초록 ▼

□ 연구개요
최근에 유기화학과 화학공학 분야가 접목되어 연속흐름 방식이라는 새로운 방법론이 시도되고 있음. 기존 회분식 반응과는 달리 마이크로 채널 내부에서 반응을 진행하게 되면, 안전성과 지속 가능성 측면에서 확실한 장점을 보여줄 수 있음. 미세유체소자를 활용한 전기화학적, 광화학적 합성법이 다양한 의약품 및 정밀 화학제품의 효율적인 합성 및 생산에 대한 미래 요구를 충족시킬 수 있을 것으로 기대하고 있음. 상업공정을 위한 미세유체소자는 비교적 간단한 구조를 가지고 있어 제작이 용이하며, 반복 사용을 위해 내구성이 좋아야하기

□ 연구개요
최근에 유기화학과 화학공학 분야가 접목되어 연속흐름 방식이라는 새로운 방법론이 시도되고 있음. 기존 회분식 반응과는 달리 마이크로 채널 내부에서 반응을 진행하게 되면, 안전성과 지속 가능성 측면에서 확실한 장점을 보여줄 수 있음. 미세유체소자를 활용한 전기화학적, 광화학적 합성법이 다양한 의약품 및 정밀 화학제품의 효율적인 합성 및 생산에 대한 미래 요구를 충족시킬 수 있을 것으로 기대하고 있음. 상업공정을 위한 미세유체소자는 비교적 간단한 구조를 가지고 있어 제작이 용이하며, 반복 사용을 위해 내구성이 좋아야하기 때문에, 본 연구에서는 최종적으로 활용 가능한 기술 개발에 초점을 두고자 함

□ 연구 목표대비 연구결과
지금까지 높은 수율을 보였던 화학 반응들은 대부분 반응하는 위치를 반응성이 높은 형태로 변형한 후에 사용하였으나, 이러한 전통적인 접근 방식은 원자 경제적 측면에서 매우 불리함. 반응 선택성을 높이면서도 원자 경제적인 측면(Atom economy)과 경제적인 측면을 모두 고려한 반응을 찾기 위하여 최근에 화학자들은 전기화학적 산화를 통하여 화합물을 합성하는 방식을 주목하고 있음.
우리는 TIMs와 BIMs의 합성을 위하여 연속 흐름 합성을 디자인하였고, 이와 동시에 공정의 안정성과 수율을 위하여 조건을 최적화하였음. 단일 상 연속 흐름 합성은 채널에서 막힘 현상이 발생하지만 droplet 기반의 연속 흐름 합성은 짧은 반응시간 내에 좋은 공정 안정성과 높은 수율을 보장하였음. 저렴하고 독성이 없는 oxalic acid dehydrate와, 물과 DMF의 혼합 용매를 사용하여 다양한 Bis(indolyl)methanes(BIMs) and Tri(indolyl)methanes (TIMs)를 합성할 수 있었음. 추가적인 정제 없이 재사용이 가능한 perfluoro-(2-n-butyl tetrahydrofuran)을 연속 상으로 사용함으로 써, 95 ℃에서 20분 동안 반응을 진행함으로써 87%의 높은 수율을 얻을 수 있었음. Sonication과 달리 droplet 기반의 방식은 넓은 온도 범위에서 견딜 수 있으며 불용성 의약품의 대량 생산이 가능할 것으로 예상됨.
연속 흐름 dichlorocyclopropanation에서 침전 및 막힘의 원인을 분석하여 흐름 반응이 T-junction과 microtube로만 수행 될 수 있음을 확인하였음. 3 차 아민과는 달리 4 차 암모늄염을 PTCs로 사용했을 때 마이크로 채널에서 침전 및 막힘이 발생하지 않았으며 반응 온도, 반응물 농도, 머무름 시간을 최적화 한 후 최대 99 %의 우수한 수율을 얻을 수 있었음. 스케일 업 실험에서는 마이크로 채널의 내경 (ID)이 증가함에 따라 반응 수율이 약간 감소했지만 계산 된 처리량은 2.41g / h (ID : 1.5mm)에서 3.46g / h (ID : 1.9 mm)와 5.13g / h (ID : 2.4mm)로 증가하였음.
기존에 제작하였던 전기화학 반응용 미세유체소자 시스템은 고가의 수입 제품으로 구조 변경이 불가능하였음. 이번 연구에서는 비교적 기계적 가공이 용이하고, 물리적, 화학적 특성이 우수한 PEEK와, Teflon을 활용하여 자체 제작함으로서, 수입 대체 효과 뿐 만 아니라, 제작 비용이 1/20으로 다양한 전기화학 반응에 활용이 가능할 것으로 기대함.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
기존의 연구가 단기적 연구 성과를 추구하는 방향으로 진행된 측면이 있었는데, 이번 연구는 철저하게 상업생산 공정에서의 적용 가능성을 고려하여 연구를 진행하겠음. 현재 미세유체소자 활용기술은 독일, 미국, 영국과 일본이 주도 하고 있으나, 안타깝게도 국내에서는 아직 활발한 연구 개발이 이루어지지 못하고 있음. 본 과제에서 얻은 연구결과를 바탕으로 전기화학 반응과 광화학 반응 등에 필요한 고가의 외국산 장비를 국산으로 대체하는 연구를 후속으로 진행하였음.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 1) 미세유체소자 기반 TIMs와 BIMs의 합성 ... 4
• 2) 미세유체소자 기반 dichlorocyclopropane의 합성 ... 7
• 3) 전기화학반응용 미세유체소자 제작 ... 11
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 11
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 11
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 11
• 3) 목표 달성 수준 ... 12
• 4) 목표 미달 시 원인 분석(해당 시) ... 12
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 12
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 12
• 6. 참고문헌 ... 13
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 15
• 끝페이지 ... 26