제 3 장   키틴 유도체의 조제, 구조 및 성질

키틴, 키토산의 응용

(키틴, 키토산 연구회 編)

C    C    R    C

3. 키틴 유도체의 조제, 구조 및 성질

3. 1  서론

키틴은 구조적으로 셀룰로오스와 유사하지만 아미노다당이므로 셀룰로오스와 다르며, 그것과 다른 이용 개발이 가능하여 새로운 타입의 기능성 소재로써 높은 가능성을 간직하고 있다고 생각된다.

키틴의 이용이 늦어진 것은 불용·불융 이라고 하는 취급하기 어려운 점이 제일 큰 원인이었다. 그래서, 키틴에 각종 수식을 하여 그것의 특성을 끌어내는 시도가 성행하게 되었다. 단백을 함유한 다른 천연 고분자에 관해서도 화학수식에 의해 그것의 특이한 기능을 높였고, 본래 갖고있지 않은 기능을 부여하는 시도가 많이 이루어졌던 것이 최근의 현저한 동향이다. 그러나, 특히, 다당에 있어서는 복잡한 구조와 많은 관능기가 있어서 위치 특이적인 반응에는 어려움이 따르는 것이 통례이다. 그래서, 제어된 수식에 의해 여러 종류의 관능기를 유효하게 사용할 수 있게 하기 위해서는 다당의 고분자 소재로써의 가치는 더욱 높이는 것을 간과해서는 안된다. 키틴의 경우는 아미노기의 높은 반응성 때문에 화학수식을 위치 선택적으로 또한, 효율적으로 진행시키는 가능성을 갖고 있다. 더욱이 그 아미노기의 존재를 충분히 활용한 화학수식의 새로운 방법의 개발이 시급하며, 그것의 진보에 의해 고차원적인 기능 발현을 위한 분자설계도 용이하게 된다.

키틴 뿐만이 아니라 복잡한 구조를 가진 다당의 화학수식에 있어서 커다란 문제는 생성되는 유도체의 구조해석이다. 그러나, NMR, IR을 시작으로하는 최신 기기를 이용한 구조해석법의 진보에 의해, 최근에는 구조와 성질에 대하여 상당히 정량적인 의논이 가능하게 되었다. 그 결과, 고도의 기능화를 지향한 유도체의 조제가 점점 주목을 받게 되었다.

본 장 에서는, 키틴에 대한 몇 가지 대표적인 수식반응을 기재하고 유도체의 구조 및 기능 발현을 중심으로 최근의 동향을 개괄한다. 다른 총설도 참조하기 바란다.

3. 2  탈아세틸화 반응

키틴 분말을 농알칼리 중에서 가열하면, 아세트아마이드기의 가수분해가 일어나 유리 아미노기를 가진 키토산이 생성된다. 완전한 탈아세틸화는 곤란함이 따르지만 알칼리 처리와 세정을 반복함으로써 달성 할 수 있다.

키토산은 산성 수용액에는 염이되어 용해되어 폴리카치온으로 되므로 수처리의 응집제로써 이용되며, 상세한 조건의 검토가 이루어지고 있다. 응집시키는 대상에 의해서는 합성계인 폴리카치온 보다도 우수한 성능을 나타내며 독성도 낮다. 응집작용에는 분자량 의존성이 있으며, 일반적으로는 고분자량의 경우가 좋니만, 대상에 따라서는 반대의 것도 있다.

키토산에 관해서는 수 많은 연구가 행하여져 오고 있지만, 탈아세틸화 과정 및 그것들의 중간에 위치하는 부분 탈 아세틸화 키틴에 대해서는 최근 관심이 모아졌다. 키틴 분말을 이용하여 불균일계에서 탈아세틸화하면 농알칼리 중에서는 고도로 탈아세틸화 시킬 수가 있다. 그러나, 알칼리 농도가 낮으면 어느정도 이상은 반응이 진행되지 않는다. 이에 반해, 키틴을 알칼리 수용액에 녹인 균일계에서 반응을 하면, 스무스하게 아세틸기를 제거할 수 잇다. 이때, 약 45∼55%의 탈아세틸화도를 가진 샘플은 수용성르 나타내는 것이 발견되었다(표-3. 1). 탈아세틸화도가 이보다 낮거나 높아도 용해성은 급격하게 저하된다. 또한, 상기의 불균일계의 반응에서는 탈아세틸화가 주쇄를 따라서 블록하게 일어나는 것에 비해, 균일계에서는 랜덤하게 일어나므로 친수성이 크게 향상된다고 생각된다.

표- 3. 1  균일 수용액 중에서의 키틴의 탈아세틸화

반응시간 (시간)	탈아세틸화도* (%)	부분 탈아세틸화 키틴의 수용성
0 5 29 53 71 111 240 580	15 32 40 48 55 63 76 88	- ± ± + + ± ± ±

(주) 1. NaOH 농도 : 10%, 키틴 농도 : 1%, 반응온도 : 25℃

2. + 가용    ± 팽윤    - 불용

* 가수분해법 또는  적정법으로 결정

여기에서 생성된 수용성 키틴은 중성의 물에 녹는 수용성 유도체로써 가종 이용이 고려됨은 물론이고, 종래 곤란했던 화학수식을 균일계에서 행하는 것을 가능하게 하였다. 또한, 흡습성, 보습성이 우수하므로, 식품공업에 있어서 응용이나 화장품의 첨가제로써의 이용을 시작으로 하는 많은 용도가 생각된다.

탈아세틸화의 진행과 금속이온 흡착거동의 관련이 조사되엇는데, 불균일계에서 조제된 샘플에서는 탈아세틸화와 함께 즉, 아미노기의 함량이 증가함에 따라 흡착능은 올라갔다(그림-3. 1). 銅에 비해, 수은은 더욱 효율적으로 포접되는데 특히, 탈아세틸화도가 낮은 샘플은 상당한 선택성이 있다. 균일계에서 조제된 샘플은 약 50%의 탈아세틸화도에서 흡착 최대치를 나타내었다(그림-3. 2).

탈아세틸화도(%)                             탈아세틸화도(%)

그림-3. 1  불균일계에서 탈아세틸화한     그림-3. 2  균일계에서 탈아세틸화한

샘플의 금속 흡착성                       샘플의 금속 흡착성

(키틴 50□ : 금속염화물 5×10-4M, 25□)      (키틴 50□ : 금속염화물 5×10-4M, 25□)

3. 3  아실화, 카바모일화 반응

키틴은 분자간의 수소결합이 강하므로, 일반적인 용매에 불용이며, 셀룰로오스에 비해서도 반응은 느리다. 키토산의 아미노기에 각종 아실기를 도입한 샘플을 이용하여, 수산기를 아세틸화하는 속도가 조사되었다. 그 결과, 예상했던 것처럼 N-아세틸화 키토산 즉, 키틴에 대응되는 물질의 반응성이 제일 낮았고, C4 나 C6 등의 커다란 기를 가진 유도체에 비하면 현저한 차이가 인식되었다(그림-3. 3).

그림-3. 3  N-아실화 키토산의 아세틸화

이러한 것은 키틴의 분자간 수소결합의 세기를 나타내는 것이다. 이러한 고체상 키틴의 반응성의 낮음에 기초하여 문제를 해결하는 데에는 키틴을 용해 또는 팽윤 시키는 것이 반드시 필요하며 이를 위해서 용매계의 탐색이 활발하게 이루어지고 있다.

디메칠아세트아마이드(DMAc)나 N-메칠피로리돈(NMP)에 5∼8% 정도의 염화리튬을 녹인 것은 키틴의 용매로써 우수하다고 보고되었다. 또한, 각각의 단독보다도 DMAc와 NMP의 혼합계에 LiCl을 가한 경우가 더욱 높은 용해력을 나타내었다.

이들 용매계에 의해 아실화 반응을 용액 중에서 행하는 것이 가능한데, 그 예로써 서방성 농약의 조제가 있다. 즉, 산 클로라이드 또는 이소시아네이트와의 반응에 의해 키틴에 농약성분이 도입된다. 이들의 유도체는 물에 의해 가수분해되어 서서히 농약성분이 방출된다.

강한 산성이지만, 트리클로로초산과 1,2-디클로로에탄의 혼합용매도 키틴을 용해시킨다. 무수초산을 이용한 아세틸화 반응이 완화한 조건하에서 스무스하게 진행되므로 새로운 용매계로써 주목된다.

메탄설폰산 중에서 키틴에 산 무수물이나 산클로라이드를 작용시킴으로써 각종 유도체가 조제 될 수 있다. 이 용매는 키틴에 대하여 상당한 용해력을 갖는데, 아실화 반응이 진행되면 더욱 녹기 쉽게 되므로 균일 용액을 넣어준다. 이 방법으로 조제한 높은 벤조일화도를 가진 생성물은 유기 용매에 가용하게 되며, DMSO 중에서 얻은 생성물 보다도 우수한 용해성을 나타낸다. 키토산에 항 종양 활성이 관찰되었는데, 벤조일화 키토산은 백혈병 L1210 세포를 응집시키는 힘이 10배나 크다. 이처럼 활성을 화학수식으로 더욱 증대시킬 수 있는 가능성은 흥미 깊다. 부타노일화한 키틴의 막은 높은 산소 투과성을 갖고 있어서 콘택트렌즈의 소재로써 이용될 가능성도 시사되었다. 그러나, 이 용매는 매우 강한 산성을 나타내므로 키틴 주쇄의 분해에 의한 분자량 저하를 가져온다고 생각되는데, 목적으로 하는 반응에 의해서는 유효하게 이용될 것이다.

前記한 수용성 키틴을 이용하면 중성의 수용액 중에서 또는, 그것의 수용액을 유기 용매 중에 주입하여 생성되는 고도로 팽윤된 침전을 이용함으로써 많은 수식 반응을 스무스하게 진행시킬 수 있다. 이 방법에서 트리메릿트산이나 피로메릿트산의 무수물을 이용하여 아실화한 후 가열 개환시키면 이미드화된다. 여기에서 도입된 카르복실기나 산무수물기는 더욱 다음 단계의 수식에 이용할 수 있다.

키토산의 팽윤 활성 겔을 이용하면 장쇄 아실기도 쉽게 도입된다. C9의 노나노일클로라이드로 아실화하고, 그 유도체의 아실화도와 銅 이온 흡착능의 관계를 조사하였다. 그 결과, 그림-3. 4에 나타내었듯이 노나노일기를 약간 도입하면 흡착능은 급격히 상승하여 키토산보다 상당히 높은 수치를 나타내었다. 그러나, 치환도를 높이면 다시 흡착능은 감소되어 키토산 보다도 낮은 수치가 된다. 이것은 소량의 장쇄 아실기의 도입으로 키토산의 결정구조가 효과적으로 파괴되었기 때문인 것으로 해석된다. 치환도가 더욱 상승하면 흡착능이 저하되는 것은 소수(疎水)적 환경이 되기 때문일 것이다. 아세틸화에서도 비슷한 경향이 관찰되는데, 장쇄의 노나노일기의 경우가 보다 현저한 효과를 갖는 점으로부터 흡착제의 고성능화가 고려된다.

키토산을 고도로 팽윤시켜서, 랜덤하게 약 50% 아세틸화 시킴으로써 3. 2에서 서술한 수용성 키틴을 조제할 수 있다. 이 방법은 키틴의 탈아세틸화에 의한 前記의 방법보다도 훨씬 간단하며 특히, 수용성 키틴을 다량으로 조제할 경우 등은 메릿트가 크다.

수용성 키틴 또는 키토산을 유기용매 중에서 고도로 팽윤시키고 여기에 니코틴산무수물을 가하면 유리아미노기가 니코티노일화된다. 다음으로, 피리딘 핵(核)을 4급화한 후 환원하면 보효소 NADH의 활성 부위가 고정되게된다. 이 키틴 고정화 NADH를 이용하여 에틸벤조일포르메이트를 환원시키면, 높은 광학 수율로 不齊 환원을 행할 수 있다. 높은 不齊 선택성은 키틴 주쇄의 不齊場의 영향에 의해 달성되는 것으로 생각되며, 고분자 부제 환원시약으로써 기대된다.

골격의 부제장을 이용한 흡착분리로써는 키토산 유도체를 HPLC용의 충진제로써 이용한 광학분해가 있다. 즉, 키토산이나 셀룰로오스 등의 다당을 페닐이소시아네이트로 3치환체로한 것을 실리카겔에 코팅하고 HPLC를 이용하여 라세미 혼합물의 용액을 흘리면 각각의 광학 이성체에 상당하는 피크가 관찰된다. N-아실화키토산에의한 D-, L-트립토판의 선택적 흡착도 보고되었는데, 아실기의 길이에 의해 그것의 선택성이 다르다. 흡착의 특이성을 개발시킨 예로써, 간염인 면역 글로블린 및 콘카나바린A 등을 고정화한 어피니티크로마토그라피용의 흡착제가 있다.

키토산은 초산 수용액에 용해되므로 아실화 반응도 하기 쉽다. 키토산의 희초산/메탄올 용액에 산무수물을 가하면 아실화되는데, 그것의 진행에 따라 용해성이 감소되므로 系는 겔화 될 경우가 많다. 키토산의 수용액과 무수초산의 톨루엔 용액을 교반하면 아세틸화에의해 다공성의 미소 비드가 생성된다. 이러한 것은 모레큐러시브로써 유용하며, 각종 분자량을 가진 덱스트란을 분획할 수 있다. 디이소시아네이트를 이용하여 가교 비드로 한 것은, 크로마토그라피나 세포 배양에 유효할 것이다.

피리딘/클로로포름 중에서 가열하면서 키토산에 장쇄 산클로라이드를 충분히 반응시키면 고도로 아실화할 수 있다. 치환도 3인 것뿐만이 아니라 아미노기가 디아실화된 치환도 4의 유도체도 조제할 수 있다. 고 치환도가 되면 용해성이 향상되어 클로로포름과 같은 일반 유기용매에 가용하게된다.

아미노산의 N-카르복시무수물(NCA)은 아미노기에 의한 개환 중합에 의해, 폴리펩티드를 나타낸다. 또한, 키틴의 아미노기를 중합 개시점으로써 이용한다면 아실화에의한 아미노산의 그라프트 중합이 가능해 진다. 아미노산 NCA는 불안정한 화합물이며 특히, 물에 대해 민감하여 가수분해된기 쉽다. 그러나, 수용성 키틴의 수용액을 NCA인 초산에틸로 처리하면 매우 높은 그라프트 효율로 재현성 좋게 키틴에 폴리펩티드를 그라프트 할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 폴리펩티드 측쇄 길이의 제어도 용이하다. 측쇄는 어느 정도 이상 길어지면 헬릭스 구조를 취한다. 이 때문에, 생성된 키틴/폴리펩티드 복합체의 특성은 폴리펩티드 측쇄의 길이에 크게 의존한다. 유기용매에 대한 친화성 및 막의 투과성은 특히 그 의존성이 높다. 측쇄 중의 에스테르 결합을 가수분해하여 카르복실레이트로한 유도체는 수용성을 나타낸다. 비슷한 그라프트 중합이 디메칠설퍼옥시드(DMSO) 중에서 키토산을 이용해도 가능하다.

환상 에스테르인 락톤으로 키토산을 아실화하는 것도 가능하다. 즉, 분말상의 키토산에 DMSO 중에서 □-부틸로락톤을 가하여 가열하면 아미노기에 의해 개환된다. 생성물은 높은 흡습성을 나타낸다.

아실화 유도체는 섬유나 막으로 형성될 수 있으므로 투석막, 한외여과막으로써의 응용이 고려된다. 각종 아실화 키틴 또는 아실화 키토산의 생체 적합성도 평가되었다.

3. 4  알데히드, 케톤류와의 반응

유리의 아미노기와 알데히드와의 반응에 의해 쉿프 염기가 생성되는데, 이 반응은 가역적이며, 희산으로 처리하면 원래의 아미노기로 돌아갈 수 있으므로 키토산의 아미노기를 보호 할 목적으로 이용할 수 있다.

키토산의 쉿프염기 유도체는 우수한 킬레이트화능을 나타낸다. 예를 들어, 살리실알데히드(salicylaldehide)로 부터의 유도체는 키토산 보다도 우수한 銅 이온 흡착능을 나타낸다. 이 C=N을 환원하여 C-N으로 하면, 흡착능은 더욱 향상된다.

표-3. 2  당 측쇄를 가진 키토산의 조제와 용해성

당	당(mol)	반응시간 (시간)	치환도	용해성*
	-NH2(mol)
D-글루코오스	3	8	0.9	2
글루코오스아민	7.8	48	0.67	2
갈락토스	2.22	4	0.97	2
락토스	1.17	10	0.25	1, 2
〃	1.54	144	0.80	1, 2
〃	4	96	0.95	1, 2
셀로비오스	2.20	36	0.3	1, 2
말토스	1.7	30	0.6	1
말토트리오스	1.78	456	0.14	1
〃	4.16	144	0.54	1
프룩토스	16.7	72	0.7	2
덱스트란	0.17	40	0.15	1

이 반응의 응용에서 중요한 것은 NaBH3CN 등의 환원제의 존재 하에서 환원당을 키토산에 반응시키면 일단계의 반응에서 당 측쇄를 키틴에 도입할 수 있다. 표-3. 2에 대표적인 결과를 정리하였다. 이들 중 상당수는 수용성을 나타내며, 새로운 타입의 수용성 다당으로써 주목받는데 그치지 않고, 수용액은 높은 점도를 갖고 있어서 용액 물성에도 관심이 모아지고 있다. 예를 들어, 락토스로부터의 유도체 수용액은 전단속도가 낮으면 뉴튼 유동을 하지만 어느 정도 높아지면 점도의 증가가 나타나 다이락턴트 유동이 된다. 더욱 더 전단 속도가 높아지면 급격한 점도 저하가 일어나 의사 소성(塑性)을 나타내는 특이한 점도 거동이 보고되었다. 겔의 구조도 조사하였다.

또한, 글루코오스, 말토스, 말토트리오스로부터 생성된 측쇄 길이가 다른 유도체에 있어서는 가장 짧은 측쇄를 가진 글루코스 유도체가 가장 높은 점도를 나타내었다. 전단속도를 크게 해 보면, 제일 긴 측쇄의 말토트리오스 유도체의 점도저하가 급격한 것에 비해 다른 유도체에서는 완만한 저하만이 관찰되었다. 곁 가지가 있는 구조를 가진 다당의 성질은 흥미 깊다. 금후의 전개가 기대된다.

아스코르빈산의 완화한 산화로 얻어진 데하이드로아스코르빈산의 카르보닐기를 키토산의 아미노기와 반응시켜서 쉿프염기로 한 후, 환원하면 유사한 타입의 유도체가 얻어진다. 이 유도체는, 우라늄에 대해서 높은 흡착성을 나타내는 것이 발견되었다. 또한, □-케토글루탈산과의 반응에 있어서도, 같은 처리에 의해 카르복실기를 2개 도입할 수 있다. 금속 이온의 흡착제로써 우수하다.

장쇄의  지방족 알데히드를 수용성 키틴 및 키토산에 반응시켜, 알킬리덴기가 성질에 미치는 영향을 조사하였다. 열분석의 결과, 키토산과 데카날로부터의 유도체는 글라스 전이점을 나타내며, 이러한 강직한 구조의 다당에서도 적당한 측쇄의 동입에 의해 글라스 전이 현상이 발현되는 것을 발견하였다.

그림-3. 5  가교 샘플(50□)에 의한 Cu2+

(5×10-4M, 25□)의 흡착

글루타르알데히드에 의한 키토산의 처리는 효소의 고정화에 있어서 일반적으로 이용된다. 이 알데히드를 소량 이용하면, 수용성 키틴 및 키토산을 효과적으로 가교시킬 수 있다. 이것에 의해 산성 수용액 중에서도 불용성의 흡착제로써 사용할 수 있게 됨은 물론이고, 금속이온의 흡착능을 상당히 향상시킬 수가 있다. 그러나, 가교의 정도가 높아지면 흡착능은 저하되므로, 고성능화에는 약간의 가교가 유효하다(그림-3.5).

3. 5  알킬화 반응

알칼리 조건 하에서 할로겐화 알킬과 반응시키면 알킬화 키틴이 얻어진다. 그러나, 이 분야에서 널리 이용되는 것은 에폭시 화합물에 의한 수식으로 특히, 에칠렌옥사이드에 의한 하이드록시에칠화가 가장 일반적이다.

알칼리 키틴 수용액을 이용하면 에칠렌옥사이드와의 반응은 쉽게 이루어진다. 단, 에칠렌옥사이드가 1mol만 수산기에 개환 부가되는 것만은 아니다. 셀룰로오스의 경우처럼, 에칠렌옥사이드의 중합도가 낮은 올리고머가 붙어있다고 생각하는 것이 자연스러울 것이다. 또한, 2번의 아세트아마이드기의 가수분해에 의한 유리 아미노기의 생성도 동시에 일어난다.

여기에서 얻어진 하이드록시에칠 키틴(글리콜 키틴)은, 중성의 물에 녹는 키틴 유도체로써 유용하여, 키틴 분해효소의 활성 평가용의 기질로써 널리 사용되고 있다. 특히, 치환도 0.3∼0.8의 유도체는 분해되기 쉬워서 이요가치도 높다. 그림-3.6에 지금까지 하이드록시알킬화에 사용된 화합물을 정리하였다.

키토산과 에칠렌옥사이드와의 관계 또는 하이드록시에칠 키틴의 알칼리 가수분해에 의해  하이드록시에칠 키토산이 된다. 하이드록시알킬 키토산의 막은 높은 투수성(透水性)과 식염 배제율을 나타내어, 해수의 담수화를 위한 역삼투막으로써 사용될 것이다.

키토산을 글리시돌이나 프로필렌옥사이드로 처리하면 주로 아미노기에 대한 부가 반응이 진행된다. 생성물은 수용성을 나타내므로 화장품의 첨가 성분으로써 흥미가 모아지고 있다.

알칼리 키틴, 키토산에 유기용매를 이용하여 프로판살톤을 반응시키면, 설퍼프로필기가 도입된다. 이들 유도체의 화장품에의 응용이 검토되었다. 또한, 키틴 잔테이트에 프로판살톤을 작용시킨 예도 있다.

그림-3. 6  하이드록시  알킬화劑

알칼리 조건하에서 디메칠아미노에칠클로라이드를 반응시키면 키틴을 디에칠아미노에칠(DEAE)化 할 수 있다. 유기용매 중에서도 가능한데, 알칼리 수용액을  이용하는 쪽이 높은 치환도가 쉽게 달성된다. 또한, 수용액 중의 반응에서 얻어진 DEAE-키틴의 경우가 높은 용해성을 나타낸다. 특히, 치환도가 0.5 이상인 것은 수용성을 나타내는데 그치지 않고, 벤젠이나  클로로포름과 같은 보통의 비극성 유기용매 중에서도 고도로 팽윤된다.

키토산에 알킬알데히드를 반응시킨 후에 생성된 C=N 결합을 환원하는 방법으로 아미노기만을 선택적으로 알킬화 할 수 있다. 이 유도체는 물에 팽윤된다. 또한, 동, 수은, 납 이온에 대하여 높은 흡착능을 나타내며, 흡착량은 2∼6중량% 이다.

3. 6  4급 암모니움화 반응

키토산은 산의 작용에 의해 쉽게 4급 암모니움염이 된다. 이 때문에, 數% 정도의 초산 수용액 등에 잘 용해된다. 용해성은 산의 종류에 의존한다. 키토산을 미리 염으로 만들 경우는 염의 용해성이나 안전성 등의 점으로부터 포름산, 피루빈산, 젖산 등이 사용하기 쉽다.

키토산의 희산 수용액은 수처리의 응집제로써 사용되고 있다(전술). 이외에, 키토산과 유기산으로 된 염은 화장품의 분야에서도 흥미가 모아지고 있으며, 필름狀으로 했을 때의 흡습성, 편리함 등이 평가되었다. 표-3. 3에 필름을 상대습도 35%부터 70%의 환경으로 바꾸어, 그 중량 증가로 표시한 흡습성을 나타내었는데, 이 성질은 산 성분에 크게 의존한다. 이들 염의 필름은 비점착성으로 정전기도 대전하지 않아서 정발제 등의 분야에서 유효한 성분으로써 이용될 것이다.

표-3. 3  키토산염 필름의 흡습성

산 성분	흡습성* (%)
L-글루타민산	17.9
DL-젖산	17.6
포름산	13.8
아지핀산	7.7
안식향산	6.5
페닐초산	4.4
살리칠산	2.6
L-아스파라긴산	1.4
P-아미노안식향산	0.7

그림-3. 7  NaI 존재 하에서의 키토산의

N-트리메칠화

상기의 키토산염 이외에는, 키토산의 아미노기를 트리메칠화한 N-트리메칠 유도체가 널리 알려져 있다. 과잉의 요오드화메칠과 수산화나트륨으로 트리메칠화 할 수 있는데 최근, 이 반응이 상세하게 조사되어, 요오드화나트륨을 첨가하는 것이 유효하다고 보고되었다. 그러나, 그림-3.7에서 밝혀졌듯이, 좋은 조건에서 반응을 해도 4급화도의 상승은 반응이 진행됨에 따라 일정하게 되어 치환도는 0.64 정도가 상한이다. NMR을 이용한 생성물의 상세한 구조해석도 이루어 졌다.

키토산에 포름알데히드를 반응시킨 후에 환원하여, N,N-디메칠체로 만드는 방법이 보고되었다. 여기에 요오드화메칠을 작용시키면, 완화한 조건 하에서의 반응으로 N-트리메칠화 유도체를 얻을 수 있다. 이 외에, 요오드화메칠, 요오드화에칠과 유기염기의 조합에 의한 방법, 프로필렌옥사이드로 글리콜화 한 후에 디메칠황산으로 4급화 하는 방법 등이 있다. 이들 유도체는 수용성에 우수한 폴리카치온 이어서 화장품을 시작으로 하는 많은 분야에서의 이용이 고려된다.

글리콜 키토산으로 부터도 똑같이, 대응하는 4급화 암모니움염이 얻어진다. 이들 트리메칠암모니움염은 물에 잘 녹아, 콜로이드 적정에 있어서 폴리카치온으로써 널리 사용되고 있다. 이 염은, 넓은 pH 영역에서 안정한 폴리카치온으로써 거동한다는 점에서 우수하다. 이러한 특성으로부터, 수처리에 있어서도 유효성을 발휘할 것으로 생각된다. 포스파티딜콜린베시클의 응집에 대한 pH 의존성이 논의되었다.

이들 4급 염은 박테리아의 표면과 결합하므로 박테리아 현탁액을 콜로이드 적정 할 수도 있다. 또한, 박테리아 세포를 포접하므로 항균, 살균작용을 나타낸다. 저분자 화합물인 글루코사민이나 그것의 N-트리메칠암모니움염에는 이러한 성질이 보이지 않는다. 그 외에, 효소나 세포에 대한 이들 폴리카치온의 첨가 효과도 조사되었다.

키토산의 아미노기를 직접 4급화 하는 방법 이외에, 4급화 에폭시화합물을 반응 시켜서 측쇄에 도입하는 것도 가능하다. 예를 들어, 글리시딜트리메칠암모니움클로라이드, 및 다른 에폭시 화합물(에칠렌옥사이드, 프로필렌옥사이드, 글리시돌)을 반응 시키면, 4급 암모니움□가 조제된다.

이러한 타입의 4급 염도 수용성을 나타내므로 샴푸에 첨가하면 콘디셔닝 효과가 커지며, 실제로 사용되기 시작했다. 키토산의 유도체는 아미노기를 갖고 있으므로 주쇄와 측쇄 양쪽에 4급 암모니움화 할 수 있다. 또한, 특히, 이 분야에서는 종래부터 사용되어온 카치온화 셀룰로오스보다도 높은 가능성을 간직하고 있다고 생각해도 좋을 것이다.

3. 7  카르복실기의 도입반응

셀룰로오스의 경우와 같이, 키틴도 모노클로로초산에 의해 카르복시메칠화된다. 6번이 우선적으로 반응한다. 이 반응에는 농알칼리를 사용하므로 목적으로 하는 카르복시메칠화와 동시에 탈아세틸화도 일어난다. 이 때문에, 키틴을 출발원료로 해도 상당한 비율의 유리 아미노기도 공존하게 된다. 카르복시메칠화도와 탈아세틸화도는 각각 pH 11 이상, pH 3 이하에서의 콜로이드 적정에 의해 결정된다.

생성된 유도체는 알칼리 영역에서는 카르복실레이트가 되어, 물에 용해된다. 그래서, 키틴 분해효소의 기질로써 이용하면 점도 저하가 관찰되어 효소의 활성 평가가 용이해 진다. 또한, 수용액 중에서의 용액 물성을 조사했을 때, 키틴 주쇄의 강직성 때문에 구조점성의 기여가 크다는 것이 시사되었다.

카르복시메칠키틴은 각종 흡착제로써도 주목받고 있다. 금속이온을 잘 흡착하는데, 칼슘이온에 대한 특이성이 높다. 또한, 에피클로로하이드린으로 가교한 카르복시메칠키토산 또흔 그 아세틸화물의 미립자는 혈액성분의 크로마토그래피에 유효하다. 카르복시메칠키틴의 혈액성분 단백에 대한 흡착 거동도 조사되었는데, 키틴에 비하여 카르복시메칠화도가 높아짐에 따라서 흡착능은 일반적으로 저하된다. 또한, 인공 적혈구의 안정화를 위한 이용으로효과를 높인 예도 있다. 즉, 적혈구 용혈액과 레시틴의 디클로로메탄 용액으로부터 W/O 타입의 에멀젼이 된다. 유기용매를 제거하면 평균 입자경 0.31□의 인공 적혈구가 현탁된 액이 얻어진다. 카르복시메칠화키틴으로 처리함으로써 혈장 단백에 대하여 높은 안정성을 나타내었다. 그 모델을 그림-3.8에 나타내었다.

그림-3. 8  카르복시메칠화 키틴으로 안정화된

인공적혈구 모델

산화반응을 이용하여 6번을 카르복실기로 변환 시킬 수 있다. CrO3로 카르복시메칠화한 키토산은 백혈병 L1210 세포의 성장을 저해한다. NO2로도 산화되며, 생성물은 습윤제로써 화장품에 이용될 수 있다.

키토산에 글리옥살산을 반응시키면 아미노산과 알데히드기와의 반응에 의해 쉿프염기가 생성되는데, 이 이중결합을 환원하면 아미노기만을 선택적으로 카르복시메칠화한 키토산이 얻어진다. 각종 금속이온에 대한 흡착능이 높다.

키토산에 아세토니트림/물을 용매로 해서 □-프로피오락톤을 작용시키면 아미노기가 카르보닐 탄소 뿐만 아니라, □탄소를 공격하여 개환한다. 그 결과, 아미노기가 카르복시에칠화 된다. 이것은 습도에 의존된 인피던스 변화를 나타내므로, 습도 센서에의 이용이 시사되었다.

3. 8  기타의 반응

농 수산화나트륨 수용액 중에서 키틴에 이황화탄소를 작용시키면 셀룰로오스의 경우와 같이 잔테이트화된다. 그것의 도프는 섬유·필름의 성형에 사용되며 또한, 접착제로써도 유용할 것이다.

키토산에 대해서, 농 암모니아수 중에서 이황화탄소를 가하면 아미노기에서 반응이 일어나 카바민산의 암모니움염이 된다. 이 유도체는 킬레이트 수지로써 높은 성능을 나타낸다. 우라늄에 대한 높은 흡착능도 보고되었다.

부분 탈아세틸화 키틴과 이황화탄소의 실온에서의 반응은 3시간째에 평행에 이르렀고, 유리 아미노기의 약 30%에 부가가 일어난다. 생성물은 효소의 고정화에 유효하며, 이황화탄소 처리하지 않은 키틴보다도 우수한 담체가 된다.

표-3. 4  인산화 키틴, 키토산에 의한 금속이온의 흡착

흡착제*1	흡착비(%)*2
	Mg2+	Ca2+	Mn2+	Co2+	Ni2+	Cu2+	Zn2+	Cd2+	UO22+
인산화 키틴 인산화 키토산	11.1 15.3	0.0 12.3	16.7 28.2	10.9 19.7	9.7 17.9	28.3 43.0	14.7 29.8	17.2 37.2	68.4 76.1

(주) *1  50□

*2  50□ 수용액(각 금속이온 농도 : 4×10-4M)

디메칠포름아마이드 중에서, 키틴을 요소 및 인산과 가열함으로써 인산화 할 수 있다. 금속 이온에 대해서 높은 흡착능을 나타내는데, 표-3.4에 나타내었듯이 비교적 양호한 흡착 선택성이 나타났다. 특히, 우라늄에 대한 선택성은 흥미 깊다. 오산화인을 이용하여 메탄설폰산 중에서 행하면 더욱 효율적으로 키틴을 인산화 할 수 있다. 또한, 아지핀산클로라이드를 가하여 가교한 것은 보통의 키틴이나 부분 탈아세틸화 키틴에 비해 칼슘이나 마그네슘 등의 알칼리토류 금속에 대해서 높은 친화성을 나타낸다.

3. 9  맺음말

이상, 몇 가지 화학수식을 기재하고 기능화의 시도를 소개하였다. 중요한 것으로써, 황산화 등에 의한 생리활성의 발견이 있는데, 다른 해설에 상세하게 나와 있으므로 여기에서는 생략한다.

키틴이 새로운 기능성 소재로써 그것의 높은 가능성이 활발하게 논의되게 된 것은 최근의 일인데, 그 진전이 매우 급격하다는 것은 발표된 논문, 특허 수의 증대로부터도 이해 할 수 있다. 그것의 특이한 구조에 대한 인식이 깊어져 다양한 어프로치가 이루어진 결과, 기능성 소재로써의 중요성이 확립되어져 왔다. 이 분야의 연구도 성숙기에 들어섰다고 생각해도 좋을 것이다.

키틴을 베이스로 한 고도의 기능을 가진 새로운 재료를 개발하는 시도는 대학, 연구소, 기업을 가리지 않고 한층 활발해져, 개발경쟁이 격화될 것이다. 이와 같이, 새로운 전개가 많이 기대된다. 그러나, 키틴 연구에는 아직 남아있는 과제가 산적해 있다. 또한, 기초 연구를 충실하게 할 필요성이 점점 높아져 가는 것은 분명하며, 지금까지 보다 더 새로운 비약이 기대되며, 종래의 개념을 넘어서는 신 재료의 출현이 처음으로 가능하게 될 것이다.

신소재로써 생각해 볼 때, 키틴처럼 다양한 가능성이 논의된 고분자는 없고, 제일 매력적인 천연고분자의 하나로써 금후에도 더욱 주목받게 될 것이다.