KR101339649B1 - Novel visible light active graphene-based photocatalyst, method for regeneration of oxidoreductase cofactor and method for enzymatic production of formic acid from carbon dioxide using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 신규 가시광선 흡수 그레핀계 광촉매, 이를 이용한 산화환원효소 보조인자의 재생방법 및 이를 이용한 효소반응으로 이산화탄소로부터 포름산을 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 반응기에 인산완충용액; 산화형의 산화환원효소 보조인자; 산화환원 매개체; 및 가시광선 흡수 그레핀계 광촉매를 넣고 빛을 가하면서 교반시켜 환원형의 산화환원효소 보조인자를 생성시키는 단계를 포함하는 산화환원효소 보조인자의 재생방법 및 이를 이용한 효소반응으로 이산화탄소로부터 포름산을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 본 발명에 의하면, 전극 대신 가시광선을 흡수하는 그레핀계 광촉매를 사용함으로써 태양에너지를 사용하여 추가적인 에너지 비용의 낭비 없이 산화환원효소의 보조인자를 재생할 수 있어 경제적이고 환경친화적이므로, 대량생산 및 자동화가 가능하며, 더욱이 온난화가스인 이산화탄소를 고정하여 다양한 화합물을 선택적으로 제조하는 인공광합성을 응용한 신규 제조 산업에 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to a novel visible light absorbing grepin-based photocatalyst, a method for regenerating an oxidoreductase cofactor using the same, and a method for producing formic acid from carbon dioxide by an enzymatic reaction using the same, specifically, a phosphate buffer solution in a reactor; Oxidoreductase cofactors of oxidized type; Redox mediators; And a method of regenerating a oxidoreductase cofactor comprising a step of adding a visible light absorbing grepin-based photocatalyst and stirring while applying light to generate a reduced oxidoreductase cofactor, and an enzymatic reaction using the same. It is about how to. According to the present invention, according to the present invention, by using a graphene-based photocatalyst that absorbs visible light instead of the electrode, it is economical and environmentally friendly to regenerate cofactors of oxidoreductases without wasting additional energy costs using solar energy. In addition, mass production and automation are possible, and furthermore, it can be usefully used in a new manufacturing industry applying artificial photosynthesis to selectively manufacture various compounds by fixing carbon dioxide, a warming gas.
Description
본 발명은 신규 가시광선 흡수 그레핀계 광촉매, 이를 이용한 산화환원효소 보조인자의 재생방법 및 이를 이용한 효소반응으로 이산화탄소로부터 포름산을 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a novel visible light absorbing grepin-based photocatalyst, a method for regenerating oxidoreductase cofactors using the same, and a method for preparing formic acid from carbon dioxide by an enzymatic reaction using the same.
매장량의 한계와 함께 지구온난화를 유발하는 석유, 석탄 등의 화석연료를 대신할 청정 대체에너지원의 개발은 인류의 미래를 위해 가장 시급히 해결하여야 할 과제이다. 특히, 무한한 태양 에너지와 대표적인 온실가스로서 지구온난화의 주요 원인물질 중 하나인 이산화탄소를 이용하여 다양한 화학제품을 제조하는 새로운 기술의 개발은 지구온난화를 대응하기 위한 가장 이상적인 환경 친화적 에너지 이용 시스템의 확보이며, 가장 시급성이 요구되는 연구 개발 분야 중 하나이다.The development of a clean alternative energy source to replace fossil fuels such as petroleum and coal that causes global warming along with the limit of reserves is the most urgent task to solve for the future of mankind. In particular, the development of a new technology for manufacturing various chemical products using carbon dioxide, one of the main causes of global warming as infinite solar energy and representative greenhouse gases, is the most secure environmentally friendly energy utilization system to cope with global warming. This is one of the most urgent research and development areas.
상기 태양 에너지 및 이산화탄소를 이용하는 방법 중 하나로서, "인공광합성" 방법이 차세대 에너지원의 개발로서 주목받고 있다. As one of the methods using the solar energy and carbon dioxide, "artificial photosynthesis" method has attracted attention as the development of the next generation energy source.
상기 인공광합성은 식물이 에너지를 얻는 광합성 작용에 착안한 것으로 태양빛을 이용해 이산화탄소를 에너지원(예를 들면, 포름산)으로 바꾸는 방법이다. 제조된 에너지원을 태우면 물과 이산화탄소가 나오고, 상기 이산화탄소는 광합성 작용을 통해 다시 에너지원으로 만들 수 있기 때문에 환경오염을 일으키지 않는 꿈의 에너지를 만들 수 있다.Artificial photosynthesis focuses on the photosynthesis action of plants to obtain energy, and is a method of converting carbon dioxide into an energy source (for example, formic acid) using sunlight. Burning the manufactured energy source comes out of water and carbon dioxide, and the carbon dioxide can be made into an energy source again through photosynthesis, making it possible to create dream energy that does not cause environmental pollution.
따라서, 이러한 인공광합성을 위하여 많은 접근이 이루어지고 있으며, 이중 분자 생물반응기 및 생촉매(효소)를 이용한 방법은 인간 기술(engineering)과 생물학적 과정(process)을 연결하는 데 사용될 수 있다.
Therefore, many approaches have been taken for artificial photosynthesis, and methods using dual molecular bioreactors and biocatalysts (enzymes) can be used to link human engineering with biological processes.
효소는 단백질로 이루어진 주효소(apoenzyme)와 조효소(coenzyme)로 이루어지며, 상기 조효소는 금속이온 여부에 따라 보조인자(cofactor) 또는 보결족(prosthetic group)으로 구분된다. 우리가 통상적으로 말하는 조효소는 엄밀하게는 보조인자(cofactor)를 말하는 것으로서, 상기 보조인자는 기질로부터 이탈된 원자나 원자단을 일시적으로 수용하여 다른 물질에 전달하는 역할을 하며 대표적으로 니코틴아미드 보조인자인 NAD, NADP와 플라빈 보조인자인 FAD, FMN 등이 있다.
The enzyme is composed of a main enzyme (apoenzyme) and a coenzyme (protein), and the coenzyme is divided into a cofactor or a prosthetic group according to the presence of a metal ion. Coenzyme, which we usually refer to, refers strictly to a cofactor, which temporarily accepts atoms or groups of atoms released from a substrate and delivers them to other substances. Typically, nicotinamide cofactor NAD, NADP and flavin cofactors FAD and FMN.
상기 니코틴아미드 보조인자와 플라빈 보조인자 또는 그들의 산화된 형태는 많은 종류의 산화환원효소(oxidoreductase)가 수행하는 산화환원 생촉매반응에 있어서 필수적인 보조인자로 이용된다. 상기 생촉매반응은 실험실 내 유기합성 및 다양한 공업 분야에서 있어서 점점 더 중요해지고 있다. 그러나 이들 보조인자의 높은 비용 때문에 많은 효소 공정을 갖는 산업이 발달되지 못하고 있다. 따라서 생촉매 반응의 효율을 높이고, 경제적이고 산업가능성이 있는 공정을 만들기 위해서는, 효소의 지속적 반응 수행을 위한 보조인자가 지속적으로 재생되어야 할 필요가 있다. 그러나, 다양한 방식으로 널리 이용되고 있는 가수분해 효소와는 달리, 산화환원 효소의 사용에 있어서 만족할만한 보조인자 재생방법이 확립되지 않아 그다지 널리 상용화되고 있지 않은 현실이다.
The nicotinamide cofactors and flavin cofactors or their oxidized forms are used as cofactors essential in the redox biocatalysis carried out by many kinds of oxidoreductases. Such biocatalytic reactions are becoming increasingly important in laboratory organic synthesis and various industrial fields. However, the high cost of these cofactors prevents the development of an industry with many enzymatic processes. Therefore, in order to increase the efficiency of the biocatalytic reaction and to make an economical and industrially feasible process, cofactors for the continuous reaction of the enzyme need to be continuously regenerated. However, unlike hydrolytic enzymes that are widely used in various ways, a satisfactory cofactor regeneration method for the use of redox enzymes has not been established and is not widely commercialized.
종래 전기화학적 재생(electrochemical regeneration)은 기존의 제2효소/기질 재생방법을 대체할 수 있는 하나의 매력적인 방법으로 여겨져 왔다. 하지만 전기화학적 재생방법에서 NAD(P)+의 NAD(P)H로의 환원이 열역학적으로 선호되는 전압조건에서도 전극과 NAD(P)+사이의 느린 전자전달 속도로 인하여 재생 효율이 떨어지는 단점이 있었다. Conventional electrochemical regeneration has been considered as an attractive alternative to existing second enzyme / substrate regeneration methods. However, in the electrochemical regeneration method, the reduction efficiency of NAD (P) + to NAD (P) H is poor due to the slow electron transfer rate between the electrode and NAD (P) + even under the thermodynamically preferred voltage condition.
이를 해결하기 위하여 균등질의 산화환원 매개체(mediator)를 사용하여 전극과 NAD(P)+사이에 전자를 전달하는 방법이 개발된 바 있으며, 일례 중 대표적으로 로듐(Ⅲ) 복합체인 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(Ⅲ):[Cp*Rh(bpy)H2O]2+(이하 Mox)를 NAD(P)+에의 전자전달을 위한 매개체로 사용하는 방법이 개발되었다.In order to solve this problem, a method of transferring electrons between an electrode and NAD (P) + using a homogeneous redox mediator has been developed, and a typical rhodium (III) complex (pentamethylcyclopenta) has been developed. Dienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III): [Cp * Rh (bpy) H 2 O] 2+ (hereinafter M ox ) using as a medium for electron transfer to NAD (P) + The method was developed.
상기 전자전달 매개체 중에서 로듐(Ⅲ) 복합체 Mox는 전기화학/화학적 과정을 거쳐 활성 환원체인 Mred2로 변환되어 NADH의 재생에 관여한다. Mox는 두 개의 전자를 받아들여 전기화학적인 변화로 Mred1의 상태가 된다(E-step). 이어서 상기 Mred1은 총 전자의 양은 변하지 않고 용액 상에서 하나의 양성자를 취함으로써 화학적인 과정을 통해 Mred2로 변환된다(C-step). 상기 활성 환원체인 Mred2는 전자 두 개와 양성자 하나를 NAD(P)+에 제공하여 NAD(P)H로 변환시키고, 이때 자신은 초기상태인 Mox로 돌아가게 된다(도 1 참조). The rhodium (III) complex M ox in the electron transport medium is converted into M red2 , an active reducing agent , through electrochemical / chemical process and is involved in the regeneration of NADH. M ox accepts two electrons and becomes the state of M red1 by an electrochemical change (E-step). The M red1 is then converted to M red2 through a chemical process by taking one proton in solution without changing the total amount of electrons (C-step). The active reductant M red2 provides two electrons and one proton to NAD (P) + to convert to NAD (P) H, where it returns to its initial state, M ox (see FIG. 1 ).
그러나, 전극을 사용하는 전기화학적 재생방법은 외부에서 전기에너지를 주입해야 하는 문제가 있다.
However, the electrochemical regeneration method using the electrode has a problem that the electrical energy must be injected from the outside.
한편, 최근 대체에너지로서 광화학에너지를 이용하여 보조인자를 재생하여 효소인 포르메이트 디하이드로게나제를 이용하여 이산화탄소로부터 포름산을 생성하는 방법에 관심이 증가하고 있다. 상기 광화학 에너지는 풍부한 태양 에너지를 사용하기 때문에 깨끗하며 경제적이다.On the other hand, in recent years, there is increasing interest in a method for generating formic acid from carbon dioxide by using the enzyme formate dehydrogenase by regenerating cofactors using photochemical energy as an alternative energy. The photochemical energy is clean and economical because it uses abundant solar energy.
구체적으로 상기 방법은 도 2에 나타낸 바와 같이,Specifically, as shown in FIG . 2 ,
광촉매가 태양빛을 흡수하여 전자가 들뜸으로써 Mox에 전자를 전달하여 Mred1을 형성하며(단계 a); 상기 단계 a의 Mred1는 산화되어 Mred2를 형성하고(단계 b); 상기 단계 b의 Mred2가 산화형 산화환원효소 보조인자(NAD+)에게 전자와 양성자를 전달하여 환원형 산화환원효소 보조인자(NADH)를 형성하며(단계 c); 상기 단계 c의 NADH는 포르메이트 디하이드로게나제에게 양성자(H+)를 주고 산화형태로 돌아가고 포르메이트 디하이드로게나제는 양성자를 받아 효소 작용에 의해 이산화탄소를 포름산으로 전환시키는 단계(단계 d)의 사이클을 형성한다.The photocatalyst absorbs sunlight and electrons are lifted to transfer electrons to M ox to form M red1 (step a); M red1 of step a is oxidized to form M red2 (step b); M red2 of step b transfers electrons and protons to oxidative oxidoreductase cofactor (NAD + ) to form a reduced oxidoreductase cofactor (NADH) (step c); The NADH of step c gives promate (H + ) to formate dehydrogenase and returns to the oxidized form, and the formate dehydrogenase receives proton and converts carbon dioxide to formic acid by enzymatic action (step d). Form a cycle.
이러한 사이클을 효과적으로 수행시키기 위해서는 광촉매의 역할이 중요하며, 특히 지구에서 이용가능한 전체 태양광 에너지 중 46%가 가시광선 영역이고 단지 4%가 자외선 영역인 바, 상기 광촉매는 가시광선을 흡수하여 전자를 들뜨게 할 수 있는 물질인 것이 바람직하다.
The role of the photocatalyst is important for this cycle to be effective. In particular, 46% of the total solar energy available on Earth is in the visible range and only 4% in the ultraviolet range. It is preferable that it is a substance which can be excited.
상기 가시광선 광촉매와 관련한 종래 기술로는 후지와라(Fujiwara) 연구진에서 ZnS 나노결정을 촉매로 사용하여 이산화탄소로부터 포름산을 직접 합성한 것이 보고되었다(Fujiwara, H. et al., Langmuir 14, 5154-5159 (1998)). 그러나, 상기 방법은 전환 효율, 긴 빛의 노출시간, 광촉매의 안정성 등 많은 문제들이 남아있다.As a related art related to the visible light photocatalyst, Fujiwara researchers have reported the synthesis of formic acid directly from carbon dioxide using ZnS nanocrystals as a catalyst (Fujiwara, H. et al., Langmuir 14, 5154-5159 ( 1998)). However, the method has many problems such as conversion efficiency, long light exposure time, and photocatalyst stability.
또한, 이노우에(Inoue) 연구진에서는 광촉매로서 TiO2 - xNx, ZnO, CdS, SiC 및 WO3를 CO2 -가 포화된 물에 넣고 제논 램프로 빛을 조사하여 포름산을 제조하는 실험을 개시하였다(Inoue, T. et al., Nature 277, 637-638 (1979)). 그러나, 상기 방법은 포름산 이외에 포름알데히드, 메탄올 및 메탄의 부생성물이 생성되는 문제가 있었다.Inoue and his colleagues also began experiments in which formic acid was prepared by placing TiO 2 - x N x , ZnO, CdS, SiC and WO 3 as photocatalysts in CO 2 - saturated water and irradiating light with a xenon lamp. (Inoue, T. et al., Nature 277, 637-638 (1979)). However, this method has a problem in that a byproduct of formaldehyde, methanol and methane is produced in addition to formic acid.
이와 같이, 가시광선 하에서 포름산을 선택적 및 높은 효율로 생산할 수 있는 도너-어셉터 광촉매의 조사는 인공광합성을 위한 가장 어려운 일로써 남아있다.
As such, irradiation of donor-acceptor photocatalysts capable of producing formic acid under visible light with selective and high efficiency remains the most difficult task for artificial photosynthesis.
이에 본 발명자는 새로운 가시광선 광촉매를 이용하여 산화환원효소의 보조인자의 효율적인 재생방법을 개발하고자 각고의 노력을 거듭한 결과, 신규 그레핀계 복합체를 제조하고, 상기 신규 그레핀계 복합체가 가시광선을 흡수하여 광촉매의 역할을 수행함으로써 태양에너지를 사용하여 추가적인 에너지 비용의 낭비 없이 높은 효율로 산화환원효소의 보조인자를 재생할 수 있음을 확인하고 이를 이용한 효소반응으로 이산화탄소로부터 포름산을 선택적 및 높은 효율로 제조하는 방법을 개발하여 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors have made a lot of efforts to develop an efficient regeneration method of cofactors of oxidoreductase using a new visible light photocatalyst, thereby producing a new grepin-based complex, and the new grepin-based complex is a visible light It can be used as a photocatalyst to absorb coenzyme of oxidoreductase with high efficiency without wasting additional energy costs. The present invention has been completed by developing a manufacturing method.
본 발명의 목적은 신규 그레핀계 복합체를 제공하는데 있다.An object of the present invention is to provide a novel grepin-based complex.
본 발명의 다른 목적은 상기 신규 그레핀계 복합체의 제조방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for producing the novel grepin-based composite.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 신규 그레핀계 복합체를 유효성분으로 함유하는 가시광선 흡수 광촉매를 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide a visible light absorbing photocatalyst containing the novel grepin-based composite as an active ingredient.
본 발명의 다른 목적은 산화환원 매개체에 전극 대신 신규 가시광선 흡수 그레핀계 광촉매를 사용함으로써 태양에너지를 사용하여 추가적인 에너지 비용의 낭비 없이 산화환원효소의 보조인자를 재생하는 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for regenerating cofactors of oxidoreductases without waste of additional energy costs by using solar energy by using novel visible light absorbing grepin-based photocatalysts instead of electrodes for redox mediators.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 가시광선을 흡수 그레핀계 광촉매를 사용한 산화환원효소의 보조인자의 재생방법을 이용한 효소반응에 의해 이산화탄소로부터 포름산을 선택적으로 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
It is still another object of the present invention to provide a method for selectively preparing formic acid from carbon dioxide by an enzymatic reaction using a method of regenerating co-factors of oxidoreductase using the absorbing grepin-based photocatalyst.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 신규 그레핀계 복합체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a novel grepin-based complex represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
또한, 본 발명은 상기 신규 그레핀계 복합체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing the novel grepin-based composite.
나아가, 본 발명은 상기 신규 그레핀계 복합체를 유효성분으로 함유하는 가시광선 흡수 광촉매를 제공한다.Furthermore, the present invention provides a visible light absorption photocatalyst containing the novel grepin-based composite as an active ingredient.
또한, 본 발명은 반응기에 인산완충용액; 산화형의 산화환원효소 보조인자; 메틸비올로겐, 루테늄(Ⅱ) 복합체 및 로듐(Ⅲ) 복합체로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 1종 이상의 산화환원 매개체; 및 화학식 1로 표시되는 가시광선 흡수 그레핀계 광촉매를 넣고 빛을 가하면서 교반시켜 환원형의 산화환원효소 보조인자를 생성시키는 단계를 포함하는 산화환원효소 보조인자의 재생방법을 제공한다. In addition, the present invention is a phosphoric acid buffer solution in the reactor; Oxidoreductase cofactors of oxidized type; Any one or more redox mediators selected from the group consisting of methylbiologen, ruthenium (II) complexes and rhodium (III) complexes; And it provides a method for regenerating the oxidoreductase cofactor comprising the step of adding a visible light absorbing grepin-based photocatalyst represented by the formula (1) and stirring while applying light to produce a reduced oxidoreductase cofactor.
나아가, 본 발명은 반응기에 인산완충용액; 산화형의 산화환원효소 보조인자; 메틸비올로겐, 루테늄(Ⅱ) 복합체 및 로듐(Ⅲ) 복합체로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 1종 이상의 산화환원 매개체; 화학식 1로 표시되는 가시광선 흡수 그레핀계 광촉매; 포르메이트 디하이드로게나제를 넣고 이산화탄소 분위기 하에서 빛을 가하면서 교반시켜 포름산을 생산하는 단계를 포함하는 상기 가시광선 흡수 그레핀계 광촉매를 사용한 산화환원효소의 보조인자의 재생방법을 이용한 효소반응에 의해 이산화탄소로부터 포름산을 선택적으로 제조하는 방법을 제공한다.
Furthermore, the present invention is a phosphate buffer solution in the reactor; Oxidoreductase cofactors of oxidized type; Any one or more redox mediators selected from the group consisting of methylbiologen, ruthenium (II) complexes and rhodium (III) complexes; Visible light absorbing grepin-based photocatalyst represented by Chemical Formula 1; By enzymatic reaction using a method of regenerating the cofactor of the oxidoreductase using the visible light absorbing grepin-based photocatalyst comprising the step of adding formate dehydrogenase and stirring with light under carbon dioxide atmosphere to produce formic acid Provided is a method for selectively preparing formic acid from carbon dioxide.
본 발명에 의하면, 전극 대신 가시광선을 흡수하는 그레핀계 광촉매를 사용함으로써 태양에너지를 사용하여 추가적인 에너지 비용의 낭비 없이 산화환원효소의 보조인자를 재생할 수 있어 경제적이고 환경친화적이므로, 대량생산 및 자동화가 가능하며, 더욱이 온난화가스인 이산화탄소를 고정하여 다양한 화합물을 선택적으로 제조하는 인공광합성을 응용한 신규 제조 산업에 유용하게 사용될 수 있다.
According to the present invention, by using a grepin-based photocatalyst that absorbs visible light instead of an electrode, solar energy can be used to reproduce cofactors of oxidoreductases without wasting additional energy costs, which is economical and environmentally friendly, and therefore mass production and automation. In addition, it can be usefully used in the new manufacturing industry applying artificial photosynthesis to selectively manufacture a variety of compounds by fixing the carbon dioxide is a warming gas.
도 1은 로듐(Ⅲ) 복합체 M의 전기화학적 변환을 나타낸 도면이다.
도 2는 광촉매를 이용한 산화환원효소의 보조인자의 재생방법을 이용한 효소반응에 의해 이산화탄소로부터 포름산을 직접적으로 제조하는 방법의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 신규 그레핀계 광촉매의 3차원 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 신규 그레핀계 광촉매의 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 신규 그레핀계 광촉매의 FTIR 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 신규 그레핀계 광촉매의 X-선 회절 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 종류에 대한 산화환원효소 보조인자의 생성량을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 광촉매 종류에 대한 광촉매반응에 의한 이산화탄소로부터 포름산의 생성량을 나타내는 그래프이다. 1 is a diagram showing the electrochemical conversion of rhodium (III) complex M.
Figure 2 is a schematic diagram of a method for directly producing formic acid from carbon dioxide by the enzymatic reaction using the regeneration method of the cofactor of the oxidoreductase using a photocatalyst.
3 is a view showing a three-dimensional structure of a novel grepin-based photocatalyst according to the present invention.
4 is a graph showing the ultraviolet-visible light absorption spectrum of the novel grepin-based photocatalyst according to the present invention.
5 is a graph showing the FTIR spectrum of the novel grepin-based photocatalyst according to the present invention.
6 is a graph showing the X-ray diffraction spectrum of the novel grepin-based photocatalyst according to the present invention.
7 is a graph showing the amount of oxidoreductase cofactor production for photocatalyst type according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the amount of formic acid produced from carbon dioxide by photocatalytic reactions for photocatalyst types according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 신규 그레핀계 복합체를 제공한다.The present invention provides a novel grepin-based complex represented by the following formula (1).
본 발명의 상기 화학식 1의 화합물은 통상의 방법에 의해 제조될 수 있는 모든 염, 수화물, 용매화물을 모두 포함한다.The compound of formula 1 of the present invention includes all salts, hydrates, and solvates that can be prepared by conventional methods.
본 발명에 따른 부가염은 통상의 방법으로 제조할 수 있으며, 예를 들면 화학식 1의 화합물을 수혼화성 유기용매, 예를 들면 아세톤, 메탄올, 에탄올, 또는 아세토니트릴 등에 녹이고 과량의 유기산을 가하거나 무기산의 산 수용액을 가한 후 침전시키거나 결정화시켜서 제조할 수 있다. 이어서 이 혼합물에서 용매나 과량의 산을 증발시킨 후 건조시켜서 부가염을 얻거나 또는 석출된 염을 흡인 여과시켜 제조할 수 있다.
The addition salt according to the present invention can be prepared by a conventional method, for example, by dissolving the compound of Chemical Formula 1 in a water-miscible organic solvent such as acetone, methanol, ethanol, acetonitrile, etc., And then precipitating or crystallizing the acid solution. Subsequently, in this mixture, a solvent or an excess acid is evaporated and dried to obtain an additional salt, or the precipitated salt may be produced by suction filtration.
또한, 본 발명은 신규 그레핀계 복합체의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing a novel grepin-based composite.
본 발명에 따른 상기 화학식 1의 화합물은 화학적으로 변환된 그래핀(chemically converted graphine, 이하, CCG)과 BODIPY(1-피콜리아민-2-아민페닐-3-옥시-페닐-4,4-디플루오로-1,3,5,7-테트라메틸-2,6-디에틸-4-보라-3a,4a-디아자-s-인다센-트리아진)를 당업계에서 통상적으로 사용하는 커플링반응을 이용하여 합성하여 제조할 수 있다.The compound of Chemical Formula 1 according to the present invention is chemically converted graphine (hereinafter referred to as CCG) and BODIPY (1-picoliamine-2-aminephenyl-3-oxy-phenyl-4,4-di Couplings commonly used in the art for fluoro-1,3,5,7-tetramethyl-2,6-diethyl-4-bora-3a, 4a-diaza-s-indacene-triazine) It can be prepared by synthesis using a reaction.
구체적으로, 화학적으로 변환된 그래핀(CCG)을 촉매량의 DMF의 존재 하에서 SOCl2와 반응시켜 CCG의 아실 클로라이드를 제조하고, BODIPY를 촉매량의 트리에틸아민, 아르곤 존재 하에서 DCM에 넣고 CCG의 아실 클로라이드와 반응시켜 그레핀계 복합체를 생성시키는 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.Specifically, chemically-converted graphene (CCG) is reacted with SOCl 2 in the presence of catalytic amount of DMF to prepare acyl chloride of CCG, and BODIPY is added to DCM in the presence of catalytic amount of triethylamine, argon, and acyl chloride of CCG It can be prepared by a method comprising the step of reacting with to produce a grepin-based complex.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 반응은 1일 이상 수행하는 것이 바람직하며, 반응 후에는 분리 및 정제하는 단계를 추가로 수행할 수 있다.
In the production method according to the invention, the reaction is preferably carried out for 1 day or more, after the reaction may be further carried out the step of separation and purification.
나아가, 본 발명은 상기 신규 그레핀계 복합체를 유효성분으로 함유하는 가시광선 흡수 광촉매를 제공한다.Furthermore, the present invention provides a visible light absorption photocatalyst containing the novel grepin-based composite as an active ingredient.
본 발명에 따른 신규 그레핀계 복합체는 가시광선의 빛을 흡수하여 자신이 지니고 있는 전자들로 채워진 가전자대(valance band)로부터 전자가 비어 있는 전도대(conduction band)로 이동시킴으로써 산화환원 매개체가 전자를 잘 받아들여 화학반응을 수행하도록 하는 역할을 하여, 이로 인해 산화환원효소의 보조인자의 재생방법을 이용한 효소반응에 의해 종래 사용되는 광촉매(W2Fe4Ta2O17, BiVO4-그래핀 산화물, TiO2-그래핀 산화물)보다 이산화탄소로부터 포름산을 2시간 동안 10배 이상으로 제조하는 것으로 나타났다(표 2 및 도 8 참조). 따라서, 본 발명에 따른 상기 그레핀계 복합체는 가시광선 흡수 광촉매로서 유용하게 사용될 수 있다.
The novel grepin-based composite according to the present invention absorbs visible light and moves the valence band filled with the electrons it possesses from the valence band to the empty conduction band, thereby allowing the redox mediator to move the electron well. It takes the role of performing a chemical reaction, and thus the photocatalyst (W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 , BiVO 4 -graphene oxide, conventionally used by the enzymatic reaction using the regeneration method of the cofactor of the oxidoreductase It was found that formic acid was produced 10 times or more from carbon dioxide than TiO 2 -graphene oxide) for 2 hours (see Table 2 and FIG. 8 ). Therefore, the graphene-based composite according to the present invention can be usefully used as a visible light absorbing photocatalyst.
또한, 본 발명은 반응기에 인산완충용액; 산화형의 산화환원효소 보조인자; 메틸비올로겐, 루테늄(Ⅱ) 복합체 및 로듐(Ⅲ) 복합체로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 1종 이상의 산화환원 매개체; 및 가시광선 흡수 그레핀계 광촉매를 넣고 빛을 가하면서 교반시켜 환원형의 산화환원효소 보조인자를 생성시키는 단계를 포함하는 산화환원효소 보조인자의 재생방법을 제공한다.
In addition, the present invention is a phosphoric acid buffer solution in the reactor; Oxidoreductase cofactors of oxidized type; Any one or more redox mediators selected from the group consisting of methylbiologen, ruthenium (II) complexes and rhodium (III) complexes; And it provides a method of regenerating oxidoreductase cofactor comprising the step of adding a visible light absorbing grepin-based photocatalyst and stirring while applying light to generate a reduced oxidoreductase cofactor.
본 발명에 있어서, 전기화학적 환원의 대상이 되는 산화형의 산화환원효소 보조인자는 니코틴아미드 보조인자인 NAD+(nicotinamide adenine dinucleotide), NADP+(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) 또는 플라빈 보조인자인 FAD+(flavin adenine dinucleotide), FMN+(flavin mononucleotide)일 수 있으며, 바람직하게는 NAD+일 수 있다.
In the present invention, The cofactor oxidoreductase of oxidation to be subjected to the electrochemical reduction nicotinamide cofactor design NAD + (nicotinamide adenine dinucleotide), NADP + (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) or a flavin cofactor design FAD + (flavin adenine dinucleotide), FMN + (flavin mononucleotide), preferably NAD + .
본 발명에 있어서, 상기 산화환원 매개체로서 메틸비올로겐, 루테늄(Ⅱ) 복합체 및 로듐(Ⅲ) 복합체는 산화형의 산화환원효소 보조인자에 전자전달(electron transfer)을 위한 매개체의 용도로 사용된다.In the present invention, as the redox mediator, methylbiologen, ruthenium (II) complex and rhodium (III) complex are used as mediators for electron transfer to oxidative redox enzyme cofactors. .
상기 산화환원 매개체 중 메틸비올로겐(methyl viologen)은 NAD(P)H에 대한 전자전달 매개체로써 플라보효소(Flavoenzyme)(Ferredoxin reductase(FDR) 또는 Lipoamide Dehydrogenase(LipDH))와 함께 간접적인 전기화학적 재생에 사용된 바 있으며(Dicosimo et al. J Org Chem (1981) 46 : 4622-4623), 루테늄(Ⅱ) 복합체인 (헥사메틸벤젠-2,2′-비피리딘클로로)루테늄(Ⅱ)은 케톤류의 알콜로의 환원에 전자전달을 위한 매개체로 사용된 바 있고(Ogo S, Abura T, Watanabe Y(2002) Organometallics 21:2964-2969; Yaw Kai Yan et al. J Biol Inorg Chem (2006) 11: 483-488), 로듐(Ⅲ) 복합체인 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(Ⅲ):[Cp*Rh(bpy)H2O]2+(이하 Mox)은 NAD(P)+에의 전자전달을 위한 매개체(K. Vuorilehto, S. Lutz, C. Wandrey, Bioelectrochemistry 2004, 65, 1) 및 FAD+에의 전자전달을 위한 매개체(F. Hollmann et al. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 19-20(2003) 167-176)로 사용된 바 있다. 따라서, 상기 산화환원 매개체는 전자와 양성자를 전달함으로써 산화환원효소 보조인자의 재생 동역학(kinetics)을 개량하는데 사용된다.Among the redox mediators, methyl viologen is an indirect electrochemical regeneration with Flavoenzyme (Ferredoxin reductase (FDR) or Lipoamide Dehydrogenase (LipDH)) as an electron transfer mediator for NAD (P) H. (Dicosimo et al. J Org Chem (1981) 46: 4622-4623), and the ruthenium (II) complex (hexamethylbenzene-2,2′-bipyridinechloro) ruthenium (II) is used in ketones. It has been used as a medium for electron transfer to the reduction to alcohol (Ogo S, Abura T, Watanabe Y (2002) Organometallics 21: 2964-2969; Yaw Kai Yan et al. J Biol Inorg Chem (2006) 11: 483 488), a (rhota (III)) complex (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III): [Cp * Rh (bpy) H 2 O] 2+ (hereinafter M ox ) Are mediators for electron transfer to NAD (P) + (K. Vuorilehto, S. Lutz, C. Wandrey, Bioelectrochemistry 2004, 65, 1) and mediators for electron transfer to FAD + (F. Hollmann et al. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic 19-20 (2003) 167-176). Thus, the redox mediator is used to improve the regeneration kinetics of oxidoreductase cofactors by delivering electrons and protons.
이때, 상기 루테늄(Ⅱ) 복합체는 바람직하게는 (헥사메틸벤젠-2,2′-비피리딘클로로)루테늄(Ⅱ)일 수 있고, 상기 로듐(Ⅲ) 복합체는 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(Ⅲ)을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다.
In this case, the ruthenium (II) complex may preferably be (hexamethylbenzene-2,2′-bipyridinechloro) ruthenium (II), and the rhodium (III) complex may be (pentamethylcyclopentadienyl-2 Preference is given to using, 2'-bipyridinechloro) rhodium (III), but not limited thereto.
본 발명에 있어서, 상기 광촉매는 기존의 전극을 대신하여 태양광을 흡수하여 자신이 지니고 있는 전자들로 채워진 가전자대(valance band)로부터 전자를 비어 있는 전도대(conduction band)로 이동시킴으로써 산화환원 매개체가 전자를 잘 받아들여 화학반응을 수행하도록 하는 역할을 한다. 이때, 지구에서 이용가능한 전체 태양광 에너지 중 46%가 가시광선 영역이고 단지 4%가 자외선 영역인 바, 본 발명에서 사용되는 광촉매는 가시광선을 흡수하여 전자를 들뜨게 할 수 있는 물질인 것이 바람직하다. 상기 가시광선 흡수 광촉매로는 바람직하게 본 발명에 따른 신규 그레핀계 광촉매를 사용할 수 있다.
In the present invention, the photocatalyst absorbs sunlight in place of the existing electrode to move the electron from the valence band filled with the electrons it possesses to the empty conduction band, thereby reducing the redox mediator. It accepts the former and plays a role in chemical reaction. At this time, since 46% of the total solar energy available on the earth is in the visible light region and only 4% is the ultraviolet light region, the photocatalyst used in the present invention is preferably a material capable of absorbing visible light to excite electrons. . As the visible light absorbing photocatalyst, preferably, the novel grepin-based photocatalyst according to the present invention may be used.
본 발명에 있어서, 상기 빛은 가시광선인 것이 바람직하고, 그 파장은 280~650 nm인 것이 바람직하다. 만일 상기 파장이 280 nm 미만이면 지표면의 태양광에 존재하지 않아 실용성에 문제가 있고, 650 nm 이상이면 광에너지가 충분하지 않아 반응이 제한되는 문제가 있다.In the present invention, the light is preferably visible light, the wavelength is preferably 280 ~ 650 nm. If the wavelength is less than 280 nm, there is a problem in practicality because it does not exist in the sunlight on the surface of the surface, if the 650 nm or more there is a problem that the reaction is limited because the light energy is not enough.
상기 빛의 근원은 태양, 램프, 등 일 수 있으나, 이에 제한되지는 않으며, 280~650 nm의 파장의 빛을 발광하는 물질이면 가능하다.
The light source may be a sun, a lamp, or the like, but is not limited thereto, and may be any material that emits light having a wavelength of 280 to 650 nm.
본 발명에 따른 가시광선 광촉매를 이용한 산화환원효소의 보조인자 재생방법의 메카니즘은 다음과 같다.The mechanism of the cofactor regeneration method of the oxidoreductase using the visible light photocatalyst according to the present invention is as follows.
구체적으로, 본 발명에서는 산화환원 매개체로 로듐(Ⅲ) 복합체를 사용하였으며, 이 경우, 도 2에 나타낸 바와 같이, 광촉매인 그레핀계 복합체가 가시광선을 흡수하여 전자가 들뜸으로써 Mox에 전자를 전달하여 Mred1을 형성하며(단계 a); 상기 단계 a의 Mred1는 산화되어 Mred2를 형성하고(단계 b); 상기 단계 b의 Mred2가 산화형 산화환원효소 보조인자에게 전자와 양성자를 전달하여 환원형 산화환원효소 보조인자를 형성하게 된다(단계 c).
Specifically, in the present invention, a rhodium (III) complex was used as a redox mediator. In this case, as shown in FIG . 2 , the photocatalyst grepin-based complex absorbs visible light to lift electrons to form M ox . Transfer to form M red1 (step a); M red1 of step a is oxidized to form M red2 (step b); M red2 of step b transfers electrons and protons to oxidative oxidoreductase cofactors to form a reduced oxidoreductase cofactor (step c).
또한, 본 발명에 있어서, 전자의 들뜸으로 광촉매 내 가전자대에 생성된 정공(h+VB)을 안정화시키기 위하여 환원제를 추가적으로 사용할 수 있다. 이때 사용되는 환원제는 트리에톡시아르신(TEOA), EDTA, 트리에틸아민(TEA), NaBH4, 시트르산나트륨(sodium citrate) 등이 바람직하다.In addition, in the present invention, a reducing agent may be additionally used to stabilize holes (h + VB) generated in the valence band in the photocatalyst by the excitation of electrons. At this time, the reducing agent used is triethoxy arsine (TEOA), EDTA, triethylamine (TEA), NaBH 4 , sodium citrate (sodium citrate) is preferable.
본 발명에 있어서, 상기 환원제의 첨가량은 0.5~20 mM인 것이 바람직하다.In this invention, it is preferable that the addition amount of the said reducing agent is 0.5-20 mM.
만일 상기 환원제의 첨가량이 0.5 mM 미만이면 반응 시스템이 불안정해져 지는 문제가 있고, 20 mM을 초과하면 수율이 오히려 감소하는 문제가 있다.If the addition amount of the reducing agent is less than 0.5 mM there is a problem that the reaction system becomes unstable, if it exceeds 20 mM there is a problem that the yield is rather reduced.
본 발명에 따른 화학식 1의 광촉매의 NADH 재생 효율을 측정한 결과, BiVO4-그래핀 산화물 광촉매를 사용하는 경우에는 NADH의 전환율이 10.53%이며, W2Fe4Ta2O17 광촉매를 사용하는 경우에는 NADH의 전환율이 14.50%이나, 본 발명에 따른 그레핀계 광촉매를 사용하는 경우에는 NADH의 전환율이 54.02%로써 다른 광촉매에 비해 3.5배 이상 우수한 NADH 전환율을 나타내는 것을 알 수 있다.As a result of measuring the NADH regeneration efficiency of the photocatalyst of Formula 1 according to the present invention, the conversion of NADH is 10.53% when BiVO 4 -graphene oxide photocatalyst is used, W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 In the case of using a photocatalyst, the conversion rate of NADH is 14.50%, but in the case of using the grepin-based photocatalyst according to the present invention, the conversion rate of NADH is 54.02%, which is 3.5 times better than other photocatalysts. .
따라서, 본 발명에 따른 그레핀계 광촉매는 우수한 전환효율로 산화환원효소의 보조인자를 재생할 수 있어 대량생산 및 자동화가 가능하며, 태양에너지를 사용하여 추가에너지 비용이 들지 않으므로 경제적이고 환경친화적이다(표 1 및 도 4 참조).
Therefore, the graphene-based photocatalyst according to the present invention can reproduce cofactors of oxidoreductases with excellent conversion efficiency and thus can be mass-produced and automated, and it is economical and environmentally friendly because it does not incur additional energy costs using solar energy ( See Table 1 and FIG. 4 ).
또한, 본 발명은 반응기에 인산완충용액; 산화형의 산화환원효소 보조인자; 메틸비올로겐, 루테늄(Ⅱ) 복합체 및 로듐(Ⅲ) 복합체로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 1종 이상의 산화환원 매개체; 가시광선 흡수 그레핀계 광촉매; 포르메이트 디하이드로게나제를 넣고 이산화탄소 분위기 하에서 빛을 가하면서 교반시켜 포름산을 생산하는 단계를 포함하는 상기 가시광선 흡수 그레핀계 광촉매를 사용한 산화환원효소의 보조인자의 재생방법을 이용한 효소반응에 의해 이산화탄소로부터 포름산을 선택적으로 제조하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention is a phosphoric acid buffer solution in the reactor; Oxidoreductase cofactors of oxidized type; Any one or more redox mediators selected from the group consisting of methylbiologen, ruthenium (II) complexes and rhodium (III) complexes; Visible light absorbing grepin-based photocatalyst; By enzymatic reaction using a method of regenerating the cofactor of the oxidoreductase using the visible light absorbing grepin-based photocatalyst comprising the step of adding formate dehydrogenase and stirring with light under carbon dioxide atmosphere to produce formic acid Provided is a method for selectively preparing formic acid from carbon dioxide.
본 발명자들은 상기 그레핀계 광촉매의 이산화탄소로부터 포름산의 생산량을 측정한 결과, 2시간 동안 144 μmol의 생산량을 나타내어 종래의 광촉매(W2Fe4Ta2O17: 14.25 μmol, BiVO4-그래핀 산화물 복합체: 9.01 μmol)보다 포름산의 생산량이 우수한 것으로 나타났다(표 2 및 도 8 참조)The present inventors measured the production of formic acid from carbon dioxide of the graphene-based photocatalyst, and showed a yield of 144 μmol for 2 hours. Thus, the conventional photocatalyst (W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 : 14.25 μmol, BiVO 4 -graphene oxide) Complex: 9.01 μmol) showed better production of formic acid (see Table 2 and Figure 8 ).
따라서, 본 발명에 따른 신규 그레핀계 광촉매로 사용한 상기 방법은 태양에너지를 사용하여 추가에너지 비용 없이 우수한 효율로 산화환원효소의 보조인자를 재생할 수 있어 경제적이고 환경친화적이므로, 대량생산 및 자동화가 가능하며, 더욱이 온난화가스인 이산화탄소를 고정하여 다양한 화합물을 선택적으로 제조하는 인공광합성을 응용한 신규 제조 산업에 유용하게 사용될 수 있다.
Therefore, the method used as a novel grepin-based photocatalyst according to the present invention can reproduce cofactors of oxidoreductases with excellent efficiency without additional energy costs using solar energy, so it is economical and environmentally friendly, thus allowing mass production and automation. In addition, it can be usefully used in the new manufacturing industry applying artificial photosynthesis to selectively prepare a variety of compounds by fixing the carbon dioxide which is a warming gas.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명하고자 하지만, 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited to these Examples.
<<
실시예Example
1> 신규 1> new
그레핀계Grepin system
복합체( Complex
CCGCCG
--
BODIPYBODIPY
)의 제조)
그래파이트 분말(Junsei Chemicals Co. Ltd. Lot. No. D12590-5)을 준세이 케미칼사로부터 구입하였다. 분석용 등급 NaNO3, KMnO4 및 98% H2SO4, 30% H2O2 수용액을 삼전화학(경기도 평택시)으로부터 구입하였으며 추가 정제 없이 바로 사용하였다. 피콜릴(CAS No. 1539-46-0), 2,4-디메틸-3-에틸-피롤(CAS No. 512-22-6 ~97%), 시아누르 염화물(CAS No. 9550-1), 보론 트리플루오라이드 에테레이트[(C2H5)2O. BF3] (Cat. No. 17550-1), DDQ (~98% 순도), DIEA (Cat No. D12590-5), 인산나트륨 완충액, 트리에탄올아민 ≥98% (Cas No. 102-71-6), 포름산 디하이드로게나제(Cas No. 9028-85-7), NAD+ 99% 순도(Cas No. 53-84-9)를 시그마-알드리치사로부터 구입하였다. 아닐린(Cat. No. 01384-01)을 간토 케미칼사로부터 구입하였다. 용매들은 HPLC 등급을 사용하였다. 초순수를 Millipore System(Tech Sinhan Science)에 의해 제조하였다.
Graphite powder (Junsei Chemicals Co. Ltd. Lot.No. D12590-5) was purchased from Junsei Chemical. Analytical grade NaNO 3 , KMnO 4 and 98% H 2 SO 4 , 30% H 2 O 2 aqueous solutions were purchased from Samjeon Chem (Pyeongtaek, Gyeonggi-do) and used directly without further purification. Picolyl (CAS No. 1539-46-0), 2,4-dimethyl-3-ethyl-pyrrole (CAS No. 512-22-6 to 97%), cyanuric chloride (CAS No. 9550-1), Boron trifluoride etherate [(C 2 H 5 ) 2 O. BF 3 ] (Cat. No. 17550-1), DDQ (~ 98% purity), DIEA (Cat No. D12590-5), sodium phosphate buffer Sigma, triethanolamine ≥98% (Cas No. 102-71-6), formic acid dehydrogenase (Cas No. 9028-85-7), NAD + 99% purity (Cas No. 53-84-9) -Purchased from Aldrich. Aniline (Cat. No. 01384-01) was purchased from Kanto Chemical. Solvents used HPLC grade. Ultrapure water was prepared by the Millipore System (Tech Sinhan Science).
(1) 1-(1) 1- 클로로Chloro -2--2- 아미노벤젠Aminobenzene -3--3- 옥시Oxy -- 벤즈알데히드Benzaldehyde -- 트리아진의Triazinic 제조 Produce
문헌(Hu YH, Wang H, Hu B. Thinnest Two-Dimensional Nanomaterial-Graphene for Solar Energy. ChemSusChem 2010;3:782-796.)에 따라 1-클로로-2-아미노벤젠-3-옥시-벤즈알데히드-트리아진을 제조하였다.1-chloro-2-aminobenzene-3-oxy-benzaldehyde-tree according to Hu YH, Wang H, Hu B. Thinnest Two-Dimensional Nanomaterial-Graphene for Solar Energy.ChemSusChem 2010; 3: 782-796. A azine was prepared.
구체적으로 0 ℃의 냉수 배쓰에서 시아누르 염화물(2.206 g, 12.0 mmol)을 100 ml의 염화메틸렌에 용해시키고, 여기에 4-하이드록시벤즈알데히드(1.620 g, 13.2 mmol) 및 디이소프로필에틸아민(2.52 ml, 14.4 mmol)을 DCM(50 ml)에 녹인 용액을 첨가하였다. 혼합물을 0 ℃에서 추가 40분 동안 교반시켰다. 반응 완료를 TLC(에틸 아세테이트/헥산 = 5/40)로 모니터링하였다. 아닐린(1.227 g, 13.2 mmol) 및 DIPEA(2.52 ml, 14.4 mmol)의 혼합물을 30 ml의 DCM에 녹인 용액을 동일한 온도에서 첨가한 다음 냉수 배쓰를 제거하였다. 2시간 교반 후, 실온에서 TLC(에틸 아세테이트/헥산 = 25/75)로 모니터링하고, 반응물을 실리카겔 컬럼(약 120 g)을 통해 통과시킨 다음 에틸 아세테이트로 세척하였다. 진공 하에서 농축시킨 후, 조 생성물을 플래쉬 크로마토그래피(에틸 아세테이트/헥산=1/6 내지 1/4)로 정제하여 1-클로로-2-아미노벤젠-3-옥시-벤즈알데히드-트리아진을 흰색 고체로 얻었다(2.96 g, 수율 76%).Specifically, cyanuric chloride (2.206 g, 12.0 mmol) was dissolved in 100 ml of methylene chloride in a cold water bath at 0 ° C., where 4-hydroxybenzaldehyde (1.620 g, 13.2 mmol) and diisopropylethylamine (2.52 ml, 14.4 mmol) was added to a solution of DCM (50 ml). The mixture was stirred at 0 ° C for an additional 40 minutes. Reaction completion was monitored by TLC (ethyl acetate / hexane = 5/40). A solution of aniline (1.227 g, 13.2 mmol) and DIPEA (2.52 ml, 14.4 mmol) in 30 ml of DCM was added at the same temperature followed by the cold water bath. After stirring for 2 hours, TLC (ethyl acetate / hexane = 25/75) was monitored at room temperature, the reaction was passed through a silica gel column (about 120 g) and then washed with ethyl acetate. After concentration in vacuo, the crude product was purified by flash chromatography (ethyl acetate / hexane = 1/6 to 1/4) to convert 1-chloro-2-aminobenzene-3-oxy-benzaldehyde-triazine to a white solid. Obtained (2.96 g, yield 76%).
1H NMR (CDCl3): δ 7.00-7.99 (m, 7H), 8.02 (d, 2H, J = 8.6 Hz), 10.04 (s, 1H); 1 H NMR (CDCl 3 ): δ 7.00-7.99 (m, 7H), 8.02 (d, 2H, J = 8.6 Hz), 10.04 (s, 1H);
13C NMR (CDCl3): δ 120.5, 121.02, 122.63, 125.11, 128.93, 129.21, 131.29, 134.30, 136.21, 156.31, 190.76.; 13 C NMR (CDCl 3 ): δ 120.5, 121.02, 122.63, 125.11, 128.93, 129.21, 131.29, 134.30, 136.21, 156.31, 190.76 .;
EI+ 질량 분석, m/z 326.0 (M+H)+ 및 Rf=0.39.
EI + mass spectrometry, m / z 326.0 (M + H) + and R f = 0.39.
(2) 1-(2) 1- 피콜릴아민Picolylamine -2--2- 아미노벤젠Aminobenzene -3--3- 옥시Oxy -- 벤즈알데히드Benzaldehyde -- 트리아진의Triazinic 제조 Produce
문헌(Hu YH, Wang H, Hu B. Thinnest Two-Dimensional Nanomaterial-Graphene for Solar Energy. ChemSusChem 2010;3:782-796.)에 따라 1-피콜릴아민-2-아미노벤젠-3-옥시-벤즈알데히드-트리아진을 제조하였다.1-Picolylamine-2-aminobenzene-3-oxy-benzaldehyde according to Hu YH, Wang H, Hu B. Thinnest Two-Dimensional Nanomaterial-Graphene for Solar Energy.Chem Sus Chem 2010; 3: 782-796. Triazine was prepared.
구체적으로, K2CO3 수용액(1.104 g/12 ml 물), 디-(2-피콜릴)아민(400 mg, 4.0 mmol)의 존재 하에서 상기에서 제조된 1-클로로-2-아미노벤젠-3-옥시-벤즈알데히드-트리아진(2.0 mmol)을 THF(70 ml)에 용해시켰다. 반응물을 5시간 동안 환류시킨 다음 혼합물을 약 15 ml가 되도록 농축시키고, 이후 여기에 100 ml의 클로로포름을 첨가하였다. 유기층을 물로 세척하고 무수 황산 마그네슘으로 건조시켰다. 진공 하에서 농축한 후 조 생성물을 플래쉬 크로마토그래피(에틸 아세테이트/헥산=75/25)로 정제하여 목적화합물을 88%의 수율로 얻었다.Specifically, K 2 CO 3 1-chloro-2-aminobenzene-3-oxy-benzaldehyde-triazine prepared above in the presence of aqueous solution (1.104 g / 12 ml water), di- (2-picolyl) amine (400 mg, 4.0 mmol) (2.0 mmol) was dissolved in THF (70 ml). The reaction was refluxed for 5 hours and then the mixture was concentrated to about 15 ml, after which 100 ml of chloroform were added. The organic layer was washed with water and dried over anhydrous magnesium sulfate. After concentration in vacuo the crude product was purified by flash chromatography (ethyl acetate / hexane = 75/25) to afford the desired compound in 88% yield.
1H NMR (CDCl3): δ 4.82 (s, 2H), 4.99 (s, 2H), 6.92-7.09 (m, 2H), 7.11-7.50 (m, 9H), 7.54-7.77 (m, 2H), 7.83 (d, 2H, J = 8.50 Hz), 8.42 (d, 1H, J = 4.5 Hz), 8.54 (d, 1H, J = 4.5 Hz), 9.96 (s, 1H); 1 H NMR (CDCl 3 ): δ 4.82 (s, 2H), 4.99 (s, 2H), 6.92-7.09 (m, 2H), 7.11-7.50 (m, 9H), 7.54-7.77 (m, 2H), 7.83 (d, 2H, J = 8.50 Hz), 8.42 (d, 1H, J = 4.5 Hz), 8.54 (d, 1H, J = 4.5 Hz), 9.96 (s, 1H);
13C NMR (CDCl3): δ 53.87, 120.83, 121.38, 121.75, 122.20, 122.49, 123.38, 128.73, 130.90, 133.42, 136.49, 136.70, 138.91, 149.42, 157.17, 157.36, 165.37, 167.20, 190.97.; 13 C NMR (CDCl 3): δ 53.87, 120.83, 121.38, 121.75, 122.20, 122.49, 123.38, 128.73, 130.90, 133.42, 136.49, 136.70, 138.91, 149.42, 157.17, 157.36, 165.37, 167.20, 190.97.
EI+ 질량 분석, m/z 489.0 (M+H)+.EI + mass spectrometry, m / z 489.0 (M + H) + .
(3) (3) 트리아진Triazine 트리포드Tripod BODIPYBODIPY 의 제조Manufacturing
1-피콜릴아민-2-아미노벤젠-3-옥시-벤즈알데히드-트리아진(1.20 mmol) 및 2, 4-디메틸피롤(0.24g, 2.56 mmol)을 60 ml의 무수 THF에 녹인 용액에 촉매량의 트리플루오로아세트산을 아르곤 하, 및 실온에서 첨가하였다. 20시간 동안 교반시킨 후, 혼합물에 2,3-디클로로-5,6-디시아노-1,4-벤조퀴논(1.20 mmol)을 30 ml의 무수 THF에 녹인 용액을 10분 동안 천천히 첨가한 다음 반응 용액을 실온에서 2시간 동안 추가로 교반시켰다. 다음으로 혼합물을 산화알루미늄 컬럼(~40 g)에 통과시켜 불순물을 제거한 다음 MC/MeOH(97.5/2.5) 용매로 용리시켜 어두운 갈색 용액을 얻었다. 농축 후 잔사를 진공 하에서 밤새 건조시킨 다음 추가 정제 단계 없이 바로 사용하였다.A catalytic amount of tree in a solution of 1-picolylamine-2-aminobenzene-3-oxy-benzaldehyde-triazine (1.20 mmol) and 2, 4-dimethylpyrrole (0.24 g, 2.56 mmol) in 60 ml of dry THF Fluoroacetic acid was added under argon and at room temperature. After stirring for 20 hours, a solution of 2,3-dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone (1.20 mmol) in 30 ml of anhydrous THF was slowly added to the mixture for 10 minutes, followed by reaction. The solution was further stirred for 2 hours at room temperature. The mixture was then passed through an aluminum oxide column (˜40 g) to remove impurities and eluted with MC / MeOH (97.5 / 2.5) solvent to give a dark brown solution. After concentration the residue was dried under vacuum overnight and used directly without further purification steps.
무수 THF (60 ml) 및 트리에틸아민(6.0 ml)을 조 생성물이 함유된 플라스크에 아르곤 분위기 및 실온에서 교반시키면서 반복적으로 첨가한 후 보론 트리플루오라이드-디에테레이트(6.0 ml)를 20분 동안 드로핑 깔대기를 이용하여 적하하였다. 혼합물을 밤새 교반시킨 다음 Al2O3 컬럼(~40 g)에 통과시키고 MC/MeOH(98.03/1.97) 혼합용매로 세척하였다. 용매를 농축시킨 후 잔사를 DCM(100 ml)에 재용해시키고, 15% K2CO3 수용액(3 × 200 ml) 및 물(160 ml)로 충분히 세척하고 황산 마그네슘으로 건조시키고, 진공 하에서 농축시키고, 조 생성물을 플래쉬 크로마토그래피(DCM/MeOH = 98/2)로 정제하여 목적화합물을 30% 수율로 얻었다.Anhydrous THF (60 ml) and triethylamine (6.0 ml) were added repeatedly to the flask containing crude product with stirring under argon atmosphere and room temperature followed by boron trifluoride-diethrate (6.0 ml) for 20 minutes. It was dripped using the dropping funnel. The mixture was stirred overnight then passed through an Al 2 O 3 column (˜40 g) and washed with MC / MeOH (98.03 / 1.97) mixed solvent. After concentration of the solvent the residue was redissolved in DCM (100 ml), washed well with 15% K 2 CO 3 aqueous solution (3 × 200 ml) and water (160 ml), dried over magnesium sulfate, concentrated under vacuum The crude product was purified by flash chromatography (DCM / MeOH = 98/2) to afford the desired compound in 30% yield.
1H NMR (CDCl3): δ 0.93 (t, 6H, J = 7.5 Hz, CH3 of ethyl group), 1.30 (s, 6H, CH3 on BODIPY), 2.25 (q, 4H, J= 7.5Hz, CH2 of ethyl group), 2.53 (s, 6H, CH3 on BODIPY closest to N), 4.85 (s, 2H), 4.94 (s, 2H), 6.99 (s, 2H), 7.01 (m, 1H), 7.11-7.22 (m, 10H), 7.24 (m, 2H), 7.59 (m, 2H), 8.53 (d, 1H, J = 4.5 Hz), 8.54 (d, 1H, J = 4.5 Hz). 1 H NMR (CDCl 3 ): δ 0.93 (t, 6H, J = 7.5 Hz, CH 3 of ethyl group), 1.30 (s, 6H, CH 3 on BODIPY), 2.25 (q, 4H, J = 7.5 Hz,
13C NMR (CDCl3): δ 8.97, 12.46, 14.57, 17.00, 30.91, 46.14, 120.20, 121.44, 121.43, 122.21, 122.33, 122.82, 123.39, 128.81, 129.08, 136.52, 136.63, 138.22, 149.28, 149.44, 153.79, 157.30; 13 C NMR (CDCl 3 ): δ 8.97, 12.46, 14.57, 17.00, 30.91, 46.14, 120.20, 121.44, 121.43, 122.21, 122.33, 122.82, 123.39, 128.81, 129.08, 136.52, 136.63, 138.22, 149.28, 149.44. , 157.30;
1B NMR (CDCl3): -2.234-3.124 (D, 1B).; 1 B NMR (CDCl 3 ): -2.234-3.124 (D, 1B) .;
EI+ 질량 분석, m/z 707.0 (M+H)+.
EI + mass spectrometry, m / z 707.0 (M + H) + .
(4) 화학적으로 변환된 그래핀((4) chemically converted graphene ( chemicallychemically convertedconverted graphenegraphene ; ; CCGCCG )의 제조)
산화 그래핀을 천연 그래파이트로부터 헤머스 방법(Jr WSH, Offeman RE, J. Am. Chem. Soc 1958;80(6): 1339.)에 의해 제조하였다.Graphene oxide was prepared from natural graphite by the Hemmers method (Jr WSH, Offeman RE, J. Am. Chem. Soc 1958; 80 (6): 1339.).
구체적으로, 5.0 g의 분말화된 플레이크 그래파이트(325 메쉬) 및 2.5 g의 질산나트륨을 1.15 리터의 황산에 넣었다. 성분들은 안전을 목적으로 얼음조에 넣었다. 격렬한 교반을 유지하면서 15.0 g의 과망간산 칼륨을 현탁액에 첨가하였다. 현탁액의 온도를 20 ℃가 넘지 않도록 주의하면서 첨가 비율을 조절하였다. 다음으로 얼음조를 치우고 상기 현탁액의 온도를 30분 동안 35 ℃로 상승시켰다. 반응이 진행됨에 따라 혼합물은 점차적으로 두꺼워지고 거품이 이는 것이 중단되었다. 20분 후에 상기 혼합물은 단지 적은 양의 기체를 갖는 약간 갈색을 띈 회색 페이스트가 되었다. 30분 후, 1.0 리터의 물을 상기 페이스트에 천천히 교반시키면서 넣어서 폭발적인 거품을 유도하였으며, 온도를 98 ℃로 상승시켰다. 희석된 현탁액을 이 온도에서 15분 동안 유지시켰다. 다음으로, 상기 현탁액을 약 2.0 리터의 따뜻한 물로 추가 희석시켰으며, 잔여 과망간산염 및 이산화망간을 투명한 용해가능한 황산 망간이 되도록 줄이기 위하여 과산화수소로 처리하였다. 상기 과산화수소를 처리하는 동안 상기 현탁액은 연노란색으로 변했다. 상기 현탁액을 여과하여 그 결과로 노란 갈색, 즉 케이크형이 되었다. 부반응에 의해 형성되는 약간 용해가능한 멜리트산 염의 침전물을 피하기 위하여 상기 현탁액이 따뜻한 상태에서 여과를 수행하였다. 약간 노란 갈색 여과 케이크를 총 2.0 리터의 온수로 3번 세척한 후, 산화 그래파이트 잔사를 4.0 리터의 물에 분산시켜 약 0.0285 g의 고체를 얻었다. 남아있는 염 불순물은 수지로 된 음이온 및 양이온 교환기로 처리하여 제거하였다. 원심분리 후 40 ℃에서 오산화인으로 탈수시켜 산화그래파이트의 건조 형태를 얻었다.Specifically, 5.0 g of powdered flake graphite (325 mesh) and 2.5 g of sodium nitrate were placed in 1.15 liters of sulfuric acid. The ingredients were placed in an ice bath for safety purposes. 15.0 g of potassium permanganate was added to the suspension while maintaining vigorous stirring. The addition rate was adjusted with care not to exceed the temperature of the suspension above 20 ° C. The ice bath was then removed and the temperature of the suspension was raised to 35 ° C. for 30 minutes. As the reaction proceeded the mixture gradually thickened and stopped foaming. After 20 minutes the mixture became a slightly brownish gray paste with only a small amount of gas. After 30 minutes, 1.0 liter of water was added to the paste with slow stirring to induce an explosive bubble and the temperature was raised to 98 ° C. The diluted suspension was kept at this temperature for 15 minutes. Next, the suspension was further diluted with about 2.0 liters of warm water and treated with hydrogen peroxide to reduce the residual permanganate and manganese dioxide to a clear soluble manganese sulfate. The suspension turned pale yellow during the treatment of hydrogen peroxide. The suspension was filtered to give a yellowish brown, ie cake form. Filtration was carried out while the suspension was warm to avoid precipitation of slightly soluble melic acid salts formed by side reactions. The slightly yellow brown filter cake was washed three times with a total of 2.0 liters of hot water and then the graphite oxide residue was dispersed in 4.0 liters of water to yield about 0.0285 g of solid. The remaining salt impurities were removed by treatment with an anion and cation exchanger of resin. After centrifugation, dehydration was performed with phosphorus pentoxide at 40 ° C. to obtain a dry form of graphite oxide.
CCG는 Pulickel M. Ajayan의 방법(Gao W, Alemany LB, Ci L, Ajayan PM, Nature Chemisty 2009;1: 403-408.)으로 제조하였다. 구체적으로, 건조 산화그래파이트(GO)를 탈이온수에 분산시켜 콜로이드 용액을 얻었다. 이 용액의 pH를 9-10으로 조정하였다. 수소화붕소나트륨을 상기 GO 용액에 자기 교반하면서 직접 첨가하여 분산시키고, 혼합물을 일정하게 교반시키면서 1시간 동안 80 ℃에서 유지시켰다. 환원된 생성물을 여과 및 많은 양의 물로 여러번 세척하여 대부분의 잔사 이온을 제거하였다. 이 적당히 환원된 GO를 오산화인이 들어있는 진공 데시케이터에 넣고 2일 동안 유지시킨 다음, 농축된 황산에 재분산시키고 180 ℃로 승온시킨다음 12시간 동안 교반시켰다. 냉각 후 분산액을 탈이온수로 희석시켰다. 최종 생성물을 여과하여 분리하였다.
CCG was prepared by the method of Pulickel M. Ajayan (Gao W, Alemany LB, Ci L, Ajayan PM, Nature Chemisty 2009; 1: 403-408.). Specifically, dry graphite oxide (GO) was dispersed in deionized water to obtain a colloidal solution. The pH of this solution was adjusted to 9-10. Sodium borohydride was added directly to the GO solution with magnetic stirring to disperse, and the mixture was kept at 80 ° C. for 1 hour with constant stirring. The reduced product was filtered and washed several times with large amounts of water to remove most of the residual ions. This suitably reduced GO was placed in a vacuum desiccator containing phosphorus pentoxide and maintained for 2 days, then redispersed in concentrated sulfuric acid, warmed to 180 ° C. and stirred for 12 hours. After cooling the dispersion was diluted with deionized water. The final product was isolated by filtration.
(5) (5) CCGCCG -- BODIPYBODIPY 의 제조Manufacturing
상기 CCG-BODIPY를 문헌(Zhang X, Huang Y, Wang Y, Ma Y, Liu Z, Chen Y, Carbon 2008;47:313-347)에 보고된 방법을 응용하여 합성하였다.The CCG-BODIPY was synthesized by applying the method reported in Zhang X, Huang Y, Wang Y, Ma Y, Liu Z, Chen Y, Carbon 2008; 47: 313-347.
구체적으로, 화학적으로 변환된 그래핀(CCG, 50 mg)을 촉매량의 DMF의 존재 하에서 70 ℃에서 24시간 동안 SOCl2(25 ml)와 반응시켜 CCG의 아실 클로라이드를 얻었다. 과량의 SOCl2를 감압 하에서 증발시킨 후 잔여 SOCl2를 톨루엔으로 세척하였다. 다음으로 BODIPY(150 mg)를 촉매량의 트리에틸아민(1 ml), 아르곤 및 상기 잔사의 존재 하에서 DCM(50 ml)에 넣고 130 ℃에서 3일 동안 교반시켰다. 반응이 완료된 후, 용액을 아세톤에 부었다. 그 결과로 생성된 현탁액을 0.1 μm 기공 크기 및 직경 47 mm의 막 필터를 통해 여과하였다. 조 생성물을 CHCl3/CH2Cl2를 이용하여 상기 동일한 절차를 통해 여러번 다시 세척하였다. UV 분광학 및 박막 크로마토그래피로 최종 세척시 여액에 BODIPY가 존재하지 않음을 확인하였다. 다음으로 CCG-BODIPY를 소량의 물로 세척하여 산-아민 불순물을 제거하고 최종적으로 진공 하에서 건조시켜 그레핀계 광촉매인 혼성 CCG-BODIPY(40 mg)를 얻었다.Specifically, chemically converted graphene (CCG, 50 mg) was reacted with SOCl 2 (25 ml) at 70 ° C. for 24 hours in the presence of catalytic amount of DMF to obtain acyl chloride of CCG. Excess SOCl 2 was evaporated under reduced pressure and residual SOCl 2 was washed with toluene. Next, BODIPY (150 mg) was added to DCM (50 ml) in the presence of catalytic amount of triethylamine (1 ml), argon and the residue and stirred at 130 ° C. for 3 days. After the reaction was completed, the solution was poured into acetone. The resulting suspension was filtered through a membrane filter of 0.1 μm pore size and 47 mm diameter. The crude product was washed again several times using the same procedure using CHCl 3 / CH 2 Cl 2 . UV spectroscopy and thin layer chromatography confirmed the absence of BODIPY in the filtrate upon final wash. Next, CCG-BODIPY was washed with a small amount of water to remove acid-amine impurities and finally dried under vacuum to obtain a hybrid CCG-BODIPY (40 mg) which is a grepin-based photocatalyst.
제조된 그레핀계 광촉매의 3차원 구조를 도 3에 나타내었다.
3 shows a three-dimensional structure of the prepared grepin-based photocatalyst.
<분석><Analysis>
(1) 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼(1) ultraviolet-visible absorption spectrum
CCG, BODIPY 및 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물의 자외선-가시광선 스펙트럼을 도 4에 나타내었다.The ultraviolet-visible spectrum of CCG, BODIPY and the compound of formula 1 according to the present invention is shown in FIG. 4 .
도 4에 나타낸 바와 같이, CCG는 종래 BODIPY 흡수 밴드를 나타내지 않았으나, CH3CN:DMSO(4.5:0.5, v/v) 용매에 녹인 BODIPY는 약 500 nm 근처에서 강한 소레트(soret) 밴드를 나타내었으며, 본 발명에 따른 화합물은 약 465 nm 및 600 nm에서 두 밴드를 나타내었으며, 이는 공유결합으로 연결된 BODIPY으로 관찰되었다.As shown in FIG . 4 , CCG did not show a conventional BODIPY absorption band, but BODIPY dissolved in a CH3CN: DMSO (4.5: 0.5, v / v) solvent showed a strong soret band near about 500 nm. The compound according to the invention showed two bands at about 465 nm and 600 nm, which was observed with covalently linked BODIPY.
따라서, 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물은 BODIPY를 포함하고 있으며, 가시광선 영역에서 빛을 흡수하는 것을 알 수 있다.
Therefore, it can be seen that the compound of Formula 1 according to the present invention contains BODIPY and absorbs light in the visible light region.
(2) (2) FTIRFTIR 스펙트럼 spectrum
CCG 및 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물의 FTIR 스펙트럼을 도 5에 나타내었다.The FTIR spectra of the CCG and the compound of formula 1 according to the invention are shown in FIG. 5 .
도 5에 나타낸 바와 같이, CCG 스펙트럼은 1060 cm-1 (νC-O), 1210-1225 cm-1 (ν페놀), 1370 cm-1 (ν3차 알콜에서 O-H 구부림(bending)), 1620 cm-1 (ν물에서 HOH 구부림), 및 1720 cm-1 (νC=O)의 중요 밴드를 나타낸다. 1720 cm-1의 피크는 -COOH기의 C=O 늘림(stretching)에 기여한다. 약 3400-3500 cm-1의 강하고 넓은 밴드는 카르복실기의 존재를 나타낸다.As shown in FIG . 5 , the CCG spectrum is 1060 cm −1 ( ν CO), 1210-1225 cm −1 ( ν phenol), 1370 cm −1 (OH bending in ν tertiary alcohol), 1620 cm − 1 (bending HOH in ν water), and an important band of 1720 cm −1 ( ν C═O). The peak of 1720 cm −1 contributes to the C═O stretching of the —COOH group. A strong broad band of about 3400-3500 cm −1 indicates the presence of carboxyl groups.
본 발명에 따른 화학식 1의 화합물의 스펙트럼에서는 1720 cm-1에서의 피크는 나타나지 않으나, 1613 cm-1에서 새로운 넓은 밴드가 나타났으며, 이는 아미드 카르보닐기의 C=O 특성 늘림 밴드에 대응한다. 3차 -N- 늘림 밴드는 3053 cm-1에 존재한다. 2864 cm-1, 1512-1613 cm-1, 1981 cm-1 및 1084 cm-1에서의 밴드는 CH2, -C=C-, -CH2CH3 및 B-N기의 늘림을 나타낸다. 또한, 1206-1299 cm-1에 나타나는 아미드기의 새로운 C-N 늘림 밴드는 구조 내의 아미드 카르보닐 연결기 -CON-의 존재를 분명히 나타내며, 이에 의해 CCG와 BODIPY의 커플링을 나타낸다.In the spectrum of the compound of formula 1 according to the present invention, no peak at 1720 cm −1 was observed, but a new wide band appeared at 1613 cm −1 , which corresponds to the C = O stretching band of the amide carbonyl group. The tertiary-N-stretch band is at 3053 cm −1 . Bands at 2864 cm −1 , 1512-1613 cm −1 , 1981 cm −1 and 1084 cm −1 show stretching of the CH 2 , —C═C—, —CH 2 CH 3 and BN groups. In addition, the new CN stretching band of the amide group appearing at 1206-1299 cm −1 clearly shows the presence of the amide carbonyl linking group —CON— in the structure, thereby indicating the coupling of CCG and BODIPY.
따라서, 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물은 CCG와 BODIPY가 커플링된 복합체임을 알 수 있다.
Therefore, it can be seen that the compound of Formula 1 according to the present invention is a complex in which CCG and BODIPY are coupled.
(3) X-선 (3) X-ray 회절diffraction 스펙트럼 spectrum
CCG, BODIPY 및 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물의 X-선 회절 스펙트럼을 도 6에 나타내었다.X-ray diffraction spectra of CCG, BODIPY and the compound of formula 1 according to the invention are shown in FIG. 6 .
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물은 BODIPY와 비교시 2θ = 17.9400 및 2θ = 25.8590에 새로운 피크가 형성되었으며, 0.494 nm의 d-스페이싱을 나타냄으로써 BODIPY보다 낮은 것으로 나타났다. 또한 CCG와 비교시 2θ = 25.8590에 새로운 피크를 나타내며, 0.345 nm의 d-스페이싱을 나타내었다. 이는 CCG가 BODIPY와 공유결합됨을 의미한다.As shown in FIG. 6, the compound of formula 1 according to the present invention had a new peak formed at 2θ = 17.9400 and 2θ = 25.8590 compared to BODIPY, and was shown to be lower than BODIPY by exhibiting d-spaced at 0.494 nm. It also showed a new peak at 2θ = 25.8590 when compared to CCG, showing a d-spaced of 0.345 nm. This means that CCG is covalently bound to BODIPY.
이로부터, 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물은 CCG와 BODIPY가 커플링된 복합체임을 확인하였다.
From this, it was confirmed that the compound of Formula 1 according to the present invention is a complex in which CCG and BODIPY are coupled.
<< 제조예Manufacturing example > 로듐(Ⅲ) 복합체의 제조> Preparation of Rhodium (III) Composite
NAD+와 그레핀계 광촉매와의 전자를 전달하기 위한 유기금속 매개체로 로듐(Ⅲ) 복합체인 (펜타메틸사이클로펜타디에닐-2,2'-비피리딘클로로)로듐(Ⅲ)(이하 M이라 함; M=[Cp*Rh(bpy)H2O]+; Cp*=C5Me5, bpy=2,2'-비피리딘)을 사용하였다. 상기 로듐(Ⅲ) 복합체 M은 Kelle와 Gratzel의 방법(F. Hollmann, B. Witholt, A. Schmid, J. Mol . Catal. B 2002, 19-20, 167)으로 합성하였다.
Rhodium (III) complex (pentamethylcyclopentadienyl-2,2'-bipyridinechloro) rhodium (III) (hereinafter referred to as M) as an organometallic medium for transferring electrons between NAD + and a grepin-based photocatalyst M = [Cp * Rh (bpy) H 2 O] + ; Cp * = C 5 Me 5 , bpy = 2,2′-bipyridine). The rhodium (III) complex M was synthesized by Kelle and Gratzel's method (F. Hollmann, B. Witholt, A. Schmid, J. Mol . Catal . B 2002, 19-20 , 167).
<< 실시예Example 2> 그레핀계 광촉매 및 로듐(Ⅲ) 복합체를 이용한 2> Using Grephin Photocatalyst and Rhodium (III) Composite NADHNADH 의 재생 방법How to play
석영 큐벳 반응기에 인산완충용액(100 mM, pH 7.0)을 넣고, 광촉매로서 상기 실시예 1에서 제조된 그레핀계 복합체 10 μmol, 전자전달체로서 상기 제조예 2에서 제조된 로듐(Ⅲ) 복합체 0.2 mmol, NAD 0.4 mmol 및 트리에탄올아민(TEOA) 400 mmol을 넣어 상온에서 교반시켰다. 반응은 아르곤 분위기 하에서 450W 제논 램프(λ≥420 nm)를 이용하였다. 이후 NADH의 농도를 분광광도계(UV-1800, Shimadzu)를 이용하여 340 nm에서 측정하였다.
Phosphoric acid buffer solution (100 mM, pH 7.0) was added to the quartz cuvette reactor, 10 μmol of the grepin-based composite prepared in Example 1 as a photocatalyst, and 0.2 mmol of the rhodium (III) complex prepared in Preparation Example 2 as an electron carrier. , 0.4 mmol of NAD and 400 mmol of triethanolamine (TEOA) were added and stirred at room temperature. The reaction was carried out using a 450 W xenon lamp (λ ≧ 420 nm) under argon atmosphere. Since the concentration of NADH was measured at 340 nm using a spectrophotometer (UV-1800, Shimadzu).
<< 실시예Example 3> 그레핀계 광촉매 및 3> grepin-based photocatalyst and 포르메이트Formate 디하이드로게나제를Dehydrogenase 이용한 이산화탄소의 포름산 전환반응 Conversion of Carbon Dioxide Using Formic Acid
상기 촉매반응을 위하여, 반응기에 100 mM의 인산완충용액(pH 7.0)을 넣고, 광촉매로서 상기 제조예 1에서 제조된 그레핀계 복합체 10 μmol, 전자전달체로서 상기 제조예 2에서 제조된 로듐(Ⅲ) 복합체 0.2 mmol, NAD 0.4 mmol, 트리에탄올아민(TEOA) 400 mmol 및 생촉매(효소)로서 포르메이트 디하이드로게나제(Formate Dehydrogenase) 3 unit을 넣어 상온에서 교반시켰다. 반응은 CO2 분위기 하에서 450W 제논 램프(λ≥420 nm)를 이용하였다. 이후 NADH의 농도를 분광광도계(UV-1800, Shimadzu)를 이용하여 340 nm에서 측정하였으며, 상기 반응으로 생성된 포름산은 가스크로마토그래피(GC, 5890 Series Ⅱ, HP)를 이용하여 정량 분석하였다.
For the catalytic reaction, 100 mM phosphate buffer solution (pH 7.0) was placed in a reactor, 10 μmol of the grepin-based complex prepared in Preparation Example 1 as a photocatalyst, and rhodium (III) prepared in Preparation Example 2 as an electron transporter. 0.2 mmol of the complex, 0.4 mmol of NAD, 400 mmol of triethanolamine (TEOA) and 3 units of Formate Dehydrogenase as a biocatalyst (enzyme) were added and stirred at room temperature. The reaction was carried out using a 450 W xenon lamp (λ ≧ 420 nm) under CO 2 atmosphere. Since the concentration of NADH was measured at 340 nm using a spectrophotometer (UV-1800, Shimadzu), the formic acid produced by the reaction was quantitatively analyzed by gas chromatography (GC, 5890 Series II, HP).
<< 실험예Experimental Example 1> 1> 광촉매에Photocatalyst 따른 Following NADHNADH 생성량 측정 Production measurement
본 발명에 따른 NADH 재생 방법에 있어서, 광촉매가 미치는 영향을 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.In the NADH regeneration method according to the present invention, the following experiment was performed to determine the effect of the photocatalyst.
광촉매에 있어서, 그레핀계 광촉매 및 상기 그레핀계 광촉매 대신 W2Fe4Ta2O17 촉매 및 BiVO4-그래핀 산화물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 2시간 동안 반응을 수행하여 시간에 따른 NADH의 생성량을 측정하였다.In the photocatalyst, W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 instead of the grepin-based photocatalyst and the grepin-based photocatalyst Except that the catalyst and BiVO 4 -graphene oxide was used, the reaction was carried out for 2 hours in the same manner as in Example 2 to determine the amount of NADH produced over time.
측정 결과를 표 1 및 도 7에 나타내었다.The measurement results are shown in Table 1 and FIG. 7 .
표 1 및 도 4에 나타낸 바와 같이, BiVO4-그래핀 산화물 광촉매를 사용하는 경우에는 NADH의 전환율이 10.53%이며, W2Fe4Ta2O17 광촉매를 사용하는 경우에는 NADH의 전환율이 14.50%이나, 본 발명에 따른 그레핀계 광촉매를 사용하는 경우에는 NADH의 전환율이 54.02%로써 다른 광촉매에 비해 3.5배 이상 우수한 NADH 전환율을 나타내는 것을 알 수 있다.As shown in Table 1 and FIG. 4 , when BiVO 4 -graphene oxide photocatalyst was used, the conversion rate of NADH was 10.53%, and W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 In the case of using a photocatalyst, the conversion rate of NADH is 14.50%, but in the case of using the grepin-based photocatalyst according to the present invention, the conversion rate of NADH is 54.02%, which is 3.5 times better than other photocatalysts. .
따라서, 본 발명에 따른 그레핀계 광촉매는 우수한 전환효율로 산화환원효소의 보조인자를 재생할 수 있어 대량생산 및 자동화가 가능하며, 태양에너지를 사용하여 추가에너지 비용이 들지 않으므로 경제적이고 환경친화적이다.
Therefore, the graphene-based photocatalyst according to the present invention can reproduce the cofactor of the oxidoreductase with excellent conversion efficiency and thus can be mass-produced and automated, and it is economical and environmentally friendly since it does not incur additional energy costs using solar energy.
<< 실험예Experimental Example 2> 2> 광촉매에Photocatalyst 따른 이산화탄소의 포름산 전환율 측정 Formic acid conversion of carbon dioxide according to
본 발명에 사용되는 그레핀계 광촉매가 NADH의 생성을 통한 생촉매반응에 미치는 영향을 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.In order to examine the effect of the grepin-based photocatalyst used in the present invention on the biocatalytic reaction through the production of NADH, the following experiment was performed.
광촉매에 있어서, 그레핀계 광촉매 및 상기 그레핀계 광촉매 대신 W2Fe4Ta2O17 촉매 및 BiVO4-그래핀 산화물을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 2시간 동안 반응을 수행하여 시간에 따른 이산화탄소의 포름산 생성량을 측정하였다.In the photocatalyst, W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 instead of the grepin-based photocatalyst and the grepin-based photocatalyst Except that the catalyst and BiVO 4 -graphene oxide was used, the reaction was carried out for 2 hours in the same manner as in Example 3 to determine the formic acid production of carbon dioxide over time.
측정 결과를 표 2 및 도 8에 나타내었다.The measurement results are shown in Table 2 and FIG. 8 .
표 2 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 광촉매로서 가시광선을 흡수하는 W2Fe4Ta2O17를 사용하는 경우에는 이산화탄소의 포름산 생성량이 14.25 μmol로 나타났으며 다른 그래핀계 촉매(BiVO4-그래핀 산화물)의 경우 이산화탄소의 포름산 생성량이 9.01 μmol로 나타났으나, 본 발명에 따른 그레핀계 광촉매를 사용하는 경우에는 이산화탄소의 포름산 생성량이 144 μmol로서 다른 광촉매에 비하여 10배 이상 우수한 전환율을 나타내었다.As shown in Table 2 and FIG. 8 , when W 2 Fe 4 Ta 2 O 17 absorbing visible light was used as the photocatalyst, formic acid production of carbon dioxide was found to be 14.25 μmol, and other graphene-based catalysts (BiVO 4 -graphene) were used. Fin oxide), the amount of formic acid produced in carbon dioxide was 9.01 μmol, but in the case of using the graphene photocatalyst according to the present invention, The amount of formic acid produced in carbon dioxide was 144 μmol, which was 10 times better than other photocatalysts.
따라서, 본 발명에 따른 산화환원효소 보조인자의 재생방법 및 이를 통하여 이산화탄소로부터 포름산의 제조방법에 사용되는 광촉매는 본 발명에 따른 화학식 1의 화합물을 사용하는 것이 바람직하다.Therefore, the photocatalyst used in the method for regenerating the oxidoreductase cofactor according to the present invention and the method for producing formic acid from carbon dioxide through the present invention is preferably to use the compound of formula 1 according to the present invention.
Claims (10)
[화학식 1]
.
New grepin-based complex represented by the formula (1):
[Chemical Formula 1]
.
The novel grepin-based composite according to claim 1, which is used as a visible light absorbing photocatalyst.
Phosphoric acid buffer solution in the reactor; Oxidoreductase cofactors of oxidized type; Any one or more redox mediators selected from the group consisting of methylbiologen, ruthenium (II) complexes and rhodium (III) complexes; And adding a visible light absorbing grepin-based photocatalyst represented by Chemical Formula 1 and stirring while applying light to generate a reduced oxidoreductase cofactor.
The method of claim 3, wherein the oxidoreductase cofactor of the oxidized type is any one selected from the group consisting of NAD + , NADP + , FAD +, and FMN + .
The ruthenium (II) complex is (hexamethylbenzene-2,2'-bipyridinechloro) ruthenium (II), and the rhodium (III) complex is (pentamethylcyclopentadienyl-2, A method of regenerating oxidoreductase cofactors, characterized in that 2'-bipyridinechloro) rhodium (III).
The method of claim 3, wherein the light has a wavelength of 280 ~ 650 nm.
Phosphoric acid buffer solution in the reactor; Oxidoreductase cofactors of oxidized type; Any one or more redox mediators selected from the group consisting of methylbiologen, ruthenium (II) complexes and rhodium (III) complexes; Visible light absorbing grepin-based photocatalyst represented by Chemical Formula 1 of claim 1; Selectively preparing formic acid from carbon dioxide by enzymatic reaction using a co-regeneration method of the oxidoreductase of claim 3 comprising the step of adding formate dehydrogenase and stirring with light under a carbon dioxide atmosphere to produce formic acid. How to.
The method according to claim 7, wherein the oxidoreductase oxidoreductase cofactor is any one selected from the group consisting of NAD + , NADP + , FAD + and FMN + .
The method of claim 7, wherein the ruthenium (II) complex is (hexamethylbenzene-2,2'-bipyridinechloro) ruthenium (II), and the rhodium (III) complex is (pentamethylcyclopentadienyl-2, A process for selectively preparing formic acid from carbon dioxide, characterized in that it is 2'-bipyridinechloro) rhodium (III).
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