KR20110068262A - Coumarin derivatives and the method of preparing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 쿠마린 유도체 및 이를 이용한 화학센서에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 황산 수소염 이온과 결합하여 형광을 발생시키는 쿠마린 유도체와 이를 이용하여 황산 수소염을 검지할 수 있는 화학센서에 관한 것이다.The present invention relates to a coumarin derivative and a chemical sensor using the same, and more particularly, to a coumarin derivative which generates fluorescence by combining with hydrogen sulfate ion and a chemical sensor capable of detecting hydrogen sulfate using the same.
환경측정 또는 임상진단과 같은 분야에서는 특정 용액에 함유되어 다양한 이온의 농도를 신속하고 정확하게 분석할 필요가 있다. 이러한 분석에는 특정 이온에 선택성이 있는 물질을 이용한 다양한 종류의 화학센서 물질들이 사용되며, 센서의 일반적인 감지 신호는 전기, 저항, 전위차 등의 전기적 성질이나 색채, 형광 등의 광학적 성질을 이용한다. 이중에서 색의 변화 및 형광의 변화는 육안으로 쉽게 판별이 가능하므로 특별한 장비가 없어도 측정이 용이한 방법 중의 하나이다.In areas such as environmental measurements or clinical diagnostics, it is necessary to quickly and accurately analyze the concentration of various ions contained in specific solutions. In this analysis, various kinds of chemical sensor materials using materials that are selective for specific ions are used. The general sensing signal of the sensor uses electrical properties such as electricity, resistance, and potential difference, or optical properties such as color and fluorescence. Among these, color change and fluorescence change can be easily identified by the naked eye, so it is one of the easy methods to measure even without special equipment.
이와 같이 색채 및 형광의 변화에 의한 화학센서로 사용되는 물질의 예로 방향족 히드록실기를 오르토 위치에 갖는 방향족 벤족사졸계 분자를 들 수 있다. 상기 분자는 오르토 위치에 있는 히드록실기와 벤족사졸기의 질소 원자간 토토머리즘(tautomerism)에 의하여 엔올(enol)형태와 케토(keto)형태의 두 가지 형태로 존 재할 수 있다. 일반적으로는 두 형태 중 케토 형태와 엔올 형태 분자 사이의 컨쥬게이션(conjugation) 차이로 인하여 최대 흡광 파장이 달라지므로 화합물의 색과 형광에도 차이가 있다. 따라서, 토토머리즘에 의하여 구조를 변화시킬 수 있는 이온 물질을 첨가하면 케토 형태로의 전환이 불가능해져 엔올 형태가 우세하게 되므로 광학적 성질의 변화를 보이게 된다. 상기 화학식에서 히드록실기를 갖는 엔올(enol) 형태는 히드록시페닐기와 벤족사졸기가 서로 비틀린 구조로 존재하며, 카르보닐기를 갖는 케토 형태는 분자의 구조가 하나의 평면을 형성하는 특징을 가지고 있다. 또한 케토 형태는 카르보닐기의 산소 원자와 아민기의 수소원자 사이에 수소결합을 형성하고 있는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 화학센서 중 음이온을 감지하는 센서물질의 개발은 현재 많은 관심을 끌고 있으며, 특히 센서물질의 색이나 형광의 변화에 의한 음이온 감지는 그 감지 신호의 민감도 때문에 널리 사용되고 있다.Thus, an example of the substance used as a chemical sensor by a change of color and fluorescence is an aromatic benzoxazole type molecule which has an aromatic hydroxyl group in an ortho position. The molecule may exist in two forms, an enol form and a keto form, by a nitrogen interatomic tautomerism of a hydroxyl group and a benzoxazole group at an ortho position. In general, the maximum absorption wavelength is changed due to the difference in conjugation between the keto and enol molecules of the two forms, so there is a difference in the color and fluorescence of the compound. Therefore, the addition of an ionic material capable of changing the structure by totomalism makes it impossible to convert to the keto form, the enol form is predominant, thereby showing a change in optical properties. In the above formula, the enol form having a hydroxyl group is present in a structure in which hydroxyphenyl group and benzoxazole group are twisted with each other, and the keto form having a carbonyl group has a feature that the structure of the molecule forms one plane. The keto form is characterized in that a hydrogen bond is formed between the oxygen atom of the carbonyl group and the hydrogen atom of the amine group. The development of a sensor material that detects anions among such chemical sensors is currently attracting a lot of attention, and in particular, anion detection by a change in color or fluorescence of a sensor material is widely used due to the sensitivity of the detection signal.
형광 측정법은 이와 같이 높은 감도를 가지며, 측정이 간편하므로, 이온-유도 형광 변화에 기초한 화학센서는 매우 선호되는 센서 중 하나이다. 그러나, 생물학적으로 중요한 음이온을 감지할 수 있는 형광 턴-온(turn-on) 센서는 문제점도 가지고 있는데, 특정 음이온 외의 다른 음이온이 발생된 형광을 소멸시킬 수 있으므로 선세의 선택성이 낮아질 수 있는 것이 그것이다. 따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 음이온 형광 센서를 발광시키는 디자인에 대하여 많은 관심이 집중되고 있다. Since fluorescence measurement has such a high sensitivity and easy measurement, a chemical sensor based on ion-induced fluorescence change is one of the very preferred sensors. However, fluorescent turn-on sensors that can detect biologically important negative ions also have problems, which can reduce the selectivity of the predecessor because they can extinguish the generated fluorescence other than specific anions. will be. Therefore, much attention has been focused on a design for emitting an anion fluorescent sensor that can solve this problem.
음이온 중 황산 수소염(hydrogen sulfate, HSO4 -) 이온은 생화학 분야 및 공업 분야에서 널리 쓰이고 있는 물질이므로 특히 중요하게 여겨지는 음이온이다. 이러한 양친매성 음이온은 높은 산도에서 분해되어 황산염(SO4 2-) 이온을 생성시킴으로써, 피부와 눈을 자극하고 심지어 호흡장애를 일으키기도 한다. 이러한 이유로, 화학 센서 분야에서는 황산 수소염 이온을 높은 선택성으로 검지할 수 있는 방법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. Number of sulfate anion anti-inflammatory (hydrogen sulfate, HSO 4 -) ions because it is widely used substance in the biological field and the industrial field is particularly important to be considered is an anion. These amphiphilic anions decompose at high pH to produce sulfate (SO 4 2- ) ions, which can irritate skin and eyes and even cause respiratory distress. For this reason, research on the method of detecting hydrogen sulfate ion with high selectivity in the field of chemical sensors is actively performed.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 황산 수소염에 대해 선택성을 갖는 쿠마린 유도체를 제공하는 것이다.Therefore, the first problem to be solved by the present invention is to provide a coumarin derivative having a selectivity to hydrogen sulfate salt.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 쿠마린 유도체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.The second problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing the coumarin derivative.
본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 쿠마린 유도체를 이용하여 황산 수소염 이온을 선택적으로 검출하는 방법을 제공하는 것이다.A third object of the present invention is to provide a method for selectively detecting hydrogen sulfate ions using the coumarin derivative.
본 발명이 해결하고자 하는 네 번째 과제는 상기의 쿠마린 유도체를 포함하는 화학센서를 제공하는 것이다.The fourth problem to be solved by the present invention is to provide a chemical sensor comprising the coumarin derivative.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 하기의 화학식 1로 표시되 는 쿠마린 유도체를 제공한다.The present invention provides a coumarin derivative represented by the following formula (1) in order to achieve the first object.
화학식 1
본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여, 하기 반응식 1에 의하여 화학식 1의 쿠마린 유도체를 제조하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for preparing a coumarin derivative of the formula (1) by the following
반응식 1
본 발명은 상기 세 번째 과제를 달성하기 위하여, 상기 화학식 1의 쿠마린 유도체를 이용하여 시료 중에서 황산 수소염 이온을 선택적으로 검출하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for selectively detecting hydrogen sulfate ions in a sample by using the coumarin derivative of Formula 1 to achieve the third object.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 황산 수소염 이온과 결합하여 발생되는 형광의 세기를 측정하여 황산 수소염 이온을 선택적으로 검출할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the hydrogen sulphate ion can be selectively detected by measuring the intensity of fluorescence generated by binding with the hydrogen sulphate ion.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 황산 수소염 이온과 결합하여 발생되는 형광의 중심파장은 485㎚일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the central wavelength of fluorescence generated by binding with hydrogen sulfate ion may be 485 nm.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 황산 수소염 이온과 결합하여 발생되는 형광의 세기가 F-, Cl-, Br-, I-, CH3CO2 -, H2PO4 -, NO3 - 또는 OH-와 결합하여 발생되는 형광의 세기보다 강할 수 있다.According to a further embodiment of the present invention, the fluorescence intensity of the generated combination with sulfuric Flame ions F -, Cl -, Br - , I -, CH 3 CO 2 -,
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, pH 4 내지 pH 10에서 형광의 세기가 변화될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the intensity of fluorescence may be changed at
본 발명은 상기 네 번째 과제를 달성하기 위하여, 화학식 1의 쿠마린 유도체를 이용한 황산 수소염 이온 검출용 화학 센서를 제공한다.The present invention provides a chemical sensor for detecting hydrogen sulfate ion using a coumarin derivative of the formula (1) in order to achieve the fourth object.
본 발명의 쿠마린 유도체는 황산 수소염 이온과 결합하여 형광을 발생시키므로 화학센서로 이용될 수 있으며, 황산 수소염 이온 이외의 음이온에 대한 선택성이 매우 뛰어나므로 화학센서의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한 산도의 조건에 따라 형광의 세기가 변화하는 특성을 이용하여 황산 수소염의 적정에도 이용 가능하므로, 황산 수소염 검출 및 생리학적인 처리의 분야에서 유용하게 이용될 수 있다.The coumarin derivative of the present invention can be used as a chemical sensor because it combines with hydrogen sulfate ions to generate fluorescence, and can improve the performance of the chemical sensor because the selectivity for anions other than hydrogen sulfate ions is very excellent. In addition, since it can be used for titration of hydrogen sulphate using the characteristic of changing the intensity of fluorescence according to the conditions of acidity, it can be usefully used in the field of hydrogen sulphate detection and physiological treatment.
본 발명의 쿠마린 유도체는 황산 수소염 이온과 결합하여 형광을 발생시키고 다른 음이온에 대한 선택성이 뛰어나다.The coumarin derivatives of the present invention combine with hydrogen sulfate ions to generate fluorescence and are excellent in selectivity to other anions.
황산 수소염에 대하여 흡수 또는 형광 특성을 보이는 화학 센서는 지금까지 몇 가지가 발표되었으나, 음이온에 대한 선택성 측면에서 만족할 만한 결과를 가지는 센서는 아직까지 발표되지 않았다. 본 발명에서는 황산 수소염 이온의 존재 하에서 특정 형광 현상을 나타내는 하기 화학식 1의 쿠마린(coumarin)에 기초한 새로 운 형광센서를 개발하였고, 상기 형광센서는 황산 수소염 이온에 대한 높은 선택성을 보였다. 화합물 1의 쿠마린 부분은 CF3기가 결합되어 있는 구조인데, 상기 CF3기 대신에 다른 전자 끄는 기(electron withdrawing group)이 결합되어 있을 수 있다.Several chemical sensors have exhibited absorption or fluorescence properties for hydrogen sulphate, but no sensor has been published that has satisfactory results in terms of selectivity to anions. In the present invention, a new fluorescence sensor based on coumarin of Formula 1 showing a specific fluorescence phenomenon in the presence of hydrogen sulfate ions was developed, and the fluorescent sensor showed high selectivity for hydrogen sulfate ions. The coumarin portion of
화학식 1
본 발명에 따른 형광센서의 형광 변화 메커니즘을 입증하기 위하여 화합물 1과 유사한 하기의 화학식 2의 물질(이하에서 화합물 2라 한다) 및 화학식 3의 물질(이하에서 화합물 3이라 한다)을 합성하고, 그 특성을 비교하였다. In order to demonstrate the fluorescence change mechanism of the fluorescence sensor according to the present invention, a substance of
화학식 2
화학식 3Formula 3
도 1은 50% 아세토니트릴(acetonitrile) 수용액에서 F-, Cl-, Br-, I-, CH3CO2-, HSO4 -, H2PO4 -, NO3 -(100 당량), 및 OH-의 TBA+ 염을 첨가한 경우의 화합물 1에 대한 UV 스펙트럼 측정결과이다. 도 1을 참조하면, 화합물 1은 355㎚ 중심의 자외선-가시광선 흡수 밴드를 보였고, 황산 수소염 이온 존재 하에서 355㎚ 중심의 흡수 밴드가 370㎚ 중심의 흡수 밴드로 이동하였다. 1 is at 50% acetonitrile (acetonitrile) aqueous solution of F -, Cl -, Br - , I -, CH 3 CO 2 -, HSO 4 -,
도 2의 (a)는 50% 아세토니트릴(acetonitrile) 수용액에서 F-, Cl-, Br-, I-, CH3CO2-, HSO4 -, H2PO4 -, NO3 -(50 당량), 및 OH-의 TBA+ 염을 첨가한 경우의 화합물 1(3.0μM)에 대한 형광 스펙트럼(355㎚광 사용) 결과이고, 도 2의 (b)는 50% 아세토니트릴(acetonitrile) 수용액에서 TBA+ HSO4 -(0, 0.1, 0.3, 0.5, 1, 3, 5, 6, 7, 8, 10, 20, 30, 50, 100 당량)에 대한 화합물 1(3.0 μM)의 형광 적정(titration) 스펙트럼(355㎚광 사용) 결과이다. 도 2의 (a)를 참조하면, 아세토니트릴과 물이 1:1로 혼합된 용액에서는 485㎚에서 현저한 형광의 세기 증가가 관찰되었으며, 다른 음이온들에 대해서는 형광세기의 변화가 거의 관찰되지 않았다. 도 2의 (b)를 참조하면, 485㎚에서 황산 수소염 이온의 적정 스펙트럼(titration spectra)은 13배의 형광세기 증가가 관찰되었다. 형광 적정 스펙트럼에 대한 잡 플롯 분석(Job's plot analysis)은, 황산 수소염 이온과 화합물 1이 1:1로 착화합물을 형성하는 황산 수소염 0.5몰 분률에서 최대값을 보였다. 도 2의 실험결과와 1:1의 화학양론에 비추어 황산 수소염에 대한 화합물 1의 결합 상수는 4.86×104M-1로 계산되었다. In Fig. 2 (a) F in 50% aqueous acetonitrile (acetonitrile) solution -, Cl -, Br -, I -, CH 3 CO 2 -, HSO 4 -,
도 3은 화합물 1(3.0μM)의 황산 수소염 이온 및 다른 음이온에 대한 결합 특성을 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 50% 아세토니트릴(acetonitrile) 수용액에서 HSO4 -(50 당량) 및 다양한 음이온(X; F-, Cl-, Br-, I-, CH3CO2 -, HSO4 -, H2PO4 -, NO3 -, 각각 50 당량)의 TBA+ 염의 존재 하에서 355㎚의 광을 이용하여 측정한 형광 스펙트럼이 표시되어 있고, F-, Cl-, Br-, I-, CH3CO2 -, H2PO4 -, NO3 -, OH-의 TBA+ 염을 포함하는 다양한 음이온 혼합물을 첨가하면, 화합물 1의 형광은 사라진다. 여기에, 음이온 혼합물에 황산 수소염을 서서히 첨가하면 형광이 살아나며, 이는 화합물 1이 다른 음이온들에 대하여 높은 선택성을 가지고 있음을 보여준다. Figure 3 shows the binding properties of hydrogen sulfate ions and other anions of compound 1 (3.0 μM). Referring to FIG. 3, HSO 4 − (50 equivalents) and various anions (X; F − , Cl − , Br − , I − , CH 3 CO 2 − , HSO 4 − , in a 50% acetonitrile aqueous solution, H 2 PO 4 -, NO 3 -, each of the fluorescence spectra measured using the TBA + 355㎚ light under the presence of a salt of 50 eq.) is displayed and, F -, Cl -, Br -, I -, CH 3 CO 2 -, H 2 PO 4 -, NO 3 -, OH - the addition of various anionic mixture comprising TBA + salts, of the
도 4는 50% 아세토니트릴(acetonitrile) 수용액에서 화합물 1과, 화합물 1-황산 수소염에 대한 485㎚의 형광 세기를 다른 산도 조건에서 나타낸 것이다. 여기광은 355㎚였고, 화합물 1은 3.0μM 사용되었고, 황산 수소염의 양은 그 10배에 해당하였다. 도 4를 참조하면, 황산 수소염이 존재하지 않는 조건에서 화합물 1은 산 도 조건이 변화됨에 따라 형광의 변화가 거의 관찰되지 않았다. 그러나, 황산 수소염이 첨가됨에 따라 pH 4 와 pH 10 사이에서 485㎚의 발광 밴드의 세기가 크게 변화되었다. 이와 같이 수용액 환경에서 가지는 넓은 산도의 범위는 폐수에서의 황산 수소염 검출 및 생리학적인 처리의 분야에서 유용하게 이용될 수 있음을 알 수 있다.FIG. 4 shows the fluorescence intensities of 485 nm for
도 5는 화합물 1과 황산 수소염의 결합 모드를 알기 위하여 1H NMR 적정 실험을 수행한 결과이다. (A)는 TBA+HSO4 -의 1H NMR 결과이고, (B)는 CD3CN에 용해되고 TBA+HSO4 -가 존재하지 않는 상태에서의 1H NMR 결과이며, (C), (D), (E)는 CD3CN에 용해되고 0.5. 1, 2당량의 TBA+HSO4 -가 존재하는 상태에서의 1H NMR 결과이다. 도 5를 참조하면, 이민(imine)의 질소와 분자 내 수소결합을 하는 페놀릭 프로톤(phenolic proton, Ha)의 피크가 12.6ppm에서 관찰되었다. 그러나, 황산 수소염 이온의 존재 하에서 -OH는 사라지고, 이는 화합물 1의 분자 내 수소결합이 황산 수소염 이온의 배위에 의하여 간섭받고 있다는 것을 알려준다. 5 is a result of performing a 1 H NMR titration experiment to know the binding mode of
페놀릭 -OH와 이민 모이어티(imine moiety) 간의 분자 내 수소결합의 역할 및 화합물 1의 형광에서의 쿠마린 단위의 역할을 알기 위하여, 화학식 2의 물질을 히드록시기 없이 제조하였고, 화학식 3의 물질을 쿠러린 대신에 피레닐 모이어티(pyrenyl moiety)를 제조하였다. 도 6은 50% 아세토니트릴(acetonitrile) 수용액 에서 화합물 2(3.0μM)에 TBA+ 염(F-, Cl-, Br-, I-, CH3CO2 -, HSO4 -, H2PO4 -, NO3 -, OH- 각각 100 당량)이 첨가된 형광 스펙트럼을 나타낸 것이다. 여기광의 파장은 355㎚였다. 도 6을 참조하면, 화합물 2의 물질에 황산 수소염을 첨가한 경우, 관찰된 형광 변화는 미미하였고 음이온들에 대하여 비선택적이었다. 이는 페놀릭 -OH와 이민 -N 간의 수소결합이, 화합물 1의 선택성에 결정적인 역할을 하였음을 알 수 있게 한다. In order to know the role of intramolecular hydrogen bonding between phenolic -OH and imine moiety and the role of coumarin units in fluorescence of
도 7은 50% 아세토니트릴(acetonitrile) 수용액에서 화합물 3(3.0μM)에 TBA+ 염(F-, Cl-, Br-, I-, CH3CO2-, HSO4 -, H2PO4 -, NO3 -, OH- 각각 100 equiv)이 첨가된 형광 스펙트럼을 나타낸 것이다. 여기광의 파장은 375㎚였다. 도 7을 참조하면, 화합물 3의 물질에 황산 수소염을 첨가한 경우, 관찰된 형광 변화는 미미하였고 음이온들에 대하여 비선택적이었다. 화합물 3 단독으로는 약한 형광만을 나타내지만, 황산 수소염의 존재 하에서는 화합물 1과 같이 형광의 세기가 증가한다. 이러한 현상은 페놀릭 -OH와 이민 -N 간의 6개의 분자 내 수소결합이 화합물 1의 형광 소멸에 기여하고, 황산 수소염 이온에 의한 수소결합 선택적 블로킹에 의하여 화합물 1 및 화학식 3 물질의 형광세기가 증가함을 의미한다.FIG. 7 shows TBA + salts (F − , Cl − , Br − , I − , CH 3 CO 2 −, HSO 4 − , H 2 PO 4 − in Compound 3 (3.0 μM) in 50% acetonitrile aqueous solution. , NO 3 − , and OH − represent 100 fluorescence spectra respectively. The wavelength of the excitation light was 375 nm. Referring to FIG. 7, when hydrogen sulfate was added to the material of Compound 3, the observed fluorescence change was insignificant and nonselective for the anions. Compound 3 alone exhibits only weak fluorescence, but in the presence of hydrogen sulfate salts, the intensity of fluorescence increases as with
'오프-온' 형광 메커니즘을 명확하게 하기 위하여, 가우시안 03 프로그램(Gaussian 03 programs)을 이용하여 B3LYP 교환 기능이 적용된 6-31G 기초 셋(6-31G* basis sets)으로 밀도 기능 이론(density functional theory, DFT) 계산을 수 행하였다. 도 8은 화합물 1의 최적화된 구조와, 황산 수소염과의 착화합물(화합물 1-황산 수소염)의 구조를 보여준다. 화합물 1은 분자 내 수소결합을 포함하고 있으므로 화합물 1-황산 수소염은 3개의 분자 내 수소결합을 가지고 있으며, 그 중 하나는 황산 수소염 이온의 산소와 히드록시기의 수소간의 결합이고, 다른 하나는 황산 수소염 이온의 수소와 히드록시기의 산소간의 결합이며, 또 다른 하나는 황산 수소염 이온의 수소와 화합물 1의 질소간의 결합이다. 따라서, 화합물 1이 황산 수소염 이온과 강력한 상호작용을 한다는 것은 명백하다. To clarify the 'off-on' fluorescence mechanism, density functional theory with 6-31G * basis sets with B3LYP exchange using Gaussian 03 programs. , DFT) calculations were performed. 8 shows the optimized structure of
도 9는 화합물 1, 화합물 2 및 화합물 1-황산 수소염의 네추럴 본드 오비탈(natural bond orbital, NBO) 분석 결과이다. 도 9를 참조하면, 화합물 1이 황산 수소염 이온과 착물을 형성하면 -N 원자의 전하에 큰 변화가 생기는 것으로 나타났다. 화합물 1, 화합물 2 및 화합물 1-황산 수소염의 -N 원자 전하는 각각 - 0.527, -0.446 및 -0.456이다. 이러한 결과로부터 비록 페놀릭-OH기와의 분자 내 수소결합에 기인한 것이기는 하지만, 화합물 1의 -N 원자가 보다 높은 전자밀도를 보임을 알 수 있다. 유사한 수소결합 시스템에서 전자는 질소로부터 수소로 이동하여 결과적으로 -N의 전하밀도를 감소시킨다. 이와 같이 특이하게 질소 원자가 음전하를 띠는 것에 의하여 형광의 소멸이 일어난다. 그럼에도 불구하고, 수소 결합에 의하여 황산 수소염 이온과 착물을 형성하게 되고 결과적으로 형광의 세기가 강화된다. FIG. 9 shows the results of natural bond orbital (NBO) analysis of
하기의 표 1은 오실레이터 강도(oscillator strength)를 고려할 때 가장 강한 두 개의 흡수대인 주요한 전자 전이를 정리한 것이다. 낮은 여기 에너지(λ > 310㎚)에서 화합물 1, 화합물 2 및 화합물 1-황산 수소염의 첫 번째 및 두 번째 높 은 오실레이팅 강도를 포함하는 TDDFT 여기 특성을 계산하였다. 표 1을 참조하면, 질소의 비결합 비공유 전자쌍은 화합물 1의 경우 HOMO, 화합물 2의 경우 HOMO-1, 화합물 1-황산 수소염의 경우 HOMO-2에 각각 해당한다. 반면에 C=N의 채워진 π-결합 오비탈 상태는 화합물 1의 경우 HOMO-1, 화합물 2의 경우 HOMO, 화합물 1-황산 수소염의 경우 HOMO-4에 각각 해당한다. 이러한 π-결합 오비탈과 질소의 비공유 전자쌍은 작은 에너지 차이를 보이므로, 질소의 비공유 전자쌍으로부터 채워진 π-결합 오비탈로의 전자 전이는 PET 과정의 트리거(trigger)로 생각되고, 따라서 형광 소멸로 이어진다. 또한, 표 1을 참조하면, 질소의 비공유 전자쌍에서 π* 오비탈로의 전이(n → π*)에 대한 오실레이터 강도는 화합물 1, 화합물 2 및 화합물 1-황산 수소염에 대하여 각각 0.4084, 0.0346, 0.2812이고, 전이 에너지는 각각 386, 314, 443㎚이다. 상기에서 언급한 바대로, 이러한 기여도는 화합물 1의 형광 소멸을 일으킨다. 화합물 1, 화합물 2 및 화합물 1-황산 수소염에 대한 다른 중요한 전이는 341㎚, 357㎚, 362㎚에서 일어나고 각각 오실레이터 강도 0.3488, 0.6360, 0.2807에 해당한다. 따라서, 여기상태로 도달시키기 위하여 355㎚의 광을 이용한 경우 화합물 1 및 화합물 2에서 모두 전이가 일어난다. 그러나, 화합물 1-황산 수소염의 경우는 전이 에너지(443㎚)가 355㎚에서 벗어나므로 n → π* 전이가 제한된다. 화합물 2의 경우, n → π* 전이의 매우 약한 오실레이터 강도가 n → π* 전이를 제한하게 된다. 따라서, 화합물 1의 경우 형광이 꺼지고(turn-off), 화합물 2와 화합물 1-황산 수소염의 경우는 형광이 켜진다(turn-on). 화합물 1의 황산 수소염에 대한 선택적인 결합 친화성은 화합물 1에 기초한 이온 선택적인 전 극 PVC 막을 제조할 수 있게 하여 그 응용범위를 넓힌다. Table 1 below summarizes the major electron transitions, the two strongest absorption bands in view of oscillator strength. TDDFT excitation properties including the first and second high oscillating intensities of
표 1TABLE 1
본 발명에 사용된 포텐셔메트릭 셀(potentiometric cell)은 Ag/AgCl(3.0M KCl)/ 1.0×10-2M TBA+HSO4 -/PVC 막/테스트 용액/(3.0M KCl)AgCl/Ag의 구조를 가진다. 상기 막의 조성은 표 2에 나타내었다. Potentiometric cells used in the present invention are Ag / AgCl (3.0M KCl) /1.0×10 −2 M TBA + HSO 4 − / PVC membrane / test solution / (3.0M KCl) AgCl / Ag Has a structure. The composition of the membrane is shown in Table 2.
표 2Table 2
도 10은 다양한 음이온들에 대한 화합물 1의 포텐샤메트릭 반응 곡선을 나타낸 것이다. 도 10을 참조하면, 예비적인 실험에서 이온투과담체 화합물 1은 다른 음이온들과 비교하여 황산 수소염 음이온에 대하여 효과적인 이온 전달체로 작용한다는 것을 알 수 있다.10 shows the potentiometric response curves of
도 11은 다양한 황산 수소염 이온 조건에서([A]:1.0×10-5 M, [B]:1.0×10-4 M, [C]:1.0×10-3 M, [D]:1.0×10-2 M, [E]:1.0×10-1 M) 화합물 1의 선택성 전극에 대한 시간 반응 곡선을 나타낸 것이다. 또한, 도 12는 화합물 1에 기초한 선택성 전극의 황산 수소염 이온에 대한 포텐샬 반응의 산도 효과를 나타낸 것이다. 도 11 및 도 12를 참조하면, 황산 수소염에 대한 반응속도는 pH 1.4 내지 pH 4.9의 작동조건에서 10초 미만이었다. FIG. 11 shows (A): 1.0 × 10 −5 M, [B]: 1.0 × 10 −4 M, [C]: 1.0 × 10 −3 M, [D]: 1.0 × under various hydrogen sulfate ion conditions 10 −2 M, [E]: 1.0 × 10 −1 M) The time response curves for the selective electrodes of
다음으로, 고정된 간섭법을 이용하여 간섭 이온에 대한 포텐셔메트릭 선택 계수(potentiometric selectivity coefficient)를 결정하였다. 포텐셔메트릭 선택 계수()는 고정된 농도의 간섭 이온(1.0×10-2M)과 황산 수소염의 이온의 농도를 변화시킨 용액에서 포텐샬을 측정하여 결정된다. 표 3은 간섭 음이온에 대한 이온투과담체 화합물 1-PVC 막 전극의 황산 수소염 이온에 대한 상대적인 포텐셔메트릭 선택 계수 데이터를 나타낸 것이다. 표 3을 참조하면, 본 발명에 따른 전극이 여러 가지 다른 음이온들에 비하여 선택성이 뛰어나다는 것을 알 수 있다. 황산 수소염 이온 선택성 전극에서 다른 2차 음이온들에 대한 선택 계수를 얻을 수 있었으며, 이로부터 정상적인 작동조건에서 이러한 음이온들의 간섭이 일어나지 않고, 음이온의 농도가 1.0×10-2 M의 고농도일 경우에도 마찬가지라는 것을 알 수 있다. Next, the potentiometric selectivity coefficient for the interfering ions was determined using a fixed interferometry. Potentiometric selection factor ( ) Is determined by measuring the potential in a solution with varying concentrations of interference ions (1.0 × 10 -2 M) and ions of hydrogen sulfate. Table 3 shows the relative potentiometric selectivity data for hydrogen sulfate ions of the ion permeate compound 1-PVC membrane electrode for interfering anions. Referring to Table 3, it can be seen that the electrode according to the present invention has excellent selectivity compared to various other anions. The selectivity coefficients for the other secondary anions could be obtained at the hydrogen sulfate ion selective electrode, from which no interference of these anions would occur under normal operating conditions, even at high concentrations of 1.0 × 10 -2 M It can be seen that the same.
표 3TABLE 3
수산화 나트륨 용액(1.0×10-2M)에 대한 황산 수소 이온(hydrogen sulfate ion)의 포텐샤메트릭 적정을 통하여 본 발명의 황산 수소염 이온 선택성 전극에 대한 응용성을 테스트하였다. 도 13은 1.0×10-2M의 수산화 나트륨 용액으로 1.0×10-2M의 황산 수소염 용액을 적정한 도함수 곡선(derivative curve)을 나타낸 것이다. 도 13을 참조하면, 적정 종말점 근처에서의 포텐샬의 급격한 변화를 통하여 본 발명의 전극이 포텐샤메트릭 적정에 효과적으로 이용될 수 있다는 것을 알 수 있다. The applicability to the hydrogen sulphate ion selective electrode of the present invention was tested through the potentiometric titration of hydrogen sulfate ions to sodium hydroxide solution (1.0 × 10 −2 M). Figure 13 shows the 1.0 × 10 -2 1.0 × 10 -2 M in number (derivative curve) suitable derivative curve the anti-inflammatory solution of sulfuric acid with sodium hydroxide solution in the M. Referring to FIG. 13, it can be seen that the electrode of the present invention can be effectively used for potentiometric titration through a drastic change in potential near the titration end point.
도 14는 화합물 1, 화합물 2 및 화합물 3의 합성 방법을 나타낸 것이다. 도 14의 (가)를 참조하면, 반응물의 아민기가 다른 반응물의 알데히드기와 반응하여 이민이 생성되는 반응에 의하여 화합물 1이 합성된다. 도 14의 (나) 및 (다) 또한 유사한 반응에 의하여 각각 화합물 2 및 화합물 3이 합성된다.14 shows a method for synthesizing
도 1은 50% 아세토니트릴 수용액에서 다양한 종류의 TBA+ 염을 첨가한 경우의 화합물 1에 대한 UV 스펙트럼 측정결과이다. FIG. 1 is a UV spectrum measurement result of
도 2의 (a)는 50% 아세토니트릴 수용액에서 다양한 종류의 TBA+ 염을 첨가한 경우의 화합물 1에 대한 형광 스펙트럼 결과이고, 도 2의 (b)는 50% 아세토니트릴 수용액에서 TBA+ HSO4 -에 대한 화합물 1의 형광 적정 스펙트럼 결과이다.(A) of FIG. 2 shows fluorescence spectra of
도 3은 화합물 1의 황산 수소염 이온 및 다른 음이온에 대한 결합 특성을 나타낸 것이다. Figure 3 shows the binding properties of hydrogen sulfate ions and other anions of
도 4는 50% 아세토니트릴 수용액에서 화합물 1과, 화합물 1-황산 수소염에 대한 485㎚의 형광 세기를 다른 산도 조건에서 나타낸 것이다. FIG. 4 shows the fluorescence intensities of 485 nm for
도 5는 화합물 1과 황산 수소염의 결합 모드를 알기 위하여 1H NMR 적정 실험을 수행한 결과이다. 5 is a result of performing a 1 H NMR titration experiment to know the binding mode of
도 6은 50% 아세토니트릴 수용액에서 화합물 2에 다양한 종류의 TBA+ 염이 첨가된 형광 스펙트럼을 나타낸 것이다. FIG. 6 shows fluorescence spectra of various kinds of TBA + salts added to
도 7은 50% 아세토니트릴 수용액에서 화합물 3에 다양한 종류의 TBA+ 염이 첨가된 형광 스펙트럼을 나타낸 것이다. FIG. 7 shows fluorescence spectra of various kinds of TBA + salts added to compound 3 in a 50% acetonitrile aqueous solution.
도 8은 화합물 1의 최적화된 구조와, 화합물 1-황산 수소염의 구조를 보여준다. 8 shows the optimized structure of
도 9는 화합물 1, 화합물 2 및 화합물 1-황산 수소염의 네추럴 본드 오비탈 분석 결과이다.9 shows the results of natural bond orbital analysis of
도 10은 다양한 음이온들에 대한 화합물 1의 포텐샤메트릭 반응 곡선을 나타낸 것이다. 10 shows the potentiometric response curves of
도 11은 다양한 황산 수소염 이온 조건에서 화합물 1의 선택성 전극에 대한 시간 반응 곡선을 나타낸 것이다. FIG. 11 shows time response curves for the selective electrode of
도 12는 화합물 1에 기초한 선택성 전극의 황산 수소염 이온에 대한 포텐샬 반응의 산도 효과를 나타낸 것이다. 12 shows the acidity effect of the potential reaction on hydrogen sulfate ions of a selective electrode based on
도 13은 1.0×10-2M의 수산화 나트륨 용액으로 1.0×10-2M의 황산 수소염 용액을 적정한 도함수 곡선을 나타낸 것이다. Figure 13 shows the 1.0 × 10 -2 M sulfuric acid solution, an appropriate number of anti-inflammatory derivative curve of the sodium hydroxide solution of 1.0 × 10 -2 M.
도 14는 화합물 1, 화합물 2 및 화합물 3의 합성 방법을 나타낸 것이다. 14 shows a method for synthesizing
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