환경정책기반공공기술개발사업 최종보고서[ 과제번호 ] 412-111-008

환경보건정책 대응기술(Technologies for the Environmental Health Policy)

PFOS 대체물질 개발

Development of PFOS Alternative Substance

2016. 03.

창원대학교 산학협력단 신동수

- i -

- ii -

요 약 서

사업명 차세대 에코이노베이션(선진, 공공, 서비스) 과제번호 412-111-008

단위사업명환경보건정책

대응기술대분야 환경정책기반공

공기술개발사업 중분야 환경보건정책 대응기술

과제명 PFOS 대체물질 개발 기술단계 기초

최종성과 기술 Mono-branched bis-sodium sulfonates의 대량생산 기술 개발 및 기술 이전 참여기업 ㈜한중유화

연구책임자 신동수

최종연도참여

연구원수 12명

최종연도연구개발비

정부:　 215,000,000원민간:

75,000,000원계: 290,000,000원

총 연구기간 참여

연구원수 64명

총 연구개발비

정부:　1,085,000,000원민간: 369,000,000원계: 1,454,000,000원

연락처055-213-3437

010-7277-1574이메일

dsshin@chan

gwon.ac.kr

총 연구기간

59개월

연구기관명 및 소속부서명

창원대학교 산학협력단, 창원대학교 화학과연구기관

유형대학

위탁기관명 전남대학교 산학협력단 위탁책임자 정선용개발 목적

및 필요성

Stockholm Convention에 따른 PFOS 대체물질의 합성기술 개발 및 대량 생산

기술을 개발하여, 산업체에 생산 기술 이전

연구개발

결과

Linear-Type, POSS-Type 및 Cyclic-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발하고,

Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 생산기술을 개발하여, 산업체에 기술 이전

공정�제품

사진 및 도면[첨부한 합성 기술 참조]

성능사양 및

기술개발 수준C4-Type의 친환경적인 과불화 화합물의 생산 기술

활용계획 Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 생산기술을 이용한 산업화 및 적용 확대

주요성과

특허출원(국내) 1건 등록(국내) 0건출원(국외) 0건 등록(국외) 0건

논문 SCI급 17건 일반 2건인증 신기술인증 0건 신기술검증 0건매출 국내매출 0원 해외수출 0원

정책활용 제안 0건 채택 0건기타 학회발표 58건, 국제회의개최 1건

색인어

(각 5개 이상)

(한글) 피에프오에스, 대체물질, 과불화, 표면처리제, 슬포네이트

(영문) PFOS, alternative, perfluorinated, surfantant, sulfonate

- iii -

요 약 문

□ 연구개발결과의 보안등급

보안등급 분류 □ 보안과제 ■ 일반과제

결정 사유

□ 평가의 착안점 및 기준

구분 세부내용 평가의 착안점 및 기준

1차년도

- Stockholm Convention에 따른 PFOS 대체물질의 합성기술 개발-1

- POSS 전구체의 합성-1

- S to c kh o lm C o n ve n t io n 에 따 른 친 환 경 P FO S 대 체물 질 의 합 성 기 술

2차년도

- Stockholm Convention에 따른 PFOS 대체물질의 합성기술 개발-2

- POSS 전구체의 합성-2

- C 4 , C 3 , C 1 -과 불 화 화합 물 의 합 성 기 술

- P O SS에 과 불 화 치 환 기를 도 입 하 는 합 성 기 술

3차년도

- Linear-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발-1

- POSS-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발-1

- Cyclic-Type PFOS대체물질 합성기술 개발-1

- L in e a r-T yp e , P O S S -T yp e 및 C y c lic -T yp e P FO S 대체 물 질 개 발 -1

4차년도

- Linear-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발-2

- POSS-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발-2

- Cyclic-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발-2

- L in e a r-T yp e , P O S S -T yp e 및 C y c lic -T yp e P FO S 대체 물 질 개 발 -2

5차년도

- Linear-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발-3

- Cyclic-Type PFOS대체물질 합성기술 개발-3

- Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 합성기술 개발

- L in e a r-T yp e 및 C y c lic -T yp e P FO S 대 체 물 질 개 발 -3

- Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 합성기술 개발

최종평가

- Linear-Type, POSS-Type 및 Cyclic-Type PFOS 대체물질을 개발하였으며,

- ㈜한중유화에, Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 합성기술을 이전

- 산 업 화 를 위 한 L in e a r-T y p e P FO S 대 체 물 질 의 대 량 합 성기 술 개 발 및 대 량 생 산 기술 이 전

- iv -

Ⅰ. 연구과제명 ◦ 주 관 과 제 명 : PFOS 대체물질 개발

◦ (세부1)과제명 : PFOS 대체물질 개발

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성

◦ Stockholm Convention에 따른 PFOS 대체물질의 합성기술 개발 및 대량 생

산 기술을 개발하여, 산업체에 생산 기술 이전

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위

◦ Stockholm Convention에 따른 PFOS 대체물질의 합성기술 개발 및 대량 생

산 기술 개발

- Linear-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발

- POSS-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발

- Cyclic-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발

- Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 생산기술 개발

- Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 생산기술 이전

Ⅳ. 연구개발 결과

◦ Stockholm Convention에 따른 PFOS 대체물질의 합성기술 개발 및 대량

생산 기술 개발

- Linear-Type, POSS-Type 및 Cyclic-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발

- Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 생산기술 개발

- Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 생산기술 이전

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획(기대효과)

◦ Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 생산기술을 이용한 산업화

◦ Linear-Type PFOS 대체물질의 적용 범위 확대

- v -

SUMMARY

(영문요약문)

Ⅰ. Title

◦ Total Prodect Name : Development of PFOS Alternative Substance

◦ Unit Research Project 1 : Development of PFOS Alternative Substance

Ⅱ. The Objective & Necessity of the Research ◦ Synthetic technology development of eco-friendly PFOS alternatives and

mass production

◦ Mass production technology transfer of Linear-Type PFOS alternatives

Ⅲ. Contents and Scope ◦ Synthetic technology development of eco-friendly PFOS alternatives and

mass production

- Synthetic technology development of Linear-Type PFOS alternatives

- Synthetic technology development of POSS-Type PFOS alternatives

- Synthetic technology development of Cyclic-Type PFOS alternatives

- Mass production technology development of Linear-Type PFOS

alternatives

- Mass production technology transfer of Linear-Type PFOS alternatives

Ⅳ. Results

◦ Synthetic technology development of eco-friendly PFOS alternatives and

mass production

- Synthetic technology development of Linear-Type, POSS-Type and

Cyclic-Type PFOS alternatives

- Mass production technology development of Linear-Type PFOS

alternatives

- Mass production technology transfer of Linear-Type PFOS alternatives

Ⅴ. Business Application Based the Outcomes

- vi -

◦ Industrialization of mass production technology of Linear-Type PFOS

alternatives

- vii -

목 차

1. 연구개발과제의 개요 ··········································································· 1

1-1. 연구개발 목적 ···································································································· 1

1-2. 연구개발의 필요성 ····························································································· 1

1-3. 연구개발 범위 ···································································································· 8

2. 국내외 기술개발 현황 ········································································· 9

3. 연구수행내용 및 결과 ······································································· 16

3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 ······························································ 16

3-2. 연구개발 결과 및 토의 ··················································································· 16

3-3. 연구개발 결과 요약 ························································································· 16

4. 목표달성도 및 관련분야 기여도(환경적 성과 포함) ···················· 108

4-1. 목표달성도 ······································································································ 108

4-2. 관련분야 기여도 ···························································································· 108

5. 연구결과의 활용계획 등 ································································· 109

6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ······································· 110

7. 연구개발결과의 보안등급 ································································ 111

8. NTIS에 등록한 연구시설·장비현황 ················································· 112

9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ····· 113

10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ·················································· 114

11. 기타사항 ···························································································· 130

12. 참고문헌 ···························································································· 131

부 록(기타 부록, 지침서, 매뉴얼, 안내서, 핸드북 등)

- viii -

표 목 차

<표 3.2.1> PFOS 대체물질의 생분해율 ································································· 56

<표 3.2.2> H em i- f lu o r in a ted p o ta ss ium a lk a n e su lfo n a te typ e ’s a lte rn a t iv e s ····· 91

<표 3.2.3> Hemi-fluorinated multi-sodium sulfonates type’s alternatives· · · · · 9 2

<표 3.2.4> Results of the biodegradation of the PFOS’s salts and

the PFOS’s alternatives ········································································ 93

<표 3.2.5> Biodegradation of the PFOS’s alternatives according to the

day ············································································································· 94

- ix -

그 림 목 차

<그림 1.2.1> Perfluorinated chemicals (PFCs) ······················································ 2

<그림 1.2.2> Perfluorooctane sulfonate (PFOS)와 perfluorooctanoic acid

(PFOA)의 화학구조 ··············································································· 3

<그림 1.2.3> Perfluorooctane sulfonate (PFOS)의 합성 ····································· 4

<그림 1.2.4> Perfluorooctanoic acid (PFOA)의 합성 ··········································· 4

<그림 1.2.5> 생물 축적 과정 ···················································································· 6

<그림 1.2.6> 인체 노출에 대한 PFOS의 영향 ······················································· 6

<그림 2.1.1> PFBS의 합성 ························································································ 10

<그림 2.1.2> PBSF의 합성 ························································································ 10

<그림 2.1.3> Perfluorobutane sulfonate (PFBS)와 PBSF의 화학적 구조 ····· · 11

<그림 2.2.1> 가능한 PFOS 대체물질의 구조-1 ··················································· 11

<그림 2.2.2> Hemifluoro PFOS 대체물질의 합성 ·············································· 12

<그림 2.2.3> 가능한 PFOS 대체물질의 구조-2 ··················································· 12

<그림 2.2.4> PFOA 대체물질(ADONA)의 합성 ···················································· 12

<그림 2.2.5> PFOA 대체물질(GenX)의 합성 ························································ 13

<그림 2.2.6> PFOA 대체물질(Asahi’s product)의 합성 ····································· 13

<그림 2.2.7> PFOS 대체물질(N(Et)4-PFBS)의 합성 ·············································· 14

<그림 2.2.8> PFOS 대체물질(6:2 FYSA)의 합성 ·················································· 14

<그림 2.2.9> PFOS 대체물질 (F-53)의 합성 ························································ 14

<그림 2.2.10> PFOS 대체물질(F-53B)의 합성 ······················································ 14

<그림 2.2.11> PFOS 대체물질 (Fire fighting foams과 miscellaneous-1)의

합성 ····································································································· 14

<그림 2.2.12> 가능한 PFOS 대체물질의 구조– 3 (3M 회사의 제조) ············ 15

<그림 2.2.13> PFOS 대체물질– 3 (3M 회사의 제조)의 합성 ·························· 15

<그림 3.2.1> PFOA PFOS 대체물질의 미생물 분해도 평가 (A: C8F17KO3S,

B: C10H13F13KO3S, C: C8H8F9KO3S, D: C5H8F3KO3S) ····················· 56

<그림 3.2.2> Surface tension profile of 2 and 3 in aqueous media ·········· 58

- 1 -

1. 연구개발과제의 개요

1-1. 연구개발 목적

Stockholm Convention에 따른 PFOS 대체물질의 합성기술 개발 및 대량 생산 기술을 개

발하여, 산업체에 생산 기술 이전

1-2. 연구개발의 필요성

계면 활성제는 습윤제, 제거제, 발포제 및 유화제 등의 응용 분야에서 중요한 역할을 하

며, 기존의 계면 활성제는 일반적으로 하나의 친수성 부분과 연결된 하나의 소수성 부분으로

이루어져 있으며, 이러한 화합물은 소수성 단위로서, perfluoro 탄소 사슬로 이루어져 있을 때

에, 계면 활성제의 특성이 더 잘 나타난다. 소수성기로서 과불화 화합물의 사슬로 이루어진 불

소계 계면 활성제는 매우 낮은 임계 미셀 농도 (CMC)와 표면 장력을 감소시키는 높은 효율과

우수한 표면 활동을 나타내는 것으로 알려져 있으며, 합성된 perfluorooctane sulfonic acid

(PFOS, 1) 및 그 유도체들 중에는, 이 들이 가지고 있는 특별한 물리·화학적 성질 때문에, 활

용도가 매우 높다. PFOS는 소수성기로서 perfluorooctane과 친수성기로서 말단에 sulfonate 또

는 carboxylate 기를 가지고 있다.[1-4]

특히, 강한 발수성, 발유성, 표면 활성, 화학적 및 열적 안정성, 내약품성, 비 접착성 등의 특성

을 가지고 있는 perfluorooctane sulfonic acid (PFOS)는 섬유 직물, 종이, 가죽 제품에 대한 방

수, 발유 처리, 얼룩 저항 처리, 들러붙지 않는 조리 기구에 대한 코팅제, 이형 에이전트, 반도

체 재료에 대한 코팅제 등에 널리 가정 및 산업에 이용되고 있으며, PFOS 및 PFOS 관련 화

합물은 제품 제조 과정, 제품 사용 등을 통하여, 외부 환경으로 배출될 수 있다.[5]

그러나 PFOS 및 PFOS 관련 화합물의 환경 지속성 때문에, 이들 화합물의 대부분은 전 세계

적으로 분산되어 있고, 정기적으로 다양한 환경 네트워크뿐만 아니라 야생 동물과 인간에서도

측정된다. 또한, 환경 조사 및 캐나다, 영국, 스웨덴, 독일, 호주 등에서는, 인간의 혈액 검사와

환경 조사를 기반으로, 극지방 동물들과 인간을 포함하는 환경에서 높은 농도로 널리 분포되어

있는 것으로 나타났다. 따라서 생물에 대한 농축성과 독성이 나타나지 않는 C5의 fluoroalkyl

사슬 길이 또는 그 이하를 가진 polyfluorinated 화합물로서 짧은 fluoroalkyl 사슬 길이를 가진

대체물질 개발이 시급하다.[6-14]

가. 배경 및 용도 측면

PFOS (Perfluorooctane sulfonates, 탄화플루오르옥탄슬폰산)은 C8F17SO2X [X=OH, Metal salt

(O-M+), 할로겐화물 (halide), 아미드 및 폴리머를 포함한 유도체]의 화학적인 구조를 가지고 있으며,

3M은 1902년에 Minnesota Mining & Manufacturing Co.로 시작하였으며, 1944년, 연구팀에서

불소 화합물을 합성한 후에, 불소화합물사용처와 시장을 찾지 못해서 몇 년째 시간만 허비하였

으나, 연구소의 한 조수가 실수로 이 새로운 화학품 견본을 자신의 운동화에 쏟았으나, 액체가

묻은 부분은 물로 씻어도, 벤젠으로 닦아도 지워지지 않았고, 또한 더러움도 타지 않는 현상으

- 2 -

로 ‘물과 기름의 때가 묻지 않고 얼룩도 지지 않는 직물 (부직포)’이 탄생하게 되었으며, 1956

년에 스카치가드(Scotchguard)’라는 이름의 완전히 새로운 직물이 시장에 선보이게 됐다. 인체

에 미치는 독성이 적고 소화 후에 잔류물을 남기지 않으며 B급화재나 C급화재에 우수한 소화성능을 갖

고 있는 소화약제로서 주로 사용되면서 다양한 용도로 사용되어 왔다.

PFOS는 기름과 방수성능을 갖고 있어 직물, 융단, 종이, 도료, 소방 거품, 영상 재료, 항공 액

압유등 제품에 광범위하게 이용되고 있으며, 특별히 반도체 포토레지스트/반사방지 코팅, 프린

트 • 복사기용 전사 벨트, 고무롤러용 코팅제, 표면처리제 (크롬도금 mist 방지제, 크로메이트

처리 수분제거/마무리제, 표면처리 전/후 처리제, 에칭(etching) 첨가제 등), 안료 착색 수지, 프

린터기판, 세라믹기판, PTFE (사불화에칠렌수지), 불소계 수지, 분체도료, 안료, 염료, Solder

Flux, 크림 Solder, 금형 이형제 / 가스 제거제, 계면활성제, 분산제등 다양한 용도로 사용되어

왔다.

나. PFOS와 PFOA

Perfluorooctane sulfonate (PFOS)는 그림 1에 나타낸 것과 같이, 과불화 탄소화합물

(PFCs)이다. PFOS 관련 물질인 PFOA (perfluorooctanoic acid)는 PFOS 관련 화학 물질과 텔

로머 등의 화합물에 의해서 생성되는 환경오염 물질이며, 다양한 불소 관련 제품에서 소량으로

검출된다. PFOA는 대부분 암모늄 염 형태로 사용되고 있으며, 때로는 "C8"으로 불리는

perflurooctanoic acid이며, 불소 수지의 제조 공정에서, PFOA는 필수적으로 사용되는 과불화

화합물로서, PFOS는 그림 2와 같은 형태의 분자식으로 사용된다.

<그림 1.2.1 Perfluorinated chemicals (PFCs)>

- 3 -

<그림 1.2.2> Perfluorooctane sulfonate (PFOS)와 perfluorooctanoic acid (PFOA)의 화학구조

PFOS와 PFOA는 완전히 불소화되어있는 과불화 화합물로서, 가장 많이 생산되었던

perfluorinated 화학 물질 (PFCs) 중의 두 가지 물질이다. Perfluorooctane sulfonate (PFOS)와

perfluorooctanoic acid (PFOA)의 화학적 구조는 그림 2에 나타내었다. PFOS는 단순 염 (칼륨,

나트륨 또는 암모늄)으로서 일반적으로, perfluoralkyl sulfonate로 사용되거나 또는 더 큰

중합체를 생산하는 데에 사용되어 왔으며, PFOA는 염으로, perfluoralkyl carboxylate로서

사용되고 있다. PFOS는 1-octanesulfonic acid, heptadecafluorooctane sulfonic acid,

1-perfluorooctanesulfonic acid, heptadecafluoro-1-octanesulfonic acid, perfluoro-n-octanesulfo

nic acid, perfluoroctanesulfonic acid and perfluoroctylsulfonic acid 등의 화합물을 포함하고

있으며, PFOA는 pentadecafluoro-1-octanoic acid, pentadecafluoro-n-octanoic acid,

pentadecafl

urooctanoic acid, perfluorocaprylic acid, perfluoroctanoic acid, perfluoroheptanecarboxylic acid

및 octanoic acid 등의 화합물을 포함하고 있다. 문헌에 알려진 합성법 중에서, PFOS와 PFOA

의 보고된 몇 가지 합성법을 scheme 1과 2에 나타내었다.[15-18]

먼저 ECF (electrochemical fluorination) 장치를 이용하여, C8H17SO2F (octanesulfonyl

fluoride)를 HF와 반응시켜서 C8F17SO2F (perfluorooctanesulfonyl fluoride, POSF)를 합성한다.

합성한 POSF를 KOH (potasium hydroxide)와 반응시켜서 PFOS 염 (C8F17O2SO3-K+)을

합성한 다음에 산성화 반응으로 PFOS를 합성할 수 있으며, 또한 PFOS 염

(C8F17O2SO3-K+)을 이용하여 다양한 형태의 PFOS 염 화합물을 합성할 수 있다. 한편 또 다른

합성 방법으로서는, POSF를 EtOH (ethanol)과 반응시켜서 C8F17SO2Et

(perfluorooctanesulfonic ethyl ester)를 합성 중간체로 얻은 다음에, NEt3 (triethyl amine)과

반응시켜서, APFOS (tetraethylammoniumperfluoro octane sulfonates)를 합성하며, 또한

PFOS의 암모늄 염 (salt)을 이용하여, PFOS 및 다양한 형태의 PFOS 염 화합물을 합성할 수

있다.

- 4 -

<그림 1.2.3 Perfluorooctane sulfonate (PFOS)의 합성>

PFOA는 ECF 장치를 이용해서, H(CH2)7COCl (octanoic acid chloride)를 HF와 반응시켜

서 F(CF2)7COF를 합성한 다음에, F(CF2)7COF를 가수분해 반응과 산성화 반응을 통해서 합성

할 수 있다. 한편 텔로머화 반응을 이용해서도 PFOA를 합성할 수 있는데, 먼저 C2F5I와 3 당

량의 C2F4를 반응시켜서 C2F5(C2F4)3I를 생성한 다음에, 금속 촉매 하에서 CO2와 반응시켜서,

좋은 수율로 PFOA를 합성할 수 있다.

<그림 1.2.4 Perfluorooctanoic acid (PFOA)의 합성>

다. PFOS와 PFOA의 사용[19-21]

PFCs (과불화 탄소화합물)은 제품 및 살충제 청소 섬유 제품, 금속 도금, 사진 산업, 반

도체, 종이, 포장제, 코팅 첨가제 등 산업용 및 상업용 제품에 다양하게 사용된다. 그 중에서도,

perfluorooctane sulfonate (PFOS) 및 perfluorooctanonic acid (PFOA)는 산업용, 가정용 및 의

료 응용 등의 분야의 다양한 제품에 사용되는 과불화 화학제품의 한 종류이다. PFOS는 염 또

는 중합체 형태로서, 상업적으로 사용되고 있으며, PFOS와 그 유도체는 열성, 내마모성 및 내

- 5 -

약품성 때문에, 두 가지 범주로 나누어 질 수 있다.

(1) 표면 처리제로 제조된 PFOS 관련 화합물들은 개인 의류, 가정용 가구 및 자동차 내부, 토

양, 기름, 내수성을 나타내며, 특히 의류, 가죽, 섬유, 실내 장식품, 카펫 등에사용된다. 또한 이

러한 제품은 섬유 공장, 가죽 공장, 인화, 섬유 생산자 및 카펫 제조업체와 같은 산업 현장에서

도 사용된다.

(2) PFOS 관련 화학 물질은 특수한 공업, 상업, 소비자의 다양한 적용에서 사용되고 있으며,

상용화되는 다양한 완제품에, 소량의 PFOS 및 PFOS의 다양한 염이 포함되어 있다. 이러한

제품은 소방 폼, 광산, 유정 계면 활성제, 금속 도금, 사진 석판술, 전자 화학, 유압 유체 첨가

제, 알칼리성 세제, 바닥 광택제, 사진 필름, 의치 세정제, 샴푸에 대한 산 억제제, 화학 중간체,

코팅 첨가제, 카펫 청소기, 미끼의 살충제와 제품들에 사용된다.

암모늄염과 같은 perfluorooctanoic acid (PFOA)는 주로 수성 분산제로서 사용하기 위해 제조

되고, 주로 전자, 섬유, 조리 기구에 사용되는 fluoro 중합체의 제조 시에, 가공 보조제로 사용

된다. PFOA와 그 부산물은 가정에서 표면 처리 (예: 조리 기구 등), 유연한 식품 포장제, 얼룩

방지제 및 소방 폼 등을 제조하는 데에 사용되고 있으며, 들러붙지 않는 기능성 코팅에 널리

사용되는 주방 기구의 불소 수지의 제조에 사용되고 있다. Perfluorooctane sulfonate (PFOS)

와 perfluorooctanoate (PFOA)는 긴 탄소 사슬을 포함하는 안정된 화학 물질이다. 이들 화합물

의 고유한 발유성과 발수성 때문에, PFOS와 PFOA는 다양한 고온에서 계면 활성제로서 그리

고 강산 또는 강염기와의 접촉면 상의 코팅으로 사용된다.

라. PFOS의 위험성[22-40]

PFOS와 PFOA를 포함하는 PFC는 화학적 및 생물학적으로 환경에서, 안정하고 대기 광

산화, 직접적인 광분해, 가수 분해를 포함하는 일반적인 환경오염 과정에 저항성을 가지고 있

기 때문에, 결과적으로, 이러한 화합물은 환경에서 분해되지 않은 상태로 존재한다. 대기로 직

접 방출할 때에는, PFC는 입자에 흡착 습식 또는 건식 증착을 통해 땅에 정착되는 것으로 예

상되며, 이러한 화합물들은 낮은 단계의 생물에서 더 높은 영양 단계의 생물로 전달됨에 따라,

PFC계의 화합물들은 생물 축적과 생물 농축 가능성을 증가시키고 있으며, PFC의 생체 축적

가능성은 탄소 사슬 길이가 증가함에 따라서 증가하게 되며, 생체 축적 과정을 그림 5에 나타

내었다.

- 6 -

<그림 1.2.5 생물 축적 과정>

과불화 화합물인 PFOS는 열에 매우 안정하고, 환경에서 분해에 대한 강한 내성을 가진 물질

로서, 기본적으로 비휘발성이고, 다양한 비 생물적 및 생물적 변환, 경로를 통해 전구체 물질의

분해에 매우 안정한 최종 물질이다. PFOS 염 화합물은, 수용성이며, 지하수 토양에 있는 지하

수를 통해서, 먼 거리를 쉽게 이동될 수 있다. 그 결과로, 폭넓게 높은 영양 단계에 걸쳐 광범

위하게 분산되어 있고, 미각 나라의 토양, 지하수 공기에서 발견된다.

PFOS의 독성, 이동성 및 생물 축적 잠재성은 환경과 인간의 건강에 있어서는 매우

부정적인 영향을 초래하고 있으며, 또한 PFOS는 PFOS 관련 물질 또는 전구체 화합물들이,

유기체의 환경 미생물에 대한 분해 또는 대사 과정에 관여할 수 있다. 왜냐하면, 이들 과불화

화합물이 살아있는 유기체의 지방 조직에 축적될 수 있기 때문에, 인간과 동물에 독성을 나타

내고 있다. 이들 과불화 화합물들이 가지고 있는 지속성과 장기적인 축적 때문에, 생선, 물고기

를 먹는 조류와 다른 생물 군과 같이 더 높은 영양 수준의 야생 동물은 PFOS에 지속적으로

노출될 수 있기에, 인간은 오염된 물을 마시거나 오염된 음식을 먹음으로써 미량의 PFOS에

노출 될 수 있다. 한편 PFOS 또는 PFOS를 포함하는 용도의 제품을 사용하는 산업 분야에서

일하는 사람들은 일반인보다 더 높은 수준으로 노출 될 수 있으며, PFOS와 PFOA를 포함한

perfluorinated 화학 물질에 대한 노출은 임신 기간이나 갑상선 기능과 면역계에 많은 영향을

나타낼 수 있다는 증거도 있다. 노출된 인체에 대한 PFOS의 영향은 그림 6에 나타내었다.

- 7 -

<그림 1.2.6 인체 노출에 대한 PFOS의 영향>

더 중요한 것은, 미국 환경 보호국은 PFOS와 PFOA 두 가지 물질이, 모두 방광암의 발생 빈

도 증가와 관련하여 PFOS를 발암 물질로 간주하고 있다. 오랜 기간 동안 PFOS를 주입한 동

물 연구에 의하면, 위, 간, 갑상선 호르몬 등에 영향을 주고, 상대적으로 높은 수준에서 암이

발생할 수 있음을 나타내었다. 동물 데이터는 위 및 간에서 급성 경구 독성을 나타낸다고 제시

하였고, 피부와 눈에도 자극성을 나타내며, 독성 영향의 범위는 간, 위 및 갑상선 호르몬 수치

등에 대한 영향을 포함하여 만성 노출에 따른 동물에서도 동일하게 나타났다. PFOS 관련 화

합물이 peroxisomal 증식, 내분비 기능, 발암 및 생체 내의 독성 효과가 있음이 보고되었고, 발

암에 대해서는, 이들 화합물이 시험관과 생체 내의 간 대사를 억제하고, PFOS의 양친매성이

주로 세포막의 기능과 관련된 영향들이 있음을 나타내고, 간극 결합 세포 간 전달에 있어서,

PFOS는 소수성 리간드 세포막의 투과성에 영향을 증가시키는 것으로 보고되고 있다.

인체에 대한 PFOS의 생식 및 발달 효과에 대한 자료는 없지만, 발달 효과는 PFOS에 노출된

동물에 있어서는 알려져 있는데, PFOS는 경구로 잘 흡수되고 약 9 년의 반감기를 가지고 있

기 때문에, 매우 느리게 체내에서 제거되는 것으로 알려져 있지만, 많은 노출에 따른 인체의

급성 독성을 평가하는 자료는 없다. OECD (경제 협력 개발기구)의 유해성 평가에 따르면,

PFOS는 한 번 몸에 섭취되면, 주로 혈청과 간에서 나타나며, PFOS의 지속성으로 인한 PFOS

를 분해할 수 있는 추가적인 대사 과정이 없으며, 다만 비교적 느리지만, 몸에서 PFOS의 제거

는 소변과 대변을 통해 가능하다. PFOS의 반감기 제거는 인간에서는 8.7 년, 쥐에서는 7.5 일

등으로, 종에 따라서 다르게 나타난다. 환경, 식품 및 농촌 업무를 위한 영국 부 (DEFRA)는

PFOS의 위험 효과를 확인하기 위해서, 독립적으로 PFOS와 직결된 PBT (영구 생물 농축 성

및 독성) 평가를 실시했는데, 결과는 OECD의 평가와 일치하였으며, 독성 연구에서도, PFOS가

장기 노출 시에, 심각한 건강 피해에 대한 위험성을 주장하였다.

PFOS의 다양한 사용에 따른 유해성은 장거리 이동 잠재성 (높은 증기압/고 휘발성이어서, 가

스

상 또는 입자에 결합되어 대기로 이동하며, PFOS 발생원에서 멀리 떨어진 북극 생물체에서

PFOS 발견)이 크며, 독성 (포유류에게서 독성이 나타나며, 출생 직후 사망하는 생식 독성을

보임), 지속성 (가수분해, 광분해, 생분해 일어나지 않으며, 고온 소각에 의해서만 분해) 및

생물 축적 (혈액 및 간의 단백질에 결합하여, 먹이사슬의 최종 육식동물의 몸에 높은 농도로

축적) 등의 유해성이 있다.

미국 환경 보호청 (USEPA)는 2003 년부터 PFOS의 사용에 대한 과학적인 단계와 규제를 시

행해왔으며, PFOA와 그 염의 노출이 인간 건강에 대한 악영향을 미칠 수 있음을 제시했으며,

또한 4 년 이상의 반감기 동안 인체에 축적될 수 있음을 지적했다. 따라서 이러한 화합물을 금

지하고, 이들 화합물을 미국 유해 물질 제어 ACTS (US TSCA)의 화학 물질 재고 목록에 올

렸으며, 실제로 보고된 독성 수준은 체중 kg 당 3 밀리그램이다. 유럽 연합 (EU)에서는, PFOS

는 EU의 일반 안전 기준 EU 2004/1935/EC (식품 결정과 관련된 재료 및 기술)에 따라 금지되

어 있다. 독일에서는, 연방 위험 연구소 (BfR)는 독일 BfR의 섹션 LI에서 가이드라인을 설정하

- 8 -

고 있다 (프라이팬, 요리 및 베이킹 기구에 대한 온도 내성 폴리머 코팅 시스템).

Perfluoro-alkenyl-oxybenzene sulfonic acid 나트륨 염을 가진 특정한 perfluorooctanoic acid과

그 암모늄염의 최대 허용 한계치는 0.005 mg/dm2이다. 캐나다에서는, 2006 년에, 캐나다 연방

정부는 PFOS와 그 염 및 전구물질은 규제 대상, 오염 방지 계획 또는 가상 제거를 위한 프로

그램 개발이 될 수 있는 유해 물질 목록에 추가할 것이라고 발표하였다. 호주에서는 PFOS 관

련 화학 물질이 더 적합하고 덜 위험한 대체물질을 사용할 수 없는 경우에만, 필수적인 사용으

로만 제한하고 있으며, 스웨덴에서는, 2005 년에, 잔류성 유기 오염 물질에 관한 스톡홀름 협약

에서 PFOS 및 관련 물질에 대한 세계적인 금지를 제안했다.

PFOS 금지물질 배경은 2006년 12월 12일 EU위원회에서 PFOS 및 그 화합물사용 제품에 대해

2008년 6월 27일부터 EU시장 판매를 금지하는 'EU 76/769/EEC 개정 규제안'이 발효되었으며,

전 세계 약 150여 개국이 가입되어 있는 '잔류성 유기오염물질의 국제적 규제를 위한 스톡홀

름 협약'의 관리물질로써 추가가 진행 중이어서, 향후 EU뿐만 아니라 전 세계적으로 사용금지

가 예상됨. 스위스 제네바에서 열린 스톡홀름 협약 제4차 당사국 총회에서 과불화합물(PFOS)

및 일부 브롬계난연제 (BFR)등 9가지 물질이 관리대상물질로 등재 발표 (2009. 05. 19): 알파

헥사클로로사이클로헥산 (α-HCH), 베타 헥사클로로사이클로헥산 (β-HCB), 헥사브로모비페닐

(HBB), 클로로데콘 (Chlorodecone), 펜타클로로벤젠 (PeCB), 린단 (Lindane), 테트라브로모디

페닐에테르 (Tetra-BDE) 및 펜타브로모디페닐에테르 (Penta-BDE), 헥사브로모디페닐에테르

(Hexa-BDE) 및 헵타브로모디페닐에테르 (Hepta-BDE), 퍼플루오르옥탄설폰산 (PFOS) 등이

다.

PFOS 관련물질은, Perfluorooctane sulfonic acid (1763-23-1), Potassium perfluorooctane

sulfonate (2795-39-3), Lithium perfluorooctane sulfonate (29457-72-5), Ammonium

perfluorooctane sulfonate (29081-56-9), Diethanolammonium perfluorooctane sulfonate

(70225-14-8), Perfluorooctane sulfonyl fluoride (307-35-7), Tetraethylammonium

perfluorooctane sulfonate (56773-42-3), Di(decyl)di(methyl)ammonium perfluorooctane

sulfonate (2551099-16-8)이며, 가능성이 있는 PFOS 대체물질은 Perfluorobutane sulfonyl

fluoride (PFBSF), Perfluorobutane sulfonic acid (PFBS), Perfluorooctane sulfonic acid

(PFOS), Perfluorooctane sulfonyl fluoride (PFOSF), Fluorotelomer 6:2 alcohol, Fluorotelomer

8:2 alcohol, Fluorotelomer 10:2 alcohol, Methyl nonafluorobutyl ether 등이 사용되고 있으며,

현재 완전한 대체물질이 없다.

1-3. 연구개발 범위

Stockholm Convention에 따른 PFOS 대체물질의 합성기술 개발 및 대량 생산

기술 개발

- Linear-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발

- POSS-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발

- Cyclic-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발

- Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 생산기술 개발

- Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 생산기술 이전

- 9 -

2. 국내외 기술개발 현황

2-1. PFOS와 PFOA에 대한 대체물질

PFOS와 PFOS 유도체 화합물이 가지고 있는 장점과 다양한 용도가 있음에도, 이들 화합

물들에 의한 비 생분해성과 환경에 대한 독성 효과로 인해서, 이들 화합물들이 스톡홀름 협약

에 의해서, 잔류성 유기 오염 물질 (POPs)로 규정되어 있으며, 미국과 유럽 연합 (EU)은 과불

화 화합물의 종류인 PFOS의 위험성을 인식하고 산업과 국가 수준의 규제를 시작해 왔

다.[41-44] PFOS와 환경과 인체의 잠재적인 위험성에 대한 여러 보고서로 인해서, PFOS의 주

요 제조업체인 3M 회사는, 2000 년에 PFOS 제조를 자발적으로 중단하였고, 2003년에 PFOS에

대한 적은 생물 농축성, 덜 유해하고 지속 가능한 물질인 더 짧은 C4-perfluoro 사슬 유도체

(perfluorobutane sulfonate, PFBS)를 포함한 다른 계면 활성제의 제조를 시작하였다.[45-47]

Perfluorobutane sulfonate (PFBS)는 PBSF (perfluorobutanesulfonyl fluoride)을 기반으로 하는

화학 반응에 의해서 합성할 수가 있다. PFBS와 PBSF의 합성 방법은 그림 7과 8에 나타내었

으며, PFBS와 PBSF의 화학적인 구조는 그림 9에 나타냈다. PFBS는 계면 활성제이고, 말단에

sulfonyl 작용기를 가지고 있으며, C4 perfluorinated 사슬로 구성되어 있다. PFBS는 환경에 직

접 방출될 수 있거나, PBSF 화학에 기반으로 한 물질의 분해를 통해 생성될 수 있다. PFBS는

PFOS의 친수성과 소수성의 특징적인 성질을 공유하지만, 탄소 사슬의 감소로 인해서, 생물 농

축 또는 독성으로는 연결되지 않기 때문에, PFBS를 기반으로 하는 계면 활성제는 PFOS를 기

반으로 하는 계면 활성제의 잠재적인 대체물질로 사용되고 있다.[48] PFBS는 우수한 EHSR

(환경, 보건, 안전 및 규정) 특성을 가지고 있기 때문에, 3M 회사는 4개의 플루오르 탄소 원자

를 가진 PFBS계의 계면 활성제가 8 개의 플루오르 탄소 원자를 가진 PFOS계의 계면 활성제

에 대한 지속적인 대체물질로 생산하고 있다.

PFBS의 환경, 건강, 안전 (3M 회사의 데이터)

실질적으로 비독성 - 낮은 포유류 독성과 낮은 생태 독성

생물 농축 계수 <1

PFBS의 규정 (3M 회사의 데이터)

- 미국 환경 보호국 (EPA)의 PBT 화학 정책에 따라 지속적, 생물 농축성 및 독성 (PBT)으로 간주되지 않음.

- 3M 회사에 의해 생산된 PFBS계 계면 활성제의 첫 번째 시리즈는 US EPA에 의해 검토되

고 TSCA 목록에 배치되었다

.- PFBS계 계면 활성제는 미국과 유럽에서 3M 회사에 의해 상용화되었다; 다른 국가에서도

상용화가 추진되고 있다.

- 10 -

<그림 2.1.1 PFBS의 합성>

<그림 2.1.2 PBSF의 합성>

- 11 -

<그림 2.1.3 Perfluorobutane sulfonate (PFBS)와 PBSF의 화학적 구조>

2005 년에, 유럽 공동위원회는 이사회 지침 76/769/EEC에서 PFOS의 사용과 마케팅에 대

한 제한 지침에 대해서 제안을 발표를 했는데, 이러한 조치는 PFOS가 지속적이고, 생물 농축

성 및 독성 (PBT)에 대해 결론을 내린 경제 협력 개발기구 (OECD)의 유해성 평가에 의해 시

작되었으며, 제시된 지침의 목적은 PFOS 관련 물질의 사용을 감소시키고, 환경적인 위험 요소

를 제거하는 것이다.

2-2. PFOS 대체물질 개발 동향 PFOS 대체 물질에 대한 필요성이 증가하면서, 과학자들과 전 세계의 일부 산업체에 의해

서, PFOS 유도체의 유해성 효과를 줄이기 위한 연구가 진행 (그림 10)되고 있으며, 그림 10의

합성 방법은 그림 11에 나타내었다.[49-59]

<그림 2.2.1 가능한 PFOS 대체물질의 구조-1>

- 12 -

<그림 2.2.2 Hemifluoro PFOS 대체물질의 합성>

<그림 2.2.3 가능한 PFOS 대체물질의 구조-2>

그림 12의 ADONA (CAS No. 958446-44-8), GenX (CAS No. 62037-80-3), Asahi’s product

(CAS No. 908020-52-0), NEt4-PFBS (CAS No. 25628-08-4), 6:2 FYSA (CAS No.

27619-97-2), F-53 (CAS No. 754925-54-7), F-53B (CAS No. 73606-19-6), Fire Fighting

foams과 miscellaneous-1의 합성법은 그림 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22에 나타내었다.

<그림 2.2.4PFOA 대체물질(ADONA)의 합성>

- 13 -

<그림 2.2.5 PFOA 대체물질(GenX)의 합성>

<그림 2.2.6 PFOA 대체물질(Asahi’s product)의 합성>

- 14 -

<그림 2.2.7 PFOS 대체물질(N(Et)4-PFBS)의 합성>

<그림 2.2.8 PFOS 대체물질(6:2 FYSA)의 합성>

<그림 2.2.9 PFOS 대체물질 (F-53)의 합성>

<그림 2.2.10 PFOS 대체물질(F-53B)의 합성>

<그림 2.2.11 PFOS 대체물질 (Fire fighting foams과 miscellaneous-1)의 합성>

- 15 -

<그림 2.2.12 가능한 PFOS 대체물질의 구조– 3 (3M 회사의 제조)>

<그림 2.2.13 PFOS 대체물질– 3 (3M 회사의 제조)의 합성>

- 16 -

3. 연구수행 내용 및 결과

3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표

Stockholm Convention에 따른 PFOS 대체물질의 합성기술 개발 및 대량 생산

기술 개발

- Linear-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발

- POSS-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발

- Cyclic-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발

- Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 생산기술 개발

- Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 생산기술 이전

3-2. 연구개발 결과

가. 1차년도:

전체적인 PFOS 대체물질 개발 계획에 따라서, 1차 년도에는 Linear-Type PFOS 대체물

질개발, POSS-Type PFOS 대체물질 개발 및 Cyclic-Type PFOS 대체물질 개발 계획 중에서

우선적으로 Linear-Type PFOS 대체물질개발과 POSS-Type PFOS 대체물질 개발 방향으로

연구를 수행하였다. Linear-Type PFOS 대체물질개발과 관련해서는 1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,

6,6,7,7,8,8,8-hep

tadecafluorooctane -1-sulfonic acid (PFOS 계의 기본적인 화합물)를 기본적인 근거로 하여

화합물을 설계하여 합성하였다. 스톡홀름 협약의 제안 및 개발전략에 따라서, 본 과제에서는

PFOS 보다는 불소의 수 (C-4 Type 또는 C-2 Type, 즉, CF3CF2CF2CF2-, CF3CF2CF2-,

CF3CF2-, 및 CF3-)가 적은 sulfonate 화합물을 PFOS 대체물질로 개발하는 전략으로 수행하고

자 하였다. 그 중에서 1차 년도에서는 C-8 Type PFOS (CF3CF2CF2CF2CF2CF2CF2CF2SO3H)

보다 8 개의 F 화합물이 적은, C-4 Type 즉, CF3CF2CF2CF2- 기를 갖는 PFOS 대체물질을

합성하는 기술을 개발하였다.

- 17 -

FF

FF F

FF

F F

SO3H

Nonafluorooctane-1-sulfonic acid

SO3PhF

F F

F F

F F

F F

IZn, Cu

[bimm][Cl], 4 hr,

0oC - rt

F

F F

F F

F F

F F

SO3PhPd/C, H2 1 atm

24 hr

FF

FF F

FF

F F

SO3H

C-4 Type 즉, CF3CF2CF2CF2- 기를 갖는 PFOS 대체물질을 합성하는 기술을 개발하기 위해

서 다음과 같은 5 가지 접근 방법으로 합성연구를 수행하였다. 첫 번째는 1,1,1,2,2,

3,3,4,4-nonafluoro-6-iodohexane과 phenyl ethenesulfonate을 반응시켜서 phenyl 5,5,6,6,

7,7,8,8,8-nonafluorooctane-1-sulfonate을 합성하고, 합성한 phenyl 5,5,6,6,7,7,8,8,8

-nonafluorooctane-1-sulfonate을 수소화 반응시켜서 nonafluorooctane-1-sulfonic acid (C-4

Type 즉, CF3CF2CF2CF2- 기를 갖는 PFOS 대체물질)을 합성하였다.

두 번째는, 1,1,1,2,2,3,3,4,4-nonafluoro-4-iodobutane과 1,3-sultone 화합물을 EtMgBr과 반응시

켜서 magnesium(I) 4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptane- 1-sulfonate을 얻은 다음에 산으로 처리

하여 Nonafluorooctane-1-sulfonic acid을 합성하였다.

- 18 -

+

EtMgBr,

SO

O O

FI

FF

F F

FF

F F

F

FF

F F

FF

F F

SO3Mg-78oC - -50oC,

THF

FI

FF

F F

FF

F F

+Br

F

FF

F F

FF

F F

Zn, Pd(OAc)2

dry THF

Na2S2O4

NaHCO3

CH3CN/H2OF

FF

F F

FF

F F

SO3Na

SOR

O

O

OH

FF

n

n = 1-4

R = C1-Cn

세 번째로는, 1,1,1,2,2,3,3,4,4-nonafluoro-4-iodobutane을 allyl bromide와 반응시켜서

4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluorohept-1-ene을 합성한 다음에, 이중결합을 반응시켜서 sulfonate 염을

얻고, 산으로 처리하여 Nonafluorooctane-1-sulfonic acid을 합성하였다.

네 번째로는, 1,1,2,2,3,3,4,4-octafluoro-4-(octyloxy)butane-1-sulfonic acid과 같이 C-4 Type이

면서 불소 화합물이 SO3H 기와 연결되어 있으면서, 다른 쪽은 O, N, S 및 C와 연결되어있는

화합물을 합성하고자 하였는데, 특별히 octan-1-ol을

1,4-dibromo-1,1,2,2,3,3,4,4-octafluorobutane과 반응시킨 다음에 작용기를 변환시켜서

1,1,2,2,3,3,4,4-octafluoro-4-(octyloxy)butane-1-sulfoni

c acid를 합성하였다.

- 19 -

+ BrBr

FF

F F

FF

F F

NaH, dry DMSO

rt, 24 hr.

C8H17O

F F

FF

F F

Br

FF

Na2S2O4, NaHCO3

MeCN/H2O

C8H17O

F F

FF

F F

SO3Na

FFH2O2, H2O

0oC

C8H17O

F F

FF

F F

SO3H

FF

C8H17OH

SO2ClCl

OH

Et3NSO3Ph

CH2Cl2

1 2 BVK-I-17-180 oC to rt

+

다섯 번째로, allyl alcoholl을 1,4-dibromo-1,1,2,2,3,3,4,4-octafluorobutane과 반응시킨 다음에

작용기를 변환시켜서 1,4-dibromo-1,1,2,2,3,3,4,4- octafluorobutane의 1,4-탄소 위치에 allyl기

를 도입하고자 하였다.

앞서 계획한 5 가지 방향으로, PFOS 대체물질을 개발하기 위해 수행한 내용들을 정리하면 다

음과 같다.

Phenyl ethenesulfonate의 합성:

건조된 둥근 바닥 플라스크에 질소를 주입하고, phenol (12.0 g, 128.8 mmol)을, 건조된

dichloromethane (250 ml) 용매에 녹인 2-chloroethanesulfonyl chloride (37.5 mL, 269.9

mmol) 용액에 첨가한 다음에, 반응 용액의 온도를 0℃로 냉각시킨 후에, 0℃의 반응 용액에

Et3N (12.9 ml, 122.6 mmol)을 천천히 첨가하였다. 반응 용액의 온도를 0℃에서 상온으로 높인

다음에 2 시간동안 교반하였다. 반응의 진행 정도를 확인한 후에, 감압 하에서 농축하고, 실리

카겔 칼럼 크로마토그래피로 분리하여 phenyl ethenesulfonate (21.05 g, 96%)을 좋은 수율로

합성하였으며, phenyl ethenesulfonate의 화학구조를 1H NMR 스펙트럼으로 확인하였다.

- 20 -

SO3PhF

I

F F

F F

F F

F FPh4Si2H2

AIBN

EtOH, 14 hrreflux

F

F F

F F

F F

F F

SO3Ph+

Phenyl 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexane-1-sulfonate의 합성:

질소 분위기 하에서, perfluoro iodide 화합물 (1.44 mmol, 0.5 g), vinyl sulfonate (4.32 mmol,

0.79 g 3 eq), phenyl disilane (3.6 mmol, 1.31 g, 2.5 eq), 그리고 AIBN (0.72 mmol, 0.11 g,

0.5 eq)을 에탄올 용매 속에 넣은 다음에, 반응 용액의 온도를 증가시켜서, 14 시간 동안 환류

- 21 -

SO3PhF(CH2)2I

F F

F F

F F

FF Ph4Si2H2

AIBN

EtOHreflux14 hr.

F

F F

F F

F F

FF

SO3Ph+

시켰다. 반응의 진행정도를 확인한 후에, 반응 용액을 감압 하에서 농축하고, work-up한 후

에, 칼럼 크로마토그래피 (1:4, EA:Hexane)로 분리하여 phenyl 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluoro-

hexane-1-sulfonate(100 mg, 수득율 30%)를 얻었으며, 1H NMR 스펙트럼으로 구조를 확인하

였는데, phenyl disilane 화합물이 혼합되어 있음을 알 수 있었다.

Phenyl 5,5,6,6,7,7,8,8,8-nonafluorooctane-1-sulfonate의 합성:

Phenyl 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexane-1-sulfonate의 합성실험과 동일한 방법으로 반응을 진

행시켰으며, 합성하여 분리한 phenyl 5,5,6,6,7,7,8,8,8- nonafluorooctane-1-sulfonate에 다른 불

순물이 포함되어있음을 알 수 있었다. 따라서 phenyl disilane을 사용하여 phenyl

5,5,6,6,7,7,8,8,8-nonafluorooctane- 1-sulfonate를 효율적으로 합성할 수 없었기에, 다른 합성 방

법으로, phenyl disilane을 사용하지 않고, phenyl disilane 대신에 Bu3SnH를 사용하는 반응을

시도하였다.

- 22 -

SO3PhF(CH2)2I

F F

F F

F F

FF Bu3SnH

AIBN

dry Toluenereflux6 hr.

F

F F

F F

F F

FF

SO3Ph+

Bu3SnH를 이용한 phenyl 5,5,6,6,7,7,8,8,8-nonafluorooctane-1-sulfonate의 합성:

무수 톨루엔 용매 속에 tributyltin hydride (1.33 mmol, 0.71 mL)을 첨가한 반응용액에,

perfluoro iodide (2.67 mmol, 1 g), vinylsulfonate (3.2 mmol, 0.58 g)을 tributyltin hydride

(1.33 mmol, 0.71 mL)을 천천히 차례대로 첨가하였다. 반응 용액의 온도를 60℃로 올린 다음

에, AIBN (0.21 g, 1.33 mmol)을 첨가하고 반응 용액을 6 시간 동안 환류시켰다. TLC로 반응

의 진행정도를 확인한 후에, 반응 용매를 감압 하에서 제거한 다음에, work-up하고, 칼럼 크

로마토그래피 (1:4, EA:Hexane)로 분리하여 phenyl

5,5,6,6,7,7,8,8,8-nonafluorooctane-1-sulfonate (500 mg, 수득율 25%)를 얻었으며, 1H NMR 스

펙트럼으로 구조를 확인하였는데, phenyl 5,5,6,6,7,7,8,8,8-nonafluorooctane-1-sulfonate과

tributyltin hydride가 혼합되어 있었다.

- 23 -

SO3Ph F

F F

F F

F F

F FI

Zn, CuI[BMIM][Cl]

0 oC to rt

10 h

F

F F

F F

F F

F FSO3Ph

+

이온성 액체를 이용한 phenyl 5,5,6,6,7,7,8,8,8-nonafluorooctane-1-sulfonate의 합성: “새로운 합

성방법 개발 ”

둥근 플라스크에 zinc powder (4.34 g, 66.8 mmol)과 [BMIM][Cl] (33 mL)을 넣은 용액에,

copper(I) iodide (2.54 g, 13.3 mmol)를 넣은 다음에, 반응 용액의 온도를 0-10oC로 유지하면서

15 분 동안 교반시켰다. 교반시킨 반응 용액에 1,1,1,2,2,3,3,4,4- nonafluoro-6-iodohexane (10.0

g, 26.7 mmol)를 첨가하고, phenyl ethenesulfonate (4.91g,26.7mmol)을 첨가한 후에, 0oC에서

일정 시간동안 교반한 다음에, 반응 용액의 온도를 실온으로 올려주면서 반응이 완결 될 때까

지 교반시켰다. 반응의 진행정도를 확인한 후에, 반응 용액에 diethyl ether (3 x 30 mL)를 첨

가한 후에 work-up하고, 칼럼 크로마토그래피 (1:4, EA:Hexane)로 분리하여 phenyl

5,5,6,6,7,7,8,8,8-nonafluorooctane-1-sulfonate (4.2 g, 수득율 36%)를 얻었으며, 1H NMR 스펙

트럼으로 구조를 확인하였다.

- 24 -

SO3Ph F

F F

F F

F F

F FI

Zn, CuIDMF

0 oC to rt

30 h

F

F F

F F

F F

F FSO3Ph

+

Zn와 CuI를 이용한 phenyl 5,5,6,6,7,7,8,8,8-nonafluorooctane-1-sulfonate의 합성:

DMF (1.0 ml) 용매 속에 zinc powder (86 mg, 1.33 mmol)와 copper(I)iodide (50 mg, 1.33

mmol)을 넣어 준 다음에, 반응 용액의 온도를 0-10oC로 유지하면서 15 분 동안 교반시켰다.

교반한 반응 용액에 1,1,1,2,2,3,3,4,4- nonafluoro-6- iodohexane (200 mg, 0.53 mmol)를 첨가하

고, phenyl ethenesulfonate (118 mg, 0.64 mmol)을 첨가한 후에, 0oC에서 일정 시간동안 교반

한 다음에, 반응 용액의 온도를 실온으로 올려주면서 반응이 완결 될 때까지 교반시켰다. 반응

의 진행정도를 확인한 후에, 반응 용액에 ethyl acetate (5 mL)를 첨가한 뒤에, 침전물을 여과

하고, EtOAc (3 x 5 mL)로 씻어준 다음에, 분리한 유기 층을 감압 하에서 농축하고, 실리카

겔 칼럼 크로마토그래피로 분리하여 phenyl 5,5,6,6,7,7,8,8,8- nonafluorooctane-1-sulfonate (69

mg, 수율 30 %)를 얻었다.

- 25 -

Phenyl 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexane-1-sulfonate의 합성:

SO3PhF

I

F F

F F

F F

F FZn, CuI

Formamide

0 oC to rt

20 h

+ F

F F

F F

F F

F FSO3Ph

Formamide (13.0 mL) 용매 속에 zinc powder (1.76 g, 27.1 mmol)과 copper(I) iodide (1.03

g, 5.43 mmol)을 넣어 준 다음에, 반응 용액의 온도를 0-10oC로 유지하면서 15 분 동안 교반시

켰다. 교반한 반응 용액에 1,1,1,2,2,3,3,4,4-nonafluoro-4-iodobutane (2.0 ml, 11.9mmol)를 첨가

하고, phenyl ethenesulfonate (2 g, 10.8 mmol)을 첨가한 후에, 0oC에서 일정 시간동안 교반한

다음에, 반응 용액의 온도를 실온으로 올려주면서 반응이 완결 될 때까지 교반시켰다. 반응의

진행정도를 확인한 후에, 반응 용액에 ethyl acetate (5 mL)를 첨가한 뒤에, 침전물을 여과하

고, EtOAc (3 x 5 mL)로 씻어준 다음에, 분리한 유기 층에, 3N HCl 용액과 hexane (2 x

5ml)을 사용해 유기층을 추출하여 건조한 뒤에, 감압 하에서 농축하고, 실리카겔 칼럼 크로마

토그래피로 분리하여 phenyl 3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexane-1-sulfonate (0.2 g, 수율 4.3%)

를 얻었다.

Sultone을 이용한 4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptane-1-sulfonic acid 의 합성:

- 26 -

+S

O

O O

FI

FF

F F

FF

F F

F

FF

F F

FF

F F

SO3H-78oC - -50oC

THF

2. H+

1. EtMgBr

둥근 플라스크에 perfluorobutyliodide (0.5 g, 1.44 mmol) 와 무수 THF (10 ml)를 넣고 -78oC

에서 냉각시킨 반응 용액에, ethylmagnesiumbromide (3M, in diethyl ether, 3.52 ml, 10.6

mmol)를 천천히 첨가시켰다. 반응 용액의 온도가 40oC에 도달할 때 까지 30 분 동안 교반시켜

주고, 반응 용액의 온도를 다시 -78oC로 냉각시킨 뒤에, [1,2]-oxathiolane-2,2-dioxide (0.35 g,

2.89 mmol)를 천천히 첨가시켰다. 반응 용액의 온도를 -40oC로 조절한 뒤에, 반응 용액을

-40oC에서 4 시간 동안 교반시켰다. 반응의 진행정도를 확인한 후에, 유기 층을 분리하여, 물

(2 x 10 ml)을 사용하여 추출하고, 물 층은 diethyl ether(10 ml)로 추출한 후에, 유기 층을 무

수 NaSO4로 건조시키고, 감압 하에서 농축하고, 실리카겔 칼럼 크로마토그래피로 분리하여 화

합물 (500 mg)를 얻었다. (J . Fluorine Chemistry 2005,131,1338-1343.)

한편 4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptane-1-sulfonic acid를 합성하기 위해서, 4,4,5,5,6,6,7,7,

7-nonafuorohept-1-ene 을 효율적으로 합성하는 방법 등을 시도하였으며, 1,1,2,2,3,3,4,4-octa

fluoro-4-(octyloxy)butane-1-sulfonic acid과 같이 C-4 Type이면서 불소 화합물이 SO3H 기와

연결되어 있으면서, 다른 쪽은 O, N, S 및 C와 연결되어있는 화합물을 합성하고자 하였는데,

특별히 octan-1-ol을 1,4-dibromo-1,1,2,2,3,3,4,4-octafluorobutane과 반응시킨 다음에 작용기를

변환시켜서 1,1,2,2,3,3,4,4-octafluoro-4-(octyloxy)butane-1-sulfonic acid를 합성하는 반응 등을

시도하였다.

PFOS 대체물질을 개발하기 위한 다양한 연구 실험을 통하여. 특별히 이온성 액체를 이용한

phenyl 5,5,6,6,7,7,8,8,8-nonafluorooctane-1-sulfonate를 합성하는 새로운 방법을 개발하였으며,

합성한 phenyl 5,5,6,6,7,7,8,8,8-nonafluorooctane-1-sulfonate를 가수분해 반응시켜서 nonafluoro

octane-1-sulfonic acid를 얻었으며, sodium 5,5,6,6,7,7,8,8,8-nonafluoro octane-1-sulfonate의

화학구조를 1H NMR 스펙트럼으로 확인하였으며, 염을 만드는 과정에서 phenoxy 기가 소량

남아 있는 것으로 1H NMR 스펙트럼으로 알 수 있었다. 얻어진 화합물의 1H NMR 스펙트럼

은 다음과 같으며, Mass 스펙트럼은 [M+Na]+으로 확인하였다.

- 27 -

aq NaOH, EtOHTHF

reflux

F

F F

F F

F F

F F

SO3PhF

F F

F F

F F

F F

SO3Na

- 28 -

위 실험에서와 동일한 방법으로 7 가지의 PFOS 관련 화합물을 합성하였으며, 이들에 대한 독

성실험 및 성능 적용 실험은 2차 년도에 수행하였다.

- 29 -

F

F F

F F

F F

F FSO3Ph

F

F F

F F

F F

F FSO3F

F

F F

F F

F F

F FSO3

-K+

F

F F

F F

F F

F FSO3H

F

F F

F F

F F

F FSO3

-

F

F F

F F

F F

F FSO3

-F

F F

F F

F F

F FSO3H

F

F F

F F

F F

F FSO3H

F

F F

F F

F F

F FSO3

-Li+

NH3

N+N+ HN

HO OH

Perfluorooctanesulfonic acid Perfluorooctanesulfonyl fluoride Potassiumperfluorooctanesulfonate

Lithiumperfluorooctanesulfonate

Ammoniumperfluorooctanesulfonate

Diethanolammoniumperfluorooctanesulfonate

Tetraethylammoniumperfluorooctanesulfonate

Didecyldimethylammoniumperfluorooctanesulfonate

- 30 -

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

O

O

OR

R

R

R

R

R

R

N N

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

O

O

OR

R

R

R

R

R

R

N N+SO3H

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

O

O

OR

R

R

R

R

R

R

N N+

SO3-

CF3SO3-

56

4

Si ClEtO

OEt

OEt

NHN O

SiO

Si

O

SiO

Si

OH

OH

Si

O

Si OSi

O

OO

OHR

R

R

R

RR

R

1 2

3

R = Isobutyl

POSS-Type PFOS 대체물질의 합성

본 과제에서 Linear-Type PFOS 대체물질 외에, POSS-Type PFOS 대체물질

(POSS-Imidazole-S O3H, 6)을, 다음과 같이 역합성적인 분석을 통하여 합성하였다.

- 31 -

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

O

O

OR

R

R

R

R

R

R

Cl

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

O

O

OR

R

R

R

R

R

R

N N

NHN

XyleneReflux

R = isobutyl

Xylene (5 ml) 용매 속에 POSS-Cl 화합물 (0.100 g, 0.112 mmol, 1 eq)과 imidazole (0.020 g,

0.294 mmol, 2.6 eq)를 첨가한 다음에, 반응 용액을 48 시간 동안 환류시켰다. TLC로 반응의

진행정도를 확인하여, POSS-Cl 화합물(0.020 g, 0.294 mmol, 2.6 eq)를 첨가하고 24 시간 동

안 더 환류시켰다. 반응 용액의 온도를 낮추고, 감압 하에서 농축시킨 다음에, 잔유물을 실리카

겔 칼럼 크로마토그래피 (1:9에서 2:3, EA : Hexane)로 분리하여 POSS-Imidazole 화합물

(0.035 g)을 얻었다.

- 32 -

- 33 -

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

O

O

OR

R

R

R

R

R

R

N N

Reflux

Si ClEtO

OEt

OEt

NHN

O

SiO

Si

O

SiO

Si

OH

OH

Si

O

Si OSi

O

OO

OHR

R

R

R

RR

R

1

2

3

+

+

Xylene

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

O

O

OR

R

R

R

R

R

R

N N

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

O

O

OR

R

R

R

R

R

R

N N+SO3H

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

SiO

Si

O

Si O

Si

O

O

O

OR

R

R

R

R

R

R

N N+

SO3-

CF3SO3-

Toluene

OS

O

O

5

6

4

R = isobutyl

CF3SO3H

Acetonitrile

60oC

Xylene (7.5 ml) 용매 속에 (3-chloropropyl)triethoxysilane (0.120 g, 0.112 mmol, 1 eq),

imidazole (0.034 g, 0.500 mmol, 1 eq)과 Siylltriol (0.500 g, 0.632 mmol, 1.26 eq)를 첨가한

다음에, 반응 용액을 48 시간 동안 환류시켰다. TLC로 반응의 진행정도를 확인하여, 반응 용액

의 온도를 낮추고, 감압 하에서 농축시킨 다음에, 잔유물을 실리카겔 칼럼 크로마토그래피

(hexane에서 3:97, EA : Hexane)로 분리하여 POSS-Imidazole 화합물 (0.050 g)을 얻었다.

- 34 -

Toluene (7.5 ml) 용매 속에 POSS-Imidazole (4) (0.475 g, 0.514 mmol, 1 eq)과 propane

sultone (0.070 g, 0.573 mmol, 1.1 eq)를 첨가한 다음에, 반응 용액을 48 시간 동안 환류시켰

다. TLC로 반응의 진행정도를 확인하여, 반응 용액의 온도를 낮추고, 감압 하에서 농축시킨 다

음에, 잔유물을 hexane 용액에서 침전시키고, 여과하여 화합물 5 (0.150 g, 24.2%)를 얻었다.

Xylene 용매 속에 화합물 5 (0.100 g, 0.083 mmol, 1 eq)와 trific acid (0.02 g, 0.13 mmol, 1.6

eq)를 첨가한 다음에, 반응 용액을 60oC에서 48 시간 동안 환류시켰다. TLC로 반응의 진행정

도를 확인하여, 반응 용액의 온도를 낮추고, 감압 하에서 농축시킨 다음에, 50oC에서 진공 건조

하여 0.100 g의 DPOSS-Imidazole-SO3H (0.100 g, 6)를 얻었다.

나. 2차 년도:

본 과제에서는 PFOS 보다는 불소의 수 (C-4 Type 또는 C-2 Type, 즉, CF3CF2CF2CF2-,

CF3CF2-, 및 CF3-)가 적은 sulfonate 화합물을 PFOS 대체물질로 개발하는 전략으로 수행하고

자 하였다. 큰 분류로는, Linear-Type PFOS 대체물질개발, POSS-Type PFOS 대체물질 개발

및 Cyclic-Type PFOS 대체물질 개발 등으로 나누어서 개발하고자 하였다. 특별히 POSS는

Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes (POSS monomers)을 나타내는데, 이러한 화합물 중에

서 분자제어가 가능한 cubic type의 POSS를 이용하여 PFOS 대체물질을 개발하고자 하였으

며, POSS 물질에 한 개 또는 그 이상의 불소 치환체 (Perfluoro substance)가 연결되어있는

POSS 화합물을 합성하여 PFOS 대체물질로 개발하였다.

전체적인 PFOS 대체물질 개발 계획에 따라서, Linear-Type PFOS 대체물질개발, POSS-Type

PFOS 대체물질 개발 및 Cyclic-Type PFOS 대체물질 개발 계획 중에서 우선적으로

Linear-Ty pe PFOS 대체물질개발과 POSS-Type PFOS 대체물질 개발 방향으로 연구를 수행

하였다. Linear-Type PFOS 대체물질개발과 관련해서는 heptadecafluorooctane-1-sulfonic acid

(PFO S계의 기본적인 화합물)를 기본적인 근거로하여 화합물을 설계하여 합성하였다. 스톡홀

름 협약의 제안 및 개발전략에 따라서, 본 과제에서는 PFOS 보다는 불소의 수 (C-4 Type 또

는 C-2 Type, 즉, CF3CF2CF2CF2-, CF3CF2-, 및 CF3-)가 적은 sulfonate 화합물을 PFOS 대체

물질로 개발하는 전략으로 수행하고자 하였다. 1차 년도의 결과를 바탕으로, 2차년도에서는

C-8 Type PFOS (CF3CF2CF2CF2CF2CF2CF2CF2SO3H)보다 F 화합물이 적은, C-4 Type 즉,

CF3CF2CF2CF2- 기를 갖는 PFOS 대체물질을 합성하는 기술을 개발하였다.

- 35 -

C-4 Type 즉, CF3CF2CF2CF2- 기를 갖는 PFOS 대체물질을 합성하는 기술을 개발하기 위해

서 다음과 같은 접근 방법으로 합성연구를 수행하였다. Nonafluoro-6-iodohexane과 phenyl

ethenesulfonate을 반응시켜서 phenyl nonafluorooctane-1-sulfonate을 합성하고, 합성한 phenyl

nonafluorooctane-1-sulfonate을 KOH 등의 해당되는 염기와 반응시켜서

nonafluorooctane-1-sulfonic acid (C-4 Type 즉, CF3CF2CF2CF2- 기를 갖는 PFOS 대체물질)

을 합성하였다.

(1) Fluoro-Linear-Alkyl-Sulfonic acid과 Fluoro-Linear-Alkyl-Sulfonate Salt의 합성

기술 개발

1차년도에 개발한 합성 방법과 동일한 방법으로 phenylpentafluorohexane-1-sulfonate

(BVK-II-33, 54% 수율)을 합성하였다. 또한 동일한 실험 방법으로 phenyltrifluoropentane-1-

sulfonate (BVK-II-34, 53% 수율)를 합성하였다.

또한 동일한 실험 방법으로 phenyltrifluoropentane-1-sulfonate (BVK-II-34, 53% 수율)를 합

성하였다.

- 36 -

합성한 phenylnonafluorooctane-1-sulfonate로부터 potassium nonafluorooctane-1-sulfonate의

합성:

화합물 BVK-I-21-18 (1.0 g, 2.31 mmol)을 ethanol (4 mL)과 THF (4 mL)에 녹인 반응 용액

에, KOH (0.4 g in 4 mL H2O)를 넣은 다음에, 반응 용액의 온도를 80 oC로 올려서 3 시간

동안 반응시켰다. 반응 후에, 얻어지는 잔유물을 차가운 물로 씻어준 다음에, 순수한 염인,

BVK-I-46(0.46 g, 50% yield). 반응 수율이 낮은 것은, 반응은 잘 진행되었지만, 반응 용액 중

에 는 페녹시드 염이 남아 있기 때문에 완전하게 분리할 수 없었다. (다음 반응에서부터는

Lyophilizer를 사용하여, 물을 제거하여서, 효율적으로 염 화합물을 얻는 실험 방법으로 수행하

였다).

합성한 phenylnonafluorooctane-1-sulfonate로부터 lithium nonafluorooctane-1-sulfonate의 합

성:

- 37 -

BVK-I-49(0.82 g, 93% yield).

합성한 potassium nonafluorooctane-1-sulfonate로부터 tetraethylammonium

nonafluorooctane-1-sulfonate의 합성:

둥근 플라스크 (50 mL)에 potassium 5,5,6,6,6-pentafluorohexane-1-sulfonate (1) (50 mg, 0.17

mmol)를 넣은 다음에, acetonitrile (4 mL)에 tetraethylammonium chloride (28 mg, 0.17

mmol)을 녹인 용액을 첨가하였다. 반응 용액을 저어주면서, 반응 온도를 80 oC로 올 주어서, 5

시간동안을 반응시켰다. 반응 후에, sintered funnel로 여과하여 KCl을 제거하고, 잔유물을 농

축시켜서 tetraethylammonium nonafluorooctane-1-sulfonate를 얻었다.

동일한 방법으로, tetraethylammonium 5,5,6,6,6-pentafluorohexane-1-sulfonate (BVK-II-44)와

tetraethylammonium 5,5,5-trifluoropentane-1-sulfonate (BVK-II-62)를 합성하였다.

또한 본 과제에서 수행한 방법과 동일한 실험 방법으로,

N-decyl-N ,N-dimethyldecan-1-ammonium nonafluorooctane-1-sulfonate (BVK-I-75L),

N-decyl-N ,N-dimethyldecan-1-ammonium pentafluorohexane-1- sulfonate (BVK-II-61)와

N-decyl-N ,N-dimethyldecan-1-ammonium trifluoropentane-1-sulfonate (BVK-II-60)를 합성

- 38 -

하였다. 앞서 합성한 potassium nonafluorooctane-1-sulfonate를 1 N HCl 용액과 NH4OH 용

액을 이용하여 nonafluorooctane-1-sulfonic acid의 ammonia salt (BVK-II-66-3)를 합성하였으

며, 동일한 합성 방법으로, pentafluorohexane-1-sulfonic acid의 ammonia salt (BVK-II-66-2)

trifluoropent ane-1-sulfonic acid의 ammonia salt (BVK-II-66-1)를 합성하였다.

(2) Fluoro-POSS-SO3H 대체물질의 다양한 합성기술 개발

본 과제에서는, 1차년도에 개발한 POSS 화합물의 합성 방법을 이용하여, 2차년도에서는,

triethoxy(isopentyl)silane 및 triethoxy(3,3,3-trifluoro propyl)silane를 이용하여,

isobutyl-POSS-Triol과 Fluoro-POSS-Triol 화합물을 합성한 다음에, 합성한 POSS-Triol 화

합물에 (3-chloropropyl)triethoxysilane을 반응시켜서, Fluoro-POSS-Propyl Chloride 화합물을

얻은 다음에, 두 단계를 반응시켜서, 즉 potassium ethanethioate를 반응시켜서 얻어진

Fluoro-POSS-Propyl thioacetate 화합물을 얻은 다음에, 마지막 단계로 진한 HCl을 사용하여

Fluoro-POSS-SO3H를 성공적으로 합성하였다. Fluoro-POSS-SO3H를 합성하는 전체적인 합

성

경로는 다음과 같다.

전체적인 반응 단계를 정리하면 다음과 같다.

Hepta(3,3,3-trifluoropropyl)tricycloheptasiloxane trisodium silanolate [7F-T7-(ONa)3]의 합성:

실온에서, (3,3,3-trifluoropropyl)trimethoxysilane (10 g, 0.046 mol)을, THF (50 mL), distilled

water (1.05 g, 0.58 mol)와 sodium hydroxide (0.79 g, 0.02 mol)가 들어있는 반응 용액을 첨가

한 다음에, 냉각기 (reflux condenser)와 장치하고, 반응 용액의 반응 온도를 The mixture 70

°C로 올려주어서, 5 시간 동안 반응시켰다. 반응 온도를 실온을 냉각시키고, 실온에서 15 시간

동안 방치하였다. 진공 증발 장치의 온도를 65 °C로 유지하면서, 휘발성 유기 물질들을 제거한

다음에, 잔유물을 ether로 씻어주고, 여과하여서, 흰색의 침전물을 얻은 다음에, 흰색의 침전물

을 진공 오븐 (80 °C)에서 3 시간 동안 진공 건조시켜서 흰색 고체인 hepta(3,3,3-t

rifluoropropyl)tricycloheptasiloxane trisodium silanolate [7F-T7-(ONa)3] (7.4 g)를 정량적인

수율로 얻었다.

- 39 -

Fluoro-POSS-Propyl Chloride (7F-T8-Cl)의 합성:

첫 번째 단계에서 합성한, hepta(3,3,3-trifluoropropyl)tricycloheptasiloxane trisodium silanolate

[7F-T7-(ONa)3] (3 g, 2.64 mmol)을 플라스크에 넣은 다음에, NEt3 (0.37 mL, 2.64 mmol)과

dry THF (40 mL)를 첨가한 반응 용액에 trichloro (3-chloropropyl) silane (0.89 mL, 4.22

mmol)을 빨리 첨가한 다음에, 실온에서 4 시간동안 저어 주었다. 반응 후에 생성된 침전물, 여

과하여 제거하고, 침전액을 진공 증발기로 증발시켜서 고체 생성물을 얻었다. 얻어진 고체 생

성물을, 5 시간 동안을 75 °C에서 건조시켜서 생성물인 Fluoro-POSS-Propyl Chloride

(7F-T8-Cl) (1.8 g)을 흰색 고체로 얻었다.

- 40 -

- 41 -

Fluoro-POSS-Propyl thioacetate 화합물의 합성:

- 42 -

0° C, 질소 분위기에서, Fluoro-POSS-Propyl Chloride (7F-T8-Cl) (5 g, 4.22 mmole)를

anhydrous DMF (10 mL)에 녹인 용액에 potassium thioacetate (0.728 g, 6.39 mmol)를 넣은

반응 용액을 12 시간 동안 저어 주었다. 반응 후에, 반응 용액에 물 (20 mL)을 넣은 후에,

ether (3 X 20 mL)로 씻어주고, 소금물로 씻어 준 다음에, MgSO4로 건조시켜서

Fluoro-POSS-Propyl thioacetate 화합물을 얻었으며, 더 이상 분리하지 않고, 다음 반응에 사

용하였다.

Fluoro-POSS-SO3H의 합성:

- 43 -

Fluoro-POSS-Propyl thioacetate (300 mg)에 acetic acid (30 mL)와 H2O2 (30% 용액, 10

mL)를 실온에서 18 시간동안 저어 주었다. 반응 후에, 진공 증발기 (40°C)에서 용매를 제거

(주의: 유독성)하였다. 남아 있는 잔유물을 감압 건조시켜서 Fluoro-POSS-SO3H (160 mg)를

합성하였다.

본 과제에서는, 지금까지 기술한 내용 외에도 관련된 수많은 화합물들을 합성하였으며, 또한

합성한 화합물에 대한 독성에 관한 실험들을 의뢰하여 수행 중에 있으며, 또한 소화약제로서

의 가능성도 일부는 시험하였으며, 다양한 화합물에 대한 여러 가지 활성 시험들을 수행할 것

이며, 또한 고리형 Fluoro-SO3H를 합성하는 실험도 아울러 수행하였다.

(3) 합성한 POSS화합물의 활성 시험

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- 45 -

2. ECOFOAM 936과 BVK-II-20 1.0wt%적용액 FOAM 비교

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다. 3차 년도:

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3차년도 연구개발 목표 3차년도 연구개발 수행내용 달성도(%) 비고

F-C4-SO3H 계열 9 종 F-C4-SO3H 계열 9 종 100% 생분해성시험용

F-C4-CO2H 계열 8 종 F-C4-CO2H 계열 8 종 100% 합성 방법 개발

F-C2-SO3H 계열 9 종 F-C2-SO3H 계열 9 종 100% 생분해성시험용

F-C1-SO3H 계열 9 종 F-C1-SO3H 계열 9 종 100% 생분해성시험용

F-C4-Di-SO3H 계열 2 종 F-C4-Di-SO3H 계열 2 종 100% 합성 방법 개발

POSS-SO3H 계열 2 종 POSS-SO3H 계열 2 종 100% 활성시험용

POSS-CO2H 계열 4 종 POSS-CO2H 계열 4 종 100% 합성 방법 개발

Cyclic-CO2H/SO3H 계열 6 종 Cyclic-CO2H/SO3H 계열 6 종 100% 반응 확인용

PFOS 대체물질 분해 미생물 분리 실험

PFOS 대체물질 분해 미생물 분리 실험

100% 분해 미생물 분리

(1) F-C4-SO3H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- 2차년도에서 합성한 연구 방법에 따라서, 생분해성 시험을 위해, 9 종의 F-C4-sulfonic

acid 계의 화합물을 합성하였다.

- 구입한 1,1,1,2,2,3,3,4,4-nonafluoro-6-iodohexane (4)을, 본 연구실에서 합성한 phenyl

ethenesulfonate (3)를 이온성 액체 ([bmim][Cl])에 녹인 다음에, Zn와 CuI를 넣은 다음에, 반응

온도를 O °C에서 실온 (RT)으로 올려 준 다음에, 5 시간동안 교반시켜서, 반응의 진행정도를

확인한 후에, work-up하고, 분리하여서 40%의 수율로 phenyl 5,5,6,6,7,7,8,8,8-nona

fluorooctane-1-sulfonate (5)를 합성하였다. 합성한 화합물 5를 Pd/C 촉매를 사용한 수소화 반

응 (H2, 2 atm, EtOH, RT, 57%)으로, 5,5,6,6,7,7,8,8,8-nonafluorooctane-1-sulfonic acid (2)를

합성하였다.

- 한편 합성한 phenylnonafluorooctane-1-sulfonate (5)를 이용하여 다양한

F-C4-SO3-M+ (염 화합물)를 합성하기 위해서, 화합물 5를 가수분해 (KOH 도는 NaOH,

EtOH, H2O, THF)시켜서, 해당되는 F-C4-SO3-K+, F-C4-SO3

-Na+를 합성하였으며, 합성한

F-C4-SO3-K+를 이용하여, 각각의 tetraethylammonium nonafluorooctanesulfonate (12)과

didecyldimethylammonium nonafluorooctanesulfonate (13)를 합성하였으며, 전체적으로, 9 종

류의 F-C4-sulfonic acid 계의 화합물을 합성하였다. 또한 합성한 화합물들에 대한 표면장력을

측정/분석하였으며, 불소의 숫자에 따른 경향성을 나타내었다.

- 49 -

- 50 -

(2) F-C4-CO2H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- 3차년도 합성한 F-C4-SO3H 계열의 화합물 합성 연구 방법에 따라서, 8 종의

F-C4-CO2H 계의 화합물을 합성하였다.

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(3) F-C2-SO3H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- F-C4-SO3H 계의 화합물을 합성한 연구 방법에 따라서, 생분해성 시험을 위해, 9 종의

F-C2-SO3H 계의 화합물을 합성하였다.

(4) F-C1-SO3H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- F-C4-SO3H 계의 화합물을 합성한 연구 방법에 따라서, 생분해성 시험을 위해, 9 종의

F-C1-sulfonic acid 계의 화합물을 합성하였다.

(5) F-C4-Di-SO3H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- 지금까지의 합성 방법과는 다른 반응 방법을 개발하여, 즉, 화합물의 합성 방법을 개발

하기 위하여 9 종의 F-C4-Di-SO3H 계의 화합물을 합성하였다.

- THF 용매 속에서, NaH를 사용하여 diethylmalonate의 proton을 제거하한 다음에, 1,1,

1,2,2,3,3,4,4-nonafluoro-6-iodohexane과 반응시켜서, diethyl 2-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyl)

malonate를 합성한 다음에, LAH로 환원시켜서 Di-OH 화합물인 2-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluor

ohexyl)propane-1,3-diol을 합성하였다.

- THF 용매 속에 NaH를 넣고, 앞서 합성한 2-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyl) propa

ne-1,3-diol을 넣어서 Di-OH의 제거한 다음에, 1,3-sultone과 1,4-sultone를 적가하여서 각각의

sodium 3,3'-((2-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyl)propane-1,3-diyl)bis(oxy)) bis(propane-

1-sulfon ate)과 odium 4,4'-((2-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyl) propane-1,3-diyl)bis(oxy))bis

(butan e-1-sulfonate)을 합성하였다.

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(6) POSS-SO3H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- Trimethoxy(3,3,3-trifluoropropyl)silane을 출발 물질로 사용하여, POSS-Tri-ONa를 합성하

는 방법을 개발하였다. 합성한 POSS-Tri-ONa를 (3-chloropropyl)trimethoxysilane과 반응시켜

서, 각각 POSS-(Isobutyl)7-C3-Cl과 POSS-(CF3C2)7-C3-Cl를 합성하였으며, 얻어진

POSS-(Isob utyl)7-C3-Cl과 POSS-(CF3C2)7-C3-Cl를 이용하여, 각각의

POSS-(Isobutyl)7-C3-SO3H과 POSS-(CF 3C2)7-C3-SO3H를 합성하였다.

- POSS-(Isobutyl)7-C3-Cl과 POSS-(CF3C2)7-C3-Cl를 potassium ethanethioate과 반응시켜

서 POSS-(Isobutyl)7-C3-SAc과 POSS-(CF3C2)7-C3-SAc를 합성하는데는 어려움이 없었으나,

POS S-(Isobutyl)7-C3-SAc과 POSS-(CF3C2)7-C3-SAc에서과산화수소를 이용하여,

POSS-(Isobutyl)7-C 3-SO3H와 POSS-(CF3C2)7-C3-SO3H를 소량씩 합성하였다. 한편 합성 양

을 증가시키는 합성하는 과정에서, 마지막 단계의 반응과정을 수행하는 중에, 실험실에서 폭발

사고가 발생하였으며, 안면과 손에 부상을 입어서, 병원에서 치료를 받았다. 반응과정에서 사용

하는 과산화 수소가 항상 위험성이 있기 때문에, 또 다른 안전사고를 예방하기 위해서, 4차 년

도에는 새로운 합성 방법으로, 필요한 양만큼의 POSS-(Isobutyl)7-C3-SO3H와

POSS-(CF3C2)7-C3-SO3H를 합성할 것이다.

(7) POSS-CO2H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- POSS-(Isobutyl)7-C3-SO3H와 POSS-(CF3C2)7-C3-SO3H를 합성하는 과정에서 중간체로

얻어진, POSS-(Isobutyl)7-C3-Cl과 POSS-(CF3C2)7-C3-Cl를 diethyl malonate의 음이온과 반

응시켜서, POSS-(Isobutyl)7-C3-Di-CO2Et과 POSS-(CF3C2)7-C3-Di-CO2Et를 합성하였다. 얻

어진 POSS-(Is obutyl)7-C3-Di-CO2Et과 POSS-(CF3C2)7-C3-Di-CO2Et를 가수분해시켜서 각

각의 POSS-(Isob utyl)7-C3-Di-CO2H, POSS-(CF3C2)7-C3-Di-CO2H, POSS-(Isobutyl)7-C3-Di-CO2H

와 POSS-(C F3C2)7-C3-Di-CO2H를 효율적으로 합성하였다.

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- 55 -

(8) Cyclic-Type-SO3H/CO2H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- 1차 년도와 2차 년도에서 여러 가지 방법으로 합성을 시도하였지만, 효율적인 합성 방법을

개발하지 못하였다. 3차 년도까지는 효율적인 합성 방법을 완전히 개발하지는 못했지만, 고압

반응을 이용하는 실험을 계속해서 수행하였으며, 고압 반응은 1차 년도와 2차 년도에서 성공하

지 못했던 실험방법과는 달리, 반응 수율이 좋은 것을 확인하였다. 따라서 4차 년도에는

Cyclic-Type-SO3H/CO2H의 합성방법 개발이 이루어질 것으로 예상하였다.

(9) PFOS 대체물질을 분해하는 미생물 분리에 대한 연구개발 내용 및 결과

- 대조물질인 아닐린은 7일차 분해율은 60.5%, 28일차 분해율은 72.1%로 본 연구에서 사용한

활성오니(미생물)는 정상상태임을 확인하였다 (그림 23, 표 1).

- 미생물분해율을 계산하는 산식에 따라 미생물 분해율을 계산해 본 결과, 2번병의

C8F17KO3S와 6번병의 C5H8F3KO3S는 마이너스 값으로 28일 동안 분해가 전혀 이루어지지 않

았다고 판단할 수 있다(그림 23, A·E). 3번병 C10H8F13KO3S의 미생물 분해율은 7일차에 6.8%,

14일차에 17.1%, 28일차에 17.7%로 관찰되었으며(그림 23, B), 4번병 C8H8F9KO3S의 미생물 분

해율은 7일차에 9.3%, 14일차에 15.1%, 28일차에 24.3%인 것으로 확인되었다.(그림 23, C). 또

한, 5번병 C6H8F5KO3S의 미생물 분해율은 7일차에 2.0%, 14일차에 3.7%, 28일차에 4.1%정도

분해되는 것으로 나타났다(그림 23, D). 일반적으로 분해가 잘되는 물질의 미생물 분해율이

- 56 -

60%이상임을 감안하면, 본 연구에서 사용한 5종의 PFOS 대체물질은 모두 분해가 잘된다고

판단하기는 어렵지만, C8H8F9KO3S의 미생물분해율이 상대적으로 가장 우수한 것으로 확인되

었다.

- 이 결과를 의하여, 탄소원자 수와 불소원자 수가 PFOS (탄소원자 수 8개, 불소원자 수 17

개)와 동일한 C8F17KO3S와 탄소원자 수를 5개로 줄이고, 불소원자 수를 3개로 줄인

C5H8F3KO3S는 생물학적으로 분해가 전혀 이루어지지 않은 것으로 확인되었다. 반면에, 탄소원

자 수를 PFOS와 동일하게 8개로 유지하고, 불소원자 수를 9개로 줄인 C8H8F9KO3S은 가장 높

은 미생물 분해율을 보였으며, 그 다음으로는 탄소원자 수를 2개 늘리고, 불소원자 수를 9개로

줄인 C10H8F13KO3S가 미생물에 의한 분해도가 높은 것으로 나타났다. 그리고 탄소원자 수는 6

개로 불소원자 수는 5개로 줄인 C6H8F5KO3S은 미생물에 의해 분해는 되지만 분해율은 매우

미비한 것으로 관찰되었다.

- 이 같은 결과를 종합해 볼 때에, 가급적 탄소원자 수는 PFOS와 동일하게 8개로 유지하고,

불소원자 수는 최대한 줄이는 방향으로 PFOS 대체물질을 개발하는 것이 미생물학적 분해 측

면에서는 유리하다고 판단된다.

<그림 3.2.1 PFOS 대체물질의 미생물 분해도 평가 (A: C8F17KO3S, B: C10H13F13KO3S, C:

C8H8F9KO3S, D: C5H8F3KO3S).>

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<표 3.2.1 PFOS 대체물질의 생분해율>

(10) PFOS 대체물질를 분해하는 미생물 분리에 대한 연구개발 내용 및 결과

-그림 23과 표 1에서와 같이 미생물 분해율을 보인 PFOS 대체물질 C8H8F9KO3S,

C10H8F13KO3S, C6H8F5KO3S를 탄소원으로 이용하여 하수슬러지에 존재하는 혼합균주를 접종한

후, 일주일 간 배양하고 새로운 배지로 옮겼다. 이러한 과정을 5회 이상 수행하여 PFOS대체물

질 분해세균을 농화시킨 후 얻은 세균 혼합액으로 미생물을 분리하였다. 혼합균0주를 한천배지

에 도말하고, 성장한 세균을 총 8가지 단일 균주로 분리하였다.

-순수 분리된 균주는 16S rRNA sequencing을 이용하여 동정하였고, 이 균주의 16S rRNA

sequence 분석결과를 토대로 하여 NCBI genebank DB에서 BLAST search를 이용하여 분석

하였다. 그 결과 PFOS 대체물질인 C10H8F13KO3S를 분해하는 균주 중 strain 2A는 Serratia

marcescens 종으로 99% 이상의 매우 높은 유전적 연관성을 나타내었으며, strain 2B는

Acinetobacter calcoaceticus 종으로 99% 이상으로 매우 높은 유전적 동일성을 보였다. 또한

strain 2C는 Pseudomonas geniculata 종으로 99% 이상의 높은 유전적 동일성을 보였다.

C8H8F9KO3S를 분해하는 균주 strain 3A는 Enterobacter cloacae 종으로 99%의 상동성과

strain 3B는 Serratia marcescens 종으로 98%의 유전적 일치를 보였으며, strain 3C는

Chryseoba cterium 종으로 98%의 유전적 동일성을 나타내었다.

- 마지막으로 C6H8F5KO3S를 분해하는 균주 strain 4A는 Bacillus cereus 종으로 99% 이상의

매우 높은 유전적 연관성을 보였고, strain 4B는 Serratia marcescens 종으로 99% 이상의 동

일성을 보였다.

라. 4차 년도

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<그림 3.2.2 Surface tension profile of 2 and 3 in aqueous media.>

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마. 5차 년도

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(1) Diethyl 2-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyl)-malonate (8)의 합성

NaH (60% in oil, 10.6 g, 0.267 mol, 1 eq.) 현탁액에 dry THF (400 mL), diethyl malonate

(0.53 mol)를 30분 넘게 천천히 떨어뜨려 넣고, H2기체 주입을 중단한 화합물을 실온에서 20분

간 더 섞는다. 그 용액에 1H ,1H ,2H ,2H-nonafluorohexyl iodide (100 g, 0.267 mol, 1 eq.)을 천

천히 떨어뜨려 넣고, 18시간 동안 환류시킨다. 용매를 증발시키고 남은 물질은 Et2O (200mL)

에 용해한다. 유기상은 H2O (250mL)로 씻고 Na2S2O4로 건조한다. Ether 층은 감소된 압력 하

에서 농축시키고, 얻어지는 밝은 노란색의 오일은 무색의 오일인 화합물 8을 83%의 수득율로

얻기 위해 감소된 압력 하에서 증류를 통해 정제한다; b.p. 65 oC/0.2Torr.; 1H NMR (400

MHz, CDCl3):d 4.30– 4.17 (m, 4H), 3.44– 3.40 (m, 1H), 2.23– 2.13 (m, 4H), 1.30– 1.26 (m, 6H). 13C NMR (100MHz, CDCl3):d 168.61, 61.90, 50.77, 28.46, 19.77, 14.06; IR (Neat) νmax

1735, 1454, 1234, 1032, 880, 735 cm-1; CID MS/MS (m/z): 429.09 [M+Na]+.

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(2) 2-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-Nonafluorohexyl)propane-1,3-diol (7)의 합성

N2기체 하의 dry THF (200 mL)를 첨가한 LiAlH4 (25.2 g, 0.33 mol, 3 eq.)용액에 THF (100

mL)에 녹인 화합물 8 (90 g, 0.11 mol, 1 eq.) 용액을 천천히 떨어뜨린다. 반응 혼합물을 36시

간 동안 환류와 함께 젓고, 0 oC로 냉각시킨 후 H2O (26 mL), 20%NaOH용액 (52 mL)와 H2O

(26 mL)을 첨가하여 천천히 급랭시키고, 실온에서 2시간 넘게 젓는다. 침전된 aluminum 염을

여과로 제거한다. 여과된 액체는 Na2S2O4로 건조하고 노란색 액체인 원래 그대로의 diol을 얻

기 위해 농축시킨다. 이 원래 그대로의 혼합물에 CH2Cl2 (100 mL)을 첨가하고 침전되는 흰색

의 점성이 있는 고체인 화합물 7을 87%의 수득율로 얻기 위해 0 oC에 보관한다; m.p. 38-40 oC; 1H NMR (400 MHz, CDCl3):d 4.07 (t, J= 5.3 Hz, 2H), 3.74– 3.69 (m, 2H), 3.64– 3.59 (m, 2H), 2.23– 2.10 (m, 2H), 1.74– 1.61 (m, 3H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3):d 63.58, 41.76,

28.61, 18.45; IR (Neat) νmax 3314, 1217, 1130, 1009, 984, 719 cm-1; CID MS/MS (m/z): 345.06

- 74 -

[M+Na]+.

(3) Disodium 3,3’-(2-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-nona-fluoro-hexyl)-propane-1,3-

diyl)bis-(oxy)dipropane-1-sulfonate (2)의 합성

Dry THF (200 mL) 용액에 미리 용해된 화합물 7 (50 g, 0.16 mol)을 60 oC에서 sodium

hydride (18.7 g net, 0.47 mol) 현탁액에 넣는다. Propanesultone (55 g, 0.45 mol)을 함유한 다

른 dry THF (100 mL)용액을 같은 온도에서 반응 혼합물에 첨가한다. 환류 조건 하에서 24시

간 저은 후, 초과된 sodium hydride를 비활성화하기 위해 methanol (60 mL)을 주변 온도에서

넣는다. 반응 혼합물의 증발 후에, 연한 노란색 고체인 목표 화합물 2 (83.3 g, 88%의 수득율)

를 얻기 위해, 오일 불순물뿐만 아니라 초과된 sultone을 제거 하기 위해 그것을 이어서

hexanes (3 x 100 mL)과 ethyl ether (3 x 100 mL)로 씻는다; 1H NMR (400 MHz, D2O):d

3.69– 3.62 (m, 4H), 3.61– 3.50 (m, 4H), 3.02– 2.95 (m, 4H), 2.39– 2.21 (m, 2H), 2.08– 1.99 (m, 5H), 1.75– 1.58 (m, 2H). 13C NMR (100 MHz, D2O):d 70.47, 69.05, 50.55, 40.01, 37.36,

24.15, 14.11; IR (Neat) νmax 3443, 1637, 1196, 1046, 619 cm-1; CID MS/MS(m/z): 587.42

[M-Na]-.

(4) Diethyl 2,2-bis(4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptyl)malonate (13)의 합성

0 oC에서 Diethyl malonate (10, 0.5 g, 3.2 mmol)를 dry DMF (5 mL)에 녹은 아주 찬 sodium

hydride (60% dispersion in mineral oil, 0.31 g, 7.8 mmol) 현탁액에 15분간 천천히 떨어뜨린

다. 얻어지는 혼합물을 30분간 젓는데 0– 23 oC온도를 유지한다. Iodide (14, 2.54 g, 6.5 mmol)

를 반응물에 천천히 첨가하고 8시간 동안 환류에서 가열한 후, 23 oC까지 냉각시킨다. 물 (10

mL)와 ethyl ether (15 mL)를 그것에 넣는다. 수용액 층은 ethyl ether (3 x 20 mL)로 추출한

다. 혼합된 유기 추출물은 sodium sulfate로 건조하고 여과한 후, 농축시킨다. 잔여물은 무색

액체인 Diethyl 2,2-bis(4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptyl)malonate (13)을 76%의 수득율 (1.6 g)

로 얻기 위해 flash column chromatography로 정제한다; 1H NMR (400 MHz, CDCl3):d 4.22

- 75 -

(q, J = 7.07, 4H), 2.18-1.94 (m, 8H), 1.58-1.49 (m, 4H), 1.26 (t, J = 7.32, 6H). 13C NMR

(100 MHz, CDCl3):d 171.07, 61.95, 57.49, 32.48, 30.93, 15.31, 14.02; IR (Neat) νmax 2986, 1730,

1465, 1354, 1234, 1020, 882, 721 cm-1; CID MS/MS (m/z): 703.36 [M+Na]+.

(5) Diethyl 2,2-bis(4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptyl)-malonate (11)의 합성

N2기체 하의 dry THF (20 mL)를 첨가한 LiAlH4 (0.32 g, 5.90 mmol) 용액에 THF (10 mL)에

녹인 화합물 13 (1.45 g, 1.47 mmol) 용액을 천천히 떨어뜨린다. 12시간 후, 환류와 함께 반응

물을 0 oC로 냉각시키고 대략 40% aq. KOH를 천천히 첨가하여 급랭한다. 침전된 aluminum

염은 여과로 제거한다. 여과된 액체는 감소된 압력 하에서 농축시킨 후, 잔여 오일을 Et2O로

용해하고, H2O로 씻고, Na2SO4로 건조한다. 점성이 있는 고체인 gemini diol 11 (1.12 g, 86%)

로 되돌리기 위해 진공에서 증발시킨다; 1H NMR (400 MHz, CDCl3):d 3.62 (s, 4H), 2.21-2.00

(m, 6H), 1.61-1.53 (m, 4H), 1.43-1.36 (m, 4H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3):d 68.12, 41.28,

31.28, 30.47, 14.13; IR (Neat) νmax 3360, 2926, 1569, 1220, 1128, 703cm-1; CID MS/MS (m/z):

619.28 [M+Na]+.

(6) Sodium3,3'-((2,2-bis(4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptyl)-propane-1,3-diyl)bis(oxy))bis

(propane-1-sulfonate) (4)의 합성

Dry THF (15 mL) 용액에 미리 용해된 화합물 11 (0.9 g, 1.51 mmol)을 0 oC에서 sodium

hydride (0.18 g, 4.54 mmol) 현탁액에 넣는다. Propanesultone 12 (0.53 g, 4.35 mmol)을 함유

한 다른 dry THF (10 mL)용액을 같은 온도에서 반응 혼합물에 첨가한다. 환류 조건 하에서

16시간 저은 후, 초과된 sodium hydride를 비활성화하기 위해 methanol (20 mL)을 주변 온도

- 76 -

에서 넣는다. 반응 혼합물의 증발 후에, 연한 노란색 고체인 목표 화합물 4 (1.04 g, 78%의 수

득율)를 얻기 위해, 오일 불순물뿐만 아니라 초과된 sultone을 제거 하기 위해 그것을 이어서

hexanes (3 x 10 mL)과 ethyl ether (3 x 10 mL)로 씻는다; 1H NMR (400 MHz, D2O):d

3.57-3.49 (t, J = 6.31 Hz, 4H), 2.90-2.82 (m, 6H), 1.95-1.84 (m, 10H), 1.49-1.33 (m, 4H),

1.25-1.09 (m, 4H). 13C NMR (100 MHz, D2O):d 70.48, 68.82, 60.05, 48.01, 47.89, 47.68, 27.03;

IR (Neat) νmax 3371, 2269, 1647, 1198, 1033cm-1; CID MS/MS (m/z): 861.12 [M-Na]-.

(7) 1,1,1,2,2,3,3,4,4,10,10,11,11,12,12,13,13,13-octadeca-fluoro-tridecan-7-ol (15)의 합성

Mg 분말 (0.52 g, 0.021 mmol) 현탁액과 iodide 9 (2.0 g, 0.0053 mmol)을 Et2O (30 mL)에 넣

고 20분 동안 초음파 처리한다. 반응 혼합물을 환류에서 2시간 동안 가열시키고, 초과된 Mg를

새로운 플라스크로 분리하고 용액을 캐뉼러 삽입을 한다. ethyl formate (0.17 mL, 0.0021

mmol)을 천천히 떨어뜨려 첨가한 후, 검은 용액을 환류에서 5시간 동안 가열한다. 반응 혼합

물을 0 oC까지 냉각시킨 후, 포화된 ammonium chloride 용액으로 급랭시키고 Et2O로 추출한

다. 유기 추출물을 Na2SO4로 건조하고 농축시킨다. 원래 그대로의 생성물은 CH2Cl2로 씻고, 진

공에서 건조시킨다. 그 다음, 흰색 고체인 생성물 15 (0.51 g, 18%의 수득율)을 얻기 위해

column chromatography를 통해 정제한다; m.p. 49-50 oC; 1H NMR (400 MHz, CDCl3):d

3.81-3.68 (m, 1H), 2.42-2.10 (m, 4H), 1.90-1.70 (m, 4H), 1.62 (brs, 1H). 13C NMR (100 MHz,

CDCl3):d 69.81, 28.12, 27.12; IR (Neat) νmax 3416, 1329, 1208, 992, 713cm-1; CID MS/MS

(m/z): 547.18 [M+Na]+.

(8) Sodium 3-((1,1,1,2,2,3,3,4,4,10,10,11,11,12,12,13,13,13-octa-decafluorotridecan-7-yl)oxy)

propane-1-sulfonate (5)의 합성

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Dry THF (200 mL) 용액에 미리 용해된 화합물 15 (0.42 g, 8.01 mmol)을 60 oC에서 sodium

hydride (0.05 g, 1.2 mmol) 현탁액에 넣는다. Propanesultone 12 (0.142 g, 1.16 mmol)을 함유

한 다른 dry THF (10 mL)용액을 같은 온도에서 반응 혼합물에 첨가한다. 환류 조건 하에서

24시간 저은 후, 초과된 sodium hydride를 비활성화하기 위해 methanol (12 mL)을 주변 온도

에서 넣는다. 반응 혼합물의 증발 후에, 무색 고체인 목표 화합물 5 (0.35 g, 66%의 수득율)를

얻기 위해, 오일 불순물뿐만 아니라 초과된 sultone을 제거하기 위해 그것을 이어서 hexanes

(3 x 10 mL)과 ethyl ether (3 x 10 mL)로 씻는다; 1H NMR (400 MHz, D2O):d 3.61 (t, J =

6.56 Hz, 2H), 3.55 (t, J = 6.56 Hz, 3H), 2.91-2.86 (m, 4H), 1.97-1.84 (m, 6H). 13C NMR (100

MHz, D2O):d 68.88, 60.17, 48.01, 47.95, 26.93, 24.21; IR (Neat) νmax 3446, 1647, 1162, 1078

cm-1; CID MS/MS (m/z): 645.06 [M-Na]-.

(9) 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluorohexane-1,6-diyl bis-(trifluoromethanesulfonate) (18)의 합성

Dry dichloromethane (20 mL)에 녹인 diol 19 (500 mg, 1.91 mmol) 용액에

trifluoromethane-sulfonyl chloride (0.49 mL, 4.68 mmol)을 질소 조건하에서 얼음 탕에 넣는

다. Triethylamine (1.7 mL, 7.63 mmol)을 천천히 떨어뜨리면 노란색의 침전물이 관찰된다. 혼

합물을 실온에서 12시간 동안 젓는다. 용매를 제거한 다음, 원래 그대로의 화합물을 ethyl

acetate (20 mL)로 용해시키고 물 (2 x 10 mL)로 씻는다. 상은 분리되고 유기상은 1 M HCl

(20 mL), NaHCO3 (20mL), brine 용액으로 연속적으로 씻긴 다음 MgSO4로 건조하고 여과시

킨다. 노란색의 오일을 얻기 위해 용매를 감소된 압력 하에서 제거하고, 깨끗한 결정인 화합물

18 (0.94 g, 95%의 수득율)을 얻기 위해 hexanes:ethyl acetate을 3:1의 비율로 결정화시킨다;

m.p. 55-57 oC; 1H NMR (400 MHz, CDCl3):d 4.83 (t, J = 12.12 Hz, 4H). 13C NMR (100

MHz, CDCl3):d 116.89, 68.04 (t, J = 28.5 Hz); IR (Neat) νmax 1417, 1209, 1141, 1020, 830,

613 cm-1; CID MS/MS (m/z): 549.21 [M+Na]+.

(10) (3,3,4,4,5,5,6,6-octafluorocycloheptane-1,1-diyl)-dimethanol (16)의 합성

둥근 바닥 플라스크에 sodium hydride (60% in mineral oil, 0.17 g, 4.21 mmol)을 pentane으로

씻고 DMF (10 mL)를 첨가한다. DMF에 잘 녹인 NaH 현탁액에, dimethylmalonate (0.65 mL,

4.21 mmol)을 천천히 첨가한다. 1시간 후, compound 18 (0.9 g, 1.76 mmol)를 얻어지는

enolate에 넣고 12시간 동안 젓는다. 그 다음, 다른 enolate 부분 표본을 첨가하고 24시간 넘

- 78 -

게 젓는다. 반응 혼합물에 H2O (3.6 mL)를 붓고 ether (3 x 3.6 mL)로 추출한다. 혼합된 유기

유분을 H2O (3 x 9 mL)로 씻고 MgSO4로 건조한다. 용매를 감소된 압력 하에서 제거한다.

THF (10 mL)에 녹인 원래 그대로의 diester 생성물을 N2하에서 dry THF (10 mL)에 녹인

LiAlH4 (0.21 g, 5.63 mmol)용액에 천천히 떨어뜨린다. 12시간 후, 환류와 함께 반응물을 0 oC

로 냉각시키고 대략 40% aq. KOH를 천천히 첨가하여 급랭한다. 침전된 aluminum 염은 여과

로 제거한다. 여과된 액체는 감소된 압력 하에서 농축시킨 후, 잔여 오일을 Et2O로 용해하고,

H2O로 씻고, Na2SO4로 건조한다. 그 다음 진공에서 증발시키고 점성이 있는 고체인 diol 16

(0.12 g, 24%)로 되돌리기 위해 Hexane:Ethyl acetate (7:3) 비율로 column chromatography를

통해 정제한다; 1H NMR (400 MHz, CDCl3):d 3.66 (t, J = 6.316 Hz, 4H), 1.73-1.61 (m, 4H);

IR (Neat) νmax 3448, 2336, 1682, 1150 cm-1; GC/MS (m/z): 302 [M].

(11) Sodium 3,3'-(((3,3,4,4,5,5,6,6-octafluorocyclo-heptane-1,1-diyl)-bis-(methylene))bis(oxy))

bis(propane-1-sulfonate) (6)의 합성

Dry THF (10 mL) 용액에 미리 용해된 화합물 16 (0.1 g, 3.31 mmol)을 60 oC에서 sodium

hydride (60% in mineral oil, 0.03 g, 7.28 mmol) 현탁액에 넣는다. Propanesultone 12 (0.08 g,

8.27 mmol)을 함유한 다른 dry THF (5 mL)용액을 같은 온도에서 반응 혼합물에 첨가한다.

환류 조건 하에서 16시간 저은 후, 초과된 sodium hydride를 비활성화하기 위해 methanol (20

mL)을 주변 온도에서 넣는다. 반응 혼합물의 증발 후에, 흰색 고체인 목표 화합물 6 (0.12 g,

64%의 수득율)를 얻기 위해, 오일 불순물뿐만 아니라 초과된 sultone을 제거하기 위해 그것을

이어서 hexanes (3 x 10 mL)과 ethyl ether (3 x 10 mL)로 씻는다; 1H NMR (400 MHz,

D2O):d 3.63-3.47 (m, 4H), 3.39-3.34 (m, 4H), 2.94-2.80 (m, 4H), 1.93-1.67 (m, 8H). 13C NMR

(100 MHz, D2O):d 71.73, 57.62, 50.72, 30.16, 27.41, 20.73; IR (Neat) νmax 3445, 1642, 1172,

- 79 -

1063 cm-1; CID MS/MS (m/z): 272.03 [M-2Na]2-.

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위탁기관 연구내용

1. 연구개발과제의 개요

1-1. 연구개발 목적 PFOS(PerFluorOoctane Sulfonic acid, C8F17SO3H)는 강한 발수성 및 발유성, 화학적 및 열적

안정성, 내약품성 등의 특성을 가진 물질로 지난 50여년간 종이‧ 섬유‧ 가죽 등의 코팅제, 항공

기 유압유, 반도체 세정제 및 코팅제, 산업용 세제, 방염제, 폼(foam) 소화약제 등 다양한 용도

로 사용해오고 있다. 그러나 PFOS는 미생물의 의한 분해가 거의 이루어지지 않고 물벼룩, 어

류 등 수서생물에 대한 유해성이 있는 것으로 확인되었다. 또한 랫드 등 동물시험 결과 신경독

성과 면역독성, 생식독성 및 기형 유발성, 발암성 등의 유해성도 있는 것으로 확인되었다. 이러

한 이유로 2009년 5월 스위스 제네바에서 열린 스톡홀름협약 제4차 당사국 총회에서는 PFOS

와 그 염(salt) 7종을 잔류성유기오염물질(POPs, Persistant Organic Pollutants)로 지정하기로

결정하였으며 유럽, 미국, 일본, 한국 등 많은 국가에서 PFOS의 제조와 수입을 엄격하게 제한

하는 화학물질규제를 실시하고 있다.

전 세계적으로 PFOS를 완전하게 대체할 수 있는 화학물질을 개발하고자 많은 노력을 기울려

왔지만 현재까지 PFOS에 비해 분해성이 높고, 인체나 환경에 미치는 영향은 적으면서 PFOS

의 모든 사용 용도를 대체할 수 있는 물질은 개발하지 못하고 있다.

- 86 -

본 연구에서는 창원대 신동수 교수와 공동으로 개발한 8종의 PFOS 대체물질과 2종의 PFOS

염에 대한 미생물분해시험과 물벼룩급성독성시험, 표면장력측정 결과를 비교분석함으로써 상용

화 가능성이 있는 PFOS 대체물질을 제안하고자 하였다.

1-2. 연구개발의 필요성PFOS(perfluorooctane sulfonic acid)는 소수성기인 perfluorooctane과 친수성기인 sulfonate를

가지고 있으며 강한 발수성 및 발유성, 화학적 및 열적 안정성, 내약품성 등의 특성을 가지고

난분해성 물질로 지난 50여년간 종이‧ 섬유‧ 가죽 등의 코팅제, 항공기 유압유, 반도체 세정제

및 코팅제, 산업용 세제, 방염제, 폼(foam) 소화약제 등 다양한 용도로 사용해오고 있다1).

반면 PFOS는 미생물분해가 거의 이루어지지 않으며 물벼룩, 어류 등 수서생물에 대한 유해성

이 존재하는 것으로 확인되었다2). 또한 랫드 등 동물시험 결과 신경독성과 면역독성, 생식독성

및 기형 유발성, 발암성, 내분비계장애 등을 유발하는 것으로 확인되었다3).

2009년 5월 스위스 제네바에서 열린 스톡홀름 협약 제4차 당사국 총회에서는 PFOS와 PFOS

의 염 7종(potassium perfluorooctane sulfonate, Lithium perfluorooctane sulfonate, ammonium

perfluorooctane sulfonate, diethanolammonium perfluorooctane sulfonate, Perfluorooctane

sulfonyl fluoride, Tetraethylammonium perfluorooctane sulfonate,

di(decyl)di(methyl)ammonium perfluorooctane sulfonate)을 환경과 인체에 미치는 유해성이 크

고 잔류성이 높다는 이유로 잔류성유기오염물질(persistant organic pollutants, POPs)로 지정하

기로 결정하였고, 당사국들의 의견수렴기간을 거쳐 2010년 8월 6일자로 공식 발효되었다4).

유럽은 스톡홀름협약 채택 이전인 2006년부터 일정 농도 이상의 PFOS와 그 염류의 사용 및

판매(0.005% 이상 함유 화학물질, 0.1% 또는 1µg/㎡ 이상 함유 반제품 또는 부품)를 금지하였

다. 미국은 2002년에 PFOS와 PFOS 관련 물질을 제조, 사용, 폐기 시 인간이나 환경에 미치는

영향이 없도록 조치해야 하는 물질목록에 포함시킴으로써 시장에서 이들 물질들이 자연적으로

퇴출될 수 있도록 유도하였다. 이러한 미국의 화학물질규제에 부응하기 위해 PFOS 최대 생산

기업인 3M은 2003년부터 PFOS와 PFOS 관련 물질의 제조를 완전히 중단하였다5).

일본은 2010년부터 스톡홀름협약에서 규제하고 있는 PFOS와 그 염 7종을 1종 특정화학물질로

지정하고, 사진 필름 생산 등 일부용도 이외에는 원칙적으로 사용을 금지하고 있다.

우리나라도 2011년 4월 11일에 잔류성유기오염물질관리법 시행령을 개정하여 스톡홀름협약에

따라 잔류성유기오염물질로 지정된 PFOS와 그 염 8종의 물질을 잔류성유기오염물질로 하여

관리하고 있다6). 또한 화학물질 등록 및 평가 등에 관한 법률(화평법)에 따라 PFOS 염 중 2

1) Sanderson H. Boudreau TM. Mabury SA and Solomon KR. Impact of perfluorooctanoic acid on the structure of the zooplankton community in indoor microcosms, Aquat Toxicol 2003;62(3);227-234

2) Peden-Adams MM, EuDaly JG, Dabra S, EuDaly A, Heesemann L, Smythe J and Keil DE, Suppression of humoral immunity following exposure to perfluoinated insecticide sulfluramid, J Toxicol Environ Health A 2007;70(13);1130-1141

3) Liu C, Yu K, Shi X, Wang J, Lam PKS, Wu RSS and Zhou B. Induction of oxidative stress and apoptosis by PFOS and PFOA in primary cultured hepatocytes of freshwater tilapia(Oreochromis niloticus). Aquat Toxical 2007;82(2);135-143

4) 환경부, PFOS의 조사체계 구축 및 위해성평가기법 개발(2008)

5) Qazi MR, Xia Z, Bogdanska J, Chang SC, Ehresman DJ, Butenhoff JL, Nelson BD, Depierre JW and Abedi-Valugerdi M. The atrophy and changes in the cellular compositions of the thymus and spleen observed in mice subjected to short-term exposure to perfluorooctane sulfonate are high-dose phenomena mediated in part by peroxisome proliferator-activated receptor-alpha(PPAR α). Toxicology 2009;260(1-3);68-76

- 87 -

종의 물질은 유독물질로 지정하여 관리하고 있다.

상기와 같이 PFOS 관련 물질을 국제적으로 제조 및 사용을 제한하고 있어 전 세계적으로

PFOS를 완전하게 대체할 수 있는 화학물질을 개발하고자 노력하고 있지만 현재까지 PFOS에

비해 분해성이 높고, 인체나 환경에 미치는 영향은 적으면서 PFOS의 모든 사용 용도를 대체

할 수 있는 물질은 개발하지 못하고 있다. 다만 용도별로 해당 용도를 대체할 수 있는 물질은

일부 개발되었다. 이들 대체물질은 대부분 탄소 체인(수)을 줄이거나 독성이 없는 실리콘

(silicon)을 토대로(based) 합성된 것이며 전기 및 전자 부품 용도, 반도체 산업 용도, 항공기

유압유 용도, 살충제 용도 등을 대체할 수 있는 물질은 현재까지 개발되지 않은 상황이다.

본 연구에서는 창원대 신동수 교수와 공동으로 개발한 8종의 PFOS 대체물질과 2종의 PFOS

salt에 대한 환경유해성(미생물분해, 물벼룩급성독성 등) 등을 확인하고, 그 결과를 토대로 상

용화 가능성이 있는 PFOS 대체물질을 제안하고자 하였다.

1-3. 연구개발 범위

6) BH Kim, JY Lee, Policy & Management of Persistent Organic Pollutant in Korea. KIC News;13(5);1-10

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구분 연구개발의 목표 연구개발의 내용 비고

1차년도PFOS대체 후보물질의

분해균주 선별PFOS대체 후보물질의

분해정도를 확인하는 것위탁

2차년도 PFOS/PFOA 분해균주 선별PFOS/PFOA 분해균주 분해정도를 확인하는 것

위탁

3차년도선별된 균주 최적조건 및 PFOS 분해정도 파악

선별된 분해균주 최적 성장조건 특성파악 및

LC/MS/MS를 이용한 분해도 측정

위탁

4차년도개발된 PFOS대체물질

분해균주 선별 및 미생물 분해정도파악

개발된 PFOS대체물질에 대한 미생물분해율측정 (BOD)

위탁

5차년도PFOS대체물질 생태계에 대한

유해성여부파악개발된 PFOS대체물질에 대한

물벼룩을 이용한 독성평가위탁

- PFOS 대체 후보물질을 기질로 이용하여 미생물 분리

활성슬러지 및 오염 토양을 샘플링하여 호기성 상태의 조건 하에서 PFOS 대체 후보물질을

기질로 이용하여 성장하는 미생물을 분리한다.

- 미생물의 종류 선별

고체 LB배지를 사용하여 미생물을 배양한 후 형성된 콜로니로부터 미생물을 단일 종인지

선별하는 과정으로 육안 및 현미경 관찰을 통하여 단일 종이 될 때까지 순수 분리를 한다.

- 선별된 미생물의 동정

단일 종으로 순수분리가 완성되면 분리된 미생물이 어느 종류의 미생물인지를 판정하기 위

해서 동정을 실시한다.

- 미생물의 현미경 관찰

동정을 끝마친 미생물은 운동성과 형태, 그람양성인지 음성인지를 판단하기 위해 그람 염색

법을 통하여 미생물을 광학현미경으로 관찰한다.

- 선별된 균주 최적조건 파악

PFOS 대체물질을 분해하는 미생물의 특성을 파악하기 위해 pH와 온도 조건을 달리하여

최적 조건을 찾는다.

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- 선별된 균주 PFOS 분해정도 파악

분리한 미생물이 PFOS 대체물질을 분해하는지를 알아보기 위해 LC/MS를 통해 분해도를

측정한다.

- PFOS 대체물질 생태계에 대한 유해성 여부 파악

과불화화합물인 PFOS등은 일반적으로 급성독성은 높지 않으나 간독성을 유발할 수 있는

것으로 알려져 있어 Vibrio fischeri 또는 물벼룩등을 이용하여 환경시료중 생태독성을 평

가한 것으로 보고된 바 있으나, 본 연구를 통해 개발된 PFOS의 대체물질을 대상 한 생태

독성에 대한 연구는 전무한 실정이다. 따라서, 본연구에서는 국내 수계에서 서식하는

Moina macrocopa 물벼룩을 사용하여 개발된 PFOS 대체물질을 대상으로 급만성 노출시험

을 수행하므로써 현재 OECD화학물질 시험지침의 생태독성 시험 가운데 하나인 물벼룩류

독성시험항목에서 사용되고 있는 유영저해와 생식능을 중심으로 독성값을 산출하고자한다.

2. 국내외 기술개발 현황 (1) 해외 기술개발 동향

❍ 환경 중에 잔류하는 과불화화합물에 대한 조사는 2000년대 들어서야 본격적으로 이루어

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졌으며 연구결과로는 미국의 3M사와 Kannan등을 중심으로 분석법 발, 하천수, 조류의

혈액과 간, 고등 포유류의 혈액과 간, 인체의 혈액 등에 대한 연구 결과가 주류를 이루

고 있음.

❍ 3M사에서 불소물질을 생산하는 노동자의 평균 PFOS의 혈중농도를 측정한 결과 일반인

에 비해 상대적으로 매우 높은 수준의 농도가 검출된 것으로 보고

(2) 국내 기술개발 동향

❍ 우리나라의 경우 국내연구자들에 의해 주도적으로 이루어진 연구는 전무하며 외국의 연

구자와 공동으로 연구한 자료들이 보고되고 있음

❍ 과불화화합물에 대한 자료는 대부분은 환경중 농도분포에 대한 자료만 일부 보고되고

있으며 조류의 간시료를 대상으로 과불화합물을 연구한 자료와 해수·연안수·하천수를

대상으로 분석한 자료가 대부분임

❍ 최근 국내 일부연구자들은 담수산 생물에 대한 독성평가가 실시되었으며, PFOS/PFOA

의 생체 지표물질 연구와 인체 노출량 조사에 대한 연구가 이루어졌음

3. 연구수행 내용 및 결과

- 91 -

3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표

❍ 본 연구과제는 자연계내에서 PFOS 및 PFOS 대체물질을 분해하는 미생물을 선별한후 미

생물의 특성 파악 및 분해정도를 확인하고, PFOS 분석방법을 정립하여 조사체계를 구축

❍ 또한, 과불화화합물과 개발된 대체물질들의 환경중 오염실태와 인체 또는 생태계에 대한 유

해성 여부는 아직까지 명확히 확인되지 않고 있어, 향후 국가적 차원에서 과불화합물에 관한

기본적인 자료가 확보되어 질 것이고, 과불화 합물인 PFOS와 대체물질의 생물학적 분해에

관한 연구를 수행함으로써 과불화 화합물을 보다 안전하게 처리하는데 기여하고자 함

3-2. 연구개발 결과 및 토의

가. PFOS 대체물질 개발

- 창원대(신동수 교수)와 공동으로 불소 또는 탄소 수를 줄이거나 늘리고 부분적으로만 불

소가 탄소원자에 붙어있는 형태의 PFOS 대체물질을 개발하였다. 출발물질인 alkyl

halides는 Tokyo Chemical Industries(일본)으로부터 공급받았으며 불소가 포함되지 않

은 출발물질과 용제는 Sigma-Aldrich(미국)에서 제공받았다.

(1) Hemi-fluorinated potassium alkanesulfonate type 대체물질7)

- Hemi-fluorinated potassium alkanesulfonate type의 대체물질은 2 단계 과정을 통해

합성하였다. 물 층은 KOH로 염기성화한 다음 진공상태에서 물을 완전히 제거하고,

얻어진 생성물을 에탄올로 재결정화 하여 최종적으로 순수한 4 종류의

hemi-fluorinated potassium alkanesulfonate type의 PFOS 대체물질(C10H8F13SO3K,

C8H8F9SO3K, C6H8F5SO3K, C5H8F3SO3K)을 합성하였다(Table 3.1).

<표 3.2.2> Hemi-fluorinated potassium alkanesulfonate type’s alternatives

7) B. V. D. Vijaykumar, B. Premkumar, Kiwan Jang, Bong-in Choi, J. R. Falck, G. N. Sheldrake and Dong-Soo Shin, Environmentally benign perfluorooctanesulfonate alternatives using a Zn/CuI mediated Michael-type addition in imidazolium ionic liquids, Green Chemistry, 2014, 16, 2406-2410

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Classification Structure Molecular formulaMolecular

weighRemark

1 C10H8F13SO3K 494.31Water

soluble

2 C8H8F9SO3K 394.30Water

soluble

3 C6H8F5SO3K 294.28Water

soluble

4 C5H8F3SO3K 244.27Water

soluble

(2) Hemi-fluorinated multi-sodium sulfonates type 대체물질8)

- Hemi-fluorinated multi-sodium sulfonates type 대체물질은 3 단계의 반응을 거쳐 합

성하였다. 1 단계는 diethyl malonate와 일부만 과불화된 alkyl halide(C4H4F9I)를 반응

시켜서 diethyl nonafluorohexylmalonate를 합성하였다. 2 단계는 THF와 LiAlH4의 혼

합물을 THF와 diethyl nonafluorohexyl malonate의 혼합물에 섞은 다음 10시간 동안

환류시키면서 0 ℃까지 냉각한 다음 필터링을 통해 알루미늄 염을 제거하였다. 3 단계

는 60 ℃에서 sodium hydride를 THF에 용해된 2-(nonafluorohexyl)propane-1,3-diol

과 섞어서 혼합물을 만들었다. 반응 혼합물을 증발시킨 후 불순물과 잉여 sultone를

제거하기 위해 hexanes과 ethyl ether로 각각 세척하고 남은 잔류물을 분리 및 정제과

정을 거쳐 최종적으로 sodium nonafluorohexypropane-1,3-diylbis

(oxy)bis(propane-1-sulfonate)를 합성하였다. 또한 propane sultone 대신에 butane sultone

을 투입하여, 최종적으로 sodium nonafluorohexypropane-1,3- diylbis(oxy)bis

(butane-1-sulfonate)를 합성하였다. 그리고 sodium nonafluorohexy propane-1,3-diylbis

(oxy)bis(propane-1-sulfonate) 합성방법을 확장하여 dibranched bis-sodium sulfonates

와 mobrenched tri-sodium sulfonates를 합성하였다(Table 3.2).

8) V. D. Vijaykumar Bodduri, Sridhar Chirumarry, Jae-Min Lim, Yong-Ill Lee, Kiwan Jang,

Bong-in Choi, Seon-Yong Chung, Dong-Soo Shin, Synthesis and properties of

hemifluorinated disodium alkansulfonates, Journal of Fluorine Chemistry, 163(2014), 42-45

- 93 -

<표 3.2.3> Hemi-fluorinated multi-sodium sulfonates type’s alternatives

나. PFOS 및 PFOS 대체물질 미생물분해시험

(1) PFOS는 분해되지 않고 환경 중에서 오랫동안 잔류하면서 인체와 환경에 좋지 않은 영

향을 미친다는 이유로 2009년에 스톡홀름협약에 따른 잔류성유기화합물질로 지정되었으

며 우리나라를 포함 세계 각국에서 PFOS와 그 염들의 사용을 금지하거나 제한하고 있

다. 따라서 PFOS 대체물질로써의 가능성을 확인하기 위해서는 반드시 미생물에 의한

분해가 어느 정도 이루어지는지를 확인해야 한다.

(2) 미생물분해시험결과 분석

- 28일 동안 OECD Guidelines for the testing of chemicals, Test No. 301 C에 따라 미

생물분해시험을 수행한 결과 potassium salt 및 sodium salt 형태인 PFOS(C8F17SO3K,

C8F17SO3Na)는 다른 연구결과와 마찬가지로 분해가 전혀 이루어지지 않았으며 PFOS

에 비해 탄소 수를 3개, 불소 수를 14개 줄여 분자량을 절반 이상으로 줄인

C5H8F3SO3K도 분해가 전혀 이루어지지 않았다.

- 반면 불소 수는 9개 줄였지만 탄소 수는 PFOS와 동일하게 유지한 C8H8F9SO3K의 28

일 분해율이 31.4%로 가장 높았으며 탄소 수를 2개 늘리고, 불소 수를 4개를 줄였지만

분자량을 PFOS와 거의 유사하게 유지한 C10F13H8SO3K의 28일 분해율은 25.6%로 두

번째로 높았다(Table 3.3).

- 탄소 수를 PFOS 보다 2배 이상 늘리고, 불소 수는 절반 수준으로 줄이거나 거의 동일

하게 유지하면서 분자량을 증가한 C15F9H21S2O8Na2과C23F18H28S2O8Na2,

- 94 -

C25F17H32S3O13Na3의 28일 분해율은 15.5∼23.6%로 다소 낮지만 미생물에 의한 분해가

일정 부분 이루어지는 것으로 확인되었다.

- 상기와 같은 미생물분해시험결과를 종합해보면 전반적으로 hemi-fluorinated

multi-sodium sulfonates type 대체물질의 분해율이 hemi-fluorinated potassium

alkanesulfonate type의 대체물질 보다 높았고, 불소 수는 PFOS에 비해 절반 수준으로

줄이더라도 탄소 수와 분자량은 동일하게 유지하거나 증가시킨 대체물질의 분해성이 상

대적으로 높은 것으로 확인되었다.

<표 3.2.4> Results of the biodegradation of the PFOS’s salts and the PFOS’s

alternatives

ChemicalBiodegradation (%) Molecular

weigh7day 14day 28dayC8F17SO3K 0.0 0.0 0.0 538.22C8F17SO3Na 0.0 0.0 0.0 522.11C5H8F3SO3K 0.0 0.0 0.0 244.27C6H8F5SO3K 2.0 3.4 4.8 294.28

C17F9H25S2O8Na2 6.6 6.8 8.5 638.47C23F18H28S2O8Na2 6.2 12.2 15.5 884.54C15F9H21S2O8Na2 8.1 20.2 20.9 610.42C25F17H32S3O13Na3 15.5 18.8 23.6 1028.65C10H8F13SO3K 9.3 23.4 25.6 494.31C8H8F9SO3K 12.1 19.5 31.4 394.30

- 미생물분해가 이루어지는 대체물질의 분해도 추이를 보면 대부분 19일차까지는 지속적

으로 증가하지만 그 이후부터는 증가세가 점차 둔화되는 것을 확인할 수 있었다. 이는

미생물이 영양분이 부족한 상태에서 활성을 정상적으로 유지하는 기간이 대략적으로

19일정도 되어서 이러한 결과가 나온 것으로 사료된다. 또한 28일차까지도 적게나마

분해율이 지속적으로 상승하는 것을 감안하면 영양분이 충분히 제공되는 등 미생물이

생존하기에 적합한 여건이 조성된다면 분해율은 실험결과 보다 더 많이 올라갈 수 있

을 것으로 사료된다.

- 95 -

<표 3.2.5> Biodegradation of the PFOS’s alternatives according to the day

(3) PFOS 및 PFOS 대체물질 물벼룩급성독성시험

- 개발된 화학물질이 시장에 출시되기 위해서는 화학물질 등록관련 법(우리나라의 경우에

는 화평법)에 따라 환경유해성시험자료 등을 첨부하여 해당 관청에 등록해야 한다. 대부

분의 국가에서 화학물질 등록 시 공통적으로 요구하고 있는 환경유해성시험자료는 물벼

룩급성독성자료이다. 따라서 신규로 개발된 PFOS 대체물질의 실용화 가능성을 검토하

기 위해서는 미생물분해시험결과와 더불어 물벼룩급성독성에 대한 시험결과도 살펴볼

필요가 있다.

- Potassium perfluorooctane sulfonate와 hemi-fluorinated potassium alkanesulfonate type

대체물질의 물벼룩급성독성시험 결과

① C8F17SO3K는 예비시험 결과 48시간 EC50이 대략 60 mg/L 정도로 추정되었다. 따라서

본시험의 농도는 최저농도를 15.0 mg/L로 설정하고, 공비 1.5를 적용하여 22.5 mg/L,

33.8 mg/L, 50.7 mg/L, 76.1 mg/L 및 114.2 mg/L 등 총 6개 농도에 대해 실험을 수행

하였다. 시험결과 음성대조군과 시험용액 15.0 mg/L에서는 시험종료 시점까지 모든 물

벼룩이 정상적으로 생존해 있었다. 따라서 C8F17SO3K를 대상으로 한 물벼룩급성독성시

험에 대한 유효성은 검증되었다고 할 수 있다.

② C10F13H8SO3K, C8H8F9SO3K 은 예비시험 결과 48시간 EC50이 500 mg/L 이상인 것으로

추정되어 본시험은 500 mg/L에 대해서만 실시하였다. 음성대조군과 500 mg/L 시험용액

내의 모든 물벼룩이 시험종료 시점인 48시간까지 정상적으로 생존해 있었으며 형태적으

로 이상증상이 나타난 경우도 없었다. 물벼룩의 유영저해 시험결과를 토대로 산출한 24

시간과 48시간 EC50은 모두 500 mg/L이상인 것으로 확인되었다.

③ C6F5H8SO3K, C5F3H8SO3K은 예비시험 결과 48시간 EC50이 150 mg/L 정도로 추정되어 본

시험의 농도는 최저농도를 40.0 mg/L로 설정하고, 공비 1.5를 적용하여 실험한 결과,

C6F5H8SO3K는 음성대조군과 40.0 mg/L, 60.0 mg/L 시험용액 내의 모든 물벼룩은 시험

- 96 -

종료 시점인 48시간까지 정상적으로 생존해 있었다. 90.0 mg/L에서는 48시간에 2마리

(무기력)가 유영저해 증상을 보였다.

C5F3H8SO3K는 음성대조군과 50.0 mg/L, 75.0 mg/L, 112.5 mg/L 시험용액 내의 모든 물

벼룩은 시험종료 시점인 48시간까지 정상적으로 생존해 있었다. 168.8 mg/L에서는 24시

간에 1마리(무기력), 48시간에 6마리(무기력)가 유영저해 증상을 보였다.

- Sodium perfluorooctane sulfonate와 hemi-fluorinated multi-sodium sulfonates type 대체

물질의 물벼룩급성독성시험 결과

① C8F17SO3Na의 예비시험 결과 48시간 EC50이 65 mg/L 정도로 추정되어 본시험의 농도

는 최저농도를 20.0 mg/L로 설정하고, 공비 1.5를 적용하여 30.0 mg/L. 45.0 mg/L,

67.5 mg/L, 101.3 mg/L 및 152.0 mg/L로 설정하였다. 시험결과 음성대조군과 20.0 mL

의 농도에서는 시험종료 시점까지 모든 물벼룩이 정상적으로 생존해 있었다. 30.0 mL

와 45.0 mL에서는 48시간에 각각 2마리(무기력), 5마리(무기력)가 유영저해 증상을 보

였다.

② C15F9H21S2O8Na2과 C17F9H25S2O8Na2, C23F18H28S2O8Na2, C25F17H32S3O13Na3 은 모두 예

비시험 결과 48시간 EC50이 500 mg/L 이상인 것으로 추정되어 본시험은 500 mg/L에

대해서만 실시하였다. 상기 4종의 PFOS 대체물질의 모든 음성대조군과 500 mg/L 시

험용액에서 물벼룩은 모두 시험종료 시점인 48시간까지 정상적으로 생존해 있었으며

형태적으로 이상증상이 나타난 경우도 없었다.

(4) PFOS 및 PFOS 대체물질 표면장력측정

- PFOS는 표면장력이 낮고 친수성과 소수성 특성을 갖고 있는 활성이 좋은 계면활성제 중

의 하나이다. 이러한 특성 때문에 PFOS는 발수성, 발유성, 오염물질 부착방지, 폼(form)

형성 등의 기능성을 갖고 있으며 이러한 기능성을 필요로 하는 다양한 산업에서 다양한

용도로 사용되고 있다. 따라서 PFOS 대체물질이 PFOS에 비해 얼마나 좋은 기능성을

갖고 있는지를 알아보기 위해서는 기본적으로 이들의 표면장력을 측정해보고, 그 결과를

PFOS와 비교해 보아야 한다.

- 표면장력측정결과 분석

- Potassium salt(C8F17SO3K) 및 sodium salt(C8F17SO3Na) 형태의 PFOS의 경우 500

mg/L 농도에서 표면장력은 각각 42.15 mN/m, 46.18 mN/m로 비슷한 결과를 얻었다. 이

러한 측정결과는 탈이온수의 표면장력(68.86 mN/m)과 비교해 볼 때 각각 61.22% 및

67.07%에 해당된다.

- PFOS 대체물질 중 동일한 농도(500 mg/L)에서 표면장력이 제일 낮은 것은

C23F18H28S2O8Na2이며 20.94 mN/m로 측정되었다. 이와 같은 결과는 순수한 탈 이온수

(DW)의 표면장력 대비 30.41%, potassium salt(C8F17SO3K) 및 sodium salt(C8F17SO3Na)

형태의 PFOS 대비 각각 49.67%, 45.34%로 상당히 좋은 표면장력을 갖고 있는 것으로

확인되었다.

- 다음으로 표면장력이 낮은 대체물질은 C15F9H21S2O8Na2(23.36 mN/m)이고, 그 다음으로

는 C17F9H25S2O8Na2(27.31 mN/m), C25F17H32S3O13Na3(28.17 mN/m), C10H8F13SO3K(29.77

- 97 -

mN/m), C8H8F9SO3K(33.89 mN/m) 순으로 확인되었다. 이들 대체물질은 각각 탈이온수

의 표면장력 대비 33.92%, 39.66%, 40.91%, 43.23% 및 49.22%이며 두 종류의 PFOS

salt의 표면장력 보다 더 좋은 것으로 확인되었다. 반면 C6H8F5SO3K과 C5H8F3SO3K의

표면장력은 각각 57.64 mN/m 및 67.57 mN/m로 PFOS salt의 표면장력 보다 높아 대체

물질로써 활용하기는 어려울 것으로 사료된다

- 상기의 표면장력 측정결과를 종합해 볼 때 불소 수는 PFOS의 17개 보다 줄이더라도 탄

소 수는 8개로 동일하게 유지하거나 그 이상인 대체물질만 PFOS 보다 좋은 표면장력

을 갖는 것으로 확인되었다. 분자량은 또한 PFOS 수준으로 유지(대략 500)하는 것이

양호한 표면장력을 갖는 것으로 확인되었다.

3-3. 연구개발 결과 요약

가. 1차년도:

Linear-Type PFOS 대체물질개발, POSS-Type PFOS 대체물질 개발 및 Cyclic-Type PFOS

대체물질 개발 계획 중에서 우선적으로 Linear-Type PFOS 대체물질개발과 POSS-Type

PFOS

대체물질 개발 방향으로 연구를 수행하였다. Linear-Type PFOS 대체물질개발과 관련해서는

1,1,2,2,3,3,4,4,5,5, 6,6,7,7,8,8,8-heptadecafluorooctane -1-sulfonic acid (PFOS 계의 기본적인

화합물)를 기본적인 근거로 하여 화합물을 설계하여 합성하였다. 스톡홀름 협약의 제안 및 개

발전략에 따라서, 본 과제에서는 PFOS 보다는 불소의 수 (C-4 Type 또는 C-2 Type, 즉,

CF3CF2CF2CF2-, CF3CF2CF2-, CF3CF2-, 및 CF3-)가 적은 sulfonate 화합물을 PFOS 대체물질

로 개발하는 전략으로 수행하고자 하였다. 그 중에서 1차 년도에서는 C-8 Type PFOS

(CF3CF2CF2CF2CF2CF2CF2CF2SO3H)보다 8 개의 F 화합물이 적은, C-4 Type 즉,

CF3CF2CF2CF2- 기를 갖는 PFOS 대체물질을 합성하는 기술을 개발하였다.

(1) 1,1,1,2,2, 3,3,4,4-Nonafluoro-6-iodohexane과 phenyl ethenesulfonate을 반응시켜서 phenyl

5,5,6,6, 7,7,8,8,8-nonafluorooctane-1-sulfonate을 합성하고, 합성한 phenyl 5,5,6,6,7,7,8,8,8

-nonafluorooctane-1-sulfonate을 수소화 반응시켜서 nonafluorooctane-1-sulfonic acid (C-4

Type 즉, CF3CF2CF2CF2- 기를 갖는 PFOS 대체물질)을 합성하였다.

(2) 1,1,1,2,2,3,3,4,4-Nonafluoro-4-iodobutane과 1,3-sultone 화합물을 EtMgBr과 반응시켜서

magnesium(I) 4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptane- 1-sulfonate을 얻은 다음에 산으로 처리하여

Nonafluorooctane-1-sulfonic acid을 합성하였다.

(3) 1,1,1,2,2,3,3,4,4-Nonafluoro-4-iodobutane을 allyl bromide와 반응시켜서 4,4,5,5,6,6,7,

7,7-nonafluorohept-1-ene을 합성한 다음에, 이중결합을 반응시켜서 sulfonate 염을 얻고, 산으

- 98 -

로 처리하여 Nonafluorooctane-1-sulfonic acid을 합성하였다.

(4) 1,1,2,2,3,3,4,4-Octafluoro-4-(octyloxy)butane-1-sulfonic acid과 같이 C-4 Type이면서 불소

화합물이 SO3H 기와 연결되어 있으면서, 다른 쪽은 O, N, S 및 C와 연결되어있는 화합물을

합성하고자 하였는데, 특별히 octan-1-ol을 1,4-dibromo-1,1,2,2,3,3,4,4-octafluorobutane과 반응

시킨 다음에 작용기를 변환시켜서 1,1,2,2,3,3,4,4-octafluoro-4-(octyloxy)butane-1-sulfonic acid

를 합성하였다.

(5) Allyl alcoholl을 1,4-dibromo-1,1,2,2,3,3,4,4-octafluorobutane과 반응시킨 다음에 작용기를

변환시켜서 1,4-dibromo-1,1,2,2,3,3,4,4- octafluorobutane의 1,4-탄소 위치에 allyl기를 도입하

고자 하였다.

나. 2차년도:

PFOS 보다는 불소의 수 (C-4 Type 또는 C-2 Type, 즉, CF3CF2CF2CF2-, CF3CF2-, 및 CF3-)

가 적은 sulfonate 화합물을 PFOS 대체물질로 개발하는 전략으로 수행하고자 하였다. 큰 분류

로는, Linear-Type PFOS 대체물질개발, POSS-Type PFOS 대체물질 개발 및 Cyclic-Type

PFOS 대체물질 개발 등으로 나누어서 개발하고자 하였다. 특별히 POSS는 Polyhedral

Oligomeric Silsesquioxanes (POSS monomers)을 나타내는데, 이러한 화합물 중에서 분자제어

가 가능한 cubic type의 POSS를 이용하여 PFOS 대체물질을 개발하고자 하였으며, POSS 물

질에 한 개 또는 그 이상의 불소 치환체 (Perfluoro substance)가 연결되어있는 POSS 화합물

을 합성하여 PFOS 대체물질로 개발하였다.

전체적인 PFOS 대체물질 개발 계획에 따라서, Linear-Type PFOS 대체물질개발, POSS-Type

PFOS 대체물질 개발 및 Cyclic-Type PFOS 대체물질 개발 계획 중에서 우선적으로

Linear-Type PFOS 대체물질개발과 POSS-Type PFOS 대체물질 개발 방향으로 연구를 수행

하였다. Linear-Type PFOS 대체물질개발과 관련해서는 heptadecafluorooctane-1-sulfonic acid

(PFOS 계의 기본적인 화합물)를 기본적인 근거로하여 화합물을 설계하여 합성하였다. 스톡홀

름 협약의 제안 및 개발전략에 따라서, 본 과제에서는 PFOS 보다는 불소의 수 (C-4 Type 또

는 C-2 Type, 즉, CF3CF2CF2CF2-, CF3CF2-, 및 CF3-)가 적은 sulfonate 화합물을 PFOS 대체

물질로 개발하는 전략으로 수행하고자 하였다. 1차 년도의 결과를 바탕으로, 2차년도에서는

C-8 Type PFOS (CF3CF2CF2CF2CF2CF2CF2CF2SO3H)보다 F 화합물이 적은, C-4 Type 즉,

CF3CF2CF 2CF2- 기를 갖는 PFOS 대체물질을 합성하는 기술을 개발하였다.

C-4 Type 즉, CF3CF2CF2CF2- 기를 갖는 PFOS 대체물질을 합성하는 기술을 개발하기 위해

서, nonafluoro-6-iodohexane과 phenyl ethenesulfonate을 반응시켜서 phenyl nonafluoro

octane-1-sulfonate을 합성하고, 합성한 phenyl nonafluorooctane-1-sulfonate을 KOH 등의 해

당되는 염기와 반응시켜서 nonafluorooctane-1-sulfonic acid (C-4 Type 즉, CF3CF2CF2CF2-

기를 갖는 PFOS 대체물질)을 합성하였다.

- 99 -

다. 3차년도:

3차년도 연구개발 목표 3차년도 연구개발 수행내용 달성도(%) 비고

F-C4-SO3H 계열 9 종 F-C4-SO3H 계열 9 종 100% 생분해성시험용

F-C4-CO2H 계열 8 종 F-C4-CO2H 계열 8 종 100% 합성 방법 개발

F-C2-SO3H 계열 9 종 F-C2-SO3H 계열 9 종 100% 생분해성시험용

F-C1-SO3H 계열 9 종 F-C1-SO3H 계열 9 종 100% 생분해성시험용

F-C4-Di-SO3H 계열 2 종 F-C4-Di-SO3H 계열 2 종 100% 합성 방법 개발

POSS-SO3H 계열 2 종 POSS-SO3H 계열 2 종 100% 활성시험용

POSS-CO2H 계열 4 종 POSS-CO2H 계열 4 종 100% 합성 방법 개발

Cyclic-CO2H/SO3H 계열 6 종 Cyclic-CO2H/SO3H 계열 6 종 100% 반응 확인용

PFOS 대체물질 분해 미생물 분리 실험

PFOS 대체물질 분해 미생물 분리 실험

100% 분해 미생물 분리

(1) F-C4-SO3H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- 2차년도에서 합성한 연구 방법에 따라서, 생분해성 시험을 위해, 9 종의 F-C4-sulfonic acid

계의 화합물을 합성하였다.

(2) F-C4-CO2H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- 3차년도 합성한 F-C4-SO3H 계열의 화합물 합성 연구 방법에 따라서, 8 종의 F-C4-CO2H

계의 화합물을 합성하였다.

(3) F-C2-SO3H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- F-C4-SO3H 계의 화합물을 합성한 연구 방법에 따라서, 생분해성 시험을 위해, 9 종의

F-C2-SO3H 계의 화합물을 합성하였다.

(4) F-C1-SO3H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- F-C4-SO3H 계의 화합물을 합성한 연구 방법에 따라서, 생분해성 시험을 위해, 9 종의

F-C1-sulfonic acid 계의 화합물을 합성하였다.

(5) F-C4-Di-SO3H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- 지금까지의 합성 방법과는 다른 반응 방법을 개발하여, 즉, 화합물의 합성 방법을 개발하기

- 100 -

위하여 9 종의 F-C4-Di-SO3H 계의 화합물을 합성하였다.

(6) POSS-SO3H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- Trimethoxy(3,3,3-trifluoropropyl)silane을 출발 물질로 사용하여, POSS-Tri-ONa를 합성하

는 방법을 개발하였다. 합성한 POSS-Tri-ONa를 (3-chloropropyl)trimethoxysilane과 반응시켜

서, 각각 POSS-(Isobutyl)7-C3-Cl과 POSS-(CF3C2)7-C3-Cl를 합성하였으며, 얻어진

POSS-(Isobutyl) 7-C3-Cl과 POSS-(CF3C2)7-C3-Cl를 이용하여, 각각의

POSS-(Isobutyl)7-C3-SO3H과 POSS-(CF3C2) 7-C3-SO3H를 합성하였다.

(7) POSS-CO2H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- POSS-(Isobutyl)7-C3-SO3H와 POSS-(CF3C2)7-C3-SO3H를 합성하는 과정에서 중간체로

얻어진, POSS-(Isobutyl)7-C3-Cl과 POSS-(CF3C2)7-C3-Cl를 diethyl malonate의 음이온과 반

응시켜서, POSS-(Isobutyl)7-C3-Di-CO2Et과 POSS-(CF3C2)7-C3-Di-CO2Et를 합성하였다. 얻

어진 POSS-(Iso butyl)7-C3-Di-CO2Et과 POSS-(CF3C2)7-C3-Di-CO2Et를 가수분해시켜서 각

각의 POSS-(Iso butyl)7-C3-Di-CO2H, POSS-(CF3C2)7-C3-Di-CO2H,

POSS-(Isobutyl)7-C3-Di-CO2H와 POSS-(CF 3C2)7-C3-Di-CO2H를 효율적으로 합성하였다.

(8) Cyclic-Type-SO3H/CO2H 계열의 화합물 합성 연구개발 내용 및 결과

- 1차년도와 2차년도에서 여러 가지 방법으로 합성을 시도하였지만, 효율적인 합성 방법을 개

발하지 못하였다. 3차년도에서도, 현재까지는 효율적인 합성 방법을 완전히 개발하지는 못했지

만, 고압 반응을 이용하는 실험을 계속해서 수행 중에 있으며, 고압 반응은 1차년도와 2차년도

에서 성공하지 못했던 실험방법과는 달리, 반응 수율이 좋은 것을 확인하였다. 따라서 4차년도

에는 Cyclic-Type-SO3H/CO2H의 합성방법 개발이 이루어질 것으로 예상된다.

- 101 -

라. 4차 년도

- 102 -

- 103 -

- 104 -

마. 5차년도

- 105 -

- 106 -

(1) Diethyl 2-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyl)-malonate (8)의 합성

(2) 2-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-Nonafluorohexyl)propane-1,3-diol (7)의 합성

(3) Disodium

3,3’-(2-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-nona-fluoro-hexyl)-propane-1,3-diyl)bis-(oxy)dipropane-1

-sulfonate (2)의 합성

(4) Diethyl 2,2-bis(4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptyl)malonate (13)의 합성

(5) Diethyl 2,2-bis(4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptyl)-malonate (11)의 합성

(6) Sodium3,3'-((2,2-bis(4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptyl)-propane-1,3-diyl)bis(oxy))bis

(propane -1-sulfonate) (4)의 합성

(7) 1,1,1,2,2,3,3,4,4,10,10,11,11,12,12,13,13,13-octadeca-fluoro-tridecan-7-ol (15)의 합

(8) Sodium 3-((1,1,1,2,2,3,3,4,4,10,10,11,11,12,12,13,13,13-octa-decafluorotridecan-7-yl)oxy)

propane-1-sulfonate (5)의 합성

(9) 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluorohexane-1,6-diyl bis-(trifluoromethanesulfonate) (18)의 합성

(10) (3,3,4,4,5,5,6,6-octafluorocycloheptane-1,1-diyl)-dimethanol (16)의 합성

(11) Sodium 3,3'-(((3,3,4,4,5,5,6,6-octafluorocyclo-heptane-1,1-diyl)-bis-(methylene))bis(oxy))

bis(propane-1-sulfonate) (6)의 합성

.

- 107 -

위탁기관 연구

(1) PFOS (PerFluorOoctane Sulfonic acid, C8F17SO3H)는 강한 발수성 및 발유성, 화학적 및

열적 안정성, 내약품성 등의 특성을 가진 물질로 지난 50여년간 종이‧ 섬유‧ 가죽 등의 코

팅제, 항공기 유압유, 반도체 세정제 및 코팅제, 산업용 세제, 방염제, 폼(foam) 소화약제

등 다양한 용도로 사용해오고 있다. 그러나 PFOS는 미생물의 의한 분해가 거의 이루어

지지 않고 물벼룩, 어류 등 수서생물에 대한 유해성이 있는 것으로 확인되었다. 또한 랫

드 등 동물시험 결과 신경독성과 면역독성, 생식독성 및 기형 유발성, 발암성 등의 유해

성도 있는 것으로 확인되었다. 이러한 이유로 2009년 5월 스위스 제네바에서 열린 스톡

홀름협약 제4차 당사국 총회에서는 PFOS와 그 염(salt) 7종을 잔류성유기오염물질(POPs,

Persistant Organic Pollutants)로 지정하기로 결정하였으며 유럽, 미국, 일본, 한국 등 많

은 국가에서 PFOS의 제조와 수입을 엄격하게 제한하는 화학물질규제를 실시하고 있다.

(2) 전 세계적으로 PFOS를 완전하게 대체할 수 있는 화학물질을 개발하고자 많은 노력을

기울려 왔지만 현재까지 PFOS에 비해 분해성이 높고, 인체나 환경에 미치는 영향은 적

으면서 PFOS의 모든 사용 용도를 대체할 수 있는 물질은 개발하지 못하고 있다.

(3) 본 연구에서는 창원대 신동수 교수와 공동으로 개발한 8종의 PFOS 대체물질과 2종의

PFOS 염에 대한 미생물분해시험과 물벼룩급성독성시험, 표면장력측정 결과를 비교분석함

으로써 상용화 가능성이 있는 PFOS 대체물질을 제안하고자 하였다.

(4) 미생물분해시험 등 각각의 시험결과와 이들 시험결과를 종합적으로 비교분석한 결과는

다음과 같다.

- 28일 동안 OECD Guidelines for the testing of chemicals, Test No. 301 C에 따라 미생

물분해시험을 수행한 결과 Potassium 염(salt) 및 Sodium 염(salt) 형태인

PFOS(C8F17SO3K, C8F17SO3Na)는 다른 연구결과와 마찬가지로 분해가 전혀 이루어지지

않았다. 또한 PFOS에 비해 탄소 수를 3개, 불소 수를 14개 줄인 C5H8F3SO3K도 분해가

전혀 이루어지지 않았다.

- 반면 불소 수는 8개 줄였지만 탄소 수는 PFOS와 동일하게 유지한 C8H8F9SO3K의 28일

분해율이 31.4%로 가장 높았다. 그 다음으로는 불소 수를 4개 줄였지만 탄소 수를 2개

늘리면서 분자량을 PFOS와 거의 유사하게 유지한 C10H8F13SO3K의 28일 분해율이 25.6%

로 두 번째로 높았다. 탄소 수를 PFOS 보다 2배 이상 늘리고, 불소 수는 절반 수준으로

줄이거나 거의 동일하게 유지하면서 분자량을 증가한 C15F9H21S2O8Na2과

C23F18H28S2O8Na2, C25F17H32S3O13Na3의 28일 분해율은 15.5∼23.6%로 미생물에 의한 분해

가 상당 부분 이루어지는 것으로 확인되었다.

- 이와 같은 미생물분해시험 결과를 정리해보면 불소 수는 PFOS에 비해 절반 수준으로 줄

이더라도 탄소 수와 분자량은 동일하게 유지하거나 증가시킨 대체물질의 분해성이 상대

적으로 높은 것으로 확인되었다. 또한 28일차까지도 적게나마 분해율이 지속적으로 상승

하는 것을 감안하면 영양분이 충분히 제공되는 등 미생물이 생존하기에 적합한 여건이

조성된다면 분해율은 실험결과 보다 더 많이 올라갈 수 있을 것으로 사료된다.

- 108 -

- 48시간 동안 OECD Guidelines for the testing of chemicals, Test No. 202에 따라 물벼

룩급성독성시험을 실시한 결과 2종의 PFOS 염(C8F17SO3K, C8F17SO3Na)의 48시간 반수

영향농도(EC50, half Effective Concentration)는 각각 48.474 mg/L, 54.456 mg/L로 참고문

헌9)과 유사한 결과가 나왔으며 일반적인 판단기준(EC50이 100 mg/L 이하면 독성이 있다

고 판단)에 비추어볼 때 물벼룩에 대한 독성이 다소 높은 것으로 확인되었다. 반면 대체

물질 중 C6H8F5SO3K과 C5H8F3SO3K의 48시간 EC50은 각각 138.124 mg/L, 210.711 mg/L

로 물벼룩에 미치는 영향이 거의 없는 것으로 확인되었다. 나머지 6종의 대체물질

(C17F9H25S2O8Na2, C15F9H21S2O8Na2 C23F18H28S2O8Na2, C25F17H32S3O13Na3, C10H8F13SO3K,

C8H8F9SO3K) 또한 500 mg/L로 설정된 한계시험에서 이상증상이 나타나지 않아 물벼룩급

성독성은 전혀 없는 것으로 확인되었다.

- 표면장력측정 결과 2종의 PFOS 염(C8F17SO3K, C8F17SO3Na)의 표면장력은 500 mg/L 농

도에서 각각 42.15 mN/m, 46.18 mN/m로 비슷한 결과를 얻었다. 이와 같은 결과는 탈이

온수(Deionized Water)의 표면장력(68.86 mN/m)과 비교해 볼 때 각각 61.22%, 67.07%에

해당되는 결과이다. 동일한 농도(500 mg/L)에서 표면장력이 제일 낮은 대체물질은

C23F18H28S2O8Na2이며 20.94 mN/m로 측정되었다.

- 이는 탈이온수의 표면장력 대비 30.41%, 2종의 PFOS 염(C8F17SO3K, C8F17SO3Na) 대비

각각 49.67%, 45.54%로 상당히 좋은 표면장력을 갖고 있는 것으로 확인되었다. 다음으로

표면장력이 좋은 대체물질은 C15F9H21S2O8Na2(23.36 mN/m)이었으며 그 다음으로는

C17F9H25S2O8Na2(27.31 mN/m), C25F17H32S3O13Na3(28.17 mN/m), C10H8F13SO3K(29.77

mN/m), C8H8F9SO3K(33.89 mN/m) 순인 것으로 확인되었다. 반면 C6H8F5SO3K과

C5H8F3SO3K의 표면장력은 각각 57.64 mN/m, 67.57 mN/m로 2종의 PFOS 염 보다 높아

대체물질로써 활용 가치는 없는 것으로 확인되었다.

- 상기와 같은 3가지 시험결과를 종합해볼 때 대체물질로 상용화 가능성이 있는 물질은 모

두 6종으로 확인되었다. 6종의 대체물질 중에서 C23F18H28S2O8Na2과 C15F9H21S2O8Na2의

시험결과가 가장 좋았다. C25F17H32S3O13Na3과 C8H8F9SO3K, C10H8F13SO3K의 시험결과는

비슷한 수준이며 두 번째로 좋은 것으로 확인되었다. C17F9H25S2O8Na2은 상대적으로 가장

낮은 시험결과를 얻었지만 대체물질로 활용 가능성은 충분히 있는 것으로 확인되었다.

(5) 본 연구에서 수행한 3가지 시험은 환경유해성측면에서 창원대와 공동으로 개발한 8종의

PFOS 대체물질에 대한 실용화 가능성을 확인해 본 것으로 이들 대체물질을 실제적으로

실용화하기 위해서는 기능성측면, 인체유해성측면, 경제성측면 등에 대한 추가적인 연구가

필요할 것으로 사료된다.

9) KT Kim, JG Cho, JH Yoon, CW Lee, KH Choi, HM Kim, JS Ryu, Toxicity Evaluation of Perfluorinated Compounds Using

Daphnia magna. Environmental Health & Toxicology 2010;25(2);153-159

- 109 -

4. 목표달성도 및 관련분야 기여도

4-1. 목표달성도 본 과제에서는, Stockholm Convention에 따른 PFOS 대체물질의 합성기술 개발 및 대량 생

산 기술을 개발하여, 산업체에 생산 기술 이전하고자 하였다. 따라서 Stockholm Convention에

따른 PFOS 대체물질의 합성기술 개발 및 대량 생산 기술을 다음과 같이 개발하였다.

- Linear-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발

- POSS-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발

- Cyclic-Type PFOS 대체물질 합성기술 개발

- Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 생산기술 개발

또한 Linear-Type PFOS 대체물질의 대량 생산기술 방법을 개발하여, ㈜한중유화에 기술 이

전하였으며, 이로써, 과제의 목표를 전체적으로 달성하였다.

4-2. 관련분야 기여도 본 과제를 수행하면서 얻은 결과들을 국내외 학회에 발표하고, 또한 SCI 논문을 발표함으로

서, 학술 분야 및 산업 분야에 크게 기여하였으며, PFOS를 포함한 다양한 대체물질의 합성기

술 개발 및 대량 생산 기술 개발에 크게 기여하였다.

- 110 -

5. 연구결과의 활용계획 본 과제를 수행하면서 얻은 결과들을, 우선적으로는 산업화를 이룩할 수 있도록 하

고, 2차 단계에서는 다양한 산업으로 확장시키고자 한다.

- 111 -

6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 본 과제를 수행하면서 얻은 결과들을 국내외 학회에 발표하고, 또한 SCI 논문을 발표하면

서, 국제적으로 불소 연구 관련 연구자들과 함께 논의하고 , 국제공동연구를 수행하고, 또한 연

구 결과들을 발표할 수 있는 학술세미나를 개최하여, 불소 관련 과학기술 정보를 교류의 장을

마련하였다.

- 112 -

7. 연구개발결과의 보안등급 본 과제의 보안등급은 일반 등급.

- 113 -

구입기관

연구시설/연구

장비명

규격(모델명)

수량구입연월일

구입가격(원)

구입처(전화번호)

비고(설치장소)

NTIS 장비 등록번호

8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황 - 해당없음

- 114 -

9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적

가. 연구활동종사자 환경안전교육 실시

-「연구실 안전 환경 조성에 관한 법률」 및 「환경안전관리규정」에 의거 연구활동 종사자를 대상으로

실험실 안전환경 조성 및 사고예방을 위한 환경안전교육 실시

- 학부생, 석사 과정, 박사 과정 연구자들을 대상으로 신규교육과 정기 교육 및 수시 안전 교

육 실시

나. 실험실 안전점검 실시

-「연구실 안전환경 조성에 관한 법률」에 의거하여, 실험실의 일상점검, 정기점검, 특별안전점

검, 정밀안전진단을 실시

다. 실험실 환경개선

- 실험실 내 화학약품 적정 보관 유도를 위한 밀폐형 시약장 구입

- 실험실 내 대형화재를 예방하기 위한 인화성 화학약품 저장 캐비닛 구입

라. 실험폐기물관리 강화

- 실험실에서 발생되는 실험폐수 관리를 위해 처리의뢰부터 반출까지의 이력을 추적 관리하는

실험폐수처리프로그램 구축 및 실험폐기물 발생 저감을 위해 환경 안전교육 실시

- 115 -

번호구분(논문/특허/기타

논문명/특허명/기타

소속기관명

역할논문게재지

/특허등록국

가

Impact Factor

논문게재일/특허등록일

사사여부(단독사사

또는중복사사)

특기사항(SCI여부/인용횟수

등)

1 논문One-Pot,

Regioselective Consecutive

Multihalogenation of

2,2′-Bithiophene

창원대학교 주 저자

European Journal of Organic

Chemistry3.065 2013.04.09 중복사사 SCI

2 논문

POSS-based luminescent

hybrid material for enhanced

photo-emitting properties

창원대학교 주 저자

Journal of Materials Science

2.371 2013.07.30 중복사사 SCI

3 논문

Environmentally benign

perfluorooctanesulfonate

alternatives using a Zn/CuI

mediated Michael-type

addition in imidazolium ionic liquid

창원대학교 주 저자

Green Chemistry 8.020 2014.01.21 중복사사 SCI

4 논문

Synthesis and properties of

hemifluorinated disodium

alkanesulfonates

창원대학교 주 저자

Journal of Fluorine

Chemistry1.975 2014.04.18 중복사사 SCI

5 논문

An efficient iron catalyzed regioselective

acylative cleavage of

ethers: scope and

mechanism

창원대학교 주 저자

Tetrahedron Letters 2.379 2015.12.23 중복사사 SCI

10. 연구개발과제의 대표적 연구실적

- 116 -

A RT ICLE IN FO A BSTRA CT

Article history:

Received

Received in revised form

Accepted

Available online

Linear C4-C4 ether linked perfluorobutyl (C4) substituted tri-sodium sulfonate

derivative are designed, synthesized and characterized as alternative substance

to perfluoroctanesulfonic acid (PFOS, 1), which have been used as surfactant

in various industrial and consumer products. The tri-sodium sulfonate was

synthesized from commercially available octafluoro-1,4-diiodo butane as

starting material in 9 steps by using radical addition, Upjohn dihydroxylation

and nucleophilic substitution reactions. After successful synthesis of

semi-fluorinated unbranched ether linked tri-sodium sulfonate, we studied

surface tension behavior and critical micelle concentration values. Apart from

this work, we have also synthesized di-branched C4-C4 perfluorobutyl alkyl

mono-sodium sulfonate and di-sodium sulfonate and values were noted for

comparing activity.

Keywords:

Trisodium sulfonate

PFOS alternatives

Semi-fluorinated surfactants

Surface tension

Design, synthesis and surfactant properties of semi-fluorinated sodium

sulfonates

Sridhar Chirumarrya, V. Raghavender Rao

a, B. V. D. Vijaykumar

a, Bong-In Choi

b,

Seon-Yong Chungb, Kiwan Jang

a, Dong-Soo Shin

a,*

aDepartments of Chemistry& Physics, Changwon +ational University, Changwon, G+, 641-773, S. KoreabDepartment of Environmental Engineering, Chonnam +ational University, Gwangju, 500-757, S. Korea

1. IntroductionSurface active agents or surfactants are chemicals that are active at surfaces, or inter-faces, between two physical phases [1]. Surfactants are usually amphiphilic organic compounds, as they contain both hydrophobic groups (“tail”, non-polar region, generally long hydrocarbon chain) and hydrophilic groups (“heads”, polar region) which are soluble in both organic solvents and aqueous medium. Depending on the formal charge present in their hydrophilic head, surfactants commonly classified in to anionic (sulfate, sulfonate, or carboxylate), cationic (quaternary ammonium groups), nonionic (polyethylene glycols) and amphoteric/Zwitterionic (acyl ethylene diamines and amino acids) [2,3]. These surfactants play a vital role in detergents, emulsifiers, wetting agents, dispersants, foaming agents, corrosion inhibitors, bactericides, antistatic agents, in drug delivery, etc. [4-6]. The hydrophobic hydrocarbon tails of surfactants, which are completely or partly replaced by perfluorocarbon tails, are called fluorocarbon surfactant. The fluorocarbon introduction has significant influence on the physio-chemical properties of surfactants due to larger size of fluorine than hydrogen, more electro negative, smaller polarizability and high ionization potential, and C-F bond is very strong and chemically stable [7-9].

Perfluorooctane sulfonate (PFOS, 1), and its salts belong to a class of perfluorinated compounds (PFCs) that contain fluorinated octane chain with a terminal sulfonic acid functional group. Due to the strength of carbon-fluorine bonds that contribute to extremely stability and unique properties, PFOS and its derivatives have been used in various industries including widely used in protective coatings for materials such as leather, carpets and textiles, firefighting foams, hydraulic fluids, and various household and industrial cleaning products. Regardless of its numerous advantages, PFOS has been considered to be the most detrimental aspect due to its fully fluorinated C8 chain as hydrophobic unit, which is extremely persistent in the environment and has potency to bio-accumulate and bio-magnify in wild life. It also has the tendency to readily get absorbed after oral exposure and accumulate primarily in the serum, kidney and liver. Thus, PFOS and its derivatives are now prohibited under a Directive (2006/122/EC) that came into force in June 2008 and listed under ‘annex B’ of Stockholm convention on persistent organic pollutants (POPs) [10]. However, in order to produce environmentally safer product, global research has been focused is on synthesis of PFOS alternatives that contain <C6 perfluorinated chain for less toxicity and more bio-degradability [11-14]. We have recently reported the design, synthesis and surfactant properties of hemifluorinated disodium sulfonates (2 and 3),

- 117 -

where two hydrophilic units attached to perfluorobutyl (C4 type) hydrophobic tail that partly meet above-mentioned structural parameters. These materials showed excellent surface tension behavior, better CMC values and promising biodegradability results (due to biodegrading points like ether links, hydrocarbon chain and less fluorinated tail) when compare to that of PFOS [15].

In continuation to our efforts towards biodegradable PFOS alternatives, we have described the design and synthesis of various surfactants having chemical structure with two perfluorobutyl chains incorporated in linear/branched manner separated by hydrocarbon and/or ether links, along with hydrophilic sulfonate groups (4, 5 and 6) as shown in Fig. 1. Introduction of perfluorinated alkyl chain was easily accessed from commercially available perfluorinated substrates such as 1H,1H,2H,2H-nonafluorohexyl iodide, 4,4,5,5,6,6,7,7,7-nona fluoroheptyl iodide, 1H,1H,2H,2H-nonafluoro-1-hexanol and octafluoro-1,4-diiodobutane by using radical addition, Upjohn dihydroxylation, Grignard reaction and nucleophilic substitution, to construct the desired products. In addition, the surface activity and biodegradability were investigated in detail. In this present work, we planned to study and understand the phase behaviors of semi-fluorinated mono-, di- and tri-sulfonate surfactants.

Fig. 1. Structures of PFOS and its proposed alternatives.

2. Results and Discussion

2.1. Synthesis of tri-sodium sulfonate, 4

Herein, we described a general strategy for the synthesis of tri-sodium sulfonate, 4 starting from readily available octafluoro-1,4-diiodide 7 (Scheme 1). Our synthesis began with the preparation of 8 through a selective radical-mediated addition of octafluoro-1,4-diiodobutane (7) to allyl benzyl ether using sodium dithionite as radical initiator in basic medium in 88% yield [16]. Dehydroiodination of �-iodoperfluoro alkane, 8 was achieved using DBU as a base in DMF at 0

oC to afford alkene, 9 in 95% yield. The IR absorption

bands at 1093 cm-1 (=C-H bending) and double bonded carbons appeared at δ = 138.58 ppm and δ = 117.42

ppm in 13C NMR spectrum confirmed the olefin 9 [17]. The intermediate, 9 was further subjected to Upjohn

dihydroxylation with catalytic amount of OsO4 and NMO as co-oxidant in acetone/water, afforded the diol, 10 in 86% yield. The vicinal diol of 10 was protected by acetone in presence of catalytic PTSA to achieve acetonide, 11 in 92% yield. The

1H NMR spectrum of compound 11 showed two singlets at � = 1.49 ppm

(s, 3H) and δ = 1.43 ppm (s, 3H) for methyl protons of acetonide functionality, which confirmed the acetonide protection [18]. The perfluoroalkyl allyl ether, 13 was synthesized by the phase-transfer catalyzed reaction of 1-bromoalkene with fluorinated alcohol, 12 under basic condition at 65

oC [19]. A radical addition

reaction between allyl ether, 13 and compound 11 in presence of +,+’-azobis(isobutyronitrile) (AIBN) and sodium metabisulfite (Na2S2O5) in acetonitrile/water realized adduct 14 in 88% yield [20]. The subsequent dehydroiodination of compound 14 was carried out using DBU in DMF to afford alkene, 15 in 91% yield. Reduction of the double bond and benzyl ether in 15 was carried out using catalytic hydrogenation in presence of Pd/C (10% w/w) in MeOH at room temperature afforded primary alcohol, which was filtered through celite pad and directly treated with catalytic amount of PTSA to afford triol, 16 in72% yield. The triol, 16 was confirmed by disappearance of two multiplets at δ = 6.44−6.36 ppm (m, 1Η) and δ = 5.99−5.86ppm (m, 1Η) that account for double bond protons and two singlets disappeared at δ = 1.49 ppm (3H) and δ = 1.43 ppm (3H) for acetonide methyl protons, from

1H NMR spectrum. Further this triol, 16 was subjected

to the nucleophilic ring opening of propane sultone in the presence of NaH as base in dry THF at reflux

- 118 -

condition afforded C4-C4 perfluorinated ether linked tri-sodium sulfonate, 4 in 86% yield.

All compounds were completely characterized by 1H NMR,

13C NMR,

19F NMR, IR and Mass spectral data.

After successful synthesis of unbranched tri-sodium sulfonate, to compare CMC activity we prepared C4-C4

dibranched ether linked monomeric sulfonate 5 and dimeric sulfonate 6.

Scheme 1. Synthesis of semifluorinated trisodium alkanesulfonate 4.

2.2. Synthesis of mono-sodium sulfonate, 5

The synthesis of mono-sodium sulfonate, 5 begins with commercially available iodide, 17 in two steps (Scheme 2). Firstly, 1H,1H,2H,2H-nonafluorohexyl iodide (17) was subjected to excess magnesium powder in diethyl ether to generate Grignard reagent and then treated with ethyl formate to accomplish alcohol, 18. The crude solid compound 18 was conveniently purified by washing with dichloromethane to give pure 18 in 34% yield [21]. The

1H NMR of 18 showed a multiplet for the sec-hydroxyl attached C-H proton around δ =

3.80–3.70 ppm and corresponding carbon at δ = 69.8 ppm in 13C NMR, confirmed the product. Further, the

alcohol 18 was subjected to nucleophilic ring-opening of 1,3-propanesultone in presence of NaH as base under reflux condition and isolated sodium sulfonate 5 in good yield (66%), which was confirmed by disappearance of proton at δ = 1.62 ppm (m, 1Η) that account for hydroxyl attached proton, ether-linked carbons appeared at δ = 68.88 ppm and δ = 60.17 ppm in

13C NMR spectrum.

- 119 -

Scheme 2. Synthesis of semifluorinated monosodium alkanesulfonate 5.

2.3. Synthesis of di-sodium sulfonate, 6

The di-sodium sulfonate 6 with two hydrophobic semifluorinated chains was synthesized in three steps from commercially available perfluoroalkyl iodide 19 as shown in scheme 3. Dialkylation reaction of diethyl malonate performed using 2 equivalents of alkyl halide 19 in the presence of 2.5 equivalents of sodium hydride in dry DMF at 0

oC afforded 20 in 83% yield. Symmetric diester, 20 was confirmed by

1H and

13C

NMR. The complete reduction of dialkylated diethyl malonate, 20 with lithium aluminum hydride smoothly afforded diol, 21 in 91% yield, without affecting the perfluoroalkyl chain. The IR absorption bands at 3360 cm

-1 (O-H stretch) for primary alcohol functionality and

1H NMR spectrum of 21 showed a singlet at δ =

3.62 ppm (4H) for alcohol attached methylene protons. Finally, the disodium alkane sulfonate, 6 was achieved from 21 with nucleophilic ring-opening of 1,3-propanesultone in the presence of NaH in dry THF in 78% yield. The carbons attached to oxygen atom which appeared at δ = 68.82 ppm and δ = 60.05 ppm in

13C NMR

spectrum confirmed the product 6, and all the compounds were characterized by NMR (1H,

13C and

19F), IR

and mass spectral data.

Scheme 3. Synthesis of semifluorinated disodium alkanesulfonate 6.

- 120 -

Sample Name Surface tension

@ 25 oC (mN/m)

H2O 72.8Na salt of compound 1 24.7

compound 2 26.0compound 3 27.4compound 4 30.6compound 5 22.2compound 6 24.0

2.4. Surface tension

The surface tensions of mono-, di- and tri-sodium sulfonates were measured at 25 oC by the ring method

using Du Noüy interfacial tensiometer and collective graph plotted between surface tension and concentration (from low to high) as depicted in Fig. 2. The trimeric surfactant, 4 exhibits excellent solubility in water at room temperature. We have observed that decreasing number of sulfonate groups in the surfactant, decreased the solubility in water so that the order of solubility is 4 > 6 > 5.

When these compounds were added at a specific rate, the surface tension of each aqueous solution was reduced significantly. It can be found that the CMC values of 5 and 6 in water are about 2.5 x 10�3

g L−1

and 3.0 x 10

−3 g L

−1, respectively at 25

oC, and surface tension values are observed to be 22.24 mN/m and

24.0 mN/m, respectively, at their CMC, which are lower than that of sodium perfluorooctanoate (about 24.7 mN/m at the CMC 3.1 x 10

−2 mol/L) [22]. Whereas, the CMC value of 4 in water was found to be 4.0 x

10−3

g L−1

at 25 oC and the surface tension of the aqueous solution was 30.6 mN/m at the it’s CMC. The

result showed that compound with more sulfonate groups (hydrophilic) and with linear semi-fluorinated tail exhibited the least surfactant activity in water (Table 1).

Fig. 2. Surface tension measurements of compounds 4, 5 and 6.

Table 1. Surface tension values of compounds 1 to 6.

3. Conclusion

In summary, we have successfully designed and synthesized novel semi-fluorinated trimeric, dimeric and

monomeric sulfonates starting from commercially available octafluoro-1,4-diiodo butane,

4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptyl iodide, 1H,1H,2H,2H-nonafluorohexyl iodide as fluorocarbon sources, as

alternatives to non-biodegradable PFOS and its derivatives. The syntheses of surfactants 4, 5 and 6 involve

radical addition, Upjohn dihydroxylation, Grignard reaction and nucleophilic substitution as key conversions

and all steps were robust and low cost with moderate to good yields. All compounds were characterized by 1H NMR,

13C NMR,

19F NMR, FTIR and Mass spectroscopy. After successful synthesis of mono-, di- and

- 121 -

trimeric surfactants, surface tension behavior was characterized by using Du Noüy ring method and critical

micelle concentration values were noted. Surface activity of 5 and 6 are lower than that of sodium

perfluorooctonoate, and surface tension of 4 showed moderate activity in water. Low surface tension values

and CMCs at room temperature make these compounds as potential surfactants. Apart from which these

compounds have degrading points like ether links, hydrocarbon chain and less perfluoro carbon (C4) chain and

expected to be biodegradable (similar to chemical structures 2 and 3 of our previous work) and would be

safer than that of non-biodegradable PFOS.

4. Experimental

4.1. General

All non-fluorinated starting materials and solvents were obtained from Sigma–Aldrich (USA). Perfluoroalkyl iodides, octafluoro-1,4-diiodo butane and 1H,1H,2H,2H-nonafluoro-1-hexanol were purchased from Tokyo Chemical Industries Co. Ltd. (Japan). All reagents were used without further purification. Melting points were determined on a digital SMP10 capillary melting point apparatus (SRUAT, UK). NMR spectra were measured with BRUKER AVANCE 400 (BRUKER, Germany) spectrometer, IR spectra were recorded on a FT-IR-6300 (JASCO, Japan) spectrometer and MS spectra were performed on the LCQ Fleet iontrap mass spectrometer (Thermo Fisher Scientific Inc., San Jose, CA) using a nanospray ion source with a fused-silica emitter (360 × 75 × 30 µm, SilicaTip™, New Objective) at 2.0 kV capillary voltage, 200 °C capillary temperature, and a syringe flow rate of 0.8 µL/min. The full MS spectra were collected at 150 - 1500 m/z for 30 s with 5 microscans and 150 maximum injection times (ms). The centroid MS/MS spectra following collision-induced dissociation (CID) were obtained at 20% - 30% normalized collision energy. For direct infusion nanospray MS, the samples were dissolved in 100 µL of 1 mM NaOH in 80% methanol for positive sodium adduction and 100 µL of 80% methanol for negative mode. Surface tension was measured according to the American Society for Testing and Materials ASTM #D1331-56, using the ring method on a du Nouy precision tensiometer in accordance with instructions with the equipment. This tensiometer is essentially torsion balances that apply a slowly increasing force to a very accurately constructed platinum-iridium ring in contact with the surface of the liquid under measurement [23]. Each example to be tested was added to deionized water by weight based on solids of the additive in deionized water. Solutions of different concentrations were prepared and tested 10 times of each dilution.

4.2. Procedures

4.2.1. ((4,4,5,5,6,6,7,7-Octafluoro-2,7-diiodoheptyloxy)methyl) benzene (8)

To a stirring solution of CH3CN/H2O (60 mL, 1:1 ratio), at 0 oC, were added allyl benzyl ether (2.6 g, 17.6

mmol, 1 equiv.) and 7 (10 g, 22 mmol, 1.25 equiv.), immediately followed by NaHCO3 (0.7 g, 8.7 mmol, 0.5 equiv.) and Na2S2O4 (1.5 g, 8.7 mmol, 0.5 equiv.). The most of inorganic salts dissolved at the beginning of reaction. The reaction was stirred vigorously at 4 to 6

oC for 17.5 h. H2O (20 mL) was added to the

reaction and the aqueous layer was extracted with Et2O (3 × 50 mL) and washed with brine (2 × 30 mL). The combined organic phase was dried over MgSO4, filtered and concentrated in vacuo. The resultant liquid was purified by column chromatography (petroleum ether/Et2O, 98:2) to give 8 as a colorless liquid (11.6 g, 88%).

1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.40−7.27 (m, 5Η), 4.59 (s, 2H), 4.36 (m, 1H), 3.76−3.63 (m, 2H),

3.15−2.97 (m, 1H), 2.77−2.58 (m, 1H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 137.43, 128.54, 128.01,127.79,

74.82, 73.05, 37.70, 14.77. IR (KBr) νmax 3065, 2856, 1587, 1362, 1126, 539 cm-1. ESI-MS/MS (m/z): 625.03

[M+Na]+.

4.2.2. (E)-((4,4,5,5,6,6,7,7-Octafluoro-7-iodohept-2-enyloxy) methyl)benzene (9)

To a stirring solution of 8 (11 g, 18.2 mmol, 1 equiv.) in DMF (40 mL) at −50 °C, DBU (8.3 mL, 54.8 mmol, 3 equiv.) was added dropwise The reaction was allowed to stir at −50 to −55 °C for 0.5 h. To the organic layer was added aq. HCl (1 N, 70 mL) and the aqueous phase was extracted with Et2O (4 × 50 mL). The combined organic phase was dried over Na2SO4, filtered and concentrated in vacuo. The resultant yellow liquid was purified by column chromatography (petroleum ether/Et2O, 96:4) to give 8 as a colorless liquid (8.2 g, 95%, E/Z = 98:2).

1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 7.37−7.32 (m, 5Η), 6.50−6.41 (m, 1Η),

6.04−5.90 (m, 1Η), 4.57 (s, 2H), 4.19−4.12 (m, 2H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 138.58 (t, J = 11.7

Hz), 137.50, 128.52, 127.93, 127.68, 117.42 (t, J = 22.68 Hz), 72.86, 68.07. IR (KBr) νmax 3065, 2856, 1587,

- 122 -

1362, 1126, 539 cm-1. ESI-MS/MS (m/z): 497.12 [M+Na]

+.

4.2.3. 1-(Benzyloxy)-4,4,5,5,6,6,7,7-octafluoro-7-iodoheptane-2,3-diol (10)

To a solution of 9 (8.0 g, 16.8 mmol, 1 equiv.) in acetone (120 mL) and water (120 mL), NMO (2.4 g, 20.2 mmol, 1.2 equiv.) and a 0.02 M solution of OsO4 in toulene (25 mL, 0.5 mmol, 0.03 equiv.) were added at room temperature, and the resulting mixture was stirred at room temperature for 12 h. The mixture was diluted with ethyl acetate and washed with saturated aqueous Na2S2O4 solution, water, and brine. The organic layer was dried over Na2SO4 and concentrated in vacuo. The residue was purified by silica gel column chromatography (hexane/EtOAc, 1:1) to give 10 (7.4 g, 86%) as a colorless oil.

1H NMR (400 MHz,

CDCl3): δ 7.39−7.30 (m, 5Η), 4.58 (s, 2H), 4.31−4.24 (m, 1H), 4.15−4.06 (m, 1H), 3.60 (d, J = 5.8, 2H), 3.24 (d, J = 8.8 Hz, 1H), 2.61 (brs, 1H).

13C NMR (100 MHz, CDCl3):

δ 137.14, 128.64, 128.17, 127.87, 73.69, 71.0, 68.47, 66.23. IR (KBr) νmax 3410, 3065, 1450, 1193, 1125, 538 cm

-1. ESI-MS/MS (m/z): 531.13 [M+Na]

+.

4.2.4. 4-(Benzyloxymethyl)-2,2-dimethyl-5-(1,1,2,2,3,3,4,4-octafluoro-4-iodobutyl)-1,3-dioxolane (11)

A mixture of compound 10 (7.00 g, 26.8 mmol, 1.0 equiv.) and p-TsOH⋅H2O (1.02 g, 5.37 mmol, 0.2 equiv.) in acetone (250 mL) was stirred at RT for 24 h. The reaction was quenched with NaHCO3. After filtration, the solvent was concentrated under reduced pressure. The residue was purified by column chromatography (hexane/EtOAc, 1:1) to give acetonide protected compound 11 (7.43 g, 92 %) as colorless oil.

1H NMR (400

MHz, CDCl3): δ 7.40−7.27 (m, 5Η), 4.62 (q, J = 12.1 Hz, 2H), 4.57−4.40 (m, 2H), 3.77−3.69 (m, 1H), 1.49 (s, 3H), 1.43 (s, 3H).

13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 137.66, 128.45, 127.83, 127.67,

112.82, 77.22, 75.79, 73.66, 69.59, 27.40. IR (KBr) νmax 3065, 2865, 1497, 1374, 1132, 567 cm-1. ESI-MS/MS

(m/z): 571.20 [M+Na]+.

4.2.5. 6-(Allyloxy)-1,1,1,2,2,3,3,4,4-nonafluorohexane (13)

A solution of 1H,1H,2H,2H-perfuorohexan-1-ol (12) (10.0 g, 37.8 mmol, 1 equiv.), tetrabutylammonium hydrogen sulfate (TBAHS) (1.3 g, 3.7 mmol, 0.1 equiv.) and 40% sodium hydroxide solution (45 mL) were stirred at high speed for 20 min in round-bottomed flask fitted with a condenser and an overhead stirrer. Then allyl bromide (4.9 mL, 56.8 mmol, 1.5 equiv.) was added dropwise, and the mixture heated at 65

oC

for 14 h. The cooled solution was treated with dichloromethane (100 mL), and extracted with water until the aqueous layer was neutral to litmus paper. The organic layer was dried over Na2SO4, then filtered and the solvent removed by rotary evaporation to leave the crude product. The product was purified by column chromatography using CHCl3 as eluent to give 13 as a colorless oil (8.7 g, 76%).

1H NMR (400 MHz,

CDCl3): � 5.96−5.84 (m, 1Η), 5.34−5.17(m, 2Η), 4.05−3.98 (m, 2Η), 3.73 (t, J = 6.8 Hz, 2H), 2.50−2.34 (m, 2H).

13C NMR (100 MHz, CDCl3):

δ 134.14, 117.58, 72.21, 61.95, 31.57. IR (KBr) νmax 2929, 1605, 1232, 1132 cm-1. GC-MS (m/z): 304 [M]

+.

4.2.6. 4-(Benzyloxymethyl)-2,2-dimethyl-5-(1,1,2,2,3,3,4,4-octafluoro-6-iodo-7-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyloxy)heptyl)-1,3-dioxolane (14)

To a stirring solution compound 11 (3.5 g, 6.3 mmol, 1.0 equiv.) in CH3CN/H2O (40 mL, 1:2 ratio), at 0 oC,

were added allyl ether 13 (1.9 g, 4 mmol, 1 equiv.), immediately followed by NaHCO3 (0.3 g, 3.6 mmol, 0.57 equiv.) and Na2S2O4 (0.63 g, 3.6 mmol, 0.57 equiv.). The reaction was stirred vigorously at 10

oC for

18 h. H2O (30 mL) was added to the reaction and the aqueous layer was extracted with Et2O (3 × 20 mL) and washed with brine (2 × 20 mL). The combined organic phase was dried over Na2SO4, filtered and concentrated in vacuo. The resultant liquid was purified by column chromatography (petroleum ether/Et2O, 98:2) to give 14 as a colorless liquid (4.7 g, 88% yield).

1H NMR (400 MHz, CDCl3):

� 7.35−7.28 (m, 5Η), 4.60 (q, J = 12.1Hz, 2H), 4.55−4.31 (m, 4H), 3.84−3.67 (m, 6H), 3.59−3.54 (m, 1H), 3.10−2.91 (m, 1H), 2.76−2.57 (m, 1H), 2.50−2.38 (m, 2H), 1.47 (m, 3H), 1.43 (s, 3H).

13C NMR (100 MHz,

CDCl3): δ 137.71, 128.45, 127.81, 127.65, 112.76, 77.22, 75.86, 73.64, 69.66, 62.89, 31.38, 27.38, 26.01, 14.30. IR (KBr) νmax 3065, 2940, 2905, 2871, 1587, 1374, 1132, 529 cm

-1. ESI-MS/MS (m/z): 875.35 [M+Na]

+.

4.2.7. (E)-4-(Benzyloxymethyl)-2,2-dimethyl-5-(1,1,2,2,3,3,4,4-octafluoro-7-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyloxy)hept-5-enyl)-1,3-dioxolane (15)

To a stirring solution of 14 (3.0 g, 3.5 mmol, 1 equiv.) in DMF (12 mL) at −50 °C, DBU (1.6 mL, 10.5 mmol, 3 equiv.) was added dropwise The reaction was allowed to stir at −50 to −55 °C for 2 h. To the

- 123 -

organic layer was added aq. HCl (1 N, 20 mL) and the aqueous phase was extracted with Et2O (3 × 30 mL). The combined organic phase was dried over Na2SO4, filtered and concentrated in vacuo. The resultant yellow liquid was purified by column chromatography (petroleum ether/Et2O, 96:4) to give 15 as a colorless liquid (2.3 g, 91% yield).

1H NMR (400 MHz,

CDCl3):� 7.37−7.30 (m, 5Η), 6.44−6.36 (m, 1Η), 5.99−5.86 (m, 1Η), 4.62 (q, J = 12.1 Hz, 2H), 4.57−4.40 (m, 2H), 3.77−3.69 (m, 1H), 1.49 (s, 3H), 1.43 (s, 3H).

13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 137.70, 137.28, 128.44,

127.77, 127.63, 118.20, 112.68, 75.81, 73.61, 69.62, 69.24, 62.79, 27.37, 25.99. IR (KBr) νmax 3065, 2994, 2940, 2869, 1682, 1587, 1374, 1132 cm

-1. ESI-MS/MS (m/z): 747.44 [M+Na]

+.

4.2.8. 4,4,5,5,6,6,7,7-Octafluoro-10-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluoro hexyloxy)decane-1,2,3-triol (16)

To the stirred solution of compound 15 (2 g, 2.7 mmol) in MeOH (15 mL) were added 10% Pd/C (180 mg) and the mixture was stirred under hydrogen (Parr apparatus) at room temperature for 8 h. The reaction mixture was then filtered through celite, and to this filtrate was added catalytic amount of p-TsOH⋅H2O and stirred for 12h at RT, The reaction was quenched with NaHCO3. After filtration, the solvent was concentrated under reduced pressure. The residue was purified by column chromatography (hexane/EtOAc, 1:2) to give 16 (1.2 g, 92%) as a white solid. M.P.: 80-84

oC),

1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 4.28−4.05 (m, 2Η), 3.73 (t, J =

6.5 Hz, 2H), 3.68−3.61 (m, 2H), 3.53 (t, J = 6.0 Hz), 2H), 2.48−2.33 (m, 2H), 2.27, 2.09 (m, 2H), 1.93−1.82 (m, 2H).

19F NMR (CD3OD, 376 MHz): δ −82.58 to −82.85 (3F, m), −114.39 to −114.77 (2F,

m), −115.51 to −115.95 (3F, m), −122.88 to −123.17 (3F, m), −125.44 to −125.84 (4F, m), −127.14 to −127.46 (2F, m).

13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 70.53, 69.74, 63.68, 63.37, 32.29, 21.92. IR (Neat) νmax 3441, 2939,

2966, 2889, 1383, 1130 cm-1. ESI-MS/MS (

m/z): 619.27 [M+Na]+.

4.2.9. 4,4,5,5,6,6,7,7-Octafluoro-10-(3,3,4,4,5,5,6,6,6-nonafluorohexyloxy)decane-1,2,3-trisodium propane sulfonate (4)

Compound 16 (1.0 g, 1.6 mmol, 1 equiv.) pre-dissolved in dry THF (20 mL) solution was added to suspension of sodium hydride (60% in mineral oil) (0.3 g, 7.5 mmol, 4.5 equiv.) at 60

oC. Another dry THF

solution (10 mL) containing propanesultone (0.9 g, 7.2 mmol, 4.3 equiv.) was then added to the reaction mixture at the same temperature. After 24 h of stirring under reflux conditions, 20 mL of methanol was added at ambient temperature to deactivate any excess of sodium hydride. After evaporation of the reaction mixture, it was subsequently washed with hexanes (3 x 15 mL) and ethyl ether (3 x 15 mL) to remove the oil impurities as well as excess sultone to afford target compound 4 (1.48 g, 86% yield) as a pale yellow solid.

1H NMR (400 MHz, D2O): � 3.69−3.45 (m, 10Η), 2.93−2.79 (m, 9Η),

2.30−2.18 (m, 1Η), 2.16−1.99 (m, 2Η), 1.98−1.83 (m, 9Η), 1.78−1.66 (m, 2Η). 19F NMR (CD3OD, 376 MHz): δ

−81.70 to −83.16 (3F, m), −113.24 −115.80 (6F, m), −121.51 to −122.86 (2F, m), −123.65 to −124.93 (2F, m), −125.65 to −126.31 (2F, m), −127.10 to −127.89 (2F, m).

13C NMR (100 MHz, D2O):

δ 70.59, 68.75, 60.21, 57.71, 47.95, 47.86, 26.97, 24.28, 24.09. IR (Neat) νmax 3442, 2940, 2879, 1631, 1384, 1192, 1050 cm

-1. ESI-MS/MS (m/z): 1005.66 [M-Na]

-.

4.2.10. 1,1,1,2,2,3,3,4,4,10,10,11,11,12,12,13,13,13-Octadecafluoro-tridecan-7-ol (18)

A suspension of Mg powder (0.52 g, 21.0 mmol, 4 equiv.) and iodide 17 (2.0 g, 5.3 mmol, 1 equiv.) in 30 mL of dry Et2O was sonicated for 20 min. The reaction mixture was heated at reflux for 2 h, and the solution was cannulated away from the excess Mg into other flask. After dropwise addition of ethyl formate (0.17 mL, 2.1 mmol, 0.4 equiv.), the black solution was heated at reflux for 5 h. The reaction mixture was cooled to 0

oC, quenched with saturated ammonium chloride solution (20 mL) and extracted with Et2O (2 x

20 mL). The organic extracts were dried (Na2SO4) and concentrated. The crude product was washed with CH2Cl2 and dried in vacuum, and then purified by column chromatography to obtain product, 18 (0.95 g, 34% yield) as a white solid; M.P.: 49-50

oC.

1H NMR (400 MHz, CDCl3): � 3.81−3.68 (m, 1H), 2.42−2.10

(m, 4H), 1.90−1.70 (m, 4H), 1.62 (brs, 1H). 19

F NMR (CDCl3, 376 MHz): δ −80.91 to −81.15 (6F, m), −114.29 to −114.96 (4F, m), −124.21 to −124.67 (4F, m), −125.86 to −126.32 (4F, m).

13C NMR (100 MHz,

CDCl3): δ 69.81, 28.12, 27.12; IR (Neat) νmax 3416, 1329, 1208, 992, 713 cm-1; ESI-MS/MS (m/z): 547.18

[M+Na]+.

4.2.11. Sodium 3-((1,1,1,2,2,3,3,4,4,10,10,11,11,12,12,13,13,13-octa-decafluorotridecan-7-yl)oxy)propane-1-sulfonate (5)

Compound 18 (0.42 g, 0.8 mmol, 1 equiv.) pre-dissolved in dry THF (20 mL) solution was added to suspension of sodium hydride, 60% in mineral oil (0.05 g, 1.2 mmol, 1.5 equiv.) at 60

oC. Another dry THF

- 124 -

solution (10 mL) containing propanesultone (0.14 g, 1.1 mmol) was then added to the reaction mixture at the same temperature. After 24 h of stirring under reflux conditions, 5 mL of methanol was added at ambient temperature to deactivate any excess of sodium hydride. After evaporation of the reaction mixture, it was subsequently washed with hexanes (3 x 10 mL) and ethyl ether (3 x 10 mL) to remove the oil impurities as well as excess sultone and afforded target compound 5 (0.35 g, 66% yield) as a colorless solid.

1H NMR

(400 MHz, D2O): δ 3.61 (t, J = 6.56 Hz, 2H), 3.55 (t, J = 6.56 Hz, 3H), 2.91−2.86 (m, 4H), 1.97−1.84 (m, 6H).

19F NMR (D2O, 376 MHz): δ −79.64 to −86.98 (6F, m), −113.16 −118.04 (4F, m), −124.32 to −124.46

(4F, m), −126.86 to −129.49 (4F, m). 13C NMR (100 MHz, D2O): δ 68.88, 60.17, 48.01, 47.95, 26.93, 24.21;

IR (Neat) νmax 3446, 1647, 1162, 1078 cm-1. ESI-MS/MS (m/z): 645.06 [M-Na]

-.

4.2.12. Diethyl 2,2-bis(4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptyl) malonate (20)

Diethyl malonate (1.0 g, 6.2 mmol, 1 equiv.) was added dropwise to an ice-cold suspension of sodium hydride (60% dispersion in mineral oil, 0.62 g, 15.6 mmol, 2.5 equiv.) in dry DMF (15 mL) at 0

oC during

15 min. The resulting mixture was stirred for 30 min while allowing the temperature from 0–23 oC. Iodide

(19, 5.0 g, 13.1 mmol, 2.1 equiv.) was added slowly to the reaction and the mixture was heated at reflux for 8 h, and then was cooled to 23

oC. Water (30 mL) and ethyl ether (35 mL) were added to it. The aqueous

layer was extracted with ethyl ether (3 x 20 mL). The combined organic extracts were dried over sodium sulfate, filtered and concentrated. The residue was purified by flash column chromatography to afford 20 (3.5 g, 83%) as a colorless liquid.

1H NMR (400 MHz, CDCl3): � 4.22 (q, J = 7.07, 4H), 2.18−1.94 (m, 8H),

1.58−1.49 (m, 4H), 1.26 (t, J = 7.32, 6H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 171.07, 61.95, 57.49, 32.48,

30.93, 15.31, 14.02; IR (KBr) νmax 2986, 1730, 1465, 1354, 1234, 1020, 882, 721 cm-1; ESI-MS/MS (m/z):

703.36 [M+Na]+.

4.2.13. 2,2-Bis(4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptyl)propane-1,3-diol (21)

To a stirred solution of LiAlH4 (0.32 g, 8.5 mmol, 4 equiv.) in dry THF (20 mL) under N2 was added dropwise to a solution of 20 (1.45 g, 2.1 mmol, 1 equiv.) in THF (10 mL). After 12 h, at reflux the reaction was cooled to 0

oC and quenched by careful addition of approx. 40% aq. KOH. The precipitated

aluminum salts were removed by filtration. The filtrate was concentrated under reduced pressure, then the residual oil redissolved in Et2O, washed with H2O, dried (Na2SO4) and evaporated in vacuum to return the gem-diol 11 (1.15 g, 91%) as a viscous solid.

1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ 3.62 (s, 4H), 2.21−2.00 (m,

6H), 1.61−1.53 (m, 4H), 1.43−1.36 (m, 4H). 19F NMR (CDCl3, 376 MHz): δ −76.12 to −77.01 (6F, m),

−109.53 to −110.16 (4F, m), −119.72 to −120.24 (4F, m), −121.37 to −121.67 (4F, m). 13C NMR (100 MHz,

CDCl3): δ 68.12, 41.28, 31.28, 30.47, 14.13; IR (KBr) νmax 3360, 2926, 1569, 1220, 1128, 703 cm-1;

ESI-MS/MS (m/z): 619.28 [M+Na]+.

4.2.14. Sodium 3,3'-((2,2-bis(4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptyl)-propane-1,3-diyl)bis(oxy))bis(propane-1-sulfonate) (6)

Compound 21 (0.9 g, 1.5 mmol, 1 equiv) pre-dissolved in dry THF (15 mL) solution was added to suspension of sodium hydride (60% in mineral oil, 0.18 g, 4.5 mmol, 3 equiv) at 0

oC. Another dry THF

solution (10 mL) containing propanesultone (0.53 g, 4.3 mmol, 2.9 equiv) was then added to the reaction mixture at the same temperature. After 16 h of stirring under reflux conditions, 20 mL of methanol was added at ambient temperature to deactivate any excess of sodium hydride. After evaporation of the reaction mixture, it was subsequently washed with hexanes (3 x 10 mL) and ethyl ether (3 x 10 mL) to remove the oil impurities as well as excess sultone to afford target compound 6 (1.04 g, 78% yield) as a pale yellow solid.

1H NMR (400 MHz, D2O): � 3.57−3.49 (t, J = 6.31 Hz, 4H), 2.90−2.82 (m, 6H), 1.95−1.84 (m,

10H), 1.49−1.33 (m, 4H), 1.25−1.09 (m, 4H). 19

F NMR (D2O, 376 MHz): δ −81.97 to −83.57 (6F, m), −114.36 −115.79 (4F, m), −125.13 to −125.36 (4F, m), −126.92 to −128.03 (4F, m).

13C NMR (100 MHz,

D2O): δ 68.82, 60.05, 48.01, 47.89, 47.68, 27.03; IR (Neat) νmax 3371, 2269, 1647, 1198, 1033 cm-1.

ESI-MS/MS (m/z): 861.12 [M-Na]-.

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lmd=1120194514000 %3Famp; assetId=1114270648708%3Famp; assetType=MMM_Image%3Famp; blob

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[23] http://infohouse.p2ric.org/ref/31/30251.pdf.

- 126 -

Synthesis of cyclic type semi-fluorinated disodium alkanesulfonate

Sridhar Chirumarry, Yohan Ko, Kiwan Jang and Dong-Soo Shin*

Department of Chemistry, Changwon +ational University, Changwon, 641-773, S. Korea†Department of Physics, Changwon +ational University, Changwon, 641-773, S. Korea

E-mail: dsshin@changwon.ac.kr

ABSTRACT. A new perfluorobutyl substituted cyclic type disodium alkanesulfonate is designed, synthesized and

characterized as alternative substance to perfluorooctane sulfonic acid (PFOS, 1), a well-known surfactant. Cylic

type sulfonate was accomplished from commercially available 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluoro-1,6-hexanediol in four steps. Bio-degradable perfluorobutyl moiety was introduced from fluorous diol, which is symmetrically substituted amphiphile via installation of an intermediate trifluoromethanesulfonyl ester and easily manipulated by double

displacement of triflate using potassium malonate and further reduction followed by nucleophilic ring opening are

key reactions to get target disodium alkanesulfonate. The efficiency and simplicity in the synthesis of this material

offer a new strategy to design PFOS alternatives.

Key Words: PFOS alternatives, Cyclic-type sulfonate, Semi-fluorinate surfactants, Gemini surfactant, Surface tension.

I4TRODUCTIO4

Surfactants are amphiphilic material that can be greatly reduce the surface tension of water when used in very low concentrations, made up of water soluble (hydrophobic, such as aliphatic, aromatic or mixture of both) and water insoluble or soluble in organic solvent (hydrophobic), and play major role as bactericide, emulsifiers, dispersants, foaming, wetting and cleaning agents.

1-3 Depending on the charge present in their

hydrophilic head, surfactants are classified into anionic (phosphates, sulfonates, sulfates and carboxylates (soap)), cationic (some form of amines generally quaternary ammonium groups), nonionic (polyethylene glycols) and amphoteric/zwitterionic (alkyl amino acids and acyl ethylenediamines). Hydrophobic chain generally contain linear or branched hydrocarbon moieties, if it containing fluorocarbons are called fluorosurfactants.

4 Among the fluorosurfactants manmade perfluoro octane sulfonic acid (PFOS) and its

derivatives are proven tobe most dependable substrates due to their special physiochemical properties. It has C8F17 as hydrophobic unit, while sulfonate as hydrophilic unit adds polarity, very stable compound that lowers surface tension of water more than that of hydrocarbon surfactant and which is used in fire-fighting foam, strain repellents, paints, varnishes, polishes, leather, hydraulic fluids, pharmaceutical, metal plating, semiconductor industry, etc. However, due to chemically and biologically stable in the environment and resist typical environmental degradation processes, including atmospheric photo-oxidation, direct photolysis and hydrolysis, they are listed under Annex B of the Stockholm convention on persistent organic pollutants (POPs) in May 2009.

5 PFOS accumulates to a high degree in humans and animals and caused postnatal deaths

according to EPA’s assessment and excessive solvation, hypo activity, ataxia, low food consumption, hepatic vacuolization and hypertrophy were found in monkeys when exposed to PFOS.

6 Therefore, it is necessity to

reduce toxicity, hazardous effects and improve biodegradability of PFOS derivatives, which is under progress in recent years, In this regard 3M Company, developed various alternative surfactants that contains shorter C4-perfluoro chain.

7 These perfluorobutane based materials are less bio-accumulative, less toxic and sustainable

and proven to be potential replacements for eight-carbon homolog PFOS.8-10

Instead of linear hydrophobic and monohydrophobic group surfactants, Gemini surfactants which contains more than one hydrophobic as well as hydrophilic group shows improved surface properties in solution.

11

Figure 1. Structure of PFOS and its proposed alternatives.

By considering all the above mentioned structural parameters, previously we have synthesized perfluorobutyl substituted Gemini surfactants which showed better CMC values, surface tension profiles and promising biodegradability results.

12 In continuation, present work on assuming Gemini structure and bio-degradable

shorter fluoroalkyl chain to enable the development of alternatives, we designed the structure of novel sulfonic acid type Gemini surfactant having cyclic-type semi-fluoroalkyl group as hydrophobic segment instead of linear

- 127 -

fluoroalkyl chain, which is depicted in figure 1. For the preparation of PFOS and its derivatives involves electrochemical perfluorination (ECF), which is an electrolytic production method and telomerization involves radical copolymerization,

13 But here in present our work on synthesis of environmentally friendly cyclic-type

perfluoroalkyl disulfonates synthesis needed simple route, where introduction of perfluorinated alkyl chain is easily accessible and not be cost-effective. Synthesis of target disodium surfactant is achieved from readily available 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluoro-1,6-hexanediol in four steps using trifluoromethane-sulfonyl chloride, diethyl malonte and 1,3-propanesultone as other starting materials and involves triflate protection, nucleophilic substitution of dialkylation reaction in presence of sodium hydride as base, ester reduction with lithium aluminium hydride and nucleophilic ring opening of sultones by sodium hydride as base in high yields.

EXPERIME4TAL

All the glassware was dried thoroughly in hot oven and streamed with nitrogen before use. Solvents were

dried and purified by conventional methods prior to use. All non-fluorinated starting materials and solvents

were obtained from Sigma–Aldrich (USA). 2,2,3,3,4,4,5,5-Octafluoro-1,6-hexanediol are purchased from Tokyo

Chemical Industries Co. Ltd. (Japan). Melting points were determined on a digital SMP10 capillary melting

point apparatus (SRUAT, UK). 1H NMR (at 400 MHz) and

13C NMR (at 100 MHz) spectroscopic data were

recorded on an Avance 400 MHz spectrometer (BRUKER, Germany). IR measurements of all the samples

were performed on FTIR-6300 Spectrometer (JASCO, Japan). Gas chromatography-mass spectrometric (GC-MS)

analyses were carried out with Hewlett-Packard 6890 & 5973 system (AGILENT, USA) and MS spectra were

performed on the LCQ Fleet ion trap mass spectrometer (Thermo Fisher Scientific Inc., San Jose, CA) using

a Nano spray ion source with a fused-silica emitter (360 × 75 × 30 µm, SilicaTip™, New Objective) at 2.0

kV capillary voltage, 200 °C capillary temperature, and a syringe flow rate of 0.8 µL/min. The full MS

spectra were collected at 150 - 1500 m/z for 30 s with 5 micro scans and 150 maximum injection times

(MS).

2,2,3,3,4,4,5,5-Octafluorohexane-1,6-diyl bis (trifluoro methane-sulfonate) (7): To a solution of diol 6 (500

mg, 1.91 mmol) in dry dichloromethane (20 mL), trifluoromethane-sulfonyl chloride (0.49 mL, 4.68 mmol)

was added under nitrogen atmosphere in an ice bath. Triethylamine (1.7 mL, 7.63 mmol) was then added

drop wise. A yellow precipitate was observed. The mixture was stirred at room temperature overnight. The

solvent was then removed and the crude compound was dissolved in ethyl acetate (20 mL) and washed twice

with water (10 mL). The phases were separated, and the organic phase was washed sequentially with 1 M

HCl (20 mL), NaHCO3 (20 mL), and brine and then dried with MgSO4 and filtered. The solvent was

removed under reduced pressure to yield yellow oil. It was then crystallized from 3:1, hexanes:ethyl acetate to

yield 7 as clear crystals (0.94 g, 95%). (M.P. 55 – 57 oC);

1H NMR (400 MHz, CDCl3): � 4.83 (t, J =

12.12 Hz, 4H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 116.89, 68.04 (t, J = 28.5 Hz); IR (Neat) νmax 1417, 1209,

1141, 1020, 830, 613 cm-1; ESI-MS/MS (m/z): 549.21 [M+Na]

+.

(3,3,4,4,5,5,6,6-Octafluorocycloheptane-1,1-diyl) dimeth anol (8): In a 3-neck round bottom flask, potassium

hydride (30% in mineral oil, 0.57 g, 4.21 mmol) was washed with pentane. DMF (10 mL) was then added.

To this suspension of KH in DMF under vigorous stirring, dimethylmalonate (0.65 mL, 4.21 mmol) was

- 128 -

added slowly. After 1 h, compound 7 (0.9 g, 1.76 mmol) was added to the resulting enolate and the reaction

was stirred for 12 h. After that, another aliquot of enolate was added, and the reaction was allowed to stir

for 24 h longer. The reaction mixture was poured over H2O (4 mL) and extracted with ether (3 x 5 mL).

The combined organic fractions were washed with H2O (3 x 9 mL) and dried over MgSO4. The solvent was

removed under reduced pressure. The crude cyclic diester product in THF (10 mL) was added dropwise to a

stirred solution of LiAlH4 (80 mg, 5.63 mmol) in dry THF (10 mL) under N2. After 12 h, at reflux the

reaction was cooled to 0 oC and quenched by careful addition of approx. 40% aq. KOH. The precipitated

aluminum salts were removed by filtration. The filtrate was concentrated under reduced pressure, then the

residual oil redissolved in Et2O, washed with H2O, dried (Na2SO4) and evaporated in vacuum and purified by

column chromatography (hexane:ethyl acetate, 7:3) to get diol 8 (0.15 g, 23%) as a viscous solid. 1H NMR

(400 MHz, CDCl3): � 3.66 (t, J = 6.316 Hz, 4H), 1.73-1.61 (m, 4H). 13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ

67.21, 27.40; IR (Neat) νmax 3448, 2336, 1682, 1150 cm-1; GC/MS (m/z): 302 [M].

S o d iu m 3,3'-(((3,3,4,4,5,5,6,6-octafluorocycloheptane-1,1-diyl)-bis(methylene))bis(oxy))bis(propane-

1-sulfonate) (10): Diol (8, 0.1 g, 0.33 mmol) pre-dissolved in dry THF (10 mL) solution was added to

suspension of sodium hydride (60% in mineral oil, 0.03 g, 0.72 mmol) at 60 oC. Another dry THF solution

(5 mL) containing propane sultone (9, 0.11 g, 0.82 mmol) was then added to the reaction mixture at the

same temperature. After 16 h of stirring under reflux conditions, 20 mL of methanol was added at ambient

temperature to deactivate any excess of sodium hydride. After evaporation of the reaction mixture, it was

subsequently washed with hexanes (3 x 10 mL) and ethyl ether (3 x 10 mL) to remove the oil impurities as

well as excess sultone and afforded target compound 6 (0.12 g, 64% yield) as a white solid. 1H NMR (400

MHz, D2O): δ 3.63-3.47 (m, 4H), 3.39-3.34 (m, 4H), 2.94-2.80 (m, 4H), 1.93-1.67 (m, 8H). 13C NMR (100

MHz, D2O): δ 71.73, 57.62, 50.72, 30.16, 27.41, 20.73; IR (Neat) νmax 3445, 1642, 1172, 1063 cm-1;

ESI-MS/MS (m/z): 567.07 [M-Na]-.

RESULTS A4D DISCUSSIO4

Our group has been engaged in the design and synthesis of various perfluorobutyl substituted sodium alkane sulfonates which are alternatives to PFOS.

10,12 In continuation of our efforts towards the synthesis of PFOS

alternatives, we embarked on the design and synthesis of cyclic type semi-fluorinated disodium sulfonate, another fascinating target. As described earlier, it is evident that the introduction of bio-degradable perfluorobutyl group as hydrophobic chain in surfactant is our foremost priority. With this intention, we used readily available 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluoro-1,6-hexanediol as perfluorobutyl source for the construction fluorocarbon surfactant, and utilized metal based reduction and nucleophilic ring opening reactions as key reactions. Retrosynthetically, cyclic hemifluorinated dimeric surfactant 4 can be synthesized from commercially available diol 6 in four steps, which is illustrated in scheme 1. The cyclic hemifluorinated bis-sodium sulfonate 4 can be obtained from cyclic diester 5 by using a reduction reaction in presence of lithium aluminum hydride, followed by employing nucleophilic ring opening of propane-1,3-sultone (9). The 7 membered rigid fluorous cyclic diester 5, which in turn can be synthesized from commercially available semi-flourinated hexane diol 6 by protection reaction with trifluoromethane-sulfonyl chloride to get bis(sulfonic) ester, followed nucleophilic substitution reaction by treatment with sodium malonate in presence of NaH as base.

Scheme 1. Retrosynthetic analysis of cyclic disodium alkanesulfonate 4.

Our general route to doubly functionalized fluorinated material is sketched in scheme 2. First, semi-fluorinated diol 6 was treated with trifluoromethanesulfonyl chloride in presence of triethylamine in DCM gives easy access to bis(sulfonic) esters 7 in 95% which are remarkably stable and easily manipulated building block, which was confirmed from

1H NMR, showed triplet at � = 4.83 ppm (J = 12.12 Hz, 4 H) the triflate

attached CH2 group and 13C NMR showed peaks at δ = 116.8 and 68.0 ppm corresponding trifluoro carbon

and methylic carbon. Since dehydrofluorination is facile in many fluorinated compounds in the presence of stronger bases, only weakly basic nucleophiles were used here. The double displacement of triflate 7 with potassium malonate in dry THF which can displace the triflate and selective cyclization easily to give flexible seven membered ring cyclic diester 5 in 40% yield.

14 The complete reduction of cyclic diester 5 in THF with

lithium aluminum hydride smoothly afforded diol 8 in 72% yield, without affecting the perfluoroalkyl chain.

- 129 -

The 1H NMR of the diol showed triplet at � = 3.66 ppm (J = 6.316 Hz, 4H) for the corresponding alcohol

attached CH2 group. The IR absorption at ν = 3448 cm−1

clearly indicates hydroxyl functionality. Further, this diol 8 was subjected to the nucleophilic ring opening of sultone 9 in the presence of NaH as a base in THF. The propanesultone (9) has given corresponding disodium sulfonate 4 in 64% yield, which was confirmed from

1H and

13C NMR, IR and mass spectral data.

Scheme 2. Synthesis of cyclic disodium alkanesulfonate 4.

CO4CLUSIO4

- 130 -

In summary, we have successfully designed and synthesized novel cyclic type semi-fluorinated disodium

alkanesulfonate starting from commercially available 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluoro-1,6-hexanediol as fluorocarbon

source, which is alternative to non-biodegradable PFOS and its derivatives. The syntheses of cyclic type

surfactant involve nucleophilic substitution and nucleophilic ring opening reactions as key steps and used

easily accessible 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluoro-1,6-hexanediol, trifluoromethane-sulfonyl chloride, dimethyl malonate

and propane sultone in four synthetic steps and all steps were robust and low cost with moderate to good

yields. All compounds were characterized by 1H NMR,

13C NMR, FTIR and Mass spectroscopy. After

successful synthesis of cyclic type Gemini surfactant, surface tension behavior studies was under the progress

and we are expecting good value of critical micelle concentration due to previously as synthesized linear

hemifluorinated disodium alkanesulfonate showed better when compared to that of PFOS. Apart from this,

as-synthesized compound is expected to be biodegradable due to having degrading points like ether links,

hydrocarbon chain and less perfluoro carbon (C4) chain and would be safer than that of non-biodegradable

PFOS.

REFERE4CES

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- 131 -

11. 기타사항- 본 과제를 통한 대체물질의 개발은, 지금까지는 선진국에서 대체물질을 개발하고, 우리나라

에서 사용하는 방법들이 반복되어 왔지만, 이번 과제를 통하여, 우리나라에서 국가과제를 통

하여, 대체물질 개발을 체계적으로 접근하고, 대체물질을 합성하고, 합성한 대체물질을 산업

체에서 대량생산할 수 있는 기술을 개발하고, 산업체에 기술을 이전시켜주는 일련의 과정은,

국가의 위상 정립을 새롭게 하고, 산업체의 활성화를 이룩하고, 미래전향적인 전략이며, 국가

적으로 지향해야 할 전략기술이라고 사료됨.

- 본 과제를 통한 대체물질의 개발에 있어서, 국내 특허는 1 건은 이미 출원하였으며, 나머지

3 건은 현재 특허 원고를 작성 (첨부 자료)하여, 특허 출원을 준비 중에 있음.

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주 의

1. 이 보고서는 환경부에서 시행한 환경기술개발사업의 연구보고

서입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 환경부에서 시행한

환경기술개발사업의 연구개발 결과임을 밝혀야 합니다.

3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표

또는 공개하여서는 안 됩니다.