Preparation of Chitosan Oligomers by Concentrated Hydrochloric Acid
Chitosan was partially hydrolyzed with 35 % hydrochloric acid for 2 hours at 80℃ and the hydrolyzate stored at - 20℃ after dilution with water to precipitate higher molecular weight (MW) chitosan oligomers. When the hydrolyzate was not diluted with water, no precipitate was formed but 7.3 % chitosan oligomers were precipitated at a dilution ratio of 1.0 (ml water/ml hydrolyzate). The time for precipitation was not significantly changed after storing the hydrolyzate at - 20℃ for 1 day. In addition, the precipitation yield was not significantly influenced by the concentration of HCl used for the hydrolysis except at less than 5.0 (ml HCl/g chitosan). However, the yield of precipitated oligomers changed with partial hydrolysis time. For 0.5 and 2 hour hydrolysis, 10.1 and 7.3 % of the oligomers were precipitated, respectively, but only 3.1 % of the oligomers were obtained after a 4 hour reaction. When methanol was added to the hydroly zate, the precipitation yield increased up to 70 % but the amounts of lower MW chitosan oligomers in the precipitated oligomers also increased with the increase of higher MW. The precipitated oligomers were mainly composed of pentamers and hexamers.
Oxidative Synthesis of Chitosan-Based Surfactants
A chitosan-based surfactant (CBS) having n-alkyl chain length of 12 carbon atoms [CBS-$C_{12}$; {O-β-2-amino-2-deoxy-D-glucopyranosyl-($1\to4)}_{n-1}$-2-amino-2-deoxy-N-n-dodecyl-D-gluconamide] was synthesized by introduction of dodecyl amine to δ-lactone group at the final unit of chitosan oligomer. Chitosan oligomers were produced by acid hydrolysis with concentrated hydrochloric acid, oxidized with potassium iodide, and de-ionized with Dowex 50W-X4 to give the chitosan oligo-lactone [{O-β-2-amino-2-deoxy-D-glucopyranosyl-($1\to4)}_{n-1}$-2-amino-2-deoxy-D-glucono-1,5-lactone]. When chitosan oligomer Ⅰ,Ⅱ, and Ⅲ were oxidized in $I_2$/KOH solution for 24 hours and lyophilized to give 81, 72, 70 wt % yield of oligo-lactone. The oligo-lactone was treated with n-dodecyl amine in DMSO at 70℃ and the CBS was obtained in 42 % yield. The lactone exhibits a characteristic IR band at $1735cm^{-1}$ ($\nu_{C=O}$), which disappeared after reaction with dodecyl amine.
Reductive Synthesis of Chitosan-Based Surfactants
Two kinds of chitosan-based surfactant (CBS) having dodecyl carbon chain were prepared by reductive amination and their characteristics in aqueous solutions were examined. CBS I was synthesized reductively with dodecyl amine and chitosan oligomer Ⅲ that was produced by HCl hydrolysis (chapter Ⅱ). After depolymerization of chitosan with nitrous acid, dodecyl amine was introduced directly to the reducing end of the oligomer Ⅱ to produce CBS Ⅱ. The $^1H$ NMR spectra of oligomer Ⅲ and Ⅱ in $D_2O$ solutions showed 99.8 and 79.2 % of deacetylation, respectively. CBS Ⅰ and CBS Ⅱ were lyophilized to give 35 and 76 wt % yield. Degree of alkylation for CBS Ⅰ and Ⅱ was also determined by $^1H$ NMR spectrum. The CBS Ⅰ and Ⅱ samples had the good solubility at acidic and neutral pH values. In addition, CBS Ⅰ had surface tension of 28.1 mN/m, whereas CBS Ⅱ had 41.3 mN/m, respectively. Both CBS Ⅰ and Ⅱ had more than 95 % of adsorption capacity for lead and cadmium at final pH 4.0.
Synthesis of Chitosan-Based Polymer Surfactants and Their Characteristics
Chitosan derivatives, N-acyl-chitosans possessing various length of alkyl chain, were prepared and the characteristics in aqueous solutions were examined. Chitosan 10, chitosan 500, and several kinds of acid anhydrides such as hexanoic ($C_6$), lauric ($C_{12}$), and palmitic ($C_{16}$) anhydride were used for the preparation of chitosan-based polymer surfactant (CBPS). The $^1H$ NMR spectra of chitosan 10 and $CBPS_{10}-C_{16,0.4}$ in 1 % DCl/$D_2O$ solutions showed 87.1 % of deacetylation and 33.7 % of acylation. Degree of acylation for CBPSs was around 6 % less than that of theoretical values by $^1H$ NMR spectra. The CBPS samples, which have the good solubility at pH 2 and 4, were selected and observed for surface tension, adsorption of heavy metals and fatty acids, and oil suspension. Among CBPSs, $CBPS_{10}-C_{16,0.1}$ showed the highest adsorption ability, which could remove 90.6 and 96.2 % of Pb and Cd at pH 4.0, respectively. In addition, $CBPS_{10}-C_{16,0.2}$ and $CBPS_{500}-C_{12,0.1}$ could remove 55.9 and 54.2 % of octanoic acid at pH 6.0, respectively. However, CBPSs emulsified less than 5 % of Bunker B, probably because of high surface tension and hydrophilicity.
사고 또는 고의로 땅속에 폐기된 중금속, 염소계 유기화합물, 유류 등은 주변의 토양 뿐만이 아니라 지하수 마저도 오염시킬 수 있다. 따라서 지금까지 많은 연구들을 통하여 이러한 오염물질들을 제거하기 위하여 노력을 기울여 왔다. 그 중에서도 토양세척법은 친수성과 소수성을 동시에 지닌 계면활성제를 이용하여 오염물질을 세척하여 제거하는 방법으로 고농도로 오염된 토양을 빠른 시간 내에 정화할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 오염된 토양의 정화를 위해서 계면활성제를 사용할 경우, 잔류하는 계면활성제의 잠재적인 영향이나 이동성이 증가한 오염물질의 확산, 제거한 후의 오염물질과 계면활성제의 분리 등으로 인하여 실제적인 적용을 어렵게 하고 있다. 따라서 본 연구에서는 알려진 여러 가지 문제점들을 고려하여 토양세척을 위한 새로운 기능성 계면활성제의 합성을 시도하였다. 지금까지 알려진 계면활성제 중에서 가장 독성이 낮고 생분해도가 높은 당류계 계면활성제를 기본 모델로 하여 친수성 그룹은 키토산을, 그리고 소수성 그룹은 알킬 아민을 사용하였다. 키토산은 글루코사민이 β-1,4로 결합된 생체 고분자로서 염산 및 아초산 소다로 o}槿末臼♭ 올리고머를 제조하였고, 이것의 말단기를 산화 또는 환원 말단기 그대로 소수성 그룹인 도데실 아민과 반응시켰다. 토양세척에 사용될 수 있는 기능성을 가진 계면활성제를 합성하기 위해서는 중금속의 흡착 가능성이나 수용성의 향상 등을 고려하여 아민 그룹은 모사하지 않고, 우선 비교적 반응성이 큰 말단기의 환원당을 모사하는 것이 유리하였다. 마지막으로 키토산의 아민 그룹과 무수화산을 반응시켜 키토산계 고분자 계면활성제를 합성하였으며, 이것으로 중금속 및 지방산에 대한 흡착능, 유류에 대한 유화능 등을 살펴 보았다.
진한 염산을 이용한 키토산 올리고머의 제조
키토산은 유기용매 중에서 용해도가 매우 나쁘기 때문에 화학적 모사를 위해서는 용해도가 높은 올리고머를 만들 필요가 있었다. 이온교환수지 칼럼을 이용하여 올리고머를 분획하는 경우가 일반적이지만, 본 연구에서는 간단한 저온 침전을 통하여 분자량 별로 크게 분획하는 방법을 시도하였다. 먼저 키토산에 10배 (w/v)의 35 % 염산을 가한 다음 80℃에서 2시간 동안 가수분해 반응을 진행하였다. 그리고 올리고머들을 분별하기 위해서 - 20℃의 저온에서 고분자 올리고머 (올리고머 Ⅰ)만을 선택적으로 침전시켰다. 올리고머 Ⅰ는 염산 분해물에 증류수 1배를 가했을 경우 7.3 % 정도 침전되었으며, 희석하지 않았을 때에는 아민 그룹에 수소이온이 흡착되어 용해도가 증가되었기 때문에 전혀 침전이 일어나지 않았다. - 20℃에서 하루 이상 보관하여 침전시켜는 경우, 침전시간에 대한 영향은 크게 없었으며, 염산은 키토산 양보다 5배 이상 넣는 경우 별다른 영향이 없었다. 그러나 침전 효율은 가수분해 시간에 따라서 큰 영향을 받았으며, 0.5, 2, 4 시간 동안 가수분해한 경우 각각 10.1, 7.3, 3.1 %의 올리고머 Ⅰ이 얻어졌다. 침전 효율을 증가시키기 위해서 메탄올을 투입한 경우, 약 70 % 정도 효율이 증가하였으나, 저분자량의 올리고머 (올리고머 Ⅲ)도 동시에 침전되는 단점이 있었다. 올리고머 Ⅰ는 주로 5당과 6당으로 구성되어 있었다.
산화 합성법에 의한 키토산계 계면활성제의 제조
일반적으로 글루코사민을 이용하여 계면활성제를 제조할 경우에는 아민이나 수산기를 모두 보호한 다음 반응을 진행시키야 하기 때문에 많은 반응 및 분리 정제 단계가 필요하였다. 따라서 이러한 복잡한 단계가 없이 말단기 만을 선택적으로 산화시킨 다음 알킬기를 도입하는 반응을 하였다. 먼저, 염산 가수분해를 통해서 얻어진 올리고머 Ⅰ과 Ⅲ를 수용액 상에서 0.5 N 요오드로 선택적으로 산화하여 말단기를 카르복실 그룹으로 전환시켰다. 산화반응은 24시간 동안 진행되었으며, 염을 제거한 다음 진공 건조과정을 거쳐 카르복실 그룹을 다시 δ-락톤 그룹으로 변환시켜 올리고 락톤을 각각 81, 70 %의 수율로 얻었다. 이것을 70℃ DMSO를 용매로 하여 도데실 아민과 반응시켜 최종적인 키토산계 계면활성제 (CBS)를 42 % 수율로 얻었다. 합성 결과는 FTIR, $^1H$ NMR을 통해 확인하였으며, $1735cm^{-1}$의 δ-락톤과 2.89 ppm의 $CH_2NH_2$가 없어지는 것으로부터 반응이 완전히 진행되었다는 것을 확인할 수 있었다. pH 5에서 납의 경우는 약 40% 정도 제거할 수 있었다.
환원 합성법에 의한 키토산계 계면활성제의 제조
산화합성은 2단계의 반응이었으며 염을 제거시키는 것이 매우 힘들었기 때문에 키토산 올리고머의 환원 말단기에 직접적으로 알킬 아민을 도입하는 환원 합성법에 대하여 연구하였다. 반응은 서로 다른 형태의 환원 말단기를 가진 올리고머를 메탄올과 DMSO에 용해시킨 다음 알킬 아민을 도입하였다. 올리고머는 염산 가수분해를 통해서 얻어진 올리고머 Ⅲ와 아초산 소다로 가수분해하여 얻은 올리고머 Ⅱ를 사용하였으며, 여기에 도데실 아민을 도입하여 각각 CBS Ⅰ과 CBS Ⅱ를 합성하였다. $^1H$ NMR로 분석한 결과 올리고머 Ⅲ와 Ⅱ의 탈아세틸화도는 각각 99.8, 79.2 %이었다. 환원 합성 반응후 얻어진 CBS Ⅰ과 CBS Ⅱ는 각각 35, 76 %의 수율을 가지고 있었으며, 산성 및 중성 조건에서 뛰어난 용해도와 풍부한 거품도를 보였다. HPLC 분석 결과, 메탄올을 용매로 하였을 때는 미반응 올리고머들이 검출되었고, DMSO를 용매로 쓸 때는 재침전에 어려움이 있었지만, 72시간 동안의 반응을 통해 완전한 CBS를 얻을 수 있었다. 반응은 물이 없는 조건에서 산 촉매하에서 원활히 진행되었으며, Schiff's base의 붕괴는 상온에서도 가능하였다. 또한 CBS Ⅰ과 CBS Ⅱ는 28.1, 41.3 mN/m의 표면장력을 가지고 있었으며, pH 4.0의 산성 조건에서도 모두 95 % 이상의 납과 카드뮴을 흡착시켜 제거할 수 있었다.
키토산계 고분자 계면활성제의 제조 및 그 특성
일반적으로 계면활성제는 여러 개의 계면활성제 단분자들이 모여서 미셀을 형성하는데 비해, 고분자 계면활성제 (CBPS)는 하나의 고분자 계면활성제가 하나의 미셀을 형성하며, 토양 내의 흡착되어 잔류되는 양도 매우 낮다. 따라서 분자량이 6만 정도인 키토산 10과 50만 정도인 키토산 500을 사용하여 CBPS의 합성을 시도하였으며, 키토산의 아민 그룹에 아실 반응을 통하여 탄소수 6, 12, 16의 알킬기를 도입하였다. 여러 가지 합성물 중에서 용해도가 우수한 것을 선택하였으며, 이중 $CBPS_{10}-C_{16,0.4}$는 탈아세틸화도와 아실화도가 각각 87.1 및 33.7 %되었다. 아실화도는 이론적인 값보다 약 6 % 정도씩 적었으며, 치환도가 0.1과 0.2인 경우에는 뛰어난 용해도와 거품도를 보였다. 납과 카드뮴에 대한 흡착능 실험결과, $CBPS_{10}-C_{16,0.1}$이 90.6과 96.2 %로 가장 높은 값을 나타내었다. 이러한 높은 흡착능은 키토산의 결정구조가 아실화 반응을 통하여 붕괴되어 중금속들이 아민 그룹에 쉽게 접근할 수 있었기 때문인 것으로 보인다. 지방산의 하나인 옥탄산의 경우, $CBPS_{10}-C_{16,0.2}$와 $CBPS_{500}-C_{12,0.1}$가 55.9, 54.2 %의 흡착능을 보였으며, 표면장력이 낮을 때 더 높은 흡착능을 보였다. 그리고, CBPS는 높은 치환도에서는 친수성인 아민 그룹이 없어지고 알킬 그룹이 도입되기 때문에 소수성이 증가하여 용해도가 떨어지기 때문에, 벙커 C유를 분산 시킬때 5 %의 낮은 유화능을 보였다. 따라서 유류 오염물질을 유화시키기 위해서는 치환도를 높이는 것과 동시에 다른 수산기를 2차적으로 모사하여 친수성을 증가시켜야 할 필요가 있었다.
