KR102030219B1 - 물질 내 특정 원자 위치의 구조적 개방성 분석방법 - Google Patents

물질 내 특정 원자 위치의 구조적 개방성 분석방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물질 내 특정 원자 위치에 대한 공간적 물성인 구조적 개방성 분석방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명에서는 물질 내 특정 원자 위치(site)가 외부와 접촉할 수 있는 가능성을 확인할 수 있으며, 물질의 화학적 성질(chemistry)에 따른 입체 장해 효과(steric effect)의 변화를 정량적으로 비교 분석이 가능하다.

Description

물질 내 특정 원자 위치의 구조적 개방성 분석방법{Method for analyzing the structure openness of a specific atom position in the materials}
본 발명은 물질 내 특정 원자 위치의 구조적 개방성 분석방법에 관한 것이다.
촉매나 OLED 물질에서 반응성은 중요한 이슈 중의 하나이다. 이러한 물질의 반응성을 결정하는 요소로 입체 장해(steric hindrance)와 전자인자(electronic factor)를 고려해야 한다. 특히 입체 장해(steric hindrance)를 고려하기 위해서는 촉매 화합물의 금속 위치(metal site) 등 특정 원자 위치(site)에서의 공간적 구조 물성인 구조 개방성(structure openness)을 분석할 필요가 있다.
예를 들어 도 1을 참고하여 설명하면, 메탈로센 링(Metallocene Ring)의 치환기(Substituent)에 따른 공간적 구조의 모식도이다. 구체적으로 설명하면, 상기 메탈로센 링의 특정 원자인 지르코늄(Zirconium)을 중심으로 주변에 다른 종류의 작용기가 결합되어 있는 화합물을 나타내었다. 즉, 어떤 작용기(functional group)가 도입되는지에 따라서 지르코늄(Zirconium)의 구조적 개방성(structure openness)은 달라 지게 되며, 촉매의 반응성에도 영향을 주게 된다.
한편, 종래의 이론적 및 실험적 분석 방법으로는 물질에서의 특정 위치(site)의 구조적 개방성(structure openness)을 정량적으로 분석하는 방법이 있지 않았다. 따라서, 공간적 구조 물성을 결정하는 구조 개방성 분석 방법이 요구되고 있다.
M. L. Connolly. J. Am. Chem. Soc., 107, 1118-1124, 1985
종래의 이론적 및 실험적 분석 방법으로는 물질 내 특정 원자 위치(site)의 구조적 개방성(structure openness)을 정량적으로 분석하는 방법이 있지 않았다.
이에, 본 발명은 물질 내 특정 원자 위치의 구조적 개방성 분석방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 물질 내 특정 원자 위치의 구조적 개방성 분석방법에 있어서, (1) 물질의 각 구성 원자에 대한 위치 및 반데르발스 반지름(van der waals radius)정보를 수집하는 단계; (2) 상기 각 구성 원자의 위치에서 반데르발스 반지름(van der waals radius)을 각 구성 원자의 구의 반지름(radius)으로 정하여, 물질의 구조체를 확립하는 단계; 및 (3) 상기 물질 내의 특정 원자 위치(site)에서 구형 프로브(probe)와 접촉하는 면적을 측정하는 단계;를 포함하고, 상기 구형 프로브(Probe)의 반지름(radius)을 변화시켜서 특정 원자 위치(site)와의 접촉면적이 변하는 경향성을 확인하는, 물질 내의 특정 원자 위치에 대한 공간적 물성 분석방법을 제공한다.
본 발명에서는 물질에서 특정 원자 위치(site)가 외부와 접촉할 수 있는 가능성을 확인할 수 있으며, 물질의 화학적 성질(chemistry)에 따른 입체 장해 효과(steric effect)의 변화를 정량적으로 비교 분석이 가능하다.
또한, 본 발명은 물질의 구조만 고려했을 때 다른 물질과의 반응성 및 접촉성을 확인할 수 있는 효과적인 방법이다. 따라서, 물질 후보군에서 선택할 수 있는 정량적 물성 조건을 제시하는데 큰 역할을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른, 메탈로센 링(Metallocene Ring)의 치환기(Substituent)에 따른 공간적 구조의 모식도이다.
도 2는 실시예에서 사용하는 물질들을 도시화한 모식도이다.
도 3은 실시예에서 수행한, 물질 내 특정 원자위치의 공간적 구조 개방성의 경향성을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기의 구체적 설명은 본 발명의 일 실시예에 대한 설명이므로, 비록 한정적 표현이 있더라도 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
본 발명에서 구조적 개방성은 물질 내의 특정 원자가 구조적인 원인으로 반응에 제약을 받는 정도를 의미한다. 즉, 특정 원자가 주변의 작용기에 의해 나타나는 공간적 물성을 구조적 개방성이라 한다.
종래의 이론적 및 실험적 분석 방법으로는 물질에서의 특정 위치(site)의 구조적 개방성(structure openness)을 정량적으로 분석하는 방법이 없었다.
이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한바, 코놀리 (Connolly) 표면적 계산방법을 사용함으로써, 이를 해결할 수 있다는 것을 발견하였다.
즉, 물질 내의 특정 원자 위치에 대한 구조적 개방성 분석 방법에 있어서, (1) 물질의 각 구성 원자에 대한 위치 정보 및 반데르발스 반지름(van der waals radius)정보를 수집하는 단계; (2) 상기 각 구성 원자의 위치에서 반데르발스 반지름(van der waals radius)을 각 구성 원자의 구의 반지름(radius)으로 정하여, 물질의 구조체를 확립하는 단계; 및 (3) 상기 물질 내의 특정 원자 위치(site)에서 구형의 프로브(probe)와 접촉하는 면적을 측정하는 단계;를 포함하고, 상기 구형 프로브(Probe)의 반지름(radius)을 변화시켜, 특정 원자 위치(site)와의 접촉면적이 변하는 경향성을 확인하는 물질 내의 특정 원자 위치의 구조적 개방성 분석 방법을 제공한다.
이하 본 발명을 구체적으로 설명한다.
먼저, (1) 물질의 각 구성 원자에 대한 위치 정보 및 반데르발스 반지름(van der waals radius)정보를 수집하는 단계를 설명한다.
본 단계에서는 분석대상 물질을 구성하는 원자들의 정보를 파악하는 단계이다. 본 발명에 있어서, 상기 분석 대상 물질은 통상적으로 사용 가능한 것이면, 무엇이든 가능하다. 바람직하게는 유기 물질 및 금속 촉매 등과 같이 특정 원자의 반응성이 주변기에 따라 변하는 물질은 모두 포함할 수 있다. 가장 바람직하게는 상기 물질은 유기 형광 물질 또는 메탈로센 촉매일 수 있다.
상기 구성 원자에 대한 위치 정보는 원자들의 입체(3D) 위치 정보일 수 있다. 그리고 상기 구성원자의 위치정보는 통상적으로 사용 가능한 방법으로 수집가능하다. 바람직하게는 양자 역학 계산 방법인 DFT(Density Functional Theory)를 이용하여 구조 최적화 후, 물질의 입체 정보를 얻을 수 있다. 가장 바람직하게는 DMol 또는 Gaussian 프로그램을 이용하여 구조 최적화를 할 수 있다. 또한 상기 구성 원자에 대한 반데르발스 반지름(van der waals radius) 정보도 통상적으로 사용 가능한 방법으로 수집 가능하다.
다음 (2) 상기 각 구성 원자의 위치에서 반데르발스 반지름(van der waals radius)을 각 구성 원자의 구의 반지름(radius)으로 정하여, 물질의 구조체를 확립하는 단계를 수행한다. 본 단계에서는 통상적으로 사용 가능한 방법으로 수행 가능하다. 바람직하게는 일반적으로 좌표의 정보를 PDB(Program Debug DataBase) 파일형태로 저장하며, 각 원자의 구 반지름 정보를 표면적 계산 프로그램에 저장하여 수행할 수 있다. 표면적 계산 프로그램은 당업자가 통상적으로 사용 가능한 것으로 수행 가능하다. 예를 들면, 특정 프로그램 없이, 실제 만들어낸 좌표와 구의 반지름 데이터는 표면적 계산의 입력으로 저장하여 사용될 수도 있다.
이를 통해, 실제 프로브(Probe)의 반지름에 따라 각 구성 원자의 구 표면에 흡착하는지를 판단할 때 이용할 수 있다.
다음 상기 (3) 단계에 대해 설명한다.
본 단계는 물질에서 공간적 물성을 파악하고자 하는 특정 원자가 주변의 반응기와의 구조적 개방성을 파악할 수 있다.
본 단계에서 면적을 측정하는 방법에 대해 설명하면, 상기 (3)단계는 코놀리 표면적(Surface area)계산을 이용하여 측정할 수 있다. 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 (3)단계는 상기 구성 원자의 구를 메쉬(mesh)로 나누고, 구형의 프로브(probe)가 접촉하는 메쉬(mesh)의 개수를 이용하여 측정할 수 있다.
본 발명에서 메쉬(mesh)는 상기 구형의 물질 구조체의 구 표면적을 동일한 면적을 가지도록 나누는 것을 의미한다. 이를 위하여 상기 메쉬(mesh)로 나누기 이전에, 메쉬(mesh)의 수만큼 구성 원자의 구 표면에 일정하게 포인트 수를 분포하는 과정이 수행되어야 한다. 상기 포인트 수를 분포하는 작업은 통상적으로 사용 가능한 방법으로 수행가능하며, 바람직하게는 Golden Section Spiral 방법을 적용하여 수행할 수 있다.
상기 (3)단계를 구체적으로 설명하면, 상기 구성 원자들의 각각의 구 중심을 기준으로, 구 표면에 일정한 간격으로 선택된 메쉬(mesh)의 수만큼 포인트를 분포시킨다. 이 후 각 포인트의 좌표를 바탕으로 각 구성원자들의 구는, 메쉬(mesh) 형태로 나눈다. 그리고 외부에서 구형 프로브(probe)를 물질에 접근시켜서, 각 구성 원자들이 프로브와 접촉하는 접촉 면적을 메쉬(mesh)의 개수를 이용하여 측정한다. 이를 통해서, 물질 내의 특정원자가 주변 구성원자들과의 거리와 구조적 개방성을 파악할 수 있게 된다.
이때, 상기 포인트 수가 클수록 메쉬(mesh)의 면적이 작아지기 때문에 표면적 계산의 정확도가 증가한다. 상기 메쉬(mesh)의 수와 상기 포인트 수는 동일하며, 바람직하게는 700 ~ 1000일 수 있고, 더욱 바람직하게는 850 ~ 950일 수 있다. 그러나, 이에 한정하지 않으며, 상기 구성 원자의 구를 매우 잘게 나누어 메쉬당 면적을 작고, 균일하게 나눌 수 있는 수이면 가능하다. 그리고 본 단계는 Golden Section Spiral 방법을 기반으로 작성한 코드를 이용하여 계산할 수 있으며, 이와 같은 코드는 당업자가 통상적으로 사용 가능한 것으로 수행이 가능하다.
한편, 본 발명의 상기 프로브는 어떤 특정 물질이 아니라, 가상의 구 물체로 반지름이 커짐에 따라 분석 대상 물질의 접근성이 달라지는 것을 나타낸다.
상기 구형 프로브는, 프로브(Probe)의 일정 크기로 정하지 않고, 반지름을 변화시키면서, 변화하는 접촉 면적을 측정하였다. 예를 들면, 분석대상인 물질이 용매인 물에 용해되어 있는 상태를 가정한다. 그리고 물의 반데르발스 반지름(van der waals radius)인 1.4Å기준으로 프로브의 반지름을 0.2Å증가함에 따라, 각 물질의 구성 원자들과의 접촉 면적의 변화되는 경향을 파악한다.
즉, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 구형 프로브(Probe)의 반지름(radius)은 물의 반데르발스 반지름을 기준으로, 1.4Å부터 4.0Å까지 0.2Å씩 증가시켜, 특정 원자 위치(site)와의 접촉면적이 변하는 경향성을 확인할 수 있다. 그리고 상기 프로브의 반지름을 변화시켜서 경향성을 파악할 때에는 통상적으로 사용 가능한 방법으로 수행 가능하다. 바람직하게는 면적 계산한 결과를 바탕으로 직접 작성한 코드를 이용할 수 있으며, 당업자가 통상적으로 사용 가능한 것으로 수행 가능하다. 예를 들면, 일반적 데이터 정리에 해당되므로 기본적으로는 엑셀로도 정리가 될 수도 있으며, 프로그램을 작성하여 처리할 수도 있다.
이하 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 상세하게 설명하지만, 하기에 개시되는 본 발명의 실시 형태는 어디까지 예시로써, 본 발명의 범위는 이들의 실시 형태에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 표시되었고, 더욱이 특허 청구범위 기록과 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 함유하고 있다. 또한, 이하의 실시예, 비교예에서 함유량을 나타내는 "%" 및 "부"는 특별히 언급하지 않는 한 중량 기준이다.
실시예
도 2에 도시화된 것과 같이, 주변 작용기(functional group)가 아무것도 없는(Bare) 지르코늄 촉매, 작용기가 메틸기(-CH3)인 지르코늄 촉매 및 작용기가 에틸기(-CH2CH3)인 지르코늄 촉매 3개를 준비하였다. 그리고 하기의 방법으로 지르코늄 촉매(Zirconium Catalysts)에서 지르코늄(Zirconium) 원자의 구조적 개방성(structure openness)을 분석하여 입체 장해 효과(steric effect)를 정량적으로 분석하였다.
1. 준비한 3종류의 지르코늄(Zirconium) 촉매를 DFT(Density Functional Theory)를 이용하여 각 구성 원자의 구조 최적화를 시행하였다. 그리고 각 원자들의 반데르발스 반지름(van der waals radius)데이터를 수집하였다.
2. 구조 최적화에서 얻은 촉매의 구성 원자에 대한 좌표와 반데르발스 반지름을 이용하여 구를 기반으로 하는 구조체에 대한 데이터를 PDB 파일 형태로 저장하고, 표면적 계산 프로그램인 상업용 프로그램인 Materials Studio의 면적 계산 프로그램에 입력하여 저장하였다.
3. 그리고 프로브(Probe)의 반지름을 1.4Å부터 4.0Å까지 0.2Å간격으로 증가시켜, 지르코늄(Zirconium)의 코놀리 표면적(Connolly surface area)을 상업용 프로그램인 Materials Studio의 면적 계산 프로그램을 이용하여 계산하였다.
실험결과는 도 3에 그래프로 나타내었다. 구체적으로 설명하면, 지르코늄(Zirconium) 주변의 작용기(functional group)가 변함에 따라 지르코늄(Zirconium)의 구조적 개방성(structure openness)은 Bare>CH3>CH2CH3 순으로 크다는 것을 정량화로 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 물질 내의 특정 원자 위치에 대한 구조적 개방성 분석 방법에 있어서,
    (1) 물질의 각 구성 원자에 대한 위치를 DFT(Density Functional Theory) 프로그램을 통해 수집하고, 반데르발스 반지름(van der waals radius)정보를 수집하는 단계;
    (2) 상기 각 구성 원자의 위치에서 반데르발스 반지름(van der waals radius)을 각 구성 원자의 구의 반지름(radius)으로 정하고, 표면적 계산 프로그램을 이용하여 물질의 구조체를 확립하는 단계; 및
    (3) 상기 물질 내의 특정 원자 위치(site)에서 구형 프로브(probe)와 접촉하는 면적을 코놀리 표면적(Surface area) 계산 프로그램을 이용하여 측정하는 단계;를 포함하고,
    상기 구형 프로브(Probe)의 반지름(radius)을 변화시켜서 특정 원자 위치(site)와의 접촉면적이 변하는 경향성을 확인하는, 물질 내 특정 원자 위치의 구조적 개방성 분석방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 물질은 유기 형광 물질 또는 메탈로센 촉매인 것을 특징으로 하는 물질 내 특정 원자 위치의 구조적 개방성 분석방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 (3)단계는 상기 구성 원자의 구를 메쉬(mesh)로 나누고, 구형의 프로브(probe)가 접촉하는 메쉬(mesh)의 개수를 이용하여 측정하는 것을 특징으로 하는 물질 내 특정 원자 위치의 구조적 개방성 분석방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 메쉬(mesh)로 나누기 이전에,
    메쉬(mesh)의 수만큼 구성 원자의 구 표면에 일정하게 포인트 수를 분포하는 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 물질 내 특정 원자 위치의 구조적 개방성 분석방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 메쉬(mesh)의 수는 700 ~ 1000인 것을 특징으로 하는 물질 내 특정 원자 위치의 구조적 개방성 분석방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 구형의 프로브(probe)의 반지름은,
    물의 반데르발스 반지름(van der waals radius)을 기준으로, 1.4Å부터 4.0Å까지 0.2Å씩 증가시켜, 특정 원자 위치(site)와의 접촉면적이 변하는 경향성을 확인하는 것을 특징으로 하는 물질 내 특정 원자 위치의 구조적 개방성 분석방법.
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