제4장

키토산 유도체의 조제

제 4 장  키토산 유도체의 조제

4. 1  키토산의 N-아세틸화

[원리]키토산의 희초산-메탄올 용액에 무수초산을 적용시켜서 유리 아미노기를 선택적으로 아세틸화 한다.

[재료 및 시약] 키토산, 무수초산

[실험방법 및 결과] 0.5g의 키토산을 10ml의 10% 희초산에 용해하고, 40∼50ml의 메탄올로 희석한다. 여기에 2∼3배 몰량의 무수초산을 가해, 실온에서 하룻밤 놓아두면 겔상태가 된다. 생성물을 300ml의 메탄올에 현탁하고, 실온에서 하룻밤 교반한다. 다시 증류수에 현탁해서 동결건조로 하거나, 또는 300ml의 아세톤중에서 하룻밤 교반 한 후, 에테르로 세척하여 단리한다. 오산화 이인을 이용해서 건조하면 N-아세틸화 유도체가 92%의 수율로 얻어진다. 원소분석 및 H-NMR로 구한 치환도는 1.0이다.

[평가 및 고찰] 이 방법으로 다른 카본산 무수물을 반응에 이용하면, 대응하는 N-아세틸화 키토산이 얻어진다. 원소분석으로 구한 치환도는 0.82∼1.0이다. 반응 혼합물은 겔로 되는 경우가 많지만, C14∼C18의 고급지방산의 반응에서는 침전을 생성한다. 이처럼, 희초산-메탄올의 혼합용매계에서 반응을 하면 아미노기가 선택적으로 아실화 된다. 희초산만을 용매로 하면, O-아실화도 동시에 일어난다. 그러나 0.5M 수산화칼륨-에탄올 용액으로 하룻밤 처리하면, O=아실기를 선택적으로 제거할 수 있다.

환상의 산무수물도 희초산-메탄올 중에서 똑같이 키토산의 아실기와 반응하여 카르복실기를 가진 N-아실유도체(N-(카르복시아실)키토산)을 생성한다.

4. 2  키토산의 N-후타로일화

[원리] 피리딘 중에서 키토산에 후탈산 무수물을 반응시켜서 후틸리비드 유도체로 한다.

[재료 및 시약] 키토산, 후탈산 무수물

[실험방법 및 결과] 5.0g의 키토산(탈아세틸화도>0.99)을 100ml의 디메칠포름아마이드에 분산하고, 후탈산 무수물 133.6g(유리아미노기에 대해서 3배 몰량)을 가한다. 혼합물을 질소기류하에서 130℃로 가열하면 5∼7시간재에 키토산이 완전히 용해되어 균일한 용액이 된다. 이 용액을 빙수에 넣고, 생성된 침전을 열에탄올, 이어서 에테르로 세척하고 건조한다. 후타로일화 키토산은 담갈색의 분말로써 얻어지며, 수율은 8.7g(96%)이다. 원소분석 및 이 물질의 화학수사에 의해 얻어진 유도체의 구조 해석의 결과에서, 치환도는 1.0이라는 것을 확인 할 수 있다.

[평가 및 고찰] 이 반응은 정량적으로 진행되며, 모든 아미노기는 후탈리미드기로 변환된다. 생성된 후타로일화 키토산은 디메칠포름아마이드, 디메틸설퍼옥사이드, 피리딘과 같은 일반적인 극성용매에 가용하다. 이런 높은 용해성을 위해서 각종 화학수사를 균일 용액중에서, 위치 선택적으로 게다가 정량적으로 행하는 것이 가능하다. 보호기의 특성을 이용함으로써 키토산의 2,3 및 6번의 관능기를 식별하여 임의의 위치에 선택적으로 치환기를 도입할 수 있다. 이와같이 해서 후타로일화 키토산에 다른 치환기를 도입하면 용해성이 크게 개선되어, 클로로포름이나 디클로로메탄과 같은 저 비점의 일반 유기용매에도 가용한 유도체가 실현 가능하다.

4. 3  키토산의 쉿프 염기화(N-메틸렌 키토산의 조제)

[원리] 키토산의 유리아미노기와 포름알데히드의 반응에 의해 쉿프염기로 만든다.

[재료 및 시약] 키토산, 포름알데히드

[실험방법 및 결과] 키토산 0.5g을 20ml의 2% 희초산에 녹이고, 여기에 35% 포름알데하이드 수용액 2ml(유리아미노기에 대해서 8배몰량)를 가한다. 실온에 방치하면 2∼3시간에 겔화된다. 이 겔을 100ml의 메탄올 중에서 1일간 현탁하여 과잉의 포름알데하이드를 제거한다. 이것을 수회 반복하고 100ml의 에테르에 현탁하여 여과하면 무색투명한 겔상 생성물이 된다. 오산화이인을 이용해서 가열건조하면 젤라틴상의 N-메칠렌키토산이 0.52g(99%) 얻어진다. 원소분석의 결과에 의해 구한 치환도는 1.0이다.

[평가 및 고찰] 상기의 유도체는 쉿프 염기이므로, 반응은 가역적이다. 즉, 이것을 희염산 또는 희초산으로 처리 함으로써, 키토산으로 되돌려 놓을 수 있다. 또한, 아세트알데하이드, 프로피온알데하이드, 아크로레인 등의 지방족 알데하이드 등으로 부터도 똑같이 겔상의 쉿프염기가 조제된다. 방향족 알데하이드를 이용해도 키토산의 쉿프염기를 만들 수 있다. 즉, 키토산을 희초산-메탄올 혼합용액에 용해하고 각각의 치환 벤즈알데하이드를 가하면 벤지리덴화 되어 겔을 생성한다. 치환도는 0.8∼1.0이다.

4. 4  환원알킬화에 의한 키토산에의 당측쇄의 도입(락토스유도체의 도입)

[원리] 키토산의 유리아미노기와 환원당과의 반응을 환원제의 존재하에 행하고, 환원 알킬화에 의해 당측쇄를 도입한다.

[재료 및 시약] 키토산, 락토스, 수소화시아노붕소나트륨

[실험방법 및 결과] 500mg의 키토산(탈아세틸화도 0.85, 유리아미노기량3mmol)을 30ml의 1% 희초산-메탄올(1:1) 혼합용매에 용해한다. 교반하면서 이 용액에 1.58g(4.62mmol, 유리아미노기당 1.54배 몰량)의 락토스와 1.26g(20mmol)의 수소화시아노붕소나트륨의 수용액(10∼20ml)을 가한다. 혼합물을 실온에서 6일간 교반하고, 생성된 겔을 잘게해서 메탄올로 반복해서 세척한 후, 에테르로 세척 건조한다. 원소분석치로부터 구한 치환도는 0.8이다. 생성물은 물에 가용이다.

당	당(mol)	반응시간(h)	치환도	용해성*2
	아미노기(mol)
D-글루코스	3	8	0.9	2
글루코사민	7.8	48	0.67	2
갈락토스	2.22	4	0.97	2
락토스	1.17	10	0.25	1.2
락토스	1.54	144	0.80	1.2
락토스	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
말토트리오스	4.16	144	0.54	1
프룩토스	16.7	72	0.7	2
데스트란	0.17	40	0.15	1

표 4-1 키토산에의 당측쇄의 도입*1

*1 : 1%초산-에탄올(1:1)중, 실온에서 반응

*2 : 1은 물에가용, 2는 희산(pH5.6)에 가용

[평가 및 고찰] 가해준 락토스의 양에 의해 치환도는 조절 할 수 있지만, 생성물은 전부 물 및 희산(pH5∼6)에 녹는다. 이것을 갈락토스옥시다제로 처리하면 갈락토스잔기의 6번 하이드록시 메칠기가 산화되어, 알데하이드로 변환될 수 있다. 락토스 이외에도 환원당이면 이 방법에 의해 측쇄로서 도입될 수 있다. 표4-1에 나타내었듯이 글루코스, 글루코사민, 셀로비오스, 말토스, 말토트리오스, 덱스트란등이 실제로 반응에 이용되고 있다. 이들로부터 유도된 치환체는 물이나 희산에 용해되므로 이 방법은 각종의 수용성 유도체의 조제법으로써 흥미가 깊다. 알데하이드기를 가진 글리코시드를 이용해서 독같이 환원 알킬화를 행하면 당 유니트는 개환되어 도입된다.

4. 5  키토산의 N-알킬화

[원리] 키토산의 유리아미노기와 알킬알데하이드와의 반응에서 생성된 쉿프염기를 환원하여 N-알킬 유도체로 한다.

[재료 및 시약] 키토산, 알킬알데하이드, 수소화붕소나트륨

[실험방법 및 결과] 20g의 분말상 키토산(탈아세틸화도 0.64, 유리아미노기량 65mmol)을 2L의 물에 현탁하고 20ml의 빙초산을 가해서 용해시킨다. 여기에 아미노기에 대해 2배 몰량의 알데하이드의 수용액을 가하고 30분후에 수산화나트륨으로 pH를 4.5로 한다. 교반하면서 5g의 수소화 붕소나트륨을 50ml의 물에 용해한 용액을 1시간에 걸쳐서 조금씩 가하면 pHcl는 2시간에서 5.5까지 올라간다. pHcl를 10까지 올리면 침전물이 생성된다. 이 침전을 중성이 될 때 까지 물로 세척한 후 에탄올 및 에테르를 이용해서 추출한다. 최종적으로는 동결건조로 단리한다. 얻어진 5종류의 N-알킬화 키토산의 치환도(CD 및 알카리 용적에 의해 결정) 및 pK치를 표 4-2에 정리하였다. 치환체 어느것이라도 1% 희초산에 가용이다.

	아세트아마이드기(%)	유리아미노기 (%)	알킬아미노기 (%)	pK
키토산	36	64	-	6.6
N-메칠키토산	36	35	29	6.7
N-에칠키토산	36	41	23	6.9
N-프로필키토산	36	36	28	6.9
N-부칠키토산	36	40	24	6.8
N-헥실키토산	36	31	33	6.2

표 4-2 N-알킬 키토산

[평가 및 고찰] 생성된 N-알킬화 키토산은 희초산 용액으로 부터의 캐스팅에 의해 필름으로 형성 될 수 있다. 또한 천이금속 이온에 대해서 높은 킬레이트능을 나타낸다. 똑같이 키토산의 아미노기를 글리올실산과 반응시키고 수소화시아노붕소나트륨으로 환원하면 아미노기가 선택적으로 카르복시메칠화된 N-카르복시메칠화 키토산이 조제 가능하다. 이것은 양쪽성 고분자 전해질이며 물에 녹는다.

4. 6  키토산의 N-트리메칠암모니움화

[원리] 알카리 및 요오드화 나트륨의 존재하에서 과잉의 요오드화 메칠을 이용해서 키토산의 유리아미노기를 트리메칠화 한다.

[재료 및 시약] 키토산, 요오드화메칠, 수산화나트륨, 요오드화나트륨

[실험방법 및 결과] 5g의 키토산(탈아세틸화도 0.95, 유리아미노기랼0.03mol)을 N-메칠-2-피로리온에 가하고 실온에 12시간 방치하여 분산시킨다. 여기에 1.4M 수산화나트륨 43ml(0.06mol) 및 요오드화메칠 64g(0.45mol)을 가한다. 더욱이 요오드화나트륨을 농도가 0.2M이 되도록 가한다. 반응용기안을 질소로 치환하고 36℃에서 3시간 마그네틱스티러로 교반한다. 생성물은 에탄올중에서 침전시키고 반복 세척후 여과하여 단리한다. 최후에 이온교환수지(Amberlite IR45, Cl-타입)로 처리하여, 요오드화물 보다도 안정한 염화물로 치환한다. 4급화도는 0.25이다.

얻어진 샘플에 대해서 같은 조작을 더욱더 1 및 2회 반복하면, 4급화도는 각각 0.40, 및 0.64가 되지만, 그 이상 반복해도 4급화도는 상승하지 않는다. 그림-4.1에 반응시간과 치환도와의 관계를 나타내었다.

[평가 및 고찰] 4급화도는 전위차 적정 또는 H-NMR로 측정할 수 있다. 4급화도가 0.25이상인 유도체는 pH에 관계없이 물에 可溶이다.

이 반응에 있어서는, 아미노기에 1∼3개의 메칠기가, 또한, 6번과 3번의 수산기에도 메칠기가 도입될 가능성이 있으므로, 생성물의 구조는 복잡하다고 예상된다. 실제로, N-메칠화도 이외에 O-메칠화도 일어난다는 것이 NMR에 의해 최근 확인되었다. 조건에 따라, 4급화도를 1.0이 되도록 하는 것도 가능하지만, 3 및 6번의 수산기도 100%메칠화 된다.

수산화 나트륨 대신에 피리딘이나 트리에칠아민 등의 유기염기를 이용해도 45급화되어, 45급화도 0.26∼0.78의 트림메칠 및 트리에칠 유도체가 얻어진다. 또한, 키토산의 유리아미노기를 포름알데하이드-수소화붕소나트륨으로 디메칠화 한 후, 아세트니트릴 중에서 요오드화메칠을 반응시키는 방법도 있다. 그러나, 이 경우에 있어서도 생성물 중에는 모노메칠, 디메칠아미노기도 공존하여, 구조적으로 단순하지는 않다. 트리메칠암모니움 0.35, 모노 및 디메칠아미노 0.25, 아세트아마이드 0.40의 유도체는 물에 녹지 않고 팽윤된다.

4. 7  키토산의 황산화

[원리] 피리딘 중에서 키토산에 클로로설폰산을 반응시켜서 유리아미노기 및 수산기를 황산화한다.

[재료 및 시약] 키토산, 클로로설폰산

[실험방법 및 결과] 10g의 키토산(탈아세틸화도 0.90)을 1L의 2% 희초산에 녹이고 불용분을 제거한 후 2.5M 수산화나트륨 수용액으로 중화한다. 석출된 침전을 여과로 모으고 증류수, 에탄올, 무수에탄올, 에테르로 차례로 세척하여 80ml의 정제 피리딘에 현탁시킨다. 60ml의 정제 피리딘을 플라스크에 취하고 빙욕으로 냉각시키면서 10ml의 클로로설폰산을 30∼40분간 적하한다. 여기에 상기의 키토산 현탁액 40ml(키토산함량 3.5g)를 가하고 비등수욕상에서 1시간 가열한다. 실온까지 냉각하고 200ml의 물에 주입하면 투명한 갈색용액을 나타낸다. 75ml의 2.5M 수산화나트륨 수용액을 가한 후 500ml의 에탄올을 이용해서 황산화 키토산의 나트륨염을 침전시킨다. 침전을 다시 200ml의 물에 녹이고 증류수 중에서 3일간 투석한다. 용액을 100ml가 될 때 까지 감압하에서 농축하고 10ml의 포화 식염수를 가한 후 150ml의 에탄올을 이용해서 나트륨염을 침전시킨다. 회수량 3.2g [□]250  -230 (c1.5, 水). 원소분석의 결과로부터 계산하면 유리아미노기는 전부 황산화 되지만 수산기에도 피라노스 고리당 1개의 황산기가도입되어 있다는 것을 알 수 있다.

[평가 및 고찰] 여기에 서술한 방법으로 키토산을 재침전 하면 정제가 가능해질 뿐만 아니라 콜로이드상으로 현탁시킬 수 있다. 그래서 표면이 활성화되어 효율적으로 황산화 반응이 진행된다. 디메칠포름아마이드를 용매로써 삼산화 유황-디메칠포름아마이드 복합체를 이용하면 균일용액중에서 황산화 반응이 진행되어 똑같은 유도체가 조제될 수 있다. 얻어진 황산화 유도체는 높은 항응혈성을 나타낸다. 삼산화유황-피리딘 복합체로 반응을 하면 유리아미노기 자체가 선택적으로 황산화 된다. 다음으로 이러한 물질을 이산화 유황-삼산화유황으로 처리하면 수산기를 황산화 할 수 있다. 황산화 시약으로서는 이 외에 농황산, 발연황산등이 사용된다.