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Horseradish Peroxidase 효소촉매에 의한 난연성 페놀고분자의 합성
Enzymatic Synthesis of Flame Retardant Phenolic Polymers Catalyzed by Horseradish Peroxidase 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.51 no.1, 2013년, pp.111 - 115  

박한솔 (울산대학교 화학공학부) ,  박정희 (울산대학교 화학공학부) ,  이학성 (울산대학교 화학공학부) ,  류근갑 (울산대학교 화학공학부)

초록
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Horseradish peroxidase 효소촉매를 이용하여 dioxane:수용액(80:20 v/v) 혼합용액에서 poly(p-phenylphenol) 수지를 합성하기 위한 최적 반응조건과 생성된 수지의 열분해 안정성과 가열특성을 thermogravimetric analysis (TGA)와 differential scanning calorimetry (DSC) 방법을 통해서 각각 조사하였다. 효소의 사용량이 0.25 mg/mL로 증가할 때 수지의 합성수율은 급격하게 증가하였으나 효소의 사용량이 0.25 mg/mL 이상으로 증가하더라도 수지의 합성수율은 크게 증가하지 않았다. 또한 sodium acetate (100 mM, pH 4~6)와 sodium phosphate (100 mM, pH 7~9) 완충용액을 수용액으로 사용할 경우 pH가 증가할수록 페놀수지의 합성수율이 증가하였다. 그러나 수용액의 pH가 6과 9일 때, 수지의 합성수율은 사용하는 완충염의 종류에 따라서 크게 좌우되었다. 즉 pH 6에서 sodium acetate 대신 sodium phosphate를 사용하면 합성 수율은 15% 정도 감소하였다. 또한 pH 9에서 sodium phosphate 대신 sodium bicarbonate를 사용할 경우 합성 수율이 약 20% 정도 크게 감소하였다. 수용액의 pH가 4~7 범위에서 2,2'-azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS)를 전자전달체로 사용하면(2 mM) 합성 수율이 약 10% 정도 향상되었다. TGA 실험결과 pH 9인 수용액에서 ABTS가 2 mM이 첨가된 합성수지$800^{\circ}C$에서의 잔류량(char yield)이 47%로 열분해 안정성이 가장 우수하였다. DCS 측정 결과 산성수용액에서 합성된 수지와 중성 및 염기성 수용액에서 합성된 수지의 구조특성은 서로 달랐다. 그러나 모든 합성수지는 열경화성 수지의 특성을 보여주었다.

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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 diff...

주제어

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문제 정의

  • 효소촉매를 이용해서 poly(p-phenylphenol)을 합성하기 위하여 가장 대표적으로 사용되어 온 용액은 dioxane-수용액 혼합 용액이다 [18]. 단량체인 p-phenylphenol의 용해도를 높이고 효소의 활성을 유지하는 것으로 알려진 용액인 80% (v/v) dioxane을 반응용매로 사용해서 난연성이 우수한 poly(p-phenylphenol)의 합성수율을 높이기 위한 조건을 연구하였다. 우선 poly(p-phenylphenol) 합성을 위해서 사용된 산성용액(100 mM sodium acetate, pH 5)과 HRP의 활성이 우수한 중성용액(100 mM sodium phosphate, pH 7)을 각각 수용액 성분(20% v/v)으로 사용할 때 효소의 사용량을 0.
  • 그러나 현재는 이들 난연제의 환경 유해성으로 인해서 비 할로겐 난연제의 개발이 요구 되고 있다. 본 연구는 친환경적인 난연수지의 개발 방법으로서 HRP 효소에 의해서 합성된 페놀계 수지를 난연물질로 사용할 수 있는 가능성을 함께 탐색하였다. 이를 위해서 다양한 반응조건에서 생성된 poly(p-phenylphenol)의 열분해에 대한 안정성 및 가열 특성을 thermogravimetric analysis (TGA)와 differential scanning calorimetry (DSC) 방법을 이용해서 분석하였다.
  • O)이 생성되기 때문에 강한 산성용액과 유독한 산화제를 사용하는 기존의 중합방법을 대체하기 위한 환경친화적 방법으로서 기대되고 있으며 다양한 페놀고분자와 아민 고분자를 합성하기 위한 방법이 연구되어 왔다[10-16]. 본 연구에서는 HRP에 의해서 합성되는 대표적인 고분자 수지인 poly(p-phenylphenol)의 합성수율을 높이기 위한 연구를 시도하였다. Akkara 등(1991)은 HRP에 의한 p-phenylphenol의 합성 실험을 시행했다[17].
  • 본 연구에서는 pH 4~9까지 더욱 넓은 범위의 pH 용액을 사용하고, 라디칼 전달체인 2,2'-azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS)를 첨가하여 수지의 합성 수율을 높이기 위한 실험을 실시하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Phenol-formaldehyde 수지를 제조하기 위해 사용되는 formaldehyde의 특징은 무엇인가? Phenol-formaldehyde 수지는 표면 코팅제, 접착제, laminates, 마찰제, 난연제 등 다양한 목적으로 사용되어 왔다[1,2]. 그러나 이 수지를 제조하기 위해서 사용되는 formaldehyde는 합성 후에도 수지에 잔류하게 되고 수지를 이용해서 제조된 최종제품을 사용할 때 서서히 방출되는 건강 및 환경에 유해한 유독성 물질이다[3]. 따라서 최근에는 많은 국가에서 기존의 phenol-formaldehyde의 사용을 규제하고 있다[4].
Phenol-formaldehyde 수지는 어떻게 사용되었는가? Phenol-formaldehyde 수지는 표면 코팅제, 접착제, laminates, 마찰제, 난연제 등 다양한 목적으로 사용되어 왔다[1,2]. 그러나 이 수지를 제조하기 위해서 사용되는 formaldehyde는 합성 후에도 수지에 잔류하게 되고 수지를 이용해서 제조된 최종제품을 사용할 때 서서히 방출되는 건강 및 환경에 유해한 유독성 물질이다[3].
cupper 혹은 cupper complex의 단점은 무엇인가? 이에 따라서 환경에 유해한 물질인 formaldehyde를 사용하지 않으면서 간단하고 비용이 저렴한 페놀수지의 개발이 요구되고 있다. 화학적인 방법으로는 cupper 혹은 cupper complex를 이용한 방법이 연구되었으나 치환기를 가지고 있는 페놀 수지의 합성이 어렵고 유독성 화학촉매를 사용한다는 단점이 있다[5-8]. 이러한 화학적 합성방법을 대체하기 위해서 효소를 촉매로 사용할 수 있다.
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참고문헌 (19)

  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 $PPO^{{\circledR}}$ and $Noryl^{{\circledR}}$ 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). 

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