메틸에스테르화 과정에서 Conjugated Linoleic Acid의 이성질체 전환 특성

김지성, 홍준기, 김병윤, 최청송

서강대학교 화학공학과

Characteristics of Transformation of Conjugated Linoleic Acid Isomers during methyl esterification

Ji-Seong Kim, Jun-Kee Hong, Byung-Yoon Kim, Cheong-Song Choi

Department of Chemical Engineering, Sogang University

서론

Conjugated linoleic acid(CLA)는 linoleic acid(LA)의 이중결합 공액체로서 많은 자연식품 중에 존재하며 인체에 매우 유익한 것으로 알려져 있는 지방산이다[1,2]. LA는 두 개의 이중결합(C9-C10, C12-C13)을 가지는 18개의 탄소로 이루어진 직쇄상 유기화합물이다. CLA는 linoleic acid의 이중결합 공액 이성체들(conjugated dienoic derivatives)의 혼합물을 뜻하는 acronym이며, 이는 linoleic acid의 알칼리 이성화에 의하여 화학적으로도 8개의 기하이성질체들 cis9-cis11, cis9-trans11, trans9-cis11, trans9-trans11, cis10-cis12, cis10-trans12, trans12-cis10, trans10-trans12의 octadecadienoic acid를 생성 할 수 있다[3].

본 연구에서는 여러 이성질체들의 혼합물 형태로 존재하는 CLA의 분석에 GC (Gas Chromatography)를 이용하였다. 이와같이 GC를 이용하여 간편하게 CLA를 분석하기 위해서는 Acid상보다 휘발도가 좋은 Ester로 전환하는 것이 좋다. 따라서 Acid상인 CLA를 BF3촉매하에서 메틸에스테르화하여 분석을 수행하였다. 이때 반응시간에 따라 조성이 심하게 바뀌는 것이 발견되는데 이것은 CLA 이성질체간의 전환이 있기 때문이다. 이러한 현상은 산촉매 메틸화과정에서 주로 나타나며 cis, trans 혹은 trans, cis 18:2 이성질체가 trans, trans 18:2 이성질체로 전환한다고 알려져 있다. 이러한 전환과정의 메카니즘을 규명하기 위해 실험과 분자모사를 통하여 접근하였다.

CLA의 메틸에스테르화 (Methyl esterification of CLA)

CLA를 GC로 분석하기 위하여 메틸에스테르화하였다. 이때 강한 루이스(Lewis)산인 BF3를 촉매로 사용하였다[4]. 카르복시산의 에스터화는 알코올로부터 에스테르 형성의 반응과 유사한 메카니즘에 의하여 설명할 수 있으며 다음과 같다[5,6].

[eqn: rm CH_3 OH~ + ~BF_3 ~->~ CH_3 OH·BF_3~ <-> ~ H^+ ~+ ~CH_3 OBF_3^-]	(1)

[eqn: rm H^+ ~+~RCOOH~ LRARROW ~RCOOH_2 ^+ ~ {} rel Lrarrow {BF_3} {} {} ~RCO^+ ~+~H_2 O]	(2)

[eqn: rm RCO^+ ~+~CH_3 OH~ RARROW ~RCOOR' ~ + ~H^+]	(3)

본 연구에서는 이와 같은 메카니즘에 따라 CLA를 KOH/methanol 용액과 100℃에서 10분간 반응시키고, 이 용액을 BF3/methanol 용액과 80℃, 100℃에서 일정시간 반응시킴으로써 지방산의 메틸에스테르화 과정을 수행하였다. 여기서 BF3와의 반응시간을 변화시킴으로써 이성질체의 전환을 확인하였다.

실험결과

CLA의 메틸에스테르화 과정에서 KOH/methanol 용액과의 반응은 조성에 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 반면 BF3/methanol 용액과의 반응은 80℃에서 반응할 경우와 100℃에서 반응할 경우 크게 차이가 나타나며 반응시간이 길수록 조성의 변화가 크게 나타남을 확인할 수 있었다. 반면 Linoleic Acid와 Oleic Acid는 조성에 영향을 받지 않는 것으로 나타났다(표1).

그림 1과 2에서 보는 바와 같이 100℃에서 반응할 때 1번 peak인 cis9- trans11, trans9-cis11 와 2번 peak인 trans10-cis12 이성질체의 조성이 반응이 진행됨에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있다. 반면에 4번 peak인 trans9-trans11, trans10-trans12 이성질체의 조성은 증가하고 있음을 알 수 있다. 한편 80℃에서 실험을 수행한 결과도 같은 특성을 보이나 조성의 변화는 크지 않았다.

분자모사 (Simulation)

CLA의 분자구조들 사이에서 나타나는 에너지 차이를 조사하고 양성자에 의한 이성질체 변환 메카니즘을 설명하기 위해 반경험적 방법으로 널리 알려진 PM3(Parametrization Method 3)[7,8]를 선택하여 양자역학적 계산을 수행하였고, CLA 이성질체에 대한 조사에서는 기하 구조 최적화를 통하여 각 이성질체의 에너지를 얻을 수 있었다. 또한 기하 구조 최적화를 통해 얻어진 최저에너지 구조에서의 진동주파수를 계산하여 이 구조가 실제로 최저에너지 상태의 구조인지 여부를 증명하였다. 또한 CLA 이성질체 중 하나에 양성자를 접근시킨 모델을 최적화하여 반응 메카니즘을 검증하였다.

PM3방법으로 계산한 CLA Methyl Ester형 이성질체 8개의 에너지를 표 1에 나타내고 있다. 표 1으로부터 trans-cis구조와 cis-trans구조의 이성질체가 trans-trans구조로 전이할 가능성이 크다고 유추할 수 있으며 앞서 수행한 실험의 결과와도 일치한다.

기하구조 최적화 계산으로부터는 양성자가 공액 이중결합의 cis형 탄소중 하나에 결합되어 있는 최저 에너지 구조가 확인되었다. 이때 탄소의 이중결합의 길이는 단일결합에 가깝게 길어졌으며, cis9-trans11 CLA가 가장 불안정한 것을 알 수 있었다. trans형으로의 전이는 양성자와 두 개의 수소를 가진 탄소가 하나의 수소를 잃고 나머지 수소가 trans위치로 바뀌는 것으로 설명될 수 있으며 가장 불안정한 상태의 cis9-trans11 CLA가 가장 많이 trans-trans구조로 전이할 것임을 예측할 수 있다.

결과 및 고찰

Conjugated Linoleic Acid의 Methyl Ester 전환에서 BF3를 촉매로 사용할 때 발생하는 이성질체 전환에 관한 실험적 결과를 양자역학적인 계산으로 해석하였다.

BF3/MeOH법에 의한 CLA의 Methylation 실험결과로부터 반응시간이 진행됨에 따라 CLA 이성질체의 조성이 변화됨을 확인할 수 있었다. 또한 높은 온도에서 methylation을 수행할 때 상대적으로 짧은 시간동안 큰 조성의 변화가 나타났다. 따라서 올바른 분석을 수행하기위해 반응온도와 최적의 반응시간의 관계를 정확히 인지하고 있어야 하며, 높은 온도에서 반응을 진행하는 경우일수록 이성질체의 전환속도가 빠르므로 많은 주의가 필요하다.

한편, BF3/MeOH법에 의한 CLA의 에스테르화 과정에서 양성자와의 결합시 가장 불안정한 상태를 보이는 이성질체가 cis9-trans11 CLA임을 분자모사를 통해서 확인할 수 있었으며 또한 trans-trans형의 CLA로 전환될 가능성이 가장 크다는 사실도 확인할 수 있었다. 이러한 분자모사결과는 실험결과와도 일치하며 CLA이성질체간의 전환 메카니즘을 확인한 것이라 할 수 있다.

표.  The Electronic energies of CLA configurational isomers

Methyl Ester	Energy(kcal/mol)	Frequency(cm-1)
9-trans 11-trans	-138.371722	4.4610
9-trans 11-cis	-137.209386	2.6484
9-cis 11-trans	-137.205526	7.3286
9-cis 11-cis	-136.854312	4.1035
10-trans 12-trans	-137.554737	5.5860
10-trans 12-cis	-134.380734	6.6535
10-cis 12-trans	-138.040412	5.4948
10-cis 12-cis	-137.712816	5.3103

참고문헌

1. Thompson H., Zhu Z J., Banni S., Darcy K., Loftus T., Ip C., Cancer Res., 57, 5067(1997).

2. Pariza. M. W., Chemistry & Industry., 12, 464(1997).

3. Ip. C., Chin. S. F., Scimeca. J. A and Pariza. M. W., Cancer Res., 51, 6118(1991).

4. R. Bruce King., Inorganic Chemistry of Main Group Elements, (VCH, 1994), p.218-219.

5. J. C. Bailar(ed), Comprehensive Inorganic Chemistry, (Oxford, Pergamon Press, 1973), vol.1.

6. Cotton and Wilkinson, Advanced Inorganic Chemistry, (New York, John Wiley and Sons, 1988), 5, p.174-175.

7. Stewart J. J. P., J. Comp. Chem., 10, 209-220 & 221-264(1989).

8. A. R. Leach, Molecular Modeling, (London, Longman, 1996), p.103-104.

그림 1. Gas Chromatography of Conjugated Linoleic Acid methylated

at 100℃ for (a)10min (b)120min under BF3/MeOH

(1;c9-t11/t9-c11, 2;t10-c12, 3;c9-c11/c10-c12, 4;t9-t11/t10-t12, 5;unknown)

그림 2. Gas Chromatography of Conjugated Linoleic Acid methylated

at 80℃ for (a)30min (b)120min under BF3/MeOH

(1;c9-t11/t9-c11, 2;t10-c12, 3;c9-c11/c10-c12, 4;t9-t11/t10-t12, 5;unknown)