III), Fe2O3, MnO2가 하이드로젤에 각각 담지된 촉매의 시간에 따른 로다민 6의 분해능력을 도 25에 도시하였다. 도 25에 따르면 Fe(II)가 하이드로젤에 담지된 촉매의 경우 60분 내에 100%의 분해 효율을 나타내서 가장 효과적인 것으로 나타났다.25 shows the decomposition ability of Rhodamine 6 over time of the catalyst in which Fe (II), Fe (III), Fe 2 O 3 , and MnO 2 prepared in Example 2 were respectively supported on the hydrogel. According to FIG. 25, Fe (II) was most effective because it showed a decomposition efficiency of 100% within 60 minutes for the catalyst loaded on the hydrogel.

물 중의 과산화수소(H2O2)의 존재 하에서 실시예 2에서 제조한 촉매 활성을 측정하기 위한 모델로서 로다민 6G을 선택하고, 이의 분해 능력을 나타내는 사진 및 UV-vis spectroscopy를 도 26(a)에 도시하였다. 분해 반응이 끝난 15 분 후에 용액은 무색으로 변하였고 잔류 물질은 없는 것이 확인되었다. 그러나 Fe(II)를 하이드로젤에 고정화시키지 않고 시험한 결과 로다민 6 중 일부가 분해되지 않고 잔류하는 것을 확인할 수 있었다.(도 26(b)) 따라서 본 발명에 따른 촉매 시스템은 회수, 고휴율, 및 편리한 운전 등 명백한 장점을 가지고 있다.Rhodamine 6G was selected as a model for measuring the catalytic activity prepared in Example 2 in the presence of hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) in water, and a photograph and UV-vis spectroscopy showing its decomposition ability were shown in FIG. 26 (a). Shown in After 15 minutes of the decomposition reaction, the solution turned colorless and no residue was found. However, as a result of testing without immobilizing Fe (II) on the hydrogel, it was confirmed that some of the rhodamine 6 remained undecomposed (FIG. 26 (b)). It has obvious advantages such as, and convenient driving.

또한 Fe(II)가 하이드로젤에 담지된 촉매의 로다민 6의 분해 능력을 촉매의 양(도 27 좌측) 및 과산화수소의 양(도 27 우측)에 따른 그래프를 도 27에 도시하였다. 도 27에 도시된 바와 같이 촉매의 양이 300mg이고 , 과산화 수소의 양이 7mL인 경우 가장 효과적임을 알 수 있었다. 촉매의 양이 300mg을 초과하는 경우 분해 효율이 오히려 감소하는 것은 많은 양의 촉매로 pH가 낮아서 과산화수소에 의한 로다민의 분해 반응에 악영향을 주기 때문이다.In addition, a graph showing the decomposition ability of Rhodamine 6 of the catalyst loaded with Fe (II) on the hydrogel according to the amount of catalyst (left of FIG. 27) and the amount of hydrogen peroxide (right of FIG. 27) is shown in FIG. 27. As shown in FIG. 27, the amount of catalyst was 300 mg, and the amount of hydrogen peroxide was 7 mL, which was most effective. When the amount of the catalyst exceeds 300 mg, the decomposition efficiency is rather reduced because a large amount of catalyst has a low pH, which adversely affects the decomposition reaction of rhodamine by hydrogen peroxide.

Claims (11)

하기의 화학식 1을 가교 사이트로 포함하는 하이드로젤; 및
상기 하이드로젤에 담지된 촉매활성 성분을 포함하는 촉매:
[화학식 1]
Figure pat00013

상기 화학식 1에서, Y1, Y2 및 Y3는 -O-, -S- 또는 -NH- 로부터 각각 독립적으로 선택되고, Y1, Y2 및 Y3 중 적어도 하나는 -S- 또는 -NH- 이다.
Hydrogel comprising the following formula 1 as a crosslinking site; And
Catalyst comprising a catalytically active component supported on the hydrogel:
[Chemical Formula 1]
Figure pat00013

In Formula 1, Y 1 , Y 2 and Y 3 are each independently selected from -O-, -S- or -NH-, and at least one of Y 1 , Y 2 and Y 3 is -S- or -NH - to be.
제1항에 있어서,
하이드로젤은 하기의 화학식 2 내지 4중 어느 하나를 반복단위로 포함하는 촉매:
[화학식 2]
Figure pat00014

[화학식 3]
Figure pat00015

[화학식 4]
Figure pat00016

상기 화학식 2 내지 4에서,
R1, R3 내지 R6는 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기이고, R2는 탄소수 1 내지 30의 알킬기이며, L은 말단에 X를 가지는 가지 구조를 나타내고, o 및 p는 1 내지 100의 정수이며, X는 하기 화학식 5를 나타내고,
[화학식 5]
Figure pat00017

상기 화학식 5에서, A1 및 A2는 -NH-, 및 -S-로 이루어진 군으로부터 각각 독립적으로 선택되고, R7 및 R8은 탄소수 1 내지 30의 알킬렌기이다.
The method of claim 1,
Hydrogel is a catalyst comprising any one of the following formulas 2 to 4 as repeating units:
(2)
Figure pat00014

(3)
Figure pat00015

[Chemical Formula 4]
Figure pat00016

In the above Chemical Formulas 2 to 4,
R 1 , R 3 to R 6 are alkylene groups of 1 to 30 carbon atoms, R 2 is an alkyl group of 1 to 30 carbon atoms, L represents a branched structure having X at the terminal, o and p are integers of 1 to 100 X represents the following Chemical Formula 5,
[Chemical Formula 5]
Figure pat00017

In Formula 5, A 1 and A 2 are each independently selected from the group consisting of -NH-, and -S-, and R 7 and R 8 are alkylene groups having 1 to 30 carbon atoms.
제2항에 있어서,
L은 구조 내에 하기 화학식 6 내지 8로 표시되는 단위 중 하나 이상을 포함하는 촉매:
[화학식 6]
Figure pat00018

[화학식 7]
Figure pat00019

[화학식 8]
Figure pat00020

3. The method of claim 2,
L is a catalyst comprising at least one of the units represented by the following formulas (6) to (8) in the structure:
[Chemical Formula 6]
Figure pat00018

(7)
Figure pat00019

[Chemical Formula 8]
Figure pat00020

제2항에 있어서,
L은 하기 화학식 9로 표시되는 단위를 포함하는 촉매:
[화학식 9]
Figure pat00021

3. The method of claim 2,
L is a catalyst comprising a unit represented by the following formula (9):
[Chemical Formula 9]
Figure pat00021

제1항에 있어서,
상기 촉매 활성성분은 금속, 금속이온 또는 금속산화물인 촉매.
The method of claim 1,
The catalyst active ingredient is a metal, a metal ion or a metal oxide.
제5항에 있어서,
상기 촉매 활성성분은 평균 입경이 2 내지 50 nm인 나노 입자인 촉매.
The method of claim 5,
The catalyst active ingredient is a catalyst having an average particle diameter of 2 to 50 nm nanoparticles.
제5항에 있어서,
상기 금속은 Au, Pt, Pd, Ir, Rh, Ag, Ru, Al, Cu, Te, Bi, Pb, Fe, Ce, Mo, Nb, W, Sb, Sn, V, Mn, Ni, Co, Zn 및 Ti로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 촉매.
The method of claim 5,
The metal is Au, Pt, Pd, Ir, Rh, Ag, Ru, Al, Cu, Te, Bi, Pb, Fe, Ce, Mo, Nb, W, Sb, Sn, V, Mn, Ni, Co, Zn And at least one catalyst selected from the group consisting of Ti.
제1항에 따른 촉매의 존재 하에서, 방향족 니트로 화합물을 환원시키는 단계를 포함하는 방향족 아민 화합물의 제조 방법.
A process for producing an aromatic amine compound, comprising the step of reducing the aromatic nitro compound in the presence of a catalyst according to claim 1.
제8항에 있어서,
상기 환원은 NaBH4, LiAlH4, H3NBH3, NaB(CN)H3, NaB(OAc)3H, LiAl(CN)H3, LiAl(OAc)3H, NaB(OCH3)4, NaBEt3H 및 LiBEt3H로 이루어진 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 환원제의 존재하에 수행되는 목적물질의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
The reduction is NaBH 4 , LiAlH 4 , H 3 NBH 3 , NaB (CN) H 3 , NaB (OAc) 3 H, LiAl (CN) H 3 , LiAl (OAc) 3 H, NaB (OCH 3 ) 4 , NaBEt A process for preparing a target substance which is carried out in the presence of at least one reducing agent selected from the group consisting of 3 H and LiBEt 3 H.
제1항에 따른 촉매의 존재 하에서, 반응물을 산화 또는 환원시키는 방법.
A process for oxidizing or reducing a reactant in the presence of a catalyst according to claim 1.
제10항에 있어서,
상기 반응물은 로다민 또는 그 유도체인 방법.
The method of claim 10,
The reactant is rhodamine or a derivative thereof.
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