마이크로웨이브 조사를 이용한 이온성액체에서의 리파아제 촉매반응 = Influence of Microwave Irradiation in Lipase-Catalyzed Reaction in Ionic Liquids

국문 초록 (Abstract)

Microwave를 이용한 유기합성(Microwave-Assisted Organic Synthesis, MAOS) 방법은 빠른 에너지 전달과 초가열 현상, 높은 반응수율, 빠른 반응속도와 더불어 청정한 공정 설계를 기대할 수 있다는 점에서 관심이 주목되고 있다. 이온성액체는 극히 낮은 증기압, 높은 열적 안정성 등 그 독특한 특성으로 인해 차세대 청정용매로 많은 주목을 받고 있다. 최근 이온성액체를 생촉매 반응의 용매로의 적용에 관한 연구가 진행되고 있으며 특히 리파아제를 촉매로 한 반응에서 기존의 용매 시스템이나 비용매 시스템에서보다 더 높은 반응성과 수율을 낸다는 결과들이 많이 발표되어있다. 극성분자와 이온성 물질은 microwave를 잘 흡수하므로 이온성액체는 microwave를 이용한 유기합성 반응에서 효율적인 용매로 사용될 수 있다.
본 연구에서는 기존에 전통적인 가열법으로 정립된 Novozym 435를 효소로 이용한 이온성액체에서의 (R,S)-1-phenylethanol의 광학분할, benzyl acetate의 합성, caffeic acid phenethyl ester의 합성법을 microwave를 적용해 결과를 비교하였다. microwave 조사가 효소의 반응성과 생산 수율에 미치는 영향은 반응의 종류에 따라 달랐다. (R,S)-1-phenylethanol의 광학분할 반응에서는 전통적 가열법에 의한 결과와 microwave 조사에 의한 결과가 크게 차이가 없었다. Benzyl acetate 합성 반응에서는 최종 전환율은 거의 비슷하지만, 초기 반응속도는 microwave 조사에서 더 높았다 (50℃: 2.11mM/min에서 3.03mM/min로, 60℃: 2.72mM/min에서 3.07mM/min로). Caffeic acid phenethyl ester 합성반응에서도 초기 반응속도가 증가됨을 확인하였다. 이온성액체를 용매로 한 효소반응에 microwave를 적용시킬 때 가장 중요한 인자는 온도 조절이다. 안정한 반응 온도를 유지하기 위해 microwave의 조사 방법을 변화시키고 온도 순환 개념을 적용하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Microwave-assisted organic synthesis (MAOS) has gained a remarkable interest over the past years because of its advantages - (i) rapid energy transfer and superheating, (ii) higher yield and rapid reaction, (iii) cleaner reactions. Ionic liquids are well known for their unique properties such as negligible vapor pressure and high thermal stability. With these properties, ionic liquids have gained increasing attention as green, multi-use reaction media. Recently, ionic liquids have been applied as reaction media for biocatalysis. Lipase-catalyzed reactions in ionic liquids provide high activity and yield compared to conventional organic solvents or solvent free system. Since polar molecules are generally good absorbent to microwave radiation, ionic liquids were investigated as reaction media to improve activity and productivity.
In this study, therefore, the effect of microwave irradiation in ionic liquids was investigated on lipase catalyzed reactions such as kinetic resolution of (R,S)-1-phenylethanol, benzyl acetate synthesis and caffeic acid phenethyl ester synthesis.
The influence of microwave irradiation on enzyme activity and differed depending on the reactions involved. Comparing to conventional heating, microwave heating showed similar effect in kinetic resolution of (R,S)-1-phenylethanol. In case of benzyl acetate synthesis, final conversion was almost same, but initial rate increased from 2.11mM/min to 3.03mM/min at 50℃ and 2.72mM/min to 3.07mM/min at 60℃. And in case of caffeic acid phenethyl ester synthesis, initial rate was enhanced.
Temperature control was found to be most important in microwave irradiation on enzymatic reaction in ionic liquids. To keep reaction temperature in an appropriate range, different microwave irradiation methods and temperature cycling conceptscheme were tried out.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1. Microwave heating 1
• 1.2. Microwave-assisted organic synthesis (MAOS) 2
• 1.3. Microwave를 이용한 이온성액체(ionic liquids)의 가열 3
• 1.4. 연구의 목적 4
• 2. 재료 및 방법 5
• 2.1. 재료 5
• 2.2. 효소반응 및 분석조건 6
• 2.2.1. Benzyl acetate synthesis in [Emim][Tf2N] 6
• 2.2.2. Kinetic resolution of 1-phenylethanol in [Edmim][Tf2N] 6
• 2.2.3. Caffeic acid phenethyl ester synthesis in [Emim][Tf2N] 7
• 2.3. 운전조건 7
• 3. 결과 및 고찰 8
• 3.1. 일정한 반응온도 유지만을 기준으로 가열법간 결과 비교 8
• 3.2. 실험 외적 인자의 간섭 배제 11
• 3.3. 안정적인 온도유지를 위한 microwave 조사방법 17
• 3.4. Temperature cycling 컨셉의 적용 21
• 4. 결론 28
• 5. 참고문헌 29