KR20160052098A - 줄로리딘-이미다졸계 화합물, 이를 이용한 아연이온, 알루미늄 이온, 철 2가 이온 및 철 3가 이온 검출제, 검출 방법 및 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신규한 (E)-9-(((3-(1H-imidazol-1-yl)propyl)imino)methyl)-2,3,6,7-tetrahydro-1H, 5H pyrido[3,2,1-ij]quinolin-8-ol 화합물과, 이를 이용한 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +})의 검출제, 검출 방법 및 검출 장치에 관한 것이다.

Description

줄로리딘-이미다졸계 화합물, 이를 이용한 아연이온, 알루미늄 이온, 철 2가 이온 및 철 3가 이온 검출제, 검출 방법 및 검출장치{JULOLIDINE-IMIAZOLE BASED COMPOUNDS, AGENT FOR SELECTING Zn(II), Al(III), Fe(II) AND Fe(III) ION USING THE SAME, DETECTING METHOD AND DETECTING DEVICE THEREOF}

본 발명은 신규한 줄로리딘-이미다졸계 화합물, 상기 화합물을 포함하는 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 및 철 3가 이온(Fe^{3 +})에 특이적으로 선택성이 있는 검출제, 이를 이용한 검출 방법 및 검출 장치에 관한 것이다.

최근 화학, 생명공학 및 환경공학적 공정에서의 중요성으로 인해 금속 이온을 검출할 수 있는 선택적인 검출제의 개발은 환경 및 생물학적 분야에서 큰 화두로 떠오르고 있다. 하나 이상의 금속이온을 검출할 수 있는 단일 화합물을 개발하려는 노력이 많이 이루어지고 있고, 여러 금속이온들을 형광이나 색 변화와 같이 다른 검출방법으로 검출할 수 있는 장치의 개발 역시 많이 연구되고 있다. 그 중에서도 형광센서는 높은 민감도와 선택성, 빠른 반응 속도 및 간단한 조작 방법 등의 장점을 가지므로 훌륭한 이온 검출 도구로 알려져 있다. 또한, 색 변화 화학센서 역시 가격이 저렴하고 육안으로 쉽게 표적 이온을 탐지할 수 있는 등 검출을 위한 별도의 기기를 필요로 하지 않는다는 장점으로 인해 상당한 관심을 받고 있는 추세이다.

아연은 인체 내에서 두 번째로 풍부하며 필수적인 요소이다. 아연 이온은 유전자 전사, 금속 효소의 조절, 신경 신호 전달, 세포 자멸, DNA 결합 또는 인식과 같은 여러 가지 기본적인 생물학적 과정에서 중요한 역할을 한다. 그러나 인체 내에서 과도한 양의 아연은 알츠하이머, 프리드라이히 운동실조, 파킨슨병과 같은 심각한 질병을 유발한다.

아연 이온은 수용액상에서 무색이고, 홀전자(unpaired electron)를 가지지 않으며, 2가 산화수(+2) 상태로 남아있으려 하기 때문에, 생체환경에서 아연 이온의 검출이 쉽지 않다. 또한, 아연과 카드뮴이 주기율표의 같은 족에 속해 있으면서 유사한 성질을 갖기 때문에 둘의 구별 또한 어려움이 있다. 따라서 카드뮴으로부터 아연 이온을 구별할 수 있으며, 아연 이온에 대해 높은 선택성을 갖는 용이하고 효율적인 아연 검출 센서의 개발이 요구된다.

알루미늄은 지각에서 가장 풍부한 금속성 요소이며, 알루미늄 화합물은 섬유 산업, 의약품 (제산제), 표백제, 종이 산업, 식품 첨가물, 알루미늄계 공업, 저장/조리기구와 가벼운 합금의 생산과 같은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 그러나 알루미늄의 독성은 인체의 중추 신경계에 위험을 준다고 알려져 있다. 예를 들어, 알츠하이머, 파킨슨병을 비롯하여 유방암까지도 일으킬 수 있다. 따라서, 알루미늄을 위한 화학센서의 개발이 요구된다. 그럼에도 불구하고, 알루미늄 이온의 검출은 분광학적 특성에서의 불리함 및 다른 전이 금속과 비교하여 조직화 능력의 부족으로 인해 어려움을 겪고 있다. 그러므로, 알루미늄 이온에 대한 우수한 선택성을 갖는 새로운 검출 물질의 디자인과 합성은 환경과 생물학적 연구를 위해 더욱 요구되고 있다.

철은 식물과 동물 모두에서 가장 풍부한 전이 금속이다. 또한 헤모글로빈의 산소 운반 및 많은 효소 반응의 보조인자로서, 세포 대사, 효소 촉매 반응에 중요한 역할을 한다. 그러나 인체 내에서 철의 불균형은 빈혈, 간 및 신장 손상, 당뇨병 및 심장 질환과 같은 다양한 질환의 발생을 유도한다. 게다가, Fe^{2 +}/Fe^{3 +} 상태는 생물학적 시스템에서 중요한 산화 환원 쌍의 하나이므로, 철 3가 이온과 철 2가 이온의 구별은 철에 의해 조절되는 생물학적 기능을 이해하기 위해 매우 중요하다. 그러므로, 철 2가와 철 3가 이온을 모두 검출하고 구별할 수 있는 센서의 개발이 요구된다.

즉, 이러한 금속 이온들(Zn^{2 +}, Al^{3 +}, Fe^{2 +}, Fe^{3 +})을 검출하기 위한 화학 센서의 개발은 의약품, 생체 조직과 환경에서의 중요한 역할들 때문에 매우 중요한 연구 과제로 여겨지고 있다. 특히 형광 및/또는 발색계 화학 센서는 좋은 감도, 간편함, 선택성 그리고 쉬운 조작법 등으로 인해 큰 장점을 갖는다. 따라서, 잠재적 비용 효율과 분석 시간 감소 등의 장점을 갖는 여러 금속 이온을 검출하는 화합물, 센서의 개발이 요구된다.

K. B. Kim, H. Kim, E. J. Song, S. Kim, I. Noh, C. Kim, Dalton Trans. 42 (2013) 16569-16577

본 발명은 여러 금속 이온 중에서 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온 (Al^{3 +}), 철 2가 이온 (Fe^{2 +}) 및 철 3가 이온(Fe^{3 +})을 선택적으로 인식하여 형광 또는 색 변화를 나타내는 화합물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 화합물을 이용한 아연 이온, 알루미늄 이온, 철 2가 이온 또는 철 3가 이온 검출제, 검출 방법 및 검출장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 하기 화학식 1의 (E)-9-(((3-(1H-imidazol-1-yl)propyl)imino)methyl)-2,3,6,7-tetrahydro-1H, 5H pyrido[3,2,1 -ij]quinolin-8-ol 화합물을 제공한다.

[화학식 1]

또한, 본 발명은 8-하이드록시줄로리딘-9-카복살데하이드(8-hydroxyjulolidine-9-carboxaldehyde) 및 1-(3-아미노프로필)이미다졸(1-(3-Aminopropyl)imidazole)을 반응시키는 것을 특징으로 하는 상기 화학식 1의 화합물 제조 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 포함하는 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온 (Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +}) 검출제를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 사용하는 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온 (Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +}) 검출 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +}) 검출제를 포함하는 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +}) 검출 장치를 제공한다.

본 발명의 화학식 1의 화합물은 제조가 간단하며, 금속 이온 중에서도 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +})과 선택적으로 결합함으로써 상기 금속 이온들을 선택적으로 검출할 수 있다. 따라서, 본 발명의 화학식 1의 화합물을 이용한 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온 (Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +}) 검출제, 검출 방법 및 검출장치를 제공할 수 있다.

도 1은 아세토나이트릴과 물의 혼합 용매 하에서 화학식 1의 화합물에 다양한 금속을 각각 첨가하였을 때의 형광의 세기를 측정한 그래프이다.
도 2는 화학식 1의 화합물에 아연 이온(Zn^{2 +})의 농도를 점점 증가시키면서 형광의 세기를 측정한 그래프이다.
도 3은 화학식 1의 화합물에 아연 이온(Zn^{2 +})의 농도를 점점 증가시키면서 흡광도의 변화를 측정한 그래프이다.
도 4는 화학식 1의 화합물에 대한 Zn(NO₃)₂의 몰분율별 형광 변화를 잡플랏 (Job's plot)으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 다양한 금속 이온이 존재할 때 화합물과 아연 이온(Zn^{2 +})의 형광의 세기를 측정한 그래프이다.
도 6은 다이메틸포름아마이드 용매 하에서 화학식 1의 화합물에 다양한 금속을 각각 첨가하였을 때의 형광의 세기를 측정한 그래프이다.
도 7은 화학식 1의 화합물에 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 농도를 점점 증가시키면서 형광의 세기를 측정한 그래프이다.
도 8은 화학식 1의 화합물에 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 농도를 점점 증가시키면서 흡광도의 변화를 측정한 그래프이다.
도 9는 화학식 1의 화합물에 대한 Al(NO₃)₃의 몰분율별 형광 변화를 잡플랏(Job's plot)으로 나타낸 그래프이다.
도 10은 다양한 금속 이온이 존재할 때 화합물과 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 형광의 세기를 측정한 그래프이다.
도 11은 CD₃ON 용매 하에서 Zn(NO₃)₂의 양을 점점 증가시키는데 따른 화학식 1의 화합물의 ¹H-NMR 변화를 나타내는 스펙트럼이다.
도 12는 DMF-d₇ 용매 하에서 Al(NO₃)₃의 양을 점점 증가시키는데 따른 화학식 1의 화합물의 ¹H-NMR 변화를 나타내는 스펙트럼이다.
도 13은 다이메틸포름아마이드 용매 하에서 화학식 1의 화합물에 다양한 금속을 각각 첨가하였을 때의 흡광도의 변화를 측정한 그래프이다.
도 14는 다양한 금속 이온의 존재 하에서 화학식1의 화합물의 색 변화 능력을 보여주는 이미지이다.
도 15는 화학식 1의 화합물에 철 2가 이온(Fe^{2 +})의 농도를 점점 증가시키면서 흡광도의 변화를 측정한 그래프이다.
도 16은 화학식 1의 화합물에 대한 Fe(ClO₄)₂의 몰분율별 형광 변화를 잡플랏 (Job's plot)으로 나타낸 그래프이다.
도 17은 화학식 1의 화합물에 철 3가 이온(Fe^{3 +})의 농도를 점점 증가시키면서 흡광도의 변화를 측정한 그래프이다.
도 18은 화학식 1의 화합물에 대한 Fe(NO₃)₃의 몰분율별 형광 변화를 잡플랏 (Job's plot)으로 나타낸 그래프이다.
도 19는 다양한 금속 이온이 존재할 때 화합물과 철 2가 이온(Fe^{2 +})의 흡광도의 세기를 측정한 그래프이다.
도 20은 다양한 금속 이온이 존재할 때 화합물과 철 3가 이온(Fe^{3 +})의 흡광도의 세기를 측정한 그래프이다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 하기 화학식 1로 나타내는 화합물에 관한 것이다.

[화학식 1]

상기 화학식 1의 화합물은 다양한 금속 이온들 중에서 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온 (Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +})을 선택적으로 인식하여 형광 세기 또는 색 변화를 나타냄으로써, 상기 금속 이온들을 선택적으로 검출할 수 있다.

본 발명의 화학식 1의 화합물은 8-하이드록시줄로리딘-9-카복살데하이드(8-hydroxyjulolidine-9-carboxaldehyde)와 1-(3-아미노프로필)이미다졸(1-(3-aminopropyl)imidazole)을 반응시켜 제조할 수 있으며, 반응 조건이 간단하여 쉽게 제조할 수 있다는 장점을 갖는다. 상기 반응을 하기 반응식 1에 나타내었다.

[반응식 1]

본 발명의 화학식 1의 화합물은 다양한 금속 이온, 예컨대, Ag⁺, Al^{3 +} _, Ca^{2 +}, Cd^{2 +} _, Co²⁺, Cr^{3 +}, Cu^{2 +}, Fe^{2 +}, Fe^{3 +}, Hg^{2 +}, K⁺, Mg^{2 +}, Mn^{2 +}, Na⁺, Ni^{2 +}, Pb^{2 +} 및 Zn^{2 +} 등과 같은 다양한 금속 이온과 결합할 수 있다. 그러나 아연 이온(Zn^{2 +}) 또는 알루미늄 이온(Al^{3 +})과 결합하는 경우에만 형광 세기가 변화하고, 철 2가 이온 (Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +})과 결합하는 경우에만 색 변화가 관찰된다. 따라서 상기 화학식 1의 화합물은 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온 (Fe^{2 +}) 및 철 3가 이온(Fe^{3 +})에 대해 선택성이 뛰어나다고 할 수 있다.

상기 특성을 이용하여, 본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 포함하는 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{2 +}), 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +}) 검출제를 제공한다. 본 발명의 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +}) 검출제는 상기 화학식 1의 화합물을 포함하며, 추가로 용매를 포함할 수 있다.

상기 아연 이온 검출제는 용매로서 아세토나이트릴, 물과 아세토나이트릴의 혼합용액 또는 HEPES((4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid) 완충용액과 아세토나이트릴의 혼합용액을 포함할 수 있다. 상기 물과 아세토나이트릴 혼합용액 또는 HEPES 완충용액과 아세토나이트릴의 혼합용액은 물 또는 HEPES 완충용액 부피에 대한 아세토나이트릴의 부피가 9 이상인 것이 바람직할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.

상기 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온 (Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +}) 검출제는 용매로서 다이메틸포름아마이드(DMF)를 포함할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.

또한, 본 발명은 상기 화학식 1의 화합물을 사용하는 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +})의 검출 방법을 제공한다. 즉, 상기 화학식 1의 화합물은 아연 이온(Zn^{2 +}) 또는 알루미늄 이온(Al^{3 +})과 1: 1로 결합하면서 형광을 나타내며, 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +})과는 2: 1로 결합하여 색 변화를 나타내는 검출 방법을 제공한다.

상기 화학식 1의 화합물이 아연 이온(Zn^{2 +}) 또는 알루미늄 이온(Al^{3 +})과 1: 1로 결합하고, 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +})과는 2: 1로 결합하는 것은 잡플랏(Job's plot) 및 ESI-MS를 통해서 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 화학식 1의 화합물을 이용하여 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온 (Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +})의 검출방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 아연 이온 또는 알루미늄 이온의 검출제를 포함하는 아연이온 또는 알루미늄 이온 검출 장치로서 형광 화학센서(fluorescent chemosensor)를 제공할 수 있으며, 상기 철 2가 이온 또는 철 3가 이온 검출제를 포함하는 철 2가 이온 또는 철 3가 이온 검출장치로서 색 변화 화학센서(chromogenic chemosensor)를 제공할 수 있다. 상기 검출 장치는 프로브(probe)인 것이 바람직할 수 있다.

즉, 본 발명은 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온 (Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +}) 검출제를 포함하는 검출 장치를 제공한다.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예 및 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예 및 실험예에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1. 화학식 1의 화합물의 제조

8-하이드록시줄로리딘-9-카복살데하이드(8-hydroxyjulolidine-9-carboxaldehyde) (230 mg, 1.1 mmol)를 에탄올 5 mL에 녹인 후, 에탄올 5 mL에 녹인 1-(3-아미노프로필)이미다졸(1-(3-aminopropyl)imidazole)(120 mg, 1.0 mmol)을 상기 용액에 천천히 첨가하여 상온에서 20 시간 동안 교반하였다. 상기 혼합 용액의 용매를 제거한 뒤, 생성된 노란 색의 오일을 다이클로로메테인을 이용하여 컬럼크로마토그래피로 정제, 분리하였다.

이를 ¹H-NMR, ¹³C-NMR, HRMS 및 EA를 통하여 분석하였고, 상기 화학식 1의 구조를 갖는 것을 확인하였다.

수율: 260mg (80.9 %).

¹H-NMR (CDCl₃, 400MHz): δ = 13.71 (s, 1H), 7.94 (s, 1H), 7.44 (s, 1H), 7.06 (s, 1H), 6.91 (s, 1H), 6.61 (s, 1H), 4.05-4.02 (t, 2H), 3.42-3.39 (t, 2H), 3.22-3.18 (m, 4H), 2.72-2.69 (t, 2H), 2.67-2.64 (t, 2H) 2.14-2.07 (m, 2H) 1.97-1.89 (m, 4H) ppm.

¹³C-NMR (CDCl₃, 400 MHz): δ = 171.08, 163.64, 146.84, 136.69, 129.98, 128.54, 128.38, 128.27, 128.00, 127.81, 127.49, 125.25, 124.42, 123.63, 121.67, 120.44, 118.92, 115.61, 110.57 ppm.

HRMS (ESI): [M+H⁺]; calcd, 325.43 found, 325.13.

Anal. Calcd for C₁₉H₂₄N₄O (324.42): C, 70.34; H, 7.46; N, 17.27 %. Found: C, 70.39; H, 7.63; N, 17.54 %.

< 실험예 >

실험예 1. 아연 이온 ( Zn ^{2 +} )에 대한 화학식 1 화합물의 형광 및 흡광 분석

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물을 다양한 금속 이온(Mn^{2 +}, Fe^{3 +}, Co²⁺, Ni^{2 +}, Cu^{2 +}, Zn^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Fe^{2 +}, Ca^{2 +}, Al^{3 +}, Ga^{3 +}, In^{3 +} 및 Cr^{3 +})과 반응시켜 형광 성질을 분석하였다.

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물(1.62 mg, 0.005 mmol)을 1mL의 아세토나이트릴과 HEPES((4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid) buffer의 혼합용액 (= 9: 1, v/v)에 녹이고, 그 용액의 24μL을 취해 2.976mL의 아세토나이트릴과 buffer의 혼합용액에 희석시켜 최종농도 40μM로 만들었다. 아세토나이트릴과 buffer의 혼합용액을 사용하여 각각의 다양한 금속 이온 용액을 20mM 농도로 제조하고, 상기 화학식 1의 화합물 용액에 3.6μL씩 넣어준 후, 형광(fluorescence) 기기를 사용하여 각각의 형광 세기를 측정하였다(λ_ex = 370 nm). 이때, 상기 금속이온 용액은 질산염(nitrate salt)을 사용하여 제조하였다.

각각의 금속 이온에 대한 형광 분석 결과를 도 1에 나타내었다. 그 결과 Mn^{2 +}, Fe³⁺, Co^{2 +}, Ni^{2 +}, Cu^{2 +}, Zn^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Fe^{2 +}, Ca^{2 +}, Al^{3 +}, Ga^{3 +} 또는 In^{3 +} 과 같은 금속 이온과 화학식 1의 화합물을 포함한 용액은 형광 세기 증가가 거의 나타나지 않았다. 크롬 이온(Cr^{3 +}), 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +})을 포함한 화학식 1의 화합물 용액은 아주 미세한 형광 증가를 나타내었다. 반면, 아연 이온(Zn^{2 +})을 포함한 경우, 형광 세기가 크게 증가함을 확인하였다. 따라서, 본 발명의 상기 화학식 1의 화합물은 아연 이온 (Zn²⁺)을 선택적으로 검출한다는 것을 알 수 있었다.

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물을 포함하여 제조된 용액(40 μM)에 아연 이온(Zn^{2 +})의 농도를 0 내지 1 당량까지 점점 증가시키면서 형광 세기를 측정하였다. 0.3 당량을 첨가할 때까지는 형광의 세기가 큰 폭으로 증가하였으며, 0.4 당량부터 형광의 세기가 조금씩 증가하였고, 0.6 당량에서 최대값을 보였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

또한, UV-vis기기 (Perkin-Elmer model Lambda 2S UV/vis spectrometer)를 사용하여 상기 제조한 화학식 1의 화합물 용액(40 μM)에 아연 이온(Zn^{2 +})의 농도를 0 당량부터 3.2 당량까지 점점 증가시키면서 흡광도를 측정하였다. 그 결과, 280nm 및 400nm에서 흡광도는 감소하였고, 370nm에서 흡광도는 증가하였다.

327nm 및 389nm에서 등흡광점(isosbestic point)이 발견되었고 이 지점에서 화학식 1의 화합물-Zn^{2 +} 착물이 형성됨을 알 수 있었다(도 3). 또한, 화학식 1의 화합물과 아연 이온(Zn^{2 +})이 2 대 1의 결합비를 가지는 것을 잡플랏 (Job's plot)을 통해 확인하였다(도 4).

화학식 1의 화합물과 아연 이온(Zn^{2 +})이 결합한 착물의 형광세기에 다른 금속이온들이 미치는 영향을 실험한 결과를 도 5에 나타내었다. 상기 제조한 화학식 1의 화합물 용액(40 μM)에 다른 금속이온(Mn^{2 +}, Fe^{3 +}, Co^{2 +}, Ni^{2 +}, Cu^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Fe^{2 +}, Ca²⁺, Al^{3 +}, Ga^{3 +}, In^{3 +} 또는 Cr^{3 +})을 24 μM만큼 각각 넣고, 그 후 아연 이온(Zn^{2 +}) 24μM을 넣어 형광을 측정하였다. Mn^{2 +}, Fe^{3 +}, Co^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Fe^{2 +}, Ca^{2 +}, Al^{3 +}, Ga^{3 +}, In^{3 +} 및 Cr^{3 +} 등의 금속이온들은 화학식 1의 화합물과 아연 이온(Zn^{2 +})의 상호작용을 방해하지 않아 형광 세기에 영향을 미치지 않았다. 그러나 Ni^{2 +} 및 Cu^{2 +} 등의 금속 이온은 화학식 1의 화합물과 아연 이온(Zn^{2 +})의 상호 작용을 방해하여 형광세기를 감소시키는 것을 확인하였다.

실험예 2. 알루미늄 이온( Al ^{3 +} )에 대한 화합물1의 형광 및 흡광 분석

상기 실시예 1에서 제조된 화학식 1의 화합물을 사용하여 다양한 금속 이온(Mn^{2 +}, Fe^{2 +}, Co^{2 +}, Ni^{2 +}, Cu^{2 +}, Zn^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Ca^{2 +}, Al^{3 +}, Cr^{3 +}, Pb^{2 +})과 반응시켜 형광 성질을 관찰하였다.

실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물을 다이메틸포름아마이드(DMF)에 녹여 5 mM로 만들고, 상기 용액에서 6 μL를 취하여 DMF 3 mL에 넣어 주었다. DMF에 녹인 다양한 금속이온(Mn^{2 +}, Fe^{2 +}, Co^{2 +}, Ni^{2 +}, Cu^{2 +}, Zn^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca^{2 +}, Al^{3 +}, Cr^{3 +}, Pb^{2 +}) 용액(20 mM, 1 mL)을 상기 화학식 1의 화합물 용액에 80μM씩 넣어준 후, 형광 기기를 사용하여 각각의 형광 세기를 측정하였다 (λ_ex = 374 nm). 각각의 금속 이온에 대한 형광 분석 결과는 도 6에 나타내었다. 이때, 상기 금속 이온 용액은 질산염(nitrate salt)을 사용하여 제조하였다.

Mn^{2 +}, Fe^{2 +}, Co^{2 +}, Ni^{2 +}, Cu^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Ca^{2 +}, Cr^{3 +} 또는 Pb^{2 +} 과 같은 금속 이온을 포함한 화학식 1의 화합물 용액의 경우 형광 세기가 거의 증가하지 않았으며, 아연 이온(Zn^{2 +}) 또는 갈륨 이온(Ga^{3 +})을 포함한 경우에는 약한 형광 세기 증가가 관찰되었다. 반면, 알루미늄 이온(Al^{3 +})을 포함한 경우에는 강한 형광 세기 증가를 나타내었다. 따라서, 본 발명의 화학식 1의 화합물이 알루미늄 이온(Al^{3 +})에 대하여 매우 선택적으로 반응한다는 것을 확인할 수 있었다.

상기 실시예 1에서 제조된 화학식 1의 화합물을 다이메틸포름아마이드(DMF) 용매에 녹여 10μM로 제조하였다. 여기에 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 농도를 0 내지 10 당량까지 점점 증가시켜 첨가하면서 형광세기를 측정하였다. 알루미늄 이온의 농도가 증가할수록 형광의 세기는 증가하였으며, 8 당량에서 최대값을 보였다. 그 결과를 도 7에 나타내었다.

UV-vis기기 (Perkin-Elmer model Lambda 2S UV/vis spectrometer)를 사용하여 상기 제조된 화학식 1의 화합물 용액(10 μM)에 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 농도를 0 당량부터 1.5 당량까지 점점 증가시키면서 흡광도를 측정하였다. 그 결과, 348nm에서 흡광도는 감소하였고, 380nm에서 흡광도는 증가하였다. 또한 290nm 및 357nm에서 등흡광점(isosbestic point)이 발견되었고, 이 지점에서 화학식 1의 화합물과 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 착물이 형성됨을 알 수 있었다 (도 8).

또한, 화학식 1의 화합물과 알루미늄 이온(Al^{3 +})이 2 대 1의 결합비를 가지는 것을 잡플랏(Job's plot)을 통하여 확인할 수 있었다 (도 9).

본 발명의 화학식 1의 화합물과 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 착물의 형광 세기에 다른 금속 이온들이 미치는 영향을 확인하기 위해 실험을 진행하였고, 그 결과를 도 10에 나타내었다. 상기 제조된 화학식 1의 화합물 용액(10 μM)에 다른 금속 이온들(Mn^{2 +}, Fe^{3 +}, Co^{2 +}, Ni²⁺, Cu^{2 +}, Zn^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Fe^{2 +}, Ca^{2 +}, Ga^{3 +}, In^{3 +}, Ag⁺, Pb^{2 +}, Cr^{3 +})을 80 μM 만큼 넣고, 그 후 알루미늄 이온(Al^{3 +}) 80 μM를 넣어 형광세기를 측정하였다. 대부분의 금속 이온들은 화학식 1의 화합물과 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 상호작용을 방해하지 않아 형광 세기의 증가를 방해하지 않았다. 다만, Cu^{2 +} 또는 Fe^{3 +} 이온은 화학식 1의 화합물과 알루미늄(Al³⁺)의 상호 작용에 영향을 주어 형광세기를 감소시켰다.

실험예 3. 아연 이온( Zn ^{2 +} )과 화학식 1의 화합물의 착물에 대한 양성자 핵자기공명( ¹ H- NMR ) 적정 실험

본 발명의 화학식 1의 화합물과 아연 이온(Zn^{2 +})의 결합 상태를 알아보기 위하여 CD₃CN에서 ¹H-NMR 적정 실험을 하였다(도 11).

상기 실시예 1에서 제조된 화학식 1의 화합물에 아연 이온(Zn^{2 +})을 0, 0.25 또는 0.5 당량씩 넣고 ¹H-NMR을 측정하였다. 아연 이온(Zn^{2 +}) 0.5 당량을 넣으면 화학식 1의 화합물의 하이드록시기(-OH)에 해당하는 NMR 피크는 사라지고, 이미다졸 고리 내의 3개의 수소에 해당하는 NMR 피크는 다운필드(down field)로 이동하는 것을 관찰할 수 있었다. 또한, 이민 결합의 수소양이온도 다운필드로 이동하는 것을 확인할 수 있었다.

이러한 모든 변화는 0.5 당량의 아연 이온(Zn^{2 +})을 넣었을 때 완료되었으며, 이를 통하여 화학식 1의 화합물과 아연 이온(Zn^{2 +})이 2 대 1의 비율로 결합함을 예상할 수 있었다.

실험예 4. 알루미늄 이온( Al ^{3 +} )과 화학식 1의 화합물의 착물에 대한 양성자 핵자기공명( ¹ H- NMR ) 적정 실험

본 발명의 화학식 1의 화합물과 알루미늄 이온(Al^{3 +})의 결합 상태를 알아보기 위하여 DMF-d₇에서 ¹H-NMR 적정 실험을 하였다(도 12).

상기 실시예 1에서 제조된 화학식 1의 화합물에 알루미늄 이온(Al^{3 +})을 0, 0.25 또는 0.5 당량씩 넣고 ¹H-NMR을 측정하였다. 화학식 1의 화합물 용액에 알루미늄 이온(Al^{3 +})을 넣으면 화학식 1의 화합물의 하이드록시기(-OH)에 해당하는 NMR 피크는 사라지고, 이민의 수소에 해당하는 NMR 피크는 다운필드로 이동함을 확인할 수 있었다.

이러한 모든 변화는 0.5 당량의 알루미늄 이온(Al^{3 +})을 넣었을 때 완료되었으며, 이를 통하여 화학식 1의 화합물과 알루미늄 이온(Al^{3 +})이 2 대 1의 비율로 결합함을 예상할 수 있었다.

실험예 5. 철 2가 이온 ( Fe ^{2 +} ) 또는 철 3가 이온( Fe ^{3 +} )에 대한 화학식 1의 화합물 흡광 분석

상기 실시예 1에서 제조한 화학식 1의 화합물을 다이메틸포름아마이드 (DMF)에 녹여 40 μM농도로 제조하였다. 상기 용액에 1 당량의 다양한 금속 이온(Mn^{2 +}, Fe^{3 +}, Co^{2 +}, Ni^{2 +}, Cu^{2 +}, Zn^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Ca^{2 +}, Al^{3 +}, Ag⁺, Pb^{2 +} 또는 Cr^{3 +})을 각각 넣은 후 UV-vis 기기를 사용하여 흡광도를 측정하였고 흡광도 분석 결과를 도 13에 나타내었다.

그 결과, Mn^{2 +}, Co^{2 +}, Ni^{2 +}, Zn^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Ca^{2 +}, Ag⁺, Pb^{2 +} 또는 Cr^{3 +}과 같은 금속 이온을 첨가한 경우에는 흡광도의 변화가 거의 나타나지 않았다. 반면, 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +})을 첨가한 화학식 1의 화합물 용액의 경우, 440 nm 및 450 nm에서 각각 파장이 증가하였다.

또한, 철 2가 이온(Fe^{2 +})이 첨가된 화학식 1의 화합물 용액은 무색에서 주황색으로 변하였고, 철 3가 이온(Fe^{3 +})이 첨가된 화학식 1의 화합물 용액은 무색에서 보라색으로 변하였다. 반면, 다른 금속 이온을 첨가한 경우에는 색 변화가 나타나지 않았다(도 14).

따라서, 본 발명의 화학식 1의 화합물이 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 및 철 3가 이온(Fe^{3 +})을 선택적으로 검출한다는 것을 확인할 수 있었다.

UV-vis기기 (Perkin-Elmer model Lambda 2S UV/vis spectrometer)를 사용하여 화학식 1의 화합물 용액(용매 DMF, 40 μM)에 철 2가 이온(Fe^{2 +})의 농도를 0 당량부터 1.0 당량까지 점점 증가시키면서 흡광도를 측정하였다.

그 결과, 349 nm에서 흡광도는 감소하였고, 440 nm에서 흡광도는 증가하였다. 327 nm 및 358 nm에서 등흡광점(isosbestic point)이 발견되었고, 이 지점에서 화학식 1의 화합물-Fe^{2 +} 착물이 형성됨을 알 수 있었다(도 15). 또한, 화학식 1의 화합물과 철 2가 이온(Fe^{2 +})이 1 대 1의 결합비를 가지는 것을 잡플랏(Job's plot)을 통하여 확인할 수 있었다(도 16).

상기와 같은 방식으로, 철 3가 이온(Fe^{3 +})의 농도를 0 당량부터 1.0 당량까지 점점 증가시키면서 흡광도를 측정하였다. 그 결과, 450 nm에서는 철 3가 이온의 농도가 증가할수록 흡광도가 증가하였고, 325 nm에서 등흡광점(isosbestic point)이 발견되었으며, 이 지점에서 화학식 1의 화합물-Fe^{3 +} 착물이 형성됨을 알 수 있었다 (도 17). 또한, 화학식 1의 화합물과 철 3가 이온(Fe^{3 +})이 1 대 1의 결합비를 가지는 것을 잡플랏(Job's plot)을 통하여 확인할 수 있었다(도 18).

화학식 1의 화합물과 철 2가 이온(Al^{2 +}) 또는 화학식 1의 화합물과 철 3가 이온(Fe^{3 +})의 결합에 다른 금속 이온들이 미치는 영향을 도 19 및 도 20에 나타내었다.

화학식 1의 화합물 용액(용매 DMF, 40 μM)에 다른 금속 이온들(Mn^{2 +}, Fe^{3 +}, Co^{2 +}, Ni²⁺, Cu^{2 +}, Zn^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +}, Na⁺, K⁺, Mg^{2 +}, Fe^{2 +}, Ca^{2 +}, Ga^{3 +}, In^{3 +}, Ag⁺, Pb^{2 +}, Cr^{3 +})을 40 μM 만큼 넣어주었다. 그 후 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +})을 각각 40 μM 만큼 넣은 뒤 흡광도를 측정하였다. 그 결과 대부분의 금속 이온들은 화학식 1의 화합물과 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +})의 상호작용을 방해하지 않아 흡광도를 감소시키지 않는 것을 확인하였다.

Claims (9)

1. 하기 화학식 1의 (E)-9-(((3-(1H-imidazol-1-yl)propyl)imino)methyl)-2,3,6,7-tetrahydro-1H, 5H pyrido[3,2,1-ij]quinolin-8-ol 화합물.
   [화학식 1]
   

   
2. 8-하이드록시줄로리딘-9-카복살데하이드 및 1-(3-아미노프로필)이미다졸을 반응시키는 것을 특징으로 하는 청구항 1의 화학식 1의 화합물 제조 방법.
3. 청구항 1의 화학식 1의 화합물을 포함하는 아연 이온(Zn^{2 +}), 알루미늄 이온 (Al³⁺), 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온 (Fe^{3 +}) 검출제.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 아연 이온(Zn^{2 +}) 검출제는 추가로 용매를 포함할 수 있고, 상기 용매로서 아세토나이트릴, 물과 아세토나이트릴의 혼합용액 또는 HEPES((4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid) 완충용액과 아세토나이트릴의 혼합용액을 사용하는 것을 특징으로 하는 아연 이온 (Zn^{2 +}) 검출제.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 물과 아세토나이트릴의 혼합용액 또는 HEPES((4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid) 완충용액과 아세토나이트릴의 혼합용액은, 물 또는 HEPES 완충용액 부피에 대한 아세토나이트릴의 부피가 9 이상인 것을 특징으로 하는 아연 이온(Zn^{2 +}) 검출제.
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +}) 검출제는 추가로 용매를 포함할 수 있고, 상기 용매는 다이메틸포름아마이드인 것을 특징으로 하는 알루미늄 이온(Al^{3 +}), 철 2가 이온(Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +}) 검출제.
7. 청구항 1의 화학식 1의 화합물을 사용하는 아연 이온 (Zn^{2 +}), 알루미늄 이온 (Al^{3 +}), 철 2가 이온 (Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온 (Fe^{3 +}) 검출 방법.
8. 청구항 3의 아연 이온 (Zn^{2 +}), 알루미늄 이온 (Al^{3 +}), 철 2가 이온 (Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +}) 검출제를 포함하는 아연 이온 (Zn^{2 +}), 알루미늄 이온 (Al^{3 +}), 철 2가 이온 (Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온(Fe^{3 +}) 검출 장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 검출 장치는 프로브(probe)인 것을 특징으로 하는 아연 이온 (Zn^{2 +}), 알루미늄 이온 (Al^{3 +}), 철 2가 이온 (Fe^{2 +}) 또는 철 3가 이온 (Fe^{3 +}) 검출 장치.
   

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