KR101697220B1 - 트리아졸계 화합물 및 그를 포함하는 탄산 또는 중탄산 이온 검출용 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112015102543094-pat00036

본 발명에 따른 트리아졸계 화합물을 포함하는 조성물은 이온 검출 시간을 절감하며, 용이하게 이온 농도를 파악할 수 있으며, 화학센서의 제조시간을 절감할 수 있고, 검출을 위한 다양한 조건을 요구하지 않아 편리하므로 탄산 및 중탄산 이온 검출에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

트리아졸계 화합물 및 그를 포함하는 탄산 또는 중탄산 이온 검출용 조성물{Triazole-based compound and composition for detecting carbonate or bicarbonate ion comprising the same }
본 발명은 신규한 트리아졸계 화합물과 그를 포함하는 탄산 또는 중탄산 이온 검출용 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 트리아졸계 화합물을 포함하는 이온검출용 조성물에 관한 것이다.
환경 및 생체 내에 많은 종류의 이온들이 존재하며 물질대사 과정에서 이온들은 매우 중요한 역할을 한다. 이러한 이온들은 다양한 산업 분야에서 매우 중요한 역할을 담당한다.
최근, 환경 분야, 생체 분야 및 임상 분야에서 특정 양이온, 음이온 그리고 중성 유기 분자의 선택적 검출이 중요하게 인식되고 있다. 특히, 나노기술의 기초인 초분자(supramolecule) 화학에 대한 이해와 연구는 특정 이온 또는 여러 가지 다른 종류의 게스트(Guest) 화합물들과 결합할 수 있는 호스트(Host) 화합물의 설계에 대하여 큰 가능성을 보여 왔으며, 이러한 초분자 화합물에 형광물질을 도입함으로써 특정이온 및/또는 게스트 화합물과의 결합시 발생되는 형광변화를 이용하여 원하는 이온 및/또는 게스트 화합물을 손쉽게 검출할 수 있는 형광 화학센서(fluorescent chemosensor)의 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 화학센서의 개발은 환경적 및 생물학적으로 중요한 양이온/음이온/생체분자들의 감지 및 검출하는데 널리 활용될 수 있다.
형광이란 특정한 광파장을 갖는 광자가 표지 분자(indicator molecule)와 충돌하고, 충돌의 결과로 전자가 고에너지 준위로 여기 되면서 일어나는 광화학적 현상이다. 여러 분석방법 중에서 형광을 이용하는 방법은 매우 뛰어난 감도로 인해 10-9M 농도에서도 신호를 관찰할 수 있는 큰 장점을 가지고 있어 많이 활용되고 있는 방법이며, 최근에는 이러한 성질을 이용하여 양이온, 음이온 그리고 중성 유기 분자들의 검출용 형광 화학 센서에 응용되는 연구들이 발표되고 있다.
탄산(CO3 2-) 이온 및 중탄산(HCO3 -) 이온은 물, 토양 등의 자연환경에서 아주 흔하게 발견되며, 다양한 산업에서 중요하게 활용되고 있다. 또한, 탄산 복합체는 유리, 레이온, 고무, 플라스틱, 종이, 인쇄용 잉크, 화장품, 치약, 식품 제조업 등 산업 현장에서 다양하게 활용되고 있으며, 그 예로는 전기 자동차의 이차 전지 전해액 성분으로 쓰이는 비닐렌카보네이트(VC:vinylene carbonate)가 있다.
이러한 탄산 및 중탄산 이온이 다양한 산업에서 필수적 역할을 하나, 인체에서는 독성이 되기도 한다. 혈액에 녹아있는 중탄산 이온(HCO3 -)은 그 자체가 pH 6.1을 띄는 약산성이므로 지나치게 농도가 증가하면 혈중 pH가 내려가게 된다. 만일 호흡기에 문제가 생겨 이산화탄소를 외부로 배출할 수 없을 경우, 혈중에 평소보다 더 많은 이산화탄소가 녹아 궁극적으로 중탄산 이온농도 역시 증가하게 되며, 구토로 인한 위산 부족, 복통, 구토, 설사, 쇼크, 심한 경우 사망을 야기할 수 있다. 생체 내에서 일어나는 pH 반응은 매우 민감하여 혈액의 pH는 6.8-7.4 범위 내에서 건강이 유지된다. 이 범위를 벗어나면 몸속 모든 화학반응이 심각한 영향을 받아 생명이 위험해 진다.
종래에는 탄산(CO3 2-) 이온 및 중탄산(HCO3 -) 이온 검출을 위해 적외선 분광기(FT-IR), 초음파, 원자 흡수 분광법, 플라즈마 방출 분광법, 기체 크로마토그래피, 엑스선 형광법 등으로 검출하였으나, 장치의 비용이 지나치게 고가라는 점과 검출시 다양한 조건을 만족해야 하는 제한성에 문제점이 있었다. 이에 따라, 상대적으로 비용 및 검출이 용이한 형광 감응형 화학센서에 관
한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 화학 센서는 제조 시간이 길며, 검출을 위한 다양한 조건 및 추가 첨가제가 부가되는 문제점이 있었다.
한국등록특허 제 10-1099508호 (등록일: 2011.12.21) 한국등록특허 제 10-1273823호 (등록일: 2013.06.04) 한국등록특허 제 10-1381578호 (등록일: 2014.03.31) 한국등록특허 제 10-1466800호 (등록일: 2014.11.24)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 탄산(CO3 2-) 및 중탄산(HCO3 -) 이온 검출용 화학센서를 연구하던 중, 트리아졸계 화합물을 포함하는 조성물이 탄산(CO3 2-) 이온 및 중탄산(HCO3 -) 이온과 반응시켰을 때 UV/Vis 흡수 및 형광 파장 변화를 나타내어 수용액 내에서 탄산 및 중탄산 이온의 검출에 유용하다는 것을 발견하였다.
따라서, 본 발명은 신규한 트리아졸계 화합물 및 이를 포함하는 이온검출용 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 태양에 따라, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112015102543094-pat00001
본 발명의 일 태양에 따라, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 탄산 또는 중탄산 이온 검출용 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112015102543094-pat00002
본 발명의 일 태양에 따라, (ⅰ) 하기 화학식 1a로 표시되는 화합물을 염소화제와 반응시켜 하기 화학식 1b로 표시되는 화합물을 형성하는 단계; (ⅱ) 하기 화학식 1b로 표시되는 화합물을 하이드라진 수화물과 반응시켜 하기 화학식 1c로 표시되는 화합물을 형성하는 단계; (ⅲ) 하기 화학식 1c로 표시되는 화합물을 이황화탄소와 반응시켜 하기 화학식 1d로 표시되는 화합물을 형성하는 단계; (ⅳ) 하기 화학식 1d로 표시되는 화합물을 하이드라진 수화물과 반응시켜 하기 화학식 1e로 표시되는 화합물을 형성하는 단계; 및 (ⅴ) 하기 화학식 1e로 표시되는 화합물을 니트로벤즈알데히드와 반응시켜 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 형성하는 단계;를 포함하는, 화학식 1로 표시되는 화합물의 제조방법에 의해 제조한다.
[화학식 1]
Figure 112015102543094-pat00003
[화학식 1a]
Figure 112015102543094-pat00004
[화학식 1b]
Figure 112015102543094-pat00005
[화학식 1c]
Figure 112015102543094-pat00006
[화학식 1d]
Figure 112015102543094-pat00007
[화학식 1e]
Figure 112015102543094-pat00008
본 발명의 일 태양에 따라, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 탄산 또는 중탄산 이온 검출용 화학센서를 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112015102543094-pat00009
본 발명의 일 태양에 따라, (a) 탄산 또는 중탄산 이온을 포함하는 분석시료에 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 첨가하여 혼합물을 얻는 단계; 및 (b) 상기 혼합물로부터 방출되는 파장을 검출하는 단계; 를 포함하는 탄산 또는 중탄산 이온의 검출방법을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112015102543094-pat00010
일 구현예에서, 단계 (b)의 상기 파장이 UV-Vis(Ultraviolet-visible)분광기 또는 형광광도계로 측정할 수 있다.
일 구현예에서, 단계 (b)의 상기 파장이 424 nm일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 탄산 또는 중탄산 이온의 검출방법의 검출 한계가 1.91 μM일 수 있다.
본 발명에 의해, 신규한 트리아졸계 화합물을 포함하는 조성물이 수용액 내에서 육안으로 탄산 및 중탄산 이온 검출이 용이하다는 것이 밝혀졌다.
따라서, 본 발명에 따른 트리아졸계 화합물을 포함하는 조성물은 이온 검출 시간을 절감하며, 용이하게 이온 농도를 파악할 수 있으며, 화학센서의 제조시간을 절감할 수 있고, 검출을 위한 다양한 조건을 요구하지 않아 편리하므로 탄산 및 중탄산 이온 검출에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 화합물 1의 합성 경로를 나타낸 개략도이다.
도 2는 화합물 1의 질량분석 스펙트럼 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 화합물 1 용액(DMSO-d6)에 탄산 이온(1-3 당량, 중수소화 수용액) 첨가시 화합물 1의 핵자기공명 스펙트럼 분석 결과이다.
도 4는 핵 자기공명 적정시험에 근거한 화합물 1과 탄산 이온의 결합 메카니즘을 나타낸 개략도이다.
도 5는 탄산 이온(중수소화 수용액) 첨가시 화합물 1 용액(DMSO-d6)의 발색 반응을 나타낸 사진이다.
도 6은 pH 7의 에탄올/물(3:7,v/v)에서 화합물 1(10 μM); 및 화합물 1과 중탄산 이온 및 탄산 이온(10 당량)과의 반응 용액의 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼이다.
도 7은 pH 7의 에탄올/물(3:7,v/v)에서 탄산 이온(2~10 당량)농도 증가에 따른 화합물 1(10 μM)의 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼이다.
도 8은 pH 7의 에탄올/물(3:7,v/v)에서 탄산이온 농도(0-4 당량)의 함수로서 424 nm의 방출 최대값에서 화합물 1(10 μM)의 형광 적정을 나타낸 그래프이다; 삽도는 424 nm에서 탄산 이온 농도 증가에 따른 형광 강도 사이에서 얻어진 선형관계이며, F/Fo는 최대 형광 강도(F, 화합물 1에 탄산 이온 첨가 후)와 최소 형광 강도(Fo, 화합물 1에 탄산 이온 첨가 전)의 비율이다.
도 9는 pH 7, 상온의 에탄올/물(3:7,v/v)에서 탄산 및 중탄산 이온(20 μM); 및 경쟁 이온인 플루오르(F-), 염소(Cl-), 브롬(Br-), 이산화질소(NO2 -), 이산화염소(ClO2 -), 삼산화염소(ClO3 -), 사산화염소(ClO4 -), 황산(SO4 2-), 규산(SiO3 2-), 질산(NO3 2-) 및 아세트산(CH3COO-) 존재시의 화합물 1(10 μM)의 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼이다.
도 10은 pH 7, 상온의 에탄올/물(3:7,v/v)에서 탄산 및 중탄산 이온(20 μM) 및 경쟁 이온인 플루오르(F-), 염소(Cl-), 브롬(Br-), 이산화질소(NO2 -), 이산화염소(ClO2 -), 삼산화염소(ClO3 -), 사산화염소(ClO4 -), 황산(SO4 2-), 규산(SiO3 2-), 질산(NO3 2-) 및 아세트산(CH3COO-)(20 μM) 존재시의 화합물 1(10 μM)의 형광 방출 스펙트럼이다.
도 11은 pH 7의 에탄올/물(3:7,v/v)에서 탄산 이온의 존재 및 비존재시에 방출 최대인 424 nm에서 화합물 1(10 μM)의 형광 스펙트럼 강도에 대한 반응 시간의 영향을 나타낸 그래프이다.
도 12는 pH 2에서 pH 9까지의 변화에 따른 탄산이온 첨가 및 화합물 1 단독의 형광 방출 스펙트럼 변화이다.
도 13은 pH 7의 에탄올/물(3:7,v/v)에서 탄산이온(0-4 당량) 존재시의 화합물 1(10 μM)의 형광 방출 스펙트럼 증가를 나타내는 그래프이다; 흑색 기둥은 증류수에서의 화합물 1의 형광 반응을 나타내며, 적색 기둥은 수돗물에서의 화합물 1의 형광 강도 변화를 나타낸다.
도 14는 분자구조 프로그램(ChemBiodraw ultra)으로 그린, 탄산이온 결합시의 화합물 1의 프론티어 분자궤도 및 에너지 최소화 입체구조도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 명세서의 도면상에서 프로브(Probe)는 탄산 및/또는 중탄산 이온검출용 화합물로 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 1을 의미한다. 따라서, 본 명세서에서는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 화합물 1로 지칭하였다.
본 발명의 일 태양에 따라, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112015102543094-pat00011
상기 화학식의 화합물 1은 구체적으로 다음과 같다. (E)-3-(4-메톡시페닐)-4-[(4-니트로벤질리덴)아미노-1H-1,2,4-트리아졸-5(4H)-씨온]
또한, 본 발명의 일 태양에 따라, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 1을 포함하는 탄산 또는 중탄산 이온검출용 조성물을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112015102543094-pat00012
또한, 본 발명은 화학식 1로 표시되는 화합물 1의 제조방법은, (ⅰ) 하기 화학식 1a로 표시되는 화합물을 염소화제와 반응시켜 하기 화학식 1b로 표시되는 화합물을 형성하는 단계, (ⅱ) 하기 화학식 1b로 표시되는 화합물을 하이드라진 수화물과 반응시켜 하기 화학식 1c로 표시되는 화합물을 형성하는 단계, (ⅲ) 하기 화학식 1c로 표시되는 화합물을 이황화탄소와 반응시켜 하기 화학식 1d로 표시되는 화합물을 형성하는 단계, (ⅳ) 하기 화학식 1d로 표시되는 화합물을 하이드라진 수화물과 반응시켜 하기 화학식 1e로 표시되는 화합물을 형성하는 단계 및 (ⅴ) 하기 화학식 1e로 표시되는 화합물을 니트로벤즈알데히드와 반응시켜 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 형성하는 단계를 포함하며, 필요에 따라 그 외의 공정을 추가로 포함할 수 있다. 여기서, 목표 합성물인 하기 화학식 1에 해당하는 화합물 1의 합성 경로 개략도를 도 1로 나타내었으며, 하기 화학식 구조를 통해 (ⅰ)~(ⅴ)각 단계별로 형성된 화합물을 확인할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112015102543094-pat00013
[화학식 1a]
Figure 112015102543094-pat00014
[화학식 1b]
Figure 112015102543094-pat00015
[화학식 1c]
Figure 112015102543094-pat00016
[화학식 1d]
Figure 112015102543094-pat00017
[화학식 1e]
Figure 112015102543094-pat00018
이하, 상기 화학식 1로 표시되는 화합물 1의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 단계 (ⅰ)는 4-메톡시벤조산(화합물 1a)로 표시되는 화합물을 용매 및 염소화제와 반응시켜 4-메톡시벤조일 클로라이드(화합물 1b)로 표시되는 화합물을 형성하는 단계로서, 보다 구체적으로는 화합물 1a로 표시되는 화합물을 용매에 용해시킨 다음, 옥시염화인과 같은 염소화제를 환류 하에 3시간 반응하여 화합물 1b로 표시되는 화합물을 제조할 수 있다. 또한, 상기 단계 (ⅰ)에 따라 형성된 화합물 1b로 표시되는 화합물은 용매 하에 존재하게 되므로, 이를 포함하는 용매를 상온에서 식힌 후, 감압 하에서 제거하여 화합물 1b로 표시되는 화합물을 수득할 수 있다. 또한, 상기 용매는 반응물에 대하여 불활성인 하나 이상의 용매를 사용하는 것이 바람직하며, 예를 들어 디클로로메탄 또는 1, 2-디클로로에탄과 같은 염소화 지방족 용매를 이용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1, 2-디클로로에탄을 용매로 사용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
Figure 112015102543094-pat00019
다음으로, 단계 (ⅱ)는 상기 단계 (ⅰ)에서 제조된 화합물 1b로 표시되는 화합물을 하이드라진 수화물과 반응시켜 4-메톡시벤조하이드라자이드(화합물 1c)로 표시되는 화합물을 형성하는 단계로서, 보다 구체적으로 화합물 1b를 용해시킨 뒤, 하이드라진 수화물 및 함질소 용매가 포함된 용액에 화합물 1b를 한 방울씩 떨어뜨리고 환류 하에 3시간 반응하여 화합물 1c를 얻었다.
이때, 화합물 1b를 아세토니트릴로 용해시킬 수 있으며, 함질소 용매는 트리에탄올아민(TEA), 아세토니트릴 또는 이들의 혼합 용매를 사용하여 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
Figure 112015102543094-pat00020
다음으로, 단계 (ⅲ)은 상기 단계 (ⅱ)에서 제조된 화합물 1c로 표시되는 화합물을 이황화탄소와 반응시켜 칼륨2-(4-메톡시벤조일)하이드라진 카르보다이싸이오에이트(화합물 1d)로 표시되는 화합물을 형성하는 단계로서, 보다 구체적으로 수산화칼륨을 드라이 메탈올에 용해시킨 후, 이 용액에 상기 단계 (ⅱ)에서 제조된 화합물 1c 화합물을 첨가하여 얼음 냉각시킨 뒤, 계속해서 1-2시간 동안 저어주면서 화합물 1c를 조금씩 첨가하여 준다. 이렇게 형성된 생성물 화합물 1d를 여과시킨 뒤, 냉각된 유기 용매인 다이에틸 에테르로 세척 및 건조하여 수득할 수 있다.
Figure 112015102543094-pat00021
다음으로, 단계 (ⅳ)는 상기 단계 (ⅲ)에서 제조된 화합물 1d로 표시되는 화합물을 하이드라진 수화물과 반응시켜 화학식 4-아미노-3-(4-메톡시페닐)-1H-1,2,4-트리아졸-5(4H)-씨온(화합물 1e)로 표시되는 화합물을 형성하는 단계로, 더욱 상세하게는 상기 단계 (ⅲ)에서 제조된 화합물 1d에서 수득한 화합물을 별도의 정제 없이 탈이온수에 넣은 뒤, 하이드라진 수화물을 첨가한 후 환류시킨다.
이때, 하룻 밤(대략 10-12시간)동안 환류시킬 수 있으며, 이 반응 혼합물은 황화수소로 발전하며 황녹색으로 변한 뒤, 최종적으로 균질화된다. 이후, 분쇄된 얼음을 붓고 산을 첨가하여 중성화시킴으로써 화학식 화합물 1e로 표시되는 화합물을 얻을 수 있다. 이때, 산은 묽은 염산으로 할 수 있으며, 상기 화합물을 흰색 고체 생성물로 만들기 위해 정제 및 찬물에서 씻긴 뒤 메탄올에서 결정화시킬 수 있다.
Figure 112015102543094-pat00022
다음으로, 단계 (ⅴ)는 상기 단계 (ⅳ)에서 제조된 화합물 1e로 표시되는 화합물을 4-니트로벤즈알데히드와 반응시켜 (E)-3-(4-메톡시페닐)-4-[(4-니트로벤질리덴)아미노-1H-1,2,4-트리아졸-5(4H)-씨온](화합물 1)로 표시되는 화합물을 형성하는 단계로, 더욱 상세하게는 화합물 1e을 메탄올에 용해 및 4-니트로벤즈알데히드를 메탄올에 용해시킨다. 이후 두 용액을 서로 혼합한 뒤, 농황산 두 방울 추가한 뒤 마이크로파 보조 합성을 10분 진행한다.
시작 물질이 소모된 후, 나머지 용매는 감압하에 증발되며, 이렇게 형성된 생성물은 메탄올에서 결정화된다. 최종 목표 화합물 1인 (E)-3-(4-메톡시페닐)-4-[(4-니트로벤질리덴)아미노-1H-1,2,4-트리아졸-5(4H)-씨온]을 합성하는 방법에서, 마이크로파 보조 합성을 진행할 경우 합성시간 단축에 효과적이며, 완성물을 10분 안에 좋은 수율로 얻을 수 있다는 장점이 있다.
Figure 112015102543094-pat00023
나아가 본 발명은, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 1을 포함하는 탄산 또는 중탄산 이온 검출용 화학센서를 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112015102543094-pat00024
본 발명의 화학센서는 여러 경쟁 음이온(예를 들어 플루오르(F-), 염소(Cl-), 브롬(Br-), 이산화질소(NO2 -), 이산화염소(ClO2 -), 삼산화염소(ClO3 -), 사산화염소(ClO4 -), 황산(SO4 2-), 규산(SiO3 2-), 질산(NO3 2-), 아세트산(CH3COO-)과는 반응하지 않으며, 오직 탄산(CO3 2-) 및/또는 중탄산(HCO3 -) 이온에만 선택적인 발광 효과를 지니고 있어 탄산 및/또는 중탄산 음이온 검출용 센서로서 검출의 용이함과 편리성을 지닌다. 이런 특징은, 본 발명에 따른 화학센서의 특정적으로 높은 열역학적 친화력이 오직 탄산 및/또는 중탄산 이온을 향한 검출전용 분리감도가 있기 때문이다.
또한, 본 발명은 (a) 탄산 또는 중탄산 이온을 포함하는 분석시료에 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 1을 첨가하여 혼합물을 얻는 단계 및 (b) 상기 혼합물로부터 방출되는 파장을 검출하는 단계를 포함하는 탄산 또는 중탄산 이온의 검출방법을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112015102543094-pat00025
여기서, 탄산 또는 중탄산 음이온을 포함하는 분석시료를 만드는 방법으로, 탄산칼륨을 증류수에 용해하여 탄산칼륨 용액을 준비한 뒤, 분석시료에 화학식 1로 표시되는 화합물 1에 화합물을 첨가하여 혼탁액으로 만든 뒤 분석시료와 혼합할 수 있다. 더욱 구체적으로 혼탁액은 화합물 1, 에탄올, 물, 트리스-염산(Tris-HCl) 완충용액 및 탄산칼륨 용액이 혼합된 용액이며, 검출 단계 이전에 모두 균일하게 혼합하여 시험을 진행하는 것이 바람직하다.
일 구현예에서, 단계 (b)의 상기 파장이 UV-Vis(Ultraviolet-visible)분광기 또는 형광광도계로 측정할 수 있다.
화합물 1이 탄산 및 중탄산 음이온 유무에 따른 인식능력을 알아보는 검출시험과 탄산 음이온의 농도에 변수를 두고 탄산 음이온을 평가하는 시험으로 자외선-가시광선 흡수 스펙트럼을 활용했으며, 화합물 1의 비율적 검출을 평가, 검출 반응시간을 확인, 검출분석용 작업용액의 농도확인을 위해 형광발광 스펙트럼을 활용 했으며 그 외 다양한 시험이 UV-Vis(Ultraviolet-visible)분광기 또는 형광광도계로 진행되었다.
일 구현예에서, 단계 (b)의 상기 파장이 424 nm일 수 있다.
화합물 1에 탄산 음이온을 첨가한 뒤, 형광발광 스펙트럼으로 가변 시간을 기록했을 때, 형광신호의 출현이 탄산 음이온을 넣자마자 나타났으며, 424 nm에서 상이한 시간간격으로 형광발광 스펙트럼이 1분 안에 완료되어 결과가 나타남을 알 수 있었다. 이에 따라, 본 발명에 따른 화학센서의 용이함과 시간 절감의 효과가 밝혀졌다. 자외선-가시광선 및 형광발광 분석을 통해서 424 nm에서 형광발광 신호 및 흡수 신호에 특별한 이동이 발견되었으며, 화합물 1과 탄산 및 중탄산 음이온의 친화성을 보여주었다.
일 구현예에서, 검출 한계가 1.91 μM일 수 있다.
형광발광 시험에서 검출 한계를 1.91 μM로 계산하였으며, 화합물 1은 여러 경쟁 음이온 중에서 특별히 탄산 및 중탄산 음이온에만 선택적 경향을 보였다.
이하, 본 발명을 실시예 (및 시험예)를 통하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예 (및 시험예)는 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의해 제한되는 것은 아니다.
1. 기질 및 시약
4-메톡시벤조산(4-Methoxybenzoic acid), 4-니트로벤즈알데히드(4-nitrobenzaldehyde), 옥시염화인(phosphorous oxychloride)을 알드리치(Aldrich)에서 구매했다. 하이드라진 수화물(80%)(Hydrazine hydrate 80%), 트리에틸아민(triethyl amine, TEA), 이황화탄소(CS2), 수산화칼륨(potassium hydroxide) 및 탄산수소나트륨(sodium hydrogen carbonate)도 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich)에서 구매했다. 플루오르(F-), 염소(Cl-), 브롬(Br-), 이산화질소(NO2 -), 이산화염소(ClO2 -), 삼산화염소(ClO3 -), 사산화염소(ClO4 -), 황산(SO4 2-), 규산(SiO3 2-), 질산(NO3 2-), 아세트산(CH3COO-), 중탄산(HCO3 -) 및 탄산(CO3 2-)의 나트륨(Na+)과 칼륨(K+) 염들을 알드리치 및 알파에이사에서 구매했다. 에탄올, 메탄올, 클로로포름, 물, 아세토니트릴, 다이메틸설폭시드, 석유에테르(petroleum ether), 에틸아세테이트, n-헥산(삼천화학), 황산, 염산은 진 화학 및 제약사에서 구입하여 실험에 사용했다.
2. 측정장치
반응 진행을 박층크로마토그라피(TLC)로 모니터링했다. 또한, 표준(Rf) 값은 독일회사 머크(Merck)의 코팅된 실리카 겔 알루미늄 판(pre-coated silica gel aluminum plates, Kieselgel, 60 F254)을 사용하여 계산하였다. TLC는 UV램프(Vilber Lourmat-4 LC, France)로 시각화 하였다. 녹는점은 녹는점 측정장치(Digimelt MPA 160, USA)로 측정하여 보정 하지 않은 값을 사용하였다. 적외선분광기 스펙트럼(FT-IR spectral)은 분광계(Shimadzu FT-IR-8400S, spectrometer, Kyoto, Japan)로 KBr펠릿(KBr pellets) 중에서 기록하였다. 양성자와 탄소핵 자기공명스펙트럼은 테트라메틸실란(tetramethylsilane, TMS)을 내부 표준물질로 사용하여 분광계(Bruker Avance 400 MHz spectrometer)로 기록하였다.
화학적 이동은 지시된 유기 용액 내의 TMS로부터 델타(δ) 값(ppm) 다운필드(downfield)로 기록했다. 피크 다중성은 s는 단일선, d는 이중선, m은 다중선으로 표시하였다. 약어는 중메탄올을 CD3OD, 다이메틸설폭시드-d6는 DMSO-d6, 중수는 D2O로 기재하였다. 최종 목표로 하는 화합물 1의 합성 경로 개략도를 도 1로 나타내었다.
3. 합성예 1: 4-메톡시벤조하이드라자이드(화합물 1c)의 합성
화합물 1b는 화합물 1a (1 mmol)와 용매인 1,2-디클로로에탄(1,2-dichloroethane, DEC) (12 mL) 및 염소화제인 옥시염화인(0.4 mL) 존재하에서 3시간 동안 환류하면서 반응시켜 합성하였다. 이후, 얻어진 용액을 실온에서 냉각시킨 후, 감압 하에서 용매를 제거하여 화합물 1b를 얻고, 이는 추가적인 정제 과정을 거치지 않고 다음 단계에서 바로 사용하였다. 상기 화합물 화합물 1b를 아세토니트릴(80 mL)에 용해하여 하이드라진 수화물(1 mmol), TEA(0.5 mL), 아세토니트릴(20 mL)을 함유한 용액에 적가하였으며, 이를 TLC로 모니터링 하면서 3시간 동안 환류하였다.
상기 반응물들이 모두 소진된 후에 반응 혼합물을 상온으로 식혔다. 이어서, 감압하에서 용매를 증발시켜 냉각시키면 흰색 고체로써 조 4-메톡시벤조하이드라자이드(화합물 1c)를 얻었으며, 필요 시 이를 컬럼 크로마토그래피(column chromatography)로 정제하고, 메탄올에서 결정화하여 생성물(화합물 1c)를 얻을 수 있다.
흰색 고체; 수율: 84%; mp: 133-135 ℃; Rf: 0.38 (chloroform:methanol, 9:1); FT-IR (υ/cm-1): 3342, 3287 (NH2), 3158 (NH) 3030 (sp2 CH), 2937, 2874 (sp3 CH), 1628 (C=O), 1554, 1507, 1486 (C=C of phenyl ring); 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ 9.21 (s, 1H, NH), 7.36-7.24 (m, 2H, Ar-H), 6.97-6.84 (m, 2H, Ar-H), 4.27 (s, 2H, broad, NH2), 3.74 (s, 3H, OCH3); 13C NMR (100MHz, DMSO-d6) δ 168.7, 159.1, 136.5, 132.7, 129.4, 126.2, 114.5, 57.1.
4. 합성예 2: 4-아미노-3-(4-메톡시페닐)-1 H -1,2,4-트리아졸-5(4 H )-씨온(화합물 1e)의 합성
수산화칼륨(0.125 mol, 1eq.)을 드라이 메탄올(50mL)에 용해시킨 용액에 화합물 1c (0.125 mol, 1 eq.)를 추가한 뒤 이 용액을 얼음에서 냉각시켰다. 여기에, 이황화탄소(0.125 mol, 1 eq.)를 1-2시간 동안 연속해서 저어주면서 조금씩 첨가하였다. 이에 따라 생성된 물질 화합물 1d를 여과하고, 이를 냉 다이에틸에테르로 세척하여 건조하였다. 이를 더 이상의 정제과정 없이 다음 단계에서 바로 사용하였다. 화합물 1d를 탈이온수(50 ml)에 넣고 하이드라진 수화물(0.250 mol)을 첨가한 다음 하룻밤을 환류시켰다. 상기 반응 혼합물은 황화수소의 발생과 함께 황녹색으로 변한 후, 최종적으로 균일하게 되었다. 이어서, 상기 혼합물을 분쇄된 얼음(crushed ice)에 붓고, 염산(HCl)을 첨가하여 중성화시켰다. 이에 따라 형성된 4-아미노-3-(4-메톡시페닐)-1H-1,2,4-트리아졸-5(4H)-씨온(화합물 1e)의 흰색 침전물을 여과한 후, 찬물에서 세척하고 메탄올로 결정화하여 생성물을 얻었다.
흰색 고체; 수율: 78%; mp: 215-217 ℃; Rf: 0.23 (n-hexane: ethyl acetate, 7:3); IR (υ/cm-1) 3277, 3181 (NH2), 3057 (sp2 CH), 2932, 2874 (sp3 CH), 1597 (C=N), 1553, 1507, 1484 (C=C), 1320 (C=S); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 13.64 (s, 1H, NH), 7.41-7.34 (m, 2H, Ar-H), 6.98-6.85 (m, 2H, Ar-H), 5.61 (s, 2H, broad, NH2), 3.75 (s, 3H, OCH3); 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 167.1, 159.5, 150.3, 135.2, 131.7, 126.1, 119.5, 114.5, 56.9.
5. 실시예 1: 목표화합물 (E) -3-(4-메톡시페닐)-4-[(4-니트로벤질리덴)아미노-1 H -1,2,4-트리아졸-5(4 H )-씨온] (화합물 1)의 합성
화합물 1e(0.3g, 0.0018 mol, 1eq.)를 메탄올(20 ml)에 용해시킨 용액과 4-니트로벤즈알데히드 (0.27g, 0.0018 mol, 1eq.)를 메탄올(20 mL)에 용해시킨 용액을 서로 혼합한 뒤, 농황산 두 방울을 추가했다. 10분간의 마이크로파 보조 합성에 앞서, TLC로 2분마다 반응 진척을 모니터링했다. 상기 반응물들이 모두 소진된 후 남은 용매를 감압하에 증발시켰으며, 그 결과물인 생성물을 메탄올로 결정화했다.
이후, 상기 생성물을 n-헥산 : 에틸아세테이트 용매 시스템과 칼럼 크로마토그래피로 정제하고, 목표 화합물의 합성을 위해 방법이 순조로운 마이크로파 보조 합성 절차를 채택하였다. 마이크로파 보조 합성 절차는 시간 단축에 상당한 이점이 있어 이를 통해 최종 산물을 10분 안에 좋은 수율로 얻을 수 있다.
반면에, 마이크로파 보조 합성 절차를 거치지 않으면 반응시간이 몇 시간 더 추가된다. 따라서, 이 합성의 시간단축 효과와 높은 생산성의 특징으로, 원하는 목표합성물 화합물 1의 합성에서 마이크로파 합성방법을 선택했다.
노란색 고체; 수율: 85%; mp: 260-262 ℃; Rf: 0.42 (n-hexane:ethyl acetate, 7:3); 1H NMR (400 MHz, DMSO-d6) δ 14.22 (s, 1H, NH), 10.06 (s, 1H, imine proton), 8.39-8.14 (m, 2H, aromatic proton), 7.84-7.80 (m, 4H, aromatic proton), 7.11-7.07 (m, 2H, aromatic proton), 3.64 (s, 3H, OCH3); 13C NMR (100 MHz, DMSO-d6) δ 174.9, 161.5, 150.0, 130.4, 130.2, 124.7, 118.0, 114.7, 55.8; MS for C16H13N5O3S (ESI, negative mode, m/z), 354 [M-H]-.
6. 시험예 1: 분광분석법
화합물 1 (1.77 mg)을 에탄올에 용해시켜 화합물 1 모액 (500 μM)을 준비했다(총 부피 10 mL). 마찬가지로, 탄산칼륨(0.691 mg)을 증류수에 용해시켜 탄산칼륨 모액 (500 μM)을 준비했다(총 부피 10 mL). 그 외 다른 음이온 용액들도 이와 같은 방식으로 만들 수 있다. 스펙트럼 측정을 위해 3ml의 테스트 용액을 준비하는데 이는, 1.77 mL의 에탄올/물 혼합 용액, 리간드 모액(10 μL), 에탄올/트리스-염산(Tris-HCl)을 혼합한 완충용액 (100 mM), 탄산칼륨 모액(20 μM)으로 준비하였다. 이들 용액들은 측정 전에 혼합하였으며, 자외선-가시광선과 형광 시험을 위해 최종 부피를 3 mL로 고정 시켰다. 측정기기(UV-Vis spectrophotometer 'S-3100' 및 FS-2 fluorescence spectrometer)로 스펙트럼 기록 전, 샘플 용액의 균일함을 위해 교반하였고, 모든 측정은 25 ℃에서 수행하였다.
7. 시험예 2: 합성 결과
적외선 스펙트럼 데이터에서 산성 하이드록실기(acid hydroxyl group)에 의한 영역 3400-2500 cm-1의 넓은 신호가 소실됨으로써, 화합물 1a에서 화합물 1b로의 변환을 확인했다.
또한, 적외선분광기 스펙트럼 테이터에서 산성 히드라지드의 1차와 2차 아미노기(amino groups of acid hydrazide)로 인한 3342, 3287 및 3158에서의 새로운 신호 출현으로 화합물 1c의 형성을 확인하였다. 한편, 카보닐 신축진동(carbonyl stretching vibration)이 1733에서 1628 cm-1로 미세 이동이 있었으며, 이는 화합물 1b에서 화합물 1c로의 성공적인 변환을 나타내는 것이다. 각각 1차 및 2차 아미노기에 의한 9.21 ppm 및 4.27 ppm에서의 넓은 단일선 출현으로 화합물 1c의 형성을 확인하였다.
화합물 1e의 형성은 적외선분광기 스펙트럼, 수소 핵자기공명 스펙트럼(1H NMR spectral) 및 탄소 핵자기공명 스펙트럼(13C NMR spectral) 분석으로 확인하였다. 적외선 분광기 스펙트럼에서 NH4 신축진동 관련 늘어짐(shoulder)과 함께 범위 3277-3181 cm-1 에서 상대적으로 넓은 피크가 나타났으며, C=S 신축진동과 관련 1320 cm-1에서의 신규 신호가 관찰되었다. 이는 화합물 1c에서 1e로의 변환을 나타낸다.
수소 핵자기공명 스펙트럼에서, 트리아졸 고리의 두번째 아미노 양성자의 분해 및 첫번째 아미노 양성자로 인하여, 각각 13.64 ppm 및 5.61ppm 신호에서 높은 다운필드 특성이 관찰되었으며, 이에 따라, 화합물 1e가 형성되었다는 것을 확인하였다.
화합물 1e와 4-니트로벤즈알데히드의 축합은 핵자기공명 스펙트럼 분석(1H NMR & 13C NMR)을 이용하여 확인하였다. 13.64 ppm에서 14.22 ppm으로의 NH 신호의 미세한 다운필드 변화 및 5.61 ppm에서 NH2 신호의 완전한 소실을 통해 쉬프 염기(schiff base)가 형성됨을 확인하였다. 반면, 이민 양성자(imine proton)로 인한 10.06 ppm에서의 다운필드 단일선의 출현을 통해 화합물 1e에서 화합물 1의 변환을 확인하였다.
탄소 및 양성자의 추가적인 신호에 따라, 핵자기공명 스펙트럼을 통하여 목표 화합물인 화합물 1의 성공적인 합성을 확인하였다. 또한, 화합물 1은 질량 스펙트럼 m/z=354에서 강한 분자 이온[M-H]+ 피크를 보였다.
아울러, 화합물 1의 정확한 질량은 도 2에 나타내었다.
8. 시험예 3: 결합 메카니즘
탄산 이온과 화합물 1의 가능한 결합모드를 평가하였다.
DMSO-d6에 화합물 1을 녹여 제조한 화합물 1 용액과, D2O에 K2CO3를 용해시켜 제조한 탄산이온 수용액을 혼합하기 전; 및 화합물 1용액에 탄산이온을 첨가한 후에 수소 핵자기공명 적정시험을 수행하였다.
이론적으로, 화합물 1은 불안정한 수소원자의 존재로 인하여 두 개의 이성질체가 가능하다. 상기 수소 원자는 트리아졸 고리의 질소원자에 존재할 수 있으며(thione 호변이성체), 황원자로 이동될 수도 있다(thiol 호변이성체).
상기 불안정한 수소원자는 수소 핵자기공명 스펙트럼에서 단일 신호로써 14.22 ppm의 높은 다운필드 영역에서 공명한다. 그러나, 탄산이온 수용액을 화합물 1에 첨가한 후에는 상기 불안정한 수소의 양성자 신호는 용매분자로 대체될 수 있는 특성에 의해 약화된다.
한편, 이민 양성자의 경우, 화합물 1에 탄산이온 수용액을 첨가하기 전에 10.06 ppm에서 단일선으로 나타났으나, 화합물 1에 탄산칼륨 수용액을 첨가한 후에는 이민 양성자에서 상당한 다운필드 이동이 나타났다. 이 다운필드 이동은, 도 3에 나타난 바와 같이, 탄산칼륨 용액을 다량 첨가할수록 계속 증가하였다.
화합물 1의 이민 양성자에서의 다운필드 이동은 이민 양성자가 탄산이온과의 결합에 관여한다는 확실한 증거를 제공한다. 반면, 불안정한 양성자는 용매분자로의 교체 가능성으로 인해 그 존속여부가 불명확하다.
수소 핵자기공명 적정 시험을 기반으로, 탄산이온 결합 메커니즘을 제안한다. 상기 결합 메커니즘은 도 4에 나타냈다.
9. 시험예 4: 음이온 검출에 대한 (E) -3-(4-메톡시페닐)-4-[(4-니트로벤질리덴)아미노-1 H -1,2,4-트리아졸-5(4 H )-씨온](화합물 1)의 발광반응
화합물 1의 색 변이는 자와선-가시광선 분광분석, 형광발광 분석(fluorescence) 및 핵자기공명 분석과 일치되어 나타났다. 화합물 1의 강한 색변이는 4 당량 탄산이온에서 진황색부터 적갈색까지 나타내었다.
화합물 1 용액에 4 당량의 탄산염 이온을 첨가하면 노란색에서 갈색으로 강한 색 변화가 일어나고, 이로써 발색단과 이에 대응하는 음이온이 반응함을 알 수 있다. 그러나, 다른 다양한 경쟁 음이온 종에 대하여는 화합물 1 용액에서 상기 반응이 일어나지 않았으며, 이로써 화합물 1은 탄산, 중탄산 음이온 검출(육안)용 물질로 사용될 가능성이 있다.
오직 탄산 및 중탄산 이온을 향한 화합물 1의 이러한 독특한 선택성은, 각각의 음이온과의 수소결합에 참여하는 화합물 1의 특히 높은 열역학적 친화력에 의한 것일 수 있다. 다수의 경쟁 음이온 종, 예를 들어, 플루오르(F-), 염소(Cl-), 브롬(Br-), 이산화질소(NO2 -), 이산화염소(ClO2 -), 삼산화염소(ClO3 -), 사산화염소(ClO4 -), 황산(SO4 2-), 규산(SiO3 2-), 질산(NO3 2-) 및 아세트산(CH3COO-) 음이온과 비교할 때, 화합물 1이 탄산과 중탄산 이온에 대해 선택적으로 반응하였다.
이러한 선택성에 대한 여러 근거를 하기와 같이 요약할 수 있다.
불소이온은 아주 좋은 염기이며 높은 전기 음성도를 가져, 쉬프 염기에 대한 불소이온의 검출 메커니즘은 산-염기반응을 따른다. 본 발명에 따른 화합물 1에 있어서는, 도 3에 나타난 바와 같이, 핵자기공명 적정 시험을 통해 검출 과정에서 이민 양성자가 관여하는 것이 명백하게 밝혀졌다.
그러나, 핵자기공명 적정 시험에 의해, 분자간에 어떠한 산-염기 반응이 일어나지 않았음이 밝혀졌다. 이는, 이민 양성자에서 명확한 다운필드 이동은 발견되었으나, 이러한 양성자의 이탈은 입증되지 않았으며, 이로써 화합물 1에서의 산-염기 반응의 가능성이 배제되었다. 이는 화합물 1에 불소이온을 첨가할 경우 명확한 신호 이동이 발견되지 않은 이유이다. 게다가, 주기율표 상 그룹 VII으로 이동 시, 원소의 염기도가 감소했고, 원소 크기에 따라 친핵성은 증가하였다. 다른 할로겐 원소의 큰 크기와 높은 친핵성으로 인해, 화합물 1과 할로겐 원소의 혼합시 뚜렷한 변화가 관찰되지 않았다.
한편, 황산, 규산, 질산, 아세트산은 보다 큰 사이즈이며, 낮은 염기성을 갖지만 화합물 1과의 결합에 대한 비호환성으로 인해 수용체와의 수소결합 과정에 관여하지 않는다. 오직 탄산 및/또는 중탄산 이온만이 선택적으로 화합물 1과 수소결합에 관여하며, 분자 간 전하 이동으로 인하여 더 긴 파장으로 신호를 이동시키는 염기성 원소라는 것을 확인할 수 있다.
10. 시험예 5: 광 물리 특성
화합물 1 (10 μM)의 탄산 음이온에 대한 광학 검출 타당성을 확인하기 위해, 흡수 및 발광 스펙트럼을 측정함으로써, 탄산이온의 부재 및 존재에 따른 자외선-가시광선 및 형광 특성을 조사하였다.
화합물 1은 에탄올/물의 혼합용매(v/v=3/7, pH=7, EtOH/Tris-HCl 완충용액)에서 안정적이었다. 에탄올/물(3:7, v/v) 용액에서 화합물 1(10×10-6 molL-1)의 흡수 스펙트럼은 216, 253 및 278 nm 흡수대역에서 나타났으며, 몰 흡광 계수값은 각각 6.1×104, 3.6×104 및 3.3×104 M-1cm-1이었다.
장파장에서 얻어진 흡수 최대값들은 공액계(conjugated system)의 n→π* 전자이동에 기인한다. 반면, 단파장에서의 높은 에너지 전환은 π→π*전자 이동 때문인 것으로 추정된다. 이는, n→π* 에 비하여, π→π* 에너지 레벨 사이의 에너지 간격이 상대적으로 높기 때문이다. 화합물 1에 2 당량 K2CO3를 첨가하면, 첫번째 흡수 밴드의 강도는 동일한 흡수 최대값에서 흡광 계수값 7.4×104 M-1cm-1으로 증가하였다. 반면에, 두 번째 및 세 번째 흡수밴드는 적색으로 이동(red shift)하였고 287 및 322 nm에서 각각 몰 흡광 계수값 2.8×104 및 2.7×104 M-1cm-1 인 새로운 신호가 나타났다.
한편, 중탄산염을 첨가하면, 216 nm 중심의 제 1흡수 대역에서 큰 증가가 나타났으며, 몰 흡광 계수값은 9.9×104 M-1cm-1였다. 동시에, 중탄산 이온은 두 번째 흡수 밴드에서 9 nm의 청색 이동(blue shift)을 유발시키며, 몰 흡광 계수값은 6.0×104 M-1cm-1이었다. 반면 세 번째 밴드에서는, 화합물 1과 동일한 흡수 최대값에서 대략 같은 몰 흡광 계수값(3.4×104 M-1cm-1)이 관찰되었다. 상기와 같은 탄산염 및 중탄산염 첨가시 화합물 1의 흡수 스펙트럼에서의 특성 변화는 마이크로 몰 농도 수준의 혼합 수용액 유기 매체(media) 내에서 CO3 2- 및 HCO3 - 이온의 검출을 위한 수단으로서 사용될 수 있다. 화합물 1의 탄산 및 중탄산 이온의 존재에 따른 흡수 스펙트럼은 도 6에 나타내었다.
화합물 1의 탄산 이온에 대한 검출능력 확인은 다양한 농도의 탄산 이온으로 화합물 1 용액을 적정하고 흡수 스펙트럼을 측정하여 수행하였다. 도 7에 나타난 바와 같이, 자외선-가시광선 적정시험에서, 화합물 1 용액으로 탄산 음이온들을 연속적으로 증가시킴(2-10 당량)에 따라 탄산 이온에 의한 새로운 적색 이동 신호가 계속적으로 증가하였다. 이 자외선-가시광선 적정시험은, 화합물 1의 탄산 음이온에 대한 비율적 반응이 실제 시료분석에서 탄산 음이온을 평가하기 위한 유용한 신호 시스템의 표현이라는 것임을 명확히 나타낸다.
화합물 1의 비율적 반응을 추가적으로 평가하기 위해, 상온에서 각기 다른 농도의 탄산이온이 포함된 에탄올/물(3:7, v/v, pH 7) 용액을 이용하여 형광 적정시험을 수행하였고, 탄산이온 농도에 따른 형광 스펙트럼의 변화를 도 8에 나타내었다. 탄산이온이 존재하지 않을 경우, 424 nm에서 화합물 1 용액의 형광신호는 나타나지 않았으며, 화합물 1 용액에 탄산이온을 연속적으로 첨가하였을 경우 형광 신호의 지속적인 증가가 나타났다. 이 적정시험으로부터, 화합물 1 용액(10 μM)에서 형광 신호를 유발하는 탄산이온의 최소 농도는 중성의 pH 조건에서 약 10 μM였다. 또한, 도 8에 나타난바와 같이, 선형 종속계수(R2)의 값은 0.9045으로 산출되었다. 화합물 1의 형광방출 스펙트럼에서 탄산이온의 첨가량 증가에 대하여 비교적 낮은 선형 의존 계수 및 낮은 선형관계에 의해 화합물 1과 음이온의 1:1 결합 화학 양론이 부분적으로 적용되었다. 또한, 형광 적정시험으로부터, 기울기(3σ/slope)를 이용한 검출한계는 1.91 μM 로 산출되었다.
넓은 범위의 배경 음이온들에 대한 선택적인 거동은 우수한 검출 소재에 있어서의 명백히 필수적인 요소이다. 화합물 1이 특히 탄산 및 중탄산 이온과 특이적으로 결합하는 선택적 결합특성에 대하여 알기 위해, 플루오르(F-), 염소(Cl-), 브롬(Br-), 이산화질소(NO2 -), 이산화염소(ClO2 -), 삼산화염소(ClO3 -), 사산화염소(ClO4 -), 황산(SO4 2-), 규산(SiO3 2-), 질산(NO3 2-) 및 아세트산(CH3COO-)을 포함하는 다양한 무기 이온(20 μM)에 대한 화합물 1(10 μM)의 인식 프로파일을 에탄올/물 (3:7, v/v)에서 자외선-가시광선 분광 분석(UV-visible spectroscopic analysis)으로 조사하였다. 탄산 및 중탄산 이온의 첨가에 따라, 화합물 1의 흡수 밴드에서몰 흡수계수뿐만 아니라 신호 위치의 상당한 이동이 있는 것으로 나타났다. 이때, 경쟁 이온들은 언급된 범위에서 탄산 및 중탄산 이온과 같은 종류의 신호를 나타내지 않았다(도 9 참조). 전반적으로, 다양한 종류의 경쟁 음이온들에 대하여 화합물 1의 신호에서 어떠한 이동(청색 및 적색)도 없었으며, 오직 탄산과 중탄산 이온에 대해서만 고유한 신호가 발생하였다. 이는, 다양한 경쟁 이온과 비교하여 탄산 및 중탄산 이온에 대한 화합물 1의 선택적 친화성을 나타낸다.
실제적으로, 탄산 및 중탄산 이온에 대한 화합물 1의 형광 선택성을 추가적으로 입증하기 위해, 다양한 무기 이온에 대한 화합물 1의 감지특성을 실험했다. 상온에서 에탄올/물(3:7, v/v)에 존재하는, 플루오르(F-), 염소(Cl-), 브롬(Br-), 이산화질소(NO2 -), 이산화염소(ClO2 -), 삼산화염소(ClO3 -), 사산화염소(ClO4 -), 황산(SO4 2-), 규산(SiO3 2-), 질산(NO3 2-) 및 아세트산(CH3COO-)을 포함하는, 다양한 환경적 및 생물학적으로 관련성 있는 음이온들(20 μM)과 화합물 1 (10 μM)을 반응시켰다.
테스트 조건하에서 375-500 nm 범위에서 경쟁 음이온뿐만 아니라 중탄산 이온의 존재시에 화합물 1 단독에 대한 형광신호는 나타나지 않았다. 이와 대조적으로, 화합물 1 용액에 2 당량 탄산 이온을 추가하였을 때 형광강도는 눈에 띄게 강화되었으며, 이는, 도 10에 나타난 바와 같이, 중성 조건 하에서 배경 이온들과 비교하였을 때 탄산 이온에 대한 화합물 1의 선택성을 나타낸다.
검출 물질에 대한 신속한 반응시간은 실제적인 적용을 위한 전제조건이다. 화합물 1과 탄산 이온의 결합 반응 시간을 알기 위해서, 화합물 1의 형광 발광 스펙트럼을 다수의 시간 간격으로 측정하였다. 도 11에 나타난 바와 같이, 탄산 이온 첨가 즉시 형광신호가 나타나기 시작했으며, 다양한 시간 간격의 424 nm에서의 형광 발광 스펙트럼에서 1분 안에 완료되는 것으로 나타났다.
검출 분석법에서 시험용액(working solution)의 pH는 중요한 매개 변수(parameter)이다. 따라서, pH의 영향을 pH 2-9 범위에서 평가하였고 도 12에 나타내었다. 424 nm의 파장에서, 전체 pH 범위에서 화합물 1(10 μM)이 단독으로 존재할 때는 발광 신호가 나타나지 않았으나, 화합물 1 용액에 탄산 이온을 첨가한 후에는, pH 2-9의 넓은 범위에서 424 nm의 파장을 중심으로 발광신호의 급격한 증가가 나타났다. pH에 따른 화합물 1의 감도 강도에서 변화가 없는 것은 형광 신호 증가에 대한 중탄산 이온의 간섭을 나타낸다. 이는, pH 5-6 이하에서, 탄산 이온이 중탄산 이온으로 변환될 수 있으며, 형광 신호 출현은 오직 탄산 이온에 의해 나타난다면, 산성 조건하에서 형광 발광 신호 강도가 감소하였을 것이다. 그러나, 이와는 상반된 결과는 중탄산 이온뿐만 아니라 탄산 이온 모두에 대한 화합물 1의 친화성을 의미한다. 즉, 상기와 같은 실험으로부터, 화합물 1이 표준용액의 pH에 따라 탄산 이온과 중탄산 이온, 두 이온 모두에 대해 반응한다는 것을 확인할 수 있다.
실제 샘플 분석에 대한 화합물 1의 실행 가능성을 같은 조건하에서 수돗물 및 증류수를 이용하여 조사하였다. 수돗물뿐만 아니라 증류수의 경우에 거의 동일한 형광 발광 향상이 관찰되었으며, 이는 수돗물에 존재하는 배경 이온이 형광 발광 스펙트럼에 영향을 주지 않는다는 것을 나타낸다. 그러나, 도 13에 나타낸 바와 같이, 탄산이 풍부한 수돗물에서는 발광 스펙트럼 특성에 뚜렷한 영향을 미치는 것으로 추정된다.
11. 시험예 6: 용매 영향
탄산이온 첨가시 화합물 1의 형광 발광 스펙트럼에 대한 용매의 영향을, 다양한 유기 용매 및 유기수용액 용매에 화합물 1을 용해시킨 후 형광 발광 스펙트럼을 측정하여 관찰하였다.
생물학적 시료 분석에서 순수한 수용액 또는 혼합 수용액 매질(media)의 관련 특성들 때문에, 혼합 유기 수용액을 대상으로 시험하였다. 화합물 1은 에탄올, 메탄올, 아세토니트릴, 다이메틸설폭시드를 포함한 극성 유기 용매의 적당한 용해도를 나타냈다. 다이메틸설폭시드(DMSO)와 같은 극성 비양성자성 용매에서는 형광 강도가 약간 감소하였으나, 에탄올, 메탄올 및 아세토니트릴의 경우 최대 강도 형광 신호가 나타났다. 이는, 탄산 이온과 화합물 1이 결합하는 것에 있어 가장 적합한 용매가 극성 양성자성 용매라는 것을 나타낸다. 탄산 이온과 화합물 1의 결합시 다양한 용매에서의 형광 발광 강도 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
순서 용매 λem(nm)a F/Fo b π*[40]c β[40]d
1 에탄올:물 (7:3,v/v) 424 178 1.00 0.76
2 메탄올:물 (7:3,v/v) 424 178 0.60 0.62
3 에세토니트릴:물 (7:3,v/v) 424 155 0.54 0.77
4 DMSO:물 (7:3,v/v) 424 124 1.00 0.76
( a : 형광 발광 최대치, bF/Fo : 탄산 이온 첨가 후 최대 형광 강도(F) 및 탄산 이온의 부재시의 최소 형광 강도(Fo)의 비, c : 사용되는 유기 용매에 대한 용매 극성-분극률 지수, d : 용질-용매 수소결합에서 양성자를 수용하는 유기 용매의 능력과 관련된 매개변수)
12. 시험예 7: 형광 양자 수율 계산
형광 양자 수율은 흡수된 광자의 수에 대해 발광하는 광자의 수로서, 형광단(fluorophore)의 중요한 특성이다. 화합물 1의 단독 존재하의 형광 양자 수율은 거의 0에 가까웠으나, 화합물 1 용액에 2당량의 탄산 이온을 추가하면 형광 양자 수율에서의 큰폭의 증가가 관찰되었다.
2 당량 탄산 이온 첨가시 화합물 1은 0.0097의 형광 양자 수율을 나타냈으며, 424 nm 파장에서의 방출 스펙트럼 및 322 nm 파장에서의 여기 스펙트럼을 이용하고 하기 식 1을 이용하여 산출하였다. 황산 퀴닌(0.1 N 황산중 0.5 M 모액)을 상대적 형광 양자 수율 결정을 위한 표준시료로 사용하였다.
[식 1]
Φunk=Φstd(Iunk/Aunk)(Astd/Istd)(nunk/nstd)2
상기 식 1에서 Фunk은 샘플의 형광 양자 수율이며, Фstd은 표준시료의 양자 수율, Iunk 및 Istd는 샘플과 표준시료의 통합된 형광강도, Aunk과 Astd는 흡수파장에서의 샘플 및 표준시료 각각의 흡광도, nunk 및 nstd는 각각 해당하는 용매의 굴절률이다.
13. 시험예 8: 컴퓨터 모형분석 연구
화합물 1과 탄산 이온 결합의 전자구름 분포를 명확히 하기 위해서 프론티어 분자궤도 즉, 최고 점유 분자궤도 함수(HOMO) 및 최저 비점유 분자궤도 함수(LUMO)모형을 만들었으며, 도 14에 나타내었다.
HOMO의 경우, 분자내 탄산염 잔기뿐만 아니라 트리아졸 골격의, 분자의 수용체 단위에 걸쳐 전자 밀도가 확장되어 있는 것으로 나타났다. 이러한 전자구름 확장은 전자 전이의 전체 에너지를 감소시킬 수 있으며, 전자구름 확장으로 인하여 이온결합시 화합물 1의 흡수 신호의 적색 이동이 나타난다.
LUMO의 경우, 전자 밀도는 음이온 영역에서 확장하는 것뿐만 아니라 트리아졸 고리, 전자 구인성 4-니트로페닐기, 분자의 쉬프 염기 골격에 걸쳐 확산되어 있는 것으로 관찰되었다. 최저 전자 밀도는 분자의 전자 공여체(donor) 메톡시(methoxy) 쪽에서 관찰되었다.
아울러, 탄산 이온이 결합한 후의 총 전하 밀도와 화합물 1의 에너지 최소화 구조를 탄산 이온과 결합한 화합물 1의 재배치를 이해하기 위하여 도식화하였다. 이는, 더 나은 안정성을 얻기 위해 반발력을 최소화하도록 화합물 1의 중심 골격에서 4-니트로페닐기 및 4-메톡시페닐기가 트랜스 형태로 정렬되는 것을 나타낸다.
또한, 탄산염 이온과의 결합시에 화합물 1이 취하는 전체적인 입체 형태구조를 도 14에 나타내었다.
14. 결론
경제적이고 효율적인 쉬프 염기 유도체 화합물 1을, 화합물 1e와 4-니트로벤즈알데히드를 메탄올 중에서 10분간 마이크로파에 노출시켜 반응시킴으로써 합성하였다.
합성된 화합물 1의 특성은 적외선분광기 스펙트럼(FT-IR), 수소 핵자기공명(1H NMR), 탄소 핵자기공명(13C NMR) 및 질량분석법을 이용하여 분석하였다. 화합물 1(10×10-6molL-1)은 216, 253 및 278 nm 세 개의 흡수 밴드에서 각각 몰 흡광계수 6.1×104, 3.6×104 및 3.3×104M-1cm-1의 값을 나타났다.
중탄산 이온뿐만 아니라 탄산 이온 첨가시, 화합물 1의 흡수 밴드에서 몰 흡광계수 값뿐만 아니라 신호 위치의 상당한 이동이 나타났다. 한편, 형광 방출 스펙트럼을 기록하는 경우에, 화합물 1 용액은 탄산 이온이 존재하지 않을 때 424nm의 파장에서 어떠한 신호도 나타내지 않았으나, 화합물 1에 탄산 음이온을 첨가하면, 상온의 중성 pH에서 에탄올/물(3:7, v/v)에서 형광 신호가 지속적으로 증가하였다.
형광 적정 실험으로부터 검출 한계는 1.91 μM(3σslope-1)로 산출되었다. 화합물 1은 플루오르(F-), 염소(Cl-), 브롬(Br-), 이산화질소(NO2 -), 이산화염소(ClO2 -), 삼산화염소(ClO3 -), 사산화염소(ClO4 -), 황산(SO4 2-), 규산(SiO3 2-), 질산(NO3 2-) 및 아세트산(CH3COO-)을 포함하는 다양한 배경 음이온들 중 특별히 탄산(CO3 2-) 및 중탄산(HCO3 -)에 대하여 선택적인 경향을 나타냈으며, 이를 형광 분광 분석뿐만 아니라 자외선-가시광선 분광법을 이용하여 밝혀냈다.
전체적으로, CO3 2- 및 HCO3 - 첨가시에, 424 nm 파장에서 형광 발광 신호 증가 및 강도뿐만 아니라 흡수 신호 위치에서의 특이적 이동은 다양한 경쟁 이온들과 비교했을 때 화합물 1이 탄산 및 중탄산 이온에 선택적인 친화성이 있음을 나타낸다.
따라서, 본 발명에 따른 검출 방법은 실제 샘플 분석에서 탄산 및 중탄산 이온을 추적 관찰하는데 효과적인 수단이 될 것이다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 탄산 또는 중탄산 이온 검출용 조성물.
    [화학식 1]
    Figure 112015102543094-pat00027
  3. 삭제
  4. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 탄산 또는 중탄산 이온 검출용 화학센서.
    [화학식 1]
    Figure 112015102543094-pat00034
  5. (a) 탄산 또는 중탄산 이온을 포함하는 분석시료에 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 첨가하여 혼합물을 얻는 단계; 및
    (b) 상기 혼합물로부터 방출되는 파장을 검출하는 단계;
    를 포함하는 탄산 또는 중탄산 이온의 검출방법.
    [화학식 1]
    Figure 112015102543094-pat00035
  6. 제5항에 있어서, 단계(b)의 상기 파장이 UV-Vis(Ultraviolet-visible)분광기 또는 형광광도계로 측정되는, 탄산 또는 중탄산 이온의 검출방법.
  7. 제5항에 있어서, 단계(b)의 상기 파장이 424 nm인, 탄산 또는 중탄산 이온의 검출방법.
  8. 제5항에 있어서, 검출 한계가 1.91 μM인, 탄산 또는 중탄산 이온의 검출방법.
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