KR101599187B1

KR101599187B1 - 신규한 주롤리딘계 화합물, 이를 이용한 아연 이온 또는 초산 이온 검출제, 검출방법 및 검출장치

Info

Publication number: KR101599187B1
Application number: KR1020150035803A
Authority: KR
Inventors: 김철; 박경진; 이선영
Original assignee: 서울과학기술대학교 산학협력단
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2016-03-02

Abstract

본 발명은 신규한 주롤리딘계 화합물, 이를 이용한 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출제, 검출방법 및 검출장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-)에 특이적으로 선택성이 있는 주롤리딘계 화합물, 이를 이용한 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출제, 검출방법 및 검출장치에 관한 것이다.

Description

신규한 주롤리딘계 화합물, 이를 이용한 아연 이온 또는 초산 이온 검출제, 검출방법 및 검출장치{A Novel Julolidine Based Compounds, Agent Selecting Zinc Ion Or Acetate Ion Using The Same, Detecting Method And Detecting Device Thereof}

금속 이온과 음이온을 검출하기 위한 화학적 검출제의 발전은 화학적, 환경적, 생물학적 분야에서 적용되기 때문에 굉장한 관심을 받고 있다. 아연이 촉매 중심과 아연을 포함한 효소, DNA와 연결된 단백질의 구조적 보조인자로써 중요한 역할을 함에도 불구하고, 몸 속의 제한된 양 이상의 아연은 많은 신경학적 질병과 발달 지체, 기능저하를 일으킨다. 그러므로 효과적이고 선택적으로 아연 이온(Zn² ⁺)을 검출하는 방법을 개발하는데 많은 노력이 더해지고 있다.

음이온 중 초산 이온(OAc^-)은 다양한 신진대사의 주요한 요소이기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 초산 이온(OAc^-) 생산과 산화작용의 비율은 종종 해양 퇴적물에서 유기체 분해의 지표로 사용되곤 한다. 따라서, 미량에서 초산 이온(OAc^-)의 검출은 생물학적 과정에서뿐만 아니라 환경적인 적용에서도 중요하다.

고주파 유도 결합형 플라즈마 발광분석법, 원자 흡수 분광학 및 전기 화학적 방법과 같은 다양한 접근법은 금속 이온과 음이온을 검출하는데 사용된다. 그러나 상기와 같은 많은 방법들은 정교한 기기장치와 어려운 샘플 준비과정 및 숙련된 기기 조작자 등 분석을 하기 위해 많은 부분이 필요하다. 반면에, 형광 기술은 검출하고자 하는 이온에 대하여 쉽고 편리하게 검출을 할 수 있다. 그러므로 형광을 이용한 검출 방법은 금속 이온과 음이온을 검출하는데 상당한 관심을 끌고 있다.

또한, 금속 이온과 음이온을 동시에 검출할 수 있는 화학센서의 발전은 생물학적 산업과 환경적 과정에서 중요한 적용 가능성 때문에 가장 중요한 일 중 하나이다. 게다가 여러 이온을 검출할 수 있는 하나의 수용체는 좀 더 효과적이며, 단일 검출 수용체보다 비용을 절감할 수 있기 때문에 더 많은 관심을 끌 수 있다. 금속 이온과 음이온 모두 검출하는 다양한 방법 중 형광과 색 변화 검출 방법은 그들의 높은 민감성과 쉬운 조작, 빠른 반응, 적은 비용으로 더욱 인기가 있다.

따라서, 상기와 같은 형광센서의 장점을 이용하여 여러 물질을 검출할 수 있는 하나의 형광센서가 필요한 상황이다.

본 발명은 금속 이온 중에서 아연 이온(Zn² ⁺) 및 음이온 중에서 초산 이온(OAc^-)과 선택적으로 결합하여 형광의 세기가 변화하는 신규한 주롤리딘계 화합물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 신규한 주롤리딘계 화합물을 이용하여 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-)의 검출제, 검출 방법 및 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 하기 화학식 1로 나타내는 화합물을 제공한다.

[화학식 1]

또한, 본 발명은 8-하이드록시주롤리딘-9-카복사알데하이드 및 3-하이드록시-2-나프토익하이드라자이드를 반응시키는 것을 특징으로 하는 상기 화학식 1의 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 포함하는 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출제를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 사용하는 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출제를 포함하는 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출 장치를 제공한다.

본 발명의 신규한 주롤리딘계 화합물은 상온에서 제조할 수 있어 제조가 용이한 장점이 있다.

또한, 본 발명의 신규한 주롤리딘계 화합물은 금속 이온 또는 음이온과 배위 결합하여 착물을 형성할 수 있으며, 그 중에서도 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-)과 결합하면 형광의 세기가 변화하여 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-)을 선택적으로 검출할 수 있으며, 세포 내의 아연 이온(Zn² ⁺)도 검출할 수 있다.

도 1은 본 발명의 화학식 1의 화합물에 다양한 금속 이온을 각각 첨가하였을 때의 형광세기를 나타낸 그래프이다.
도 2는 비교예 1의 화학식 2의 화합물에 다양한 금속 이온을 각각 첨가하였을 때의 형광세기를 나타낸 그래프이다.
도 3은 비교예 2의 화학식 3의 화합물에 다양한 금속 이온을 각각 첨가하였을 때의 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 비교예 2의 화학식 3의 화합물에 다양한 금속 이온을 각각 첨가하였을 때의 색 변화를 나타낸 사진이다.
도 5는 비교예 3의 화학식 4의 화합물에 다양한 금속을 각각 첨가하였을 때의 형광세기를 나타낸 그래프이다.
도 6은 비교예 3의 화학식 4의 화합물에 다양한 금속을 각각 첨가하였을 때의 형광세기를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 화학식 1의 화합물이 아연 이온(Zn² ⁺)과 결합한 구조를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 화학식 1의 화합물에 아연 이온(Zn² ⁺)의 농도를 증가시키면서 첨가하였을 때의 형광의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 화학식 1의 화합물과 아연 이온(Zn² ⁺)의 결합비를 나타낸 잡플랏(Job's plot) 그래프이다.
도 10은 본 발명의 화학식 1의 화합물이 아연 이온(Zn² ⁺)을 검출할 때, 다양한 금속 이온으로부터 방해를 받는지를 형광의 세기로 측정한 그래프이다.
도 11은 DMSO-d ₆ 에서 화학식 1의 화합물에 아연 이온(Zn² ⁺)의 농도를 점점 증가시켰을 때의 ¹H-NMR 그래프이다.
도 12의 A, C, E, G 및 I는 인간의 피부 섬유아세포에 아연 이온(Zn² ⁺)을 각각 0, 10, 20, 40 및 50μM 첨가하여 4시간 동안 노출시켰을 때의 사진이고, B, D, F, H, 및 J는 상기 A, C, E, G 및 I에 본 발명의 화학식 1의 화합물을 각각 20μM 첨가하여 30분간 노출시켰을 때의 형광 발현을 나타낸 사진이다.
도 13은 본 발명의 화학식 1의 화합물에 다양한 음이온을 각각 첨가하였을 때의 형광의 세기를 그래프이다.
도 14는 비교예 1의 화학식 2의 화합물에 다양한 음이온을 각각 첨가하였을 때의 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 15는 비교예 1의 화학식 2의 화합물에 다양한 음이온을 각각 첨가하였을 때의 색 변화를 나타낸 사진이다.
도 16은 본 발명의 화학식 1의 화합물이 초산 이온(OAc^-)과 결합한 구조를 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 화학식 1의 화합물에 초산 이온(OAc^-)의 농도를 증가시키면서 첨가하였을 때의 형광의 세기를 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 화학식 1의 화합물과 초산 이온(OAc^-)의 결합비를 나타낸 잡플랏(Job's plot) 그래프이다.
도 19는 본 발명의 화학식 1의 화합물이 초산 이온(OAc^-)을 검출할 때, 다양한 금속 이온으로부터 방해를 받는지를 형광의 세기로 측정한 그래프이다.
도 20은 DMF-d ₇ 에서 화학식 1의 화합물에 초산 이온(OAc^-)의 농도를 점점 증가시켰을 때의 ¹H-NMR 그래프이다.

이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.

본 발명은 하기 화학식 1로 나타내는 화합물에 관한 것이다.

[화학식 1]

화학 센서로 사용되는 주롤리딘 구조를 포함하는 8-하이드록시주롤리딘-9-카복사알데하이드(8-hydroxyjulolidine-9-carboxaldehyde)는 잘 알려진 발색단이며, 물에 잘 용해된다. 또한, 벤즈하이드라자이드 또는 아마이드 그룹을 포함한 구조는 음이온과 수소 결합을 통해 음이온을 검출할 수 있다.

따라서, 아미드 작용기와 아민 작용기를 포함하는 상기 화학식 1의 주롤리딘계 화합물을 합성하였으며, 상기 화학식 1의 화합물은 금속 이온과 시프염기 사이의 강한 상호 작용 및 아미드 그룹과 목적으로 하는 음이온 사이의 수소결합 능력을 갖고 있어, 금속 이온 및 음이온을 모두 검출할 수 있다. 또한, 보다 자세하게는 금속 이온 중에서는 아연 이온(Zn² ⁺)을 검출할 수 있으며, 음이온 중에는 초산 이온(OAc^-)을 선택적으로 검출할 수 있다.

본 발명의 상기 화학식 1의 화합물은 8-하이드록시주롤리딘-9-카복사알데하이드(8-hydroxyjulolidine-9-carboxaldehyde) 및 3-하이드록시-2-나프토익 하이드라자이드(3-Hydroxy-2-naphthoic hydrazide)를 반응물로하여 제조되며, 상온에서 반응을 진행할 수 있어 제조가 용이한 장점이 있다.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 포함하는 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출제에 관한 것이다.

상기 화학식 1의 화합물은 다양한 금속 이온(예컨대, Mn² ⁺, Fe² ⁺, Co² ⁺, Ni²⁺, Cu² ⁺, Zn² ⁺, Cd² ⁺, Hg² ⁺, Na⁺, K⁺, Mg² ⁺, Ca² ⁺, Al³ ⁺, Pb² ⁺, Cr³ ⁺) 중에서도 아연 이온(Zn² ⁺)과 결합하는 경우 형광의 세기가 크게 증가한다. 또한, 상기 화학식 1의 화합물은 다양한 음이온(예컨대, CN^-, F^-, Cl^-, Br^-, I^-, OAc^-, SO₄ ² ^-, N₃ ^- ) 중에서도 초산 이온(OAc^-)과 결합하였을 때 형광의 세기가 크게 증가한다.

따라서, 상기 화학식 1의 화합물은 금속 이온 중에서 아연 이온(Zn² ⁺), 음이온 중에서 초산 이온(OAc^-)에 선택성이 있다고 볼 수 있으며, 상기 특성을 이용하여 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-)을 검출할 수 있는 검출제로 사용 가능하다.

또한, 본 발명의 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출제는 추가로 용매를 포함할 수 있으며, 상기 용매는 그 종류를 특별히 한정하지는 않으나, 다이메틸포름아마이드 수용액인 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 상기 다이메틸포름아마이드 수용액은 다이메틸포름아마이드 및 증류수가 5:5 내지 7:3의 부피비로 혼합된 것이 더욱 바람직하다.

본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 사용하는 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출 방법을 제공한다. 보다 자세하게는 상기 화학식 1의 화합물이 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-)과 결합하여 형광의 세기가 변화하는 검출 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출제를 포함하는 검출 장치를 제공한다. 상기 검출 장치는 형광 변화를 통하여 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-)을 검출할 수 있으며, 상기 검출 장치는 프로브(probe)인 것이 바람직하다.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 이들 실시예 및 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예 및 실험예에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1. 화학식 1의 화합물 제조

3-하이드록시-2-나프토익 하이드라자이드 0.20g(1 mmol)을 에탄올 30mL에 녹인 후, 상기 용액에 8-하이드록시주롤리딘-9-카복사알데하이드 0.26g(1.2 mmol)를 넣어 서로 혼합하였다. 그 후, 어두운 노란색의 침전물이 생성될 때까지 상온에서 30 분간 교반하였다. 노란색 침전물을 걸러내어 다이에틸에터로 두 차례 세척하고, 진공상태에서 건조시켜 화합물을 얻었으며, 반응식은 하기와 같다.

[반응식 1]

또한, 상기 화합물을 ¹H-NMR, ¹³C-NMR, HRMS 및 EA 분석을 통하여 구조를 확인하였다.

수율: 0.35 g (87 %).

¹H-NMR (DMSO-d₆, 400 MHz): δ 12.59(s, 1H), 12.35(s, 1H), 12.04(s, 1H), 9.08(s, 1H), 8.99(s, 1H), 8.54(d, 1H), 8.39(d, 1H), 8.15(d, 1H), 8.00 (d, 1H), 7.95(s, 1H), 7.39(s, 1H), 3.82(m, 4H), 3.26(m, 4H), 2.49(m, 4H)

¹³C-NMR (DMSO-d₆, 400 MHz): δ 162.96, 154.77, 154.37, 151.67, 145.44, 135.84, 129.82, 128.62, 128.44, 128.20, 126.71, 125.83, 123.77, 119.45, 112.53, 110.60, 106.22, 105.61, 49.31, 48.85, 26.53, 21.47, 20.64, 20.19 ppm

HRMS (ESI): [M + H⁺]; calcd, 402.18, found, 402.16.

Anal. Calcd for C₂₄H₂₃N₃O₃(401.46):

C 71.80, H 5.77, N 10.47 %

Found: C 71.61, H 5.36, N 10.69 %.

상기 분석을 통하여 실시예 1에서 제조한 화합물이 본 발명의 화학식 1의 구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다.

비교예 1. 화학식 2의 화합물 제조

벤즈 하이드라자이드 0.14g(1 mmol)을 에탄올 3mL에 녹인 후, 상기 용액에 8-하이드록시주롤리딘-9-카복사알데하이드 0.23g(1 mmol)를 넣어 서로 혼합하였다. 그 후, 2 방울의 염산을 반응 용액에 넣어준 후 상온에서 30 분간 교반하였다. 노란색 침전물을 걸러내어 차가운 에탄올로 여러 번 세척하고 진공상태에서 건조시켜 화합물을 얻었으며, 반응식은 하기와 같다.

[반응식 2]

수율: 0.17 mg (51 %).

¹H-NMR (DMSO-d₆, 400 MHz): δ 11.79 (s, 1H), 11.78 (s, 1H), 8.31 (s, 1H), 7.91 (d, 2H), 7.59 (t, 1H), 7.52 (t, 2H), 6.72 (s, 1H), 3.18 (m, 4H), 2.62 (m, 4H), 1.86 (m, 4H).

¹³C-NMR (DMSO-d₆, 400 MHz): δ 162.78, 155.37, 151.58, 145.90, 133.83, 132.31, 129.14, 128.96, 128.15, 113.10, 106.96, 106.45, 50.00, 49.54, 27.21, 22.20, 21.38, 20.91 ppm.

HRMS (ESI): [M + H⁺] : calcd, 335.16, found, 335.23.

EA : Anal. Calcd for C₂₀H₂₁N₃O₂ (335.41):

C 71.62, H 6.31, N 12.53 %

Found: C 71.45, H 6.45, N 12.39 %.

상기 분석을 통하여 비교예 1에서 제조한 화합물이 하기 화학식 2의 구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다.

[화학식 2]

비교예 2. 화학식 3의 화합물 제조

퀴놀린-8-아민 0.3592 g(2.4 mmol)을 에탄올 10 mL에 녹인 후, 상기 용액에 8-하이드록시주롤리딘-9-카복사알데하이드 0.4526 g(2 mmol)를 넣어 상온에서 하루간 교반하였다. 용매를 제거한 후 빨간 생성물을 아세토나이트릴로 재결정하고, 이써를 사용하여 5번 필터하여 화합물을 얻었으며, 반응식은 하기와 같다.

[반응식 3]

수율: 0.61 g (88.81 %).

¹H-NMR (CD₃OD, 400 MHz): δ 8.92 (d, 1H), 8.78 (s, 1H), 8.40 (d, 1H), 8.04 (d, 1H), 7.85 (d, 1H), 7.71 (t, 1H), 7.65 (q, 1H), 7.19 (s, 1H), 3.51 (q, 4H), 2.73 (m, 4H), 2.00 (m, 4H).

¹³C-NMR (CD₃OD, 400 MHz): δ 159.62, 154.67, 151.19, 151.01, 139.53, 137.59, 136.18, 134.90, 129.97, 128.02, 126.38, 123.90, 119.05, 113.71, 107.24, 107.22, 52.20, 51.19, 27.77,21.96, 21.27, 20.91ppm.

HRMS (ESI): [M + H⁺] : calcd, 344.17, found, 344.27.

EA : Anal. Calcd for C₃₁H₂₅N₃ (343.42):

C, 76.94; H, 6.16; N, 12.24 %

Found: C, 76.62; H, 5.96; N, 12.38%.

상기 분석을 통하여 비교예 2에서 제조한 화합물이 하기 화학식 3의 구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다.

[화학식 3]

비교예 3. 화학식 4의 화합물 제조

2-아미노페놀 0.55 g(5 mmol)을 무수메탄올 50mL에 녹인 후, 상기 용액에 8-하이드록시주롤리딘-9-카복사알데하이드 1.13 g(5 mmol)를 넣어 3시간 동안 질소 분위기에서 환류장치를 사용하여 교반하였다. 용액이 차가운 상태 또는 상온상태에서 용매를 제거한 후, 갈색 생성물을 메탄올로 재결정하여 화합물을 얻었으며, 반응식은 하기와 같다.

[반응식 4]

수율: 1.26 g (82 %).

¹H-NMR (methanol-d₄, 400 MHz): δ 9.02 (s, 1H), 8.15 (d, 1H, J ¼ 8.0 Hz), 7.71 (t, 1H, J ¼ 7.6 Hz), 7.57 (m, 3H), 4.01 (m, 4H), 3.31 (m, 4H), 2.58 (m, 4H).

¹³C-NMR (DMSO-d₆, 100 MHz): δ 161.62, 157.91, 149.93, 146.79, 134.40, 129.59, 125.83, 119.61, 118.16, 116.12, 112.49, 108.44, 105.47, 49.42, 49.07, 26.79, 21.63, 20.66, 20.08.

FABMS m/z: [M⁺]: calcd, 308.37, found, 308.39.

EA : Anal. Calcd for C₁₉H₂₀N₂O₂ (308.37):

C, 74.00; H, 6.54;N, 9.08%.

Found: C 74.25, H 6.61, N 9.21 %.

상기 분석을 통하여 비교예 3에서 제조한 화합물이 하기 화학식 4의 구조를 갖는 것을 확인할 수 있었다.

[화학식 4]

실험예 1. 다양한 금속 이온에 대한 화학식 1 내지 4의 화합물의 형광 또는 흡광 분석

1-1. 화학식 1의 화합물의 형광 분석

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(0.60 mg, 0.0015 mmol)을 0.5 mL 다이메틸포름아마이드에 녹인 후, 10 μL(3 mM)을 취해 2.99 mL의 50% 다이메틸포름아마이드 수용액에 희석시켜 최종농도를 10 μM로 제조하였다. 상기 용액에 15 당량의 다양한 금속 이온(Zn² ⁺, Cd ²⁺, Cr³ ⁺, Cu² ⁺, Co² ⁺, Ca² ⁺, K⁺, Ni² ⁺, Mn² ⁺, Mg² ⁺, Fe²⁺, Hg² ⁺, Na⁺, Al³ ⁺, Pb² ⁺)용액을 각각 넣어 형광(fluorescence) 기기를 사용하여 각각의 형광 세기를 측정하였다(λex = 410 nm). 상기 금속 이온 용액 중 철 이온 용액을 제외한 모든 금속이온 용액은 질산염(nitrate salt)을 사용하였고, 철 이온 용액은 과염소산염(perchlorate salt)을 사용하였으며, 용매로는 다이메틸포름아마이드를 사용하였다.

그 결과 Cd² ⁺, Cr³ ⁺, Cu² ⁺, Co² ⁺, Ca² ⁺, K⁺, Ni² ⁺, Mn² ⁺, Mg² ⁺, Fe² ⁺, Hg² ⁺, Na⁺, Al³⁺ 및 Pb² ⁺과 같은 금속 이온은 형광 세기가 거의 증가하지 않았고 형광의 변화가 나타나지 않았다. 반면, 아연 이온(Zn² ⁺)은 강한 형광세기의 증가를 보였다(도 1).

1-2. 화학식 2의 화합물의 형광 분석

상기 비교예 1에서 제조한 화학식 2의 화합물(1.01 mg, 0.003 mmol)을 1 mL 메탄올에 녹인 후, 10 μL(3 mM)을 취해 2.99 mL의 물에 희석시켜 최종농도를 10 μM로 제조하였다. 상기 용액에 19 당량의 다양한 금속 이온(Mn² ⁺, Fe² ⁺, Fe³ ⁺, Co² ⁺, Ni²⁺, Cu² ⁺, Zn² ⁺, Cd² ⁺, Hg² ⁺, Na⁺, K⁺, Mg² ⁺, Ca² ⁺, Al³ ⁺, Pb² ⁺, Cr³ ⁺, Ga³ ⁺, In³ ⁺)용액을 각각 넣어 형광(fluorescence) 기기를 사용하여 각각의 형광 세기를 측정하였다(λex = 410 nm). 상기 금속 이온 용액 중 철 이온 용액(Fe² ⁺)을 제외한 모든 용액은 질산염(nitrate salt)을 사용하였으며, 철 이온 용액(Fe² ⁺)은 과염소산염(perchlorate salt)을 사용하였으며, 용매로는 메탄올을 사용하였다.

그 결과, Mn² ⁺, Fe² ⁺, Fe³ ⁺, Co² ⁺, Ni² ⁺, Cu² ⁺, Zn² ⁺, Cd² ⁺, Hg² ⁺, Na⁺, K⁺, Mg² ⁺, Ca²⁺, Pb² ⁺, Cr³ ⁺, Ga³ ⁺ 및 In³ ⁺과 같은 금속 이온은 형광 세기가 거의 증가하지 않았고 형광의 변화가 나타나지 않았다. 반면, 알루미늄 이온(Al³ ⁺)은 강한 형광세기의 증가를 보였다(도 2).

1-3. 화학식 3의 화합물의 흡광 분석

상기 비교예 2에서 제조한 화학식 3의 화합물(1.04 mg, 0.003 mmol)을 0.5 mL 메탄올에 녹인 후, 20 μL(6 mM)을 취해 2.980 mL의 비스트리스 완충용액에 희석시켜 최종농도를 20 μM로 제조하였다. 상기 용액에 0.7 당량의 다양한 금속 이온(Ag⁺, Al³ ⁺, Ca² ⁺, Cd² ⁺, Co² ⁺, Cr³ ⁺, Cu² ⁺, Fe³ ⁺, K⁺, Mg² ⁺, Mn² ⁺, Na⁺, Ni² ⁺, Pb² ⁺, Zn²⁺)용액을 각각 넣어 색 변화를 관찰하였다. 상기 금속 이온 용액은 모두 질산염(nitrate salt)을 사용하였으며 용매로는 비스트리스 완충용액을 사용하였다.

그 결과, Ag⁺, Ca² ⁺, Cd² ⁺, Cr³ ⁺, K⁺, Mg² ⁺, Mn² ⁺, Na⁺, Ni² ⁺, Pb² ⁺는 화학식 3의 화합물의 흡광 그래프와 유사하게 나타났으며, Al³ ⁺, Zn² ⁺, Fe³ ⁺, Cu² ⁺는 최대흡수 파장이 적색 이동을 하였으며, Co² ⁺는 가장 눈에 띄는 흡수 파장의 변화를 보였다(도 3). 또한, Co² ⁺는 노란색에서 주황색으로 뚜렷한 색 변화를 보였다(도 4).

1-4. 화학식 4의 화합물의 형광 분석

상기 비교예 3에서 제조한 화학식 4의 화합물(0.925 mg, 0.003 mmol)을 1 mL 메탄올에 녹인 후, 2 μL(3 mM)을 취해 2.998 mL의 다이메틸포름아마이드에 희석시켜 최종농도를 2 μM로 제조하였다. 상기 용액에 10 당량의 다양한 금속 이온(Ag⁺, Al³⁺, Ca² ⁺, Cd² ⁺, Co² ⁺, Cr³ ⁺, Cu² ⁺, Fe³ ⁺, K⁺, Mg² ⁺, Mn² ⁺, Na⁺, Ni² ⁺, Pb² ⁺, Hg² ⁺, Ga³ ⁺, In³ ⁺, Zn² ⁺)용액을 각각 넣어 형광(fluorescence) 기기를 사용하여 각각의 형광 세기를 측정하였다(λex = 450 nm). 상기 금속 이온 용액은 모두 질산염(nitrate salt)을 사용하였으며 용매로는 다이메틸포름아마이드를 사용하였다.

그 결과, Ag⁺, Ca² ⁺, Cd² ⁺, Co² ⁺, Cr³ ⁺, Cu² ⁺, Fe³ ⁺, K⁺, Mg² ⁺, Mn² ⁺, Na⁺, Ni² ⁺, Pb²⁺, Hg² ⁺, Zn² ⁺과 같은 금속 이온은 형광 세기가 거의 증가하지 않았고 형광의 변화가 나타나지 않았다. 또한, Ga³ ⁺ 및 In³ ⁺는 약간의 형광 변화를 보인 반면, 알루미늄 이온(Al³ ⁺)은 강한 형광세기의 증가를 보였다(도 5).

1-5. 화학식 4의 화합물의 형광 분석

상기 비교예 3에서 제조한 화학식 4의 화합물(0.925 mg, 0.003 mmol)을 1 mL 메탄올에 녹인 후, 2 μL(3 mM)을 취해 2.998 mL의 메탄올에 희석시켜 최종농도를 2 μM로 제조하였다. 상기 용액에 7 당량의 다양한 금속 이온(Ag⁺, Al³ ⁺, Ca² ⁺, Cd² ⁺, Co²⁺, Cr³ ⁺, Cu² ⁺, Fe³ ⁺, K⁺, Mg² ⁺, Mn² ⁺, Na⁺, Ni² ⁺, Pb² ⁺, Hg² ⁺, Ga³ ⁺, In³ ⁺, Zn² ⁺)용액을 각각 넣어 형광(fluorescence) 기기를 사용하여 각각의 형광 세기를 측정하였다(λex = 450 nm). 상기 금속 이온 용액은 모두 질산염(nitrate salt)을 사용하였으며 용매로는 메탄올을 사용하였다.

그 결과, Ag⁺, Ca² ⁺, Cd² ⁺, Co² ⁺, Cr³ ⁺, Cu² ⁺, Fe³ ⁺, K⁺, Mg² ⁺, Mn² ⁺, Na⁺, Ni² ⁺, Pb²⁺, Hg² ⁺, In³ ⁺, Zn² ⁺과 같은 금속 이온은 형광 세기가 거의 증가하지 않았고 형광의 변화가 나타나지 않았다. 또한, Al³ ⁺는 약간의 형광 변화를 보인 반면, 갈륨 이온(Ga³ ⁺)은 강한 형광세기의 증가를 보였다(도 6).

상기 1-1 내지 1-5의 결과를 통하여, 상기 화학식 1 내지 4의 화합물은 모두 주롤리딘계 화합물이나, 본 발명의 화학식 1의 화합물만이 아연 이온(Zn² ⁺)과 결합(도 7)하여 형광을 방출하므로, 아연 이온(Zn² ⁺)을 선택적으로 검출한다는 것을 알 수 있었다.

실험예 2. 아연 이온( Zn ² ⁺ )에 대한 화학식 1의 화합물의 형광 분석

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(0.60 mg, 0.0015 mmol)을 0.5 mL 다이메틸포름아마이드에 녹인 후, 10 μL(3 mM)을 취해 2.99 mL의 50% 다이메틸포름아마이드 수용액에 희석시켜 최종농도를 10 μM로 제조하였다. 상기 용액에 아연 이온(Zn² ⁺) 의 농도를 1 내지 20 당량으로 1 당량씩 증가시키면서 형광기기를 사용하여 형광 세기를 측정하였다.

아연 이온(Zn² ⁺)의 당량이 증가할수록 형광의 세기가 증가하였다. 보다 자세하게는 15 당량까지 형광의 세기가 증가하였고, 그 이후로는 변화가 나타나지 않았다(도 8). 또한, 잡플랏(Job's plot)을 통하여 화학식 1의 화합물과 아연 이온(Zn² ⁺)의 결합비가 2 대 1임을 알 수 있었다(도 9).

실험예 3. 다른 금속 이온들이 아연 이온( Zn ² ⁺ )과 화학식 1의 화합물의 형광 세기에 미치는 영향

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(0.60 mg, 0.0015 mmol)을 0.5 mL 다이메틸포름아마이드에 녹인 후, 10 μL(3 mM)을 취해 2.99 mL의 50% 다이메틸포름아마이드 수용액에 희석시켜 최종농도를 10 μM로 제조하였다. 상기 화학식 1의 화합물 용액에 다른 금속이온(Cd² ⁺, Cr³ ⁺, Cu² ⁺, Co² ⁺, Ca² ⁺, K⁺, Ni² ⁺, Mn² ⁺, Mg² ⁺, Fe²⁺, Hg² ⁺, Na⁺, Al³ ⁺, Pb² ⁺)을 각각 15 당량씩 넣은 후, 아연 이온(Zn² ⁺)도 15 당량을 넣어 형광을 측정하였다.

그 결과, Cd² ⁺, Cr³ ⁺, Ca² ⁺, K⁺, Ni² ⁺, Mn² ⁺, Mg² ⁺, Hg² ⁺, Na⁺, Al³ ⁺, Pb² ⁺등의 금속 이온들은 화학식 1의 화합물과 아연 이온(Zn² ⁺)의 형광 세기를 방해하지 않았으나, Cu² ⁺, Fe² ⁺, Co² ⁺등의 금속 이온은 화학식 1의 화합물과 아연 이온(Zn² ⁺)의 상호작용을 다소 방해하였다(도 10).

실험예 4. 아연 이온( Zn ² ⁺ )과 화학식 1의 화합물에 대한 양성자 핵자기공명( ¹ H NMR) 적정 실험

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물이 아연 이온(Zn² ⁺)과 어떻게 결합하는지 알아보기 위하여 DMSO-d ₆ 에서 ¹H-NMR 적정 실험을 하였다.

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(2.01 mg, 0.005 mmol)을 300 μL DMSO-d ₆ 에 녹인 후, 상기 용액에 아연 이온(Zn² ⁺)을 각각 0, 0.2, 0.5 당량씩 넣고 ¹H-NMR을 측정하였다(도 11).

0.5 당량의 아연 이온(Zn² ⁺)을 넣었을 때 화학식 1의 화합물의 하이드록실 그룹의 H양이온 피크가 반만 사라졌다. 상기 결과는 두 개의 화학식 1의 화합물과 아연 이온(Zn² ⁺)이 결합할 때, 하나의 화학식 1의 화합물과 하이드록실 그룹의 H 양이온만 탈양성자 반응을 일으켰음을 의미한다.

실험예 5. 화학식 1의 화합물과 아연 이온( Zn ² ⁺ )의 세포 내 이미지 분석

아연 이온(Zn² ⁺)의 존재 하에서 상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물의 형광 능력을 알아보기 위해 세포 내 실험을 진행하였다.

인간의 피부 섬유아세포(dermal fibroblast)를 각각 0, 10, 20, 40 및 50μM(도 12의 A, C, E, G 및 I)의 아연 이온(Zn² ⁺)에 네 시간 동안 노출시켰다. 상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(0.4015 mg, 0.001 mmol)을 1 mL 다이메틸포름아마이드에 녹인 후, 4 μL(1 mM)을 취해 196 μL의 배지에 희석시켜 최종농도를 20 μM로 제조한 화학식 1의 화합물 용액에 30 분간 노출시킨 후 형광 이미지를 관찰하였다(도 12의 B, D, F, H 및 J).

인간의 피부 섬유아세포는 아연 이온(Zn² ⁺)이 존재하지 않거나, 화학식 1의 화합물이 없을 경우에는 형광을 나타내지 않았으며, 세포 내의 형광 세기는 아연 이온(Zn² ⁺)의 농도가 증가함에 따라서 함께 증가하였다.

따라서, 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물은 세포 내의 아연 이온(Zn² ⁺)을 형광으로 검출할 수 있다.

실험예 6. 다양한 음이온에 대한 화학식 1 및 화학식 2의 화합물의 형광 또는 흡광 분석

6-1. 화학식 1의 화합물의 형광 분석

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(0.60 mg, 0.0015 mmol)을 0.5 mL 다이메틸포름아마이드에 녹인 후, 10 μL(3 mM)을 취해 2.99 mL의 70% 다이메틸포름아마이드 수용액에 희석시켜 최종농도를 10 μM로 제조하였다. 상기 용액에 100 당량의 다양한 음이온(F^-, Cl^-, Br^-, I^-, OAc^-, N₃ ^-, H₂PO₄ ^-, CN^-)용액을 각각 넣어 형광(fluorescence) 기기를 사용하여 각각의 형광 세기를 측정하였다(λex = 410 nm). 상기 음이온 용액 중 초산 이온과 아자이드 음이온을 제외한 모든 음이온 용액은 사에틸암모늄염(tetraethylammonium salt)을 사용하였고, 초산 이온은 용액(OAc^-)은 사뷰틸암모늄염(tetrabuthylammonium salt), 그리고 아자이드 음이온(N₃ ^-) 용액은 소듐 염(sodium salt)을 사용하였으며, 용매로는 다이메틸포름아마이드를 사용하였다.

그 결과 F^-, Cl^-, Br^-, I^-, N₃ ^-, H₂PO₄ ^- 및 CN^-과 같은 음이온은 형광 세기가 거의 증가하지 않았고 형광의 변화가 나타나지 않았다. 반면, 초산 이온(OAc^-)은 강한 형광세기의 증가를 보였다(도 13).

6-2. 화학식 2의 화합물의 흡광 분석

상기 비교예 1에서 제조한 화학식 2의 화합물(1.01 mg, 0.003 mmol)을 1 mL 메탄올에 녹인 후 30 μL(3 mM)을 취해 2.97 mL의 30% 메탄올 수용액에 희석시켜 최종농도 30 μM인 화학식 1의 화합물 용액을 제조하였다. 상기 용액에 다양한 음이온(CN^-, F^-, Cl^-, Br^-, I^-, OAc^-, SO₄ ² ^-, N₃ ^-)용액을 각각 200 당량씩 넣어 색 변화를 관찰하였다. 상기 음이온 용액은 모두 사에틸암모늄염(tetraethylammonium salt)을 사용하였으며, 용매로는 물을 사용하였다.

시안화 음이온(CN^-)은 무색에서 노란색으로 색이 변하였고, 다른 음이온은 색 변화가 관찰되지 않았다(도 14). 또한, 농도가 30 μM 인 상기 화학식 1의 화합물 용액에 200 당량의 다양한 음이온(CN^-, F^-, Cl^-, Br^-, I^-, OAc^-, SO₄ ² ^-, N₃ ^-)을 각각 넣어 UV-vis로 관찰한 결과, 화학식 2의 화합물과 다른 음이온의 경우에는 스펙트럼의 차이가 거의 없고, 시안화 음이온(CN^-)의 경우 파장이 변한 것을 확인하였다(도 15).

상기 6-1 및 6-2의 실험 결과를 통하여, 상기 화학식 1 및 2의 화합물은 모두 주롤리딘계 화합물이나 본 발명의 화학식 1의 화합물만이 초산 이온(OAc^-)과 결합(도 16)하여 형광을 방출하므로, 초산 이온(OAc^-)을 선택적으로 검출한다는 것을 알 수 있었다.

실험예 7. 초산 이온( OAc ^- )에 대한 화학식 1의 화합물의 형광 분석

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(0.60 mg, 0.0015 mmol)을 0.5 mL 다이메틸포름아마이드에 녹인 후, 10 μL(3 mM)을 취해 2.99 mL의 70% 다이메틸포름아마이드 수용액에 희석시켜 최종농도를 10 μM로 제조하였다. 상기 용액에 초산 이온(OAc^-) 의 농도를 10 내지 150 당량으로 10 당량씩 증가시키면서 형광기기를 사용하여 형광 세기를 측정하였다.

초산 이온(OAc^-)의 당량이 증가할수록 형광의 세기가 증가하였다. 보다 자세하게는 100 당량까지 형광의 세기가 증가하였고, 그 이후로는 변화가 나타나지 않았다(도 17). 또한, 잡플랏(Job's plot)을 통하여 화학식 1의 화합물과 초산 이온(OAc^-)의 결합비가 1 대 2임을 알 수 있었다(도 18).

실험예 8. 다른 금속 이온들이 초산 이온( OAc ^- )과 화학식 1의 화합물의 형광 세기에 미치는 영향

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(0.60 mg, 0.0015 mmol)을 0.5 mL 다이메틸포름아마이드에 녹인 후, 10 μL(3 mM)을 취해 2.99 mL의 70% 다이메틸포름아마이드 수용액에 희석시켜 최종농도를 10 μM로 제조하였다. 상기 화학식 1의 화합물 용액에 다른 음이온(F^-, Cl^-, Br^-, I^-, N₃ ^-, H₂PO₄ ^-, CN^-)을 각각 100 당량씩 넣은 후, 초산 이온(OAc^-)도 100 당량을 넣어 형광을 측정하였다.

그 결과, F^-, Cl^-, Br^-, I^-, N₃ ^- 및 H₂PO₄ ^-등의 음이온들은 화학식 1의 화합물과 초산 이온(OAc^-)의 형광 세기를 방해하지 않았으나, CN^- 음이온은 화학식 1의 화합물과 초산 이온(OAc^-)의 상호작용을 다소 방해하였다(도 19).

실험예 9. 초산 이온( OAc ^- )과 화학식 1의 화합물에 대한 양성자 핵자기공명( ¹ H NMR) 적정 실험

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물이 초산 이온(OAc^-)과 어떻게 결합하는지 알아보기 위하여 DMF-d ₇ 에서 ¹H-NMR 적정 실험을 하였다.

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(2.01 mg, 0.005 mmol)을 300 μL DMF-d ₇ 에 녹인 후, 상기 용액에 초산 이온(OAc^-)을 각각 0, 1, 2 당량씩 넣고 ¹H-NMR을 측정하였다(도 20).

2 당량의 초산 이온(OAc^-)을 넣었을 때 화학식 1의 화합물의 주롤리딘 그룹과 나프톨 그룹의 하이드록실 그룹의 H양이온과 아마이드 그룹의 H 양이온의 피크가 완전히 사라졌다. 상기 결과는 초산 이온(OAc^-)의 첨가가 하이드록실그룹과 아마이드 그룹의 탈양성자 반응을 일으켰음을 의미한다.

Claims

하기 화학식 1로 나타내는 화합물.
[화학식 1]
8-하이드록시주롤리딘-9-카복사알데하이드 및 3-하이드록시-2-나프토익하이드라자이드를 반응시키는 것을 특징으로 하는 청구항 1의 화학식 1의 제조 방법.
청구항 1의 화학식 1의 화합물을 포함하는 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출제.
청구항 3에 있어서, 상기 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출제는 추가로 용매를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 검출제.
청구항 4에 있어서, 상기 용매는 디메틸포름아마이드 수용액인 것을 특징으로 하는 검출제.
청구항 5에 있어서, 상기 디메틸포름아마이드 수용액은 디메틸포름아마이드 및 증류수가 5:5 내지 7:3의 부피비로 혼합된 것을 특징으로 하는 검출제.
청구항 1의 화학식 1의 화합물을 사용하는 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출 방법.
청구항 3의 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출제를 포함하는 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출 장치.
청구항 8에 있어서, 상기 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출 장치는 프로브(probe)인 것을 특징으로 하는 아연 이온(Zn² ⁺) 또는 초산 이온(OAc^-) 검출 장치.