KR20130089491A - Zn2+ ion selective fluorescent probe and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 Zn2 + 선택성을 갖는 형광 프로브 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속 킬레이팅기로서 폴리아미노 카르복실레이트를 갖는 나프탈이미드계 수용성 Zn2 + 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a fluorescent probe and a method of manufacturing the same as, more particularly, to a metal chelating group is a poly-amino carboxylic naphthalenol having a mid-butyl-based water-soluble Zn 2 + as a sensor on which a Zn 2 + selectivity.
금속 이온은 생물학적 시스템에서 특이적 기능을 광범위하게 수행한다. 금속이온이 세포대사에 중요한 영향을 발휘하는 동안, 세포 및 국소 조직의 정교한 장치는 효소와 조인자 형태로 있는 금속 이온의 생물학적 활성을 적극적으로 제어한다. 따라서 금속이온의 농도 또는 활성을 오조절하게 되는 유전적 이상 또는 환경적 인자는 조직 또는 기관의 기능장애를 초래할 수 있다 [J.J.R. Frausto da Silva, R.J.P. Williams, The biological chemistry of the elements, Oxford University Press, Oxford, 1991]. Metal ions perform a wide range of specific functions in biological systems. While metal ions have an important effect on cell metabolism, sophisticated devices of cells and local tissues actively control the biological activity of metal ions in the form of enzymes and cofactors. Thus genetic abnormalities or environmental factors that misregulate the concentration or activity of metal ions may lead to dysfunction of tissues or organs [J.J.R. Frausto da Silva, R. J. P. Williams, The biological chemistry of the elements, Oxford University Press, Oxford, 1991].
아연은 생물체 내에 가장 풍부한 2가 이온 금속 중 하나로서, 다수의 대사 효소와 전사 인자에 필수적인 조인자로 작용하며, 인간의 경우 생체 내에 평균적으로 2.3g 의 아연을 가지고 있다 [B.L. Vallee, D.S Auld, Zinc coordination, function, and structure of zinc enzymes and other proteins, Biochemistry 29 (1990) 5647-5659]. 또한 무기염 형태로 있는 상기 필수 성분 요소는 치명적인 기관 장해를 일으키고 구리 결핍증을 유도한다고 알려져 있다 [M.S. Willis, S.A. Monaghan, M.L. Miller, R.W. McKenna, W.D. Perkins, B.S. Levinson, V. Bhushan, S.H. Kroft, Am. J. Clin. Pathol. 123 (2005) 125-131].Zinc is one of the most abundant divalent ionic metals in living organisms and acts as an essential cofactor for many metabolic enzymes and transcription factors, and in humans it has an average of 2.3 g of zinc [B.L. Vallee, D. S Auld, Zinc coordination, function, and structure of zinc enzymes and other proteins, Biochemistry 29 (1990) 5647-5659]. It is also known that these essential ingredient elements in the form of inorganic salts cause fatal organ disorders and induce copper deficiency [M.S. Willis, S.A. Monaghan, M.L. Miller, R. W. McKenna, W.D. Perkins, B.S. Levinson, V. Bhushan, S.H. Kroft, Am. J. Clin. Pathol. 123 (2005) 125-131].
현재까지 소수의 리간드가 수성매질에서 아연 이온을 인식하는 것으로 밝혀졌다 [Y. Zhou, H.N. Kim, J. Yoon, Bioorg. Med. Chem. Lett. 20 (2010) 125-128]. 그러나 대부분의 경우 유기 용매와 계면 활성제가 수성 환경에서 리간드를 용해시키기 위해 사용되고 있어 체내ㆍ외에서 원하지 않는 세포독성을 나타내고 있는 문제점이 있다. 따라서 세포독성을 나타내지 않으면서도, 정확하고 선택적으로 생체 내 아연 이온을 선택적으로 검출할 수 있는 기술에 대한 요구가 증가하고 있다. 특히, 다른 금속이온이 존재하는 가운데 아연 이온에 대해 선택적이면서, 간단하고 효율적인 형광 탐침 개발에 대한 필요성이 높아지고 있다. To date, few ligands have been found to recognize zinc ions in aqueous media [Y. Zhou, H.N. Kim, J. Yoon, Bioorg. Med. Chem. Lett. 20 (2010) 125-128. However, in most cases, organic solvents and surfactants are used to dissolve ligands in an aqueous environment, and thus there is a problem in that unwanted cytotoxicity is exhibited both inside and outside the body. Thus, there is an increasing demand for a technology capable of selectively detecting zinc ions in vivo accurately and selectively without showing cytotoxicity. In particular, there is a growing need for the development of fluorescent probes that are selective for zinc ions and present in the presence of other metal ions.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는, HEPES 완충액에서 Zn2 +에 대해 선택적 결합 친화성을 나타내며, 다른 금속이온들에 대한 간섭 현상을 받지 않으며, 세포 투과성이 높아서 세포 내 Zn2 + 이온을 영상화할 수 있는 Zn2 + 이온 선택성을 갖는 형광 프로브를 제공하는 것이다.The first aspect of the present invention, shows selective binding affinity for Zn 2 + in HEPES buffer, does not receive the interference for other metal ions, the cell permeability is high imaging intracellular Zn 2 + ions to provide a fluorescent probe having a Zn 2 + ion selective capable.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 형광 프로브의 제조방법을 제공하는 것이다.The second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method for manufacturing the fluorescent probe.
본 발명이 이루고자 하는 세 번째 기술적 과제는 Zn2 + 이온 선택성을 갖는 형광 프로브의 대응 에틸 에스테르 유도체 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.The third aspect is to provide a Zn 2 + ion selective corresponding ethyl ester derivative of the fluorescent probe with and a method of manufacturing another object of the present invention.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1의 아연 2가 이온 선택성을 갖는 형광 프로브를 제공한다:In order to solve the above problems, the present invention provides a fluorescent probe having zinc divalent ion selectivity of the general formula (1):
<화학식 1>≪ Formula 1 >
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the second technical problem,
하기 화학식 3의 화합물과 트리플루오로아세트 산을 반응시킴으로써 화학식 1의 화합물을 제조하는 단계를 포함하는 아연 2가 이온 선택성을 갖는 형광 프로브의 제조방법을 제공한다:A method for preparing a fluorescent probe having zinc divalent ion selectivity comprising the step of preparing a compound of
<화학식 3><
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 화학식 3의 화합물은 하기 화학식 4의 화합물과 t-부틸브로모아세테이트 혼합물을 유기 용매 중에서 반응시킴으로써 제조될 수 있다:According to an embodiment of the present invention, the compound of Formula 3 may be prepared by reacting a compound of Formula 4 with a t-butylbromoacetate mixture in an organic solvent:
<화학식 4>≪ Formula 4 >
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 화학식 4의 화합물은 하기 화학식 5의 화합물을 트리페닐포스핀 (PPh3) 및 피리딘과 반응시킴으로써 제조될 수 있다:According to an embodiment of the present invention, the compound of formula 4 may be prepared by reacting a compound of formula 5 with triphenylphosphine (PPh 3 ) and pyridine:
<화학식 5>≪ Formula 5 >
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 화학식 5의 화합물은 하기 화학식 6의 화합물을 트리페닐포스핀 (PPh3) 및 아자이드화 나트륨과 반응시킴으로써 제조될 수 있다:According to an embodiment of the present invention, the compound of formula 5 may be prepared by reacting a compound of formula 6 with triphenylphosphine (PPh 3 ) and sodium azide:
<화학식 6>(6)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 화학식 6의 화합물은 하기 화학식 7의 화합물과 2-메톡시에탄올 및 디에탄올아민을 반응시킴으로써 제조될 수 있다:According to an embodiment of the present invention, the compound of Formula 6 may be prepared by reacting a compound of Formula 7 with 2-methoxyethanol and diethanolamine:
<화학식 7>≪ Formula 7 >
본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 하기 화학식 2의 아연 2가 이온 선택성을 갖는 형광 프로브의 대응 에틸 에스테르 유도체를 제공한다:The present invention provides a corresponding ethyl ester derivative of a fluorescent probe having zinc divalent ion selectivity of the formula (2) in order to achieve the third technical problem:
<화학식 2><
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 화학식 2의 화합물은 화학식 4의 화합물과 에틸브로모아세테이트를 반응시킴으로써 제조될 수 있다:According to an embodiment of the present invention, the compound of Formula 2 may be prepared by reacting the compound of Formula 4 with ethyl bromoacetate:
본 발명에 따른 Zn2 + 선택성을 갖는 형광 프로브는 다른 금속이온들에 대한 간섭현상 없이 Zn2 + 이온과 선택적으로 결합하며, pH에 대해 불감수성을 나타낸다. 또한, 세포 투과성이 높아 생물학적 용도에 효과적인 세포 내 Zn2 + 이온의 영상화 탐침으로서 우수한 특성을 나타낸다.Fluorescent probe having a Zn 2 + selectivity according to the present invention is selectively coupled to Zn 2 + ions and with no interference for other metal ions, indicates a non-sensitive to pH. Further, the higher the cell permeability exhibits excellent characteristics as an imaging probe of the effective intracellular Zn 2 + ions in biological applications.
도 1은 에스테르 분해 효소에 의해 가수분해되어, 화학식 1의 화합물로 변화되는 화학식 2의 화합물의 메카니즘이다.
도 2(a)는 HEPES 버퍼 (10 mM, pH = 7.4)중 다양한 금속이온 (5equiv.)의 존재하에 1 (λex = 346 nm) 의 형광스펙트럼이다. 도 2(b)는 HEPES 버퍼 (pH = 7.4) 중 Na+, K+, Ca2 +, Mg2 + 1.0 mM 및 Mn2 +, Fe2 +, Fe3 +, Co2 +, Ni2 +, Cu2 + 10 μM 존재하에 (흰 막대) 10 μM 의 Zn2 + 을 첨가시 나타나는 (검정막대) 10 μM 화학식 1의 상대 형광 강도이다.
도 3은 HEPES 버퍼 (10 mM, pH = 7.4) 중 다른 양의 Zn2 + 존재시 화학식 1 (λex = 346 nm)의 형광스펙트럼이다. 삽입된 도는 447 nm 에서 Zn2 + 의 발광 적정 그래프이다.
도 4는 이론의 B3LYP/6-31G(d) 레벨에서 계산된 1 및 1+Zn2 + 의 최적화된 구조이며, 수소 원자는 명확함을 위해 생략되었다.
도 5(상단)은 1의 프론티어 분자 오비탈의 프로필이다. 녹색 및 붉은 색은 HOMO 와 LUMO 에 대한 분자 웨이브 기능의 서로 다른 단계에 해당하며, 분류치는 0.02 a.u 이다. 도 5(하단)은 1+Zn2 +의 프론티어 분자 오비탈의 프로필이다.
도 6(a)는 λex = 458 nm에서 30분 동안 2 μM 화학식 2로 배양한 HeLa 세포의 공초점 형광 이미지이다. (b)는 명시야상이다. (c)는 Zn2 +/pyrithione (20 μM, 1:1 비율)로 40분 처리 후 이미지이다. (d)는 0.1 mM TPEN 첨가 후 이미지이다.1 is a mechanism of a compound of
Figure 2 (a) is a fluorescence spectrum of 1 (λex = 346 nm) in the presence of various metal ions (5equiv.) In HEPES buffer (10 mM, pH = 7.4). 2 (b) is of the Na +, K +, Ca 2 +,
3 is a fluorescence spectrum of HEPES buffer (10 mM, pH = 7.4) for different amounts of Zn 2 + presence of the formula 1 (λex = 346 nm). The turning insert is a graph of light emission adequate Zn 2 + at 447 nm.
4 is an optimized structure of the first and Zn + 1 + 2 calculated in the B3LYP / 6-31G (d) level of theory, the hydrogen atoms have been omitted for clarity.
5 (top) is the profile of the frontier molecular orbital of 1. Green and red correspond to different stages of molecular wave function for HOMO and LUMO, with a classification of 0.02 au. Figure 5 (bottom) is a profile in the 1 + Zn 2 + frontier orbital of a molecule.
6 (a) is a confocal fluorescence image of HeLa cells incubated with 2
본 발명은 하기 화학식 1의 아연 2가 이온 선택성을 갖는 형광 프로브를 제공한다:The present invention provides a fluorescent probe having zinc divalent ion selectivity of the formula (1):
<화학식 1>≪ Formula 1 >
다양한 형광체 중에서도 1,8-나프탈이미드는 광안정성이 높고 스토크스 이동 (stokes shift)이 크며 양자 수율이 높아 형광체로서 흔히 사용되고 있다. 상기 화학식 1의 화합물은 금속 킬레이팅기로서 폴리아미노 카르복실레이트를 갖는 나프탈이미드계 수용성 Zn2 + 이온 센서로, Zn2 + 이온에 대한 선택적 결합 친화성을 나타내어 세포 내 Zn2 + 이온 영상화에 효과적으로 작용한다. Among various phosphors, 1,8-naphthalimide is commonly used as a phosphor due to its high light stability, large Stokes shift, and high quantum yield. The compound of Formula 1 is a naphthalimide-based water-soluble Zn 2 + ion sensor having a polyamino carboxylate as a metal chelating group, and exhibits selective binding affinity for Zn 2 + ions, thereby inducing intracellular Zn 2 + ion imaging. Works effectively on
양자계산 결과 킬레이팅기 내 전자밀도가 상기 화학식 1의 화합물 + Zn2 + 에서는 전혀 존재하지 않는 반면, 상기 화학식 1의 화합물의 킬레이팅기 내에서는 존재하였다. 또한, 에틸 에스테르 유도체인 화합식 2의 화합물로 배양한 HeLa 세포의 공초점 사진을 통해 상기 형광 센서는 에스테르 분해효소에 의해 가수분해되어 본발명의 화학식 1의 화합물이 되는 것을 밝혔으며 이를 도 1에 나타내었다. 세포 투과성이 높아 생물학적 용도에 효과적인 세포 내 Zn2 + 영상화 탐침으로서 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.As a result of the quantum calculation, the electron density in the chelating group was not present at all in the compound of
본 발명은 또한 하기 화학식 3의 화합물과 트리플루오로아세트 산을 반응시킴으로 화학식 1의 화합물을 제조하는 단계를 포함하는 아연 2가 이온 선택성을 갖는 형광 프로브의 제조방법을 제공한다:The present invention also provides a method of preparing a fluorescent probe having zinc divalent ion selectivity comprising the step of preparing a compound of
<화학식 3><
상기 반응은 화학식 3의 화합물과 트리플루오로아세트산을 메틸렌 클로라이드와 같은 유기 용매 중에서 교반시킴으로써 수행될 수 있다. The reaction can be carried out by stirring the compound of
바람직하게는, 상기 화학식 3의 화합물은 하기 화학식 4의 화합물과 t-부틸브로모아세테이트 혼합물을 유기 용매 중에서 반응시킴으로써 제조될 수 있다:Preferably, the compound of
<화학식 4>≪ Formula 4 >
예를 들어, 상기 유기용매로는 디메틸포름아미드 (DMF)를 사용할 수 있으며, 상기 화학식 3의 화합물은 에틸아세테이트로 추출하고 수분 및 유기용매를 제거한 후, 실리카겔 컬럼 크로마토그래피로 분리하는 과정을 거쳐서 제조할 수 있다.For example, dimethylformamide (DMF) may be used as the organic solvent, and the compound of
바람직하게는, 상기 화학식 4의 화합물은 하기 화학식 5의 화합물을 트리페닐포스핀 (PPh3) 및 피리딘과 반응시킴으로써 제조될 수 있다:Preferably, the compound of formula 4 may be prepared by reacting a compound of formula 5 with triphenylphosphine (PPh 3 ) and pyridine:
<화학식 5> ≪ Formula 5 >
상기 화학식 5의 화합물은 하기 화학식 6의 화합물을 트리페닐포스핀 (PPh3) 및 아자이드화 나트륨과 유기용매에서 반응시킴으로써 제조될 수 있다:The compound of Formula 5 may be prepared by reacting a compound of Formula 6 with triphenylphosphine (PPh 3 ) and sodium azide in an organic solvent:
<화학식 6>(6)
예를 들어, 상기 유기용매로는 디메틸포름아미드(DMF)를 사용할 수 있으며, 상기 화학식 5의 화합물은 상기 화학식 6의 화합물과 트리페닐포스핀 (PPh3) 및 아자이드화 나트륨을 혼합한 용액의 온도를 0 ℃로 낮추고, 테트라브로모메탄 (CBr4)을 한 방울씩 떨어뜨리며 천천히 추가하여 아지드로 전환시키고 추가로 스타우딩거 (Staudinger) 반응에 의해 아민으로 전환시켰으며, 에틸아세테이트로 추출하고 수분 및 유기용매를 제거한 후, 실리카겔 컬럼 크로마토그래피로 분리하는 과정을 거쳐서 제조할 수 있다.For example, dimethylformamide (DMF) may be used as the organic solvent, and the compound of Formula 5 may be a mixture of the compound of Formula 6, triphenylphosphine (PPh 3 ), and sodium azide. The temperature was lowered to 0 ° C., tetrabromomethane (CBr 4 ) was added dropwise slowly and converted to azide and further converted to amine by Staudinger reaction, extracted with ethyl acetate, After removing the water and the organic solvent, it can be prepared by the process of separation by silica gel column chromatography.
한편, 상기 화학식 6의 화합물은 하기 화학식 7의 화합물과 2-메톡시에탄올 및 디에타놀아민을 반응시킴으로써 제조될 수 있다.Meanwhile, the compound of Formula 6 may be prepared by reacting the compound of Formula 7 with 2-methoxyethanol and diethanolamine.
<화학식 7>≪ Formula 7 >
또한, 본 발명은 하기 화학식 2의 아연 2가 이온 선택성을 갖는 형광 프로브의 대응 에틸 에스테르 유도체 및 이의 제조방법을 제공한다:The present invention also provides a corresponding ethyl ester derivative of a fluorescent probe having zinc divalent ion selectivity of the formula (2) and a method for preparing the same:
<화학식 2><
상기 화학식 2의 화합물은 상기 화학식 4의 화합물과 에틸브로모아세테이트를 반응시킴으로써 제조될 수 있다.The compound of
참고로 하기 반응식에는 4-브로모-N-n-부틸-1,8-나프탈이미드로부터, 화학식 1의 화합물 및 그의 대응 에틸에스테르인 화학식 2의 화합물을 제조하는 예시적인 개략 반응도를 나타내었다.For reference, the following scheme shows an exemplary schematic reaction diagram for preparing the compound of
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments for better understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited thereto.
제조예 1. 화합물 6의 합성Preparation Example 1 Synthesis of Compound 6
2-메톡시에탄올 (20 mL)에 디에타놀아민 (20 mL)과 화합물 7 (3.80 g, 11.4 mmol) 을 넣고 24 시간 동안 환류하였다. 반응 완료 후, 반응 혼합물에 물을 첨가하고 에틸아세테이트 50ml 로 4회 추출하였다. 유기층을 무수 황산나트륨으로 건조한 후 감압농축 하였다. 얻어진 크루드 화합물을 3-5%의 메탄올이 첨가된 메틸렌 클로라이드를 사용하여 실리카겔 컬럼 크로마토그램으로 분리한 후, 용매를 건조시켜 1.56g (수율 38.4 %)의 화합물 6을 수득하였다. 1H NMR (CDCl3, 400 MHz): δ8.87 (d, 1 H, J = 8.51 Hz); 8.46 (d, 1 H, J = 7.24 Hz); 8.41 (d, 1 H, J = 8.10 Hz); 7.62 (t, 1 H, J = 7.85 Hz); 7.34 (d, 1 H, J = 8.18 Hz); 4.11 (t, 2 H, J = 7.55 Hz); 3.86 (br s, 4 H); 3.61 (t, 4 H, J = 5.18 Hz); 3.09 (s, 2 H); 1.67 (m, 2 H); 1.42 (m, 2 H); 0.96 (t, 3 H, J = 7.34 Hz). 13C NMR (CDCl3, 100 MHz): 164.5, 164.1, 154.7, 132.0, 131.3, 131.2, 130.3, 127.2, 125.6, 122.9, 117.0, 116.3, 59.8, 55.4, 40.3, 30.3, 20.5, 14.1 ppm.Diethanolamine (20 mL) and compound 7 (3.80 g, 11.4 mmol) were added to 2-methoxyethanol (20 mL), and the mixture was refluxed for 24 hours. After the reaction was completed, water was added to the reaction mixture, and extracted four times with 50 ml of ethyl acetate. The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate and concentrated under reduced pressure. The obtained crude compound was separated by silica gel column chromatography using methylene chloride added with 3-5% methanol, and then the solvent was dried to give 1.56 g (yield 38.4%) of compound 6. 1 H NMR (CDCl 3 , 400 MHz): δ 8.87 (d, 1 H, J = 8.51 Hz); 8.46 (d, 1 H, J = 7.24 Hz); 8.41 (d, 1 H, J = 8.10 Hz); 7.62 (t, 1H, J = 7.85 Hz); 7.34 (d, 1H, J = 8.18 Hz); 4.11 (t, 2H, J = 7.55 Hz); 3.86 (br s, 4 H); 3.61 (t, 4H, J = 5.18 Hz); 3.09 (s, 2H); 1.67 (m, 2H); 1.42 (m, 2H); 0.96 (t, 3H, J = 7.34 Hz). 13 C NMR (CDCl 3 , 100 MHz): 164.5, 164.1, 154.7, 132.0, 131.3, 131.2, 130.3, 127.2, 125.6, 122.9, 117.0, 116.3, 59.8, 55.4, 40.3, 30.3, 20.5, 14.1 ppm.
제조예 2. 화합물 5의 합성Preparation Example 2 Synthesis of Compound 5
화합물 6 (200 mg, 0.56 mmol), PPh3 (441 mg, 1.68 mmol) 및 NaN3 (182 mg, 2.80 mmol) 을 무수 DMF(10 mL)에 녹인 후, 상기 용액을 0 ℃로 낮추고 CBr4 (558 mg, 1.68 mmol) 를 10분에 걸쳐 한 방울씩 천천히 추가하였다. 그 후 반응물의 온도를 상온까지 올린 후 12시간 동안 교반하였다. 반응 종료 후 반응 혼합물에 물을 첨가하고 에틸아세테이트 50 ml로 4회 추출하였다. 유기층을 무수 황산나트륨으로 건조한 후 감압농축 하였다. 얻어진 크루드 화합물을 실리카겔 컬럼 크로마토그램 (용매; 1 : 9 = EA : Hexane)으로 분리하고, 용매를 건조시켜 198 mg (수율 87.0 %)의 화합물 5을 수득하였다. 1H NMR (CDCl3, 400 MHz): δ 8.60 (d, 1 H, J = 7.34 Hz); 8.56 (d, 1 H, J = 8.47 Hz); 8.54 (d, 1 H, J = 8.02 Hz); 7.75 (t, 1 H, J = 7.88 Hz); 7.43 (d, 1 H, J = 7.99 Hz); 4.17 (t, 2 H, J = 7.53 Hz); 3.66 (t, 4 H, J = 5.80 Hz); 3.44 (t, 4 H, J = 5.75 Hz); 1.71 (m, 2 H); 1.45 (m, 2 H); 0.98 (t, 3 H, J = 7.34 Hz). 13C NMR (CDCl3, 100 MHz): 164.5, 164.0, 152.5, 131.8, 131.7, 130.5, 130.3, 127.9, 126.6, 123.6, 118.9, 118.5, 53.5, 49.2, 40.3, 30.4, 20.6, 14.1 ppm.Compound 6 (200 mg, 0.56 mmol), PPh 3 (441 mg, 1.68 mmol) and NaN 3 (182 mg, 2.80 mmol) were dissolved in anhydrous DMF (10 mL), the solution was then lowered to 0 ° C. and CBr 4 ( 558 mg, 1.68 mmol) was slowly added dropwise over 10 minutes. Thereafter, the temperature of the reactant was raised to room temperature, followed by stirring for 12 hours. After the reaction was completed, water was added to the reaction mixture, and extracted four times with 50 ml of ethyl acetate. The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate and concentrated under reduced pressure. The obtained crude compound was separated by silica gel column chromatogram (solvent; 1: 9 = EA: Hexane), and the solvent was dried to give 198 mg (yield 87.0%) of compound 5. 1 H NMR (CDCl 3 , 400 MHz): δ 8.60 (d, 1H, J = 7.34 Hz); 8.56 (d, 1 H, J = 8.47 Hz); 8.54 (d, 1H, J = 8.02 Hz); 7.75 (t, 1H, J = 7.88 Hz); 7.43 (d, 1 H, J = 7.99 Hz); 4.17 (t, 2H, J = 7.53 Hz); 3.66 (t, 4H, J = 5.80 Hz); 3.44 (t, 4H, J = 5.75 Hz); 1.71 (m, 2H); 1.45 (m, 2H); 0.98 (t, 3H, J = 7.34 Hz). 13 C NMR (CDCl 3 , 100 MHz): 164.5, 164.0, 152.5, 131.8, 131.7, 130.5, 130.3, 127.9, 126.6, 123.6, 118.9, 118.5, 53.5, 49.2, 40.3, 30.4, 20.6, 14.1 ppm.
제조예 3. 화합물 4의 합성Preparation Example 3 Synthesis of Compound 4
화합물 5 (190 mg, 0.467 mmol) 와 PPh3 (736 mg, 2.81 mmol) 을 피리딘 5 mL 에 녹여 상온에서 1시간 동안 정치하였다. 상기 용액에 진한 암모니아수 (1 mL) 를 첨가한 후, 2시간 동안 상온에 두었다. 피리딘은 감압하여 제거한 후, 상기 반응 혼합물에 메틸렌 클로라이드와 1 N HCl 을 넣어 분리하였다. 추가로 1 N HCl 을 사용하여 유기층을 세척하고 물 층을 모아서 KOH로 중화시킨 후, 메틸렌 클로라이드로 3회 추출하였다. 물과 염수를 사용하여 추출된 유기층을 세척하고, 무수 황산 나트륨으로 물을 제거한 후, 용매를 건조시켜 120 mg (72.5 %) 의 화합물 4를 수득하였다. 1H NMR (CDCl3, 400 MHz): δ 8.52 (d, 1 H, J = 7.05 Hz); 8.40 (d, 1 H, J = 8.42 Hz); 8.18 (d, 1 H, J = 8.35 Hz); 7.56 (t, 1 H, J = 7.88 Hz); 6.63 (d, 1 H, J = 8.56 Hz); 4.15 (t, 2 H, J = 7.59 Hz); 3.43 (t, 2 H, J = 5.62 Hz); 3.08 (t, 2 H, J = 5.62 Hz); 2.88 (t, 2 H, J = 5.54 Hz); 2.76 (t, 2 H, J = 5.62 Hz); 1.70 (m, 2 H); 1.44 (m, 2 H); 1.25 (s, 2 H); 0.97 (t, 3 H, J = 7.31 Hz). 13C NMR (CD3OD, 100 MHz): 164.5, 164.0, 150.7, 134.2, 130.5, 129.3, 127.6, 123.9, 121.7, 120.2, 108.3, 103.6, 51.2, 47.3, 42.6, 40.6, 39.6, 30.1, 20.3, 13.1 ppm.Compound 5 (190 mg, 0.467 mmol) and PPh 3 (736 mg, 2.81 mmol) were dissolved in 5 mL of pyridine and allowed to stand at room temperature for 1 hour. Concentrated aqueous ammonia (1 mL) was added to the solution, which was then kept at room temperature for 2 hours. After pyridine was removed under reduced pressure, methylene chloride and 1 N HCl were added to the reaction mixture. The organic layer was further washed with 1 N HCl, the water layers were combined, neutralized with KOH, and extracted three times with methylene chloride. The extracted organic layer was washed with water and brine, the water was removed with anhydrous sodium sulfate, and then the solvent was dried to give 120 mg (72.5%) of compound 4. 1 H NMR (CDCl 3 , 400 MHz): δ 8.52 (d, 1H, J = 7.05 Hz); 8.40 (d, 1 H, J = 8.42 Hz); 8.18 (d, 1 H, J = 8.35 Hz); 7.56 (t, 1H, J = 7.88 Hz); 6.63 (d, 1H, J = 8.56 Hz); 4.15 (t, 2H, J = 7.59 Hz); 3.43 (t, 2H, J = 5.62 Hz); 3.08 (t, 2H, J = 5.62 Hz); 2.88 (t, 2H, J = 5.54 Hz); 2.76 (t, 2H, J = 5.62 Hz); 1.70 (m, 2H); 1.44 (m, 2H); 1.25 (s, 2H); 0.97 (t, 3H, J = 7.31 Hz). 13 C NMR (CD 3 OD, 100 MHz): 164.5, 164.0, 150.7, 134.2, 130.5, 129.3, 127.6, 123.9, 121.7, 120.2, 108.3, 103.6, 51.2, 47.3, 42.6, 40.6, 39.6, 30.1, 20.3, 13.1 ppm.
제조예 4. 화합물 3의 합성Preparation Example 4 Synthesis of
화합물 4 (250 mg, 0.705 mmol)과 KHCO3 (353 mg, 3.53 mmol) 을 무수 DMF(10 mL) 녹인 후, 상기 용액을 0 ℃로 낮추고 DMF 5 mL 에 희석시킨 t-부틸브로모아세테이트 (1.24 g, 3.53 mmol) 를 20분에 걸쳐 천천히 추가하였다. 그 후 반응물의 온도를 상온까지 올린 후, 60시간 동안 교반하였다. 반응 종료 후 반응 혼합물에 물을 가하고 에틸아세테이트 50ml 로 4회 추출하였다. 유기층을 무수 황산나트륨으로 건조한 후 감압농축 하였다. 얻어진 크루드 화합물을 3-5%의 메탄올이 첨가된 메틸렌 클로라이드를 사용하여 실리카겔 컬럼 크로마토그램으로 분리한 후, 용매를 건조시켜 373 mg (수율 75.9 %) 의 화합물 3을 수득하였다. 1H NMR (CDCl3, 400 MHz): δ 8.60~8.56 (m, 2 H); 8.44 (d, 1 H, J = 8.30 Hz); 7.59 (t, 1 H, J = 7.83 Hz); 7.32 (s, 1 H); 6.61 (d, 1 H, J = 8.51 Hz); 4.17 (t, 2 H, J = 7.57 Hz); 3.42 (s, 6 H); 3.37 (br s, 2 H); 3.02 (br s, 2 H); 2.84 (m, 4 H); 1.72 (m, 2 H); 1.50 (s, 9 H); 1.45 (m, 2 H); 1.39 (s, 18 H); 0.97 (t, 3 H, J = 7.38 Hz). 13C NMR (CDCl3, 100 MHz): 172.0, 170.7, 165.2, 164.5, 150.7, 134.9, 131.2, 130.2, 128.0, 124.4, 122.9, 120.8, 109.4, 104.0, 81.9, 81.3, 56.5, 56.4, 52.5, 52.2, 51.8, 41.4, 40.1, 30.6, 28.4, 28.3, 20.7, 14.1 ppm.After dissolving compound 4 (250 mg, 0.705 mmol) and KHCO 3 (353 mg, 3.53 mmol) in anhydrous DMF (10 mL), the solution was lowered to 0 ° C. and t-butylbromoacetate (1.24) diluted in 5 mL of DMF. g, 3.53 mmol) was added slowly over 20 minutes. Then, the temperature of the reactant was raised to room temperature, followed by stirring for 60 hours. After the reaction was completed, water was added to the reaction mixture, and extracted four times with 50 ml of ethyl acetate. The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate and concentrated under reduced pressure. The obtained crude compound was separated by silica gel column chromatography using methylene chloride added with 3-5% methanol, and then the solvent was dried to give 373 mg (yield 75.9%) of
제조예 5. 화합물 1의 합성Preparation Example 5 Synthesis of
건조시킨 메틸렌 클로라이드 (5.0 mL)에 화합물 3 (157 mg, 0.225 mmol)을 용해시키고 0 ℃ 에서 트리플루오로아세틱 산 (2.0 mL)을 추가한 후, 상온에서 12시간 동안 교반하였다. 반응 혼합물을 농축시킨 다음 디메틸 에테르로 다시 감압 증발시켰다. 잔여액을 디메틸 에테르로 고형화시켜 건조시켜 55 mg (수율 46.2 %) 의 화합물 1을 수득하였다. 1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz): δ 8.54 (t, 2 H, J = 8.22 Hz); 8.24 (d, 1 H, J = 8.43 Hz); 7.89 (t, 1 H, J = 7.87 Hz); 7.83 (d, 1 H, J = 7.76 Hz); 4.05 (t, 2 H, J = 7.31 Hz); 3.54 (s, 6 H); 3.48 (br s, 2 H); 3.11 (br s, 2 H); 2.96 (br s, 2 H); 2.74 (br s, 2 H); 1.62 (m, 2 H); 1.35 (m, 2 H); 0.92 (t, 3 H, J = 7.31 Hz). 13C NMR (DMSO-d6, 100 MHz): 173.3, 166.4, 163.9, 163.5, 145.3, 131.8, 131.7, 130.3, 128.9, 128.5, 127.1, 123.2, 122.4, 56.5, 56.1, 54.7, 50.6, 49.8, 49.3, 30.2, 20.4, 14.4 ppm.Compound 3 (157 mg, 0.225 mmol) was dissolved in dried methylene chloride (5.0 mL), trifluoroacetic acid (2.0 mL) was added at 0 ° C, and the mixture was stirred at room temperature for 12 hours. The reaction mixture was concentrated and then evaporated under reduced pressure again with dimethyl ether. The residue was solidified with dimethyl ether and dried to give 55 mg (yield 46.2%) of
비교예. 화합물 2의 합성Comparative Example. Synthesis of
화합물 4 (520 mg, 1.47 mmol)과 KHCO3 (735 mg, 7.34 mmol) 을 무수 DMF(10 mL) 녹인 후, 상기 용액을 0 ℃로 낮추고 DMF 5 mL 에 희석시킨 에틸브로모아세테이트 (1.23 g 7.34 mmol) 를 20분에 걸쳐 천천히 추가하였다. 그 후 반응물의 온도를 상온까지 올린 후 60시간 동안 교반하였다. 반응 종료 후 반응 혼합물에 물을 가하고 에틸아세테이트 50ml 로 4회 추출하였다. 유기층을 무수 황산나트륨으로 건조한 후 감압농축 하였다. 얻어진 크루드 화합물을 3-5%의 메탄올이 첨가된 메틸렌클로라이드를 사용하여 실리카겔 컬럼 크로마토그램으로 분리한 후, 용매를 건조시켜 210 mg (수율 23.3 %) 의 화합물 2를 수득하였다. 1H NMR (CDCl3, 400 MHz): δ 8.57 (d, 1 H, J = 7.19 Hz); 8.51 (d, 1 H, J = 8.31 Hz); 8.43 (d, 1 H, J = 8.38 Hz); 7,61 (t, 1 H, J = 7.86 Hz); 7.15 (s, 1 H); 6.60 (d, 1 H, J = 8.52 Hz); 4.24 (q, 2 H, J = 7.14 Hz); 4.17 (t, 2 H, J = 7.50 Hz); 4.06 (q, 4 H, J = 7.12 Hz); 3.54 (s, 6 H); 3.37 (br s, 2 H); 3.02 (br s, 2 H); 2.87 (m, 4 H); 1.72 (m, 2 H); 1.45 (m, 2 H); 1.30 (t, 3 H, J = 7.15 Hz); 1.18 (t, 6 H, J = 7.15 Hz); 0.97 (t, 3 H, J = 7.33 Hz). 13C NMR (CDCl3, 100 MHz): 172.5, 171.3, 165.1, 164.4, 150.5, 134.8, 131.2, 130.1, 127.7, 124.6, 122.9, 120.7, 109.6, 104.1, 61.2, 60.7, 55.5, 55.4, 52.7, 52.2, 51.9, 41.2, 40.1, 30.5, 20.7, 14.4, 14.3, 14.1 ppm.After dissolving compound 4 (520 mg, 1.47 mmol) and KHCO 3 (735 mg, 7.34 mmol) in anhydrous DMF (10 mL), the solution was lowered to 0 ° C. and ethylbromoacetate (1.23 g 7.34) diluted in 5 mL of DMF. mmol) was added slowly over 20 minutes. Thereafter, the temperature of the reactant was raised to room temperature, followed by stirring for 60 hours. After the reaction was completed, water was added to the reaction mixture, and extracted four times with 50 ml of ethyl acetate. The organic layer was dried over anhydrous sodium sulfate and concentrated under reduced pressure. The obtained crude compound was separated by silica gel column chromatogram using methylene chloride added with 3-5% methanol, and then the solvent was dried to give 210 mg (yield 23.3%) of
실시예 1. 형광특성 분석Example 1. Fluorescence Characterization
HEPES 완충액(10 mM, pH=7.4) 중 Li+, Na+, K+, Mg2 +, Ca2 +, Sr2 +, Ba2 +, Cu2 +, Zn2+, Hg2 +, Co2 +, Mn2 +과 Ni2 +를 포함하는 광범위한 금속이온의 염화물염 첨가시 나타나는 흡수 및 형광 변화를 조사하였으며, 그 형광변화를 도 2에 나타내었다. Of HEPES buffer (10 mM, pH = 7.4) Li +, Na +, K +,
금속 킬레이팅기로써 카르복실레이트를 갖는 화합물 1의 100% 수용액에 Zn2 + 이온을 첨가하였더니 형광증강이 크게 유도되었다. 이와 대조적으로, 다른 금속이온을 첨가하였을 때는 차이를 식별할 만한 스펙트럼의 변화가 관찰되지 않았으며, 다른 금속 이온 존재하에서 화합물 1+Zn2 + 의 형광특성을 조사하여 도 2(b)에 나타내었다. 생리적 조건에서의 이용률에 따라 10 μM 의 Mn2 +, Fe2 +, Fe3 +, Co2 +, Ni2 +, Cu2 +와 1.0 mM 의 Ca2 +, Mg2+, Na+, K+를 첨가하였을 때, 후속 첨가된 금속들은 화합물 1+Zn2 + 의 형광 세기를 낮추지 않았는데, 이는 수성매질에서 다른 경쟁금속이온에 비해 Zn2 + 이온에 대한 화합물 1의 선택성이 높다는 것을 의미한다. Was made the addition of Zn 2 + ions with a 100% aqueous solution of the
Zn2 + 농도 증가에 따른 화합물 1의 형광변화를 10 mM HEPES 완충액에서 측정하였으며, 이를 도 3에 나타내었다. 화합물 1은 생리학적 pH 범위에서 Zn2 + 첨가시 뛰어난 형광 증강을 나타내었다. 낮은 pH 값에서는 카르복실레이트가 보호되어 Zn2 + 에 대한 배위 능력이 약해질 수 있기 때문에 pH 3 미만에서는 주목할 만한 형광 변화가 없었지만, pH를 4에서 10으로 증가시켰을 때는 만족할 만한 Zn2 + 감지 능력을 나타내었다. 화합물 1의 형광발광 세기는 점차 증가하여 1.0 당량의 Zn2 + 이온을 화합물 1에 첨가하였을 때 포화되었다. 화합물 1과 Zn2 + 사이의 해리상수(Kd)를 형광적정곡선과 Job's 그래프 분석한 결과, 9.00 X 10-7 M 인 것으로 측정되었고, HEPES 완충액에서 화합물 1과 Zn2 + 사이의 화학양론비는 1:1 임을 확인하였다.Zn 2 + was measured fluorescence changes of the compounds (1) according to the concentration increase in the 10 mM HEPES buffer, which is shown in Fig.
실시예 2. DFT 및 TD-DFT 계산Example 2 DFT and TD-DFT Calculation
양자계산을 수행하여 화합물 1과 이의 아연 착화합물인 화합물 1+Zn2 + 의 형광 변화를 확인하였다. Lee-Yang-Parr 구배 보정된 상관 범함수(B3LYP)와 기초 세트 6-31G*와 조합한 Becke's 3-파라미터 혼성 교환 범함수를 이용한 밀도 범함수 이론 (DFT : Density Functional Theory)을 이용하여 바닥상태에 대한 화합물 1과 화합물 1+Zn2 + 의 구조를 최적화하였고, 이를 도 43에 나타내었다. 동일한 범함수와 기초 세트를 이용한 시간의존적 밀도 범함수이론 (TD-DFT : Time-dependent density functional theory)을 이용하여 전자전이 파장과 진동자 강도를 계산하였다. Zn2 +이 존재하는 경우 화합물 1에 있는 3개의 카르복실기와 중심 질소(도 4의 N1)가 Zn2 +와 배위결합한다는 것을 확인하였다. 계산한 결합거리는 각각 2.02 Å (Zn-O3), 2.08 Å (Zn-O1), 2.09 Å (Zn-O2) 및 2.10 Å (Zn-N1)이었다. 킬레이팅기 내 다른 2개의 질소 원자 중에서, N2는 상대적으로 약하게 결합하고(2.27 Å), N3와 Zn2 +의 상호작용은 매우 약하였다 (4.02 Å). TD-DFT 계산결과, 화합물 1 에서는 바닥상태로부터 일중항 여기 상태로의 가장 낮은 3개의 전자전이(S0→S1, S0→S2 and S0→S3)에 점유 경계 궤도함수인 HOMO-3, HOMO-2, HOMO-1, HOMO와 비점유 경계 궤도함수인 LUMO가 수반함을 알 수 있다 (도 5, 상단). 이와 유사하게, 화합물 1+Zn2+에서는 HOMO-3, HOMO-1, HOMO가 점유 경계 궤도함수로서, LUMO와 LUMO+1이 비점유 경계 궤도함수로서(도 5, 하단), 3개의 최저 전자전이에 수반된다.By performing both calculations confirmed the
화합물 1과 1+Zn2 +의 점유 경계 궤도함수에서 주요 차이점은 PET이나 ICT 과정에 관여할 수 있는 킬레이팅기 내 가용 전자밀도가 화합물 1+Zn2 +에는 전혀 존재하지 않는 반면에 화합물 1에는 존재한다는 점이다. 이러한 차이에 의해 화합물 1+Zn2+에서 PET나 ICT를 통한 형광 소광(quenching)이 일어날 가능성이 없게 된다. 1+Zn2+에서 진동자 강도가 0.01이 넘는(> 0.01) 최저 전자전이는 HOMO에서 LUMO+1 전이(계산파장은 379 nm)에 기여도가 큰 S2 여기 상태와 관련이 있다. 화합물 1 에서 상기 전이는 0.01에 훨씬 못미치는(<< 0.01) 진동자 강도를 가지며 HOMO에서 LUMO 전이(계산파장은 366 nm)에 큰 기여를 한다.
HOMO→LUMO 전이에서 알 수 있는 바와 같이 화합물 1에서 킬레이팅기로부터 형광체 부분으로 광-여기 전하이동(PICT)이 일어나 화합물 1에서 형광소광을 유발할 수 있다는 것은 주목할만하다. 그러나 1+Zn2 +의 킬레이팅기에는 전자밀도가 결여되어 있어 1+Zn2 +에서는 PICT가 일어나지 않으므로 1의 용액에 Zn2 +를 첨가하면 1의 형광이 증강된다.It is noteworthy that, as can be seen in the HOMO → LUMO transition, photo-excited charge transfer (PICT) from the chelating group to the phosphor moiety in
실시예 3. 공초점 형광 이미지Example 3. Confocal Fluorescence Image
본 발명의 탐침의 생물학적 용도로서 이온형성부인 피리티온 (2-메르캅토피리딘-N-옥사이드)와 함께 외부로부터 Zn2 +를 첨가한 후 배양 세포 (HeLa 세포) 내 Zn2+의 형광 영상화에 대해 시험하였다. 초기 실험에서 화합물 1은 친수성이 있어 세포막에 명백하게 비투과성이라는 것을 발견하였다. 에스테르 작용기는 세포막 침투성이 좋고 에스테르 분해효소(esterase)의 작용에 의해 카르복실레이트 센서 화합물 1로 변형된다는 사실에 입각하여 설계한 에틸 에스테르 유도체 화합물 2를 제조하였다. 2 μM의 에스테르 유도체 2로 배양한 HeLa 세포의 공초점 형광 이미지는 40분간 20 μM의 Zn2 +/피리티온(1:1)로 처리하여 선명하게 얻었으며, 이를 도 6에 나타내었다. 세포-투과성인 강력한 금속이온 킬레이팅제인 N,N,N,N,-테트라키스 (2-피리딜메틸) 에틸렌디아민(TPEN)으로 장기간 처리하여 노출 시킨 세포의 형광 이미지는 처음의 세기로 회복되었으며, 이들 결과를 통해 화합물 1이 생물학적 용도에 효과적인 세포 내 Zn2 + 영상화 탐침임을 확인하였다.Ion forming denied pyrithione then with (2-mercapto-pyridine -N- oxide) was added to Zn + 2 from the outside for the fluorescence imaging of Zn 2+ in cultured cells (HeLa cells) as the biological use of a probe of the present invention Tested. In early experiments,
Claims (7)
<화학식 1>
A fluorescent probe having zinc divalent ion selectivity of Formula 1
≪ Formula 1 >
<화학식 3>
A method for preparing a fluorescent probe having zinc divalent ion selectivity, characterized by preparing a compound of Formula 1 by reacting a compound of Formula 3 with trifluoroacetic acid:
(3)
<화학식 4>
The method of claim 2, wherein the compound of Chemical Formula 3 is prepared by reacting a compound of Chemical Formula 4 with t-butylbromoacetate.
≪ Formula 4 >
<화학식 5>
The method of claim 3, wherein the compound of Chemical Formula 4 is prepared by reacting the compound of Chemical Formula 5 with triphenylphosphine (PPh 3 ) and pyridine.
≪ Formula 5 >
<화학식 6>
The method of claim 4, wherein the compound of Formula 5 is prepared by reacting the compound of Formula 6, triphenylphosphine (PPh 3 ) and sodium azide to prepare a fluorescent probe having zinc divalent ion selectivity Way:
(6)
<화학식 7>
The method of claim 5, wherein the compound of Formula 6 is prepared by reacting a compound of Formula 7 with 2-methoxyethanol and diethanolamine.
≪ Formula 7 >
<화학식 2>
The corresponding ethyl ester derivative of the fluorescent probe having zinc divalent ion selectivity of Formula 2:
(2)
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---|---|---|---|
KR1020120010904A KR101337414B1 (en) | 2012-02-02 | 2012-02-02 | Zn2+ ion selective fluorescent probe and method for preparing the same |
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KR20130089491A true KR20130089491A (en) | 2013-08-12 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105154064A (en) * | 2015-08-11 | 2015-12-16 | 兰州大学 | Production method of inorganic-organic hybrid fluorescent sensor based on naphthalimide small molecules |
KR20190052917A (en) * | 2017-11-09 | 2019-05-17 | 숙명여자대학교산학협력단 | Pyrene appended naphthalimide-dipicolylamine derivative and method for detecting zinc using the same |
-
2012
- 2012-02-02 KR KR1020120010904A patent/KR101337414B1/en active IP Right Grant
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