천연물에 포함된 유용성분의 용해도 매개변수 예측

강 지 훈·정 성 택·노 경 호

인하대학교, 화학공학과

Prediction of Solubility Parameter of Useful Components

in Natural Product

Ji Hoon Kang·Sung Taik Chung·Kyung Ho Row

Dept. of Chem. Eng., Inha University, Inchon 402-751, Korea

서론

새로운 의약품 개발중에서 특히 천연물에 포함이 되어 있는 유용성분들을 이용하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 천연물의 잎이나 열매를 구성하기 위해서는 여러 가지 필수적인 성분들이 필요하다. 이러한 성분들 중에는 각종 질병의 예방과 치료에 있어서 그 효과가 탁월한 것이 많이 있기 때문에 지난 수십년간 이에 대한 연구가 이루어져 의약 뿐만 아니라 음료, 제약, 제과, 화장품 그리고 향수 산업 등 산업의 전분야에 걸쳐 광범위하게 사용되고 있다. 이중에 강력한 항암제인 taxol은 주목나무에 포함되어 있으며 국내의 몇 기업에 의해서 상품화가 진행중이다. 또한 녹차에 함유되어 있는 여러 성분들이 성인병의 예방과 치료에 대한 효능이 밝혀지면서 녹차류의 수요가 점차 확대되어 가고 있으며, 귤이나 오렌지 등의 감귤류의 표피에 포함된 여러 유용성분들은 유방암, 대장암, 폐암 등 여러 가지 질병들에 대해서 항암효과가 있다. 이와같이 천연물에는 의약 및 산업체에서 유용하게 사용되거나 사용될 수 있는 여러 가지 성분들이 풍부하게 포함이 되어 있으며 제약회사를 중심으로 천연물에 포함되어 있는 유용성분들을 추출하여 상품화하기 위하여 많은 노력을 기울이고 있다[1].

천연물에서 유용성분만을 추출할 수 있는 용매는 매우 많은 종류가 있을 수 있다. 제일 확실한 방법은 적절한 용매를 선정하여 천연물에서 직접 추출하는 방법이나 이 경우에는 많은 시간이 소요되고 선택하지 않은 용매 또한 적지 않을 수 있다. 그러므로 천연물중의 유용성분과 용매의 용해능력을 수치적으로 표시하기 위해서 용해도 매개변수(solubility parameter)를 이용한 용해도가 사용된다. 용해도 매개변수의 값은 용질의 내부압의 크기를 표시한 것으로서 용매 1□를 증발시키는데 필요한 에너지의 양이고 특정온도에서 증발잠열과 밀도로부터 계산한다. 두 물질의 상호 용해도를 추정하는 경우에는 두 물질의 이 값의 차이가 적을수록 서로 잘 용해됨을 의미한다.

Hoftyzer와 Van Krevelen[2]은 화합물의 구조에 의해 용해도 매개변수 값을 계산하였다. 또, Grubenmann[3]은 용해도 매개변수를 이용하여 여러 용매에서 pigment의 용해도를 예측하였고, Kupperblatt 등[4]은 고분자 물질의 용해도를, Bustamante 등[5]은 drug의 용해도를 예측하였다. 국내에서도 Row 등[6]은 용해도 매개변수를 도입하여 세정제에서 abietic acid의 용해도를 예측하였다. 이와같이 물리적 성질이 잘 알려지지 않은 물질의 용해도 매개변수의 예측 뿐만 아니라, 이 매개변수를 이용한 연구들이 많이 진행되고 있다.

천연물중에 포함된 유용성분의 추출에 필수적인 용해력이 큰 용매를 선정하기 위해서 solvent strength, miscibility 등의 관점에서 용해도 매개변수를 구조에 의해 예측하는 것이 본 연구의 목적이다.

이론

Hildebrand의 용해도 매개변수는 다음과 같이 나타낸다.

[eqn: rm delta ~=~ LEFT ( {H^V ~-~RT} over V RIGHT )^{1 over 2}]

여기서, HV는 증발열, R은 이상기체상수, T는 절대온도, V는 몰부피를 나타낸다.

전체 용해도 매개변수(□)는 다음의 세 개의 부분적인 용해도로서 구성되어 있으며 단위는 [eqn: cal^{1/2} ``□^{-3/2}]이다.

[eqn: delta ~=~ (delta _d^2 ~+~delta _p^2 ~+~delta _h^2 )^{1/2}]

[eqn: delta _d] = dispersion component of solubility parameter, [eqn: delta _p] = polar component of solubility parameter, [eqn: delta _h] = hydrogen bonding parameter of solubility parameter이다.

각각의 용해도 매개변수는 구조에 의해 다음과 같이 구할 수 있다.

[eqn: rm delta _d ~=~ {LEFT ( SUM from { z } {}^z F_d RIGHT )} over V]

[eqn: rm delta _p ~=~ {LEFT ( SUM from { z } {}^z F_p^2 RIGHT )}^{1 over 2} over V]

[eqn: rm delta _h ~=~ LEFT ( - {SUM from { z } {}^z U_h} over V RIGHT )^{1 over 2}]

여기서 Fd, Fp = dispersion and polar group molar attraction contribution [J1/2□3/2/mol], Hh = hydrogen bonding parameter group contribution [J/mol]이다.

결과 및 고찰

천연물에서 유용성분을 추출할 때 가장 좋은 용해도를 갖는 용매를 사용하여야 하는 이유로서는 최소한의 용매를 사용할 수 있고 유용성분을 많이 추출할 수 있어서 생산성을 극대화할 수 있다. 유용성분을 가장 잘 용해할 수 있는 용매를 찾기 위해서는 이들 물질의 상호작용을 규명해야 하며 이는 용해도 매개변수를 사용하는 것이다. 모든 화학물질은 구조에 의해서 결정되는 고유의 용해도 매개변수를 갖고 있다. 용매의 용해도 매개변수 값은 표에서 쉽게 얻을 수 있고, 물리적 성질이 잘 알려져 있지 않은 이들 유용성분의 값은 구조에 의해서 계산할 수 있다. Table 1은 의학적으로 관심이 높은 이들 유용성분의 성질을 나타낸 것이고, 구조식은 Fig. 1에 나타내었다. 위의 유용성분중 (+)catechin에 대해서 용해도 매개변수를 화합물의 구조에 의해 계산한 값들을 Table 2에 나타내었다.

Table 1. Properties of Useful Components used in this work

Name	Formular	Molecular weight	Molar volume [□/mol]
(+)catechin	C15H14O6	290.3	259
(-)epicatechin gallate	C22H18O10	442.4	364
(-)epigallocatechin	C15H14O7	306.3	266
(-)epigallocatechin gallate	C22H18O11	458.4	371
perillyl alcohol	C10H16O1	152.2	196
taxol	C47H51NO14	853.9	812

Table 2. Solubility Parameter Components for (+)catechin

Group	Quantity	Fd	Fp2	Uh
-CH2-	1	270	0	0
ＢCH-	1	80	0	0
ＡCH-	5	1000	0	0
ＡC＠	2	140	0	0
-OH	5	1050	1250000	100000
-O-	1	100	160000	3000
Ring	3	570	0	0
		□Fd=3210	□Fp2=1410000	□Uh=103000

Components : [eqn: delta _d]=3210/259=12.4, [eqn: delta _p]=(1410000)1/2/259=4.6, [eqn: delta _h]=(103000)1/2=19.9

[eqn: delta~=~root {delta _d^2 ~+~delta_p^2 ~+~delta_h^2}] = 23.9MPa1/2

이와같은 방법으로 다른 유용성분의 용해도 매개변수를 계산하였고, 그 결과를 Table 3에 나타내었다.

Table 3. Solubility Parameter of Useful Components

useful component	[eqn: delta _d] [MPa1/2]	[eqn: delta _p] [MPa1/2]	[eqn: delta _h] [MPa1/2]	□ [MPa1/2]
(+)catechin	12.4	9.8	19.9	25.4
(-)epicatechin gallate	13.1	9.8	20.3	26.1
(-)epigallocatechin	12.1	11.4	21.5	27.2
(-)epigallocatechin gallate	12.9	10.9	21.4	27.3
perillyl alcohol	22.6	5.3	11.9	26.1
taxol	20.8	7.6	11.6	25.0

참고문헌

1. Row, K. H. : "Principles and Applications of Liquid Chromatography",

1st ed., Inha Univ. Inchon(1999).

2. Hoftyzer, P. J. and Van Krevelen D. W. : "Properties of Polymers",

Butterworth, London, 2nd ed., 152(1976).

3. Grubenmann, A. : Dyes and Pigments, 21, 273(1993).

4. Kupperblatt, G. B. and Chung, C. I. : The International Journal of Powder

Metallurgy, 29(3), 229(1993).

5. Bustamante, P., Ochoa, R., Reillo, A. and Escalera, J. B. : Chem. Pharm.

Bull., 42(5), 1129(1994).

6. Row, K. H. and Lee, Y. Y. : HWAHAK KONGHAK, 31(6), 623(1993).

(+)catechin	(-)epicatechin gallate

(-)epigallocatechin	(-)epigallocatechin gallate

perillyl alcohol	taxol

Figure 1. Chemical Structure of Useful Components