KR20210031319A - 블록 공중합체 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생합성된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제의 존재 하에, 락타이드 단량체를 개환 중합하여 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체를 제조하는 단계를 포함하는 블록 공중합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생합성된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 개시제로 사용하여 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
폴리락타이드(혹은 폴리락트산) 수지는 옥수수 등의 식물로부터 얻어지는 식물 유래의 수지로서, 생분해성 특성을 갖는 동시에 인장강도 및 탄성률 또한 우수한 친환경 소재로 주목을 받고 있다. 구체적으로, 기존에 사용되고 있는 폴리스티렌(Polystyrene) 수지, 폴리염화비닐(PVC) 수지, 폴리에틸렌(Polyethylene) 등의 석유계 수지와는 달리, 석유 자원 고갈 방지, 탄산가스 배출 억제 등의 효과가 있기 때문에, 석유계 플라스틱 제품의 단점인 환경오염을 줄일 수 있다. 따라서, 폐 플라스틱 등에 따른 환경오염 문제가 사회문제로 대두됨에 따라, 식품 포장재 및 용기, 전자제품 케이스 등 일반 플라스틱(석유계 수지)이 사용되었던 제품 분야까지 적용 범위를 확대하고자 노력하고 있다.
그러나, 폴리락타이드 수지는 기존의 석유계 수지와 비교하여, 내충격성 및 내열성이 떨어져 적용 범위에 제한이 있다. 또한, 신율(Elongation to break) 특성이 나빠 쉽게 깨지는 특성(Brittleness)을 보여 범용 수지로서 한계가 있는 상황이다.
따라서, 기존 기술에서는 생분해가 가능하면서 신율 특성이 비교적 우수한 PBS(poly(butylene succinate)) 및 PBAT(poly(butylene adipate-co-terephthalate)) 등의 소재를 폴리락타이드 함께 컴파운딩이나 블록 공중합체 형성을 통하여 물성을 개선하는 연구들이 진행되고 있다. 그러나, PBS 및 PBAT의 경우 인장강도가 낮아 상기 컴파운딩 또는 블록 공중합체의 인장강도도 함께 낮아지는 문제가 있다.
또한, 생분해성 고분자인 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)는 기계적 물성이 우수한 편이면서도, 유리전이온도(Tg, Glass transition Temperature)가 -20℃ 정로도 낮아 신율이 높아 폴리락트산과 결합하였을 때, 생분해성과 기계적 물성을 모두 우수하게 유지할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 화학적인 합성방법을 통해 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 분자량을 증가시키는 것에는 한계가 있다.
본 발명의 목적은 생합성을 통해 제조하여 분자량을 용이하게 증가시킨 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 개시제로 이용하여 친환경성 및 생분해성을 유지하면서도, 인장모듈러스, 인장 강도, 신율 및 충격강도 등의 기계적 특성이 우수한 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체를 제공하는 것이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어 야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서는, 생합성으로 제조된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제의 존재 하에, 락타이드 단량체를 개환 중합하여 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체를 제조하는 단계를 포함하는 블록 공중합체 제조방법을 제공한다. 바람직하게, 본 발명에 따른 블록 공중합체 제조방법은 다음의 단계를 포함한다:
(a) 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 생합성하는 단계; 및
(b) 단계 (a)에서 제조된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제의 존재 하에, 락타이드 단량체를 개환 중합하여 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체를 제조하는 단계.
추가적으로, 본 발명에 따른 블록 공중합체 제조방법은, 단계 (a)와 (b)사이에, 단계 (a)에서 생합성된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제를 가수분해 등에 의해 처리하여 분자량을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 블록 공중합체 제조방법에 관하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 명세서 전체에서 특별한 언급이 없는 한 “포함” 또는 “함유”라 함은 어떤 구성 요소(또는 구성 성분)를 별다른 제한 없이 포함함을 지칭하며, 다른 구성 요소(또는 구성 성분)의 부가를 제외하는 것으로 해석될 수 없다.
또한, 본 명세서 전체에서, “락타이드 단량체”는 다음과 같이 정의될 수 있다. 통상 락타이드는 L-락트산으로 이루어진 L-락타이드, D-락트산으로 이루어진 D-락타이드, L-형태와 D-형태가 각각 하나씩으로 이루어진 meso-락타이드로 구분될 수 있다. 또한, L-락타이드와 D-락타이드가 50:50중량비로 섞여있는 것을 D,L- 락타이드 혹은 rac-락타이드라고 한다. 이들 락타이드 중 광학적 순도가 높은 L- 락타이드 혹은 D-락타이드만을 이용해 중합을 진행하면 입체 규칙성이 매우 높은 L- 혹은 D-폴리락타이드(PLLA 혹은 PDLA)가 얻어지는 것으로 알려져 있고, 이러한 폴리락타이드는 광학적 순도가 낮은 폴리락타이드 대비 결정화 속도가 빠르고 결정화도 또한 높은 것으로 알려져 있다. 다만, 본 명세서에서 “락타이드 단량체”라 함은 각 형태에 따른 락타이드의 특성 차이 및 이로부터 형성된 폴리락타이드의 특성 차이에 관계없이 모든 형태의 락타이드를 포함하는 것으로 정의된다.
그리고, 본 명세서 전체에서 "폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체"는 폴리락타이드 반복단위 및 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 반복단위를 포함하는 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체를 지칭하며, 이러한 “폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체”는 상술한 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제의 존재 하에 “락타이드 단량체”의 개환 중합에 의해 상기 폴리락타이드 반복단위 및 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 반복단위를 형성하는 단계를 포함하여 제조될 수 있으며, 이러한 개환 중합 및 상기 반복단위의 형성 공정이 완료된 후의 중합체를 상기 “폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체”로 지칭할 수 있다. 이때, “락타이드 단량체”의 범주에는 모든 형태의 락타이드가 포함됨은 상술한 바와 같다.
그리고, 상기 “폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체”로 지칭될 수 있는 중합체의 범주에는, 상기 개환 중합 및 반복단위의 형성 공정이 완료된 후의 모든 상태의 중합체, 예를 들어, 상기 개환 중합이 완료된 후의 미정제 또는 정제된 상태의 중합체, 제품 성형 전의 액상 또는 고상의 수지 조성물에 포함된 중합체, 또는 제품 성형이 완료된 플라스틱 또는 직물 등에 포함된 중합체 등이 모두 포함될 수 있다. 따라서, 본 명세서 전체에서, “폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체”의 물성(중량평균분자량 등)은 상기 개환 중합 및 반복단위의 형성 공정이 완료된 후의 임의의 상태를 띄는 중합체의 물성으로 정의될 수 있다.
한편, 본 발명자들은 생합성에 의해 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 합성하여 사용하는 경우 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체의 제조에 있어 개시제로서 작용하는 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 분자량을 증가시키거나 혹은 가수분해를 통해 조절하는 등 다양하게 분자량을 조절하여, 다양한 물성을 갖는 블록공중합체를 제조할 수 있는 방법을 마련하여 본 발명을 완성하였다.
발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명은 생합성에 의해 제조된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제의 존재 하에, 락타이드 단량체를 개환 중합하여 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체를 제조하는 단계를 포함하는 블록 공중합체를 제공할 수 있다.
일반적으로, 락타이드 단량체의 개환 중합에 의한 폴리락타이드 수지 중합 반응은 말단 하이드록시기를 갖는 화합물에 의해 개시되며, 상기 말단 하이드록시기를 갖는 화합물에 락타이드 단량체가 연속적으로 개화 및 첨가(insertion)되어 진행된다.
따라서, 상기 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제는 말단에 하이드록시기 및/또는 알콕시기를 포함하며, 상기 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제의 말단인 하이드록시기 및/또는 알콕시기를 락타이드 단량체의 개환 중합 반응에 첨가하게 되면, 말단에서부터 락타이드 단량체가 첨가(insertion)되기 시작하여 결과적으로 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체를 제조할 수 있게 된다.
따라서, 상기 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제 존재 하에, 락타이드 단량체의 개환 중합 반응을 진행하면, 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)은 중합 개시제로서의 역할도 함과 동시에, 블록 공중합체 내에 반복단위로서 포함되어, 최종 제조되는 블록 공중합체의 유연성 및 충격강도 등의 기계적 물성도 개선할 수 있게 된다. 구체적으로, 상기 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)는 최종 제조되는 블록 공중합체에 포함됨으로 인해, 블록 공중합체의 유리 전이 온도(Tg)를 낮추어 유연성을 증가시킬 수 있다.
본 발명에서는, 이러한 개시제로 사용되는 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)가 생합성에 의해 제조된 것임을 일 특징으로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어 "생합성"은 화학합성이 아닌 생물체를 이용하여 목적 물질을 합성 및 제조하는 것으로, 상기 생물체는 바람직하게는 미생물이며, 이러한 미생물은 재조합 미생물일 수 있다.
상기 생합성은 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 합성할 수 있는 생합성법이라면 제한없이 사용할 수 있으며, 당업계에 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 생합성법으로 알려진 공지의 방법을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)는 적절한 기질을 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 합성가능한 미생물을 적절한 배지에서 발효시켜 생산할 수 있다. 상기 기질은 정제된 것이나 비정제된 것을 제한없이 사용할 수 있다. 미생물에서 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)와 같은 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)를 생산하기 위해서는 미생물의 대사산물을 PHA 모노머로 전환해 주는 효소와 PHA 모노머를 이용하여 PHA 고분자를 합성하는 PHA 합성효소(PHA synthase)가 필수적이다. PHA 합성효소는 하이드록시아실CoA(hydroxyacyl-CoA)를 기질로 사용하여 PHA를 합성하며, PHA의 기질인 하이드록시아실-CoA를 제공할 수 있는 효소로는 랄스토니아 유트로파(Ralstonia eutropha) 등으로부터 유래된 α-케토티올레이즈(PhaA), 아세토아세틸-CoA 리덕테이즈 (acetoacetyl-CoA reductase: PhaB), 슈도모나스(Pseudomonas)로부터 유래된 3-하이드록시데카노일-ACP:CoA 트랜스퍼레이즈 (3-hydroxydecanoyl-ACP:CoA transferase: PhaG), 아에로모나스 캐비아에(Aeromonas caviae)와 슈도모나스 아에루기노사(Pseudomonas aeruginosa)로부터 유래된 (R)특이적 에놀-CoA 하이드라테이즈[(R)-specific enoyl-CoA hydratase: PhaJ], 대장균과 슈도모나스 아에루기노사(Pseudomonas aeruginosa) 등으로부터 유래된 3-케토아실-ACP 리덕테이즈(3-ketoacyl-ACP reductase: FabG) 등이 알려져 있다. 이러한 미생물은 하이드록시아실-CoA를 제공할 수 있는 효소 및/또는 폴리하이드록시알카노에이트 합성효소 유전자를 포함하는 미생물로서, 이러한 상기 유전자들을 본래부터 가지는 미생물이거나 또는 재조합에 의해 상기 유전자들을 형질전환에 의해 수득한 미생물일 수 있다. 예를 들어, PHA 합성효소 유전자를 본래부터 가지는 미생물 세포로는 다양한 미생물이 알려져 있으며(한국등록특허 제10-250830호), 또한 E. coli와 같은 미생물을 형질전환시키는 것도 좋다. 재조합 벡터로 형질전환될 수 있는 미생물은 원핵 세포와 진핵 세포 모두를 포함하며, DNA의 도입효율이 높고, 도입된 DNA의 발현효율이 높은 숙주가 통상 사용될 수 있다. 구체 예로, 대장균 (예를 들어, E.coli DH5a, E.coi JM101, E.coli K12, E.coli W3110, E.coli X1776, E.coli B 및 E.coli XL1-Blue)을 포함하는 에스케리키아 속, 슈도모나스 속, 바실러스 속, 스트렙토마이세스 속, 어위니아 속, 세라티아 속, 프로비덴시아 속, 코리네박테리움 속, 렙토스피라 속, 살모넬라 속, 브레비박테리아 속, 하이포모나스 속, 크로모박테리움 속, 노카디아 속, 진균 또는 효모와 같은 주지의 진핵 및 원핵 숙주 등을 예시할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 적당한 숙주로 형질전환되면, 벡터는 숙주 게놈과 무관하게 복제하고 기능할 수 있거나, 또는 일부 경우 게놈 그 자체에 통합될 수 있다.
또한, 상기 기질과 함께, 추가적으로 글루코오스, 프럭토오스, 수크로오스, 덱스트로오스, 트리글리세라이드 또는 지방산 등이 배지 중에 더 포함될 수 있고, 배지는 상기 미생물들의 발효를 위한 탄소원만 포함된다면 공지의 배지를 제한없이 선택하여 사용할 수 있고, 이러한 예로는 MR 배지, M9 배지 또는 LB 배지 등을 들 수 있다.
폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 생합성법의 예로서, 한국특허공개 제10-2019-0060584호 등이 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 어떠한 경로에서든 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 생합성할 수 있는 방법에 의해 합성된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 개시제로서 사용하는 것은 모두 본 발명의 범위에 포함된다.
이와 같이 생합성에 의해 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 사용하는 경우 화학합성과는 달리 다양한 분자량을 갖는 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 수득할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서는 생합성에 의해 고분자량의 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 합성하여 거대개시제(macroinitiator)로 사용할 수도 있고, 가수분해를 통해 분자량이 감소된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 사용할 수도 있다. 가수분해제는 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 가수분해를 위해 사용될 수 있는 가수분해제라면 제한없이 사용할 수 있으나, 예를 들어 공지의 산 또는 염기 가수분해제, 또는 PHA 데폴리머라제(PHA depolymerase) 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. 하나의 예시적인 염기성 가수분해제는 알칼리 금속 수산화물, 예컨대 수산화나트륨(예를 들어, 수산화나트륨의 수용액)이고, 하나의 예시적인 산성 가수분해제는 염산일 수 있다. 또한, 가수분해제는 승온(예를 들어, 실온보다 높은 온도 내지 비등점)된 물 단독이거나, 또는 약간 승온(예를 들어, 실온보다 높은 온도 내지 약 80℃) 상태에서의 묽은 산일 수 있다. 가수분해는, 예를 들어, 가수분해하고자 하는 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 메탄올과 같은 용매 중에 용해된 가수분해제의 용액과 혼합한 후, 해당 혼합물을 수 시간(예를 들어, 4 내지 12시간) 동안 상온 내지 200℃, 바람직하게는 40 내지 150℃, 더욱 바람직하게는 80 내지 120℃, 더 더욱 바람직하게는 100 ℃ 부근의 온도에서 가열하는 방법에 의해 수행될 수도 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예에서는 가수분해를 100℃에서 진행하였다.
폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제의 존재 하에, 락타이드 단량체를 개환 중합하여 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체를 제조할 때, 상기 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제의 투여 함량은 최종 제조되는 블록 공중합체 내에 포함되는 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 반복단위 함량 및 최소 중합이 개시되는 데에 필요한 개시제의 하이드록시기 및/또는 알콕시기의 몰비 등을 고려하여 적절한 범위에서 선택될 수 있다. 구체적으로, 최종 제조되는 블록 공중합체의 유연성 및 기계적 물성을 최적화하고, 개환 중합 반응의 개시제로서의 역할을 위한 최소 함량을 고려하여, 상기 락타이드 단량체 100중량부에 대해 상기 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제를 0.01중량부 이상, 0.1중량부 내지 100중량부, 0.5 내지 90중량부, 0.7 내지 80중량부, 또는 0.9 내지 70중량부로 첨가할 수 있다.
상기 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제는 중합 활성이 저하되지 않으면서 블록 공중합체의 우수한 물성을 나타내기 위하여, 중량평균분자량이 1,500 내지 200,000, 2,000 내지 150,000, 4,000 내지 120,000, 5000 내지 900,000 또는 7,000 내지 30,000일 수 있다. 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)는 분자량이 클수록 결정성이 좋아지며, 제조되는 블록 공중합체의 물성도 좋아지는데, 상기 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제의 중량평균분자량이 1,500 미만이면 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 결정성이 낮아지며, 제조되는 블록공중합체의 분자량도 적어지므로 좋은 물성을 나타내기 어렵다. 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제의 중량평균분자량이 200,000 초과이면 중합 활성이 저하되어, 블록공중합체가 합성되지 않고 블렌딩된 형태로 나타날 수 있다. 본 발명은 생합성에 의해 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 합성하고, 필요에 따라 가수분해 등을 통해 처리하여 용이하게 상기 분자량 범위로 조절할 수 있다.
생합성에 의해 제조된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제 및 락타이드 단량체를 포함하는 반응물을 건조시키고, 이후 건조된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제 및 락타이드 단량체를 개환 중합하여 상술한 블록 공중합체를 제조할 수 있다.
상기 개환 중합에 사용되는 촉매는, 락타이드 단량체의 개환 중합 반응에 의한 폴리락타이드 수지의 제조에 일반적으로 사용되는 모든 촉매를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 개환 중합은 유기금속 복합체 촉매 및 유기 촉매로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 촉매 하에서 이루어질 수 있다.
상기 유기금속 복합체 촉매는 일반적으로 락타이드 단량체의 개환 중합 반응에 의한 폴리락타이드 수지의 제조에 통상 사용되는 것이면 그 구성의 한정이 없이 사용될 수 있으나, 예를 들어, 상기 유기금속 복합체 촉매는 하기 화학식 1로 표시되는 촉매일 수 있다.
[화학식 1]
MA1 pA2 2-p
상기 화학식 1에서, M은 Al, Mg, Zn, Ca, Sn, Fe, Y, Sm, Lu, Ti 또는 Zr이고, p는 0 내지 2의 정수이고, A1 과 A2는 각각 독립적으로 알콕시 또는 카르복실기이다.
보다 구체적으로, 상기 MA1 pA2 2-p는 주석(II) 2-에틸헥사노에이트 (Sn(Oct)2; 이하, Tin Octoate라고도 함)일 수 있다.
한편, 상기 유기 촉매는 일반적으로 락타이드 단량체의 개환 중합 반응에 의한 폴리락타이드 수지의 제조에 통상 사용되는 것이면 그 구성의 한정이 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 유기 촉매는 하기 1,5,7-트리아조비시클로-[4,4,0]데-5-센 (TBD), 하기 1,8-디아자바이사이클로[5.4.0]운데-7-센 (DBU), 하기 7-메틸-1,5,7-트리아자바이사이클로[4.4.0]데-5-센 (MTBD), 하기 4-디메틸아미노피리딘 (DMAP), 하기 4-(1-피롤리디닐)피리딘 (PPY), 이미다졸, 트리아졸리움, 티오우레아, 3차 아민 및 크레아시닌으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 이미다졸은 하기 화합물로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 트라이졸리움은 하기 화합물일 수 있다.
상기 티오우레아는 하기 화합물로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 3차 아민은 하기 화합물로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상술한 촉매 존재 하에 락타이드 개환 중합 반응을 진행하는 경우, 최종 제조되는 블록 공중합체의 해중합 또는 분해가 억제될 수 있고, 보다 큰 분자량 및 우수한 기계적 물성을 갖는 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체를 보다 높은 전환율로 얻을 수 있다.
상기 일 구현예에 따른 블록 공중합체 제조 방법에서, 상기 촉매의 함량은 상기 락타이드 단량체 100몰%에 대해서 0.01 내지 10몰%, 0.05 내지 8몰%, 0.07 내지 5몰%, 또는 0.09 내지 3몰%일 수 있다. 상기 락타이드 단량체 100몰%에 대한 상기 촉매의 함량의 함량이 0.01몰% 미만이면 중합 활성이 충분치 못할 수 있으며, 10몰% 초과하면 제조된 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체의 잔류 촉매량이 커져 트랜스에스테르화 반응 등의 해중합에 의한 공중합체의 분해 또는 분자량 감소 등을 초래할 수 있다.
상기 개환 중합은 150 내지 200℃에서 5분 내지 10시간 동안 이루어질 수 있다.
또한, 상기 개환 중합 반응은 실질적으로 용매를 사용하지 않는 벌크 중합으로 진행할 수 있다. 이때, 실질적으로 용매를 사용하지 않는다 함은 촉매를 용해시키기 위한 소량의 용매, 예를 들어, 사용 락타이드 단량체 1Kg 당 최대 1 ml 미만의 용매를 사용하는 경우까지 포괄할 수 있다. 상기 개환 중합을 벌크 중합으로 진행함에 따라, 중합 후 용매 제거 등을 위한 공정의 생략이 가능해지며, 이러한 용매 제거 공정에서의 수지의 분해 또는 손실 등도 억제할 수 있다. 또한, 상기 벌크 중합에 의해 상기 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체를 높은 전환율 및 수율로 얻을 수 있다.
상기 일 구현예에 따른 제조방법에 의해 제조된 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체는 중량평균분자량이 10,000 내지 400,000, 15,000 내지 350,000, 20,000 내지 300,000, 또는 25,000 내지 250,000일 수 있다.
상술한 바와 같이, 종래의 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체를 제조함에 있어 개시제로서 화학합성에 의해 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 사용하는 경우, 다양한 분자량을 갖는 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 사용할 수 있어 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체의 구조 및 분자량 조절이 가능하고, 구조 및 분자량에 따라 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체의 물성이 달라지기 때문에 다양한 분야에 응용할 수 있는 가능성을 확인할 수 있다. 또한, 유연성이 우수하면서도, 인장강도, 신율 등의 기계적 물성이 우수하게 나타나므로, 종래의 폴리락타이드 수지의 취성(brittleness) 문제를 해결하여, 그 적용 분야가 확대될 수 있다.
본 발명에 따르면, 화학합성이 아닌 생합성에 의해 제조된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 필요에 따라 적절히 처리하여 다양한 분자량을 갖도록 하여 개시제로 사용함으로써, 구조 및 분자량에 따라 달라지는 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체의 물성을 이용하여 다양한 분야에 응용가능하다. 또한 친환경성 및 생분해성을 유지하면서도, 인장모듈러스, 인장 강도, 신율 및 충격강도 등의 기계적 특성이 우수한 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체가 제공될 수 있다.
도 1은 실시예 1-4에서 제조된 블록 공중합체의 NMR 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 내지 4
(1) 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 올리고머의 생합성
1) 고분자량의 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 생산
본 발명에 따른 고분자량의 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 생합성을 위해 우선 발효 기질로서 3-하이드록시프로피오네이트를 포함하는 발효액을 제조하고자 다음의 조건에 따라 발효를 수행하였다. 구체적으로, 발효를 위한 균주로서 GDH 및 ALDH 효소 유전자를 갖는 E. coli W3110를 사용하였다. 배지로는 M9를 사용하였고, 글리세롤 70 g/L를 기질로 사용하여 발효시켜 3-하이드록시프로피오네이트를 생산하였다.
이후 상기에서 제조된 3-하이드록시프로피오네이트를 기질로하여 P(3HP)를 발효생산하였다. 발효를 위해, 구체적으로 5L 발효기 (내부 부피: 3L)를 사용하였고, 발효를 위한 미생물로는 pBLuescript II KS+ 벡터에 Ralstonia eutropha 유래의 폴리하이드록시알카노에이트 합성효소(PHA synthase)인 RecC 유전자 및 Clostridium propionicum 유래의 프로피오닐 CoA 트랜스퍼레이즈(propionyl-CoA transferase)의 변이체 540 (CPPCT_540) 유전자를 클로닝한 재조합 벡터를 XL1-Blue 대장균에 형질전환하여 재조한 재조합 대장균을 사용하였다.
상기 CPPCT_540 유전자는 193번째 아미노산인 Valine을 Alanin (V194A)으로 발현하도록 염기서열이 치환되었으며, 그 외에 아미노산 변화없이 DNA 치환만 이루어진 silent mutation (T669C, A1125G, T1158C)이 세 군데 이루어진 개량 유전자이다 (WO09/022797).
배지로는 MR(Modified Riesenberg) 배지에 글루코오스 20g/L 및 기질로서 상기에서 제조된 3HP를 포함하는 발효액을 2.0 g/L 투입하였다. 이를 300 rpm, 1 vvm의 조건으로 에어레이션(aeration)하여 발효시켜 최종적으로 고분자량의 P(3HP)를 생산하였다.
2) 저분자량의 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 생산
저분자량의 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 생산하기 위해, 한국특허공개 제10-2017-0028186호에 개시된 방법에 따라(본 문헌은 참고문헌으로서 본 발명의 범위에 포함된다) 프로피오닐-CoA 트랜스퍼라아제 유전자(pct)로서 클로스트리듐 프로피오니쿰(Clostridium propionicum) 유래의 프로피오닐-CoA 트랜스퍼라아제(CP-PCT)의 변이체, PHA 합성효소 유전자로서 슈도모나스 속 MBEL 6-19 (KCTC 11027BP) 유래의 PHA 합성효소의 변이체 및 벡터로서 pBluescript II (Stratagene Co., USA)를 사용하여 pPs619C1310-CPPCT540 재조합 벡터를 제조하고 이를 이용하여 pPs619C1249.18H-CPPCT540 벡터를 제조한 후, 이를 ldhA가 knock-out 된 E.coli XL1-BlueΔldhA 에 전기천공법(electroporation)을 이용하여 형질전환 시켜 재조합 E.coli XL1-BlueΔldhA 를 제작하였다.
상기 제조된 재조합 E.coli XL1-BlueΔldhA 및 발효 기질로서 상기 고분자량의 폴리(하이드록시프로피오네이트)의 제조에서 사용된 것과 마찬가지의 방법으로 제조된 3-하이드록시프로피오네이트를 포함하는 발효액을 사용하여 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 생산하기 위한 플라스크 배양을 수행하였다. 먼저 전 배양(seed culture)을 위해 상기 재조합 대장균을 100mg/L 암피실린(ampicillin)과 20mg/L 카나마이신이 함유되어 있는 3 mL의 LB 배지[BactoTM Triptone(BD) 10g/L, BactoTM yeast extract(BD) 5g/L, NaCL(amresco) 10g/L]에서 12시간 배양하였다. 본 배양을 위해, 전 배양액 1ml를 1g/L 의 3-하이드록시프로피오네이트를 포함하는 발효액, 100mg/L의 암피실린, 20mg/L 카나마이신, 10mg/L의 티아민(thiamine)이 추가로 함유된 100ml MR 배지(1L 당 Glucose 10g, KH2PO4 6.67g, (NH4)2HPO4 4g, MgSO4·7H2O 0.8g, citric acid 0.8g, 및 trace metal solution 5mL; 여기에서, Trace metal solution은 1L 당 5M HCl 5mL, FeSO47H2O 10g, CaCl2 2g, ZnSO4H2O 2.2g, MnSO4·4H2O 0.5g, CuSO4·5H2O 1g, (NH4)6Mo7O2·4H2O 0.1g, 및 Na2B4O2·10H2O 0.02g)에 접종하여 30℃에서 3일간 250 rpm 으로 교반하며 배양하였다.
상기 배양액을 4℃, 4000 rpm에서 10분간 원심분리하여 균체를 회수하고 충분한 양의 증류수로 2회 씻어준 후 80℃ 에서 12시간 건조하여 최종적으로 분자량 10,200의 P(3HP)를 제조하였다.
3) 다양한 중량평균분자량을 갖는 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 올리고머의 제조
상기 1)에서 제조된 20,000 g/mol의 중량평균분자량을 갖는 고분자량의 폴리(하이드록시프로피오네이트)를 증류수에 넣고, 염산을 이용하여 pH 2로 맞추어 산촉매 조건 하에서 가수분해를 진행하였다. 가수분해를 신속하게 진행하기 위하여 100℃ 오븐에 상기 폴리(하이드록시프로피오네이트) 샘플을 각각 24시간, 및 72시간 동안 가수 분해하여 중량평균분자량이 각각 2100 및 21800 (g/mol)인 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 올리고머를 수득하였다.
(2) 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체 제조
500 mL의 둥근 플라스크에 L-락타이드 16g, 상기 (1)에서 제조된 다양한 중량평균분자량을 갖는 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 올리고머 및 주석(II) 2-에틸헥사노에이트 0.04g (0.1 mol%; Sigma Aldrich사)를 하기 표 1에 기재된 함량으로 투입하고 충분히 진공을 걸어주어 상온에서 4 시간 동안 진공 건조하였다.
이후, 130℃로 프리-히팅(pre-heating)된 오일 배스에 상기 플라스크를 넣고, 180℃로 승온한 이후 20분간 개환 중합 반응하였다. 반응이 종결된 이후, 반응물을 클로로폼에 용해시킨 후 메탄올로 추출하여 블록 공중합체를 회수하였다.
| (단위: g) | 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 분자량 [Mw, g/mol] | 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 함량 (락타이드 대비) |
|
| [wt%] | [mol%] | ||
| 실시예 1 | 2100 | 10 | 0.34 |
| 실시예 2 | 10200 | 10 | 0.07 |
| 실시예 3 | 21800 | 10 | 0.06 |
| 실시예 4 | 21800 | 5 | 0.03 |
비교예 1 및 2
500 mL의 둥근 플라스크에 L-락타이드, 도데카놀 및 주석(II) 2-에틸헥사노에이트를 하기 표 2에 기재된 함량으로 투입하고 충분히 진공을 걸어주어 상온에서 4 시간 동안 진공 건조하였다.
이후, 130℃ 프리-히팅(pre-heating)된 오일 배스에 상기 플라스크를 넣고, 180℃로 승온한 이후 20분간 개환 중합 반응하였다. 반응이 종결된 이후, 반응물을 클로로폼에 용해시킨 후 메탄올로 추출하여 중합체를 회수하였다.
| (단위: g) | L-락타이드 | 주석(II) 2-에틸헥사노에이트 | 도데카놀 |
| 비교예 1 | 16.00 | 0.04 (락타이드 대비 0.1 mol%) | 0.16 (락타이드 대비 0.1 mol%) |
| 비교예 2 | 16.00 | 0.04 (락타이드 대비 0.1 mol%) | 0.80 (락타이드 대비 0.05 mol%) |
평가
1. NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 분석
NMR 분석은 삼중 공명 5mm 탐침(probe)을 가지는 Varian Unity Inova(500 MHz) 분광계를 포함하는 NMR 분광계를 사용하여 상온에서 수행하였다. NMR 측정용 용매(CDCl3)에 분석 대상 물질로 실시예 1 내지 4에서 각각 제조된 블록 공중합체 및 중합체를 약 10mg/ml 정도의 농도로 희석시켜 사용하였고, 화학적 이동은 ppm으로 표현하였다.
도 1은 실시예 1내지 4에서 제조된 블록 공중합체의 NMR 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 1에 따르면, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4의 블록 공중합체의 NMR 분석 그래프는, 폴리락타이드 피크와 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 피크가 모두 관찰되었다.
또한, 실시예 1 내지 4의 NMR 분석 결과 그래프로부터 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 피크의 적분비를 계산하였으며, 이를 표 3에 나타내었다.
| 샘플 |
실제 넣어준
폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 양 wt% |
NMR 분석 상 wt% |
| 실시예1 | 10.0 % | 17.0 % |
| 실시예 2 | 10.0 % | 12.0 % |
| 실시예3 | 10.0 % | 12.0 % |
| 실시예 4 | 5.0 % | 7.0 % |
도 1에 따르면, 'NMR분석상 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 함량'은 '폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 실제 넣어준 양'과 유사하므로, 실시예 1 내지 4의 블록 공중합체 제조방법에서 사용된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 올리고머는 대부분 반응물로 사용되었음을 예측할 수 있다.
2. GPC((Gel Permeation Chromatography) 분석
실시예 1 내지 4의 블록 공중합체 및 비교예 1 및 2의 중합체를 겔 투과 크로마토그래피(GPC)(Waters: Waters707)에 의해 중량평균분자량(Mw) 및 수평균분자량(Mn)을 각각 구하였다. 측정하는 블록 공중합체/중합체는 4000ppm의 농도가 되도록 테트라히드로푸란에 용해시켜 GPC에 100㎕를 주입하였다. GPC의 이동상은 테트라히드로푸란을 사용하고, 1.0mL/분의 유속으로 유입하였으며, 분석은 35℃에서 수행하였다. 컬럼은 Waters HR-05,1,2,4E 4개를 직렬로 연결하였다. 검출기로는 RI and PAD Detecter를 이용하여 35℃에서 측정하였다. 그 결과를 표 4에 나타내었다.
| 실제 사용된 개시제의 함량 (mol%) | 수평균분자량 (Mn) | 중량평균분자량 (Mw) | 다분산 지수 (PDI) | |
| 비교예1 | 0.1 | 55,984 | 115,050 | 2.06 |
| 비교예2 | 0.05 | 91,731 | 180,524 | 1.97 |
| 실시예1 | 0.34 | 17,400 | 22,700 | 1.31 |
| 실시예2 | 0.07 | 43,600 | 67,300 | 1.13 |
| 실시예3 | 0.06 | 53,100 | 83,800 | 1.58 |
| 실시예4 | 0.03 | 68,700 | 120,000 | 1.74 |
- 다분산 지수(PDI): 측정된 중량평균분자량을 수평균분자량으로 나누어 산출함
상기 표 4에 따르면, 비교예 1 및 2와 같이 도데카놀이 개시제로 사용된 경우, 도데카놀의 함량이 증가할수록 중합체의 수평균분자량 및 중량평균분자량이 감소함을 확인했다. 이와 마찬가지로, 실시예 1 내지 4에서 제조된 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트)블록 공중합체의 경우 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 올리고머에 비해 분자량이 커졌음을 확인할 수 있었다. 또한 투입된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)의 함량이 증가할수록 블록 공중합체의 수평균분자량 및 중량평균분자량이 감소함에 따라, 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)은 개시제 역할을 함을 확인할 수 있었다.
Claims (14)
- (a) 폴리(3-하이드록시프로피오네이트)를 생합성하는 단계; 및
(b) 단계 (a)에서 제조된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제의 존재 하에, 락타이드 단량체를 개환 중합하여 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체를 제조하는 단계를 포함하는, 블록 공중합체 제조방법. - 제1항에 있어서, 상기 단계 (a)는 하이드록시아실-CoA를 제공할 수 있는 효소 및/또는 PHA 합성 효소를 포함하는 재조합 미생물에 의해 수행되는 것인, 블록 공중합체 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 단계 (b) 수행 전에, 상기 단계 (a)에서 제조된 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제를 가수분해에 의해 처리하는 단계를 추가로 포함하는, 블록 공중합체 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 가수분해시 사용되는 가수분해제는 산 가수분해제, 염기 가수분해제, PHA 데폴리머라아제, 또는 이들의 조합인 것인, 블록 공중합체 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 가수분해는 4 내지 80 시간 동안 수행되는 것인, 블록 공중합체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제는 중량평균분자량이 1,500 내지 200,000인, 블록 공중합체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 개시제의 함량은 상기 락타이드 단량체 100중량부에 대해 0.01 중량부 이상인 블록 공중합체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 개환 중합은 유기금속 복합체 촉매 및 유기 촉매로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 촉매 하에서 이루어지는, 블록 공중합체 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 유기금속 복합체 촉매는 하기 화학식 1로 표시되는 촉매인, 블록 공중합체 제조방법:
[화학식 1]
MA1 pA2 2-p
상기 화학식 1에서, M은 Al, Mg, Zn, Ca, Sn, Fe, Y, Sm, Lu, Ti또는 Zr이고, p는 0 내지 2의 정수이고, A1 과 A2는 각각 독립적으로 알콕시 또는 카르복실기이다. - 제9항에 있어서,
상기 MA1 pA2 2-p는 주석(II) 2-에틸헥사노에이트 (Sn(Oct)2)인, 블록 공중합체 제조방법. - 제8항에 있어서,
상기 촉매의 함량은 상기 락타이드 단량체 100몰%에 대해서 0.01 내지 10몰%인, 블록 공중합체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 개환 중합은 150 내지 200℃에서 5분 내지 10시간 동안 이루어지는, 블록 공중합체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 개환 중합은 벌크 중합으로 진행되는, 블록 공중합체 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 폴리락타이드-폴리(3-하이드록시프로피오네이트) 블록 공중합체는 중량평균분자량이 10,000 내지 400,000인, 블록 공중합체 제조방법.
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