Depolymerization of chitosan by Sodium nitrate

Chitosan is polyglucosamin prepared by treating chitin with strong alkali medium. Chitin is insoluble in any solvents, however, chitosan is soluble in acidic aqueous medium(lower than pH 4). Amino groups(-NH_(2)) in chitosan changed into cationic ammonium ions(-NH_(3)^(+)) in acidic solution. Therefore, the increase of acid amouts in medium would increase the amount of ammonium ions in chitosan and the solubility of chitosan. In my study, weight average molecular weight(Mw), degree of deacetylation(DA), solubility parameter(a) of prepared low molecular weight chitosan were investgated by changing Mw of initial chitosan, the proportion of NaNO-(2)/chitosan amounts, reaction time, and reaction temperature. As a result, Mw of initial chitosan did not affect on Mw of prepared low Mw chitosan. In case of Mw 37,100, depolymerization of polymer chain did not occur. The proportion between NaNO_(2)/chitosan affected on the depolymerization reaction of chitosan. As the proportion of NaNO-(2)/chitosan increased, the depolymerization reaction were enhanced. The proportion of NaNO_(2)/chitosan affected more on the decrease of DA than on the depolymerization of chitosan. As the Proportion of NaNO_(2)/chitosan increased, the DA of resulting chitosan were decreased. As the reaction time increased, the depolymerization occurred slowly. However, as the reaction time increased, the DA of resulting chitosan decreased significantly and the gap between actual DA and calculated DA became large. As the reaction temperature decreased, the depolymerization reaction was decreased without affecting DA significantly(DA>90%). Therefore, chitosan with high solubility(with high amount of amino groups) can be acquired by controlling reaction condition, especially by lowering reaction temperature;Chitosan은 chitin을 강알칼리로 처리하여 얻어진다. 그러나 chitosan은 산성 용액에만 용해되며 용해된 후에도 고점도의 용액이 되므로 사용에서 제한을 받을 수 밖에 없다. 따라서 chitosan을 저분자화시켜 새로운 기능성 발현을 유도하기 위하여 많은 연구가 이루어져왔다. Chitosan의 분자량을 저하시키기 위해서는 화학적인 저분자화 방법이 간단하고 재현성이 우수하다는 장점이 제시되고 있다. 반면 분자량 조절과정에서 특별한 기술이 요구되며 저분자화된 chitosan의 탈아세틸화도가 낮아지는 우려가 제기되고 있다 NaN0_(2)를 사용하여 chitosan을 저분자화시킬 때 NaN0_(2)는 chitosan 내부의 -NH_(2)기와 1:1로 반응하여 glycoside 결합을 절단시켜 저분자화 chitosan의 수득을 가능케 하는 것으로 알려져 있다. 이 경우도 DA의 저하가 필연적으로 유발되지만 이론적 측면에서 볼 매 DA의 저하가 크지 않다는 점이 장점으로 지적되고 있다. 본 연구에서는 NaN0_(2)를 저분자화에 사용하였다. NaN0_(2)/Chitosan의 비율, 반응시간, 반응온도 등을 변화시켜 저분자화 chitosan을 얻었고 이들의 제반 특성을 조사하였다. 각각 분자량이 상이한 3종류의 출발 chitosan을 사용하였을 때 수득되는 저분자화 chitosan의 분자량 변화를 살펴보았다. 출발 chitosan과 저분자화 chitosan의 DA를 서로 비교함으로써 NaN0_(2)가 분자쇄의 절단과 Chitosan의 -NH_(2)기에 미치는 영향을 정량적으로 조사하였다. 저분자화 chitosan의 DA 저하를 최소화하기 위해 고탈아세틸화도의 출발 chitosan을 사용하였다. 분자량이 521,500과 186,200인 출발 chitosan을 저분자화시켰을 때 수득되는 저분자화 chitosan의 분자량의 크기는 거의 유사하였다. 반면 분자량이 37,100으로 극히 낮게 유지되는 출발 chitosan이 사용되었을 때는 분자쇄의 절단이 거의 유발되지 않았으며 오히려 NaN0_(2)는 -NH_(2)기의 변성에 주로 관여하고 있음이 증명된다. 출발 chitosan의 분자량보다는 NaN0_(2)/chitosan의 비율이 분자량의 저하에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. NaN0_(2)/ChitOSan의 비율이 커질수록 분자쇄의 절단이 원활해진다. NaN02/ChitOSan의 비율은 분자쇄의 절단 뿐만 아니라 DA 저하에도 큰 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. NaN0_(2)/ChitOSan의 비율이 커지면 수득되는 저분자화 chitosan의 DA 저하율이 급격히 상승되고 있다. 반응온도가 낮아지면 분자쇄의 절단능은 저하되지만 저분자화 chitosan의 DA는 높게 유지되고 있어 용해성이 큰 저분자화 chitosan의 수득 측면에서 바람직하다.목차 = ⅲ List of Tables = ⅳ List of Schemes = ⅴ 논문개요 = ⅵ Ⅰ. 서론 = 1 Ⅱ. 실험 = 6 1. 시료 및 시약 = 6 1.1 시료 및 시약 = 6 1.2 NaNO_(2)에 의한 chitosan의 저분자화 = 6 1.3 저분자화 chitosan의 회수 = 6 2. 측정 및 분석 = 9 2.1 분자량 측정 = 9 2.2 탈아세틸화도 측정 = 9 Ⅲ. 실험결과 및 고찰 = 11 Ⅳ. 결론 = 23 참고문헌 = 26 Abstract = 2

Re-Determination of constant a and K values in Mark-Houwink eqution for chitosan

Chitosan은 산 수용액에 용해되므로 수용액 상태에서의 conformation이 정확하게 파악되어야만 특정 분야의 응용을 기대할 수 있다. Chitosan은 갑각의 기원, 제조 방법, 탈아세틸화도, -NH₂기의 분포, 분자량, 분자량 분포, 용매 선택 등의 인자에 따라 분자쇄의 구조와 용해성이 변화된다. 또한 chitosan은 고분자 화합물이므로 정확한 분자량의 측정이 요구된다. Chitosan의 분자량 측정에서는 고유 점도를 이용하는 분자량 측정법이 널리 사용되어 왔다. 이 방법에서는 Mark-Houwink 식에서의 상수 a값과 K값이 적용되어 분자량이 계산되고 있다. 그러나 지금까지 여러 연구자들에 의하여 제시되고 있는 상수 a, K값들은 서로 일치하지 않고 있다. 본 연구에서는 일차적으로 chitosan에서 Mark-Houwink 식의 상수 a, K값이 서로 일치하지 않고 있는 원인에 대하여 검토하였다. Chitosan에서는 탈아세틸화도(이하 DA로 칭함)가 변화되면 Mark-Houwink 식에서의 상수 a, K값이 변화된다는 점을 확신하고 DA의 변화가 상수 a, K값에 미치는 영향을 연구하였다. Chitin을 탈아세틸화 시켜서 DA가 서로 상이한 Chitosan A, B, C를 제조하였다. 이들 3종류의 chitosan을 저분자화 시켜서 각각의 DA에서 서로 다르게 결정되는 a값과 K값을 얻었다. 아세틸화 chitosan은 chitin의 탈아세틸화 과정을 통하여 제조된 chitosan과 DA가 유사하더라도 conformation에서 차이가 발생하게 된다. 이 점에 착안하여 아세틸화 Chitosan D, E를 제조하고 저분자화 시켜서 Mark-Houwink 식에서의 a, K값을 결정하였다. 저분자화 시료들의 DA는 출발 chitosan과 동일하게 유지되지 않았고 대략 2~6% 정도 변화하였다. 이는 출발 chitosan에서 분자량에 따라 DA의 분포가 존재하는 것으로 추정된다. Chitosan A, B, C로부터 얻게 되는 저분자화 시료들은 분자량의 크기에 따라서 상수 a값이 크게 변화되었다. 특히 분자량이 커지게 되면 a값이 급격히 저하되었다. 반면 아세틸화 chitosan인 Chitosan D, E에서는 분자량이 증가되어도 a값의 변화가 크게 나타나지 않았다. 아세틸화 chitosan에서는 수소결합이 강하게 작용하지 않기 때문에 분자량이 증가되어도 a값이 크게 저하되지 않는 것으로 생각된다. 아세틸화 chitosan에서의 이러한 특성은 향후 chitin의 용해성 개선에 유용하게 이용될 수 있을 것으로 예측된다. Chitosan B, C, D에서는 특정 분자량에서 Mark-Houwink 식의 상수 a값이 급격히 변화되는 break point의 존재로 인하여 log MW에 대한 log IV의 관계가 획일적인 직선성이 성립되지 않았다. 점도법을 통한 분자량 측정에서 신뢰성이 부여되기 위해서는 break point의 존재가 감안되어 보정된 a값이 적용되어야 할 것이다. DA의 변화에 따라서도 Mark-Houwink 식의 상수 a, K값이 각각 다르게 측정되고 있다. 이를 통하여 상수 a, K값의 결정에서 DA의 변화가 고려되어야만 한다는 사실이 확인되었다.;Chitosan is soluble in an acidic aqueous solution, so application of it to a specific field can be expectable as long as conformation in an aqueous solution state is grasped exactly. Chitosan varies in solubility and structure of molecular chains depending on factors such as its shell origin, manufacturing method, degree of deacetylation, -NH₂ group distribution, molecular weight, molecular weight distribution, solvent selection, etc. Besides, chitosan is a high molecular compound, so it is required to measure accurate molecular weight. For measurement of molecular weight of chitosan, a method using intrinsic viscosity has been widely used. This method calculates molecular weight by applying constant a and K values in the Mark-Houwink equation. Constant a and K values presented by many researchers so far, however, don't coincide with one another. This study primarily reviewed the causes that constant a and K values in the Mark-Houwink equation don't coincide with one another in chitosan. The influence of degree of deacetylation(hereinafter called 'DA') on constant a and K values have been investigated by being convinced that in chitosan a change in DA changes constant a and K values in Mark-Houwink equation. Chitosan A, B and C with different DA were manufactured by deacetylation of chitin. Constant a and K values determined differently from one another in each DA were obtained by depolymerizing these 3 kinds of chitosans into low molecules. Acetylated chitosan is different in conformation even though it is similar in DA to the chitosan which is manufactured through the deacetylation process of chitin. By perceiving this point, acetylated Chitosan D and E were manufactured and depolymerized into low molecules, and then constant a and K values in Mark-Houwink equation were determined. DA of low molecular chitosans were not maintained equally to the starting chitosan, but were changed about 2~6%. It is presumed that DA distribution exists depending on molecular weight of starting chitosan. Low molecular chitosans obtained from Chitosan A, B and C have changed constant a value largely depending on the size of molecular weight. Especially, large molecular weight reduced constant a value rapidly. Meanwhile, in Chitosan D and E, acetylated chitosan, there appeared no big difference in constant a value even though molecular weight increased. It is thought that constant a value doesn't drop largely even though molecular weight increases because hydrogen bond doesn't strongly act on acetylated chitosan. It is predicted that such a characteristic in acetylated chitosan can be utilized usefully for the improvement of chitin solubility in the future. In specific molecular weight of Chitosan B, C and D, uniform linearity of relationships between log MW and log IV didn't hold because of the existence of a break point where constant a values in Mark-Houwink equation change rapidly. Compensated a values by considering the existence of break points will have to be applied in order to give reliability to the measurement of molecular weight through viscometry. Constant a and K values in Mark-Houwink equation are being measured differently from one another also depending on the change of DA. Through this, it was confirmed that the change of DA should be considered in determining constant a and K values.논문개요 = ⅷ I. 서론 = 1 II. 이론적 배경 = 8 III. 실험 = 23 A. Chitosan의 준비 = 23 1. 시약의 준비 = 23 2. 고탈아세틸화도 고분자량 chitosan의 제조 = 23 3. 고탈아세틸화도 고분자량 chitosan의 저분자화 = 24 4. 아세틸화 chitosan의 제조 = 25 B. Chitosan의 제반 특성 분석 = 27 1. 탈아세틸화도 측정 = 27 2. 분자량 측정 = 27 IV. 결과 및 고찰 = 29 A. Chitosan conformation에 영향을 미치는 인자 = 29 1. 탈아세틸화도(DA) = 29 2. 분자량(MW) = 32 3. Mark-Houwink 식에서 상수 a값 = 34 B. Mark-Houwink 상수 결정 = 35 1. 탈아세틸화 chitosan = 36 가. 탈아세틸화도 82.59%인 Chitosan A의 특성 연구 = 36 나. 탈아세틸화도 90.61%인 Chitosan B의 특성 연구 = 39 다. 탈아세틸화도 99.36%인 Chitosan C의 특성 연구 = 42 2. 아세틸화 chitosan = 54 가. 탈아세틸화도 84.10%인 아세틸화 Chitosan D의 특성 연구 = 54 나. 탈아세틸화도 71.62%인 아세틸화 Chitosan E의 특성 연구 = 56 V. 결론 = 62 참고문헌 = 65 ABSTRACT = 7