KR101081715B1 - 테트라하이드라자이드 캐비탄드 및 이를 이용하여 효율적으로 합성된 자기조립성 분자캡슐 - Google Patents

테트라하이드라자이드 캐비탄드 및 이를 이용하여 효율적으로 합성된 자기조립성 분자캡슐 Download PDF

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Abstract

본 발명은 캐비탄드를 기초로 구성되는 테트라하이드라자이드 캐비탄드, 이의 제조방법 및 상기 테트라하이드라자이드 캐비탄드를 이용한 분자캡슐 결합체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레조신[4]아렌을 기초로 하여 구성되는 캐비탄드의 상단에 벤조일하이드라자이드 기능기가 도입된 분자캡슐을 형성할 수 있는 테트라하이드라자이드 캐비탄드, 상기 테트라하이드라자이드 캐비탄드의 제조방법, 및 상기 테트라하이드라자이드 캐비탄드가 분자캡슐을 형성하여 중성분자, 음이온 및 양이온으로 구성된 군중에서 선택된 물질과 결합하여 형성되는 하기 모형도의 분자 캡슐 결합체(게스트@12)에 관한 것이다.
Figure 112008058725751-pat00001
크로로카르보닐 캐비탄드, 분자캡슐, 레조신[4]아렌, 벤조일하이드라자이드

Description

테트라하이드라자이드 캐비탄드 및 이를 이용하여 효율적으로 합성된 자기조립성 분자캡슐 {Self-assembled molecular capsules obtained from tetrahydrazide cavitand}
본 발명은 분자캡슐을 형성하여 내부 동공 안에 여러 가지 분자 게스트들을 감금시킬 수 있는 다목적 초분자체에 관한 것이다.
본 발명은 캐비탄드를 기초로 구성되는 테트라하이드라자이드 캐비탄드, 이의 제조방법 및 상기 테트라하이드라자이드 캐비탄드를 이용한 분자캡슐 결합체에 관한 것이다.수소결합은 화학적 생물학적 시스템에 있어서 삼차원 구조체의 형태와 특성을 결정하는데 아주 중요한 역할을 담당하고 있다(Jeffrey, G.A. An Introduction to Hydrogen Bonding, 1st ed., Oxford University Press, New York, 1997). 특히, 이들 수소결합이 또 다른 수소결합과 같은 분자간 비공유성 결합력과 조합이 된다면 아주 극적인 새로운 초분자체로 자가 조립될 수 있다((a) Lehn, J.-M. Supramolecular chemistry, Concepts and Perspectives VCH: Weinheim, 1995; (b) Hof, F. et. al., Angew . Chem ., Int. Ed. 2002, 41, 1488). 이러한 자가조립에 의해 형성되는 초분자체의 개발은 순수한 공유결합을 이용하는 방법에 비해 매우 효율적이며, 유레아(Mogck, O. et. al., J. Am . Chem . Soc. 1997, 119, 5706), 이미드 수용체((a) Heinz, T. et. al., Nature 1998, 394, 764; (b) K, S. K. et. al., Chem .- Eur . J. 2000, 6, 187), 구아닌 유도체(Bell, T.W. et. al,, Angew. Chem ., Int . Ed . 1995, 34, 2163), 유레이도피리미돈 유도체(Beijer, F. H. et. al., J. Org . Chem. 1996, 61, 6371)나 나노튜브를 형성하는 고리형 펩타이드(Ghadiri, M.R. et. al., Nature 1993, 366, 324)들이 이러한 초분자체 배열을 이루는 단위분자들의 예이다. 형성된 초분자체들을 물질 인식에 대한 분자과학으로 발달해 왔고, 최근에는 이들을 이용해 정보저장물질, 분자반응기 및 분자 전달체로 응용되고 있다.
본 발명의 목적은 상단 부분에 벤조일하이드라자이드 기능기를 가지는 캐비탄드를 갖는 테트라하이드라자이드 캐비탄드 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 상기 테트라하이드라자이드 캐비탄드를 선택된 물질과 결합하여 형성하는 분자캡슐 결합체를 제공하는 것이다.
초분자체의 형태나 안정성을 증가시키기 위해 여러 다중수소결합 단위들에 관한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 하기 구조식 Ⅰ을 갖는 기능기를 갖는 화합물의 유도체들의 경우, 분자 내에 수소결합 주게와 수소결합 받게를 모두 가지고 있는 구조로써 수소결합에 의한 자가 조립을 통해 이량체를 이룰 수 있다.
Figure 112008058725751-pat00002
상기 구조를 동공을 가지는 레조신[4]아렌을 기초로 하는 캐비탄드와 접목을 시키게 되면 다중 수소결합을 형성하는 새로운 형태의 분자캡슐을 얻을 수 있다. 이에, 본 발명자들은 캐비탄드를 기초로 하는 분자캡슐을 제조하고 그들의 분자인식 현상에 대해 광범위한 연구를 수행하였다. 그 결과, 본 발명자들은 벤조일 하이드라자이드 기능기를 가지는 캐비탄드를 이용하여 이들 기능기들 간에 수소결합을 통해 이량화된 분자캡슐을 제조하고, 이들 분자캡슐이 중성분자뿐만 아니라 양이온 및 음이온성 게스트 분자들과 착물을 형성하는 분자캡슐 결합체를 제조하였다.
본 발명은 레조신[4]아렌 골격을 기초로 하는 벤조일하이드라자이드 기능기를 포함하고 있는 캐비탄드 유도체(1a 1e)들을 합성하고, 상기 캐비탄드 유도체 1은 벤조일 하이드라자이드 기능기들 간의 수소결합을 통해 분자캡슐을 형성하며, 이 캡슐의 내부에 중성의 게스트들뿐 아니라 양이온 및 음이온성 게스트들까지 다양한 형태의 게스트들을 감금시킬 수 있는 다목적 분자캡슐의 효과를 나타내다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 레조신[4]아렌을 기초로 하는 구성 되는 캐비탄드의 상단에 벤조일하이드라자이드 기능기가 도입된 분자캡슐을 형성할 수 있는 하기 구조식 Ⅱ의 테트라하이드라자이드 캐비탄드를 제공한다.
Figure 112008058725751-pat00003
구조식 Ⅱ
또한, 본 발명은 트라이에틸아민(triethylamine) 염기 존재하에서 테트라아실클로로 캐비탄드 4(tetraacylchloro-cavitand 4)와 하이드라자이드 유도체를 반응시키는 상기 테트라하이드라자이드 캐비탄드의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 테트라하이드라자이드 캐비탄드가 분자캡슐을 형성하여 중성분자, 음이온 및 양이온으로 구성된 군중에서 선택된 물질과 결합하여 형성되는 하기 모형도의 분자 캡슐 결합체(게스트@12)를 제공한다.
Figure 112008058725751-pat00004
본 발명은 레조신[4]아렌 골격을 기초로 하고 벤조일하이드라자이드기를 포함하는 캐비탄드 유도체들을 제공하고, 상기 캐비탄드 유도체들은 벤조일 하이드라자이드 기능기들 간의 수소결합을 통해 자기조립성 분자캡슐을 형성하며, 상기 캡슐의 동공에는 중성, 양이온 및 음이온성 게스트들까지 다양한 형태의 게스트들을 분리, 저장, 전달시킬 수 있다.
본 발명은 레조신[4]아렌을 기초로 하는 구성되는 캐비탄드의 상단에 벤조일하이드라자이드 기능기가 도입된 분자캡슐을 형성할 수 있는 하기 구조식 Ⅱ의 테트라하이드라자이드 캐비탄드를 제공한다.
Figure 112008058725751-pat00005
구조식 Ⅱ
본 발명의 테트라하이드라자이드 캐비탄드에 있어서, 상기 구조식 Ⅱ중 R은 벤젠, 4-터셔리부틸 벤젠, 4-메톡시 벤젠, 4-니트로벤젠 및 펜틸기로 구성된 군(1(a) 내지 1(e))중에서 선택된 작용기인 것이 바람직하다.또한, 본 발명은 트라이에틸아민(triethylamine) 염기 존재하에서 테트라아실클로로 캐비탄드 4(tetraacylchloro-cavitand 4)와 하이드라자이드 유도체를 반응시키는 상기 테트라하이드라자이드 캐비탄드의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 테트라하이드라자이드 캐비탄드의 제조방법에 있어서, 상기 테트라아실클로로 캐비탄드 4는 테트라카 복실 캐비탄드 2 출발물질로부터 테트라카복실 캐비탄드 3의 합성을 경유하여 이루어지는 것이 바람직하다.또한, 본 발명의 테트라하이드라자이드 캐비탄드의 제조방법에 있어서, 상기 하이드라자이드 유도체는 벤조익 하이드라자이드(benzoic hydrazide), 4-터셔리부틸벤조익 하이드라자이드(4-tert-butylbenzoichydrazide),4-메톡시벤조익 하이드라자이드(4-methoxybenzoic hydrazide), 4-니트로벤조익 하이드라자이드(4-nitrobenzoic hydrazide) 및 옥타노익 하이드라자이드(octanoic hydrazide)로 구성된 군중에서 선택된 물질인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명은 상기 테트라하이드라자이드 캐비탄드가 분자캡슐을 형성하여 중성분자, 음이온 및 양이온으로 구성된 군중에서 선택된 물질과 결합하여 형성되는 하기 모형도의 분자 캡슐 결합체(게스트@12)를 제공한다.
Figure 112008058725751-pat00006
본 발명의 분자캡슐 결합체에 있어서, 상기 분자 캡슐 결합체(게스트@12)는 분자분리, 분자저장, 분자전달 및 분자반응기로 구성된 군중에서 선택된 기능을 하는 것이 바람직하다.
< 용어의 정의 >
특별히 달리 정의되지 아니하는 한, 본원발명의 상세한 설명, 실시예 및 특허청구범위에 사용된 용어는 다음과 같이 정의된다.
본 명세서에서 "캐비탄드"라 함은 레조신[4]아렌의 이웃하고 있는 8개의 -OH 기능기들을 메틸렌기로 연결하여 -OCH2O-로 연결한 동공을 가지고 있는 용기모양의 분자를 말한다.
본 명세서에서 "테트라"는 캐비탄드의 상단부분에 동일한 4개의 기능기가 치환되어 있음을 의미한다. 예를 들면, 캐비탄드의 레조시놀의 2번 위치에 에스테르가 모두 치환된 경우, 그 기능기를 중심으로 보고 이 분자를 일컬어 테트라 에스테르 캐비탄드라고 부른다. 본 명세서에서, "게스트"는 캐비탄드의 동공 속에 감금될 수 있는 적절한 크기의 모든 종류의 분자들을 의미한다. 본 명세서에서, "에스테르"는 -CO2CH3를 의미하고, "카복실산" 및 "카복실" 은 -CO2H를 의미하고, "아실클로로"는 -COCl를 의미하고, "하이드라자이드"는 -CONHNH2를 의미하고, "벤조일하이드라자이드"는 -CONHNHCOC6H5를 의미한다. 본 명세서에서, "12"라 함은 화합물 1이 서로 수소결합을 통해 자가 조립하여 분자캡슐 형태를 띠고 있음을 표현한 것이며, "@"라 함은 서로 착물 형태를 띠고 있음을 표현한 것이다. 예를 들면, 화합물 1의 분자캡슐내부에 A라는 게스트가 감금되어 있을 경우를 A@12 라는 표현을 사용한다. 상기에서 정의된 용어를 포함하여, 본 명세서에서 인용된 용어는 유기화학분야에서 통상의 지식을 가진 자가 널리 수용되는 의미로 해석되어야 한다.
본 발명자들은 테트라아실클로로 캐비탄드에 트라이에틸아민 염기 존재하에서 여러 가지 하이드라자이드 유도체와의 반응시켜 캐비탄드를 기초로 하는 분자캡슐을 제조하였다(도 2 참조). 이때, 하이드라자이드 유도체는 벤조익 하이드라자이드, 4-터셔리부틸벤조익 하이드라자이드, 4-메톡시벤조익 하이드라자이드, 4-니트로벤조익 하이드라자이드 및 옥타노익 하이드라자이드이다. 얻어진 물질들은 동공을 가지는 캐비탄드들로 용매, 온도 및 여러 게스트와 같은 외부 요인들을 조절하여 캐비탄드 및 분자캡슐을 형성한다. 구체적으로, 분자캡슐 제조의 주된 중간체인 테트라아실클로로 캐비탄드 4는 테트라에스테르 케비탄드 2의 에스테르 기능기를 가수분해 시킨 뒤 아실클로로 기능기로 변환시켜 얻는다. 다음으로 트리에틸아민 염기존재 하에 여러 가지 하이드라자이드 유도체들과 상온에서 반응시켜 원하는 목적물들을 얻는다(도 2 참조). 테트라카복실 캐비탄드 3은 테트라에스터 캐비탄드 2, 소듐하이드록사이드, THF, 물 및 메탄올의 혼합액을 반응시키고, 농축된 염산으로 산성화시킨 후 HCl로 세척하고 건조시킨 후, THF로 용해시켜 제조한다. 테트라카복실 캐비탄드 4는 테트라카르복실산 캐비탄드 3과 옥살릴클로라이드 및 DMF의 반응으로 제조한다. 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1(a)는 벤조익하이드라진, 트리에틸아민 및 테트라아실클로라이드 캐비탄드 4(427 ㎎, 0.36 m㏖)를 반응시켜 제조한다. 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1(b)는 테트라아실클로라이드 캐비탄드 4 및 4-터셔리부틸벤조익 하이드라지드의 반응으로 제조한다. 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1(c)는 테트라아실클로라이드 캐비탄드 4 및 4-메톡시벤조익 하이드라지드의 반응으로 제조한다. 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1(d)는 테트라아 실 클로라이드 캐비탄드 4 및 4-니트로벡조익 하이드라자이드의 반응으로 제조한다. 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1(e)는 테트라아실 클로라이드 캐비탄드 4 및 옥타노익 하이드라자이드의 반응으로 제조한다. 상기 제조한 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1의 분자인식에 대한 테스트를 수행하였다.먼저,여러 가지 양이온((CH3)4NCl, CH3NH2HCl 및 CH3CH2NH2HCl)들을 바꾸어 가면서 분자캡슐(12) 동공속에 이들 양이온들이 감금되는 현상을 조사함으로써 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1의 양이온 분자와의 분자인식현상을 측정하였다.
그 결과, 본 발명의 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1은 캡슐형태로 양이온 게스트를 품고 있는 착물 형태인 것을 확인하였다(도 1 참조). 캡슐의 동공 속에 게스트 분자가 감금되었을 경우, 1H NMR 스펙트럼은 원래의 게스트 분자의 피크 위치보다 더 높은 장 영역에서 나타나므로, 이것은 캐비탄드의 주된 골격이 되는 레조신[4]아렌의 방향족 링 시스템의 고리전류로 인한 자기적 이방성의 영향이다(도 3 및 도 4 참조). 다음에는 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1과 음이온 분자((C4H9)4N+CH3CO2 -)와의 분자인식 현상을 조사하였다. 테스트 방법은 양이온 게스트의 경우와 동일하게 수행하였는데, 그 결과 분자캡슐이 수소결합을 통해 안정화되어 온도가 변하더라도 일정한 형태로 착물을 유지하는 것을 확인하였다(도 5 참조). 상기 착물은 2가지 형태(하나는 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1이 캡슐을 형성하지 않고 캐비탄드 형태에서 한 분자의 음이온과 착물을 형성하는 경우, 다른 하나는 캐비탄드가 캡슐형태를 이루면서 2분자의 음이온을 동공 속에 감금하는 경우)가 있을 수 있다. 이를 확인하기 위하여, 2D NOESY 스펙트럼을 수행한 결과, 캐비탄드가 분자캡슐을 형성하면서 두 분자의 음이온 게스트를 품고 있는 착물 형태를 띠고 있음을 확인하였다(도 6 참조).
또한, 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1과 중성 분자(p-자일렌)와의 분자인식현상에 대해서도 살펴보았다. 그 결과, 중성분자의 게스트들의 경우는 100% 착물은 일어나지 않고 양이온이나 음이온 분자들에 비해 다소 감소된 결합능력을 나타낸다(도 7 참조). 이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 캐비탄드를 기초로 하는 분자캡슐의 제조
본 발명자들은 테트라아실클로로 캐비탄드(tetraacylchloro-cavitand 4)에 트라이에틸아민(triethylamine) 염기 존재하에서 여러 가지 하이드라자이드 유도체와의 반응시켜 캐비탄드를 기초로 하는 분자캡슐을 합성하였다. 본 발명에 사용되는 하이드라자이드 유도체는 벤조익 하이드라자이드(benzoic hydrazide), 4-터셔리부틸벤조익 하이드라자이드(4-tert-butylbenzoic hydrazide), 4-메톡시벤조익 하이드라자이드(4-methoxybenzoic hydrazide), 4-니트로벤조익 하이드라자이드(4-nitrobenzoic hydrazide) 및 옥타노익 하이드라자이드(octanoic hydrazide)이다. 얻어진 물질들은 동공을 가지는 캐비탄드들로 용매, 온도 및 여러 게스트와 같은 외부 요인들을 조절하여 캐비탄드 및 분자캡슐을 형성하였다.
본 발명의 목적물인 캐비탄드를 기초로 하는 분자캡슐의 유도체들을 제조하는 공정을 도 2에 상세하게 기재하였다. 구체적으로, 캐비탄드를 기초로 하는 분자캡슐을 제조하는데 있어 이의 주된 중간체인 테트라아실클로로 캐비탄드 4는 테트라에스테르 케비탄드 2(Bryant, J. A. et. al., J. Am . Chem . Soc. 1991, 113, 2167 의 논문을 참조하여 합성함)의 에스테르 기능기를 가수분해 시킨 뒤 아실클로로 기능기로 변환시켜 제조하였다. 가수분해 반응에서 사용되는 염기로는 수산화나트륨이나 수산화칼륨이 바람직하였다. 얻어진 카복실산 3은 0℃ 저온에서 무수 테트라히드로퓨란(THF) 용매를 사용하여 디메틸포름아미드(DMF) 촉매 하에서 옥살산으로 반응시켜 주된 중간체인 테트라아실클로로 캐비탄드 4를 얻었다. 다음으로 트리에틸아민 염기존재 하에 시중에 시판되는 여러 가지 하이드라자이드 유도체들과 상온에서 반응시키면 원하는 목적물들을 얻을 수 있었다(도 2).
< 실시예 2> 다양한 테트라 카복실 캐비탄드의 합성
하기에 정확한 실험방법과 핵자기 공명장치를 이용하여 신규 화합물들을 분석한 자료 및 질량분석치를 기재하였다.
<2-1> 테트라카복실 캐비탄드 3의 합성
테트라에스터 캐비탄드 2(1.0 g, 0.86 m㏖l), 소듐하이드록사이드(206 ㎎, 5.16 m㏖), THF(15 ㎖), 물(10 ㎖) 및 메탄올(7 ㎖)의 혼합액을 16시간 동안 역류시키며 가열하였다. 상기 깨끗한 용액을 감압하에서 농축시켰다. 상기 잔류물을 농축된 염산(5 ㎖)으로 산성화시킨 후 얼음통내에서 냉각시켰다. 상기 침전물을 여과시키고, 3 N HCl(15 ㎖)로 세척하였다. 상기 흰 고형 혼합물을 건조시켰다. 상기 건조된 혼합물을 THF(15 ㎖)로 용해시키고 비용해성 무기염을 제거하기 위하여 여과시켰다. 상기 여과액을 농축하고 고진공하에서 건조시켜 흰 고형물(923 ㎎, 97%)을 제조하였다. 상기 고형물의 NMR 데이터는 다음과 같다 : 1H NMR (400 MHz, DMSO-d 6) δ 13.23 (br s, 4H, -CO2 H), 7.66 (s, 4H, Ar-H), 5.77 (d, J = 7.6 Hz, 4H, -OCH 2O-), 4.60 (t, J = 8.0 Hz, 4H, -CH-), 4.39 (d, J = 7.6 Hz, 4H, -OCH 2O-), 2.39 (m, 8H, -CH 2-), 1.44 - 1.25 (m, 40H, -(CH 2)5-), 0.86 (t, J = 6.8 Hz, 12H, -CH 3); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d 6) δ 165.2, 149.6, 138.3, 125.2, 122.6, 99.0, 36.2, 31.2, 29.0(× 2), 28.8, 27.5, 22.0, 13.8.
<2-2> 테트라카복실 캐비탄드 4의 합성
아르곤 대기하 0℃에서 건조한 THF(20 ㎖)내에 테트라카르복실산 캐비탄드 3(400 ㎎, 0.36 m㏖) 용액에 주사기를 이용하여 옥살릴클로라이드(oxalyl chloride)(3.62 ㎖, 7.24 m㏖, 디클로로메탄(dichloromethane)하의 2 M 용액)를 첨가한 후, DMF 한 방울을 첨가하였다. 상기 혼합액을 0℃에서 1시간 동안 혼합하였다. 상기 용매를 감압하에서 제거하여 다음 단계로 직접 이어지는 흰 고형물(418 ㎎, 98%)을 제조하였다.
<2-3> 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1의 합성
<2-3-1> 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1(a)의 합성
클로로포름(10 ㎖)내의 벤조익하이드라자이드(benzoic hydrazide)(210 ㎎, 1.51 m㏖) 및 트리에틸아민(triethylamine)(0.5 ㎖, 3.60 m㏖)의 혼합된 용액에 아르곤 대기의 실온에서 10분 동안 클로로포름(10 ㎖)내의 테트라아실클로라이드 캐비탄드 4(427 ㎎, 0.36 m㏖) 용액을 한 방울씩 첨가하여 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1을 합성하였다. 상기 반응 혼합액을 실온에서 24시간 동안 혼합하였다. 상기 용액을 2N HCl, 물로 세척하고 MgSO4 하에서 건조시키고, 여과한 후 농축하였다. 정제되지 않은 산물을 CH2Cl2/CH3OH(9:1)로부터 재결정시켜 흰 고형물(438 ㎎, 77%)을 제조하였다. 상기 고형물의 NMR 데이터는 다음과 같다
: 1H NMR (400 MHz, DMSO-d 6) δ 10.21 (s, 4H, -CONH), 9.95 (s, 4H, -CONH), 7.90 (d, J = 8.0 Hz, 8H, Ar-H), 7.72 (s, 4H, Ar-H), 7.55 (t, J = 8.0 Hz, 4H, Ar-H), 7.47 (t, J = 8 Hz, 8H, Ar-H), 5.80 (d, J = 8.0 Hz, 4H, -OCH 2O-), 4.69 (t, J = 7.6 Hz, 4H, -CH-), 4.46 (d, J = 8.0 Hz, 4H, -OCH 2O-), 2.44 (m, 8H, -CH 2-), 1.47 - 1.25 (m, 40H, -(CH 2)5-), 0.89 (t, J = 6.8 Hz, 12H, -CH 3); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d 6) δ 165.2, 162.9, 151.1, 138.1, 132.5, 131.7, 128.4, 127.5, 125.3, 122.9, 99.8, 36.5, 31.4, 29.3(× 2), 29.0, 27.8, 22.1, 14.0; MALDI-TOF MS: 계산치 (C92H105N8O16, M+H+) 1576.76, 실측치 1577.94.
<2-3-2> 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1(b)의 합성
상기 <2-3-1>의 1(a)의 제조에서 설명한 절차에 의하여 테트라아실클로라이드 캐비탄드 4 및 4-터셔리부틸벤조익 하이드라자이드(4-tert-butylbenzoic hydrazide)의 반응으로부터 흰 고형물(78%)로 상기 화합물을 제조하였다. 상기 고형물의 NMR 데이터는 다음과 같다
: 1H NMR (400 MHz, DMSO-d 6) δ 10.38 (s, 4H, -CONH), 10.13 (s, 4H, -CONH), 7.84 (d, J = 8.0 Hz, 8H, Ar-H), 7.72 (s, 4H, Ar-H), 7.48 (t, J = 8 Hz, 8H, Ar-H), 5.80 (J = 8.0 Hz, 4H, -OCH 2O-), 4.68 (t, J = 7.6 Hz, 4H, -CH-), 4.46 (d, J = 8.0 Hz, 4H, -OCH 2O-), 2.44 (m, 8H, -CH 2-), 1.47 - 1.25 (m, 76H, -(CH 2)5- and -C(CH3)3), 0.89 (t, J = 6.8 Hz, 12H, -CH 3); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d 6) δ 165.1, 162.9, 154.5, 151.2, 138.1, 129.8, 127.4, 125.3, 125.1, 122.9, 99.8, 36.5, 34.6, 31.4, 30.9 29.3(× 2), 29.0, 27.8, 22.1, 14.0; MALDI-TOF MS: 계산치 (C108H137N8O16, M+H+) 1802.02, 실측치 1802.27.
<2-3-3> 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1(c)의 합성
상기 <2-3-1>의 1(a)의 제조에서 설명한 절차에 의하여 테트라아실클로라이드 캐비탄드 4 및 4-메톡시벤조익 하이드라자이드(4-methoxybenzoic hydrazide)의 반응으로부터 흰 고형물(83%)로 상기 화합물을 제조하였다. 상기 고형물의 NMR 데이터는 다음과 같다
: 1H NMR (400 MHz, DMSO-d 6) δ 10.31 (s, 4H, -CONH), 10.10 (s, 4H, -CONH), 7.90 (d, J = 8.0 Hz, 8H, Ar-H), 7.72 (s, 4H, Ar-H), 7.00 (d, J = 8 Hz, 8H, Ar-H), 5.80 (J = 8.0 Hz, 4H, -OCH 2O-), 4.69 (t, J = 7.6 Hz, 4H, -CH-), 4.46 (d, J = 8.0 Hz, 4H, -OCH 2O-), 3.81 (s, 12H, -OCH 3), 2.44 (m, 8H, -CH 2-), 1.47 - 1.25 (m, 40H, -(CH 2)5-), 0.89 (t, J = 6.8 Hz, 12H, -CH 3); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d 6) δ 164.7, 162.9, 161.9, 151.2, 138.1, 129.5, 125.3, 124.7, 122.9, 113.6, 99.8, 55.3, 36.5, 31.4, 29.3(× 2), 29.0, 27.8, 22.1, 14.0; MALDI-TOF MS: 계산치 (C96H113N8O20, M+H+) 1697.81, 실측치 1698.03.
<2-3-4> 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1(d)의 합성
상기 <2-3-1>의 1(a)의 제조에서 설명한 절차에 의하여 테트라아실 클로라이드 캐비탄드 4 및 4-니트로벡조익 하이드라자이드(4-nitrobenzoic hydrazide)의 반응으로부터 흰 고형물(82%)로 상기 화합물을 제조하였다. 상기 고형물의 NMR 데이터는 다음과 같다
: 1H NMR (400 MHz, DMSO-d 6) δ 10.84 (s, 4H, -CONH), 10.36 (s, 4H, -CONH), 8.32 (d, J = 8.0 Hz, 8H, Ar-H), 8.12 (d, J = 8 Hz, 8H, Ar-H), 7.74 (s, 4H, Ar-H), 5.80 (J = 8.0 Hz, 4H, -OCH 2O-), 4.70 (t, J = 7.6 Hz, 4H, -CH-), 4.48 (d, J = 8.0 Hz, 4H, -OCH 2O-), 2.44 (m, 8H, -CH 2-), 1.47 - 1.25 (m, 40H, -(CH 2)5-), 0.89 (t, J = 6.8 Hz, 12H, -CH 3); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d 6) δ 163.8, 162.8, 151.1, 149.4, 138.2, 138.1, 129.1, 125.1, 123.6, 123.1, 99.8, 36.5, 31.4, 29.3, 29.2, 29.0, 27.8, 22.1, 14.0; MALDI-TOF MS: 계산치 (C92H101N12O24, M+H+) 1757.71, 실측치 1757.99.
<2-3-5> 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1(e)의 합성
상기 <2-3-1>의 1(a)의 제조에서 설명한 절차에 의하여 테트라아실 클로라이드 캐비탄드 4 및 옥타노익 하이드라자이드(octanoic hydrazide)의 반응으로부터 흰 고형물(82%)로 상기 화합물을 제조하였다. 상기 고형물의 NMR 데이터는 다음과 같다
: 1H NMR (400 MHz, DMSO-d 6) δ 9.93 (s, 4H, -CONH), 9.78 (s, 4H, -CONH), 7.65(s, 4H, Ar-H), 5.64 (d, J = 8.0 Hz, 4H, -OCH 2O-), 4.61 (t, J = 8.0 Hz, 4H, -CH-), 4.36 (d, J = 8.0 Hz, 4H, -OCH 2O-), 2.39 (m, 8H, -CH 2-), 2.10 (t, J = 7.2 Hz, 8H, -NHCOCH 2-), 1.53 - 1.25 (m, 80H, -CH2(CH 2)5- and -COCH2(CH 2)5-), 0.86 (m, 24H, feet -CH 3 and -CH 3 ); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d 6) δ 170.9, 162.5, 151.0, 138.0, 125.2, 122.8, 99.6, 36.4, 33.2, 31.3, 31.2, 29.2(× 2), 29.0, 28.6, 28.4, 27.7, 24.9, 22.12, 22.06, 13.9(× 2); MALDI-TOF MS: 계산치 (C96H145N8O16, M+H+) 1666.08, 실측치 1666.28.
< 실시예 3> 상기 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1의 분자인식에 대한 테스트
<3-1> 양이온 분자와의 분자인식현상
테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1에 여러 가지 양이온들을 바꾸어 가면서 분자캡슐(12) 동공속에 이들 양이온들이 감금되는 현상을 조사하였다. 사용한 양이온 분자로서는 (CH3)4NCl, CH3NH2HCl 및 CH3CH2NH2HCl이고, 추후 보다 다양한 양이온 분자들에 대한 효과가 밝혀질 것이다. 각각의 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1a-1e는 C2D2Cl4 용매에 녹이고, 과량의 양이온 분자들을 첨가하여 25℃에서 NMR을 측정하는 방법을 사용하여 착물형성 현상을 조사하였다. 예를 들어, C2D2Cl4에 녹아있는 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1a에 과량의 (CH3)4NCl를 첨가하면 높은 장 영역(up field region)인 1.15 ppm(Δδ = -2.06 ppm)에서 캡슐화된 (CH3)4N+에 해당하는 새로운 피크가 나타나며, 이들의 적분치를 보면 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1a와 (CH3)4NCl는 화학양론적으로 2:1 결합을 이루고 있음을 알 수 있고, 이는 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1a가 캡슐형태로 양이온 게스트를 품고 있다는 것을 나타낸다. 이러한 현상은 캐비탄드의 주된 골격이 되는 레조신[4]아렌의 방 향족 링 시스템의 고리전류로 인한 자기적 이방성의 영향 때문인데, 캡슐의 동공 속에 게스트 분자가 감금되었을 경우 1H NMR 스펙트럼을 측정해보면 원래의 게스트 분자의 피크 위치보다 더 높은 장 영역에서 나타나게 된다. 이러한 현상을 관측함으로써 게스트 분자들과 분자캡슐간의 착물 형성 여부를 확인할 수 있다. 같은 용매 하에서 작은 크기의 CH3NH2HCl을 과량으로 넣게 되면, 캡슐화된 CH3NH3 +(δ = 1.94 ppm)만 C2D2Cl4 용매 하에서 관측되고, 나머지 양이온 게스트들은 녹지 않아 1H NMR 스펙트럼 상에서는 나타나지 않는다. 이런 현상은 조금 크기가 큰 CH3CH2NH3 +Cl-(Δδ = -0.5 ppm)에서도 나타나며, 1a와 CH3CH2NH3 +의 비는 화학양론적으로 정확히 2:1 착물, 즉 분자캡슐 형태인CH3CH2NH3 +Cl-@1a2 착물을 형성한다는 것을 나타낸다. 도 3 및 도 4에 이들 게스들과의 분자인식현상에 대한 결과를 제공하였다.
<3-2> 음이온 분자와의 분자인식현상
테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1과 음이온 분자와의 분자인식 현상을 조사하였다. 본 발명에 적합한 음이온 분자는 분자캡슐에 감금될 수 없을 정도로 크기가 큰 양이온 분자와 결합되어 있는 음이온 분자가 적합하며, 가장 바람직한 경우 가 테트라부틸암모늄 아세테이트(C4H9)4N+CH3CO2 -이다. 테스트 방법은 양이온 게스트의 경우와 동일하다. 도 5에서 보듯이, C2D2Cl4에 녹아있는 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1a에 과량의 (C4H9)4N+CH3CO2 -를 첨가하면 높은 장 영역인 -2.27 ppm(Δδ = -4.17 ppm)에서 캡슐화된 CH3CO2 -에 해당하는 새로운 피크가 나타난다. 또한, 착물화된 화합물과 게스트의 피크들은 온도가 변하더라도 피크의 변화는 거의 보이지 않으며, 이는 형성된 분자캡슐이 수소결합을 통해 안정하다는 것을 나타낸다. 양이온 게스트들과는 달리 아세테이트 음이온 게스트의 경우는 적분치로 볼 때 1:1 결합을 형태를 나타낸다. 이는 2가지 형태의 착물 가능성이 있는데, 하나는 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1a가 캡슐을 형성하지 않고 캐비탄드 형태에서 한 분자의 아세테이트 음이온과 착물을 형성하는 경우이고, 다른 하나는 캐비탄드가 캡슐형태를 이루면서 2분자의 음이온을 동공 속에 감금하는 경우이다. 이 두 가지 경우 중 정확한 착물 형태를 알아보기 위하여, 2D NOESY 스펙트럼을 측정하였다. 도 6은 25℃ CDCl3 용매하에서 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1b에 과량의(C4H9)4N+CH3CO2 - 첨가한 후 측정한 2D NOESY 결과로서, 캐비탄드의 -OCH2O- 연결고리 부분의 수소 중 동공의 바깥부분에 위치하고 있는 메틸렌 수소(6.03 ppm)가 터셔리부틸벤조익 하이드라자이드의 벤젠부분의 수소들(7.76 ppm 과 7.28 ppm)과 NOE 현상을 관측할 수 있었다. 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1b가 캐비탄드로 존재 할 경우는 이 두 부분간의 거리가 너무 멀어 NOE 현상이 일어날 수 없지만, 분자캡슐을 형성할 경우는 캡슐형성으로 인해 이 두 부분의 거리가 가까워 NOE 현상이 일어나게 된다. 따라서, 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1의 경우, 분자캡슐을 형성하면서 두 분자의 아세테이트 음이온 게스트를 품고 있는 착물 형태를 띠고 있음을 확인할 수 있다.
<3-3> 중성 분자와의 분자인식현상
중성분자와 분자캡슐 1a2와의 상호작용에 대해서도 살펴보았다. 분자캡슐의 내부 동공은 세로축이 다소 큰 타원형 모양을 이루는데 이러한 모양에 적합한 벤젠의 1번과 4번 위치에 치환체가 붙은 벤젠유도체들을 이용해 캡슐화 현상을 살펴보았다. 게스트분자로서는 p-자일렌 정도의 분자크기까지 캡슐화되었고 이보다 큰 분자의 경우는 착물화가 일어나지 않았다. 도 7은 C2D2Cl4 용매 하에서 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1a에 과량의 톨루엔 첨가한 후 여러 온도에서의 측정한 1H NMR 스펙트럼으로서, -0.03 ppm (Δδ = -2.3 ppm)에서 캡슐화된 톨루엔의 메틸 수소에 해당하는 새로운 피크가 나타난다. 적분치로 볼 때 중성분자의 게스트들의 경우는 100% 착물은 일어나지 않고 양이온이나 음이온 분자들에 비해 다소 감소된 결합능력을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1에 게스트 물질인 감금된 형태를 모형도이고(이것을 도식적으로 본 발명의 정의대로 표현하면 게스트@12(2CH3CO2 -@1a 2)이다),
도 2는 캐비탄드를 기초로 하는 분자캡슐들의 합성과정의 모식도이고(이때, (a) NaOH, CH3OH, THF, H2O, reflux; (b) (COCl)2, THF, 0 oC; (c) NEt3, CHCl3, rt.),
도 3은 (a) C2D2Cl4에 녹아있는 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1a, 및 (b) 여기에 과량의 (CH3)4NCl을 첨가한 후의 1H NMR 스펙트럼이고(이때, * = 과량의 (CH3)4N+의 피크, O = 분자캡슐에 감금된 (CH3)4N+의 피크이다),
도 4는 (a) C2D2Cl4에 녹아있는 테트라 하이드라자이드 캐비탄드 1a, (b) 여기에 과량의 CH3NH2HCl을 첨가한 후, 및 (c) 과량의 CH3CH2NH2HCl을 첨가한 후의 1H NMR 스펙트럼이고(이때, O = 분자캡슐에 감금된 양이온의 피크이다),
도 5는 C2D2Cl4 용매의 여러 온도에서 측정한 2(C4H9)4N+CH3CO2 -@1a2의 1H NMR 스펙트럼이고,
도 6은 25℃, CDCl3 용매에서 측정한 2(C4H9)4N+CH3CO2 -@1b2의 2D NOESY 스펙트럼이고,
도 7은 여러 온도에서 측정한 톨루엔@1a2의 1H NMR 스펙트럼이다(이때, * = 과량의 톨루엔의 메틸 피크, O = 분자캡슐에 감금된 톨루엔의 메틸 피크이다).

Claims (7)

  1. 레조신[4]아렌을 기초로 구성되는 캐비탄드의 상단에 벤젠(1(a)), 4-터셔리부틸 벤젠(1(b)), 4-메톡시 벤젠(1(c)), 4-니트로벤젠(1(d)) 및 헵틸기(1(e))로 구성된 군으로부터 선택되는 작용기(R)가 도입된 분자캡슐을 형성할 수 있는 하기 구조식 Ⅱ의 테트라하이드라자이드 캐비탄드.
    - 구조식 Ⅱ
    Figure 112011004874616-pat00015
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 상기 제 1 항의 테트라하이드라자이드 캐비탄드가 분자캡슐을 형성하여 중성분자, 음이온 및 양이온으로 구성된 군중에서 선택된 물질과 결합하여 형성되는 분자 캡슐 결합체(게스트@12).
  7. 상기 제 6 항에 있어서, 상기 분자 캡슐 결합체(게스트@12)는 분자분리, 분자저장, 분자전달 및 분자반응기로 구성된 군중에서 선택된 기능을 하는 것을 특징으로 하는 분자 캡슐 결합체.
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