KR20140111481A

KR20140111481A - 사이클로덱스트린의 기계화학적 개환 중합 반응을 이용한 폴리글루칸의 제조방법

Info

Publication number: KR20140111481A
Application number: KR1020130025680A
Authority: KR
Inventors: 게클러 커트; 프라사드라오
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2014-09-19
Also published as: KR101474715B1

Abstract

본 발명은 사이클로덱스트린의 기계화학적 개환 중합 반응을 이용한 폴리글루칸의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 베타-사이클로덱스트린 수용액을 제조하는 단계; 상기 수용액에 대해 진동 밀링 공정을 수행하는 단계; 및 상기 밀링된 수용액을 동결건조시킴으로써 분말상의 폴리글루칸을 제조하는 단계를 포함하는 사이클로덱스트린의 기계화학적 개환 중합 반응을 이용한 폴리글루칸의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 환경친화적이면서 간단한 기계화학적 방법에 의해서 폴리글루칸을 제조할 수 있으며, 또한 반응 조건들을 변화시킴으로써 다양한 분지도 및 분자량을 갖는 폴리글루칸을 제조할 수 있다.

Description

사이클로덱스트린의 기계화학적 개환 중합 반응을 이용한 폴리글루칸의 제조방법 {Method for preparing polyglucan by mechanochemical ring-opening polymerization of cyclodextrin}

본 발명은 폴리글루칸의 제조방법에 관한 것이다.

다당류 (polysaccharides)는 구조적으로 매우 다양하고, 또한 기능적으로 다재다능하다는 점에서 매력적인 거대분자로 주목을 받고 있다. 최근에, 이러한 고분자들이 그 지속성으로 인해서 중요한 부류의 물질들로 재부상하고 있는데, 그들이 보유한 생체적합성 및 생분해성 등과 같은 생체기능 특성에 기반하여, 식품, 화장품, 조절 약물 방출 시스템, 조직 공학용 스캐폴드, 나노생복합체, 및 생명공학 등의 분야에 광범위하게 사용되고 있다 (Ladmiral V, Melia E, Haddleton DM. Eur Polym J 2004, 40, 431-439; Garcia-Martina MG, Jimenez-Hidalgoa C, Al-Kassa SSJ, Caraballob I, de Pazc MV, Galbis JA. Polymer 2000, 41, 821-26; Godula K, Bertozzi CR. J Am Chem Soc 2010, 132, 9963-9965; Gao C, Muthukrishnan S, Li W, Yuan J, Xu Y, Muller AHE. Macromolecules 2007, 40, 1803-1815; Korzhikov V, Roeker S, Vlakh E, Kasper C, Tennikova T. Bioconjugate Chem 2008, 19, 617-625; Nai-Yu X, An-Long L, Liang H, Lu J. Macromolecules 2008, 41, 2374-2380; Geckeler KE, Rosenberg E (Eds.), Functional Nanomaterials, American Scientific Publishers, Valencia, USA, 2006; Geckeler KE, Nishide H (Eds.), Advanced Nanomaterials, Wiley/VCH Publishers, Weinheim, Germany, 2009; Rao JP, Geckeler KE. Prog Pol Sci 2011, DOI:10.1016/j.progpolymsci.2011.01.001).

기존에 이러한 다당류를 제조하는 방법으로는, 천연물로부터 합성하거나 (Yang L, Li-Ming Z. Carbohydr Polym 2009, 76, 349-361; Naessens M, Cerdobbel A, Soetaert W, Vandamme EJ. J Chem Technol Biotechnol 2005 80,845-860; Shingel KI. Carbohydr Res 2004, 339, 447-460; Heinze T, Liebert T, Heublein B, Hornig S. Adv Polym Sci 2006, 205,199-291; Maina HN, Tenkanen M, Maaheimo H, Juvonen R, Virkki L. Carbohydr Res 2008, 343, 1446-1445), 효소적 합성법을 사용하는 이외에도 (Kobayashi S, Makino A. Chem. Rev 2009, 109, 5288-5353; Kobayashi S. J Polym Sci A Polym Chem 1999, 37, 3047-3056; Kobayashi S, Kashiwa K, Kawasaki T, Shoda S. J Am Chem Soc 1991, 113, 3079-3084; Sivalingam G, Madras G. Biomacromolecules 2004, 5, 603-609), 무수 당 유도체들의 양이온 개환 중합반응 (cationic ring-opening polymerization of anhydro sugar derivatives)을 통해서도 화학적으로 합성될 수 있다.

상기 중합반응은 옥시카르보 양이온에 의해서 개시되는데 (Ruckel ER, Schuerch C. J Am Chem Soc 1966, 88, 2605-2606; Rucbel ER, Schuerch C. Biopolymers 1967, 5, 515-523; Uryu T, Liert H, Sachoval J, Schuerch C. Macromolecules 1970, 3, 345-349; Schuerch C. Acc Chem Res 1973, 6, 184-191; Uryu T, Yamaguchi C, Morikawa K, Terui K, Kanai T, Matsuzaki K. Macromolecules 1985, 18, 599-605; Yoshida T. Prog Polym Sci 2001, 26, 379-441; Okada M. Prog Polym Sci 2001, 26, 67-104; Varma AJ, Kennedy JF, Galgali P. Carbohydr Polym 2004, 56, 429-445; Varma AJ, Schuerch C. J Org Chem 1981, 46, 799-803; Kakuchi T, Kusuno A, Miura M, Kaga H. Macromol Rapid Commun 2000, 21, 1003-1006), Schuerch 및 Ruckel은 1,6-무수 당 유도체의 양이온 개환 중합반응에 의해서 입체규칙적인 다당류를 최초로 성공적으로 합성하였으며, 이러한 방법을 사용하여 다양한 무수 당 유도체들이 합성 및 중합되어 입체규칙적인 다당류로 전환되었다. 특히, 이러한 방법의 장점은 고분자량을 갖는 매우 입체규칙적인 중합체를 합성할 수 있다는 점에 있다.

한편, 사이클로덱스트린 (cyclodextrins, CDs)은 사이클릭 올리고당류로서, α-(1→4) 결합들을 갖는 글루코피라노오스 단위들로부터 제조된 토러스 형태의 (torus-like) 거대고리이다 (Szejtli J. Chem. Rev 1998, 98, 1743-1753; Geckeler KE (Ed.), Advanced Macromolecular and Supramolecular Materials and Processes, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, USA, 2003; Ritter H, Geckeler KE, Tabatabai M (Eds.), Macro- and Supramolecular Architectures and Materials: Synthesis, Properties, and Applications, Wiley-VCH Verlag, Duesseldorf, Germany, 2008). 특히, CD는 거대환형 모노머로서 기능할 수 있고, 개환 중합반응을 수행할 수 있으며, 이전에 보고된 방법들에 의해서 제조하기 어려운 다당류를 제조해낼 수 있다는 잠재력을 갖는다 (Suzuki M, Numata O, Shimazaki T. Macromol Rapid Commun 2001, 22, 1354-1357).

일반적으로, CD 유도체들의 개환 반응은 OH-보호기를 갖는 CD 유도체들의 제한된 아세토라이시스 (acetolysis) 또는 티오라이시스 (thiolysis)에 의해서 이루어지고 (Sakairi N, Matsui K, Kuzuhara H. Carbohydr Res 1995, 266, 263-268; Sakairi N, Kuzuhara H. Carbohydr Res 1996, 280, 139-143; Sakairi N, Wang LX, Kuzuhara H. J Chem Soc Chem Commun 1991, 5, 289-290), 이어서 중축합 반응에 의해서 다당류가 합성된다 (Nishikia M, Ousakaa Y, Nishia N, Tokurab S, Sakairi N. Carbohydr Polym 1999, 39 , 1-6).

또한, CD 유도체의 양이온 개환 중합반응에 의해서 폴리글루칸을 합성하는 방법이 보고된 바도 있지만 (Bosch A, Nimtz M, Mischnick P. Cellulose 2006, 13, 493-507; Suzuki M, Numata O, Shimazaki T. Macromol Symp 2004, 215, 255-265; Adden R, Bosch A, Mischnick M. Macromol Chem Phys 2004, 205, 2072-2079; Suzuki M, Shimazaki T. J Org Biol Chem, 2003, 1, 604-608; Bosch A, Mischnick P. Biomacromolecules 2007, 8, 2311-2320), 이러한 방법들은 α-(1→6) 결합이 아닌 결합을 포함하는 폴리글루칸을 생성하게 되며, 종래 통상적인 양이온 개환 중합반응의 단점들을 그대로 보유한다. 따라서, 환경친화적이면서도, 간단한 CD의 개환 중합반응에 대한 필요성이 절실한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하고자, 비변형된 CD를 기계화학적 (mechanochemical) 방법을 사용하여 개환 중합반응시키는 관계로 환경친화적이면서도 간단한 공정에 의해서 수행될 수 있고, 분지도 및 분자량의 조절이 용이한 폴리글루칸의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서,

베타-사이클로덱스트린 수용액을 제조하는 단계;

상기 수용액에 대해 진동 밀링 공정을 수행하는 단계; 및

상기 밀링된 수용액을 동결건조시킴으로써 분말상의 폴리글루칸을 제조하는 단계

를 포함하는 사이클로덱스트린의 기계화학적 개환 중합 반응을 이용한 폴리글루칸의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 진동 밀링 공정은 15분 이상 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 진동 밀링 공정은 15분 내지 2시간 동안 수행될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 베타-사이클로덱스트린 수용액의 농도는 2mM 내지 10mM일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 밀링은 15Hz 내지 25Hz의 주파수 조건 하에서 수행될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 동결건조 단계 이전에 상기 수용액으로부터 폴리글루칸을 석출시키는 단계를 더 포함할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 환경친화적이면서 간단한 기계화학적 방법에 의해서 폴리글루칸을 제조할 수 있으며, 또한 반응 조건들을 변화시킴으로써 다양한 분지도 및 분자량을 갖는 폴리글루칸을 제조할 수 있다.

도 1은 β-CD (a), PG-2-30 (b) 및 PG-10-30 (c)에 대한 FT-IR 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 2는 D₂O 중의 β-CD (a) 및 PG-2-90 (b)에 대한 ¹H-NMR 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 3은 D₂O 중의 PG-2-90에 대한 ¹³C-NMR 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 4는 β-CD (a), PG-2-30 (b) 및 PG-10-30 (c)에 대한 열무게 분석 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 5는 β-CD (a), PG-2-30 (b) 및 PG-10-30 (c)에 대한 XRD 패턴들을 도시한 그래프이다.
도 6은 β-CD (a), PG-2-30 (b) 및 PG-10-30 (c)에 대한 DSC 프로파일을 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

다당류는 분석 및 약제 화학 분야와 같은 다양한 분야에서 유용하게 사용되는 바, 본 발명에서는 사이클로덱스트린의 수용액을 기계화학적 방법에 의해서 개환 중합반응시킴으로써 폴리글루칸을 제조하는 방법을 제안한다. 제조된 폴리글루칸은 주사슬에 α-(1→6) 결합을 지니고, 분지사슬에 α-(1→3) 결합을 지니며, 특히, 기계화학적 방법의 특정 변수들을 변화시킴으로써 분자량 및 분지도 등과 같은 특성들을 용이하게 변화시킬 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 사이클로덱스트린의 기계화학적 개환 중합 반응을 이용한 폴리글루칸의 제조방법은, 베타-사이클로덱스트린 수용액을 제조하는 단계; 상기 수용액에 대해 진동 밀링 공정을 수행하는 단계; 및 상기 밀링된 수용액을 동결건조시킴으로써 분말상의 폴리글루칸을 제조하는 단계를 포함한다.

베타-사이클로덱스트린의 수용액 제조 단계에서는 수용액의 농도를 조절함으로써 제조되는 폴리글루칸의 분자량 및 분지도를 조절할 수 있는 바, 바람직하게는 상기 수용액의 농도는 2mM 내지 10mM일 수 있다. 수용액의 농도가 2mM 미만인 경우에는 개환 중합반응이 수행되지 않는 문제점이 있고, 10mM를 초과하는 경우에는 얻어지는 폴리글루칸의 분자량이 균일하지 않다는 문제점이 있어서 바람직하지 않다.

또한, 상기 진동 밀링 공정은 15분 이상, 바람직하게는 15분 내지 2시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 진동 밀링 공정 시간이 15분 미만인 경우에는 베타-사이클로덱스트린의 개환 중합반응이 수행되지 않는 바, 이는 이러한 반응이 매우 큰 반응 장벽 (reaction barrier) 및 높은 흡열 반응 에너지 (endothermic reaction energy)를 갖는다는 사실을 반증한다. 한편, 상기 진동 밀링 공정 시간이 2시간을 초과하는 것은 공정 시간 및 비용상 바람직하지 않다.

상기 진동 밀링 공정시 가해주는 진동의 주파수는 15Hz 내지 25Hz, 더욱 바람직하게는 약 20Hz일 수 있는 바, 주파수가 15Hz 미만인 경우에는 개환 중합반응이 수행되지 않는 문제점이 있고, 25Hz를 초과하는 경우에는 캡슐 손상으로 인한 탈색의 문제점이 있어서 바람직하지 않다.

한편, 밀링 수용액의 동결건조를 수행하기 이전에, 분말상의 폴리글루칸을 더욱 용이하게 수득하기 위해서 상기 동결건조 단계 이전에 상기 수용액으로부터 폴리글루칸을 석출시키는 단계를 더 포함할 수도 있으며, 이러한 석출 공정은 에탄올 등의 용매를 사용하여 반복수행될 수 있다.

하기 실시예로부터도 알 수 있는 바와 같이, 전술한 본 발명에 따른 방법에 의해서 제조된 폴리글루칸은 주사슬에 α-(1→6) 결합을 지니고, 분지사슬에 α-(1→3) 결합을 지니며, 분지화 정도는 7.1% 내지 13.7%로 다양하게 변화하였고, 더불어 분자량 역시 66 kg/mol 내지 378 kg/mol로 다양하게 얻어졌다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

1. 재료 및 물질

β-CD (제약급)는 Cyclodextrin Technologies Development. Inc., USA로부터 구입하였으며, 더 이상의 정제없이 사용하였다. 모든 β-CD 용액들은 Milli-Q 워터를 사용하여 제조하였다. 산화중수소 (99.9%)는 Aldrich로부터 구입하였다.

2. 사이클로덱스트린 폴리머의 제조

β-CD의 수성 용액을 Milli-Q 워터로 제조하여 볼-밀링 장치 (마노: 길이 4 cm 및 직경 1.7 cm)에 가하고, 실온에서 밀링 (20 Hz)하여 균질한 용액을 제조하였다. 얻어진 용액을 동일한 양의 에탄올을 사용하여 석출하는 과정을 3회 반복하였고, 석출물을 물에 재용해시켜서 최종적으로 동결건조시킴으로써 백색 분말을 얻었다. 일련의 샘플들을 β-CD의 농도 및 밀링 시간을 변화시키는 것과 같이 다른 조건들 하에서 제조하였다. 1개 세트의 실험군에서는, 밀링 시간 (5 내지 120분)을 유지한 반면에, 선택 농도를 변화시켰다 (2 및 10 mM). 이러한 샘플들을 'PG-X-Y'로 명명하였으며, 'PG'는 '폴리글루칸'을 의미하고, 'X' 및 'Y'는 각각 농도 (mM) 및 밀링 시간 (분)을 의미한다. 이러한 표시는 하기 서술에서도 동일하게 적용된다.

3. 스펙트럼 특성화

FT-IR 스펙트럼은 4000 - 400 cm^-1의 범위에서, KBr 펠렛으로, 질소 분위기 하에서 Perkin-Elmer System 2000을 사용하여 실온에서 측정하였다. ¹H- 및 ¹³C-NMR 스펙트로스코피는 JEOL JNM-LA 300 WB를 사용하고 D₂O를 용매로 사용하여 400 MHz에서 수행하였다. TGA 측정은 TA-2050 열 분석기로 기록하였다. 실험들은 샘플 홀더로서 백금 컵을 사용하여 5-10 mg의 샘플량을 사용하여 공기 중에서 분 당 10℃의 가열 속도로 수행하였다. DSC는 5-10 mg의 샘플량으로 TA-2010 (TA instrument)을 사용하여 질소 분위기 하에서 분 당 10℃의 가열 속도로 수행하였다. X-선 회절 패턴들은 40 kV 및 40 mA에서 Cu Kα 라디에이션을 사용하여 Rikagu 회절기를 사용하여 얻었으며, 분석은 5 내지 50°에서 수행하였다. 분자량은 Shodex

컬럼을 사용하여 겔 투과 크로마토그래피에 의해서 결정하였다. 교정을 위해서 폴리스티렌 표준 물질을 사용하였으며, 이는 THF를 1.0 mL min^-1의 흐름 속도로 하여 수행하였다.

3.1. FT - IR 스펙트럼

β-CD의 개환 반응 및 폴리글루칸의 형성은 FT-IR 스펙트럼에 의해서 확인하였다. 도 1은, β-CD 및 폴리글루칸의 FT-IR 스펙트럼을 도시한 것이다. 653, 709, 859, 1303, 1338, 1370 및 1418 cm^-1에서의 β-CD의 특징적 피크들은 각각 O-H 평면외 벤딩, 고리 진동, C-1 그룹 진동, C-H 벤딩/흔들림, O-H 평면 내 벤딩, C-H 벤딩 및 O-H 평면 내 벤딩에 해당하며 (Russell NR, McNamara M. J Incl Phenomena Mol Recognition in Chem 1989, 7, 455-460.), 새로운 피크들이 나타나면서 폴리글루칸 스펙트럼에서는 사라지고, 이는 β-CD의 개환 반응을 확인해주는 것이다. 906 cm^-1에서의 흡수 피크는 α-글라이코시딕 결합의 존재를 나타낸다. 1154, 1103 및 1020 cm^-1에서의 폴리글루칸 스펙트럼에서 나타나는 특징적 밴드들은 C-O 및 C-C 결합들의 원자가 진동 및, CCH, COH 및 HCO 결합들의 변형 진동으로 인한 것이다. 1020 cm^-1에서 피크의 존재는, 기존 문헌에서 보고된 바와 같이, 폴리글루칸에서 α-(1→6) 글라이코시딕 결합 부근에 존재하는 큰 사슬 유연성에 기인한 것이다 (Shingel KI. Carbohydr Res 2002, 337, 1445-1451). 폴리글루칸에 대한 FT-IR 스펙트럼 분석으로부터 제조된 폴리글루칸이 α-(1→6) 결합을 지니고 있다는 사실을 알 수 있었으며, 이는 ¹H- 및 ¹³C-NMR 분석에 의해서 더욱 확인되었다.

3.2. ¹ H- NMR 스펙트럼

양성자 핵자기공명 스펙트로스코피는 다당류에 관여하는 글라이코시딕 결합 위치를 설명하기 위한 우수한 도구이다. 도 2에는 α-(1→6) 폴리글루칸의 400 MHz ¹H-NMR 스펙트럼에 대한 아노머 양성자 공명을 도시하였다. 종래 문헌에, α-(1→6) 폴리글루칸에 대한 3- 내지 4- ppm 영역에서의 양성자 신호들 (H-2, H-3, H-4, H-5 및 H-6) 및 4- 내지 6- ppm 영역에서의 헤미아세탈 H-1 신호는 폴리글루칸의 아노머 양성자에 대한 ¹H-NMR 스펙트럼 영역이 4.95 ppm에서 공명을 나타낸다는 사실을 보여주며, 이는 주사슬의 α-(1→6) 글루코실 잔기들의 H-1에 기인한 것으로서, 통상적인 양이온성 개환 중합반응에 의해서 얻어지는 α- 및 β- 결합을 갖는 폴리글루칸과 대조되는 것이다 (Seymour FR, Knapp RD, Chen CME, Jeanes A, Bishop SH. Carbohydr Res 1979, 71, 231-250; Uzochukwu S, Balogh E, Loefler RT, Ngoddy PO. Food Chem 2002, 76, 287-291; Sidebotham RL. Adv Carbohydr Chem Biochem 1974, 30, 371-444; Seymour FR, Knapp RD, Bishop SH. Carbohydr Res 1979, 74, 77-92; Cheetham NWH, Fiala-Beer E. Carbohydr Polym 1991, 14, 149-158).

α-(1→6) 결합에 더해서, 폴리글루칸은 5.3 ppm에서 공명 피크를 나타내었으며, 이는 다당류의 분지형 결합에 기인한 것으로서 (Cheetham NWH, Fiala-Beer E. Carbohydr Polym 1991, 14, 149-158; Funane K, Ishii T, Matsushita M, Hori K, Mizuno K, Takahara H, Kitamura Y, Kobayashi M. Carbohydr Res 2001, 334, 19-25; Maina NH, Tenkanen M, Maaheimo H, Juvonen R, Virkki L. Carbohydr Res 2008, 343, 1446-1455), 다양한 실험 조건들에서 제조된 폴리글루칸 중의 분지화도는 ¹H 아노머 신호 강도의 상대적 강도들로부터 추정하였다. 하기 표 1은 실험 조건들 및 분지화도에 대한 상세한 정보를 기재한 것이다.

횟수	고분자	시간 (분)	수율 (%)	중량평균 분자량 (M_w)^a)	수평균 분자량 (M_n)^b)	M_w/M_n ^a ⁾	분지화도 (%)^b)
1	PG-2-15	15	92.2	66462	32148	2.06	7.1
2	PG-2-30	30	88.4	315129	120418	2.61	9.5
3	PG-2-60	60	84.1	바이모달 (626600, 360400)			12.3
4	PG-2-90	90	84.5	243524	190628	1.27	12.4
5	PG-2-120	120	87.0	228235	170715	1.33	13.7
6	PG-10-15	15	94.3	148214	80112	1.85	8.9
7	PG-10-30	30	84.7	250718	196084	1.27	8.0
8	PG-10-60	60	80.8	378796	353016	1.07	9.4
9	PG-10-90	90	83.6	바이모달 (116300, 18900)			10.2
10	PG-10-120	120	88.5	바이모달 (210500, 48200)			12.6

a) GPC (폴리스티렌 표준, THF)에 의해서 평가,

b) ¹H-NMR 스펙트럼으로부터 계산,

c) 괄호 내의 수치들은 GPC 프로파일 피크 탑에서의 분자량에 대응.

고분자들은 다양한 분지화도를 나타내었으며, 밀링 시간 및 β-CD의 농도에 영향을 받았다.

3.3. ¹³ C- NMR 스펙트럼

¹³C-NMR 스펙트로스코피는 복합체 화합물의 구조를 결정하는데 매우 감도 높은 방법이 될 수 있다 (Duus JO, Charlotte H, Gotfredsen, Klaus B. Chem Rev 2000, 100, 4589-4614; Yang L, Li-Ming Z. Carbohydr Polym 2009, 76, 349-361).

¹³C-NMR 스펙트럼 (도 3)은 2개의 주된 영역들을 나타내었는데, 이는 (a) 아노머 영역에 해당되는 95- 내지 105-ppm 영역과, (b) C-2, C-3, 또는 C-4에서 분지된 다당류에 대한 75- 내지 85-ppm 영역이다. 폴리글루칸의 102.4 (Shimamura A. Carbohydr Res 1989, 185, 239-248) 및 81.5 ppm (Colson P, Jennings HJ, Smith ICP. J Am Chem Soc 1974, 96, 8081-87; Seymour FR, Knapp RD, Bishop SH. Carbohydr Res 1976, 51, 179-194; Ito H, Schuerch C. J Am Chem Soc 1979,101, 5797-5806)에서의 공명은 α-(1→3) 결합에 관여하는 C1 및 C3 탄소들에 해당되는 것이다. 98.2 (Purama RK, Goswami P, Khan AT, Goyal A. Carbohydr Polym 2009, 76, 30-35) 및 66.2 ppm에서의 공명은 α-(1→6) 결합에 관여하는 C3 탄소들에 기인한 것이며, 61.2 ppm 공명은 α-(1→3)의 링크되지 않은 C6에 전형적인 것이다. 나머지 탄소 공명들은 C2, C4, 및 C5에 기인한 것들이다. 73.5 ppm에서의 공명은 3-링크된 글루코피라노오스의 C-2, C-4에 해당되며, 6-링크된 글루코피라노오스의 C5에 해당되는 것인 반면에, 72.4 ppm은 6-링크된 글루코피라노오스의 C-4에 해당되는 것이다.

4. 반응 메커니즘

얻어진 실험 결과들 및 종래 문헌 보고에 기초할 때, 고속 진동 밀링의 영향 하에서 CD의 개환 중합 반응에 대한 하기 반응 메커니즘을 가정할 수 있으며, 이에 대한 개요도를 하기 반응식 1에 도시하였다.

[반응식 1]

종래 문헌에 따르면, 당 잔기들의 글라이코시딕 결합이 약화되면 옥시카르보 양이온이 형성되는 것으로 알려져 있다 (Mendieta J, Martn-Santamar S, Eva-Mara P, Balzarini J, Mara-Jose C, Mara-Jesus P, Federico Gago. Biochemistry 2004, 43, 405-414). 따라서, 본 발명에 있어서, 사이클로덱스트린 당 잔기들의 글라이코시딕 결합들은 고속 진동 밀링으로부터 초래되는 기계적 스트레스에 의해서 약해지며, 결과적으로 옥시카르보 양이온을 생성하는 것으로 판단된다. 또한, β-CD의 7개 글라이코시딕 결합 모두는 고속 진동 밀링에 의해서 영향을 받는 것으로 추정된다. 그러므로, 이러한 옥시카르보 양이온의 생성은 β-CD의 개환을 야기하고, 이는 C-6에서의 히드록실기와 반응하여 고분자 사슬을 전개시킬 수 있다. 또한, 옥시카르보 양이온의 β-제거로 인해서 말단에서 히드록실기가 생성되고, 최종적으로, 물에 의한 전하 중성화가 수행된다. 또한, 분지화가 α-(1→3)에서 발생되고, 이러한 분지화의 정도는 반응 시간 및 β-CD의 농도에 의존함을 관찰하였다.

5. 겔 투과 크로마토그래피

폴리글루칸의 분자량은 GFC 프로파일로부터 분석하였으며, 해당 데이터를 상기 표 1에 나타내었다. β-CD의 개환 중합 반응은 실험 조건들에 따라서 다양한 범위의 분자량을 갖는 폴리글루칸을 생성하였다. 폴리글루칸의 중량 평균 분자량은 1 내지 4회 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이 중합 반응 시간에 비례하여 증가하였으며 (2 mM 농도), 반응 시간을 더욱 증가시키게 되면 (5회) 분자량이 오히려 감소하였다. 다분산성 (polydispersity)은 2.06으로부터 2.61로 증가하였으며 (각각 1회 및 2회), 반응 시간을 더욱 증가시키면 분자량의 증가에 따라서 초기에 다분산성의 감소가 야기되었는 바 (1.33; 3회), 이는 중합반응 도중에 효과적인 사슬 운반이 이루어졌음을 의미한다. 그러나, 4회, 9회 및 10회에서 얻어진 폴리머 시료들에 대해서는 GPC에서 바이모달 용출 프로파일이 관찰되었으며, 이는 분자량에 있어서의 큰 차이를 암시하는데, 이는 더 긴 반응 시간들에서는 사슬 운반이 덜 빈번하게 일어났기 때문이었을 수도 있다. 고농도에서 얻어진 폴리글루칸 (6회, 7회 및 8회)은 높은 분자량 및 낮은 다분산성을 보였고, 이는 사슬 운반에 동반하여 사슬 절단이 더 잘 발생되었음을 나타내며, 고농도에서 다량의 반응종들이 존재하기 때문일 수 있다.

6. 열무게 분석 ( Thermogravimetric Analysis , TGA )

도 4는 다양한 시간대에서 얻어진 β-CD 및 폴리글루칸에 대한 열무게 분석 프로파일을 나타낸다. 프로파일 분석 결과로부터, PG-2-30 및 PG-10-30 각각에 대한 폴리글루칸의 초기 분해 개시 온도는 201℃ 및 234℃로서, β-CD에 대한 것 (284℃)에 비해서 더 낮은 온도임을 알 수 있었다. 이와는 대조적으로, 폴리글루칸의 최종 분해 온도는 β-CD (360℃)에 대한 것에 비해서 더 높았다 (PG-2-30 및 PG-10-30 각각에 대해서 411℃ 및 439℃). 이러한 현상은, 온도가 상승함에 따라서, 폴리글루칸의 약한 브릿지들이 먼저 깨어지지만, 반면에 폴리머 사슬의 더욱 진행된 붕괴는 더 높은 열을 필요로 하고, 따라서 더욱 우수한 열 안정성을 나타내는 것으로 설명될 수 있다.

7. X-선 회절 ( XRD )

폴리머 시료들에 대한 결정학적 특성은 XRD 패턴으로부터 분석하였다. 도 5에는 PG-2-30, PG-10-30 및 비변형된 β-CD에 대한 XRD 패턴들을 도시하였으며, 이로부터 폴리머는 비변형된 β-CD의 결정성과는 대조적으로 비정형성을 나타낸다는 사실을 알 수 있었다. 밀링에 의한 β-CD의 개환 반응은 결정 구조의 파괴를 야기하며, 폴리글루칸의 형성과 함께 중합 반응이 계속되면 비정형성이 나타난다는 사실을 알 수 있었다.

8. 시차 주사 열량측정법 ( Differential Scanning Calorimetry ( DSC )

DSC 결과는 XRD 데이터와 일치하였다. 도 6에 도시된 바와 같이, 비변형된 β-CD는 174℃에서 뚜렷한 피크를 나타내었지만, PG-2-30 및 PG-10-30 각각에 대한 147℃ 및 128℃에서의 피크들은 흡열성 피크 강도가 감소하였는 바, 이는 폴리머 구조의 생성에 따른 비정형성의 증가에 기인하는 것으로 설명될 수 있다.

종합하면, 본 발명에 따라서 다당류 합성을 위한 기계적 공정을 최초로 제공할 수 있었는 바, 구체적으로, 사이클로덱스트린 수성 용액의 고속 진동 밀링에 의해서 사이클로덱스트린의 개환 중합반응을 수행함으로써 이를 달성할 수 있었다. 제조된 폴리글루칸은 주사슬에 α-(1→6) 결합을 포함하고, 이와 더불어 곁사슬에 α-(1→3) 결합을 포함하였다. 분지도 및 분자량은 밀링 시간 및 사이클로덱스트린의 농도에 의해서 영향을 받았다. 분지도는 7.1% 내지 13.7%였고, 분자량은 66 내지 378 kg/mol의 범위에 있었다. 따라서, 본 발명에 의하면, 신규 다당류의 합성을 위한 새로운 합성 경로를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

Claims

베타-사이클로덱스트린 수용액을 제조하는 단계;
상기 수용액에 대해 진동 밀링 공정을 수행하는 단계; 및
상기 밀링된 수용액을 동결건조시킴으로써 분말상의 폴리글루칸을 제조하는 단계
를 포함하는 사이클로덱스트린의 기계화학적 개환 중합 반응을 이용한 폴리글루칸의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 진동 밀링 공정은 15분 이상 수행되는 것을 특징으로 하는 폴리글루칸의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 진동 밀링 공정은 15분 내지 2시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 폴리글루칸의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 베타-사이클로덱스트린 수용액의 농도는 2mM 내지 10mM인 것을 특징으로 하는 폴리글루칸의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 밀링은 15Hz 내지 25Hz의 주파수 조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 폴리글루칸의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 동결건조 단계 이전에 상기 수용액으로부터 폴리글루칸을 석출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리글루칸의 제조방법.