Korean Chem. Eng. Res., 51(1), 111-115 (2013) http://dx.doi.org/10.9713/kcer.2013.51.1.111 Horseradish Peroxidase 효소촉매에의한난연성페놀고분자의합성 박한솔 박정희 이학성 류근갑 울산대학교화학공학부 680-749 울산광역시남구대학로 93 (2012 년 9 월 17 일접수, 2012 년 10 월 11 일채택 ) Enzymatic Synthesis of Flame Retardant Phenolic Polymers Catalyzed by Horseradish Peroxidase Han Sol Park, Jung Hee Park, Hak Sung Lee and Keungarp Ryu Department of Chemical Engineering and Bioengineering, University of Ulsan, 93 Daehak-ro, Nam-gu, Ulsan 680-749, Korea (Received 17 September 2012; accepted 11 October 2012) 요 약 Horseradish peroxidase 효소촉매를이용하여 dioxane: 수용액 (80:20 v/v) 혼합용액에서 poly(p-phenylphenol) 수지를합성하기위한최적반응조건과생성된수지의열분해안정성과가열특성을 thermogravimetric analysis (TGA) 와 differential scanning calorimetry (DSC) 방법을통해서각각조사하였다. 효소의사용량이 0.25 mg/ml 로증가할때수지의합성수율은급격하게증가하였으나효소의사용량이 0.25 mg/ml 이상으로증가하더라도수지의합성수율은크게증가하지않았다. 또한 sodium acetate (100 mm, ph 4~6) 와 sodium phosphate (100 mm, ph 7~9) 완충용액을수용액으로사용할경우 ph 가증가할수록페놀수지의합성수율이증가하였다. 그러나수용액의 ph 가 6 과 9 일때, 수지의합성수율은사용하는완충염의종류에따라서크게좌우되었다. 즉 ph 6 에서 sodium acetate 대신 sodium phosphate 를사용하면합성수율은 15% 정도감소하였다. 또한 ph 9 에서 sodium phosphate 대신 sodium bicarbonate 를사용할경우합성수율이약 20% 정도크게감소하였다. 수용액의 ph 가 4~7 범위에서 2,2'-azinobis (3-ethylbenzothiazoline- 6-sulfonate) (ABTS) 를전자전달체로사용하면 (2 mm) 합성수율이약 10% 정도향상되었다. TGA 실험결과 ph 9 인수용액에서 ABTS 가 2 mm 이첨가된합성수지의 800 o C 에서의잔류량 (char yield) 이 47% 로열분해안정성이가장우수하였다. DCS 측정결과산성수용액에서합성된수지와중성및염기성수용액에서합성된수지의구조특성은서로달랐다. 그러나모든합성수지는열경화성수지의특성을보여주었다. Abstract The optimum synthetic conditions of poly(p-phenylphenol) by horseradish peroxidase in dioxane:water (80:20 v/v) mixtures were studied. The stability against thermal degradation and structural properties of the synthesized phenolic resins were investigated by thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC), respectively. The synthetic yield of poly(p-phenylphenol) increased upon the increase of the amount of enzyme up to 0.25 mg HRP/mL, then leveled off for further increase of the enzyme usage. When sodium acetate (100 mm, ph 4~6) and sodium phosphate (100 mm, ph 7~9) were used as the buffering salts for the aqueous component (20% v/v), the synthetic yield of the resin increased at higher ph of the aqueous buffer. But when the phs of the aqueous buffer were 6 and 9, the synthetic yield strongly depended on the types of the buffering salts; if sodium phosphate was used instead of sodium acetate at ph 6, the yield decreased by about 15% and if sodium bicarbonate was used instead of sodium phosphate, the yield decreased by almost 20%. When the ph range of the aqueous buffer was from 4 to 7, the addition of a radical mediator, 2,2'-azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS), up to 2 mm improved the synthetic yield of the resin by about 10%. TGA experiments revealed that the thermal stability of the resin synthesized in dioxane:water (100 mm sodium phosphate, ph 9) (80:20 v/v) was high having the char yield of 47% upon the heating at 800 o C. DCS results showed that the structures of the polymers synthesized in acidic aqueous buffers were different from those of the polymers synthesized in the basic aqueous buffers. However, all the synthesized resins were found to have the property of the thermosetting resins. Key words: Flame Retardant, Horseradish Peroxidase, Radical Mediator, Solution ph To whom correspondence should be addressed. E-mail: kgryu@mail.ulsan.ac.kr 111
112 박한솔 박정희 이학성 류근갑 1. 서론 Phenol-formaldehyde 수지는표면코팅제, 접착제, laminates, 마찰제, 난연제등다양한목적으로사용되어왔다 [1,2]. 그러나이수지를제조하기위해서사용되는 formaldehyde는합성후에도수지에잔류하게되고수지를이용해서제조된최종제품을사용할때서서히방출되는건강및환경에유해한유독성물질이다 [3]. 따라서최근에는많은국가에서기존의 phenol-formaldehyde의사용을규제하고있다 [4]. 이에따라서환경에유해한물질인 formaldehyde를사용하지않으면서간단하고비용이저렴한페놀수지의개발이요구되고있다. 화학적인방법으로는 cupper 혹은 cupper complex를이용한방법이연구되었으나치환기를가지고있는페놀수지의합성이어렵고유독성화학촉매를사용한다는단점이있다 [5-8]. 이러한화학적합성방법을대체하기위해서효소를촉매로사용할수있다. 특히자연계에서 peroxidase 효소는페놀단량체를라디칼로산화시켜서리그닌이라고불리는페놀고분자를합성시킨다 [9]. Peroxidase 효소는페놀, 아닐린, pyrrole 등다양한방향성물질의고분자화반응을일으키는촉매역할을하는것으로밝혀졌다 [10, 11]. 또한 peroxidase 효소중 horseradish peroxidase (HRP) 는여러종류의유기용매와수용성용액의혼합물에서안정성을유지하고높은활성을나타낸다 [12-14]. HRP를이용한 p-phenylphenol의고분자화반응메커니즘은 Fig. 1과같다. 원래의효소인 HRP는 H 2 O 2 에의해서산화도가 +2만큼증가한 compounds I으로변화하며 H 2 O 한분자가생성된다. Compound I은기질인 p-phenylphenol 두분자를차례로산화시켜서 p-phenylphenol 라디칼과 H 2 O 한분자를추가로생성하고원래의효소인 HRP로전환된다. HRP는이러한 cycle을반복하면서 p-phenylphenol 산화반응에서촉매역할을하게된다. HRP 의효소촉매반응에의해서생성된 p-phenylphenol 라디칼들은라디칼사이의다양한반응을통해서분자량이높은고분자수지를생성하게된다. Fig. 1에나타난 HRP 효소의반응메카니즘에대한전체반응식은다음과같다. 2 p-phenylphenol + H 2 O HRP 2 2 p-phenylphenol radical + 2H 2 O 즉 HRP에의한산화반응에서는과산화수소 (H 2 O 2 ) 를산화제로사용하고부산물로서물 (H 2 O) 이생성되기때문에강한산성용액과유독한산화제를사용하는기존의중합방법을대체하기위한환경친화적방법으로서기대되고있으며다양한페놀고분자와아민고분자를합성하기위한방법이연구되어왔다 [10-16]. 본연구에서는 HRP에의해서합성되는대표적인고분자수지인 poly(p-phenylphenol) 의합성수율을높이기위한연구를시도하였다. Akkara 등 (1991) 은 HRP에의한 p-phenylphenol의합성실험을시행했다 [17]. 그러나이연구에서사용된용액은 dioxane:water (80:20 v/v) 이지만사용된수용액 (20% v/v) 의 ph는 7과 7.5로매우제한된범위에서사용되었다. 본연구에서는 ph 4~9까지더욱넓은범위의 ph 용액을사용하고, 라디칼전달체인 2,2'-azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6- sulfonate) (ABTS) 를첨가하여수지의합성수율을높이기위한실험을실시하였다. 한편 polyethylene 과 polypropylene과같은가연성수지를이용하는제품이증가함에따라서난연제의중요성이더욱커졌다. 현재까지사용되어온대부분의난연제는크게 halogen 계열난연제와 phosphorous 계열의난연제로나뉘어진다 [18]. 그러나현재는이들난연제의환경유해성으로인해서비할로겐난연제의개발이요구되고있다. 본연구는친환경적인난연수지의개발방법으로서 HRP 효소에의해서합성된페놀계수지를난연물질로사용할수있는가능성을함께탐색하였다. 이를위해서다양한반응조건에서생성된 poly(p-phenylphenol) 의열분해에대한안정성및가열특성을 thermogravimetric analysis (TGA) 와 differential scanning calorimetry (DSC) 방법을이용해서분석하였다. 2. 실험 2-1. 재료본연구에서사용한효소인 HRP (Type II, 150-200 units/mg solid), 단량체인 p-phenylphenol, 2,2'-azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6- sulfonate) (ABTS), 그리고유기용매인 dioxane은 Sigma-Aldrich Co. 에서구입하였다. 산화제로서사용된과산화수소는 30% (w/w) 용액을사용하였다. 2-2. Peroxidase에의한 p-phenylphenol 고분자의합성방법 p-phenylphenol 수지는다음과같은방법을이용해서합성되었다. 처음에 dioxane 16 ml를 100 ml 플라스크에가하고단량체인 p- phenylphenol을최종농도가 100 mm이되도록용해시킨다. 그리고나서수용성완충용액 4 ml (100 mm sodium acetate, ph 4~6; 100 mm sodium phosphate, ph 7~9) 를혼합한다. 그후효소를 (1~10 mg) 을가하고난후 30% H 2 O 2 용액을서서히가하여반응이시작되도록한다. 이때가해진 H 2 O 2 의총농도는 100 mm이되도록하여 p- phenylphenol:h 2 O 2 의 mol비가 1:1이되도록한다. 고분자합성반응은 25 o C에서 5시간동안교반하면서진행한다. 반응이끝난후휘발성용액은진공회전증발기로증발시킨다. 잔류하는고분자수지는 50% methanol 용액으로세척한후 60 o C에서진공건조한다. Fig. 1. Reaction mechanism of p-phenylphenol oxidation by horseradish peroxidase. Three ions in the enzyme molecules represent the three different oxidation states of iron contained in the active site, heme, of HRP. 2-3. Poly(p-phenylphenol) 의열분해특성및구조특성분석합성된최종고분자수지의열분해성질은 thermogravimetric analysis (TGA) 장치 (TGA Q50, TA instruments) 를이용해서측정하였다. TGA 실험에서는건조된시료약 10 mg을질소분위기에서 50~850 o C로 10 o C/min의속도로가열하면서 5% 와 10% 무게감소온도및 800 o C에서잔류량 (char yield) 을측정하였다. 합성된수지의구조특성은 differential scanning calorimetry (DSC) 장치 (Q20, TA Instruments) 를사용해서측정하였다. DSC 실험방법으로는약 4~6
Horseradish Peroxidase 효소촉매에의한난연성페놀고분자의합성 113 mg의시료를 30 o C에서유지한후질소가스의유량을 50 ml/min 로유지하면서온도를 10 o C/min의속도로 300 o C까지높였다. 또한 DSC의가열주기를 2회실시하여수지의열가소성 (thermoplastic) 및열경화성 (thermosetting) 을파악하였다. 3. 결과및고찰 3-1. 효소의사용량이고분자의합성수율과열특성에미치는영향효소촉매를이용해서 poly(p-phenylphenol) 을합성하기위하여가장대표적으로사용되어온용액은 dioxane-수용액혼합용액이다 [18]. 단량체인 p-phenylphenol의용해도를높이고효소의활성을유지하는것으로알려진용액인 80% (v/v) dioxane을반응용매로사용해서난연성이우수한 poly(p-phenylphenol) 의합성수율을높이기위한조건을연구하였다. 우선 poly(p-phenylphenol) 합성을위해서사용된산성용액 (100 mm sodium acetate, ph 5) 과 HRP의활성이우수한중성용액 (100 mm sodium phosphate, ph 7) 을각각수용액성분 (20% v/v) 으로사용할때효소의사용량을 0.05~0.5 mg/ml 범위로변화시키면서 poly(p-phenylphenol) 물질의합성수율을측정하여 Fig. 2에나타내었다. 고분자의합성수율은효소의사용량이증가할수록증가하였다. 특히효소의사용량이 0.05~0.25 mg/ml 사이일경우고분자의합성수율은급격히증가하였으나효소의사용량이 0.25 mg/ml 이상일경우고분자의합성수율의증가율은줄어들었다. 효소의사용량이최대인 0.5 mg/ml일때고분자의합성수율은완충용액 (20% v/v) 의 ph가 5일경우약 56.9% 이었으나완충용액의 ph 가 7일경우 65.1% 로증가하였다. 효소의사용량이 0.5 mg/ml일경우각 ph에서합성된고분자의열분해에대한안정성을 TGA 방법을이용해서특정하였으며그결과는 Fig. 3A에나타내었다. TGA 실험을통해서무게감소가 5% 일때의온도, 무게감소가 10% 일때의온도, 그리고 800 o C에서의잔류 Fig. 3. Thermal properties of poly(p-phenylphenol) synthesized in 80% (v/v) dioxane with 20% (v/v) of two different aqueous buffers; sodium acetate (100 mm, ph 5) and sodium phosphate (100 mm, ph 7). HRP=10 mg/20 ml. A: Thermogravimetric analysis, B: Differential scanning calorimetry. 량의무게 % 를측정해서 Table 1에나타내었다. TGA 실험결과 ph 5 완충용액을사용해서합성된 poly(p-phenylphenol) 의열안정성이 ph 7 완충용액을사용해서합성된고분자보다우수하였다. 그러나 800 o C에서의잔류량은두완충용액의경우약 46% 로비슷하였다. 합성된수지의가열특성을 DSC 실험을통해서측정하여 Fig. 3B에나타내었다. 합성된고분자를 30~300 o C로 1차가열할때 200 o C를중심으로넓은발열 peak가관찰되었다. 더욱이 ph 7 완충용액에서합성된고분자의경우에는 1차가열할때약 230 o C에서흡열 peak 도함께나타났다. 따라서이고분자는가열과정에서가교화또는상변화등이일어나는것으로추측되었다. 또한 30~300 o C로수지를 2 차가열할때, 1차가열의경우와는달리흡열및발열 peak가전혀관찰되지않았다. 이러한결과로부터여기에서합성된고분자는열경화성수지인것으로추정되었다 [17]. Fig. 2. Effects of the amount of HRP on the synthetic yield of poly (p-phenylphenol) in 80% (v/v) dioxane with two different aqueous buffers; sodium acetate (100 mm, ph 5) and sodium phosphate (100 mm, ph 7). 3-2. 전자전달물질인 ABTS가고분자합성과열특성에미치는영향효소의사용량을줄이고고분자합성수율을높이기위해서반응혼합액에전자전달물질로사용되는 ABTS를함께사용하였다 [19]. Table 1. Thermal degradation properties of poly(p-phenylphenol) synthesized by horseradish peroxidase (10 mg) in 20 ml of 80% (v/v) dioxane mixed with two different buffers at ph 5 (100 mm sodium acetate) and 7 (100 mm sodium phosphate), respectively Aqueous buffer Synthetic yield 5% weight-loss temperature 10% weight-loss temperature Residue at 800 o C ph 5 56.9% 280.8 o C 366.1 o C 45.9% ph 7 65.1% 259.6 o C 350.5 o C 45.8%
114 박한솔 박정희 이학성 류근갑 Fig. 4. Effects of ABTS on the synthetic yield of poly(p-phenylphenol) in 80% (v/v) dioxane. Aqueous buffers (100 mm) are sodium acetate for ph 4~6 and sodium phosphate for ph 7~9. Fig. 5. Thermal properties of poly(p-phenylphenol) synthesized in 80% (v/v) dioxane with 20% (v/v) of two differential aqueous buffers; sodium acetate (100 mm, ph 4) and sodium phosphate (100 mm, ph 9) in the presence of 2 mm ABTS. HRP=2.5 mg/20 ml. A: Thermogravimetric analysis, B: Differential scanning calorimetry. 이때효소의사용량은 2.5 mg/20 ml이었다. 또한완충용액의 ph 변화범위도 4~9 사이로확대하였다. p-phenylphenol의초기농도는 100 mm이었다. Fig. 4에서알수있듯이 ABTS의농도가 0.1 mm 일경우에는수율에미치는영향이거의없었다. 그러나 ABTS의농도가 1 mm로증가될경우 ph의범위가 4~7일때수지의합성수율이약 10% 정도증가하였다. 그러나 ABTS의농도를 2 mm로두배더증가시키더라도수지의합성수율은더이상증가하지않았다. 반면에 ph 값이 8, 9일경우 ABTS의첨가는수율에영향을미치지않았다. 전반적으로완충용액의 ph가증가할수록고분자수지의합성수율은증가하였다. 완충용액의 ph 가 6일경우인산염이주로사용된다. 본연구에서도 ph 6에서 sodium acetate 대신 sodium phosphate (100 mm) 완충용액을사용한결과 ABTS의농도가 0~2 mm 범위에서사용할경우모두수율은 13~17% 로매우낮았다. 또한 ph 9 완충용액을제조하기위해서사용되는 sodium bicarbonate를완충염으로사용할경우수지의합성수율은 25~31% 로 sodium phosphate 를완충염으로사용할경우의합성수율인 51~57% 에비해서매우낮았다. 즉 HRP에의한 poly(p-phenylphenol) 의합성수율은완충염의경계 ph에서, 사용하는완충염의종류에매우민감하게좌우되었다. 완충용액의 ph가 4와 9에서 ABTS의초기농도가 2 mm인조건에서합성된고분자의열분해에대한안정성을 TGA 방법을이용해서특정하였으며그결과는 Fig. 5A에나타내었다. 또한 TGA 실험을통해서무게감소가 5% 일때의온도, 무게감소가 10% 일때의온도, 그리고 800 o C에서의잔류량의무게 % 를측정해서 Table 2에나타내었다. TGA 실험결과 ph 9 완충용액을사용해서합성된 poly(pphenylphenol) 의열안정성이 ph 4 완충용액을사용해서합성된고분자보다우수하였다. 특히 800 o C에서의잔류량은 47.5% 로가장높았다. Fig. 5B에나타낸 DSC 실험결과에서볼수있듯이합성된수지를 30~300 o C로 1차가열할때 200 o C를중심으로넓은발열 peak 가관찰되었다. 또한 ph 9 완충용액에서합성된고분자의경우에는 Fig. 3B에나타낸 ph 7완충용액에서합성된수지의 DSC 측정결과와유사하게 1차가열과정에서약 200 o C에서강한흡열 peak도함께나타났다. 따라서중성및약알칼리성완충용액에서합성된고분자의경우가열과정에서가교화와상변화등이동시에일어나는것으로추측되었다. 또한 ABTS를동시에사용해서합성된고분자역시 30~300 o C로 2차가열할때, 1차가열의경우와는달리흡열및발열 peak가관찰되지않았다. 이러한결과는여기에서합성된고분자는열경화성수지인것으로추정되었다. Table 2. Thermal degradation properties of poly(p-phenylphenol) synthesized by horseradish peroxidase (2.5 mg) in the presence of 2 mm ABTS as a redox mediator in 20 ml of 80% (v/v) dioxane mixed with two different buffers at ph 4 (100 mm sodium acetate) and 9 (100 mm sodium phosphate), respectively Aqueous buffer Synthetic yield 5% weight-loss temperature 10% weight-loss temperature Residue at 800 o C ph 4 44% 270.0 o C 349.6 o C 44.7% ph 9 59% 291.1 o C 357.5 o C 47.5%
Horseradish Peroxidase 효소촉매에의한난연성페놀고분자의합성 115 4. 결론 Dioxane: 수용액 (80:20 v/v) 에서 HRP 효소촉매에의한 poly(pphenylphenol) 의합성수율은반응조건에따라서다음과같이변하였다. (1) 효소의사용량이 0.25 mg/ml까지증가할수록증가하다가그이상의효소를사용하더라도더이상크게증가하지않았다. (2) 수용액의 ph가높을수록증가하였다. (3) 수용액의 ph가 6과 9에서는 20% (v/v) 수용액의 ph를조절하기위해서 sodium phosphate와 sodium bicarbonate를사용할경우각각약 15% 와 20% 감소하였다. (4) 전자전달체인 ABTS를 2 mm까지첨가할경우, ph가 7 이하인수용액을사용하면약 10% 정도증가하였으나 ph가 8과 9인알칼리성수용액을사용하면변화가없었다. HRP에의해서합성된 poly(p-phenylphenol) 은열경화성수지인것으로밝혀졌으며열안정성은 800 o C에서가열한후잔류량이약 45% 이상으로비교적우수하였다. 감 본연구는울산대학교교내연구비 (Project number 2011-0173) 에의해서지원되었으며이에감사드립니다. 사 참고문헌 1. Brode, G. L., Phenolic Resins, in Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 384-416, John Wiley and Sons, New York(1982). 2. Levchik, S., Piotrowski, A., Weil, E. and Yao, Q., New Developments in Flame Retardancy of Epoxy Resins, Polym. Degrad. Stab., 88(1), 57-62(2005). 3. Clary, J. J., Gibson, J. E. and Waritz, R. S., Formaldehyde: Toxicology, Epidemiology, Mechanisms, Dekker, New York, 1983. 4. Niu, J. L. and Burnett, J., Setting up the Criteria and Credit- Awarding Scheme for Building Interior Material Selection to Achieve Better Indoor Air Quality, Environ. Int. 26(7-8), 573-580(2001). 5. Hay, A. S., Blanchard, H. S., Endres, G. F. and Eustance, J. W., Polymerization by Oxidative Coupling, J. Am. Chem. Soc., 81(23), 6335-6336(1959). 6. Hay, A. S., Polymerization by Oxidative Coupling. II. Oxidation of 2,6-Disubstituted Phenols, J. Polym. Sci., 58(166), 581-591(1962). 7. Hay, A. S., Polymerization by Oxidative Coupling: Discovery and Commercialization of PPO and Noryl Resins, J. Polym. Sci., Part A Polym. Chem., 36(4), 505-517(1998). 8. Gross, R. A., Kumar, A. and Kalra, B., Polymer Synthesis by In Vitro Enzyme Catalysis, Chem. Rev., 101(7), 2097-2124(2001). 9. Sarkanen, K. V. and Ludwig, C. H., Lignins:Occurrence, Formation, Structure and Reactions, Wiley, New York, 1971. 10. Dordick, J. S., Marletta, M. A. and Klibanov, A. M., Polymerization of Phenols Catalyzed by Peroxidase in Nonaqueous Media, Biotechnol. Bioeng., 30(1), 31-36(1987). 11. Joo, H., Yoo, Y. J. and Dordick, J. S., Polymers from Biocatalysts, Korean J. Chem. Eng., 15(4), 362-374(1998). 12. Ryu, K. and Dordick, J. S., How Do Organic Solvents Affect Peroxidase Structure and Function?, Biochemistry, 31(9), 2588-2598(1992). 13. Serdakowski, A. L., Munir, I. Z. and Dordick, J. S., Dramatic Solvent and Hydration Effects on the Transition State of Soybean Peroxidase, J. Am. Chem. Soc., 128(44), 14272-14273(2006). 14. Uyama, H., Maruichi, N., Tonami, H. and Kobayashi, S., Peroxidase-Catalyzed Oxidative Polymerization of Bisphenols, Biomacromol., 3(1), 187-193(2002). 15. Shan, J. and Cao, S., Enzymatic Polymerization of Aniline and Phenol Derivatives Catalyzed by Horseradish Peroxidase in Dioxane, Polym. Adv. Technol., 11(6), 288-293(2000). 16. Blinkovsky, A. M. and Dordick, J. S., Peroxidase-Catalyzed Synthesis of Lignin-Phenol Copolymers, J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem., 31(7), 1839-1846(1993). 17. Akkara, J. A., Senecal, K. J. and Kaplan, D. I., Synthesis and Characterization of Polymers Produced by Horseradish Peroxidase in Dioxane, J. Polym. Sci. Part A: Polym. Chem., 29(11), 1561-1574(1991). 18. Granzow, A., Flame Retardation by Phosphorus Compounds, Acc. Chem. Res., 11(5), 177-183(1978). 19. Song, H. K. and Palmore, G. T. R., Conductive Polypyrrole via Enzyme Catalysis, J. Phys. Chem. B, 109(41), 19278-19287(2005).