KR20230059946A - 중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상용화된 폴리에틸렌글리콜(PEG) 고분자의 주 사슬에 직접 원하는 작용기를 도입하기 위한 방법으로, 중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법 및 기능성 폴리에틸렌글리콜에 관한 것이다.
또한, 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 범용성 고분자인 PEG의 사슬길이 및 기하 구조를 유지하면서 원하는 작용기를 온화한 조건에서 도입하며, 반응 전환률을 조절하여 기능성 분자의 분포 및 밀도를 조절하는 기술에 관한 것이다.

Description

중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법{Synthesis method of functional polyethylene glycol using post-polymerization modification}
본 발명은 상용화된 폴리에틸렌글리콜 고분자의 주 사슬에 직접 원하는 작용기를 도입하기 위한 방법으로, 중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법 및 기능성 폴리에틸렌글리콜에 관한 것이다.
폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG)은 Polyether 형태의 고분자로서 잘 알려져 있다. Polyether 형태의 고분자는 Poly(Ethylene glycol), Poly(Propylene glycol), Poly(tetra-hydrofuran) 등 여러 종류가 있다. 그 중 PEG는 생채적합성이 뛰어나 소수성 약제와 단백질 수용성을 증가시키는 등 아주 특별한 특성을 가지고 있다. 일반적인 고분자와 다르게 물과 유기용매에 대한 양쪽성 용해도를 가지며 점도가 높은 액체 또는 고체의 형태를 이룬다. PEG 뒤에 표기되어진 숫자는 분자량을 의미한다. PEG 1000 이상은 상온에서 고체의 형태를 보인다. 분자량이 늘어남에 따라 유기용매에 대한 용해도가 낮아진다. 특별한 특성을 가진 PEG는 의약품, 화장품, 배터리 전해질, 염료, 수지 등 넓은 분야에서 역할을 수행하고 있는 범용성 고분자이다.
PEG의 합성은 일반적으로 고리-개환 중합반응을 이용한다. 고리-개환 중합 반응은 에틸렌 옥사이드와 함께 물, 에틸렌 글리콜 또는 에틸렌 글리콜 올리고머로 수행된다. 반응은 촉매의 종류에 따라 달라진다. 보통 양이온 또는 음이온 중합방법으로 수행한다. 일반적으로 음이온 중합 방법이 선호되는데, 낮은 다분산도의 고분자를 얻을 수 있기 때문이다. 에틸렌 옥사이드를 이용한 중합 과정은 발열이 심하여, 폭발 등 큰 사고를 유발할 수 있기 때문에 저온에서 반응하거나 유화중합과 같은 발열을 억제 할 수 있는 과정이 필수적이다.
한편, PEG에 새로운 성능을 추가하여 부가가치를 높이려는 노력이 지속되고 있다. 이를 위하여 PEG 사슬에 기능성 화학 단위를 도입하는 다양한 연구들이 시도되고 있다. 고분자 중합 공정에서 기능성 기를 가지는 단량체, 에틸렌 옥사이드와 함께 공중합을 일으키거나, 말단 하이드록시 작용기의 개질을 통하여 기능기를 도입하는 방법이 일반적인 전략이다. 하지만 이러한 방법은 기능성 단분자의 범위 제한 및 중합 반응성의 예측이 어렵다는 한계점이 있다.
또한, 기존에 PEG의 기능화에 대한 연구는 사슬 말단에 기능화 하는 방법이 집중적으로 연구되었다. 중합 후 변성법을 이용하여 PEG의 주 사슬에 기능기를 도입하는 방법은 아직 충분한 연구가 이루어지지 않았다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 중합 후 변성법을 이용한 방법으로써 기능기를 도입 하였던 기존의 연구는 크게 1) 알카인을 이용한 inert-double bond 구조의 기능기 도입[WEI WU, J. SCOTT PARENT. Polymer Functionalization by Free Radical Additionto Alkynes. Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, 2008, 46, 7386-7394.], 2) 과산화수소 및 촉매를 통한 하이드록시화 반응[Branden Reid, Stephany Tzeng, Andrew Warren, Kristen Kozielski, and Jennifer Elisseeff. Development of a PEG Derivative Containing Hydrolytically Degradable Hemiacetals. Macromolecules 2010, 43, 9588-9590.], 3) RuO4 촉매를 이용한 에스터화[Di Liu , Christopher W. Bielawski. Synthesis of Degradable Poly[(Ethylene Glycol)-co-(Glycolic Acid)] via the Post-Polymerization Oxyfunctionalization of Poly(Ethylene Glycol). Macromol. Rapid Commun. 2016, 37, 1587-1592.] 반응에 대한 연구가 이루어졌다. 그러나, 사슬의 절단으로 인한 급격한 분자량 감소와 제한되어진 기능기의 범위에 대한 문제점이 존재했다. 또한 주로 연구에 대한 초점이 고분자의 손쉬운 분해가 이루어지도록 구조를 변화시키는데 집중되었다.
한국공개특허 제2018-0022919호
본 발명은 상용화된 폴리에틸렌글리콜(PEG) 고분자의 주 사슬에 직접 원하는 작용기를 도입하기 위한 방법으로, 중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법 및 기능성 폴리에틸렌글리콜을 제공하고자 한다.
또한, 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 범용성 고분자인 PEG의 사슬길이 및 기하 구조를 유지하면서 원하는 작용기를 온화한 조건에서 도입하며, 반응 전환률을 조절하여 기능성 분자의 분포 및 밀도를 조절하는 기술을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서, 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 기능기 도입 물질, 산화제, 아이오딘 소스(Iodine source) 및 에틸아세테이트(Ethyl acetate)를 혼합하여 교반하는 단계; 상기 혼합물을 50 내지 100℃에서 3 내지 7 시간 반응시키는 단계; 상기 반응이 끝난 후, 추출 용매를 이용하여 생성물을 침전시켜 정제하는 단계; 및, 상기 정제된 물질을 건조하여 기능성 폴리에틸렌글리콜을 제조하는 단계를 포함하는 중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법을 제공한다.
상기 폴리에틸렌글리콜의 주 사슬에 기능기를 도입하는 것일 수 있다.
상기 기능기 도입 물질은 카르복실기를 갖는 화합물을 포함하는 것일 수 있다.
상기 아이오딘 소스는 테트라부틸암모늄 아이오다이드(Tetra-butylammonium iodide, TBAI)인 것일 수 있다.
상기 산화제는 Tert-부틸 하이드로퍼옥사이드(Tert-butyl hydroperoxide, TBHP)인 것일 수 있다.
상기 교반은 아르곤 가스로 치환해주며 수행하는 것일 수 있다.
상기 추출 용매는 알코올류, 에틸에테르(ethyl ether), n-헥산 및 톨루엔과 같은 탄화수소 계열의 유기 용매 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 일실시예에서, 폴리에틸렌글리콜의 주 사슬에 기능기가 도입되고, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 기능성 폴리에틸렌글리콜을 제공한다:
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
상기 x 및 y는, 각각 독립적으로 1 이상의 정수이고;
상기 R은 카르복실기를 포함하는 화합물이다.
상기 카르복실기를 포함하는 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 R1 내지 R10으로부터 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00002
본 발명은 중합 후 변성법을 이용하여 폴리에틸렌글리콜(PEG) 고분자의 주 사슬에 직접 원하는 기능기를 도입함으로써, 기존의 공정에 비해 간단하고 온화한 방법으로 기능성 폴리에틸렌글리콜을 합성할 수 있다.
또한, 종래 기능성 폴리에틸렌글리콜 합성방법의 문제점인 사슬의 절단으로 인한 급격한 분자량 감소와 기능기 범위의 한계를 해결하기 위한 최적화된 합성 조건으로, 분자량 감소를 최소화 하며 최대한 많은 기능기의 도입(최대 4.4%의 분율)이 가능하므로, 생체 적합성이 우수한 PEG 재료에 높은 기능성을 부여하고 부가가치를 높일 수 있다.
도 1은 종래 기능성 폴리에틸렌글리콜 합성 방법 및 문제점을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 1H NMR(a) 및 IR spectra(b)를 이용한 기능기 도입의 증명을 나타낸 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
폴리에틸렌글리콜(PEG)은 생체적합성 및 특별한 특성을 가져 여러 분야에서 사용되고 있다. 새로운 기능기의 도입을 통하여 고부가 가치의 PEG를 합성하기 위해 많은 노력들이 수행되고 있다. 일반적으로 에폭사이드에 기능기를 도입하고 중합 공정을 통해 기능성 PEG를 합성한다. 하지만 기능화 에폭사이드의 중합 공정에서의 반응성은 음이온 또는 양이온 중합에서 쉽게 예측하기 어렵다. 이러한 문제로부터 사용되어질 수 있는 기능성 단분자의 범위가 제한된다. 또는 기능성 개시제 또는 종결제를 이용하여 PEG의 말단 한 쪽을 기능화화거나 두 말단을 기능화할 수 있다. 하지만 이러한 방법들은 고분자 사슬 당 기능기의 수가 최대 1~2 개로 매우 낮다.
상기의 한계점을 극복하기 위하여, 본 발명은 중합 후 변성법을 이용한다. 기존에 상용화 되어진 PEG 고분자의 뼈대에 직접 원하는 작용기를 사슬에 도입하는 방법에 관한 것이다. 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 범용성 고분자인 PEG를 사슬길이 및 기하 구조를 유지하면서 원하는 작용기를 온화한 조건에서 도입하고, 반응 전환률을 조절하여 기능성 분자의 분포 및 밀도를 조절할 수 있으며, 이를 통하여, 생체 적합성이 우수한 PEG 재료에 높은 기능성을 부여하고 부가가치를 높일 수 있다.
이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명은 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 기능기 도입 물질, 산화제, 아이오딘 소스(Iodine source) 및 에틸아세테이트(Ethyl acetate)를 혼합하여 교반하는 단계; 상기 혼합물을 50 내지 100℃에서 3 내지 7 시간 반응시키는 단계; 상기 반응이 끝난 후, 추출 용매를 이용하여 생성물을 침전시켜 정제하는 단계; 및, 상기 정제된 물질을 건조하여 기능성 폴리에틸렌글리콜을 제조하는 단계를 포함하는 중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법을 제공한다.
본 발명은 중합 후 변성법을 이용하여 상기 폴리에틸렌글리콜의 주 사슬에 기능기를 도입하는 것일 수 있다.
본 발명의 중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법은 우선, 갈색 바이알에 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 기능기 도입 물질, 산화제, 아이오딘 소스(Iodine source) 및 에틸아세테이트(Ethyl acetate)를 넣고 교반한다.
상기 교반은 아르곤 가스로 치환해주며 수행하는 것일 수 있고, 상기 교반은 1 내지 10 분, 2 내지 8 분, 3 내지 7 분 또는 5 분 동안 수행하는 것일 수 있다.
상기 기능기 도입 물질은 카르복실기를 갖는 화합물을 포함하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 카르복실기를 갖는 화합물은 벤조산(benzoic acid), p-클로로벤조산(p-chlorobenzoic acid), p-시아노벤조산(p-cyanobenzoic acid, p-톨루익산(p-toluic acid), 2-나프토에산(2-naphthoic acid), 트랜스-시나믹산(trans-cinnamic acid), 3-티오펜 카르복실산(3-thiophene carboxylic acid), 2-퓨로산(2-furoic acid) 및 피콜린산(picolonic acid)으로부터 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다.
상기 아이오딘 소스는 테트라부틸암모늄 아이오다이드(Tetra-butylammonium iodide, TBAI)인 것일 수 있다.
상기 산화제는 Tert-부틸 하이드로퍼옥사이드(Tert-butyl hydroperoxide, TBHP)인 것일 수 있다.
상기 교반 후, 혼합물을 50 내지 100℃에서 3 내지 7 시간 반응시킨다. 예를 들어, 상기 반응은 60 내지 90℃, 70 내지 80℃ 또는 80℃에서 3 내지 7 시간, 4 내지 6 시간 또는 5 시간 동안 반응시킬 수 있다.
상기 반응이 끝난 후, 상온에서 식혀 추출 용매 첨가하여 생성물을 침전시켜 정제한다. 상기 정제는 1 회 이상 수행하는 것일 수 있고, 삼투막을 이용하는 것일 수 있다.
상기 추출 용매는 알코올류, 에틸에테르(ethyl ether), n-헥산 및 톨루엔과 같은 탄화수소 계열의 유기 용매 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다.
상기 정제된 물질을 건조하여 백색 고체인 기능성 폴리에틸렌글리콜을 수득한다.
본 발명의 합성방법은 반응 중 부반응을 최소화하는 온화한 조건에서 합성함으로써, 일반적인 구조로서 전자-주개 기, 전자-끌개 기, 헤테로 고리 및 지방족 화합물의 기능기를 도입할 수 있다.
또한, 본 발명은 폴리에틸렌글리콜의 주 사슬에 기능기가 도입되고, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 기능성 폴리에틸렌글리콜을 제공한다:
[화학식 1]
Figure pat00003
상기 화학식 1에서,
상기 x 및 y는, 각각 독립적으로 1 이상의 정수이고;
상기 R은 카르복실기를 포함하는 화합물이다.
상기 카르복실기를 포함하는 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 R1 내지 R10으로부터 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00004
이하 본 발명에 따르는 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
1. 일반 사항
모든 용매는 HPLC 등급으로 얻어졌으며, 사용되어진 PEG 6000, 20000은 sigma aldrich에서 구매하였다. 카르복실산 기질들은 TCI와 Alfa에서 구매하였고, 사용되어진 시약들은 추가적인 정제과정 없이 사용되었다. 모든 반응은 4 mL 갈색 바이알에서 수행되었다.
2. 실험 기기
1H-NMR 스펙트럼은 전북대학교 화학과에서 400 MHz Bruker Avance Fourier transform nmr spectrometer로 측정했다. 겔 투과 크로마토그래피 (GPC)는 Waters 2414 시차 굴절률 검출기, Waters 1515 등용매 펌프 및 Shodex 컬럼이 있는 컬럼 가열 모듈로 구성되었으며 상대 수 평균 분자량 (Mn)과 중량 평균 분자량 (Mw)을 결정한다. HK-컬럼 (HK-404L, HK-403)은 40℃에서 0.5 mL/mind으로 HPLC 등급 tetra-hydrofuran (THF) 용리 되었고 16 개의 monodispersed polystyrene standards (Alfa Aesar)을 사용하여 검량선을 얻었고, LF-컬럼 (LF-804)은 40℃에서 1.0 mL/min으로 HPLC 등급 N-Dimethylformamide (DMF)와 LiBr(1 L/1 g)로 혼합되어진 용매에 용리되었고, 12 개의 monodispersed poly ethylene oxide standard (Agilent)을 사용하여 검량선을 얻었다.
3. 카르복실산의 도입을 통한 기능성 PEG의 합성
Poly[(Ethylene Glycol-co-Acyloxylated Ethylene Glycol)]의 일반적인 합성 절차로, 그 과정을 하기 반응식 1에 나타내었다.
[반응식 1]
Figure pat00005
4 mL 갈색 바이알에 PEG 0.4403 g(10 mmol), carboxylic acid (0.5 mmol), tetra-butyl ammonium iodide 0.0369 g(20 mol%), Ethyl acetate 2 mL, TBHP(Tert-butyl hydrogen peroxide) 5.5 M in decane 60 uL (0.35 mmol) 넣고 5 분간 아르곤 가스로 치환해주며 교반한다. 이후에 80℃에서 5 시간 동안 반응시켰다. 반응이 끝난 후 상온에서 반응기를 식혀준다. dibrmomethane 35 uL (0.5 mmol)을 넣고 1H-NMR을 이용해 전환률을 측정하였다. 20 mL 바이알에 diethyl ether 또는 hexane을 15 mL 첨가하고, 그곳에 생성물을 침전 잡아 정제한다. 이후에 1 kD 삼투 막, Ethyl alcohol 500 mL를 이용해 6 시간 두 번 정제한다. 불순물을 완전히 제거하고, 25℃ 진공 오븐에서 건조하여 하얀색 고체를 얻는다. 생성물은 -30℃ 냉동고에 보관한다.
실험예 1: 최적화 실험(PEG 6k)
Figure pat00006
시작 조건은 Xiaobing Wan 그룹에서 보고되어진 논문[Long Chen, Hong Li, Xiaobing Wan. Bu4NI-Catalyzed C-O Bond Formation by Using a Cross-Dehydrogenative Coupling (CDC) Reaction. Chem. Eur. J. 2011, 17, 4085-4089]과 동일하다. PEG 6k를 사용한 최적의 조건을 찾기 위한 시작 조건에서는 분자량이 크게 감소하는 경향을 보였다. 산화제로써 사용되는 TBHP를 60 uL(0.35 mmol)로 줄여 공기 중 에서 반응 진행했다. NMR 전환률은 25%이고 분자량은 변화가 없었다(표 1, Entry 1). 공기 중 에서의 반응은 전환률이 낮아서 Entry 2 에서는 Entry 1과 동일한 조건에서 아르곤 가스 대기 하에 진행했다. NMR 전환률은 34%이고 분자량은 약간 증가 했다(Entry 2). Entry 2에서 시간을 늘려 12 시간 동안 반응 진행했다. NMR 전환률은 39% 이고, 분자량은 약간 감소했다(Entry 3). TBAI 또는 benzoic acid의 당량을 늘릴 경우, 분자량 또는 분율이 감소했다(Entry 5, 6). TBHP의 당량을 0.35 mmol에서 0.70 mmol로 늘릴 경우, 약간의 분자량 감소와 함께 가장 높은 NMR 전환률 67%를 보였다(Entry 4).
실험예 2: 최적화 실험(PEG 20k)
Figure pat00007
다양한 분자량의 PEG에 적용을 위해, 더 높은 분자량인 PEG 20k를 이용하여 동일하게 실험을 진행했다. 결과적으로, NMR 전환률은 PEG 6k와 차이가 없었지만, 분자량은 대부분 감소하는 경향을 보였다. 분자량 감소가 가장 작았던 조건은 Entry 1이고, 분자량이 가장 많이 감소한 조건은 Entry 2 였다. 결과적으로 분자량 유지를 위한 최적의 조건은 표 2의 Entry 1 이였다. 높은 NMR 전환률(76%)을 얻기 위해서는 약간의 분자량의 감소를 수반하는 결과를 보였다(Entry 2). 표 2의 Entry 1과 2 조건을 선택하여 여러 가지 작용기를 가진 카르복실산을 도입하는 실험을 진행하여 하기에 나타내었다.
실험예 3: 다양한 카르복실산의 도입
하기 표 3을 참조하면, PEG 6k를 이용하여 9 개의 카르복실산을 도입을 시도하였다. 3 가지 종류의 카르복실산 elctron donating group(EDG)와 electron withdrawing group(EWG), heter℃ycle group를 사용하였다. 이 실험에서 카르복실산 기능기의 전자적인 환경에 따른 NMR 전환률 및 분자량 변화의 경향성을 확인했다. EDG를 가진 카르복실산은 대부분 높은 전환률과 분자량 유지를 보였다. 하지만, EWG를 가진 카르복실산의 경우에는 낮은 전환률을 보였다.
Figure pat00008
동일하게 더 높은 분자량은 가진 PEG 20k를 이용하여 여러 종류의 카르복실산의 도입을 시도하였다(표 4 및 5 참조). NMR 전환률은 아주 약간의 증가와 함께 대부분 비슷한 경향성을 보였다. 하지만, 모든 개질의 경우에서 분자량은 약간의 감소를 보였다(표 4). 추가로, 반응의 전환률을 증가시키기 위해 TBHP를 두 배 추가하여 진행하였다. (표 5) 반응의 NMR 전환률은 대부분 경우에서 2 배 정도 증가했다. 카르복실산의 전자적인 환경에 따른 경향성은 이전과 동일했다. 하지만 분자량의 감소 정도는 이전에 비해서 더욱 증가했고 최대 18.7 k(Mn)에서 8.2 k(Mn)로 감소하였다. 표 5 의 조건에서 카르복실산의 양을 두 배로 하여 진행했을 경우 전환률은 표 3 과 비슷했지만 모든 종류의 카르복실산에서 큰 분자량의 감소가 이루어졌다(표 6).
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
결과적으로 PEG에 카르복실산은 최대 4.4%의 분율로 도입되었다. 하나의 고분자에 더 많은 카르복실산을 도입하기 위하여, 가설을 세웠다. PEG의 하나의 구조 단위체에는 두 개의 활성 자리가 있다. 이 두 활성 자리는 가깝게 위치하여 하나의 카르복실산이 도입될 경우 옆의 활성 자리에 구조적인 방해가 있을 것이라 예상했고 더 긴 형태의 Poly (ether)를 사용할 경우, 더 많은 카르복실산이 도입될 것이라 기대했다. 이번 실험에서는 PEG 보다 더 긴 주 사슬을 가진 Poly (ether) 형태의 고분자 Poly (THF)를 사용하여 더 많은 카르복실산의 도입을 시도했다(표 7). 표 7 에서의 entry 3,5 및 4,6는 동일한 조건이다. 앞에서 예상했던 결과처럼, 동일한 조건에서 PTHF는 PEG에 비해 더 높은 분율과 분자량 조절 능력을 보여주었다. 하지만, PTHF의 경우 정제과정에서 불안정한 아세탈 구조로 인해 분해가 일어나는 것을 확인했다.
Figure pat00012
실험예 4: PEG에 카르복실산 형태의 유도체의 도입 증명
마지막으로, 이번 연구에서 PEG에 카르복실산 형태의 유도체의 도입은 1H NMR(도 2의 a)과 IR spectra(도 2의 b)를 이용하여 증명하였다. 1H NMR 6.24, 6.23, 6.21 ppm triplet으로 1 개의 생성물로서 새로운 피크가 나타났다. 또한, IR spectra에서는 1720 cm-1에서 portion에 따른 C=O stretching peak가 증가함을 보였다.
결론
기존에 기능성 PEG를 합성하기 위한 방법은 한계점이 명확하다. 기능성 단분자의 범위의 제한 및 중합 반응성의 예측이 어렵다. 또한, -OH 말단을 기능화 할 경우, 사슬 당 기능기의 수는 1~2 개로 현저히 적다.
한계점을 해결하기 위해, 기초 고분자에 원하는 작용기를 직접 사슬에 도입하는 전략이 필요했다. 본 발명을 통해, 9 가지 종류의 카르복실산을 PEG에 직접 도입하는데 성공했다. 도입하는 과정에서 사슬 당 기능기 수의 증가에 따른 분자량 감소가 이루어졌다. 하지만, 이를 최소화하여 온화한 조건에서 반응 개발을 시도하였고 성공적으로 수행했다. 반응물로 사용되는 PEG의 분자량이 클수록, 분자량 감소는 증가했다. PEG 6000에서 가장 온화한 조건을 보였다. 최대 4~5% 기능기가 도입되었다. 전자 주개 기능기를 도입했을 경우 높은 NMR 전환률을 보였다. 하지만 전자 끌개 기능기를 도입할 경우, 낮은 NMR 전환률을 보였다. 분율을 증가시키기 위해서는 TBHP의 양을 증가시켜야 했다. 카르복실산의 양을 늘린다고 해서, 분율을 증가하지 않고 오히려 감소하는 경우가 발생했다. 추가로, PEG 뿐만 아니라 동일한 Poly (ether) 형태의 고분자인 PTHF의 기능기 도입을 시도하였다. 동일한 조건에서 PTHF는 PEG에 비해 높은 분율과 분자량 조절 능력을 보여주었다.
PEG는 이미 많은 산업 분야에서 필수적인 재료로서 사용되고 있다. 본 발명으로부터의 기능성 PEG의 새로운 합성으로써 활용 범위를 획기적으로 넓히며, PEG의 부가가치를 높일 수 있는 확장의 기초가 될 것이다. 특히, 본 발명으로부터 생리활성 및 광학성질을 가지는 헤테로고리 화합물의 도입은 어렵지 않게 수행 할 수 있었다. 더 나아가 약리 활성 분자 또는 다양한 종류의 기능기를 도입하여 의약, 화장품 및 배터리 산업에 유용하게 사용될 것이다.

Claims (9)

  1. 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol, PEG), 기능기 도입 물질, 산화제, 아이오딘 소스(Iodine source) 및 에틸아세테이트(Ethyl acetate)를 혼합하여 교반하는 단계;
    상기 혼합물을 50 내지 100℃에서 3 내지 7 시간 반응시키는 단계;
    상기 반응이 끝난 후, 추출 용매를 이용하여 생성물을 침전시켜 정제하는 단계; 및,
    상기 정제된 물질을 건조하여 기능성 폴리에틸렌글리콜을 제조하는 단계를 포함하는 중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴리에틸렌글리콜의 주 사슬에 기능기를 도입하는 것을 특징으로 하는 중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기능기 도입 물질은 카르복실기를 갖는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 아이오딘 소스는 테트라부틸암모늄 아이오다이드(Tetra-butylammonium iodide, TBAI)인 것을 특징으로 하는 중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화제는 Tert-부틸 하이드로퍼옥사이드(Tert-butyl hydroperoxide, TBHP)인 것을 특징으로 하는 중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 교반은 아르곤 가스로 치환해주며 수행하는 것을 특징으로 하는 중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 추출 용매는 알코올류, 에틸에테르(ethyl ether), n-헥산 및 톨루엔과 같은 탄화수소 계열의 유기 용매 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 중합 후 변성법을 이용한 기능성 폴리에틸렌글리콜의 합성방법.
  8. 폴리에틸렌글리콜의 주 사슬에 기능기가 도입되고,
    하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 기능성 폴리에틸렌글리콜.
    [화학식 1]
    Figure pat00013

    상기 화학식 1에서,
    상기 x 및 y는, 각각 독립적으로 1 이상의 정수이고;
    상기 R은 카르복실기를 포함하는 화합물이다.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 카르복실기를 포함하는 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 R1 내지 R10으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 기능성 폴리에틸렌글리콜.
    [화학식 2]
    Figure pat00014
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