Pd/AC 촉매를 이용한 Stigmasterol의 수소첨가반응

윤 경 숙, 김 의 용

서울시립대학교 화학공학과

Hydrogenation of Stigmasterol Using a Pd/AC Catalyst

Kyung Suk Yun, Eui Yong Kim

Dept. of Chemical Engineering, University of Seoul

서  론

Sterol은 비록 적은 농도이기는 하지만 동식물 내에 일반적으로 존재하는 화합물이다. 이러한 sterol 화합물은 동물체 내에서는 대부분 cholesterol의 형태로, 식물체 내에서는 cholesterol과 구조적으로 유사한 여러 가지 sterol의 형태로 존재한다. Phytosterols이란 고등식물에서 얻어진 sterol의 일반적인 명칭으로, campesterol, stigmasterol,□-sitosterol 등의 형태로 흔히 존재한다. Phytosterols 과 그의 유도체는 담즙산이 존재하는 경우 장의 점막에 대한 친화도가 cholesterol보다 높아 cholesterol의 흡수를 저해하여 혈액 중 LDL- cholesterol의 수치를 20-30% 감소시키는 기능을 한다고 보고되어있다. 이러한 기능을 하는 phytosterols로는 □-sitosterol, □-sitostanol(stigmastanol) 및 이들의 지방산 유도체가 있으며, □-sitosterol보다는 □-sitostanol이 효과적이며, 용해성을 향상시킨 지방산 에스터가 효능면에서는 가장 우수한 것으로 알려져 있다. Stanol은 sterol의 불포화된 5번과 6번 탄소에 수소를 첨가하여 포화시킨 것으로, 자연계에는 흔히 존재하지 않는다. 그러므로, Cholesterol을 흡수 저해하는데 있어서 효과가 좋은 stanol의 형태로 전환할 필요가 있다.

수소첨가반응은 고체 촉매와 액상인 반응물, 그리고 수소의 3상 반응이다. 물질전달은 촉매 표면에서 반응물의 농도를 지배하며 결과적으로 반응 속도에 큰 영향을 미치므로 상에서의 물질전달은 매우 중요하다. 농도의 변화에 영향을 미치는 인자들은 촉매의 농도와 반응성, 교반 속도, 공급되는 수소의 압력, 온도등 이다. 수소첨가반응은 회분 형태의 반응기로 이루어지며, 주로 Ⅷ족에 있는 전이 금속이 가장 촉매 활성이 큰 것으로 알려져 있다. Sterols을 수소첨가반응메카니즘은 다음의 Fig. 1 과 같다.

재료 및 방법

재료 : 분석의 표준품으로는 Sigma사의 5□-cholestane, stigmasterol, □-sitosterol, □-sitostanol(stigmastanol)을 사용하였다. 원료물질로는 Sigma사의 Stigmasterol을 사용하였다.

분석 방법 : Stigmasterol,□-sitostanol을 chloroform에 녹이고, 이 용액들을 적당한 배율로 희석한 다음 내부 표준물질로 5□-cholestane을 사용하여 검량선을 작성하였다. 정량분석을 하기 위해서 내부표준물질인 5□-cholestane 에 대한 각 표준 sterol의 무게비를 면적비로 나누어 계산하였다.

GC 분석 : 실험에 사용한 장치는 YoungLin사의 M600D Gas Chromatography이며 분석 조건은 다음의 Table 1 과 같다.

수소 첨가 반응 : 수소 첨가 반응은 Aldrich사의 Palladium on activated carbon(Pd 5%)을 촉매로 하여, GODO Engineering사의 고압 수소화 반응장치를 이용하였다. Stigmasterol의 전화율과 stigmastanol의 선택도를 다음과 같이 정의하였다.

Selectivity = stigmastanol/(stigmastanol+□-sitosterol)

conversion = (stigmasterol in - stigmasterol out)/stigmasterol in

결과 및 토론

5□-cholestane에 대해 stigmasterol과 stigmastanol의 검량선(Fig.1)을 작성하였고 이들로부터 다음의 식에 따라 conversion factor, K를 구하였다.

[eqn: rm K``=``{sterol~wt.(mg)} over {5□-cholestane~wt.(mg)} × {5□-cholestane~ area} over {sterol ~area}]

Stigmasterol의 경우 K는 1.64이고, stigmastanol의 K는 1.19의 값을 나타내었다. 또한, stigmasterol의 retetion time은 14.01분이고, stigmastanol의 경우에는 14.7분이었다.

Table 1. Condition of Gas Chromatography for analysis of Sterols

Description	Conditions
Column Column dimension Carrier gas Det. temp. Inj. temp. Oven temp. Inj. volumn Split ratio	HP-1 Column 30m×0.25mm×0.25□ N2 FID (300℃) 300℃ 70℃ → 280℃ (40℃/min) → 300℃ (5℃/min) 1□ 1/10

Stigmasterol의 수소첨가반응은 반응물의 초기 농도를 0.5% (w/v) 30□, 사용된 촉매의 양은 0.06g, 교반 속도는 500rpm, 압력은 100psi하에서 30℃와 40℃에서 수행되었다. Fig. 2는 반응 시간에 따른 산물의 조성 변화를 보여주고 있다.

30℃ 에서는 약 15분 정도에, 40℃에서는 약 25분 정도에 조성이 일정하게 유지되고 있음을 알 수 있었다. 또한, 온도가 낮을수록 반응이 진행되는 시간이 짧아짐을 알 수 있었다.

(a) stigmastanol

(b) stigmasterol

Fig. 1. Calibration of sterols.

Fig. 2. The Change in relative conc. of Stigmasterol, Stigmastanol,

□-sitosterol, during reaction at 303K, 313K.

반응시간과 전환율 사이의 관계는 Fig. 3에 나타나 있다.

Fig. 3 The changes in stigmasterol conversion with reaction time

참고 문헌

S.P.Mathew, M.V. Rajasekharam, R.V. Chaudhari, Hydrogenation of p-isobutyl acetophenone using a Ru/Al2O3 catalyst: reaction kinetics and modelling of a semi-batch reactor, Catalysis today (1999), 49-56

Malyala V. Rajashekharam, Dattu D. Nikalje, Rengaswamy Jaganathan, and Raghunath V.  Chaudhari, Hydrogenation of 2,4-Dinitrotoluene Using a

Pd/Al2O3  catalyst in a Slurry reactor ; A Molecular Level Approach to Kinetic Modeling and Nonisothermal Effects, Ind. Eng. Chem. Res. (1997), 36, 592-604

David Kritchevsky, Phytosterols, Plenum Press, New York, 1997