[특별기획(Ⅱ)] 이온성 액체 이용 결정화 기술

서론

결정화란 액체, 기체의 유동성 매질로부터 결정성 고체를 석출하는 현상을 말한다. 결정화는 소금, 설탕, 조미료 등 생활소재에서 부터, 반도체, 제약, 정밀화학, 석유화학 등 산업소재 제조 전반에 걸쳐 널리 사용되 고 있는 기술이다. 특히 21세기는 자본집약형 산업에 서 고부가가치 기술집약형 산업으로 산업 패러다임의 변화 시기로서 결정화 기술은 이에 부합한 기술이며, 현재 많은 연구가 진행되고 있다.

이온성 액체는 일반적으로 100℃이하의 융점을 가 지고 있는 분리된 양이온과 음이온으로 구성된 염이 라 정의하며 융점에 따라 상온 이온성 액체(Room Temperature Ionic Liquid(RTIL)), 저온 이온성 액

체(Low Temperature Ionic Liquid(LTIL))로 분류 한다. 또한 구조적으로 독특한 물질로서 그들만의 특 성을 유지한 채로 개별적이고 독립적으로 적용할 수 있는 양이온과 음이온 요소를 가지고 있다는 점에서 일반적인 유기 및 무기 용매와는 다르다. 이온성 액체 의 일반적인 특성으로는 높은 열안정성, 비휘발성, 낮 은 증기압, 유기 및 무기물질에 대한 높은 용매능력, 용매화합물이 되지 않는 능력, 400℃까지 넓은 액체 범위, 높은 극성, 높은 이온전도도 등이 있다.

또한 이온성 액체는 이론적으로 10¹⁸가지 정도의 양 이온과 음이온의 조합에 의해서 물리화학적 특성을 쉽게 변화시킬 수 있어서 기존 유기 및 무기 용매를 대체하거나 신규 물성을 구현 할 수 있는 장점 덕분에

이온성 액체 이용 결정화 기술

안지훈, 김우식*

경희대학교 화학공학과 [email protected], *[email protected]

그림 1. Cations and anions of ionic liquids.

“디자이너 용매”라 부르며, 결정화 연구에 활용 하였 을 경우 일반적인 유기 및 무기 용매 보다 폭넓은 변 수와 범위에서 결정화 기술을 설계 할 수 있다. 하지 만 이온성 액체는 일반적인 유기 및 무기 용매 보다 그 합성법이 대단히 복잡하며, 그 복잡성 때문에, 가격 또한 매우 비싸다. 그리고 무수히 많은 이온성 액체의 종류로 인해, 결과 예측이 불가능하기 때문에 이온성 액체를 이용한 결정화 연구 사례가 놀라울 만큼 적다.

대부분 보고된 연구들은 단백질 연구에 이온성 액체 를 침전제 또는 첨가제로 사용하여 이온성 액체가 미 치는 영향을 나열한 연구와 금속 나노 입자 합성 및 제어 연구에서 용매 또는 첨가제로 사용된 것과 그리 고 탄산칼슘 결정화에 이온성 액체를 첨가제로 사용 하여 탄산칼슘 다형체 변화를 탐색한 연구, 2010년 들 어 활성의약물질의 다형체 연구에서 이온성 액체를 용매로 사용하여 새로운 다형체를 탐색한 연구가 전 부이다. 이에 이온성 액체를 이용한 결정화 기술에 대 한 중요성 및 활용기술에 대해서 기존 연구 사례들을 토대로 자세히 서술하고자 한다.

이온성 액체 이용 단백질 결정화

2007년 Pusey 등은 여러 가지 단백질을 대상으로 이온성 액체를 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우의 비교를 통해 단백질 결정화에 이온성 액체가 미치는 영향을 관찰 하였다. 그 결과 첨가된 이온성 액체는 단백질 결정의 모양, 크기, 용해도, 그리고 다형체의 변화를 야기시킬 수 있음을 처음 시사하였다.

1) 이온성 액체 첨가제 이용 단백질 결정화

단백질 결정화에서 이온성 액체를 첨가제로 활용하 여 연구하였다. 이온성 액체의 첨가량이 높아질수록 또는 일정한 이온성 액체를 첨가한 후 시간에 따라 그 리고 이온성 액체의 종류에 따라 단백질 결정 모양 및 결정 크기가 변화 될 수 있음을 확인하였다. [그림 2]

에서 보는 바와 같이 이온성 액체 첨가량이 증가함에 따라 단백질 XLN(xylanase) 결정의 모양이 보다 뚜 렷하고 일정해지며 결정 크기 또한 증가함을 보여 주 었다. 이것은 이온성 액체가 결정성장에서 물질 확산 속도를 매우 느리게 저해함으로써 일정한 모양은 결정 이 깨끗하게 성장하는데 기여하였기 때문이다. 또한 이온성 액체로 인한 낮은 물질확산 속도는 결정핵생성 도 억제함으로써 생성된 결정의 개수가 적은 반면 생 성된 결정은 상대적으로 크게 성장하는데 기여하였다.

이와 같이 이온성 액체가 단백질 결정의 생성 및 성 장을 매우 억제하여 적은 개수의 큰 결정을 만드는데 유리한 특성을 가지고 있음을 lysozyme 단백질의 결 정화를 통해 보여 주었다. [그림 3]에서 보는 바와 같 이 일정량의 이온성 액체를 첨가한 후 시간에 따른 단 백질 결정의 모양, 개수 등의 변화를 관찰함으로써 이 온성 액체가 균일하고 고품질의 단백질 결정을 얻는 데 많은 기여를 함을 보여 주었다. 또한 다양한 이온 성 액체를 첨가제로 적용함으로써 이온성 액체의 종 류에 따른 단백질 lysozyme 결정 모양의 변화도 관찰 함으로써 이온성 액체의 양이온과 음이온의 작용 역 할과 영향에 대한 연구도 수행하였다[Crystal

그림 2. XLN crystallization in the absence (panel A) of IL and in the presence of 0.2 M (panel B) or 0.4 M (panel C) [C4mim]Cl.

Screen condition A6 was used, and the protein/precipitant ratio was 4:1, v:v. The scale bar=400 µm [Crystal Growth &

Design, Vol. 7, No. 4, 2007].

Growth & Design, Vol. 9, No. 8, 2009].

이온성 액체가 lysozyme 단백질 결정화에서 결정 의 모양뿐만 아니라 결정의 구조변화 또한 야기할 수 있음을 확인하였다[Cryst. Res. Tech., 2008, 42, 1062-1068]. 이 연구에서는 이온성 액체에 의한 단백 질 결정의 변화를 관찰한 것으로 육안으로 보아도 두 결정의 모양이 확연이 구별되며 XRD분석 결과 두 결 정의 구조 또한 다른 것을 확인하였다. 이처럼 이온성 액체는 단백질 결정화에서 새로운 다형체를 설계 유 도할 수 있는 환경을 제공함을 알 수 있다.

2) 이온성 액체에 의한 단백질 용해도 변화

위 연구가 이온성 액체가 첨가제로서 결정의 성장

에 미치는 영향으로 결정 크기 및 모양의 변화를 유도 한 반면 이온성 액체가 첨가되면서 용액의 단백질 용 해도가 변화되어 결정화가 방해되거나 촉진되는 경우 도 있다. 즉, 이온성 액체의 첨가에 따라 용액의 용해 도 감소하여 결정 석출을 유도할 수도 있고 반대로 용 해도가 증가하여 생성된 결정도 재용해할 수도 있다.

따라서 어떤 이온성 액체를 첨가하느냐에 따라 침전 염으로서의 역할과 용해도를 증가시키는 역할을 수행 할 수 있음을 알 수 있다. 그 예로 [그림 4]에서 보는 바와 같이 이온성 액체를 첨가한 용액과 첨가하지 않 은 용액에서 단백질 BLB(β-Lactoglobulin B) 결정 변화가 확연하게 나타난다. 즉, 기존 용액에서는 BLB 결정화를 유도하지 못하였으니 이온성 액체를 첨가한 후 결정화가 유도됨을 확인하였으며, 첨가되는 이온성 액체의 양을 증가시킴에 따라 BLB 결정 석출이 더욱 촉진됨을 보여주고 있다. 이것은 이온성 액체가 첨가 됨에 따라 용액의 단백질 용해도가 저하됨으로서 상대 과포화도가 증가하여 결정이 생성 성장한 결과로서 이 온성 액체가 염석(salting-out) 결정화에서의 염과 같 은 결정화 촉진제 역할을 한 결과이다.

한편 이온성 액체가 염용(salting-in) 역할을 하는 경우도 있다. 즉 이온성 액체를 첨가함에 따라 용액의 단백질 용해도가 증가하여 석출된 결정입자를 재용해 하는 경우이다. [그림 5]에서 보는 바와 같이 glucose iosmerase 단백질의 경우 소량의 이온성 액체 첨가에 의한 염석효과(salting-out effect)에 의해 단백질 결 정 생성이 촉진되는 반면 과량의 이온성 액체를 첨가

그림 3. Variation of crystal size with time in lysozyme

crystallization using ionic liquid. (A) 1 h after start of experiment, (B) after 2 h, (C) after 3 h, (D) after 4 h [Biotechnol. Lett. (2007), 29 : 1703-1711].

그림 4. BLB crystallization in the absence (panel A) of IL and in the presence of 0.2 M (panel B) or 0.4 M (panel C)

[C

mim][MDEGSO

]. Screen solution G10 was used, and the protein/precipitant ratio was 4:1, v:v. The scale bar = 400µm

[Crystal Growth & Design, Vol. 7, No. 4, 2007].

하는 경우 염용효과(salting-in effect)가 더 높게 나 타나 기존에 석출된 결정을 재용해하여 crystal free 용액으로 전환시키는 것을 확인하였다. 이것은 이온 성 액체가 염석과 염용 효과 모두를 강하게 가지는 것 으로 첨가되는 이온성 액체의 양에 따라 침전 염으로 써의 역할과 용해 염의 역할을 동시에 수행 할 수 있 음을 나타내는 결과이다.

이와 같이 이온성 액체는 단백질을 석출시키는 침 전 염의 역할과 용해도를 증가시키는 역할 그리고 크 기와 모양의 변화를 주는 역할, 단백질의 다형체 변화 를 주는 역할 등을 수행할 수 있음을 이전 연구들을 통해 보고되고 있다. 하지만 이온성 액체가 왜 위와 같은 현상을 야기시키는지에 대하여 규명해낸 연구 결과는 매우 드물다. 그 이유는 이온성 액체에 대한 연구가 아직 초창기라 양이온과 음이온의 기능기의 역할에 대한 정확한 규명 연구가 아직 미흡하기 때문 이다. 더욱이 이것이 분자구조 자체가 매우 복잡한 단 백질과 결합으로서 각 기능기의 역할에 대한 규명을 더욱 어렵게 하는 측면도 매우 강하다.

이온성 액체 이용 다형체 결정화

유기 및 무기 결정 다형체 탐색 및 제어 분야에서 이온성 액체가 활용된 연구 결과가 놀라울 만큼 적다.

이는 여러 번 언급한대로 이온성 액체의 활용에 있어 서 높은 단가, 합성의 어려움, 그리고 무수히 많은 이 온성 액체의 종류들로 인한 선택의 어려움에서 비롯 된 것으로 판단된다. 하지만 최근 들어 이온성 액체를

이용하여 다형체 변화를 시도한 연구가 조금이나마 보고되고 있으며, 그 결과 또한 일반적인 유기 및 무 기 용매에 비해 월등하다는 것이 알려지고 있으며 이 는 이온성 액체의 독특한 특성에서 기인한 결과이다.

그리고 2006년 Rogers 등[ChemComm, 4767-4779, 2006]이 처음으로 이온성 액체를 이용하여 유도할 수 있는 몇가지 중요한 결정화기술을 제시하였다. Kim 등[Crystal Growth & Design, 10, 3044-3050, 2010]

은 이 기술을 활성의약물질의 다형체 탐색 및 설계에 처음 적용하여 일반적인 유기 용매 보다 더 넓은 범위 의 변수를 활용하여 새로운 다형체 설계 및 제어를 할 수 있음을 보여 주었다. 즉, 다형체 탐색 및 제어를 위 해 결정화를 유도시킬 경우 일반적인 유기 및 무기 용 매에서는 용매의 특성에 많은 제약이 있다. 예를 들어 용매의 끓는점이 낮은 휘발성 용매를 사용해야 할 경 우, 높은 온도에서 결정화를 시도 할 수 없는 단점이 생기며, 또한 끓는점이 높은 유기 및 무기용매에서라 도 용질의 열안정성을 저하하기 때문에 다형체 탐색 및 설계를 위한 결정화 시 결정화 온도가 제한적일 수 밖에 없다. 하지만 이온성 액체는 -96~400℃까지의 넓은 액체 범위와 비휘발성, 그리고 열 안정성에 의해 넓은 온도 범위를 제공하며, 용질의 열 안정성 또한 일반적인 유기 및 무기 용매에서 보다 증가 될 수 있 음을 이전 연구 결과들을 토대로 확인 할 수 있으며, 온도 증가에 따른 용질의 용해도 증가를 크게 야기시 키지 않기 때문에, 한정적이었던 온도 변수를 좀 더 폭 넓게 활용 할 수 있다. 이런 이온성 액체의 장점을

그림 5. Glucose isomerase crystallization in the absence (panel A) of IL in the presence of 0.2 M (panel B) or 0.4 M (panel C)

[C

mim]Cl. Screen condition H9c was used, and the protein/precipitant ratio was 4:1, v:v. The scale bar = 400 µm [Crystal

Growth & Design, Vol. 7, 787-793, 2007].

냉각 결정화 방법에 활용하였을 경우 높은 열 이동을 이용한 결정화(crystallization using thermal shifts) 방법이 있을 수 있으며, 다른 결정화 방법으로 용매열 기술(solvothermal techniques)도 있다. [그림 6]은 활성의약물질을 이온성 액체와 물 혼합 용액에서 온 도 변화에 따라 다형체 탐색을 시도한 결과이다. 이 연구에 따르면 유기 용매와 물에서의 활성의약물질은 60℃이상에서 완전 분해되는 반면 이온성 액체와 물 혼합 용액에서는 90℃까지 활성의약물질의 열 안정성 이 증가하였고 새로운 다형체를 획득 할 수 있었음을 보여 주고 있다. 이것은 이온성 액체를 이용한 결정화 기술 중 용매열 기술(solvothermal techniques)을 활용 한 결과의 일종으로서 이온성 액체가 넓은 온도 범위 에 걸쳐 용매 뿐만 아니라 용질의 열적 안정성을 제공 함으로써 기존 유기 용매에서 가능한 온도 범위 밖에 서 결정화를 가능케 함으로써 더 새로운 다형체를 가 능케 한 것이다. 그리고 이온성 액체는 점도와 밀도가

높은 물질로서 이온성 액체 내에서는 결 정 성장이 느려진다. 따라서 이 경우 기 존 유기 용매에 비해 훨씬 큰 단결정 입 자를 석출시킬 수 있다. 그 외 이온성 액 체는 증발결정화, 용석결정화, 반응결정 화 등 대부분의 기존 결정화 기술을 적 용할 수 있는 다양성도 가지고 있다.

맺음말

결정화 기술은 정밀화학, 석유화학 산 업 전반에 걸쳐 매우 중요한 부분을 차 지한다. 특히 현재와 같은 기술집약형 산업 패러다임에서는 얼마만큼 결정제 품을 얼마큼 고순화 및 고기능화 하느냐 가 제품의 고부가가치를 위한 핵심사항 으로서 그에 맞는 결정화 기술 및 이의 활용 대한 적극적 연구가 필요하다. 아 울러 기존 결정화 기술로는 얻을 수 없 는 새로운 고부가가치 결정 제품을 얻기 위해서는 이온성 액체와 같은 기존 유기용매에서는 얻을 수 없는 새로운 물성의 용매가 요구되며 이를 활 용한 기술 또한 개발이 필요하다. 이온성 액체를 이용 하는 경우 기존과는 다른 새로운 결정 제품의 제조가 가능할 뿐만 아니라 기존의 기술에서 문제시되고 있 는 유기용매 배출과 같은 환경 문제를 개선할 수 있는 새로운 결정화 공정 기술의 개발도 가능하다고 본다.

비록 아직 이온성 액체의 합성 및 제조가 기존 용매에 비해 상대적으로 까다롭고 높은 원료 및 공정비용을 요구하는 단점이 있지만 새로운 물성으로 인하여 기 존 용매에서는 얻을 수 없는 새로운 영역의 결정화 변 수 및 범위에서의 고부가가치 결정 제조는 그러한 단 점을 보상하기에 충분하다고 본다. 또한 기존 결정화 용매의 한계를 보안하여 고부가가치 결정제품의 청정 생산을 위한 매력적인 대체 물질로서의 높은 발전 가 능성을 전망한다.

그림 6. Polymorph desing of active pharmaceutical ingredient using ionic

liquid [Crystal Growth & Design 2010, Vol. 10 3044-3050].