KR100882513B1

KR100882513B1 - 벤족사졸계 화합물 및 이를 이용한 유기젤 화학센서

Info

Publication number: KR100882513B1
Application number: KR1020070090798A
Authority: KR
Inventors: 이택승; 김태현
Original assignee: 충남대학교산학협력단
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-02-06

Abstract

본 발명은 유기젤 구조를 형성할 수 있는 화학센서용 저분자 화합물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 호변이성질화에 의한 광화학변화와 유기젤 형성의 특성을 갖는 벤족사졸계 유도체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 화합물을 포함하는 화학센서용 유기젤 조성물 및 이를 이용한 음이온의 선택적인 검출방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 저분자 유기젤은 다른 지지체를 사용하거나 필름 형태 등으로 가공할 필요 없이 특정 구조를 유지하면서 구조 내부에 자체적으로 용매를 포함하는 형태로 만드는 것이 가능하며, 그 구조를 유지한 상태에서 음이온에 대한 인지물질로 사용할 수 있다. 더구나 용매를 젤 내부에 다량 함유하고 있으므로 피측정물에 대한 센서로서의 감지성능을 크게 향상시킬 수 있다. 특히 불소 이온에 대한 선택성이 높아서 화학센서로서 음이온, 특히 불소 이온을 정성적으로 분석하는 것이 가능하므로, 임상실험 환경측정, 화학분석 등에 널리 사용될 수 있다.

벤족사졸, 형광 유기젤, 화학센서, 음이온 센서, 호변이성질화

Description

벤족사졸계 화합물 및 이를 이용한 유기젤 화학센서{Benzoxazole compounds and organogel chemical sensor using them}

임상진단, 화학측정, 또는 환경측정 등 많은 경우에 시험 용액에 함유되어 다양한 이온의 농도를 신속 정확하게 분석할 필요가 있다. 이러한 분석에는 특정 이온에 선택성이 있는 물질을 이용한 다양한 종류의 화학센서 물질들이 사용되며, 센서의 일반적인 감지 신호는 전기, 저항, 전위차 등의 전기적 성질이나 색채, 형광 등의 광학적 성질을 이용한다. 이중에서 색의 변화 및 형광의 변화는 육안으로 쉽게 판별이 가능하므로 특별한 장비가 없어도 측정이 용이한 방법 중의 하나이다.

상기와 같은, 색채 및 형광의 변화를 나타내는 화학센서로는 일반적으로 저분자 물질이 많이 이용되고 있으며, 측정대상물질도 이온뿐만 아니라 분자와 같은 다양한 화학종을 감지할 수 있다.

색채 및 형광의 변화에 의한 화학센서로 사용되는 저분자 물질의 예로는 방향족 히드록실기를 오르토 위치에 갖는 방향족 벤족사졸계 분자를 들 수 있다. 상기 분자는 오르토 위치에 있는 히드록실기와 벤족사졸기의 질소 원자간 호변이성질화(tautomerism)에 의하여 엔올(enol)형태와 케토(keto)형태의 두 가지 형태로 존재할 수 있다. 일반적으로는 두 형태 중 케토 형태와 엔올 형태 분자 사이의 컨쥬게이션(conjugation) 차이로 인하여 최대 흡광 파장이 달라지므로 화합물의 색과 형광에도 차이가 있다(J. K. Lee, H.-J. Kim, T. H. Kim, C.-H. Lee, W. H. Park, J. Kim, T. S. Lee, Macromolecules 38, 9427, 2005). 이와 같은 현상을 이용하여, 호변이성질화에 의한 구조를 변화시킬 수 있는 이온 물질을 첨가하면 케토 형태로의 전환이 불가능해져 엔올 형태가 우세하게 되므로 광학적 성질의 변화를 보이게 된다.

상기 화학식에서 히드록실기를 갖는 엔올(enol) 형태는 히드록시페닐기와 벤족사졸기가 서로 비틀린 구조로 존재하며, 카르보닐기를 갖는 케토 형태는 분자의 구조가 하나의 평면을 형성하는 특징을 가지고 있다. 또한 케토 형태는 카르보닐기의 산소 원자와 아민기의 수소원자 사이에 수소결합을 형성하고 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 화학센서 중 음이온을 감지하는 센서물질의 개발은 현재 많은 관심을 끌고 있으며, 특히 센서물질의 색이나 형광의 변화에 의한 음이온 감지는 그 감지 신호의 민감도 때문에 널리 사용되고 있다(R. Matinez-Manez, F. Sancenon, Chem. Rev. 103, 4419, 2003). 음이온 중에서도 불소 음이온의 감지는 환경적으로나 생리적으로도 중요한 요소가 되고 있다. 건강한 사람의 생리적인 불소 이온의 농도는 20~60 μg/L 이하여야 하며, 높은 불소 이온 수치는 인체 내 효소 기능을 방해하여 유독물질의 분해를 저하시킨다.

다양한 음이온을 색변화에 의한 컬러 또는 형광센서로 감지하는 노력은 저분자 물질에 의하여 많이 시도되었다. 이들은 아민기, 히드록실기 등 전자 주게(donor) 역할을 하는 작용기가 많이 포함되어 있으며, 음이온의 접근 시 전하이동에 의해 전자 밀도가 변화하여 궁극적으로 색 변화를 유도하는 것으로 알려져 있다(H. Miyaji, J. Sessler, Angew. Chem. Int. Ed. 40, 154, 2001).

상기와 같은 저분자 물질을 이용한 화학센서는 저분자 컬러 또는 형광센서 물질과 피측정물이 용매에 용해된 상태에서만 측정이 가능하므로 측정이 반드시 용액상태에서 이루어져야 한다. 따라서 박막 센서소자나 광섬유 센서와 같이 감지측정이 고상에서 이루어지기 위해서는 상기의 저분자 컬러 또는 형광센서 물질을 지지하여 박막화 또는 구상화시킬 수 있는 다른 고분자 지지체가 필요하다.

그러나, 컬러 또는 형광센서 저분자 물질을 단분자 상태로 폴리염화비닐 등의 다른 지지체 고분자와 혼합하여 사용할 경우, 일정 비율 이상 혼합이 어려울 뿐만 아니라, 지지체 고분자가 감지신호를 방해하거나 피측정물과 상호 작용에 영향을 미쳐 센서 분자의 민감도 및 선택성을 저하시킬 수 있다. 또한 박막센서로 이용하기 위하여 기질 위에 스핀 코팅하면 지지체 고분자와 저분자 센서 물질간의 상용성이 좋지 않아 박막의 질이 저하될 수 있어 센서분자의 성능에 영향을 줄 수 있다.

한편, 낮은 분자량을 갖는 유기젤화제(organogelator)는 특별한 상호작용에 의한 자기조립(self-assembly)에 의하여 초분자 구조(supramolecular structure)를 갖는 유기젤(organogel)을 만들며, 유기젤화제의 중량부에 대하여 상당히 큰 중량부를 갖는 유기 용매를 고정한다(S. Y. Ryu, S. Kim, J. Seo, Y.-W. Kim, O.-J. Jang, S. Y. Park, Chem. Commun., 70, 2004). 이 중 π-전자로 공액화된 유기젤 구조는 광학적 또는 전기적으로 활용이 용이하기 때문에 응용측면에서 중요하다. 이와 같은 저분자량의 유기젤은 센서의 지지대, 물질의 합성을 위한 형틀, 전기화학과 생물학의 매체 등으로 응용이 가능한 장점을 가지고 있다(R. Wang, C. Geiger, L. Chem, B. Swanson, D. G. Whitten, J. Am. Chem. Soc., 122, 2399, 2000).

유기젤은 공유결합이나 이온결합과 같은 화학적 결합에 의해 형성되는 것이 아니라, 수소결합, π-π 결합 그리고 반데르발스력과 같은 물리적 결합력이 저분자 유기젤화제-용매 사이의 친화력과 일정한 조건에 이르렀을 경우 형성된다(M. Suzuki, Y. Nakajima, M. Yumoto, M. Kimura, H. Shirai, K. Hanabusa, Org. Biomol. Chem. 2, 1155, 2004). 즉, 저분자 유기젤화제가 용매에 의해 녹으려는 힘과 저분자 유기젤화제 분자 사이의 분자간 인력에 의해 석출되려는 힘이 균형을 이루었을 경우에 저분자 유기젤화제의 자기조립에 의해 초분자 구조가 형성되고, 구조 내부에 과량의 용매를 포함하고 있는 유기젤이 된다. 유기용매를 구조 내에 포함하고 있는 유기젤은 폴리염화비닐 등의 다른 고분자 지지체가 필요 없이 형성된 상태에서 직접적으로 특정 음이온을 감지할 수 있어 센서로써의 활용이 더욱 용이할 것으로 기대된다.

본 발명은 상기한 바와 같이 고분자 지지체를 사용하거나 박막형태로 제조된 센서가 갖는 종래기술의 문제점을 해결한 유기젤 상태의 센서를 제조하기 위한 것으로, 음이온 화학 센서로 사용할 수 있는 광학적 성질을 갖는 것과 동시에 수십에서 수백 배에 해당하는 중량부의 용매를 포함하면서 안정한 형태의 유기젤을 형성할 수 있는 화합물 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기 화합물을 함유하는 화학센서용 유기젤 조성물을 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 상기 센서의 감지신호가 형광의 변화나 젤 구조의 변화로 나타나는 상기 유기젤화제를 이용한 유기젤 음이온 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표시되는 벤족사졸 유도체에 관한 것이다.

[화학식 1]

상기 화학식에서,

R₁ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C12의 알킬기 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C12의 알킬 아미노기, 또는 콜레스테록실기;

R₂ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬기, 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬 아미도기, 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬 우레일기이다.

[화학식 2]

상기 화학식 2에서, R₃ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬기 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬 아민기, 또는 콜레스테록실기이다.

본 발명의 화학식 1의 벤족사졸 유도체는 하기 반응식 1의 방법에 의해 제조할 수 있다. 보다 상세하게는 (A) 살리실산 유도체(I)와 디아미노페놀 유도체 (II)를 폴리인산(PPA) 하에서 반응하여 벤족사졸 고리 화합물(III)을 제조하는 단계; (B) (A) 단계에서 제조한 벤족사졸과 직쇄 또는 분지쇄인 C1~C12의 알킬이소시아네이트, 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1~C12의 아실할라이드, 또는 콜레스테릴 할로포메이트와 반응하는 단계에 의해 상기 화학식 1의 벤족사졸 유도체(IV)를 제조할 수 있다.

[반응식 1]

R₂ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬기, 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬 아미도기, 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬 우레일기;

R₄ = 아민기 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬기

R₅ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C12의 알킬기, 또는 콜레스테록실기.

이하, 각 반응을 보다 구체적으로 기술한다.

(A) 단계는 살리실산 유도체(I)과 디아미노페놀 유도체 (II)를 폴리인산하에서 반응하여 벤족사졸 고리 화합물을 제조하는 단계이다.

상기 살리실산 유도체는 아민기가 치환된 유도체로서, 본 실시예에서는 4-위치에 메틸기 또는 5-위치에 아민기가 치환된 살리실산만을 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니며 알킬기의 탄소수나 치환기의 위치는 필요에 따라 임의로 선정될 수 있다. 살리실산의 치환체에 따라 화학식 1에서 R2의 치환체가 결정되어 진다.

상기 디아미노페놀 유도체의 하나의 아미노기는 2-위치에 치환되어 있는 것을 특징으로 한다. 2-위치의 아미노기는 살리실산의 -COOH기와 반응하여 옥사졸 환을 형성하는 역할을 하고 다른 위치에 치환된 아미노기는 긴 알킬 사슬을 연결하기 위한 반응성기로의 사용을 위해 도입되었다.

상기 반응에서 살리실산과 디아미노페놀의 당량비는 1:0.9~1.1인 것이 바람직하다. 상기 당량의 살리실산과 디아미노페놀은 폴리인산의 흐름성이 큰 120~170℃에서 12~36시간 동안 반응하여 알킬기 또는 반응성기로 아민기를 갖는 히드록시페닐벤족사졸 분자를 이루게 된다.

(B) 단계는 (A) 단계에서 제조한 벤족사졸의 아미노기와 직쇄 또는 분지쇄인 C1~C12의 알킬이소시아네이트, 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1~C12의 아실할라이드, 또는 콜레스테릴 할로포메이트와 반응하는 단계로, 수소결합이 가능한 아마이드 결합 또는 우레아 결합으로 긴 알킬 사슬이 연결된 본 발명의 화학식 1의 히드록시페닐벤족사졸 화합물을 제조할 수 있다.

한편, 본 발명의 화학식 2의 벤족사졸 유도체는 하기 반응식 2의 방법에 의해 제조할 수 있다. 보다 상세하게는 (A) 디히드록시테레프탈산(VI)과 디아미노페놀 유도체(V)를 폴리인산(PPA) 하에서 반응하여 비스벤족사졸 고리 화합물(VII)을 제조하는 단계; (B) (A) 단계에서 제조한 비스벤족사졸 고리 화합물(VII)과 직쇄 또는 분지쇄의 C1~C8의 알킬 사슬을 갖는 아실할라이드, 또는 콜레스테릴 할로포메이트, 또는 직쇄 또는 분지쇄의 C1~C8의 알킬 이소시아네이트를 반응하는 단계에 의하여 본 발명의 화학식 2의 벤족사졸 유도체(VIII)을 제조할 수 있다.

[반응식 2]

R₃ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬기, 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬 아미노기, 또는 콜레스테록실;

R₆ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬기 또는 콜레스테록실;

본 발명에 의한 상기 벤족사졸 유도체는 인접한 히드록실기와 질소 원자 사이에 수소 양성자(proton)의 전이가 발생하여 호변이성질화가 발생하여 형광의 특성이 변화하는 화학센서의 특징을 갖는다. 또한, 특정 유기 용매 하에서 유기젤을 형성하는 특징으로 인하여 저분자 유기젤화제로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 화학식 1의 화합물을 포함하는 조성물은 화학센서용 유기젤 조성물로서 사용하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명의 또 다른 일예는 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물을 포함하는 화학센서용 유기젤 조성물에 관한 것이다.

본 발명의 유기젤화제에 있어서, 유기젤을 형성하는 유도력은 (a) 평평한 구조의 방향족 분자 사이에서 발생하는 π-π 상호작용력; (b) 아마이드 결합 또는 우레아 결합의 카르보닐기와 아민기 사이에 발생하는 수소결합력; (c) 긴 알킬 사 슬 사이에 존재하는 반 데르 발스 력이다.

화학식 1 또는 화학식 2의 화합물에서 벤족사졸 고리의 N과 페닐의 히드록시 치환체 사이의 수소 결합으로 평평한 분자 구조를 유지한 케토 형태에서만 방향족 분자 사이의 π-π 상호작용력이 발생하여 젤 구조를 형성한다. 한편, 엔올 형태에서는 입체 장애로 인하여 비틀린 구조로 존재하므로 π-π 상호작용력이 발생하지 않아 젤 구조를 형성하지 못하는 특징을 가지고 있다. 이와 같은 이유로 비교예 1에서 확인할 수 있듯이, 화학식 1 또는 화학식 2의 구조에서 벤젠고리의 -OH기가 존재하지 않는 경우에는 젤 형성이 이루어지지 않았다. 이렇게 히드록시기가 존재하지 않는 경우, 페닐벤족사졸 분자가 비틀린 상태로 존재하기 때문에 자기조립을 일으키는데 중요한 역할을 하는 π-π 상호작용력이 작용하지 않고, 또한 비틀린 구조로 인해 분자간의 상호 접근을 방해하여 규칙적인 형태의 자기조립을 방해하여 젤 구조의 형성을 막는다.

본 발명의 유기젤의 미세구조는 수십 나노미터의 두께와 수 마이크로미터의 길이를 갖는 섬유상이 서로 엉킴에 의해 삼차원 망상구조를 형성하고 있고, 그 망상구조 사이에 용매를 함유하고 있는 특징을 가지고 있다(도 1). 이러한 구조적 특징으로 인하여 본 발명의 유기젤 조성물로 이루어진 유기젤은 형태를 유지하면서 용매를 함유하고 있는 고체와 액체의 중간 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 화학식 1 또는 화학식 2의 화합물을 이용하면, (A) 유기용매와 상기 화학식 1 또는 화학식 2의 벤족사졸 유도체의 혼합물을 가열하여 용해시키는 단계; (B) (A)단계에서 제조된 용액을 냉각하여 유기젤을 형성하는 단계; (C) 상기 유기젤의 상부에 분석시료를 첨가하는 단계; 및 (D) 분석시료가 첨가된 유기젤의 광학적 변화 및 구조적 변화의 유무를 관측하는 단계;를 포함하여 분석 시료 중 음이온을 검출할 수 있다.

(A) 단계에서는 본 발명에 의한 저분자 유기젤화제를 용기에 넣고, 저분자 유기젤화제의 유기용매와 함께 밀봉을 한 후, 가열하여 완전히 용해시킨다. 완전히 용해된 용액을 (B) 단계에서 상온으로 냉각시키게 되면, 용액이 서서히 냉각되면서 투명한 용액이 반투명 혹은 불투명한 상태로 변화하게 된다. 완전히 냉각된 후, 용기를 거꾸로 뒤집었을 때 용매나 혼합물이 흘러내리는 등 젤 구조의 붕괴가 발생하는 지를 확인함으로써 유기젤의 형성을 확인할 수 있다.

상기 유기용매로는 클로로포름, 디클로로메탄, 사염화탄소, 벤젠, 톨루엔, p-자일렌, 헥산, 사이클로헥산으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘이상의 유기용매를 사용할 수 있으며, 치환체의 종류에 따라 유기젤을 형성할 수 있는 용매에 차이가 있을 수 있음은 당연하다. 본 발명의 실시예에서는 사염화탄소, 사이클로헥산, 톨루엔 용매에서 반투명 또는 불투명한 유기젤이 형성됨을 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 유기용매의 혼합 비율은 본 발명에 의한 저분자 유기젤화제 0.1 내지 10 중량부에 대해 유기 용매 100 중량부인 것이 바람직하다.

본 발명의 화학센서용 유기젤 조성물을 사용하여 제조된 유기젤의 상층부에 분석 시료를 첨가한 후 유기젤의 광학적 변화 및 구조적 변화를 관찰하는 것에 의해 분석 시료 중 음이온, 특히 불소이온의 존재 여부를 특이적으로 분석할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 형성된 유기젤의 광학적 성질을 측정하기 위하여 자외선 분광기와 형광광도계가 측정에 사용되었다. 유기젤에 젤 형성 용매에 녹인 F^-, Cl^-, Br^-, I^-, AcO^- 이온을 각각 넣어가면서 자외선분광기에 의한 흡수 스펙트럼의 변화와 형광광도계에 의한 방출 스펙트럼의 변화를 관찰하였다. 또한 형성된 유기젤의 상층부에 F^-, Cl^-, Br^-, I^-, AcO^-를 넣고 시간에 따른 용액의 확산에 따라 유기젤의 색 또는 형광과 젤 구조의 변화를 관찰하였다. 상기 유기젤의 경우, 다른 음이온에는 형광과 구조의 변화가 나타나지 않고 F^-의 경우에만 형광의 감소와 유기젤 구조의 붕괴가 발생하는 것을 관찰하였다.

이상과 같이 본 발명에 따른 저분자 유기젤화제는 다른 지지체를 사용하거나 필름 형태 등으로 가공할 필요 없이 특정 구조를 유지하면서 구조 내부에 자체적으로 용매를 포함하는 형태로 만드는 것이 가능하며, 그 구조를 유지한 상태에서 음이온에 대한 인지물질로 사용할 수 있다. 더구나 용매를 젤 내부에 다량 함유하고 있으므로 피측정물에 대한 센서로서의 감지성능을 크게 향상시킬 수 있다. 특히 불소 이온에 대한 선택성이 높아서 화학센서로서 음이온, 특히 불소 이온을 정성적으로 분석하는 것이 가능하므로, 임상실험 환경측정, 화학분석 등에 널리 사용될 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1: 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-아미노벤족사졸의 제조

둥근 플라스크에 2,4-디아미노페놀 6.43 g (32.65 mmol)과 4-메틸살리실산 4.97 g (32.65 mmol)을 넣고 가열된 150 ml의 폴리인산을 넣었다. 150 ℃에서 1일간 교반 후 온도를 상온으로 낮추고 1L의 얼음물에 넣어 석출시켰다. 용액의 pH를 NaOH 또는 Na₂HCO₃ 수용액을 사용하여 중화한 후 석출된 고체를 여과하였다. 여과된 고체를 에탄올로 재결정하였다. 이때 녹지 않는 고체를 뜨거운 상태에서 여과하여 제거하였다. 재결정에 의하여 얻은 고체는 헥산과 에틸아세테이트의 1:4 혼합 용액을 사용 컬럼 크로마토그래피로 분리하여 2.03 g의 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-아미노벤족사졸(26%)을 얻었다.

¹H NMR (DMF) δ 11.31 (s, OH, 1H), 8.79 (s, Ar-H, 1H), 8.13 (d, Ar-H, 1H), 8.90 (d, Ar-H, 1H), 7.67 (d, Ar-H, 1H), 7.45 (dd, Ar-H, 1H), 6.97 (s, Ar-H, 1H), 6.94 (s, NH, 2H), 0.863 ppm (t, 3H)

실시예 2: 2-(5'-아미노-2'-히드록시페닐)-5-아미노벤족사졸의 제조

둥근 플라스크에 2,4-디아미노페놀 6.43 g (32.65 mmol)과 5-아미노살리실산 5.0 g (32.65 mmol)을 넣고 가열된 150 ml의 폴리인산을 넣었다. 150 ℃에서 1일간 교반 후 온도를 상온으로 낮추고 1L의 얼음물에 넣어 석출시켰다. 용액의 pH를 NaOH 또는 Na₂HCO₃ 수용액을 사용하여 중화한 후 석출된 고체를 여과하였다. 여과된 고체를 에탄올로 재결정하였다. 이때 녹지 않는 고체를 뜨거운 상태에서 여과하여 제거하였다. 재결정에 의하여 얻은 고체는 헥산과 에틸아세테이트의 1:4 혼합 용액을 사용 컬럼 크로마토그래피로 분리하여 3.24 g의 2-(5'-아미노-2'-히드록시페닐)-5-아미노벤족사졸(41%)을 얻었다.

¹H NMR (DMSO-d₆) δ 10.56 (s, OH, 1H), 7.44 (d, Ar-H, 1H), 7.17 (d, Ar-H, 1H), 6.86 (d, Ar-H, 1H), 6.75-6.83 (m, Ar-H, 2H), 6.69 (dd, Ar-H, 1H), 5.18 (s, NH, 2H), 4.87 ppm (s, NH, 2H)

실시예 3: 2,5-비스(5-아미노벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-디올의 제조

둥근 플라스크에 2,4-디아미노페놀 5.03 g (25 mmol), 2,5-디히드록시테레프탈산 2.02 g (10 mmol)과 P₂O₅ 8.51 g (60 mmol)을 넣고 가열된 100 ml의 폴리인산 을 넣었다. 질소가스 하에서 130 ℃에서 3시간, 150 ℃에서 16시간, 180 ℃에서 3시간, 210 ℃에서 48시간 교반 후 온도를 상온으로 낮추고 1L의 얼음물에 넣어 석출시켰다. 용액의 pH를 NaOH 또는 Na₂HCO₃수용액을 사용하여 중화한 후 원심분리를 통해 고체를 여과하였다. 고체를 건조 후 300 ℃에서 증착시켰다. 고체를 DMF와 메탄올로 수세하고, 50 ℃에서 12시간동안 건조하였다. 1.42 g의 2,5-비스(5-아미노벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-디올(38%)을 얻었다.

¹H NMR (DMSO-d₆) δ 10.33 (s, OH, 2H), 7.41 (d, Ar-H, 2H), 7.19 (d, Ar-H, 2H), 6.79 (s, Ar-H, 2H), 6.64 (s, Ar-H, 2H), 4.82 ppm (s, NH, 4H)

실시예 4: 2-(2'-히드록시-4'- 메틸페닐 )-5- 도데실우레일벤족사졸의 제조

도데실이소시아네이트 1.19 g (4.95 mmol)을 15 ml의 건조된 THF에 희석시킨 용액에 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-아미노벤족사졸 0.17 g (0.71 mmol)을 5 ml의 건조된 THF에 녹여 서서히 혼합시킨 후 상온에서 약 1일 동안 교반하였다. 석출된 고체를 여과하고 THF를 사용하여 수차례 세척하였다. 세척 후 건조를 통하여 0.24 g의 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-도데실우레일벤족사졸(74%)을 얻었다.

¹H NMR (DMF) δ 11.31 (s, OH, 1H), 8.90 (d, Ar-H, 1H), 8.79 (s, Ar-H, 1H), 8.13 (m, Ar-H, 1H), 7.67 (d, Ar-H, 1H), 7.45 (dd, Ar-H, 1H), 6.97 (s, Ar-H, 1H), 6.94 (d, NH, 1H), 3.22 (quartet, 2H), 2.39 (s, 3H), 1.27-1.32 (b, 20H), 0.86 ppm (t, 3H)

실시예 5: 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-옥탄아미딜벤족사졸의 제조

옥타노일 클로라이드 2.35 g (14.5 mmol)을 100 ml의 건조된 THF에 희석시킨 용액에 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-아미노벤족사졸 0.5 g (2.1 mmol)을 25 ml의 건조된 THF에 녹여 서서히 혼합시킨 후 상온에서 약 2일 동안 교반하였다. 용매를 모두 증발시킨 후, 고체를 여과하고 아세톤을 사용하여 수차례 세척하였다. 세척 후 건조를 통하여 0.54 g의 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-옥탄아미딜벤족사졸(71%)을 얻었다.

¹H NMR (DMF) δ 11.29 (s, OH, 1H), 8.91 (d, Ar-H, 1H), 8.80 (s, Ar-H, 1H), 8.11 (m, Ar-H, 1H), 7.69 (d, Ar-H, 1H), 7.44 (dd, Ar-H, 1H), 6.97 (s, Ar-H, 1H), 6.92 (d, NH, 1H), 3.22 (quartet, 2H), 2.38 (s, 3H), 1.28-1.31 (b, 10H), 0.87 ppm (t, 3H)

실시예 6: 콜레스테릴 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)벤족사졸-5-일카바메이트의 제조

콜레스테릴 클로로포르메이트 0.8 g (1.78 mmol)을 20 ml의 다이옥산에 희석시킨 용액에 피리딘을 세 방울 넣는다. 이 혼합 용액에 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-아미노벤족사졸 0.43 g (1.78 mmol)을 20 ml의 다이옥산에 녹여 서서히 혼합 시킨 후 2일 동안 환류시키면서 교반하였다. 용매를 농축시킨 후, 농축액을 300 ml의 증류수에 넣고 석출시키고, 고체를 여과하여 물로 수차례 세척하였다. 세척 후 건조를 통하여 0.77 g의 콜레스테릴 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)벤족사졸-5-일카바메이트(66%)을 얻었다.

¹H NMR (DMF) δ 11.29 (s, OH, 1H), 8.91 (d, Ar-H, 1H), 8.80 (s, Ar-H, 1H), 8.11 (m, Ar-H, 1H), 7.69 (d, Ar-H, 1H), 7.44 (dd, Ar-H, 1H), 6.97 (s, Ar-H, 1H), 6.92 (d, NH, 1H), 5.37 (t, 1H), 3.25 (quintet, 1H), 2.23 (d, 2H), 2.04-1.83 (m, 3H), 1.60-1.25 ppm (m, 38H)

실시예 7: 2-(5'-옥틸우레일-2'-히드록시페닐)-5-옥틸우레일벤족사졸의 제조

옥틸이소시아네이트 5.0 g (32.2 mmol)을 100 ml의 건조된 THF에 희석시킨 용액에 2-(5'-아미노-2'-히드록시페닐)-5-아미노벤족사졸 1.11 g (4.60 mmol)을 25 ml의 건조된 THF에 녹여 서서히 혼합시킨 후 상온에서 약 1일 동안 교반하였다. 석출된 고체를 여과하고 THF를 사용하여 수차례 세척하였다. 세척 후 건조를 통하여 2.24 g의 2-(5'-옥틸우레일-2'-히드록시페닐)-5-옥틸우레일벤족사졸(88%)을 얻었다.

¹H NMR (DMSO-d₆) δ 10.91 (d, OH, 1H), 8.62-7.96 (m, Ar-H, 3H), 7.70-7.26 (m, Ar-H, 3H), 7.00-6.68 (m, NH, 2H), 6.16-5.21 (m, NH, 2H), 3.07 (quintet, 4H), 1.42-1.26 (m, 24H), 0.85 ppm (t, 6H), Anal Calcd for C₃₁H₄₅N₅O₄: C 67.49; H 8.22; N 12.69, Found: C 67.64; H 8.20; N 12.67.

실시예 8: 2-(5'-옥탄아미딜-2'-히드록시페닐)-5-옥탄아미딜벤족사졸의 제조

옥타노일 클로라이드 2.36 g (14.5 mmol)을 20 ml의 건조된 THF에 희석시킨 용액에 2-(5'-아미노-2'-히드록시페닐)-5-아미노벤족사졸 0.5 g (2.1 mmol)을 5 ml의 건조된 THF에 녹여 서서히 혼합시킨 후 상온에서 약 1일 동안 교반하였다. 석출된 고체를 여과하고 THF를 사용하여 수차례 세척하였다. 세척 후 건조를 통하여 0.92g의 2-(5'-옥타아미딜-2'-히드록시페닐)-5-옥타아미딜벤족사졸(89%)을 얻었다.

¹H NMR (DMSO-d₆) δ 10.90 (d, OH, 1H), 8.61-7.95 (m, Ar-H, 3H), 7.72-7.24 (m, Ar-H, 3H), 6.16-5.21 (m, NH, 2H), 3.09 (quintet, 4H), 1.41-1.27 (m, 20H), 0.84 ppm (t, 6H).

실시예 9: 2,5-비스(5-옥틸우레일벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-디올의 제조

옥틸이소시아네이트 2.08 g (13.4 mmol)을 100 ml의 건조된 THF에 희석시킨 용액에 2,5-비스(5-아미노벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-디올 0.5 g (1.34 mmol)을 25 ml의 건조된 THF에 녹여 서서히 혼합시킨 후 상온에서 약 1일 동안 교반하였다. 석출된 고체를 여과하고 THF를 사용하여 수차례 세척하였다. 세척 후 건조를 통하여 0.74 g의 2,5-비스(5-옥틸우레일벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-디올(81%)을 얻었다.

¹H NMR (DMSO-d₆) 10.32 (s, OH, 2H), 7.43 (d, Ar-H, 2H), 7.80 (d, Ar-H, 2H), 6.77 (s, Ar-H, 2H), 6.65 (s, Ar-H, 2H), 7.01-6.68 (m, NH, 2H), 6.15-5.22 (m, NH, 2H), 3.07 (quintet, 4H), 1.42-1.27 (m, 24H), 0.84 ppm (t, 6H).

실시예 10: 2,5-비스(5-옥탄아미딜벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-디올의 제조

옥타노일 클로라이드 2.18 g (13.4 mmol)을 100 ml의 건조된 THF에 희석시킨 용액에 2,5-비스(5-아미노벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-디올 0.5 g (1.34 mmol)을 25 ml의 건조된 THF에 녹여 서서히 혼합시킨 후 상온에서 약 1일 동안 교반하였다. 석출된 고체를 여과하고 THF를 사용하여 수차례 세척하였다. 세척 후 건조를 통하여 0.66 g의 2,5-비스(5-옥탄아미딜벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-디올(78%)을 얻었다.

¹H NMR (DMSO-d₆) δ 10.32 (s, OH, 2H), 7.42 (d, Ar-H, 2H), 7.81 (d, Ar-H, 2H), 6.79 (s, Ar-H, 2H), 6.64 (s, Ar-H, 2H), 6.17-5.21 (m, NH, 2H), 3.10 (quintet, 4H), 1.40-1.25 (m, 20H), 0.86 ppm (t, 6H).

실시예 11 : 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-도데실우레일벤족사졸을 이용한 유기젤의 제조

5 ml 용기에 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-도데실우레일벤족사졸 10 mg과 사염화탄소 또는 사이클로헥산 1 ml를 넣고 밀봉한 후 가열하였다. 2-(2'-히드록 시-4'-메틸페닐)-5-도데실우레일벤족사졸이 완전히 용해된 후 상온에서 서서히 냉각하였다. 완전히 냉각된 후 용기를 뒤집어 젤 형성을 여부를 확인하였고 반투명한 사염화탄소 젤 또는 불투명한 사이클로헥산 젤을 얻었다. 이 젤은 가열에 의하여 다시 용액상태로 변형된 후 상온으로 냉각을 하면 다시 젤 형태로 돌아오는 가역성을 보여주었다.

실시예 12 : 2-(2'-히드록시-5'-옥틸우레일페닐)-5-옥틸우레일벤족사졸을 이용한 유기젤의 제조

5 ml 용기에 2-(2'-히드록시-5'-옥틸우레일페닐)-5-옥틸우레일벤족사졸 10 mg과 DMF 0.2 ml를 넣고 밀봉한 후 가열하였다. 2-(2'-히드록시-5'-옥틸우레일페닐)-5-옥틸우레일벤족사졸이 완전히 용해된 후 상온의 톨루엔 1.8 ml를 넣어 냉각하였다. 완전히 냉각된 후 용기를 뒤집어 젤 형성을 여부를 확인하였고 반투명한 유기젤을 얻었다.

실시예 13 : 2,5-비스(5-옥탄아미딜벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-디올을 이용한 유기젤의 제조

5 ml 용기에 2,5-비스(5-옥탄아미딜벤족사졸-2-일)벤젠-1,4-디올 10 mg과 디클로로메탄 2 ml를 넣고 밀봉한 후 가열하였다. 2-(2'-히드록시-5'-옥틸우레일페닐)-5-옥틸우레일벤족사졸이 완전히 용해된 후 상온에서 서서히 냉각하였다. 완전히 냉각된 후 용기를 뒤집어 젤 형성을 여부를 확인하였고 반투명한 디클로로메탄 젤을 얻었다. 이 젤은 가열에 의하여 다시 용액상태로 변형된 후 상온으로 냉각을 하면 다시 젤 형태로 돌아오는 가역성을 보여주었다.

비교예 1: 2-(3'-옥틸우레일페닐)-5-옥틸우레일벤족사졸을 이용한 유기젤의 제조

5 ml 용기에 2-(3'-옥틸우레일페닐)-5-옥틸우레일벤족사졸 10 mg과 DMF 0.2 ml를 넣고 밀봉한 후 가열하였다. 2-(3'-옥틸우레일페닐)-5-옥틸우레일벤족사졸이 완전히 용해된 후 상온의 톨루엔 1.8 ml를 넣어 냉각하였다. 완전히 냉각된 후 용기를 뒤집어 젤 형성을 여부를 확인하였고, 젤은 형성되지 않았다.

실시예 14: 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-도데실우레일벤족사졸을 이용한 유기젤의 화학센서로의 성능 평가

실시예 11에서 제조된 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-도데실우레일벤족사졸로부터 형성된 유기젤의 이온에 대한 화학적 검출 능력을 확인하기 위하여 형성된 사염화탄소 젤을 젤 형성 용매를 사용하여 자외선 분광 측정을 위한 2.21 × 10^-5 M 농도와 형광광도 측정을 위한 2.21 × 10^-6 M 농도로 맞추었다. 여기에 테트라부틸암모늄 이온을 대이온으로 갖는 F^-, Cl^-, Br^-, I^-, AcO^-의 사염화탄소 용액을 소량씩 첨가하면서 1.00 × 10^-3 M 농도까지 분산용액의 색 변화를 자외선 분광기에 의하여 측정하였고, 또한 1.00 × 10^-4 M 농도까지 분산용액의 형광색의 변화를 형광광도계를 이용하여 관찰하였다. 또한 유기젤 상태에서 불소 음이온을 넣어 유기젤의 구조와 자외선 램프 하에서의 육안으로 관찰되는 형광의 변화를 관찰하였다.

그 결과 발명에 의한 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-도데실우레일벤족사졸로부터 형성된 유기젤은 불소 음이온에 대해서만 용액의 형광색이 녹색에서 형광색이 차츰 사라지는 변화를 보였다. 자외선 분광기에 의한 흡수를 측정한 결과, 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-도데실우레일벤족사졸의 유기젤 분산용액은 332 nm에서 흡수 밴드를 나타내었지만, 불소 음이온의 첨가에 의하여 흡수 밴드가 346 nm로 변화하였고, 농도의 증가와 시간의 경과에 따라 흡수 밴드가 점점 감소하여 완전히 사라지는 특성을 보여주었다. 또한 형광 광도계 측정 결과 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-도데실우레일벤족사졸의 유기젤 분산용액의 경우, 480 nm에서 녹색의 형광을 보였던 것이 불소 음이온의 첨가에 의하여 형광 강도가 서서히 감소하며 430 nm에서의 형광이 증가함을 보여주었다. 이는 케토 형태의 히드록시페닐벤족사졸 분자가 불소 음이온에 의하여 엔올 형태로 돌아가며 발생하는 현상이다. 젤 상태에서 육안으로 관찰되는 특징은 자외선 램프 하에서 불소 음이온의 경우만이 형광이 감소함을 확인할 수 있었고, 젤 구조 또한 불소 음이온의 첨가 후 서서히 붕괴되어 반투명한 사염화탄소 젤이 흐린 노란색의 엉킴 구조로 변화하는 것을 관찰할 수 있었다.

이상의 결과로 보아 제조된 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-도데실우레일벤족사졸은 특정 용매에서 젤 구조를 형성할 수 있는 능력을 가지고 있으며, 불소 음이온에 대해서 선택적인 화학센서로 이용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

도 1은 2-(5'-옥틸우레일-2'-히드록시페닐)-5-옥틸우레일벤족사졸을 사용하여 제조된 유기젤의 동결건조 후 FE-SEM 사진.

도 2는 2-(2'-히드록시-4'-메틸페닐)-5-도데실우레일벤족사졸의 유기젤의 불소이온 첨가에 의한 UV 흡수 및 형광의 변화를 보여주는 스펙트럼.

Claims

하기 화학식 1 또는 화학식 2로 표기되는 벤족사졸 유도체.

[화학식 1]

상기 화학식에서,

R₁ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C12의 알킬기 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C12의 알킬 아미노기, 또는 콜레스테록실기;

R₂ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬기, 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬 아미도기, 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬 우레일기이고,

[화학식 2]

R₃ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬기 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬 아민기, 또는 콜레스테록실기.
(A) 살리실산 유도체(I)와 디아미노페놀 유도체 (II)를 폴리인산(PPA) 하에서 반응하여 벤족사졸 고리 화합물(III)을 제조하는 단계;

(B) (A) 단계에서 제조한 벤족사졸과 직쇄 또는 분지쇄인 C1~C12의 알킬이소시아네이트, 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1~C12의 아실할라이드, 또는 콜레스테릴 할로포메이트와 반응하는 단계;

로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하기 반응식 1에 의한 벤족사졸 유도체(IV)의 제조 방법.

[반응식 1]

R₁ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C12의 알킬기 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C12의 알킬 아미노기, 또는 콜레스테록실기;

R₂ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬기, 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬 아미도기, 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬 우레일기;

R₄ = 아민기 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬기

R₅ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C12의 알킬기.
(A) 디히드록시테레프탈산(VI)과 디아미노페놀 유도체(V)를 폴리인산(PPA) 하에서 반응하여 비스벤족사졸 고리 화합물(VII)을 제조하는 단계;

(B) (A) 단계에서 제조한 비스벤족사졸 고리 화합물(VII)과 직쇄 또는 분지쇄인 C1~C8의 알킬이소시아네이트, 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1~C8의 아실할라이드, 또는 콜레스테릴 할로포메이트와 반응하는 단계;

로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하기 반응식 2에 의한 벤족사졸 유도체(VIII)의 제조 방법.

[반응식 2]

R₃ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬기, 또는 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬 아미노기, 또는 콜레스테록실기;

R₆ = 직쇄 또는 분지쇄인 C1 내지 C8의 알킬기.
제 1 항의 벤족사졸 유도체를 함유하는 불소이온센서용 유기젤 조성물.
(A) 클로로포름, 디클로로메탄, 사염화탄소, 벤젠, 톨루엔, p-자일렌, 헥산 및 사이클로헥산으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘이상의 유기용매와, 제 1 항의 벤족사졸 유도체의 혼합물을 가열하여 용해시키는 단계;

(B) (A)단계에서 제조된 용액을 냉각하여 유기젤을 형성하는 단계;

(C) 상기 유기젤의 상부에 분석 시료를 첨가하는 단계; 및

(D) 상기 분석 시료가 첨가된 유기젤의 광학적 변화 및 구조적 변화의 유무를 관측하는 단계;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분석 시료 중 불소이온의 선택적 검출 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 유기용매는 벤족사졸 유도체 0.1~10 중량부에 대해 100 중량부가 혼합되는 것을 특징으로 하는 분석 시료 중 불소이온의 선택적 검출 방법.
삭제
제 5 항에 있어서,

상기 광학적 성질을 측정은 자외선 분광기와 형광광도계를 이용하는 것을 특징으로 하는 분석 시료 중 불소이온의 선택적 검출 방법.