KR20220036819A

KR20220036819A - 염의 이온교환법을 이용한 친환경 고효율 에스터화반응 기반의 에스터화합물 제조방법 및 이의 화합물

Info

Publication number: KR20220036819A
Application number: KR1020200175864A
Authority: KR
Inventors: 김갑용; 이성언
Original assignee: 주식회사 우드워드바이오
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2022-03-23
Also published as: WO2022097813A1; KR102271575B1; EP4015499A4; KR102499329B1; EP4015499A1; JP2023511462A; JP7464280B2; US20230265039A1; CN114728880A

Abstract

본 발명은 염의 이온교환법을 이용한 에스터화반응 기반의 친환경 및 고효율의 에스터화합물 제조방법 및 이의 에스터 화합물에 관한 것이다. 종래 에스터화 반응은 물에 의한 역반응으로 가수분해가 진행되어 에스터의 수율이 좋지 아니하거나, 가수분해를 회피하기 위한 방법으로 염산 기체의 지속적 공급이나 유해물질인 염화 티오닐의 사용으로 인해 에스터화 반응은 환경적으로나 비용적으로나 한계가 있었다. 이에, 본 발명에서는 염의 이온 교환법을 이용하여 지속적인 염산 기체를 제공함과 아울러 황산마그네슘이 탈수제로 작용하여 에스터화반응에서 생성되는 물을 제거하여 가수분해되는 역반응이 진행되는 것을 줄일 수 있고, 목적하는 에스터화합물의 전환율을 높일 수 있게 된다. 또한, 반응물질은 저렴하고 그 산물 또한 유해성이 낮고 다루기도 쉬운 것이어서 보다 효율적인 반응이 가능하다.

Description

염의 이온교환법을 이용한 친환경 고효율 에스터화반응 기반의 에스터화합물 제조방법 및 이의 화합물{Method for producing ester based on eco-friendly and high efficiency esterification by using base exchange of salt and the compound thereof}

본 발명은 염의 이온교환법을 이용한 친환경 고효율 에스터화반응 기반의 에스터화합물 제조방법 및 이의 화합물에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 해수를 구성하는 알칼리금속계 염과 알칼리토금속계 염의 이온교환을 통한 친환경 에스터화반응을 이용한 에스터화합물의 제조법에 관한 것으로, 독성이 없고 유해폐기물이 발생하지 않으며 높은 수율의 에스터화합물을 제조할 수 있는 방법과 이 제조법으로 제조된 에스터화합물의 응용에 관한 것이다.

에스터화반응은 알코올과 유기산의 탈수반응을 통하여 물이 제거되고 에스터화합물을 형성시키는 반응으로 다양한 산업에 응용되며 의약품, 향료, 바이오디젤과 같은 고부가 가치의 기초화학소재산업에 폭넓게 사용되고 있다.

일반적인 에스터화반응은 황산, 인산, 염산, 파라톨루엔설포닉애씨드 등과 같은 산촉매를 사용하거나 염화티오닐과 같은 아실염화물화 유도 및 염화알킬화 유도를 일으키는 촉매를 사용하고 있다.

산촉매 에스터와반응은 대표적으로 피셔 에스터화반응(Fischer esterification)이 있는데 이 반응은 산 촉매 하에서과량의 알코올 존재과 유기산을 반응시켜 에스터화합물을 얻는 반응이다. 이 반응에서는 대부분 황산을 주로 사용하게 되는데 에스터화반응은 가역반응이기 때문에, 동 반응에 의해 생성된 물에 의해 생성물인 에스터가 다시 가수분해(역반응) 될 수 있어 에스터로의 전환율이 매우 낮은 경우도 있다.

다른 방법으로는 산 촉매로서 염산을 이용할 수도 있지만, 염산의 경우 기체를 사용해야하며 염산 수용액을 사용할 시, 물과 함께 반응을 시켜야 하므로 결국 다시 역반응인 물에 의한 가수분해 반응이 일어나기에 바람직 하지 못하다. 더욱이 염산가스의 경우 높은 온도에서 휘발되기 때문에, 반응을 진행코자 할 경우 계속하여 기체를 넣어줘야 하는 번거로움을 가지고 있다.

이를 해결하고자 염화티오닐(Thionyl choloride)을 사용할 수도 있는데, 공정이 비교적 간결하고, 높은 반응성으로 인해 많이 사용된다. 그러나 염화티오닐은 유독성, 부식성물질로 수분과 알코올과 급격한 반응으로 폭발을 할 수 있는 위험물이고, 반응 완료 후 염화티오닐을 제거하기 위해 알코올을 더 넣어주거나 물을 가해주는 경우가 있는데, 이 과정에서 대기오염의 주요 물질인 이산화황이 발생된다. 더욱이 제거과정에서 장비의 부식을 일으키며, 제거에 장시간이 걸린다는 것이 단점이다.

이처럼 두 가지 방식의 에스터화 반응이 가지고 있는 공통적인 단점은 탈수과정에서 생성되는 물의 제거이다.

피셔 에스터화반응은 앞서 언급한 바와 같이 가역반응이므로 르샤틀리에법칙에 따라 정반응을 유도하기 위해서는 생성되는 물을 제거해야 에스터화합물로의 전환율이 높아진다. 그러므로 탈수제가 필요하지만 각 용매와 공통적으로 호환되는 탈수제의 조합을 찾기가 어려우며 용매간의 탈수로 인해 알코올의 구조가 에터(ether)구조로 바뀌는 경우가 생길 수 있다. 이렇게 되면 반응에 참여할 수 있는 알코올의 분자수가 감소되며 반응 확률이 길어지게 되므로 에스터화합물로의 전환율이 낮아진다.

산 촉매 에스터화반응의 경우에도 생성된는 에스터화합물의 구조 및 특성에 따라 촉매로 남아있는 산의 제거가 어려운 단점이 있다. 극성도가 낮은 생성물의 경우에는 추출법을 통해 산의 제거가 가능하지만 물과의 친화력이 높은 극성의 생성물은 산의 분리가 매우 어렵다. 더욱이 아미노산과 같은 아민기가 존재할 경우, 생성물은 산 촉매와 함께 염을 구성하게 되므로 고안된 염을 제조하기 위하여 별도의 탈염과 같은 정제과정이 필요하다. 그리고 일반적인 아민기를 가지는 에스터화합물은 주로 염산염을 제조하는데 황산계열 산촉매를 사용할 경우에는 탈염이 쉽지가 않아 정제가 어려운 단점을 가지고 있다.

에스터화반응에서 이러한 환경유해물질의 발생 및 정제의 어려움의 개선과 에스터화 전환율을 높이기 위해서 다양한 방법의 에스터화반응이 개발되고 있지만 고가의 촉매를 사용하게 되며 이는 원료의 단가상승의 원인이 되므로 친환경적이며 고효율의 에스터화반응의 개발의 필요성이 높아지고 있다.

상기 배경기술에서 서술한 문제점을 해결하고자, 친환경, 고효율 및 저비용의 에스터화반응의 촉매를 이용하여 에스터화합물로의 높은 전환율을 갖는 반응을 개발하고 다양한 유기산과 알코올을 도입하여 상용화되는 고부가가치의 에스터화합물을 제조한다.

그로 인하여 생분해성, 안전성, 저독성 및 경제성을 확보함과 아울러 산업폐기물 발생을 줄여 환경 오염을 줄이는 데에 일조할 수 있도록 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 일 수단으로서, 다음 [반응식 1]에 의한 극성에스터 화합물을 제조하는 방법이 될 수 있다.

[반응식 1]

상기 [반응식 1]의 염화마그네슘(MgCl₂)은 수화물 및 무수물 중 어느 하나에 선택되는 것이고, 상기 [반응식 1]의 R₁은 C₁ 내지 C₂₀의 알킬기, 아로마틱방항족 작용기 또는 아민기를 가지는 작용기를 포함한 유기산 중에서 선택되는 것이며, R₂는 1차, 2차 및 3차 알코올 중에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 에스터화 반응은 에틸아세테이트(Ethyl Acetate) 용매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 극성에스터 화합물을 제조하는 방법이 될 수 있다.

더 바람직하게는, 상기 카복시산과 알코올은 각각 라우릭애씨드 및 에탄올인 것을 특징으로 하는, 극성 에스터 화합물을 제조하는 방법이 될 수 있다.

또한, 상기 카복시산과 알코올 은 각각 아세트산과 멘톨인 것을 특징으로 하는, 극성 에스터 화합물을 제조하는 방법이 될 수 있다.

또한, 상기 카복시산과 알코올은 각각 갈릭애씨드와 에탄올인 것을 특징으로 하는, 극성 에스터 화합물을 제조하는 방법이 될 수 있다.

또한, 상기 카복시산과 알코올은 각각 알지닌과 에탄올인 것을 특징으로 하는, 극성 에스터 화합물을 제조하는 방법이 될 수 있다.

한편, 상기 알지닌과 에탄올에 의해 극성 에스터 화합물인 알지닌에틸에스터; 및 라우로일클로라이드;를 처리한 아실화 반응을 통해 생성되는 에틸라우로일알지네이트가 그 일 수단이 될 수 있다.

다른 한편, 본 발명의 과제 해결 수단은 여기에 나열된 것에 한하지 않고, 본 발명의 설명에 따라 당업자가 이해될 수 있는 범위 내에서, 상기 해결하고자 하는 과제를 달성하는 수단이라면 모두 포함한다.

본 발명에 따르면, 종래 에스터화반응에서 유독물질의 발생과 폭발의 위험성을 해결할 수 있으며 정제 시, 촉매 제거의 어려움과 반응 중 생성되는 물로 인한 가수분해의 문제점을 개선하여 에스터 전환율을 높일 수 있으므로 높은 수율로 에스터화합물을 제조할 수 있다.

더욱이 시중에서 쉽고 저렴하게 구입이 가능하며 해수로부터 얻을 수 있는 알칼리금속의 염 및 알칼리토금속의 염을 사용하기 때문에 공정의 단가를 낮출 수 있으며 유해폐기물이 발생하지 않아 환경문제를 개선할 수 있다.

또한, 기존 에스터화반응에 비해 높은 수율을 보임과 동시에 정제방법 또한 간편하다는 장점을 가지고 있기 때문에 상업적으로 사용할 시, 생산품의 단가를 낮출 수 있다.

도 1은 Ethyl laurate 제법(실시예 1)에 따른 반응 결과물의 ¹H NMR 스펙트럼이다.
도 2는 Menthyl acetate의 제법(실시예 2)에 따른 반응 결과물의 ¹H NMR 스펙트럼이다.
도 3은 Ethyl gallate의 제법(실시예 3)에 따른 반응 결과물의 ¹H NMR 스펙트럼이다.
도 4는 Arginine ethyl ester dihydrochloride 제법(실시예 4)에 따른 반응 결과물의 ¹H NMR 스펙트럼이다.
도 5는 Ethyl lauroyl arginate hydrochloride의 제법(실시예 5)에 따른 반응 결과물의 ¹H NMR 스펙트럼이다.
도 6은 본 발명의 [반응식 1]을 도시한 것이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하기에 앞서, 보다 더 상세한 기술적 배경을 우선 설명하기로 한다.

본 발명의 기술적 배경은 해수의 구성성분인 염화마그네슘과 황산의 이온교환에 의한 염산의 생성 및 황산나트륨에 의한 물의 제거를 기반으로 하며 [반응식 1] 및 [반응식 2]에 도시하였다.

[반응식 1]

일반적으로 황산의 경우 고체상태의 금속염과의 반응성이 낮아 금속염을 이온상태로 만들어 주는 것이 중요하다. 하지만 일반적인 금속염화물은 알코올에 대한 용해도가 낮아 완전한 해리가 이루어 지지 않으므로 금속염화물은 수화물형태로 제공되어야 바람직하나, 이 경우 에스터화반응의 역반응인 가수분해반응을 유도하므로 물을 제거해 주는 탈수제가 점가되어야 한다.

상기 [반응식 1]의 경우 염화마그네슘과 황산의 반응으로 생성되는 황산마그네슘은 물을 제거하는 탈수제 역할을 하므로 이러한 조건을 충족시킬 수 있는데, 반응 시간이 길어지거나 용매 및 반응조 내부의 수분으로 인해 가수분해가 일어날 수 있기 때문에 별도의 탈수제인 무수황산나트륨을 첨가하는 것이 바람직하다. 단, 이는 생성물의 특성에 따라 조절이 가능하다. 상세히 설명하면 생성물이 가수분해반응에 민감하다면 추가적으로 물분자를 잡아두어야 하기 때문에 반드시 무수황산나트륨을 첨가해야하지만, 가수분해반응에 민감하지 않는 생성물을 생성시키는 경우에는 첨가하지 않아도 무방하다.

에스터화반응은 염산을 사용하는 것이 이상적이지만 염산은 기체상태이기 때문에 반응 시, 일정한 간격을 두고 기체상태의 염산을 주입해주어야 하는 번거로움이 있다. 그리고 기체상태의 염산은 비교적 고가이기도 하며 취급이 까다롭기 때문에 경제적인 측면과 공정의 편리함에 있어서 효율적이지 못하다.

따라서, 상기 [반응식 1]의 반응은 염화마그네슘의 염화이온과 황산의 수소이온으로 인해 반응 중 기체상태의 염산이 발생되고 그 염산을 산촉매로 하여 에스터화반응이 진행되므로 이러한 문제점을 쉽게 해결할 수 있다.

게다가 반응물이 아미노산의 경우, 생성물인 아미노산에스터는 쯔비터(Zwitter)평형이 존재하지 않아 아민에 의한 염기성 화합물이 되는데, 이 때 산촉매와 함께 암모늄염의 형태가 되어 촉매가 소진된다. 이러한 결과는 반응계의 pH를 높이게 되는 원인이 되기도 하며 촉매량의 감소로 인해 정반응으로 이끌지 못하므로 수율이 저하된다. 그래서 더 많은 산촉매를 사용하게 되므로 정제 시, 잔여 촉매의 제거가 상당히 어려운 점이 있다. 또한, 이러한 아미노산에스터의 염 형태는 극성 정도가 높아 추출 정제가 매우 어렵고 산촉매 역시 극성 정도가 높기 때문에 깨끗하고 깔끔한 정제가 매우 어려운 단점을 가지고 있다.

본 발명은 염화물과 황산화물의 이온교환에 의한 염산기체발생과 탈수제에 의한 물 분자의 제거로 인해 높은 에스터로의 전환율을 보이며 손쉽게 제거가 가능한 염산기체를 산촉매로 사용하기 때문에 1회의 필터만으로 정제가 간편한 장점을 가지고 있다.

[반응식 2]

상기 [반응식 2]에서 R₁은 C₁ 내지 C₂₀의 알킬기, 아로마틱방항족 작용기 또는 아민기를 가지는 작용기를 포함한 유기산 중에서 선택되는 것이며, R₃는 1차, 2차 또는 3차 알코올 중에서 선택되는 것을 특징으로 할 수 있다.

에스터화반응은 1차알코올 뿐만 아니라 2차 및 3차 알코올과 같은 측쇄형 알코올과 유기산의 축합반응에 이용되기도 한다. 이러한 반응은 대표적으로 향료를 생산할 시, 사용되고 있는데 다양한 측쇄형 알코올을 도입한 에스터화합물은 비교적 고가에 취급되고 있다. 이는 측쇄형알코올류가 비교적 고가를 형성할 뿐만 아니라 1차알코올에 비하여 에스터로의 전환율이 낮기 때문이다. 그리고 산성조건에서 비교적 빠르게 가수분해되어 일반적인 에스터화반응으로 제조하기 어려운 점이 있어 제조 시 고가의 시약을 필요로 한다는 점이 작용한다. 또한, 일반적으로 높은 온도를 필요로 하기 때문에 톨루엔과 같이 높은 비점(boiling point)을 가지는 용매를 사용하게 된다. 하지만 톨루엔을 비롯한 높은 비점을 가지는 용매는 높은 독성을 가지고 있으며 정제가 어렵고 용매의 잔류성에 대한 문제점을 가지고 있다.

이러한 문제점을 해결하고자 본 발명은 염의 이온교환에 의해 발생되는 염산기체 촉매 및 물을 제거하는 반응을 기반으로 에틸아세테이트(EA, Ethyl Acetate)를 용매로 하여 측쇄형알코올과 유기한의 에스터화반응을 유도하였다. 여기서 사용된 에틸아세테이트는 에탄올과 아세트산의 에스터화반응으로 축합된 안전한 용매로 환경오염을 유발하지 않으며 안전한 반응을 유도할 수 있다. 더욱이 77.1℃의 낮은 비점을 가지고 있음에도 불구하고 안정하게 측쇄형알코올기반의 에스터화합물을 얻어낼 수 있었으며 사용된 에틸아세테이트는 다시 재사용이 가능하여 경제적으로 이점을 가지고 있다.

본 발명을 이용하여 대표적인 상업적 에스터화합물들을 제조하였으며 반응식 3 내지 7에 각각 도시하였다.

[반응식 3]

라우릭애씨드와 에탄올의 축합반응으로 만들어지는 에틸라우레이트는 특유의 향을 가지고 있는 오일형태의 에스터화합물이다. 이 물질은 지방산에스터화합물로 바이오디젤의 주요성분이기도 하며 향료로써 사용되는 소재이다. 이 반응에서 라우릭애씨드, 황산 및 염화마그네슘수화물의 몰비는 1 : 2.5 : 2.75로 수행하였다. 황산과 염화마그네슘은 1 : 1 반응 시 2분자의 염산가스를 발생시키게 된다. 이 반응에서 2분자의 염산은 에스터전환율에 영향을 미치는 pK_a값을 낮추기에 부족한 양이므로 적어도 2배이상의 당량이 필요하다. 그리고 황산과 염화마그네슘반응 시 황산이 한계반응물질이 되어야 하는데 이러한 이유는 황산은 모두 소모되어 황산마그네슘 및 황산수소마그네슘을 형성해야 잔여황산을 제거하기 용이하기 때문이다. 그리고 염화마그네슘에 함유된 수분을 제거하기위해 황산나트륨을 동일한 당량으로 맞추어주어야 물의 제거가 빠르게 이루어진다.

[반응식 3]에서 나타낸 바와 같이 본 발명을 적용시켜 제조한 에틸라우레이트의 경우 간단한 방법으로 정제가 가능하며 높은 에스터전환율을 보일 뿐만 아니라 유해폐기물이 없어서 친환경바이오디젤 제조법에 응용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

[반응식 4]

[반응식 4]에 사용된 멘톨(Menthol)은 향료로 사용되며 멘톨을 기반으로 제조되는 향료는 여러 종류가 있다. 그 중 본 발명을 적용하여 제조한 멘톨유도체는 멘틸아세테이트(Menthyl acetate)이다.

멘틸아세테이트는 멘톨과 아세트산의 축합반응으로 얻을 수 있으나, 종래의 기술은 멘틸염화물 혹은 염화아세틸을 이용하여 제조한다. 하지만 과량의 염화아세틸 혹은 아세트산을 필요로 하거나 알킬염화물 혹은 아실염화물을 제조할 시 염화티오닐을 이용해야 하기 때문에 공정의 전과정에서 유해물질의 발생은 피할 수 없다. 특히, 반응에 사용되는 용매도 제한적일 뿐만 아니라 모두 톨루엔 및 벤젠과 같이 유해한 용매조건에서 반응이 진행되므로 환경적인 면에서 부적절한 방법이다.

본 발명에서는 환경오염을 일으키지 않는 용매인 에틸아세테이트를 용매로 사용하였으며 여기서 사용된 멘톨은 자연에서 얻어진 비정제된 멘톨을 이용하여 멘틸아세테이트를 제조하였다. 그리고 아세트산을 과량 사용하지 않고 멘톨 사용량을 기준으로 멘톨:아세트산은 1:1.6의 몰비를 사용하여 제조하게 되었는데 멘톨계열의 화합물의 경우 정제 시 유기용매에 잘 용해되지만 물에는 잘 용해되지 않아 정제 시 분리가 어렵기 때문이다. 반면 아세트산의 경우 염기성 수용액에 쉽게 녹아 분리가 간편하여 아세트산의 몰수를 높여 제조할 시 미 반응의 아세트산을 쉽게 제거할 수 있다. 또한 2차알코올인 멘톨의 경우 가수분해의 가능성이 높기도 하고 사용된 멘톨이 비정제된 혼합형태임에 따라 다른 저분자 알코올이 있을 가능성이 있기 때문에 황산, 염화마그네슘수화물, 황산마그네슘을 3.5당량 이상을 가하여 반응을 수행하게 되었다.

본 발명에서 자연으로부터 추출된 비정제된 멘톨을 사용하게 된 이유는 화장품제조업체의 문제를 해결하기 위함이다. 대부분의 화장품의 경우 향료를 첨가하게 되는데 향료의 알러지 유발 화합물은 리날룰, 제라니올 등과 같은 성분이다. 화장품 업계의 경우 최근 트랜드이자 소비자의 구매기준인 EWG(Environmental Working Group)의 그린등급에 기재된 원료를 사용하는 것이 마케팅적 요소인데 이러한 향료의 구성성분인 알러지유발물질의 등급은 그린등급을 만족하지 않아 향에 대한 문제를 해결하는 것이 큰 과제로 남아있는 실정이다. 이러한 문제를 해결하고자 천연물에서 추출된 에센셜오일로 대체하고 있지만 에센셜오일의 향을 내는 화합물은 마찬가지로 인공향료의 알러지유발물질과 같은 구조의 화합물이기 때문에 현행 법인 알러지유발물질 표기사항을 벗어나기는 어렵다. 리날룰, 제라니올 등과 같은 화합물은 R-OH의 작용기를 가지는 알코올계 화합물로써 에스터화반응을 통하여 이 문제에 대한 해결이 가능하며 에스터계열 화합물은 대부분 과일, 꽃의 향을 내는 주성분으로써 화장품산업에 사용되기 적합하다. 특히 화장품산업에서 많이 사용되는 에센셜오일의 경우 리날룰과 제라니올이 다량함유된 것을 사용하는 것을 미루어 볼 때 혼합물인 에센셜오일을 지방산과 함께 에스터화반응을 거치게 되면 에스터계 화합물로 전환되기 때문에 알러지유발물질 검출기준을 충족시키기 쉽다. 이러한 이유로 본 발명에서는 자연에서 추출된 비정제된 멘톨을 사용하여 에스터화합물을 제조하게 되었다.

[반응식 5]

[반응식 5]에 사용된 갈릭애씨드(galic acid)는 매우 강력한 항산화 효과를 보이는 것으로 알려져 있다. 특히, 강력한 항산화능력을 통하여 식품의 영양강화의 목적 및 산화방지목적의 보존제로 사용되고 있다. 하지만 강력한 항산화력만큼 쉽게 갈변이 되는 경우가 있기 때문에 에스터구조로 보호를 하기 위해 안전하면서 안정한 구조인 에틸에스터구조로 이용되고 있다. 순수 갈릭애씨드는 방향족고리에서 파라(p-)위치 관계의 하이드록실기와 카복실산은 서로 전자의 이동이 자유롭기 때문에 빠르게 갈변이 되므로 다양한 알킬에스터가 도입되는데 그 중 에틸기는 생체 내에서 분해 시 유해하지 않아 보호기로써 적합하다. 본 반응에서 갈릭애씨드 1수화물, 황산, 염화마그네슘수화물의 몰비는 1 : 2 : 2.2로 사용되었는데 아릴릭애씨드의 경우 에스터전환율이 높은 구조적 특성을 가지고 있기 때문에 더 적은 양의 황산과 염화마그네슘수화물의 사용이 가능하다.

본 발명의 에스터화반응을 적용하여, 에틸갈레이트를 제조하게 되면 공통적인 유해성, 유독성 물질이 사용되지 않고 유해폐기물이 발생하지 않으므로 상업적으로 제조 시 유리한 장점을 가지고 있다.

[반응식 6]

[반응식 6] 에 사용된 알지닌은 20가지 아미노산 중 염기성아미노산으로 분류되며 단백질의 구성요소 중 한가지이다. 알지닌은 혈관계 질환예방, 상처의 치유, 신장질환을 예방하는 등 다양한 기능을 하므로 영양강화제로 많이 사용되고 있다.

그러나 알지닌은 흡수율이 낮아 에틸에스터구조의 형태로 복용을 하는데 이러한 이유는 에틸에스터형태의 경우 흡수율이 더 높기때문이다. 그리고 알지닌에틸에스터는 식품, 화장품, 의약품의 살균보존제 및 다기능 생리 활성소재인 에틸라우로일알지네이트(ELA)의 합성 중간체이므로 고부가 가치 소재를 제조할 수 있다. 하지만 염기성아미노산은 에스터화반응을 진행하게 되면 산촉매를 소진하여 에스터전환율이 낮아 촉매를 과량 사용하게 되며, 유독한 물질의 과량사용을 할 경우 환경오염, 인체독성의 위험을 피하기 어렵다. 그리고 잔여 산촉매로부터의 정제가 어려워 경제적이지 못하다는 단점을 가지고 있다. 더욱이 알지닌에틸에스터의 경우 정제에 사용되는 비수용성유기용매에 대한 용해도가 매우 낮아 잔여 촉매 및 불순물로부터의 정제가 매우 어려운 단점을 가지고 있다. 본 반응에서 사용된 알지닌, 황산, 염화마그네슘의 몰비는 1 : 3 : 3.3이 사용되었다. 알지닌의 경우 강한 염기성이기 때문에 염산 1분자를 소모시키고 생성물인 알지닌에틸에스터의 경우에도 염산 1분자를 추가적으로 소모시키기 때문에 적어도 염산 6분자이상이 요구되므로 전환율을 높이기 위한 낮은 pKa의 조건을 충족시키기 위해서는 적어도 3당량의 황산이 필요하다.

본 발명은 과량의 촉매를 사용하더라도 유해한 물질의 발생이 없으며 높은 에스터전환율을 통하여 정제의 어려움과 낮은수율의 어려움없이 손쉽게 알지닌에스터를 제조할 수 있다. 더욱이 환경폐기물과 독성폐기물이 발생되지 않아 처리비용이 적게 든다는 장점도 가지고 있어서 상업적으로 널리 활용이 가능하다.

[반응식 7]

[반응식 7]는 앞서 본 발명의 에스터화반응을 이용하여 제조된 알지닌에틸에스터를 이용하여 에틸라우로일알지네이트 하이드로클로라이드(Ethyl Lauroyl Arginate Hydrochloride, ELA)를 제조법을 나타낸 것이다. ELA는 알지닌에틸에스터를 출발물질로 하여 라우로일클로라이드와 함께 아실화반응을 통해 제조할 수 있다.

ELA는 식품을 비롯한 화장품, 의약품의 살균보존제로 강력하고 넓은 스펙트럼의 항균, 항바이러스기능을 가지고 있다. 뿐만 아니라 세균이 분비한 독성물질을 분해하는 기능 및 피부와 털을 부드럽게 하고 인체표면에 흡작하여 박테리아의 부착을 방지하는 다양한 기능을 가지고 있다.

하지만 기존공정에서 첫 단계인 에스터화반응의 문제점과 아실화반응에서의 가수분해로 인한 낮은 수율과 순도로 인해 가격이 높게 형성되어 대중화되기 어려운 점이 있었다.

본 발명의 에스터화반응은 효율성과 친환경성을 통하여 첫 단계의 공정비용을 낮춤과 동시에 아실화반응에서 카보네이트 완충용액을 사용하여 가수분해의 확률을 줄이게 됨으로써 기존 ELA의 제조공정의 문제점을 모두 해결할 수 있었다.

이상으로 본 발명의 기술적 핵심이 되는 [반응식 1]과 [반응식 2]에 대하여 설명하였다면 이하, 구체적인 실시예를 들어 본 발명을 설명하고자 한다. 하기 5가지의 실시예는 다양한 유기산과 2종의 알코올을 출발물질로 하여, 각 목적에 맞는 화합물을 제조하는 것을 보여주고 있으며 제조된 물질을 적용한 또 다른 고부가가치의 에스터화합물을 제조하는 방법을 보여준다.

[실시예 1] Ethyl laurate의 제조

1. 1000mL 둥근바닥플라스크에 EtOH 600mL과 MgCl₂-6H₂O 140g을 가한 뒤 용해 후 Lauric acid 50g을 가한다.

2. 20분간 교반한 뒤 Na₂SO₄ 97g을 가하고 H₂SO₄ 33mL를 천천히 가해준다.

3. 100℃로 온도를 유지하며 6시간동안 교반한다.

4. 반응 혼합물을 실온냉각 시킨 뒤 여과한 다음 농축한다.

5. EA 100mL을 가하여 용해시킨 뒤, 유기층을 NaHCO₃ 포화수용액으로 1회 씻어준다.

6. Na₂SO₄로 수분을 제거하고 여과하고 농축하여 미황색의 오일 Ethyl laurate (54g, 95%)를 얻는다.

상기 6. 단계 이후 수득된 Ethyl laurate 화합물을 ¹H NMR로 분석한 결과는 다음과 같고, 스펙트럼은 도 1에 도시하였다.

¹H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ4.05-4.02 (q, 2H), 2.27-2.24 (t, 2H), 1.51-1.49 (t, 2H), 1.24 (s, 16H), 1.18-1.15 (t, 3H), 0.86-0.84 (t, 3H)

[실시예 2] Menthyl acetate의 제조

1. 1000mL 둥근바닥플라스크에 EA 300mL 과 AcOH 8mL을 가한뒤 용해 후 MgCl₂-6H₂O 72g을 가한다.

2. 20분간 교반한 뒤 Menthol 20g (천연물에서 추출된 비정제 원료)과 Na₂SO₄ 97g을 가하고 H₂SO₄ 33mL를 천천히 가해준다.

3. 76℃로 온도를 유지하며 18시간동안 교반한다.

4. 반응 혼합물을 실온냉각 시킨 뒤 여과한 다음 농축한다.

6. Na₂SO₄로 수분을 제거하고 여과하고 농축하여 황색의 오일 Menthyl acetate (17g, 96%)를 얻는다.

상기 6. 단계 이후 수득된 Menthyl acetate 화합물을 ¹H NMR로 분석한 결과는 다음과 같고, 스펙트럼은 도 2에 도시하였다.

¹H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ4.59-4.55 (m, 1H), 1.98 (s, 3H), 1.87-1.83 (m, 1H), 1.82-1.79 (m, 2H), 1.65-1.61 (m, 2H), 1.60-1.58 (m, 1H), 1.48-1.40 (m, 1H), 1.37-1.30 (m, 2H), 0.88-0.85 (m, 9H)

[실시예 3] 탈염 및 염치환법을 이용한 Ethyl gallate의 제조

1. 1000mL 둥근바닥플라스크에 EtOH 500mL 과 MgCl₂-6H₂O 119g을 가한 뒤 용해 후 Galiic acid-H2O 50g을 가한다.

2. 20분간 교반한 뒤 Na₂SO₄ 83g을 가하고 H₂SO₄28mL를 천천히 가해준다.

3. 100℃로 온도를 유지하며 12시간동안 교반한다.

4. 반응 혼합물을 실온냉각 시킨 뒤 여과한 다음 여과액을 농축하여 백색의 고체 Ethyl gallate (52g, 98%)를 얻는다.

상기 6. 단계 이후 수득된 Ethyl gallate 화합물을 ¹H NMR로 분석한 결과는 다음과 같고, 스펙트럼은 도 3에 도시하였다.

¹H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ9.15 (brs, 2H), 9.96 (s, 2H), 4.21-4.18 (q, 2H), 1.27-1.25 (t, 3H)

[실시예 4] Arginine ethyl ester dihydrochloride의 제조

1. 1000mL 둥근바닥플라스크에 EtOH 600mL 과 MgCl₂-6H₂O 193g을 가한뒤 용해 후 Arginine 50g을 가한다.

2. 20분간 교반한 뒤 Na₂SO₄ 135g을 가하고 H₂SO₄ 46mL를 천천히 가해준다.

3. 95℃로 온도를 유지하며 18시간동안 교반한다.

4. 반응 혼합물을 실온냉각 시킨 뒤 여과한 다음 여과액을 농축하여 백색의 고체 Arginine ethyl ester dihydrochloride (77g, 97.5%)를 얻는다.

상기 4. 단계 후 수득된 Arginine ethyl ester dihydrochloride 화합물을 ¹H NMR로 분석한 결과는 다음과 같고, 스펙트럼은 도 4에 도시하였다.

¹H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ8.72 (s, 3H), 8.05-8.03 (t, 1H), 4.24-4.14 (m, 2H), 3.99-3.97 (t, 1H), 3.42 (brs, 1H), 3.19-3.11 (m, 2H), 1.88-1.80 (m, 2H), 1.66-1.59 (m, 1H), 1.53-1.46 (m, 1H), 1.24-1.21 (t, 3H)

[실시예 5] Ethyl lauroyl arginate hydrochloride의 제조

1. 1000mL 둥근바닥플라스크에 증류수 150mL 과 Arginine ethyl ester dihydrochloride 60g을 가한뒤 용해 후 실온교반 한다.

2. Na₂CO₃ 23.1g과 NaHCO₃ 1.8g이 증류수 200mL에 용해된 수용액을 가하고 EA 350mL을 가한다.

3. Lauroyl chloride 51mL을 천천히 가하고 실온에서 3시간 교반한다.

4. 수층을 제거하고 유기층에 brine 200mL을 가한 뒤, hydrochloric acid (35%~) 10mL를 가한다. 그리고 5분간 교반한다.

5. 수층을 제거한 뒤, 유기층을 4℃이하로 냉각시킨 다음 여과하여 백색의 바늘모양 결정인 Ethyl lauroyl arginate hydrochloride (88g, 96%)를 얻는다.

상기 5. 단계 이후 수득된 Ethyl lauroyl arginate hydrochloride 화합물을 ¹H NMR로 분석한 결과는 다음과 같고, 스펙트럼은 도 5에 도시하였다.

¹H NMR (600 MHz, DMSO-d6) δ8.24-8.23 (brd, 1H), 7.79 (brs, 1H), 4.20-4.16 (m, 1H), 4.11-4.03 (m, 2H), 3.12-3.06 (brs, 2H), 2.14-2.09 (m, 2H), 1.74-1.68 (m, 1H), 1.63-1.56 (m, 1H), 1.63-1.46 (m, 4H), 1.28-1.24 (m, 16H), 1.19-1.16 (t, 3H), 0.86-0.84 (t, 3H)

본 발명에서는 기존에 에스터화 반응에 사용되는 유해물질의 사용, 잔여촉매의 제거, 유해가스의 발상, 독성폐기물의 발생 및 탈수과정 시 발생되는 물의 제거의 어려움으로 인한 낮은 에스터전환율을 개선할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 더욱이 극성의 생성물과 비극성의 생성물 모두 생산이 가능하고 비교적 정제가 간편한 이점과 저렴한 염의 형태의 물질을 사용함으로 써 경제적으로 에스터화합물을 생산할 수 있다.

Claims

MgCl₂, H₂SO₄, R₁(C=O)OH, R₂OH를 포함하는 반응 혼합물을 사용하여 다음 [반응식 1]에 의한 염의 이온교환법을 이용한 에스터화반응 기반의 에스터화합물 제조방법.
[반응식 1]

상기 [반응식 1]의 염화마그네슘(MgCl₂)은 수화물 및 무수물 중 어느 하나에 선택되는 것이고,
상기 [반응식 1]의 R₁(C=O)OH는 C₁ 내지 C₂₀의 알킬기, 아로마틱방향족 작용기 또는 아민기를 가지는 작용기를 R₁으로 포함하는 유기산 중에서 선택되는 것이며, R2OH는 1차, 2차 및 3차 알코올 중에서 선택되는 것을 특징으로 하며,
상기 카복시산(R₁(C=O)OH)과 알코올(R₂OH)은 각각 알지닌과 에탄올인 것을 특징으로 한 염의 이온교환법을 이용한 에스터화반응 기반의 에스터화합물 제조방법에 의해 제조된 극성 에스터 화합물인 알지닌에틸에스터; 및
라우로일클로라이드; 및
카보네이트 완충용액;을 사용한 아실화반응을 통해 에틸라우로일알지네이트하이드로클로라이드를 제조하는 방법.