KR100584483B1 - 히드록시페닐기를 인접하여 갖는 벤족사졸계 이관능성단량체 화합물 및 그의 제조방법 - Google Patents

히드록시페닐기를 인접하여 갖는 벤족사졸계 이관능성단량체 화합물 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 히드록시페닐벤족사졸을 갖는 고분자 화합물을 제조하기 위한 디아미노 또는 디브로모 단량체와 이의 제조방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는 벤족사졸기에 인접하여 히드록시페닐기를 갖는 헤테로환 형광 고분자 화합물을 제조하기 위한 단량체로서 하기 화학식 1 또는 화학식 2로부터 선택된 벤족사졸계 화합물과 이의 제조방법에 관한 것이다.
[화학식 1]
Figure 112006009923137-pat00014
[화학식 2]
Figure 112006009923137-pat00015
R1과 R2 는 서로 동일하며 -NH2 또는 Br이고, R3는 수소, 벤질, 또는 아실기이고, R4 및 R5는 서로 동일하며 -NH2 또는 Br이고, R6 및 R7는 서로 동일하고 수소, 벤질, 또는 아실기이며, R2 는 히드록시페닐기의 4번 또는 5번 위치에 치환된다.
이관능성 단량체, 벤족사졸계, 히드록시페놀, 광기능성

Description

히드록시페닐기를 인접하여 갖는 벤족사졸계 이관능성 단량체 화합물 및 그의 제조방법{Bifunctional benzoxazole monomers with hydroxyphenyl and process for preparing thereof}
본 발명은 히드록시페닐벤족사졸을 갖는 고분자 화합물을 제조하기 위한 디아미노 또는 디브로모 단량체와 이의 제조방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는 벤족사졸기에 인접하여 히드록시페닐기를 갖는 헤테로환 형광 고분자 화합물을 제조하기 위한 단량체로서 하기 화학식 1 또는 화학식 2로부터 선택된 벤족사졸계 화합물과 이의 제조방법에 관한 것이다.
[화학식 1]
Figure 112006009923137-pat00016
[화학식 2]
Figure 112006009923137-pat00017
R1과 R2 는 서로 동일하며 -NH2 또는 Br이고, R3는 수소, 벤질, 또는 아실기이고, R4 및 R5는 서로 동일하며 -NH2 또는 Br이고, R6 및 R 7는 서로 동일하고 수소, 벤질, 또는 아실기이며, R2 는 히드록시페닐기의 4번 또는 5번 위치에 치환된다.
벤족사졸계 고분자는 뛰어난 내열성으로 고성능 고분자로 알려져 있으며, 벤족사졸환에 인접하여 히드록시페닐기를 갖게 되면 다음 그림과 같이 들뜬 상태에서 에놀-케토 호변이성질화가 가능하게 되어 일반 화합물에서 찾아볼 수 없는‘들뜬 상태 분자내 양성자 이동(excited state intramolecular proton transfer, ESIPT)’현상을 일으킨다.
Figure 112004024191678-pat00005
이러한 ESIPT 현상이 발생하면 화합물의 형광은 두 밴드로 분리되어 나타난다. 하나는 에놀 형태에서 기인하여 흡수 밴드에서 작은 스토크스 이동(Stokes' shift)을 보이는 형광 밴드와, 또 다른 하나는 매우 큰 스토크스 이동을 보이는, 즉 흡수 밴드에서 200 내지 250 nm 장파장으로 크게 이동한 케토 형태의 형광 밴드를 나타내는 것을 특징적으로 갖는다.
ESIPT 현상을 갖는 화합물은 복합적인 광기능 재료로 사용할 수 있다. 예를 들면 흡수 밴드에서 멀리 떨어진 장파장에서 형광 밴드가 나타나므로, 화합물은 거의 무색에 가깝지만 형광은 심색이 나타나 분자 구조 제어에 의하여 녹색에서 빨간 형광까지 조절이 가능하다. 또 다른 예는 벤족사졸의 질소 원자와 인접 히드록시페닐기 간의 수소결합에 의하여 ESIPT 현상이 생기는 것과 관련이 있다. 이러한 수소결합을 인위적으로 방해할 수 있는 물질의 첨가에 의하여 벤족사졸 화합물의 형광을 변화시킬 수 있으므로 형광 분자 센서로서의 활용이 가능하다.
상기와 같은 장점 때문에 히드록시페닐 벤족사졸계 화합물은 다양한 종류가 합성되어 사용되고 있다. 하지만 이러한 물질이 고분자 주쇄에 함유되어 있는 경우는 무척 드물며, 그 이유는 히드록시페닐 벤족사졸계 고분자를 제조하기 위한 이관능성 저분자 단량체의 제조 방법이 어렵기 때문이다. 즉, 고분자 주쇄에 도입되기 위하여 디아미노, 디브로모 등의 이관능성기가 반드시 필요한데, 이러한 관능기가 도입된 히드록시페닐 벤족사졸계 화합물은 제조방법이 까다롭고, 정제가 어려워 성공한 예를 찾아보기 힘들다.
따라서 본 발명자들은 상술한 종래의 연구결과를 참조하면 히드록시페닐기를 인접하여 갖는 벤족사졸 헤테로환 고분자를 제조하기 위한 단량체 화합물의 제조를 통하여 다양한 형광, 컬러, 광변색 기종의 고분자 재료 개발이 가능할 것으로 판단하여 신규 광기능성 고분자 재료를 창출할 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 발 명하게 되었다.
따라서 본 발명의 목적은 히드록시페닐기를 인접하여 갖는 벤족사졸계 이관능성 단량체 화합물 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 히드록시페닐벤족사졸을 갖는 고분자 화합물을 제조하기 위한 디아미노 또는 디브로모 단량체와 이의 제조방법에 관한 것이다.
보다 상세하게는 벤족사졸기에 인접하여 히드록시페닐기를 갖는 헤테로환 형광 고분자 화합물을 제조하기 위한 단량체로서 하기 화학식 1 또는 화학식 2로부터 선택된 벤족사졸계 화합물과 이의 제조방법에 관한 것이다.
[화학식 1]
Figure 112006009923137-pat00018
[화학식 2]
Figure 112006009923137-pat00019
R1과 R2 는 서로 동일하며 -NH2 또는 Br이고, R3는 수소, 벤질, 또는 아실기이고, R4 및 R5는 서로 동일하며 -NH2 또는 Br이고, R6 및 R 7는 서로 동일하고 수소, 벤질, 또는 아실기이며, R2 는 히드록시페닐기의 4번 또는 5번 위치에 치환된다.
본 발명에 따른 화학식 1의 아미노벤족사졸일페놀 화합물의 제조는
a) 4- 또는 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀을 합성하는 단계;
b) 4- 또는 5-브로모-2-(5-브로모벤족사졸-2-일)페놀을 합성하는 단계;
c) 아세틸기 또는 벤질기로 보호된 4- 또는 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀을 합성하는 단계를 거치는 동안 과정에서 제조된다.
또한 본 발명에 따른 또 다른 화합물인 화학식 2의 비스히드록시베닐벤족사졸 화합물의 제조는
d) 2,5-비스(5-아미노벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올을 합성하는 단계;
e) 2,5-비스(5-브로모벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올을 합성하는 단계;
f) 아세틸기 또는 벤질기로 보호된 2,5-비스(5-브로모벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올을 합성하는 단계를 거치는 동안 제조된다.
이하 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 화학식 1의 아미노벤족사졸일페놀 화합물의 제조의 단계는 하기의 반응식 1에 도시한 바와 같다.
[반응식 1]
Figure 112006009923137-pat00020
2,4-디아미노페놀(1) 또는 그 염과 4- 또는 5-아미노살리실산(2)을 폴리인산 매질에서 130 내지 150℃의 온도에서 10 내지 15 시간 반응함으로서 벤족사졸 고리화 반응에 의하여 4- 또는 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀(3)이 제조된다. 제조된 4- 또는 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀(3) 반응혼합물은 통상의 방법으로 중화한 후 에탄올 등 유기용매로 재결정하거나 아세톤 등 극성 유기용매를 이용하여 컬럼크로마토그라피를 하여 정제한다.
상기 단계에서 제조된 아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀(3)은 32% HBr 수용액에 현탁시킨 후 0℃에서 NaNO2 수용액을 적가한 후 CuBr을 녹인 48% HBr 수용액을 천천히 적가한다. 적절한 시간 동안 교반 한 후 반응온도를 100℃까지 올려 3 내지 6시간 반응 후 상온으로 냉각하여 디클로로메탄 또는 클로로포름 등 유기용매로 추출하여 정제하여 4- 또는 5-브로모-2-(5-브로모벤족사졸-2-일)페놀(4)을 제조한다.
제조된 브로모-2-(5-브로모벤족사졸-2-일)페놀(4)은 벤질브로마이드 또는 아세틸클로라이드를 염기 조건하에서 유기용매에서 반응시켜 벤질기 또는 아세틸기가 보호된 4- 또는 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀(5)을 제조한다.
또한 본 발명에 따른 또 다른 화합물인 화학식 2의 비스히드록시베닐벤족사졸 화합물의 제조는 하기의 반응식 2를 거쳐 제조된다.
[반응식 2]
Figure 112006009923137-pat00021
출발물질로서 2, 4-디아미노페놀(6) 또는 그 염과 2,5-디히드록시테레프탈산(7)을 폴리인산 매질에서 불활성 가스 내에서 반응시켜 2,5-비스(5-아미노벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(8)을 제조한다. 이때 반응온도는 130 내지 210℃에서 반응이 가능하나, 반응이 진행됨에 따라 140 내지 160℃, 170 내지 190℃, 200 내지 210℃로 점차 반응온도를 올려 반응시키는 것이 부반응을 줄일 수 있어 바람직하다. 상기 단계에서 제조한 반응혼합물을 중화시킨 후 침전물을 얻은 후 정제하여 목적화합물을 얻는다. 정제는 350℃ 부근에서 진공 승화시킨 후 DMF, 메틸알콜 등 극성용매로 세척, 건조하는 방법이 바람직하다.
상기 2,5-비스(5-아미노벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(8)을 32% HBr 수용액에 현탁시키고, 상기 현탁액에 NaNO2 수용액을 적가한 후 CuBr를 48% HBr 수용액에 녹인 혼합용액을 적가하여 0℃에서 1시간 내지 2시간 교반 후 100℃로 승온하여 추가 반응을 진행하고 상온으로 냉각하여 여과 후 생성물인 2,5-비스(5-브로모벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(9)을 얻는다. 이때 정제 역시 진공 300℃ 정도에서 승화 후 톨루엔과 같은 비극성 유기용매로 세척, 건조하는 것이 바람직하다.
제조된 2,5-비스(5-브로모벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(9)의 히드록시 보호화는 앞서 기재한 바와 같은 브로모-2-(5-브로모벤족사졸-2-일)페놀(4)의 히드록시 보호화 반응과 유사하게 진행한다.
이하 본 발명에 따른 화합물의 합성과 제조방법에 대하여 실시예를 들어 상세히 설명하겠는 바, 하기 실시예는 본 발명에 따른 단량체 화합물의 제조방법을 예를 들어 설명하는 것이지, 하기 실시예에 의하여 본 발명의 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀(3)의 제조
2,4-다이아미노페놀 이염산 6.43 g (32.65 mmol)과 5-아미노살리실산 5.0 g (32.65 mmol)을 폴리인산 500 ml에 녹여 150 ℃에서 12 시간 반응시켰다. 반응 후 이용액을 상온으로 냉각하고 얼음물에 서서히 교반하며 적가하였다. 바이카본산 나트륨을 넣어 pH 7로 중화시키고 석출물을 감압 여과한 후 에탄올에서 재결정하고, 아세톤으로 컬럼 크로마토그래피하여 표제화합물인 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀 4.3 g (54.6%) 얻었다.
1H NMR (300 MHz, acetone-d6) δ = 10.74 (1H, OH), 7.65-6.78 (6H, aromatic H), 5.14 ppm (4H, NH2)
[실시예 2]
5-브로모-2-(5-브로모벤족사졸-2-일)페놀(4)의 제조
상기 실시예 1에서 제조한 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀 1.2 g (5.0 mmol)을 32% HBr 수용액 25 ml에 현탁시키고 얼음물에서 0 ℃로 조절하였다. 이 현탁액에 NaNO2를 물 5 ml에 녹인 용액을 천천히 적가한 후, CuBr 5.74 g (20 mmol)을 48% HBr 8 ml에 녹인 용액을 천천히 적가하였다. 0 ℃에서 10분간 교반 후 100 ℃까지 올려준다. 5시간 반응 후 상온으로 냉각하고 50 ml 클로로포름으로 4회 추출하고 물로 2회 세척한 후 용매를 증발 제거하였다. n-헥산과 에틸 아세테이트 혼합물 (2:1) 전개액을 사용하여 컬럼 크로마토그래피하여 건조 후 표제화합물인 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀 1.4 g (79.58%)를 수득하였다.
1H NMR (300 MHz, DMSO-d6) δ = 11.09 (1H, OH), 8.13-7.11 ppm (6H, aromatic H)
[실시예 3]
벤질기로의 보호화된 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀의 제조
실시예 2로부터 제조된 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀 1.85 g (5 mmol), 벤질 브로마이드 1.71 g (10 mmol), K2CO3 0.69g (5 mmol)을 20 ml N,N-디메틸포름아마이드(DMF)에 넣고 8시간 동안 100 ℃에서 반응시킨다. 반응 후 물 150 ml에 가하고 물을 여과한다. 이를 1% NaOH 수용액 100 ml에 교반하며 세척하고 다시 여과한 후, 물 150 ml에 세척한다. 이를 여과한 후 진공 건조하여 표제화합물인 벤질기로의 보호화된 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀 1.67 g (71.0%)을 얻었다.
1H NMR (300 MHz, CDCl3) δ = 8.29-6.98 (11H, aromatic H), 5.29 ppm (2H, benzyl CH2)
[실시예 4]
아세틸기로의 보호화된 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀의 제조
실시예 2로부터 제조된 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀 2.0 g (5.42 mmol)을 클로로포름 30 ml에 녹이고 피리딘 21.8 ml (27 mmol)을 넣는다. 온도를 0 ℃로 유지하며 아세틸 클로라이드 1.05 ml (16.26 mmol)을 적가한다. 0 ℃에서 15분간 교반 후, 40 ℃로 승온하여 24시간 반응한다. 클로로포름을 증발시킨 후 남은 용액을 n-헥산에 투여하여 침전물을 석출한다. 이를 여과하고 물에 세척한 후 여과한다. 황산 마그네슘으로 건조하고 에탄올에 재결정한 후 건조하여 표제화합물인 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀 1.45 g (65.2%)를 얻었다.
1H NMR (300 MHz, CDCl3) δ = 8.42-7.12 (6H, aromatic H), 2.48 ppm (3H, acetyl CH3),
[실시예 5]
2,5-비스(5-아미노벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(8)의 제조
2,4-다이아미노페놀 이염산(6) (98%) 10.05 g (50 mmol)과 2,5-다이히드록시 테레프탈 산(7) (98%) 4.04 g (20 mmol)을 100 ml의 폴리인산에 넣고 질소가스 하에서 150 ℃에서 16시간, 180 ℃에서 3시간, 210 ℃에서 48시간 반응하였다. 이 반응액을 상온으로 냉각시킨 후, 얼음물에 넣었다. 산성용액인 혼합용액은 수산화나트륨을 첨가하여 pH 7로 중화시켰다. 원심분리기를 이용해서 침전물을 얻었고, 진공 350 ℃에서 승화시켜 순수한 화합물을 얻었다. 이 후 N,N-다이메틸포름아마이드 (DMF)와 메틸알콜로 수세 후 건조하여 표제화합물은 2,5-비스(5-아미노벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(8) 2.67 g (71.4%)을 얻었다.
1H NMR (300 MHz, DMSO) δ = 10.9 (2H, OH), 7.60-6.75 (8H, aromatic H), 5.25 ppm (4H, NH2)
[실시예 6]
2,5-비스(5-브로모벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(9)의 제조
실시예 5로부터 제조된 2,5-비스(5-아미노벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(8) 2.24 g (6 mmol)을 32% HBr 80 ml에 현탁시키고 얼음물에서 0 ℃로 조절하였다. 이 현탁액에 NaNO2 1.04 g (15 mmol)를 물 8 ml에 녹여서 반응욕에 천천히 적가한 후, CuBr 3.44 g (24 mmol)을 48% HBr 20 ml에 녹인 용액을 천천히 적가하였다. 0 ℃에서 60분간 교반 후 100 ℃에서 6시간 반응하였다. 상온으로 냉각 후 여과하여 생성물을 얻고 진공 300 ℃에서 승화하였다. 이 화합물을 톨루엔으로 재결정한 후 여과하여 표제화합물인 2,5-비스(5-브로모벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(9) 0.79 g (26.4%)을 얻었다.
1H NMR (300 MHz, CDCl3) δ = 10.7 (2H, OH), 7.99-7.51 ppm (8H, aromatic H)
[실시예 7]
아세틸기로 보호화된 2,5-비스(5-브로모벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(9)의 제조
실시예 6으로부터 제조된 2,5-비스(5-브로모벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(9) 0.1 g (0.2 mmol)을 피리딘 200 ml에 용해시킨 후, 0 ℃로 냉각하여 아세틸 클로라이드0.5 ml (8.9 mmol)을 적가 하였다. 15분 후 40 ℃로 승온하여 24시간 반응하였다. 피리딘을 증발하고 남은 용액을 물에 투여하여 침전물을 석출하였다. 이를 여과하고 건조하여 표제화합물인 아세틸기로 보호화된 2,5-비스(5-브로모벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(9) 0.09 g (81.8%)을 얻었다.
1H NMR (300 MHz, CDCl3) δ = 8.18-7.28 (8H, aromatic H), 2.54 ppm (6H, acetyl CH3)
본 발명에 따른 단량체 화합물 및 제조방법은 상기 실시예로 한정되지 않으며, 본 발명의 취지에 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변경 실시할 수 있음은 자명한 것이다
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 화학식 1 또는 화학식 2의 히드록시페닐벤족사졸 유도체 화합물은 고분자화를 위한 출발 물질로서 다양한 분야에 응용가능하며, 그 자체 혹은 고분자화하여 분자인식형 센서 및 패터닝 재료에 적용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 하기 화학식 1 또는 화학식 2로부터 선택된 벤족사졸계 화합물.
    [화학식 1]
    Figure 112006009923137-pat00022
    [화학식 2]
    Figure 112006009923137-pat00023
    R1과 R2 는 서로 동일하며 -NH2 또는 Br이고, R3는 수소, 벤질, 또는 아실기이고, R4 및 R5는 서로 동일하며 -NH2 또는 Br이고, R6 및 R7는 서로 동일하고 수소, 벤질, 또는 아실기이며, R2 는 히드록시페닐기의 4번 또는 5번 위치에 치환된다.
  2. 제 1항에 있어서,
    R1, R2, R4, R5는 모두 Br인 것을 특징으로 하는 벤족사졸계 화합물.
  3. a) 2,4-디아미노페놀(1) 또는 그 염과 4- 또는 5-아미노살리실산(2)을 폴리인산에 녹여 반응시켜 4- 또는 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀(3)을 제조하는 단계;
    b) 4- 또는 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀(3)을 HBr 수용액에 현탁시켜 상기 현탁액에 NaNO2 수용액을 적가한 후 CuBr를 HBr 수용액에 녹인 혼합용액을 적가하여 브롬화하는 단계를 특징으로 하는 반응식 1에 따른 4- 또는 5-브로모-2-(5-브로모벤족사졸-2-일)페놀(4)을 제조하는 방법.
    [반응식 1]
    Figure 112006009923137-pat00024
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 b) 단계에서 제조된 4- 또는 5-브로모-2-(5-브로모벤족사졸-2-일)페놀(4)에 벤질클로라이드 또는 아세틸클로라이드를 반응시켜 히드록시가 보호된 4- 또는 5-아미노-2-(5-아미노벤족사졸-2-일)페놀(5)을 합성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 4- 또는 5-브로모-2-(5-브로모벤족사졸-2-일)페놀(4)을 제조하는 방법.
  5. d) 2, 4-디아미노페놀(6) 또는 그 염과 2,5-디히드록시테레프탈산(7)과 반응시켜 2,5-비스(5-아미노벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(8)을 합성하는 단계;
    e) 상기 2,5-비스(5-아미노벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(8)을 HBr 수용액에 현탁시키고, 상기 현탁액에 NaNO2 수용액을 적가한 후 CuBr를 HBr 수용액에 녹인 혼합용액을 적가하여 브롬화하는 단계를 특징으로 하는 반응식 2에 따른 2,5-비스(5-브로모벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(9)의 제조방법.
    [반응식 2]
    Figure 112006009923137-pat00025
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 e) 단계에서 제조된 2,5-비스(5-브로모벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(9)에 벤질클로라이드 또는 아세틸클로라이드를 반응시켜 히드록시가 보호된 2,5-비스(5-브로모벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(10)을 합성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 2,5-비스(5-브로모벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-다이올(9)을 제조하는 방법.
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