KR20110115211A

KR20110115211A - +2가 철 이온 검출용 플루오란계 염료 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20110115211A
Application number: KR1020100034567A
Authority: KR
Inventors: 김성훈
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2010-04-15
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2011-10-21
Also published as: KR101170502B1

Abstract

본 발명은 2-아닐리노-3-메틸-6-디부틸아미노-N-((2-(2-에틸이미노) 메틸)나프탈렌-2-올) 이소-인돌린-1-온-플루오란의 화학명을 지닌 +2가 철 이온 검출용 신규한 염료 화합물에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 발명은 상기 염료 화합물의 제조 방법과 상기 플루오란 염료를 활성 성분으로 포함하는 +2가 철 이온 검출용 센서에 관한 것이다.

Description

+2가 철 이온 검출용 플루오란계 염료 및 그의 제조방법{Fluoran dye for detecting Fe2+ ion and its preparation method}

최근 민감성 발색 프로브의 개발은 임상분야, 생화학 분야 및 환경에서의 가능한 응용으로 인해 주목받고 있다. 높은 선택성, 감도 및 단순성으로 인해 이미 많은 발색 화학센서가 여러 물질의 선택적 인식을 위해 개발되었다.

철은 대사 과정에서 가장 중요한 중금속 중 하나이고 식물과 동물에서 필수적이고, 따라서 환경 및 생물체 내에 광범하게 분포되어 있다. 철 농도가 정상 수치를 초과하는 경우 잠재적인 건강 위험요소가 된다. 따라서 철의 선택적 검출을 위한 신규한 발색 화학센서를 개발하는 것이 중요하다. 지난 몇 년간 발색, 형광 화학 센서, 전기화학 장치를 포함한 철 검출을 위한 일부 예가 보고된 바 있다. 현재 비색 센서는 어떠한 고가의 기구의 도움 없이 육안으로 분석물을 검출할 수 있는 능력으로 인해 보편적이다. 따라서 철의 선택적 검출을 위한 사용하기 간편한 육안 진단 도구를 개발하는 것이 최신의 관심 주제이다.

플루오란(fluoran) 염료는 그의 치환기에 따라 광범한 다양한 색상을 제공하는 뚜렷한 특징을 지닌다. 특히 플루오란 형태 염료는 산성 화합물 첨가시 단독으로 흑색을 생성하는 능력이 매우 중요하다. 색상 형성제로서의 플루오란 염료는 감열 기록 용지에 사용하기 위해서만 응용되고 있다. 감열지에 사용되는 색상 형성제는 본래 산과 접촉하게 되면 강렬한 색상을 발하는 무색의 유기 화합물이다. 흑색은 감열 인쇄에 가장 중요한 색상이고, 흑색을 생성하기 위해 가장 광범하게 사용되는 색상 형성제는 플루오란 유도체이다.

금속 인식 발색단으로서의 플루오란은 현재까지 크게 관심을 나타내지 않았다. 플루오란 염료의 구조는 로다민 염료와 매우 유사하다. 로다민은 긴 흡광 및 가시광선 영역으로 연장된 발광 파장, 높은 흡광 계수 및 높은 형광 양자 수득량과 같은 그의 우수한 광물리적 특성으로 인해 화학센서 시약으로 널리 사용되는 염료이다. 중금속에 대한 다양한 로다민 형광 프로브가 개발되었다. Fe³⁺에 대한 여러 유기 염료-기반 화학센서가 최근 보고되었다. 그러나 Fe²⁺를 감지를 위한 절박한 요구에도 불구하고 Fe²⁺ 선택적 센서에 대해 단지 제한된 연구만이 존재한다.

이에 대해 본 발명자들은 하기 스킴 1에 나타난 바와 같이 Fe²⁺에 대한 플루오란 염료를 기반으로 한 Fe²⁺금속 양이온에 대해 높은 선택성 및 민감성을 지닌 화학센서를 개발하던 중 Fe²⁺금속 양이온에 대해 높은 선택성 및 민감성으로 암녹색 색상을 나타내는 플루오란 염료 계통의 발색 화학센서를 개발함으로써 본 발명을 완성하게 된 것이다.

스킴 1. 제안된 결합 방식 및 Fe²⁺로 플루오란 염료 A의 색상 변화

본 발명의 해결하려는 과제는 Fe²⁺에 대한 플루오란 염료를 기반으로 한 Fe²⁺금속 양이온에 대해 높은 선택성 및 민감성을 지닌 화학센서를 개발코자 한 것이다. 즉 Fe²⁺금속 양이온에 대해 높은 선택성 및 민감성으로 암녹색 색상을 나타내는 플루오란 염료 계통의 발색 화학센서를 개발코자 한 것이다.

본 발명의 목적은 하기 화학식 A로 표시되는 2-아닐리노-3-메틸-6-디부틸아미노-N-((2-(2-에틸이미노) 메틸)나프탈렌-2-올) 이소-인돌린-1-온-플루오란(A) +2가 철 이온 검출용 염료 화합물을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 또다른 목적은 2-(4-(디부틸아미노)-2-하이드록시벤조일) 벤조산 1 및 4-메톡시-2-메틸-N-페닐벤젠아민 2를 반응시켜 중간물질 플루오란 염료 3를 합성한 후, 플루오란 염료 3을 축합 반응을 통해 플루오란 염료 4를 합성하고, 플루오란 염료 4를 2-하이드록시-1-나프트알데하이드와 반응시켜 Schiff 기반 축합에 의해 제 1항의 플루오란 염료 (A)를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

이때 상기 화학식 A로 표시되는 화합물은 +2가 철 이온 존재 시 스파이로락탐 형태에서 고리-개방 아마이드 형태로 전환되어 658 nm 파장을 최대 흡광하여 무색에서 암녹색으로 색상이 전환됨을 특징으로 한다.

또한 상기 화학식 A로 표시되는 화합물은 +3가 철 이온 존재시 또는 Cd²⁺, Mg²⁺, Pd²⁺, Hg²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Al³⁺, 알칼리 금속 및 알칼리성 토류 금속 양이온 등의 존재시 658 nm 파장에서 특별한 흡광 피크를 나타내지 않음을 특징으로 한다.

한편 본 발명의 또다른 목적은 플루오란 염료 (A)를 활성 성분으로 포함하는 +2가 철 이온 검출용 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 효과는 Fe²⁺에 대한 플루오란 염료를 기반으로 한 Fe²⁺금속 양이온에 대해 높은 선택성 및 민감성을 지닌 화학센서를 제공하는 것이다. 즉 Fe²⁺금속 양이온에 대해 높은 선택성 및 민감성으로 암녹색 색상을 나타내는 플루오란 염료 계통의 발색 화학센서를 제공하는 것이다.

도 1은 CH₃CN 용액 내 X = Cd²⁺, Mg²⁺, Pd²⁺, Hg²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Zn²⁺ 및 Al³⁺(10 equiv.)의 ClO₄ ^- 염 첨가시 본 발명의 플루오란 염료 A(1.0 x 10^-5 molL^-1)의 자외선-가시광선 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는 CH₃CN 용액 내 1.0 μM의 다양한 양이온에 대한 본 발명의 플루오란 염료 A의 흡광 반응을 나타낸 것이다. 막대는 블랭크 염료 A 용액의 흡광 강도에 대한 658 nm에서의 흡광 강도(A _{658 nm})를 나타낸다. 좌측에서 우측으로 (1) 염료 A, (2) Mg²⁺, (3) Fe²⁺, (4) Fe³⁺, (5) Cu²⁺, (6) Hg²⁺, (7) Ag⁺, (8) Zn²⁺, (9) Al³⁺, (10) Pb²⁺, (11) Ni²⁺, (12) Ca²⁺, (13) K⁺ 및 (14) Co²⁺.
도 3은 CH₃CN 용액 내 Fe²⁺ 존재시 본 발명의 플루오란 염료 A(cal. 10^-5 molL^-1)의 흡광 스펙트럼을 나타낸 것이다.

Fe²⁺에 대해 플루오란 염료를 기반으로 한 매우 선택적인 화학센서인 본 발명의 염료 2-아닐리노-3-메틸-6-디부틸아미노-N-((2-(2-에틸이미노) 메틸)나프탈렌-2-올) 이소-인돌린-1-온-플루오란(A)을 합성 발명하였다.

¹H NMR, ¹³C NMR, MS 및 원소 분석에 의해 모든 중간체와 플루오란 염료 A의 화학 구조의 특성이 확인되었다. Fe²⁺ 첨가시 플루오란 염료 A는 그의 흡광 스펙트럼 내에서 658 nm 주변에 새로운 흡광 피크를 생성하였고, 용액 색상이 무색에서 암녹색으로 변화되었다. 반면에 Mg²⁺, Pb²⁺, Ni²⁺, Hg²⁺, Cd²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ 및 Al³⁺을 포함한 다른 이온은 흡광 스펙트럼 변화를 유도하지 않았고, 이는 "육안"에 의한 Fe²⁺ 높은 감도 및 선택적 비색 화학센서를 발명한 것이다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

플루오란 염료 A는 하기 스킴 2에 따라 합성되었다.

스킴 2. 플루오란 염료 A의 합성 경로

먼저 중간물질 플루오란 염료 3은 촉매로서 H₂SO₄를 이용하여 출발 물질로서 2-(4-(디부틸아미노)-2-하이드록시벤조일) 벤조산 1 및 4-메톡시-2-메틸-N-페닐벤젠아민 2로부터 합성되었다. 이후 플루오란 염료 3은 축합 반응을 통해 플루오란 염료 4로 전이되었다. 최종적으로 플루오란 염료 A는 Schiff 기반 축합에 의해 플루오란 염료 4와 2-하이드록시-1-나프트알데하이드로부터 제조되었다. 모든 중간물질 및 염료 A의 구조는 ¹H NMR, ¹³C NMR, MS 및 원소 분석에 의해 특성 부여되었다.

플루오란 염료 A와 다른 금속 양이온 사이의 인식은 CH₃CN 용액 내 UV-vis 분광법에 의해 조사되었다. 플루오란 염료 A 용액은 1.0 x 10^-5 mol/L의 농도이다. CH₃CN 용액 내 플루오란 염료 A의 흡광 스펙트럼으로부터 흡광 밴드가 가시 영역 내에 나타남이 발견되지 않았고, 플루오란 염료 A는 무색이다.

Cd²⁺, Mg²⁺, Pd²⁺, Hg²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Zn²⁺, Al³⁺, 알칼리 금속 및 알칼리성 토류 금속 양이온을 포함한 다른 금속 양이온 첨가시 플루오란 염료 A의 흡광 스펙트럼 변화가 도 1 및 2에 나타나 있다. 도 1은 CH₃CN 용액 내 X = Mg²⁺, Cu²⁺, Hg²⁺, Ag⁺, Zn²⁺, Fe³, Fe²⁺, Pb²⁺, Al³⁺, Ni²⁺(10 equiv.)의 ClO₄ ^- 염 첨가시 플루오란 염료 A(1.0 x 10^-5 molL^-1)의 UV-vis 스펙트럼을 나타낸다. 최대 흡광은 금속 이온 Cd²⁺, Mg²⁺, Pd²⁺, Hg²⁺, Ni²⁺, Fe³⁺, Ca²⁺ 및 Co²⁺ 첨가시 명백한 변화를 나타내지 않는다.

반면에 Fe²⁺ 첨가시 본 발명자들은 658 nm 근방에서 흡광을 나타내는 피크 파장의 새로운 흡광 밴드가 나타남을 발견하였다. 색상은 무색에서 암녹색으로 변화되었다. 반면에 Fe³⁺ 첨가시 본 발명자들은 피크된 파장에서의 흡광을 포함한 새로운 흡광 밴드가 나타남을 발견하지 못했다. 도 2는 블랭크 플루오란 염료 A 용액의 흡광 강도에 대한 658 nm에서의 흡광 강도(A _{658 nm})를 나타낸다. Fe²⁺ 첨가시 658 nm 근방의 플루오란 염료 A의 흡광 강도가 증가되었다. 다른 금속 이온 첨가시 658 nm 근방의 염료 A의 흡광 강도는 거의 변화되지 않았다.

이들 결과는 플루오란 염료 A가 Fe²⁺에 대해 높은-감수성 및 선택성을 지님을 나타낸다. Fe²⁺ 농도에 대한 CH₃CN 용액 내 염료 A의 흡광 분광법의 의존도는 흡광 분광법 적정 방법에 의해 조사되었다. Fe²⁺첨가시 658 nm 근방에서 파장 증가와 함께 290 nm는 감소되었다. 적정 곡선 내 등흡광점은 Fe²⁺의 첨가와 함께 나타나는 새로운 종을 나타내고, 이는 도 3에 나타난 바와 같이 염료 A의 Fe²⁺ 복합체의 형성으로 의한 것일 수 있다.

도 3은 블랭크 플루오란 염료 A 용액의 흡광 강도에 대한 658 nm에서의 흡광 강도(A _{658 nm}) 변화를 나타낸다. 658 nm 근방에서 Fe²⁺첨가시 플루오란 염료 A의 흡광 강도는 모두 증가되었다. 따라서 용액의 색상은 점점 무색에서 암녹색으로 되었다. 실질적으로 무색에서 암녹색으로의 명백한 색상 변화는 육안으로 관찰되었다.

Materials Studio 4.2 패키지 내 DMol³ 프로그램을 기반으로 한 분자 모델링 계산이 수행된다. Fe²⁺와의 에너지-최소화 플루오란 염료 A 구조의 CPK 모델은 도 4에 나타나 있고, 이는 안정한 복합체를 형성하기 위한 Fe²⁺와 플루오란 염료 A의 인식을 나타낸다.

결론적으로 플루오란 유도체를 기반으로 한 새로운 발색 화학센서가 개발되었다. 이는 Fe²⁺와에 대한 우수한 선택성 및 감도를 나타낸다. 무색에서 암녹색으로의 명백한 색상 변화가 육안으로 관찰되었고, 즉 신호는 어떠한 분광계 기구 없이 육안으로 용이하게 판독될 수 있다. 이는 Fe²⁺을 검출하는 매우 간단하고 효과적인 방법이다.

이하 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이러한 실시예들로 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

재료

대부분의 화학물질은 Aldrich Chemical Co. 및 TCI에서 구입하였다. 용매는 표준 절차에 의해 정제되었고 수분 부재 대기 하에서 사용되었다. 다른 재료는 통상의 제품이고 추가 정제 없이 사용되었다.

(실시예 1) 기기 및 스펙트럼 측정

녹는점은 Electrothermal IA900 장치를 이용하여 측정되었고 보정되지 않았다. 원소 분석은 Carlo Elba Model 1106 분석기 상에 기록되었다. UV-vis 흡광 스펙트럼은 Agilent 8453 분광광도계 상에서 측정되었다. 질량 스펙트럼은 70 eV의 전자 에너지 및 직접 프로브 EI 방법을 이용하여 Shimadzu QP-1000 분광계 상에서 기록되었다. ¹H-NMR, ¹³C NMR 스펙트럼은 내부 기준으로 TMS를 이용한 Varian Inova 400 MHz FT-NMR을 이용하여 기록되었다.

(실시예 2) 플루오란 염료 3의 합성

플루오란 염료 3은 M. Yanagita et al., Dyes Pigments 6 (1998) 15-26의 방법에 따라 합성되었다.

¹H NMR 수율: 58%, m.p. 187℃; mass (m/z) 532(M⁺); ¹H NMR(400 MHz, DMSO-d6): δ (ppm) 7.93 (d, J = 7.56, 1H), 7.76 (t, J = 7.56, 1H), 7.66 (t, J = 7.36, 1H), 7.41 (s, 1H), 7.26 (t, J = 7.84, 1H), 7.22 (s, 1H), 6.99 (t, J = 7.84, 2H), 6.62 (t, J = 7.04, 1H), 6.55 (d, J = 7.6, 2H), 6.49 (d, J = 8.08, 2H), 6.43 (s, 1H), 6.41 (d, J = 9.08, 1H), 3.25 (t, J = 7.6, 4H), 2.21 (s, 3H), 2.07 (s, 1H), 1.48 (m, 4H), 1.29 (m, 4H), 0.87 (t, 6H).

¹³C NMR (400 MHz, DMSO-d6): δ (ppm), 13.78, 17.84, 19.63, 28.86, 30.59, 49.89, 83.55, 96.98, 104.1, 108.5, 114.63, 116.99, 118.32, 118.53, 119.49, 123.92, 124.45, 126.24, 128.59, 128.77, 129.94, 134.92, 135.40, 136.85, 145.25, 146.58, 149.63, 152.43, 152.49 및 168.66.

(실시예 3) 플루오란 염료 4의 합성

플루오란 염료 3(1.0 g, 1.9 mmol)은 100 mL의 에탄올 용액 내에 용해된 후 에틸렌디아민(2.0 mL, 24.7 mmol)이 첨가되었다. 반응 혼합물은 12시간 동안 역류되었다. 실온에서 냉각 후 용매는 진공 내에서 증발되었다. CH₂C_l2 및 물(200 mL)이 첨가되고 유기층이 분리되고, 물로 2회 세척되고 무수 황산나트륨 상에서 건조되었다. 황산나트륨 여과 후 용매는 감소 압력 하에서 제거되었다. 이후 1 M HCl(50 ml)이 플라스크 내 고체에 첨가되어 선명한 적색 용액이 생성되었다. 이후 용액의 pH가 7∼8에 도달할 때까지 2 M NaOH가 서서히 첨가되었다. 수득된 분홍색 고체는 여과되고 1.1 g의 플루오란 염료 4가 수득되었다.

수율: 91%, m.p. 223∼225℃; mass (m/z) 574(M⁺); ¹H NMR (400 MHz, DMSO-d6): δ (ppm) 7.72 (d, J = 7.08, 1H), 7.54 (t, J = 6.8, 1H), 7.48 (t, J = 7.32, 1H), 7.16 (s, 1H), 7.04 (d, J = 7.32, 1H), 6.99 (d, J = 7.84, 2H), 6.61 (t, J = 7.32, 1H), 6.49 (d, J = 7.84, 2H), 6.38 (s, 1H), 6.33 (d, J = 7.56, 4H), 3.42 (m, 2H), 3.22 (t, J = 6.8, 4H), 3.0 (m, 2H), 2.17 (s, 3H), 2.08 (s, 1H), 1.48 (m, 4H), 1.30 (m, 4H), 0.9 (t, 6H).

¹³C NMR (400 MHz, DMSO-d6): δ (ppm), 13.89, 17.76,18.59, 19.69, 25.24, 28.95, 32.14, 43.58, 49.88, 63.89, 97.11, 103.91, 108.41, 114.48, 117.35, 118.32, 118.18, 118.60, 119.70, 122.38, 123.57, 128.38, 128.86, 130.14, 132.81, 133.81, 136.58, 145.43, 146.32, 146.86, 152.39, 153.35 및 167.10.

(실시예 4) 플루오란 염료 A의 합성

플루오란 염료 4(0.2 g, 0.35 mmol)는 15 mL 무수 에탄올 내에 용해되었다. 이후 과량의 2-하이드록시-1-나프트알데하이드(0.171 g, 1.4 mmol)가 혼합물 내에 첨가되고 6시간 동안 역류되었다. 이후 용액은 냉각되고(10 ml로 농축됨) 밤새 실온에서 정치되었다. 침전물은 여과되고 10 mL 냉각 에탄올로 3회 세척되어 원료 생성물이 수득되었다. 이후 원료 생성물은 실리카 겔(CHCl₃/EtOH: 8/1 (v/v)) 상의 컬럼 크로마토그래피에 의해 정제되어 0.14 g의 백색 분말 플루오란 염료 A가 제공되었다.

수율: 59%, m.p. 193∼195℃; mass (m/z) 728 (M⁺); ¹¹H NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 0.95 (t, J = 7.32 Hz, 6H), 1.33 (sextet, J = 7.32 Hz, 4H), 1.56 (quintet, J = 7.32 Hz, 4H), 2.10 (s, 3H) 3.22 (t, J = 7.8 Hz, 4H), 3.42 (m, 4H), 5.23 (s, 1H), 6.25 (d, J = 9.08 Hz, 1H), 6.38 (m, 4H), 6.45 (s, 1H), 6.66 (t, J = 7.32 Hz, 1H), 6.86(d, J = 7.32 Hz, 1H), 6.99(d, 2H), 7.09 (m, 2H), 7.23 (t, J = 7.08 Hz, 1H), 7.44 (m, 3H), 7.59(d, J = 7.84, 1H), 7.66 (d, J = 9.32 Hz, 1H), 7.80 (d, J = 8.60 Hz, 1H), 7.87 (m, 1H), 8.52 (d, J = 7.08 Hz, 1H), 13.98 (s, 1H, -OH).

¹³C NMR (400 MHz, CDCl₃) δ: 14.18, 18.13, 20.50, 29.53, 32.36, 38.26, 41.28, 50.86, 50.94, 65.10, 97.91, 103.92, 107.08, 108.69, 114.77, 117.67, 118.29, 119.14, 121.99, 122.93, 123.33, 123.90, 125.00, 126.40, 128.16, 128.59, 128.72, 129.23, 129.32, 130.77, 132.98, 133.92, 135.18, 136.29, 137.28, 145.18, 148.41, 149.61, 153.35, 153.47, 158.71, 168.79, 172.00 및 176.02.

C₄₈H₄₈N₄O₃의 분석 계산치: C 79.09, H 6.64, N 7.68; 실측치: C 78.61, H 6.80, N 7.68.

Claims

하기 화학식 A로 표시되는 2-아닐리노-3-메틸-6-디부틸아미노-N-((2-(2-에틸이미노) 메틸)나프탈렌-2-올) 이소-인돌린-1-온-플루오란(A) +2가 철 이온 검출용 염료 화합물
2-(4-(디부틸아미노)-2-하이드록시벤조일) 벤조산 1 및 4-메톡시-2-메틸-N-페닐벤젠아민 2를 반응시켜 중간물질 플루오란 염료 3를 합성한 후, 플루오란 염료 3을 축합 반응을 통해 플루오란 염료 4를 합성하고, 플루오란 염료 4를 2-하이드록시-1-나프트알데하이드와 반응시켜 Schiff 기반 축합에 의해 제 1항의 플루오란 염료 (A)를 제조하는 방법
제 1항에 있어서, 상기 화학식 A로 표시되는 화합물은 +2가 철 이온 존재 시 스파이로락탐 형태에서 고리-개방 아마이드 형태로 전환되어 658 nm 파장을 최대 흡광하여 무색에서 암녹색으로 색상이 전환됨을 특징으로 하는 +2가 철 이온 검출용 염료 화합물
제 1항에 있어서, 상기 화학식 A로 표시되는 화합물은 +3가 철 이온 존재시 또는 Cd²⁺, Mg²⁺, Pd²⁺, Hg²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Al³⁺, 알칼리 금속 및 알칼리성 토류 금속 양이온 등의 존재시 658 nm 파장에서 특별한 흡광 피크를 나타내지 않음을 특징으로 하는 +2가 철 이온 검출용 염료 화합물
제 1항의 플루오란 염료 (A)를 활성 성분으로 포함하는 +2가 철 이온 검출용 센서