WO2022145982A1 - 테트라덴테이트 질소 공여체 리간드를 포함하는 전이금속 착체 및 이를 포함하는 전기화학적 바이오센서 - Google Patents

테트라덴테이트 질소 공여체 리간드를 포함하는 전이금속 착체 및 이를 포함하는 전기화학적 바이오센서 Download PDF

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WO2022145982A1
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transition metal
ligand
metal complex
complex
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신현서
문봉진
권회준
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주식회사 아이센스
서강대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a transition metal complex comprising a tetradentate nitrogen donor ligand useful as an electron transport medium, and an electrochemical biosensor comprising the same.
  • Diabetes mellitus is a disease that occurs when high blood sugar levels are maintained for a long time and causes complications such as cardiovascular disease, stroke, and kidney disease.
  • cardiovascular disease cardiovascular disease, stroke, and kidney disease.
  • hypoglycemia may occur, which may lead to shock or death.
  • the CGMS sensor is a device that is inserted into the subcutaneous tissue and continuously measures the glucose concentration through intercellular fluid, not blood.
  • the CGMS has the advantage of checking the change and tendency of the blood sugar level in a day. This allows the patient to quickly recognize hyperglycemia or hypoglycemia, and the ability to manage blood sugar can be further improved.
  • a biosensor refers to a device that selectively detects a biological sample and converts it into a specific signal.
  • an enzyme-based biosensor using an electrochemical method is preferred because of its improved selectivity by enzymes, as well as possible miniaturization and measurement accuracy.
  • Blood glucose biosensors using electrochemical methods are largely divided into first-generation and second-generation methods.
  • the first-generation blood glucose sensor was first developed by Clark and Lyon, and is a method of measuring blood glucose levels through the oxygen concentration reduced through an enzyme oxidation-reduction reaction and the change in the concentration of hydrogen peroxide generated.
  • the blood glucose sensor transfers electrons generated through the oxidation-reduction reaction of enzymes to the electrode through an electron transfer medium.
  • the second-generation sensor has many advantages compared to the first-generation sensor in that there is less error depending on the oxygen concentration and the electron transfer reaction by the medium is efficient and fast. For this reason, a second-generation sensor method including an electron transfer medium is being applied to the CGMS blood glucose sensor.
  • An electrochemical enzyme-based blood glucose biosensor is generally composed of an enzyme, an electron transfer medium, and an electrode. At first, glucose is oxidized to gluconolactone by an enzyme, and then the reduced enzyme is oxidized and donates electrons to an electron transport medium. Then, as the reduced medium is oxidized, electrons are transferred to the electrode. From this series of processes, the blood sugar level can be confirmed as an electrical signal.
  • Enzymes applied to the blood glucose sensor generally include glucose oxidase (GOx) and glucose dehydrogenase (GDH).
  • GOx selectively oxidizes glucose and has been widely applied in blood glucose sensors because of its low cost and high stability.
  • GDH glucose dehydrogenase
  • GOx selectively oxidizes glucose and has been widely applied in blood glucose sensors because of its low cost and high stability.
  • GOx is greatly affected by oxygen in the oxidation process, it is known that the GOx-based blood glucose sensor has an error in measuring the blood glucose level higher than the actual level at a high altitude or low atmospheric pressure.
  • GDH is characterized in that it can selectively oxidize glucose independent of oxygen concentration.
  • FAD flavin adenine dinucleotide
  • Electrochemical properties of electron transport mediators are key factors that can affect rapid electron transport, selectivity, and sensitivity in blood glucose sensors. Interference of interfering substances in the living body can be avoided according to the potential of the mediator, and redox shuttling, a phenomenon in which the mediator generates an error current through repeated oxidation/reduction reactions between adjacent electrodes, can be thermodynamically avoided. . Therefore, in order for the electron transport medium to perform an efficient function, it is ideal to have an appropriately low oxidation-reduction potential (-0.2V ⁇ 0V vs Ag/AgCl). In addition, both the oxidizing and reducing species must be chemically stable and non-toxic in the body.
  • Electron transport mediators that have been studied a lot so far include ferrocene derivatives, ferricyanide, tetrathiafulvalene, and dislocation metal complexes. Although they have been studied extensively as electron transport media, there is still a need for a new electron transport media that has high efficiency, is stable, and has no toxicity in the body.
  • the present inventors repeated studies on a transition metal complex useful as an electron transport medium for an electrochemical biosensor, and as a result, as a tetradentate ligand (tetradentate ligand), tris-2-pyridylmethylamine (tris( In the case of introducing 2-pyridylmethyl)amine (TPMA), it exhibits exceptionally high stability compared to conventional monodentate or bidentate ligands, and transition metal complexes prepared from these can be easily synthesized and exhibit stable electrochemical characteristics Confirmed and completed the present invention.
  • tetradentate ligand tris-2-pyridylmethylamine
  • Another object of the present invention is to provide an electrochemical biosensor comprising a redox polymer including the transition metal complex.
  • Another object of the present invention is to provide a method for preparing the transition metal complex.
  • a transition metal complex including a tetradentate nitrogen donor ligand useful as an electron transport medium may be provided.
  • a method for preparing the transition metal complex may be provided.
  • a device comprising the transition metal complex as an electron transport medium may be provided.
  • an enzyme capable of redoxing a liquid biological sample capable of redoxing a liquid biological sample; And a sensing film for an electrochemical biosensor comprising the transition metal complex as an electron transport medium may be provided.
  • the transition metal complex comprising a tetradentate nitrogen donor ligand according to the present invention improves the performance of an electrochemical sensor excellently when used in an electrochemical sensor.
  • 1 is a view showing various synthetic methods for preparing tetradentate ligands for preparing the transition metal complex of the present invention.
  • FIG 3 is a diagram showing the crystal structure of [Os(TPMA)Cl 2 ] + (PF 6 - ).
  • FIG. 5 is a diagram showing the change in the mass signal confirmed on ESI-MS of the hydroxymethyl TPMA osmium complex.
  • FIGS. 7a to 7c are diagrams showing structures and oxidation/reduction potentials of TPMA-based osmium complexes.
  • 8A and 8B are graphs comparing the potential values of the [Os(TPMA)Cl 2 ] + (PF 6 - ) complexes through the cyclic voltammetry according to the substituents.
  • 8A is a graph comparing complexes having EDG (18, 21, 23)
  • FIG. 8B is a graph comparing complexes having EWG (18, 19, 20, 22).
  • the current value was corrected to 18, and was measured by injection at 10 mV/s in 0.1 M TPMP in CH 3 CN solution.
  • 16 is a graph showing the CV data of [Os(TPMA)(L) 1-2 ] n+ (PF 6 - ) n Complex (26).
  • 17 is a graph showing the CV data of [Os(TPMA)(L) 1-2 ] n+ (PF 6 - ) n Complex (27).
  • 21 is a graph showing the CV data of [Os(TPMA)(L) 1-2 ] n+ (PF 6 - ) n Complex (31).
  • 25 is a graph showing the CV data of [Os(TPMA)(L) 1-2 ] n+ (PF 6 - ) n Complex (35).
  • the present invention provides a transition metal complex comprising a tetradentate nitrogen donor ligand useful as an electron transport medium.
  • the transition metal complex may be represented by Formula 1 or 2 below.
  • M may be one selected from the group consisting of Fe, Co, Ru, Os, Rh and Ir;
  • C a , C b and C c are each independently a heterocyclic compound containing at least one nitrogen atom, preferably connected to an amine group and a methylene group at the 2-position of the ring compound;
  • L m1 and L m2 are each independently a coordinated monodentate ligand
  • L b is a bidentate ligand comprising nitrogen or oxygen
  • m is a negative or positive charge representing -1 to -5 or 1 to 5;
  • R 1 , R 2 and R 3 are each independently a linker introduced with a reactive group capable of connecting to a polymer, an electron donating group (EDG) or an electron accepting group (EWG) for controlling the oxidation/reduction potential is a functional group;
  • EDG electron donating group
  • EWG electron accepting group
  • X is a counter ion, preferably a counter ion selected from the group consisting of F, Cl, Br, I and PF 6 ;
  • n means the number of counterions, and is 1 to 5.
  • the transition metal complex may include a tetradentate ligand represented by Formula 3 below.
  • C a , C b and C c are each independently a heterocyclic compound containing at least one nitrogen atom;
  • R 1 , R 2 and R 3 are each independently a linker introduced with a reactive group capable of connecting to a polymer, an electron donating group (EDG) or an electron accepting group (EWG) for controlling the oxidation/reduction potential is a functional group.
  • EDG electron donating group
  • EWG electron accepting group
  • the tetradentate ligand of Formula 3 may be one of the ligands having the following structure:
  • the heterocyclic compound may be connected to an amine group and a methylene group at the 2-position, and three nitrogens of the three hetero rings and one nitrogen at the center connecting the three hetero rings to each other are transition metal M can be connected with
  • R 1 , R 2 , and R 3 are each independently —H; -F; -Cl; -Br; -I; -NO 2 ; -CN; -CO 2 H; -SO 3 H; -NHNH 2 ; -SH; -OH; -NH 2 ; -CH 2 OH; -CONHCH 2 CH 2 NH 2 ; or substituted or unsubstituted alkoxycarbonyl, alkylaminocarbonyl, dialkylaminocarbonyl, alkoxy, alkylamino, dialkylamino, alkanylamino, arylcarboxyamido, hydrazino, alkylhydrazino, hydrazino hydroxyamino, alkoxyamino, alkylthio, alkenyl, aryl or alkyl.
  • L m1 and L m2 are monodentate ligands, and each independently -H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO 2 , -NCCH 3 , -CO, -OH 2 , - It may be a heterocyclic compound including one or more NH 3 or nitrogen atoms.
  • L b - L b is It is a bidentate ligand and may be catechol, acetylacetone, 2-picolinic acid, 2-pyridinecarboxamide, 2,2'-bipyridine or 2,2'-bithiazole.
  • the heterocyclic compound is imidazole, pyridine, pyrimidine, pyrazole, isoxazole, oxazole, thiazole, benzothiazole, benzimidazole, benzoxazole and diazafluorenone group consisting of It may be at least one selected from
  • amino, alkoxyamino, alkylthio, alkenyl, aryl, alkyl and tricyclic heterocycles are substituted, these are -F, -Cl, -Br, -I, -OH, oxo, an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms and an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms.
  • One or more selected from the group consisting of 1 to 3 alkoxy groups may be substituted, preferably 1 to 3.
  • the transition metal complex of Formula 1 or 2 according to the present invention may be one of the transition metal complexes shown in Table 1 below:
  • the present invention provides a method for preparing a transition metal complex useful as the electron transport medium.
  • the transition metal complex useful as the electron transport medium according to the present invention is a transition metal salt, preferably via an osmium salt. can be manufactured.
  • the salt of the transition metal may be an ammonium salt of a halogenated transition metal of Formula 4 below,
  • M may be one selected from the group consisting of Fe, Co, Ru, Os, Rh and Ir;
  • X is F, Cl, Br, or I.
  • the ammonium salt of the halogenated transition metal of Formula 4 may be ammonium hexachloroosmate of Formula 5, which is commercially available.
  • the method for preparing a transition metal complex according to the present invention may be synthesized using a tris-pyridinemethylamine-based ligand and an ammonium salt of a transition metal halide.
  • a tris-pyridinemethylamine-based ligand and an ammonium salt of a transition metal halide.
  • the following steps may be included:
  • the transition metal complex may include a tetradentate ligand represented by Formula 3 below.
  • C a , C b and C c are each independently a heterocyclic compound containing at least one nitrogen atom;
  • R 1 , R 2 and R 3 are each independently a linker into which a reactive group capable of being linked to a polymer is introduced.
  • the first step is a step of introducing tris-pyridinemethylamine-based ligand of Formula 3 into an osmium salt of Formula 5 in a tetravalent ionic state, and synthesizing it in the form of an osmium complex represented by Formula 6 in a trivalent ionic state.
  • one or two types of monodentate or bidentate trigand selected from the group consisting of N-N ligand, N-ligand, N-O ligand and O-O ligand are introduced into the osmium complex synthesized in the first step by formula 7 to 11 is a step of synthesizing the osmium complex represented by any one of.
  • one N-N ligand, two N ligands, one N ligand, one N-O ligand, and one O-O ligand may be introduced into the synthesized osmium complex of formula (6).
  • the N ligand may be -NO 2 , -NCCH 3 , -NH 3 or a heterocyclic compound including one or more nitrogen atoms.
  • the N-N ligand may be 2-pyridinecarboxamide, 2,2'-bipyridine, 2,2'-bithiazole, or 2-pyridylmethylamine.
  • the N-O ligand may be 2-picolinic acid, 2-aminophenol or 2-hydroxymethylpyridine.
  • the O-O ligand may be catechol or acetylacetone.
  • the electron transfer mediator transition metal complex according to the present invention serves to transfer electrons obtained by reduction (glucose oxidation) of an oxidoreductase, polyvinylpyridine (Poly (vinylpyridine): PVP) or polyvinylimidazole ( Poly(vinylimidazole): PVI), poly allyl glycidyl ether (Poly allyl glycidyl ether: PAGE), an oxidation-reduction polymer connected to a polymer matrix corresponding to a polymer backbone such as at least one selected from the group consisting of form can be used.
  • a further aspect of the present invention relates to a redox polymer comprising the transition metal complex for the electron transport mediator and a polymer backbone.
  • the oxidation-reduction polymer may include a linker structure connecting the polymer backbone and an organic-based electron transport mediator.
  • a further aspect of the present invention relates to a sensing membrane for an electrochemical biosensor comprising an enzyme capable of redoxing a liquid biological sample and an electron transfer mediator including the transition metal complex.
  • the oxidoreductase is a generic term for enzymes that catalyze the redox reaction of a living body.
  • a target material to be measured for example, a biosensor, refers to an enzyme that is reduced by reacting with the target material to be measured.
  • the reduced enzyme reacts with the electron transfer mediator, and the target substance is quantified by measuring a signal such as a change in current generated at this time.
  • the oxidoreductase usable in the present invention may be at least one selected from the group consisting of various dehydrogenases, oxidases, esterases, etc., depending on the redox or detection target substance, From among the enzymes belonging to the enzyme group, an enzyme having the target material as a substrate may be selected and used.
  • the oxidoreductase is glucose dehydrogenase, glutamate dehydrogenase, glucose oxidase, cholesterol oxidase, cholesterol esterase, rock.
  • At least one selected from the group consisting of lactate oxidase, ascorbic acid oxidase, alcohol oxidase, alcohol dehydrogenase, bilirubin oxidase, etc. can be selected from the group consisting of lactate oxidase, ascorbic acid oxidase, alcohol oxidase, alcohol dehydrogenase, bilirubin oxidase, etc.
  • the oxidoreductase may include a cofactor that serves to store the hydrogen taken by the oxidoreductase from the target substance to be measured (eg, the target substance), for example, flavin adenine dinu. It may be one or more selected from the group consisting of cleotatide (flavin adenine dinucleotide, FAD), nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), and pyrroloquinoline quinone (PQQ).
  • FAD fluvin adenine dinucleotide
  • NAD nicotinamide adenine dinucleotide
  • PQQ pyrroloquinoline quinone
  • glucose dehydrogenase when measuring blood glucose concentration, glucose dehydrogenase (GDH) can be used as the oxidoreductase, and the glucose dehydrogenase is a flavin adenine dinucleotide containing FAD as a cofactor-glucose dehydrogenase. It may be an enzyme (flavin adenine dinucleotide-glucose dehydrogenase, FAD-GDH), and/or nicotinamide adenine dinucleotide-glucose dehydrogenase containing FAD-GDH as a cofactor.
  • the usable oxidoreductase is FAD-GDH (eg, EC 1.1.99.10, etc.), NAD-GDH (eg, EC 1.1.1.47, etc.), PQQ-GDH (eg, EC1.1.5.2, etc.) , glutamic acid dehydrogenase (eg, EC 1.4.1.2, etc.), glucose oxidase (eg, EC 1.1.3.4, etc.), cholesterol oxidase (eg, EC 1.1.3.6, etc.), cholesterol esterase (eg, EC 3.1.
  • FAD-GDH eg, EC 1.1.99.10, etc.
  • NAD-GDH eg, EC 1.1.1.47, etc.
  • PQQ-GDH eg, EC1.1.5.2, etc.
  • glutamic acid dehydrogenase eg, EC 1.4.1.2, etc.
  • glucose oxidase eg, EC 1.1.3.4, etc
  • lactate oxidase eg, EC 1.1.3.2, etc.
  • ascorbic acid oxidase eg, EC 1.10.3.3, etc.
  • alcohol oxidase eg, EC 1.1.3.13, etc.
  • alcohol dehydrogenase eg , EC 1.1.1.1, etc.
  • bilirubin oxidase eg, EC 1.3.3.5, etc.
  • the oxidoreductase is a glucose dehydrogenase capable of maintaining an activity of 70% or more in a buffer solution at 37° C. for one week.
  • the sensing membrane according to the present invention may contain 20 to 700 parts by weight of the redox polymer, such as 60 to 700 parts by weight or 30 to 340 parts by weight, based on 100 parts by weight of the oxidoreductase.
  • the content of the oxidation-reduction polymer may be appropriately adjusted according to the activity of the oxidoreductase.
  • the sensing film according to the present invention may further include carbon nanotubes to increase film performance. Specifically, when carbon nanotubes are used together with a transition metal complex, in particular, osmium, the electron transfer rate is increased, so that the performance of the sensing film can be further improved.
  • a transition metal complex in particular, osmium
  • the sensing film according to the present invention may further include a crosslinking agent.
  • the sensing membrane according to the present invention contains one or more additives selected from the group consisting of surfactants, water-soluble polymers, quaternary ammonium salts, fatty acids, thickeners, etc. as a dispersant for dissolving reagents, pressure-sensitive adhesives for preparing reagents, stabilizers for long-term storage, etc. may be additionally included for the role of
  • the surfactant may serve to distribute the composition evenly over the electrode when dispensing the composition to be dispensed with a uniform thickness. 1 selected from the group consisting of Triton X-100, sodium dodecyl sulfate, perfluorooctane sulfonate, sodium stearate, etc. as the surfactant More than one species can be used.
  • the surfactant is added to 100 parts by weight of the oxidoreductase in order to properly perform the role of dispensing the reagent evenly on the electrode and dispensing the reagent with a uniform thickness when dispensing the reagent. to 25 parts by weight, such as 10 to 25 parts by weight.
  • a surfactant when using an oxidoreductase having an activity of 700 U/mg, 10 to 25 parts by weight of a surfactant may be contained based on 100 parts by weight of the oxidoreductase, and when the activity of the oxidoreductase is higher than this, the content of the surfactant can be adjusted lower than this.
  • the water-soluble polymer may serve to assist in stabilizing and dispersing the enzyme as a polymer support of the reagent composition.
  • the water-soluble polymer polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyvinyl alcohol (PVA), polyfluorosulfonate (polyperfluoro sulfonate), hydroxyethyl cellulose (HEC), hydroxy At least one selected from the group consisting of propyl cellulose (hydroxypropyl cellulose; HPC), carboxy methyl cellulose (CMC), cellulose acetate, polyamide, and the like may be used.
  • the reagent composition according to the present invention contains 10 to 70 parts by weight of the water-soluble polymer based on 100 parts by weight of the oxidoreductase, such It may be contained in an amount of 30 to 70 parts by weight.
  • an oxidoreductase having an activity of 700 U/mg it may contain 30 to 70 parts by weight of a water-soluble polymer based on 100 parts by weight of the oxidoreductase, and when the activity of the oxidoreductase is higher than this, the content of the water-soluble polymer can be adjusted lower than this.
  • the water-soluble polymer may have a weight average molecular weight of about 2,500 g/mol to 3,000,000 g/mol, for example, about 5,000 g/mol to 1,000,000 g/mol, in order to effectively perform a kinetics helping the stabilization and dispersing of the support and the enzyme. have.
  • the thickener serves to firmly attach the reagent to the electrode.
  • the thickener at least one selected from the group consisting of natrozole, diethylaminoethyl-dextran hydrochloride (DEAE-Dextran hydrochloride), and the like may be used.
  • an oxidoreductase having an activity of 700 U/mg it may contain 30 to 90 parts by weight of a thickener based on 100 parts by weight of the oxidoreductase, and when the activity of the oxidoreductase is higher than this, the content of the thickener can be adjusted lower than this.
  • the present invention may be a device including such an organic electron transport medium, preferably an implantable device, more specifically, a device insertable into the human body.
  • the device may be an electrochemical biosensor, and more preferably an electrochemical glucose (blood sugar) sensor.
  • the type of the electrochemical biosensor is not limited, but may preferably be a continuous blood glucose monitoring sensor.
  • the present invention provides, for example, an electrode, an insulator, a substrate, a sensing layer including the redox polymer and a redox enzyme, and a diffusion layer ), a protection layer, and the like.
  • the electrode two types of electrodes such as a working electrode and a counter electrode may be included, and three types of electrodes such as a working electrode, a counter electrode and a reference electrode may be included.
  • the biosensor according to the present invention includes an oxidation-reduction polymer comprising the organic-based electron transfer mediator of Formula 1 and a liquid biological sample on a substrate having at least two, preferably two or three electrodes.
  • It may be an electrochemical biosensor manufactured by applying a reagent composition containing an enzyme capable of oxidation-reduction and then drying.
  • a working electrode and a counter electrode are provided on opposite sides of a substrate, and a sensing film containing an oxidation-reduction polymer having an organic-based electron transport medium according to the present invention is laminated on the working electrode.
  • a planar electrochemical biosensor characterized in that an insulator, a diffusion film and a protective film are sequentially stacked on both sides of a substrate provided with a working electrode and a counter electrode.
  • the substrate may be made of one or more materials selected from the group consisting of polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), and polyimide (PI).
  • PET polyethylene terephthalate
  • PC polycarbonate
  • PI polyimide
  • the working electrode may use a carbon, gold, platinum, silver or silver/silver chloride electrode.
  • a gold, platinum, silver, or silver/silver chloride electrode can be used as the counter electrode, and a three-electrode including a reference electrode can be used.
  • a gold, platinum, silver, or silver/silver chloride electrode may be used as a reference electrode, and a carbon electrode may be used as a counter electrode.
  • Nafion, cellulose acetate, silicone rubber may be used as the diffusion film, and silicone rubber, polyurethane, polyurethane-based copolymer, etc. may be used as the protective film, but is not limited thereto.
  • silver chloride or silver may be used because the counter electrode also serves as a reference electrode, and in the case of three electrodes, silver chloride or silver is used as the reference electrode, and a carbon electrode may be used as the counter electrode.
  • the embodiment of the present invention exemplifies a biosensor for measuring glucose as an applicable example of the electrochemical biosensor, cholesterol, lactate, creatinine, hydrogen peroxide, cholesterol, lactate, creatinine, hydrogen peroxide, It can be applied to biosensors for quantification of various substances such as alcohol, amino acids, and glutamate.
  • TPMA ligands having various functional groups were synthesized according to the synthetic route shown in FIG . 1 .
  • Bis-2-pyridylmethylamine ( 1 ) and tris-2-pyridylmethylamine ( 10 ) were synthesized through reductive amination between 2-pyridylaldehyde and 2-pyridylmethylamine.
  • Other ligands ( 11, 12, 15, 16 ) were synthesized by slightly modifying methods known in the literature (Kojima, T.; Fukuzumi, S. Chem. Eur. J. 2007 , 13, 8212 - 8222).
  • the water layer is extracted 3 times with CH 2 Cl 2 . Thereafter, anhydrous MgSO 4 was added to the collected organic layer to remove water, and a desiccant was filtered using a glass filter under reduced pressure. The organic solvent is removed using a rotary evaporation dryer.
  • Anhydrous MgSO 4 was added to the collected organic layers to remove water, and a desiccant was filtered using a glass filter under reduced pressure.
  • the organic solvent is removed using a rotary evaporation dryer. When it is confirmed that the reaction has completely progressed, the solvent is removed using a rotary evaporation dryer.
  • the water layer is extracted 3 times with CH 2 Cl 2 . Thereafter, anhydrous MgSO 4 was added to the collected organic layer to remove water, and a desiccant was filtered using a glass filter under reduced pressure. The organic solvent is removed using a rotary evaporation dryer.
  • the starting material (12) (1.35 g, 3.7 mmol) was dissolved in a minimum amount of CH 2 Cl 2 and slowly added to purified ethylenediamine (22.5 g, 370 mmol).
  • a reflux belt is installed in the reaction flask and stirred at 80 o C for 16 hours. After the reaction is complete, cool to room temperature and pour 30 mL of water. After transferring the product in the flask to a separatory funnel, the water layer is extracted 3 times with CH 2 Cl 2 . Thereafter, anhydrous MgSO 4 was added to the collected organic layer to remove water, and a desiccant was filtered using a glass filter under reduced pressure. The organic solvent is removed using a rotary evaporation dryer.
  • Monodentate ligands such as 1-methylimidazole and pyridine and bidentate ligands such as 4-methoxy-2-pyridylcarbocyamide, picolinic acid, catechol, and acetylacetone [Os(TPMA)Cl 2 ] [Os(TPMA)(L) 1-2 ] + (PF 6 - )-based complexes could be synthesized through an exchange reaction with a chlorine (Cl) ligand by reacting with + (PF 6 - ). This synthetic reaction scheme is shown in FIG. 4 .
  • TPMA-based osmium complexes were initially obtained in the form of PF 6 - counterions, and [Os(TPMA)Cl 2 ] + (Cl - ) or [Os(TPMA)(L) using Cl - ion exchange resin. ) 1-2 ] n+ (Cl - ) n type complex was obtained.
  • Most of the TPMA-based osmium complexes showed a large difference in solubility depending on the form of the counterion.
  • PF 6 - is in the form of a counterion, it shows good solubility in acetonitrile and acetone solvents, but shows poor solubility in water and methanol.
  • Cl - counterion it showed good solubility in water and methanol, and hardly dissolved in organic solvents such as acetonitrile and acetone.
  • Ammonium hexachloroosmate (30 mg, 0.068 mmol) and starting material (10) (20 mg, 0.068 mmol) are put in a glass culture tube, and ethylene glycol (2 mL) is added to make a mixed solution. After that, argon gas was blown in for 10 minutes to create an argon atmosphere in the glass culture tube, and then refluxed at 140 o C for 6 hours. Add an excess of ammonium hexafluorophosphate to distilled water and slowly drop the reaction solution into a saturated solution. A precipitate formed in the solution was filtered and washed with distilled water and an excess of diethyl ether to obtain a green solid product 18 having a counter ion of PF 6 ⁇ .
  • Ammonium hexachloroosmate (129 mg, 0.293 mmol) and starting material (11) (120 mg, 0.293 mmol) are put in a glass culture tube, and ethylene glycol (3 mL) is added to make a mixed solution. After that, argon gas was blown in for 10 minutes to create an argon atmosphere in the glass culture tube, and then refluxed at 140 o C for 6 hours. Add an excess of ammonium hexafluorophosphate to distilled water and slowly drop the reaction solution into a saturated solution. A precipitate formed in the solution was filtered and washed with distilled water and an excess of diethyl ether to obtain a brown solid product 19 having a counter ion of PF 6 - .
  • Ammonium hexachloroosmate (327 mg, 0.744 mmol) and starting material (12) (270 mg, 0.744 mmol) are put in a glass culture tube, and ethylene glycol (3 mL) is added to make a mixed solution. After that, argon gas was blown in for 10 minutes to create an argon atmosphere in the glass culture tube, and then refluxed at 140 o C for 6 hours. Add an excess of ammonium hexafluorophosphate to distilled water and slowly drop the reaction solution into a saturated solution. A precipitate formed in the solution was filtered and washed with distilled water and an excess of diethyl ether to obtain a brown solid product 20 having a counter ion of PF 6 - .
  • Ammonium hexachloroosmate (62 mg, 0.141 mmol) and starting material (13) (45 mg, 0.141 mmol) are put in a glass culture tube, and ethylene glycol (3 mL) is added to make a mixed solution. After that, argon gas was blown in for 10 minutes to create an argon atmosphere in the glass culture tube, and then refluxed at 140 o C for 6 hours. Add an excess of ammonium hexafluorophosphate to distilled water and slowly drop the reaction solution into a saturated solution.
  • Ammonium hexachloroosmate (326 mg, 0.742 mmol) and starting material (14) (280 mg, 0.742 mmol) are put in a glass culture tube, and ethylene glycol (3 mL) is added to make a mixed solution. After that, argon gas was blown for 10 minutes to make the inside of the glass culture tube an argon atmosphere, and then refluxed at 140 o C for 16 hours. Add an excess of ammonium hexafluorophosphate to distilled water and slowly drop the reaction solution into a saturated solution.
  • Ammonium hexachloroosmate (129 mg, 0.293 mmol) and starting material (15) (120 mg, 0.293 mmol) are put in a glass culture tube, and ethylene glycol (3 mL) is added to make a mixed solution. After that, argon gas was blown in for 10 minutes to create an argon atmosphere in the glass culture tube, and then refluxed at 140 o C for 6 hours. Add an excess of ammonium hexafluorophosphate to distilled water and slowly drop the reaction solution into a saturated solution. A precipitate formed in the solution was filtered and washed with distilled water and an excess of diethyl ether to obtain a brown solid product 23 having a counter ion of PF 6 - .
  • Example 3 Analysis of the electrochemical properties of the TPMA-based osmium complex according to the present invention
  • Cyclic voltammetry was used to analyze the electrochemical properties of the synthesized TPMA-based osmium complexes.
  • a well-washed carbon glass electrode with a diameter of 3 mm was used as a working electrode, and an Ag/AgCl electrode was used as a reference electrode and a Pt electrode was used as a counter electrode for measurement at a scanning rate of 10 mV/s.
  • PF 6 - The complex in the form of a counterion was measured at a concentration of 3 mg/mL in an acetonitrile solution of 0.1M TBAP.
  • Oxidation/reduction potentials were compared with complexes Nos. 19 to 23 , each having a similar coordination structure to complex No. 18 and containing different substituents.
  • Complexes containing electron withdrawing groups (EWG) such as complex No. 19 containing two ethyl ester (-COOEt) groups, complex No. 20 containing one group, and complex No. 22 containing amide (-COONH) groups
  • EWG electron withdrawing groups
  • complex No. 19 complex No. 19 containing two ethyl ester (-COOEt) groups
  • complex No. 20 containing one group
  • complex No. 22 containing amide (-COONH) groups The oxidation/reduction potential of complex No. 18 appeared at a more positive value.
  • complexes containing an electron donating group (EDG) such as number 21 containing a methyl (-CH 2 -) group and number 23 containing two methoxy (-OMe) groups, are more complex than complex number 18 .

Abstract

본 발명은 전기화학적 센서를 비롯한 다양한 장치에 사용될 수 있는 테트라덴테이트 질소 공여체 리간드를 포함하는 신규한 전이 금속 착체 및 이를 포함하는 장치, 바람직하게는 전기화학적 센서에 관한 것이다.

Description

테트라덴테이트 질소 공여체 리간드를 포함하는 전이금속 착체 및 이를 포함하는 전기화학적 바이오센서
관련 출원(들)과의 상호 인용
본 출원은 2020년 12월 31일자 한국특허출원 제10-2020-0189139호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 전자전달매개체로서 유용한 테트라덴테이트 질소 공여체 리간드를 포함하는 전이금속 착체 및 이를 포함하는 전기화학적 바이오센서에 관한 것이다.
당뇨병은 높은 혈당 수치가 오랫동안 지속되었을 때 나타나는 질환으로 심혈관 질환, 뇌졸증, 신장 질환 등의 합병증을 유발한다. 높은 혈당 수치에 대응하여 인슐린 주입을 통해 혈당 수치를 감소시키는 과정이 필요하지만 만약 인슐린이 과다 주입된다면, 저혈당증이 발생하고 이를 통해 쇼크 또는 사망에 이르는 수도 있다. 이를 방지하기 위해 당뇨병 환자들은 적절한 혈당 수치를 유지하려는 목적으로 혈당측정센서를 이용하여 지속적으로 체내 혈당 농도를 측정하는 것이 필수적이다.
최근에는, 연속혈당측정시스템(Continuous Glucose Monitoring System, CGMS)이 적용된 혈당센서가 많이 연구되고 상용화되었다. CGMS 센서는 피하조직에 삽입되어 혈액이 아닌 세포간액을 통해 연속적으로 포도당 농도를 측정하는 장치이다. 손가락 채혈 방식의 경우 하루에 5 ~ 6번의 혈당 측정으로는 정확한 혈당 수치 변화를 확인하기 어려운 반면, CGMS는 하루에 혈당 수치 변화와 경향성을 확인할 수 있는 장점이 있다. 이를 통해 환자가 고혈당증 또는 저혈당증을 빠르게 인지할 수 있고 혈당 관리 능력이 더욱 개선될 수 있다.
바이오센서는 선택적으로 생체 시료를 감지하고, 이를 특정 신호로 전환해주는 기기를 뜻한다. 특히 전기화학적 방식을 이용한 효소 기반의 바이오센서는 효소에 의해 선택성이 향상될 뿐만 아니라 소형화가 가능하고 측정의 정확성 때문에 많이 선호된다. 전기화학방식을 이용한 혈당 바이오센서는 크게 1세대와 2세대 방식으로 나누어진다. 1세대 혈당 센서는 클라크(Clark)와 리옹(Lyon)에 의해 처음 개발되었으며, 효소의 산화-환원 반응을 거쳐 감소한 산소 농도 및 발생한 과산화 수소의 농도 변화를 통해 혈당 수치를 측정하는 방식이고, 2세대 혈당 센서는 효소의 산화-환원 반응을 통해 발생한 전자를 전자전달매개체를 통해서 전극에 전달해주는 방식이다.　 2세대 센서는 1세대 센서보다 산소 농도에 따른 오차가 적고, 매개체에 의한 전자전달 반응이 효율적이고 빠르다는 점에서 많은 장점을 가지고 있다. 이러한 이유로, 전자전달매개체를 포함하는 2세대 센서 방식이 CGMS 혈당 센서에 적용되고 있다.
전기화학방식의 효소기반 혈당 바이오센서는 일반적으로 효소, 전자전달매개체, 전극으로 구성되어 있다. 처음에는 효소에 의해 포도당이 글루코노락톤(gluconolactone)으로 산화되고, 이어서 환원된 효소는 산화되면서 전자전달매개체에 전자를 내어준다. 그 다음 환원된 매개체가 산화되면서 전극으로 전자를 전달해주는 과정을 거친다. 이러한 일련의 과정으로부터 혈당 수치를 전기적 신호로 확인할 수 있다.
혈당 센서에 적용되는 효소는 일반적으로 포도당 산화효소(glucose oxidase, GOx)와 포도당 탈수소효소(glucose dehydrogenase, GDH)가 있다. GOx는 선택적으로 포도당을 산화시키며 낮은 가격과 높은 안정성 때문에 혈당 센서에 폭넓게 적용되었다.　 하지만, GOx는 산화 과정에서 산소에 의해 크게 영향을 받기 때문에 GOx 기반의 혈당 센서는 고도가 높거나 기압이 낮은 지역에서 실제 수치보다 높은 혈당 수치가 측정되는 오차가 나타난다고 알려져있다.　 GOx와 다르게, GDH는 산소 농도와 무관하게 포도당을 선택적으로 산화시킬 수 있다는 특징이 있다.　 특히 FAD (flavin adenine dinucleotide)를 포함하는 GDH는 산소의 영향을 받지 않고 우수한 열 안정성 때문에 혈당 센서에 적용되기에 큰 이점을 가지고 있다.　 하지만, 두꺼운 단백질 막이 FAD 활성 부위를 둘러싸고 있기 때문에 GDH가 전극 표면에 직접적으로 전자를 전달하기에는 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 효소와 전극 표면 사이에 전자전달 반응을 수월하게 해주는 전자전달매개체의 역할이 매우 중요하다.
전자전달매개체의 전기화학적 특성은 혈당 센서 내에서 신속한 전자전달과 선택성 및 감도에도 영향을 줄 수 있는 핵심적인 요소이다. 매개체의 전위에 따라 생체내 방해물질의 간섭을 피할 수 있고, 인접한 전극사이에서 매개체가 반복적인 산화/환원 반응으로 오차 전류를 발생시키는 현상인 리독스 셔틀링(redox shuttling)을 열역학적으로 피할 수 있다.　 그러므로 전자전달매개체가 효율적인 기능을 수행하기 위해서는 적절히 낮은 산화-환원 전위(-0.2V ~ 0V vs Ag/AgCl)를 가지는 것이 이상적이다.　 더불어, 산화종과 환원종 모두 화학적으로 안정하고, 체내에서 독성이 없어야 한다.
지금까지 많이 연구된 전자전달매개체는 페로센(ferrocene) 유도체, 페리사이아나이드(ferricyanide), 테트라싸이아푸발렌(tetrathiafulvalene), 전위금속 착체 등이 있다, 최근에는 철, 루테늄, 오스뮴을 중심 금속으로 한 착체들이 전자전달매개체로서 많이 연구되고 있으나, 여전히 높은 효율성을 가지고 안정하고 체내에서의 독성이 없는 새로운 전자전달매개체의 요구가 존재한다.
이러한 배경하에서, 본 발명자들은 전기화학적 바이오센서를 위한 전자전달매개체로서 유용한 전이금속 착체에 대해 연구를 거듭한 결과, 네 자리 리간드(테트라덴테이트 리간드)로서 트리스-2-피리딜메틸아민(tris(2-pyridylmethyl)amine, TPMA)을 도입하는 경우 종래 한 자리 또는 두 자리 리간드에 비해 탁월하게 높은 안정성을 나타내며, 이들로부터 제조된 전이금속 착물은 쉽게 합성이 가능하며 안정한 전기화학적 특징을 나타낸다는 점을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 테트라덴테이트 질소 공여체 리간드를 포함하는 전자전달매개체용 신규한 전이금속 착체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 전이금속 착체를 포함하는 산화-환원 중합체를 포함하는 전기화학적 바이오센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 전이금속 착체의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전자전달매개체로서 유용한, 테트라덴테이트 질소 공여체 리간드를 포함하는 전이금속 착체가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 전이금속 착체를 제조하는 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 전이금속 착체를 전자전달매개체로서 포함하는 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 액체성 생체시료를 산화환원시킬 수 있는 효소; 및 상기 전이금속 착체를 전자전달매개체로 포함하는 전기화학적 바이오센서용 센싱 막이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 테트라덴테이트 질소 공여체 리간드를 포함하는 전이 금속 착체는 전기화학적 센서에 이용하는 경우 탁월하게 전기화학적 센서의 성능을 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 전이금속 착체를 제조하기 위한 테트라덴테이트 리간드들을 제조하기 위한 다양한 합성 방법을 개시한 도면이다.
도 2는 [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) 착물 및 이로부터 합성할 수 있는 다양한 유도체의 합성 방법을 나타낸 반응식이다.
도 3은 [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -)의 결정 구조를 나타낸 그림이다.
도 4는 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n 착물 및 이로부터 합성할 수 있는 다양한 유도체의 합성 방법을 나타낸 반응식이다.
도 5는 하이드록시메틸 TPMA 오스뮴 착물의 ESI-MS 상에서 확인되는 질량 신호의 변화를 나타낸 그림이다.
도 6는 [Os(TPMA)Cl2]+(X-)(18)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 7a 내지 7c는 TPMA 기반의 오스뮴 착물들의 구조와 산화/환원 전위를 나타내는 도면이다.
도 8a 및 8b는 치환기에 따른 [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -)착물들의 순환전류전압법을 통한 전위값을 비교한 그래프이다. 도 8a는 EDG을 가지는 착물들과 비교(18, 21, 23), 도 8b는 EWG를 가지는 착물들과 비교(18, 19, 20, 22)한 그래프이다.　 농도와 상관없이 착물들의 전위값을 비교하기 위해 전류값은 18에 맞춰 보정하였으며, 0.1 M TPMP in CH3CN 용액에서 10 mV/s로 주사하여 측정하였다.
도 9는 [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) Complex (19)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 10은 [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) Complex (20)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 11은 [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) Complex (21)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 12 [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) Complex (22)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 13 [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) Complex (23)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 14는 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (24)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 15는 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (25)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 16은 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (26)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 17은 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (27)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 18은 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (28)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 19는 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (29)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 20은 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (30)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 21은 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (31)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 22는 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (32)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 23은 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (33)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 24는 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (34)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 25는 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (35)의 CV 데이터를 나타낸 그래프이다.
하나의 양태로서, 본 발명은 전자전달매개체로서 유용한 테트라덴테이트 질소 공여체 리간드를 포함하는 전이금속 착체를 제공한다.
일 예로서, 상기 전이금속 착체는 하기의 화학식 1 또는 2로 나타내어지는 것일 수 있다.
[화학식 1]
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000001
[화학식 2]
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000002
상기 화학식 1 또는 화학식 2에서,
M은 Fe, Co, Ru, Os, Rh 및 Ir로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나일 수 있고;
Ca, Cb 및 Cc는 각각 독립적으로 질소원자를 하나 이상 포함한 헤테로 고리 화합물로, 바람직하게는 상기 고리 화합물의 2번 위치에서 아민기와 메틸렌기와 연결되어 있고;
Lm1 및 Lm2는 각각 독립적으로 배위된 모노덴테이트 리간드이며;
Lb는 질소 또는 산소를 포함하는 바이덴테이트 리간드이고;
m은 -1 ~ -5 또는 1 ~ 5 를 나타내는 음전하 혹은 양전하이고;
R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 고분자에 연결할 수 있는 반응기가 도입된 링커, 산화/환원 전위를 조절하기 위한 전자 주개(electron donating group, EDG) 또는 전자 받개(electron withdrawing group, EWG) 작용기이고;
X는 반대이온 (counter ion)이며, 바람직하게는 F, Cl, Br, I 및 PF6로 이루어지는 군에서 선택되는 반대 이온이고;
n은 반대이온의 수를 의미하며, 1 ~ 5이다.
일 예로서, 상기 전이금속 착체는 하기 화학식 3으로 나타내어지는 테트라덴데이트 리간드를 포함하는 것일 수 있다.
[화학식 3]
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000003
상기 식에서 Ca, Cb 및 Cc는 각각 독립적으로 질소원자를 하나 이상 포함한 헤테로 고리 화합물이고;
R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 고분자에 연결할 수 있는 반응기가 도입된 링커, 산화/환원 전위를 조절하기 위한 전자 주개(electron donating group, EDG) 또는 전자 받개(electron withdrawing group, EWG) 작용기이다.
일 실시예에서, 상기 화학식 3의 테트라덴테이트 리간드는 아래 구조를 갖는 리간드 중 하나일 수 있다:
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000004
,
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000005
,
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000006
,
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000007
,
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000008
,
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000009
,
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000010
, 및
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000011
.
바람직하게, 상기 헤테로 고리 화합물은 2번 위치에서 아민기와 메틸렌기와 연결될 수 있고, 상기 3개의 헤테로 고리가 갖는 3개의 질소와, 상기 3개의 헤테로 고리를 서로 연결하는 중심의 1개의 질소가 전이금속 M과 연결될 수 있다.
구체적으로, 상기 화학식 1 내지 3의 R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 -H; -F; -Cl; -Br; -I; -NO2; -CN; -CO2H; -SO3H; -NHNH2; -SH; -OH; -NH2; -CH2OH; -CONHCH2CH2NH2; 또는 치환되거나 치환되어 있지 않은 알콕시카보닐, 알킬아미노카보닐, 다이알킬아미노카보닐, 알콕시, 알킬아미노, 다이알킬아미노, 알카닐아미노, 아릴카복시아미도, 하이드라지노, 알킬하이드라지노, 하이드록시아미노, 알콕시아미노, 알킬싸이오, 알케닐, 아릴 또는 알킬일 수 있다.
구체적으로, 상기 Lm1 및 Lm2는 모노덴테이트 리간드로서, 각각 독립적으로 -H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO2, -NCCH3, -CO, -OH2, -NH3 또는 질소원자를 하나이상 포함한 헤테로 고리 화합물일 수 있다.
구체적으로 상기 Lb- Lb 는 바이덴테이트 리간드이며, 카테콜, 아세틸아세톤, 2-피콜린산, 2-피리딘카복사마이드, 2,2’-바이피리딘 또는 2,2’-바이싸이아졸일 수 있다.
구체적인 일 양태로, 상기 헤테로 고리 화합물은 이미다졸, 피리딘, 피리미딘, 피라졸, 아이소옥사졸, 옥사졸, 싸이아졸, 벤조싸이아졸, 벤즈이미다졸, 벤조옥사졸 및 디아자플루오레논으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
구체적인 일 양태로, 상기 알콕시카보닐, 알킬아미노카보닐, 다이알킬아미노카보닐, 알콕시, 알킬아미노, 다이알킬아미노, 알카닐아미노, 아릴카복시아미도, 하이드라지노, 알킬하이드라지노, 하이드록시아미노, 알콕시아미노, 알킬싸이오, 알케닐, 아릴, 알킬 및 3환의 헤테로환이 치환되는 경우, 이들은 -F, -Cl, -Br, -I, -OH, oxo, 탄소수 1 내지 3의 알킬기 및 탄소수 1 내지 3의 알콕시기로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상, 바람직하게는 1 내지 3로 치환될 수 있다.
구체적인 일 양태로, 본 발명에 따른 화학식 1 또는 2의 전이금속 착체는 아래 표 1에 나타낸 전이금속 착체중 하나일 수 있다:
복합체 번호 전이금속 착체의 화학구조
18
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000012
19
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000013
20
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000014
21
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000015
22
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000016
23
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000017
24
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000018
25
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000019
26
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000020
27
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000021
28
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000022
29
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000023
30
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000024
31
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000025
32
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000026
33
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000027
34
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000028
35
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000029
또 다른 양태로서, 본 발명은 상기 전자전달매개체로서 유용한 전이금속 착체의 제조방법을 제공한다.본 발명에 따른 상기 전자전달매개체로 유용한 전이금속 착체는 전이금속의 염, 바람직하게는 오스뮴 염을 통해 제조될 수 있다.　 구체적인 일 예에서, 상기 전이금속의 염은 하기 화학식 4의 할로겐화된 전이금속의 암모늄염일 수 있고,
[화학식 4]
[(NH4)2MX6]
상기 식에서,
M은 Fe, Co, Ru, Os, Rh 및 Ir로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나일 수 있고;
X는 F, Cl, Br, 또는 I이다.
바람직하게, 상기 화학식 4의 할로겐화된 전이금속의 암모늄염은 화학식 5의 암모늄 헥사클로로오스메이트일 수 있으며, 이는 상업적으로 입수 가능하다.
[화학식 5]
[(NH4)2OsCl6]
일 실시예에서, 본 발명에 따른 전이금속 착체의 제조방법은 트리스-피리딘메틸아민계 리간드와 할로겐화 전이금속의 암모늄염을 사용하여 합성될 수 있다.　 구체적인 예로서, 오스뮴을 포함하는 착체의 경우, 다음의 단계를 포함할 수 있다:
a) 화학식 3으로 나타내어지는 테트라덴테이트 트리스-피리딘메틸아민계 리간드를 화학식 5의 할로겐화 오스뮴의 암모늄염에 도입하여 화학식 6의 오스뮴 착체를 합성하는 단계; 및
b) 화학식 6의 오스뮴 착체에 N-N 리간드, N-리간드, N-O 리간드 및 O-O 리간드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 모노덴테이트리간드 또는 바이덴테이트리간드를 도입하는 단계.
일 예로서, 상기 전이금속 착체는 하기 화학식 3으로 나타내어지는 테트라덴데이트 리간드를 포함하는 것일 수 있다.
[화학식 3]
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000030
상기 식에서 Ca, Cb 및 Cc는 각각 독립적으로 질소원자를 하나 이상 포함한 헤테로 고리 화합물이고;
R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 고분자에 연결할 수 있는 반응기가 도입된 링커이다.
첫번째 단계는 4가 이온 상태인 화학식 5의 오스뮴 염에 화학식 3의 트리스-피리딘메틸아민계 리간드를 도입하여, 3가 이온 상태인 화학식 6으로 표시되는 오스뮴 착물의 형태로 합성하는 단계이다.　
[화학식 6]
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000031
두 번째 단계는 첫 번째 단계에서 합성된 오스뮴 착물에 N-N 리간드, N-리간드, N-O 리간드 및 O-O 리간드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 모노덴테이트리간드 또는 바이덴테이트리간드를 도입하여 화학식 7 내지 11로 중 어느 하나로 표시되는 오스뮴 착물을 합성하는 단계이다.　 바람직하게, 두번째 단계에서는 합성된 화학식 6의 오스뮴 착물에 1개의 N-N 리간드, 2개의 N 리간드, 1개의 N 리간드, 1개의 N-O 리간드, 1개의 O-O 리간드가 도입될 수 있다.
[화학식 7]
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000032
[화학식 8]
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000033
[화학식 9]
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000034
[화학식 10]
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000035
[화학식 11]
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000036
일 예로서, 상기 N 리간드는 -NO2, -NCCH3, -NH3 또는 질소원자를 하나이상 포함한 헤테로 고리 화합물일 수 있다.
일 예로서, 상기 N-N 리간드는 2-피리딘카복사마이드, 2,2’-바이피리딘, 2,2’-바이싸이아졸 또는 2-피리딜메틸아민일 수 있다.
일 예로서, 상기 N-O 리간드는 2-피콜린산, 2-아미노페놀 또는 2-하이드록시메틸피리딘일 수 있다.
일 예로서, 상기 O-O 리간드는 카테콜 또는 아세틸아세톤일 수 있다.
본 발명에 따른 전자전달 매개체 전이금속 착체는 산화환원효소가 환원(글루코오스 산화)되어 얻은 전자를 전달하여 주는 역할을 하는 것으로, 폴리비닐피리딘 (Poly(vinylpyridine): PVP) 혹은 폴리비닐이미다졸 (Poly(vinylimidazole): PVI), 폴리알릴글라이시딜에터 (Poly allyl glycidyl ether: PAGE) 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상과 같은 중합체 골격(backbone)에 해당하는 고분자 매트릭스와 연결된 산화-환원 중합체 형태로 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 추가 일 양태는, 상기 전자전달 매개체용 전이금속 착체 및 중합체 골격을 포함하는 산화-환원 중합체에 관한 것이다.
일 예에서, 상기 산화-환원 중합체는 상기 중합체 골격과 유기계열 전자전달 매개체를 연결하는 링커 구조를 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 추가 일 양태는 액체성 생체시료를 산화환원시킬 수 있는 효소와 상기 전이금속 착체를 포함하는 전자전달 매개체를 포함하는 전기화학적 바이오센서용 센싱 막에 관한 것이다.　
산화환원효소는 생체의 산화환원반응을 촉매하는 효소를 총칭하는 것으로, 본 발명에서는 측정하고자 하는 대상물질, 예컨대 바이오센서의 경우에는 측정하고자 하는 대상물질과 반응하여 환원되는 효소를 의미한다. 이와 같이 환원된 효소는 전자 전달 매개체와 반응하며, 이 때 발생한 전류변화 등의 신호를 측정하여 대상물질을 정량하게 된다. 본 발명에 사용 가능한 산화환원효소는 각종 탈수소효소(dehydrogenase), 산화효소(oxidase), 에스테르화효소(esterase) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 것일 수 있으며, 산화환원 또는 검출 대상 물질에 따라서, 상기 효소 군에 속하는 효소들 중에서 상기 대상 물질을 기질로 하는 효소를 선택하여 사용할 수 있다.
보다 구체적으로 상기 산화환원효소는 글루코오스탈수소효소(glucose dehydrogenase), 글루탐산탈수소효소(glutamate dehydrogenase), 글루코오스산화효소(glucose oxidase), 콜레스테롤산화효소(cholesterol oxidase), 콜레스테롤에스테르화효소(cholesterol esterase), 락테이트산화효소(lactate oxidase), 아스코르브산 산화효소(ascorbic acid oxidase), 알코올산화효소(alcohol oxidase), 알코올탈수소효소(alcohol dehydrogenase), 빌리루빈산화효소(bilirubin oxidase) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
한편, 상기 산화환원효소는 측정하고자 하는 대상물질(예컨대, 대상물질)로부터 산화환원효소가 뺏어온 수소를 보관하는 역할을 하는 보조인자 (cofactor)를 함께 포함할 수 있는데, 예컨대, 플라빈 아데닌 디뉴클레오타티드 (flavin adenine dinucleotide, FAD), 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 (nicotinamide adenine dinucleotide, NAD), 피롤로퀴놀린 퀴논 (Pyrroloquinoline quinone, PQQ) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
예컨대, 혈중 글루코오스 농도를 측정하고자 하는 경우, 상기 산화환원효소로서 글루코오스 탈수소효소(glucose dehydrogenase, GDH)를 사용할 수 있으며, 상기 글루코오스 탈수소효소는 보조인자로서 FAD를 포함하는 플라빈아데닌디뉴클레오티드-글루코오스탈수소효소(flavin adenine dinucleotide- glucose dehydrogenase, FAD-GDH), 및/또는 보조인자로서 FAD-GDH를 포함하는 니코틴아미드아데닌디뉴클레오티드-글루코오스탈수소효소 (nicotinamide adenine dinucleotide- glucose dehydrogenase)일 수 있다.
구체예에서, 상기 사용 가능한 산화환원효소는 FAD-GDH (예컨대, EC 1.1.99.10 등), NAD-GDH (예컨대, EC 1.1.1.47 등), PQQ-GDH (예컨대, EC1.1.5.2 등), 글루탐산탈수소효소 (예컨대, EC 1.4.1.2 등), 글루코오스산화효소 (예컨대, EC 1.1.3.4 등), 콜레스테롤산화효소 (예컨대, EC 1.1.3.6 등), 콜레스테롤에스테르화효소 (예컨대, EC 3.1.1.13 등), 락테이트산화효소 (예컨대, EC 1.1.3.2 등), 아스코빅산산화효소 (예컨대, EC 1.10.3.3 등), 알코올산화효소 (예컨대, EC 1.1.3.13 등), 알코올탈수소효소 (예컨대, EC 1.1.1.1 등), 빌리루빈산화효소 (예컨대, EC 1.3.3.5 등) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
가장 바람직하게, 상기 산화환원효소는 37℃ 완충용액에서 1주일 동안 70% 이상의 활성도를 유지할 수 있는 글루코오스 탈수소효소이다.
본 발명에 따른 센싱 막은 산화환원효소 100 중량부를 기준으로 산화-환원 중합체 20 내지 700 중량부, 예컨대 60 내지 700 중량부 또는 30 내지 340 중량부를 함유할 수 있다. 상기 산화-환원 중합체의 함량은 산화환원효소의 활성도에 따라서 적절히 조절할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 센싱 막은 막 성능의 증가를 위해 카본 나노튜브를 더 포함할 수 있다.　 구체적으로, 카본 나노튜브는 전이금속착체, 특히 오스뮴과 함께 사용시 전자전달속도가 증가되어 센싱 막의 성능을 더욱 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 센싱 막은 가교제를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 센싱 막은 계면활성제, 수용성 고분자, 4차 암모늄염, 지방산, 점증제 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 시약 용해시의 분산제, 시약 제조시의 점착제, 장기 보관의 안정제 등의 역할을 위하여 추가로 포함할 수 있다.
상기 계면활성제는 조성물을 분주할 때 조성물이 전극위에서 골고루 퍼져서 균일한 두께로 분주되게 하는 역할을 하는 것일 수 있다. 상기 계면활성제로 트리톤 X-100 (Triton X-100), 소듐도데실설페이트 (sodium dodecyl sulfate), 퍼플루오로옥탄설포네이트 (perfluorooctane sulfonate), 소듐스테아레이트 (sodium stearate) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.　 본 발명에 따른 시약 조성물은, 시약을 분주할 때 시약이 전극위에서 골고루 퍼져서 시약이 균일한 두께로 분주되게 하는 역할을 적절하게 수행하도록 하기 위하여, 상기 계면활성제를 산화환원효소 100 중량부를 기준으로 3 내지 25 중량부, 예컨대 10 내지 25 중량부의 양으로 함유할 수 있다. 예컨대, 활성도가 700 U/mg인 산화환원효소를 사용하는 경우 산화환원효소 100 중량부를 기준으로 계면활성제 10 내지 25 중량부를 함유할 수 있으며, 산화환원효소의 활성도가 이보다 높아지면, 계면활성제의 함량을 이보다 낮게 조절할 수 있다.
상기 수용성 고분자는 시약 조성물의 고분자 지지체로서 효소의 안정화 및 분산(dispersing)을 돕는 역할을 수행하는 것일 수 있다. 상기 수용성 고분자로는 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone; PVP), 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol; PVA), 폴리플루오로설포네이트(polyperfluoro sulfonate), 하이드록시에틸 셀룰로오즈(hydroxyethyl cellulose; HEC), 하이드록시프로필 셀룰로오즈(hydroxypropyl cellulose; HPC), 카르복시메틸 셀룰로오즈(carboxy methyl cellulose; CMC), 셀룰로오즈 아세테이트(cellulose acetate), 폴리아미드 (polyamide) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.　 본 발명에 따른 시약 조성물은, 산화환원효소의 안정화 및 분산 (dispersing)을 돕는 역할을 충분하고 적절하게 발휘하도록 하기 위하여, 상기 수용성 고분자를 산화환원효소 100 중량부를 기준으로 10 내지 70 중량부, 예컨대 30 내지 70 중량부의 양으로 함유할 수 있다. 예컨대, 활성도가 700 U/mg인 산화환원효소를 사용하는 경우 산화환원효소 100 중량부를 기준으로 수용성 고분자 30 내지 70 중량부를 함유할 수 있으며, 산화환원효소의 활성도가 이보다 높아지면, 수용성 고분자의 함량을 이보다 낮게 조절할 수 있다.
상기 수용성 고분자는 지지체 및 효소의 안정화 및 분산 (dispersing)을 돕는 역학을 효과적으로 수행하기 위하여 중량평균분자량이 2,500 g/mol 내지 3,000,000 g/mol 정도, 예컨대, 5,000 g/mol 내지 1,000,000 g/mol 정도일 수 있다.
상기 점증제는 시약을 전극에 견고하게 부착하도록 하는 역할을 한다. 상기 점증제로는 나트로졸, 디에틸아미노에틸-덱스트란 하이드로클로라이드 (DEAE-Dextran hydrochloride) 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 전기화학적 센서는, 본 발명에 따른 산화-환원 중합체가 전극에 견고하게 부착되도록 하기 위하여, 상기 점증제를 산화환원효소 100 중량부를 기준으로 10 내지 90 중량부, 예컨대 30 내지 90 중량부의 양으로 함유할 수 있다. 예컨대, 활성도가 700 U/mg인 산화환원효소를 사용하는 경우 산화환원효소 100 중량부를 기준으로 점증제 30 내지 90 중량부를 함유할 수 있으며, 산화환원효소의 활성도가 이보다 높아지면, 점증제의 함량을 이보다 낮게 조절할 수 있다.
또 다른 양태로서, 본 발명은 이러한 유기전자전달매개체를 포함하는 장치, 바람직하게, 삽입가능한 장치, 보다 구체적으로는 인체 내에 삽입가능한 장치일 수 있다.　 또한 바람직하게, 상기 장치는 전기화학적 바이오센서일 수 있고, 더욱 바람직하게 전기화학적 글루코오스(혈당)센서일 수 있다.
구체적으로, 상기 전기화학적 바이오센서의 종류에는 제한이 없으나, 바람직하게는 연속적인 혈당 모니터링 센서일 수 있다.
이러한 연속적인 혈당 모니터링 센서의 구성으로, 본 발명은, 예를 들어 전극, 절연체(insulator), 기판, 상기 산화-환원 중합체 및 산화환원효소를 포함하는 센싱 막(sensing layer), 확산 막(diffusion layer), 보호 막(protection layer) 등을 포함할 수 있다.　 전극의 경우, 작동 전극 및 대향 전극과 같은 2종의 전극을 포함할 수도 있고, 작동 전극, 대향 전극 및 기준 전극과 같은 3종의 전극을 포함할 수도 있다.　 일 구현예에서, 본 발명에 따른 바이오센서는, 적어도 두개, 바람직하게는 두개 또는 세개의 전극을 갖춘 기판에, 상기 화학식 1의 유기계열 전자전달매개체를 포함하는 산화-환원 중합체와 액체성 생체시료를 산화환원시킬 수 있는 효소를 포함하는 시약 조성물을 도포한 후 건조하여 제작한 전기화학적 바이오센서일 수 있다.　 예를 들면, 전기화학적 바이오센서에 있어서 작동 전극 및 대향 전극이 기판의 서로 반대면에 구비되고, 상기 작동 전극 위에 본 발명에 따른 유기계열 전자전달매개체를 갖는 산화-환원 중합체가 포함되는 센싱 막이 적층되고, 작동 전극 및 대향 전극이 구비된 기판의 양쪽 면에 차례로 절연체, 확산막 및 보호막이 적층되는 것을 특징으로 하는 평면형 전기화학적 바이오센서가 제공된다.
구체적인 양태로서, 상기 기판은 PET(polyethylene terephthalate), PC(polycarbonate) 및 PI(polyimide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 소재로 된 것일 수 있다.
또한, 작동 전극은 탄소, 금, 백금, 은 또는 은/염화은 전극을 사용할 수 있다.
또한, 2 전극을 갖는 전기화학적 바이오센서의 경우 대향 전극이 기준 전극의 역할까지 같이 하기 때문에, 대향 전극으로 금, 백금, 은 또는 은/염화은 전극을 사용할 수 있고, 기준 전극까지 포함하는 3 전극의 전기화학적 바이오센서의 경우, 기준 전극으로 금, 백금, 은 또는 은/염화은 전극을 사용할 수 있고, 대향 전극으로 탄소 전극을 사용할 수 있다.
확산막으로는 Nafion, cellulose acetate, silicone rubber를 사용할 수 있으며, 보호막으로는 silicone rubber, polyurethane, polyurethane 기반 copolymer 등을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
제한되지 않은 예로서, 2 전극인 경우 대향전극이 기준전극의 역할까지 같이 하기 때문에 염화은 또는 은이 사용될 수 있으며, 3 전극일 경우 기준전극이 염화은 또는 은이 사용되고, 대향 전극은 탄소 전극을 사용할 수 있다.
본 발명의 구체예는 전기화학적 바이오센서의 적용 가능한 예로서 글루코오스를 측정하기 위한 바이오센서를 예시하고 있지만, 본 발명의 시약조성물에 포함되는 효소의 종류를 달리함으로써 콜레스테롤, 락테이트, 크레아티닌, 과산화수소, 알코올, 아미노산, 글루타메이트와 같은 다양한 물질의 정량을 위한 바이오센서에 적용할 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실험재료
상업적으로 구입한 용매와 시약은 더 이상의 정제 과정을 거치지 아니하고 사용하였다. 금속 착물 정제를 위한 알루미나의 경우에는 Aldrich 사의 중성 알루미나를 10mL 파이펫을 이용하여 필터하였다. 착물의 클로라이드 짝이온 교환을 위한 레진의 경우 Aldrich 사의 Dowex 1x4 chloride form, 50-100mesh를 사용하였다.
1H-NMR 및 13C-NMR 스펙트럼은 Varian Inova 400(1H에 대해 400 MHz, 13C에 대해 100 MHz) 을 사용하여 얻었다. 모든 화학적 이동은 테트라메틸 실란 피크(δ 0.00) 이나 듀테로화 클로로포름(1H NMR에서 CDCl3에 대해 δ7.26, 13C NMR에서 CDCl3에 대해 δ77.16), 듀테로화 디메틸아세트아미드(1H NMR에서 DMSO에 대해 δ2.50, 13C NMR에서 DMSO에 대해 δ39.52) 비례 하여 결정하였다. 질량 스펙트럼은 서강대학교의 유기화학 연구센터에서 ThermoFisher Scientific 사의 LTQ XL 모델의 저분해능의 경우 ESI-Iontrap, 고분해능의 경우 ESI-orbitrap 질량 분석기를 통해 얻었다.
실시예 1. TPMA 리간드의 합성
다양한 작용기를 가지는 TPMA 리간드들을 도 1에 나타낸 합성경로에 따라 합성하였다. 비스-2-피리딜메틸아민(1)과 트리스-2-피리딜 메틸아민(10)은 2-피리딜알데하이드와 2-피리딜메틸아민 사이의 reductive amination을 통해 합성했다. 다른 리간드(11, 12, 15, 16)들은 문헌에 알려진 방법(Kojima, T.; Fukuzumi, S. Chem. Eur. J. 2007, 13, 8212 - 8222)을 약간 변형하여 합성하였다. 4번 위치에 다양한 작용기를 가지는 2-클로로메틸피리딘 하이드로클로라이드를 비스-2-피리딜메틸아민(1)과 1:1비율로 Sn2반응 또는 2-피리딜메틸아민과 1:2 비율로 Sn2반응하여 합성했다.　 또한 13번은 에스터를 환원하여 합성하였고, 14번은 과량의 에틸렌다이아민과 aminolysis반응을 거쳐 합성하였다. 합성한 대부분의 TPMA 리간드들은 세개의 피리딘 고리를 가지고 있어 강한 염기성을 띠어 실리카를 이용한 컬럼크로마토그래피를 통해서는 정제할 수 없어서 염기성 또는 중성 알루미나를 이용한 컬럼 크로마토그래피를 통해서 정제하였다.
1-1. Bis(2-pyridiylmethyl)amine (1)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000037
둥근 바닥 플라스크에 2-피리딜알데하이드(3.0 g, 27 mmol)와 2-아미노메틸피리딘(3.0 g, 27 mmol)을 넣고 메탄올(25 mL)을 넣는다. 상온에서 3시간 동안 교반시키고, NaBH4 (3.1 g, 81 mmol)를 0 ℃에서 천천히 넣어준다. 첨가가 끝나면 상온에서 4시간 교반한다. 반응이 완전히 진행된 것을 확인하면 10% 염산 수용액을 넣어 반응을 종결시킨다. 회전 증발 건조기를 이용하여 용액을 농축시키고, NaCO3 포화수용액을 첨가하여 pH를 9까지 맞춘다. 분별 깔때기로 옮긴 후, 물 층을 CH2Cl2로 3번 추출한다. 이후 모은 유기층에 무수 MgSO4를 넣어 물을 제거하고 감압 하에 유리 필터를 이용하여 건조제를 걸러낸다. 회전 증발 건조기를 이용하여 유기 용매를 제거한다. 이를 통해 노란색 오일 형태의 생성물 1를 얻었다; (5.4 g, 98%); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.57 (d, J = 4.8 Hz, 2H), 7.65 (dd, J = 7.2, 4.8 Hz, 2H), 7.37 (d, J = 7.6 Hz, 2H), 7.17 (d, J = 5.2, 7.2 Hz, 2H), 3.99 (s, 4H)
1-2. 2,4-Diethoxycarbonylpyridine (2)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000038
둥근바닥플라스크에 2,4-피리딘다이카복실산(5g, 30 mmol)을 넣고 에탄올(250 mL)을 넣어 녹인다. 반응 플라스크에 진한 황산(3.28 mL)를 넣은 후 환류 관을 설치하여 24시간 동안 80 ℃에서 환류하며 교반한다. 반응 플라스크를 상온까지 식힌 다음, 회전 증발 건조기를 이용하여 에탄올을 제거한다. NaCO3 포화수용액을 첨가하고 분별 깔때기로 옮긴 후, 물 층을 CH2Cl2로 3번 추출한다. 이후 모은 유기층에 무수 MgSO4를 넣어 물을 제거하고 감압 하에 유리 필터를 이용하여 건조제를 걸러낸다. 회전 증발 건조기를 이용하여 유기 용매를 제거한다. 이를 통해 하얀색 고체 형태의 생성물 2를 얻었다; (6.5 g, 97%); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.92 (d, J = 5.6 Hz, 1H), 8.65 (s, 1H), 8.04 (d, J = 6.0 Hz, 1H), 4.52 (q, J = 6.4 Hz, 2H), 4.46 (q, J = 5.6 Hz, 2H), 1.48 (t, J = 6.0 Hz, 3H), 1.43 (t, J = 6.0 Hz, 3H)
1-3. 4-Ethoxycarbonyl-2-hydroxymethylpyridine (3)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000039
둥근 바닥 플라스크에 시작 물질(2)(6.0 g, 27 mmol)와 NaBH4(0.664g, 35 mmol)을 넣고 에탄올(50 mL)을 넣어 녹인다. 반응 플라스크에 CaCl2(3.0 g, 27mmol)를 에탄올에 녹여서 0 ℃에서 천천히 넣어준다. 첨가가 끝나면 0 ℃에서 2시간 30분 교반한다. 반응이 완전히 진행된 것을 확인하면 진한 황산을 넣어 반응을 종결시킨다. 유리 필터를 이용하여 하얀 침전물을 걸러내고, 회전 증발 건조기를 이용하여 용액을 농축시킨다. NaCO3 포화수용액을 첨가하고 분별 깔때기로 옮긴 후, 물 층을 CH2Cl2로 3번 추출한다. 이후 모은 유기층에 무수 MgSO4를 넣어 물을 제거하고 감압 하에 유리 필터를 이용하여 건조제를 걸러낸다. 회전 증발 건조기를 이용하여 유기 용매를 제거한다. 이를 통해 연한 노란색 고체 생성물 3를 얻었다; (3.1 g, 64%); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.96 (d, J = 5.6 Hz, 1H), 8.42 (s, 1H), 8.34 (d, J = 5.6 Hz, 1H), 5.22 (s, 2H), 4.53 (q, J = 7.2 Hz, 2H), 1.47 (t, J = 6.8 Hz, 3H)
1-4. 4-Ethoxycarbonyl-2-chloromethylpyridine hydrochloride (4)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000040
둥근 바닥 플라스크에 시작 물질(3)(2.9 g, 16 mmol)을 넣고 CH2Cl2(30 mL)을 넣어 녹인다. 반응 플라스크에 싸이오닐 클로라이드(9.5 g, 80 mmol)를 CH2Cl2(15 mL)에 희석시킨 뒤 천천히 넣어준다. 첨가가 끝나면 상온에서 밤새 교반한다. 반응이 완전히 진행된 것을 확인하면 회전 증발 건조기를 이용하여 용매를 제거한다. 이를 통해 하얀색 고체 생성물 4를 얻었다; (3.616 g, 90%); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.82 (d, J = 6.0 Hz, 1H), 8.55 (s, 1H), 8.35 (d, J = 6.4 Hz, 1H), 5.24 (s, 2H), 4.54 (q, J = 7.6 Hz, 2H), 1.48 (t, J = 7.2 Hz, 3H)
1-5. 4-Methoxy-2-hydroxymethylpyridine (5)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000041
둥근 바닥 플라스크에 4-메톡시피리딘-2-카복실레이트(4.95g, 29 mmol)와 NaBH4(1.45 g, 44 mmol)을 넣고 에탄올(40 mL)을 넣어 녹인다. 반응 플라스크에 CaCl2(3.28 g, 29 mmol)를 에탄올에 녹여서 0 ℃에서 천천히 넣어준다. 첨가가 끝나면 -5 ℃에서 2시간 30분 교반한다. 반응이 완전히 진행된 것을 확인하면 진한 황산을 넣어 반응을 종결시킨다. 유리 필터를 이용하여 하얀 침전물을 걸러내고, 회전 증발 건조기를 이용하여 용액을 농축시킨다. NaCO3 포화수용액을 첨가하고 분별 깔때기로 옮긴 후, 물 층을 CH2Cl2로 3번 추출한다. 이후 모은 유기층에 무수 MgSO4를 넣어 물을 제거하고 감압 하에 유리 필터를 이용하여 건조제를 걸러낸다. 회전 증발 건조기를 이용하여 유기 용매를 제거한다. 이를 통해 하얀색 고체 생성물 5를 얻었다; (2.14 g, 53%); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.37 (d, J = 4.0 Hz, 1H), 6.78 (s, 1H), 6.74 (d, J = 3.2 Hz, 1H), 4.71 (s, 2H), 3.86 (s, 3H)
1-6. 4-Methoxy-2-chloromethylpyridine hydrochloride (6)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000042
둥근 바닥 플라스크에 시작 물질(5) (1.60 g, 11 mmol)을 넣고 CH2Cl2(20 mL)을 넣어 녹인다. 반응 플라스크에 싸이오닐 클로라이드(6.83 g, 57 mmol)를 CH2Cl2(10 mL)에 희석시킨 뒤 천천히 넣어준다. 첨가가 끝나면 상온에서 밤새 교반한다. 반응이 완전히 진행된 것을 확인하면 회전 증발 건조기를 이용하여 용매를 제거한다. 이를 통해 하얀색 고체 생성물 6를 얻었다; (2.11 g, 95%); 1H NMR (400 MHz, CD3CN) δ 8.42 (d, J = 6.8 Hz, 1H), 7.43 (s, 1H), 7.31 (d, J = 6.4 Hz, 1H), 4.98 (s, 2H), 4.06 (s, 3H)
1-7. 2-(Hydroxymethyl)-4-pyridinecarboxamide (7)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000043
둥근 바닥 플라스크에 시작 물질(3)(1.60 g, 11 mmol)을 넣고 에탄올(10 mL)을 넣어 녹인다. 반응 플라스크에 30% 암모니아수(30 mL)를 천천히 넣어준다. 첨가가 끝나면 상온에서 24시간 교반한다. 반응이 완전히 진행된 것을 확인하면 회전 증발 건조기를 이용하여 용매를 제거한다. 이 후 추가 정제과정 없이 다음 반응에 사용했다. 이를 통해 하얀색 고체 생성물 7를 얻었다; (0.78 g, 90%); 1H NMR (400 MHz, DMSO) δ 8.60 (d, J = 4.0 Hz, 1H), 8.42 (d, J = 4.0 Hz, 1H, NH1), 7.89 (s, 1H), 7.63(d, J = 4.0 Hz, 1H), 7.53(d, J = 4.0 Hz, 1H, NH2), 4.61 (s, 2H)
1-8. 4-Cyano-2-chloromethylpyridine (8)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000044
둥근 바닥 플라스크에 시작 물질(7)(94 mg, 0.55 mmol)을 넣고 증류하여 정제한 DMF (3 mL)을 넣어 녹인다. 반응 플라스크에 싸이오닐 클로라이드 (325 mg, 2.8 mmol)를 DMF (6 mL)에 희석시킨 뒤 0 ℃에서 천천히 넣어준다. 첨가가 끝나면 상온에서 12시간 교반한다. NaCO3 포화수용액을 첨가하여 중화하여 반응을 종결한다. 플라스크의 생성물을 분별 깔때기로 옮긴 후, 물 층을 에틸 아세테이트로 3번 추출한다. 이후 유기층을 DMF가 모두 제거될 때까지 물로 씻어준다. 모은 유기층에 무수 MgSO4를 넣어 물을 제거하고 감압 하에 유리 필터를 이용하여 건조제를 걸러낸다. 회전 증발 건조기를 이용하여 유기 용매를 제거한다. 반응이 완전히 진행된 것을 확인하면 회전 증발 건조기를 이용하여 용매를 제거한다. 이를 통해 갈색 오일 형태의 생성물 8를 얻었다; (695 mg, 70%); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 7.76 (d, J = 4.8 Hz, 1H), 7.76 (s, 1H), 7.50 (d, J = 4.8 Hz, 1H), 4.73 (s, 2H), 13C NMR (100 MHz, CDCl3) δ 158.28, 150.32, 124.46, 124.29, 121.47, 116.12 and 45.63
1-9. 2-thiazoylmethylamine (9)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000045
둥근 바닥 플라스크에 NH2OH.HCl (2.3 g, 30 mmol), 2-싸이아졸카복시알데하이드(2.5 g, 20 mmol), NaOH (2.6 g, 60 mmol)를 넣고 에탄올(20 mL) 과 증류수(4 mL)를 넣어 녹인다. 반응 플라스크에 환류관을 설치하고 30분간 80 oC에서 교반하며 환류한다. 상온까지 식힌 후 2N 염산을 첨가하여 pH 4가 될 때까지 산성화시킨다. 플라스크의 생성물을 분별 깔때기로 옮긴 후, 물 층을 Et2O로 2회 추출한다. 이후 모은 유기층에 무수 MgSO4를 넣어 물을 제거하고 감압 하에 유리 필터를 이용하여 건조제를 걸러낸다. 회전 증발 건조기를 이용하여 유기 용매를 제거한다. 이를 통해 하얀색 고체의 중간생성물을 얻는다. 이 중간생성물에 에탄올(30 mL)와 30% 암모니아수(60 mL)를 넣어 녹인다. Zinc dust (10.1 g, 200 mmol)와 암모늄 아세테이트(1.3 g, 20 mmol)를 차례로 넣어주고 환류관을 설치하고 30분간 80 oC에서 교반하며 환류한다. 상온까지 식힌 후 유리 필터를 이용하여 걸러준다. 걸러준 용액을 물을 첨가하여 희석하고 분별 깔대기로 옮긴 후, CH2Cl2로 3회 추출한다. 이후 모은 유기층에 무수 MgSO4를 넣어 물을 제거하고 감압 하에 유리 필터를 이용하여 건조제를 걸러낸다. 회전 증발 건조기를 이용하여 유기 용매를 제거한다. 이를 통해 노란색 오일 형태의 생성물 9를 얻었다; (0.8 g, 35%); 1H NMR (400 MHz, DMSO) δ 7.68 (d, J = 3.2 Hz, 1H), 7.55 (d, J = 3.2 Hz, 1H), 3.98 (s, 2H), 2.32 (br, 2H)
1-10. Tris(2-pyridiylmethyl)amine (10)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000046
둥근 바닥 플라스크에 시작 물질(1)(1.05 g, 5.3 mmol)과 2-피리딜알데하이드(0.63 g, 5.3 mmol)을 넣고 메탄올(15 mL)을 넣는다. 상온에서 2시간 동안 교반시키고, NaBH4 (0.61 g, 16 mmol)를 0 ℃에서 천천히 넣어준다. 첨가가 끝나면 상온에서 12시간 교반한다. 반응이 완전히 진행된 것을 확인하면 10% 염산 수용액을 넣어 반응을 종결시킨다. 회전 증발 건조기를 이용하여 용액을 농축시키고, NaCO3 포화수용액을 첨가하여 pH를 9까지 맞춘다. 분별 깔때기로 옮긴 후, 물 층을 CH2Cl2로 3번 추출한다. 이후 모은 유기층에 무수 MgSO4를 넣어 물을 제거하고 감압 하에 유리 필터를 이용하여 건조제를 걸러낸다. 회전 증발 건조기를 이용하여 유기 용매를 제거한다. 이 후 Et2O로 재결정을 통해 정제하여 무색 결정의 생성물 10를 얻었다; (1.2 g, 78%); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.53 (d, J = 4.4 Hz, 3H), 7.65 (dd, J = 5.0, 7.6 Hz, 3H), 7.58 (d, J = 7.6 Hz, 3H), 7.15 (dd, J = 5.6, 7.2 Hz, 3H), 3.88 (s, 6H)
1-11. 2-(Bis(4,4’-ethoxycarbonyl-2,2’-pyridinyl)methylamino)methylpyridine (11)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000047
둥근 바닥 플라스크에 시작 물질(4)(1.0 g, 4.25 mmol), 2-피리딜메틸아민(0.21 g, 1.93 mmol), Na2CO3(4.5 g, 42.5 mmol)와 acetonitrile (20 mL)를 넣는다. 반응 플라스크에 환류대를 설치하고 80oC에서 12시간 교반하며 환류한다. 반응이 끝나면 상온까지 식힌 후 유리 필터를 이용하여 과량의 Na2CO3를 제거한다. 회전 증발 건조기를 이용하여 용액을 농축시키고, 진한 붉은 오일 형태의 혼합물을hexane : EtOAc = 2 : 5 의 조성을 갖는 전개액을 사용하여 염기성 알루미나를 통한 칼럼 크로마토그래피로 정제하여 붉은색 오일 형태의 생성물 11을 얻었다; (0.55 g, 65%); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.68 (d, J = 5.2 Hz, 2H), 8.54 (d, J = 5.0 Hz, 1H), 8.10 (s, 2H), 7.70 (d, 2H), 7.69 (dd, 1H), 7.60 (d, J = 3.6 Hz, 1H), 7.16 (dd, J = 6.0, 7.2 Hz, 1H), 4.42 (q, J = 7.2 Hz, 4H), 3.99 (s, 2H), 3.93 (s, 4H) 1.42 (t, J = 7.2 Hz, 6H)
1-12. 2-(Bis(2-pyridinyl)methylamino)methyl-4-ethoxycarbonylpyridine (12)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000048
둥근 바닥 플라스크에 시작 물질(1)(0.35 g, 1.77 mmol), 시작 물질(4)(0.5 g, 1.94 mmol), Na2CO3(2.2 g, 19.4 mmol)와 acetonitrile (15 mL)를 넣는다. 반응 플라스크에 환류대를 설치하고 80oC에서 12시간 교반하며 환류한다. 반응이 끝나면 상온까지 식힌 후 유리 필터를 이용하여 과량의 Na2CO3를 제거한다. 회전 증발 건조기를 이용하여 용액을 농축시키고, 진한 붉은 오일 형태의 혼합물을acetonitrile을 전개액으로 사용하여 염기성 알루미나를 통한 칼럼 크로마토그래피로 정제하여 진한 주황색 오일 형태의 생성물 12을 얻었다; (0.53 g, 82%); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.68 (d, J = 4.8 Hz, 1H), 8.54 (d, J = 4.0 Hz, 2H), 8.12 (s, 1H), 7.69 (d, J = 4.0 Hz, 1H), 7.65 (dd, 2H), 7.60 (d, J = 7.6 Hz, 2H), 7.15 (dd, J = 6.0, 7.2 Hz, 2H), 4.42 (q, J = 6.8 Hz, 2H), 3.96 (s, 2H), 3.89 (s, 4H) 1.42 (t, J = 6.8 Hz, 3H)
1-13. 2-(Bis(2-pyridinyl)methylamino)methyl-4-hydroxymethylpyridine (13)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000049
둥근 바닥 플라스크에 시작 물질(12)(100 mg, 0.28 mmol)을 넣고 에탄올(10 mL)를 넣고 녹인다. NaBH4(21 mg, 0.84 mmol)을 0oC에서 천천히 넣고 모두 첨가하면 상온에서 12시간 교반한다. 12시간 후에 포화 암모늄 클로라이드 수용액을 넣어 반응을 종결시킨다. 유리 필터를 이용하여 하얀 침전물을 걸러내고, 회전 증발 건조기를 이용하여 용액을 농축시킨다. NaCO3 포화수용액을 첨가하고 분별 깔때기로 옮긴 후, 물 층을 CH2Cl2로 3번 추출한다. 이후 모은 유기층에 무수 MgSO4를 넣어 물을 제거하고 감압 하에 유리 필터를 이용하여 건조제를 걸러낸다. 회전 증발 건조기를 이용하여 유기 용매를 제거한다. 이를 통해 연한 노란색 오일 형태의 생성물 13를 얻었다; (40 mg, 45%); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.51 (d, J = 4.8 Hz, 2H), 8.47 (d, J = 5.2 Hz, 1H), 7.64 (dd, J = 3.6, 4.0 Hz 2H), 7.59 (d, J = 5.2 Hz, 2H), 7.55 (s, 1H), 7.16 (d, J = 5.2 Hz, 1H), 7.13 (dd, J = 3.2, 3.2 Hz, 2H), 4.73 (s, 2H), 3.88 (s, 2H), 3.86 (s, 4H)
1-14. 2-(Bis(2-pyridinyl)methylamino)methyl-4-(2-aminoethyl)pyridine carboxamide (14)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000050
둥근 바닥 플라스크에 시작 물질(12)(1.35 g, 3.7 mmol)을 최소량의 CH2Cl2에 녹여서 정제된 에틸렌다이아민(22.5 g, 370 mmol)에 천천히 첨가한다. 반응 플라스크에 환류대를 설치하고 80oC에서 16시간 교반한다. 반응이 끝나면 상온까지 식힌 후 물 30 mL를 부어준다. 플라스크의 생성물을 분별 깔대기로 옮긴 후, 물 층을 CH2Cl2로 3번 추출한다. 이후 모은 유기층에 무수 MgSO4를 넣어 물을 제거하고 감압 하에 유리 필터를 이용하여 건조제를 걸러낸다. 회전 증발 건조기를 이용하여 유기 용매를 제거한다. 이를 통해 연한 노란색 오일 형태의 생성물 14를 얻었다; (1.20 g, 86%); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.62 (d, J = 4.0 Hz, 1H), 8.54 (d, J = 8.0 Hz, 2H), 8.23 (s, 1H), 7.64 (dd, J = 8.0, 8.0 Hz, 2H), 7.55 (d, J = 4.0 Hz, 1H), 7.49 (d, J = 8.0 Hz, 2H), 7.43 (br, 1H), 7.15 (dd, J = 6.0, 6.0 Hz, 2H), 3.93 (s, 2H), 3.87 (s, 4H), 3.55 (t, J = 8.0 Hz, 2H), 2.98 (t, J = 8.0 Hz, 2H)
1-15. 2-(bis(4,4’-methoxy-2,2’-pyridinyl)methylamino)methylpyridine (15)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000051
둥근 바닥 플라스크에 시작 물질(6)(1.0 g, 5.18 mmol), 2-피리딜메틸아민(0.28 g, 2.59 mmol), Na2CO3(2.7 g, 25.9 mmol)와 acetonitrile (20 mL)를 넣는다. 반응 플라스크에 환류대를 설치하고 80oC에서 12시간 교반하며 환류한다. 반응이 끝나면 상온까지 식힌 후 유리 필터를 이용하여 과량의 Na2CO3를 제거한다. 회전 증발 건조기를 이용하여 용액을 농축시키고, 진한 붉은 오일 형태의 혼합물을 acetonitrile을 전개액으로 사용하여 중성 알루미나를 통한 칼럼 크로마토그래피로 정제하여 주황색 오일 형태의 생성물 15을 얻었다; (0.54 g, 60%); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.55 (d, J = 4.8 Hz, 1H), 8.34 (d, J = 5.6 Hz, 2H), 7.64(dd, J = 4.8, 4.4 Hz, 1H), 7.58 (d, J = 4.0 Hz, 1H), 7.21 (s, 2H), 7.15 (dd, J = 5.2, 4.4 Hz, 1H), 6.68 (d, J = 3.2 Hz, 2H), 3.90 (s, 2H), 3.85 (s, 4H) 3.84 (s, 6H)
1-16. 2-(bis(4,4’-cyano-2,2’-pyridinyl)methylamino)methylpyridine (16)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000052
둥근 바닥 플라스크에 시작 물질(8)(54 mg, 0.345 mmol), 2-피리딜메틸아민(17 mg, 0.157 mmol), Na2CO3(166 mg, 1.57 mmol)와 acetonitrile (10 mL)를 넣는다. 반응 플라스크에 환류대를 설치하고 80oC에서 12시간 교반하며 환류한다. 반응이 끝나면 상온까지 식힌 후 유리 필터를 이용하여 과량의 Na2CO3를 제거한다. 회전 증발 건조기를 이용하여 용액을 농축시키고, 진한 붉은 오일 형태의 혼합물을acetonitrile을 전개액으로 사용하여 중성 알루미나를 통한 칼럼 크로마토그래피로 정제하여 노란색 오일 형태의 생성물 16을 얻었다; (36 mg, 68%); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.73 (d, J = 5.2 Hz, 2H), 8.58 (d, J = 4.4 Hz, 1H), 7.80 (s, 2H), 7.70 (dd, J = 6.8, 5.2 Hz, 1H), 7.46 (d, J = 5.2 Hz, 1H), 7.41 (d, J = 4.4 Hz, 2H), 7.20 (dd, J = 7.2, 4.4 Hz, 1H), 3.99 (s, 4H), 3.91 (s, 2H)
1-17. 2-(Bis(4,4’-ethoxycarbonyl-2,2’-pyridinyl)methylamino)methylthiazole (17)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000053
둥근 바닥 플라스크에 시작 물질(4)(0.45 g, 1.929 mmol), 시작 물질(9)(0.1 g, 0.877 mmol), Na2CO3(2.04 g, 19.3 mmol)와 acetonitrile (15 mL)를 넣는다. 반응 플라스크에 환류대를 설치하고 80oC에서 36시간 교반하며 환류한다. 반응이 끝나면 상온까지 식힌 후 유리 필터를 이용하여 과량의 Na2CO3를 제거한다. 회전 증발 건조기를 이용하여 용액을 농축시키고, 주황색 오일 형태의 혼합물을acetone을 전개액으로 사용하여 중성 알루미나를 통한 칼럼 크로마토그래피로 정제하여 노란색 오일 형태의 생성물 17을 얻었다; (0.22 g, 57%); 1H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 8.69 (d, J = 7.2 Hz, 2H), 8.18 (s, 2H), 7.73 (d, J = 4.0 Hz, 1H), 7.72 (d, J = 7.2 Hz, 2H), 7.31 (d, J = 4.0 Hz, 2H), 4.43 (q, J = 7.2 Hz, 4H), 4.16 (s, 2H), 4.04 (s, 4H), 1.43 (t, J = 7.2 Hz, 6H)
실시예 2. TPMA 기반의 오스뮴 착물의 합성
실시예 1(1-1 내지 1-17)로부터 합성한 리간드들로부터 [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) 착물과 이 유도체들을 합성했다. 합성한 착물들은 모두 암모늄 헥사클로로오스메이트(ammonium hexachloroosmate)로부터 합성될 수 있다. 이 때 4가 이온상태인 오스뮴 염을 3가 이온상태인 오스뮴 착물 형태로 환원되는 단계로, 반응 후 암모늄 헥사플루오로포스페이트(NH4PF6) 수용액에 침전을 얻어 초기에 모두 PF6를 짝이온으로 가지는 착물의 형태로 얻었다.　 이러한 합성 반응 scheme을 도 2에 나타내었다.
[Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) 착물들은 모두 상자기성(paramagnetic) 특징을 가지기 때문에 1H-NMR을 통해서 관찰할 수 없었다. 이는 상자기성 물질이 가지는 홀전자가 핵스핀과 상호작용하면서 이완 시간(relaxation time)을 짧게 만들기 때문이다. 그래서 생성된 오스뮴 착물은 ESI-MS를 통해서 합성 결과와 물질의 산화상태를 결정했다. 그리고 [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) (18) 착물은 단결정 X-ray 회절분석(Single crystal X-ray diffraction)을 통해 결정구조를 확인할 수 있었으며 이를 도 3에 나타내었다.
추가적인 단계로 합성한 [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) 계열 착물들과 다양한 한 자리 리간드(모노덴테이트 리간드) 또는 두 자리 리간드(바이덴테이트 리간드)를 반응시켜 여러 종류의 TPMA 기반의 오스뮴 착물을 합성해보았다.　 1-메틸이미다졸, 피리딘 등의 한 자리 리간드와 4-메톡시-2-피리딜카보시아마이드, 피콜린산, 카테콜, 아세틸아세톤 등의 두 자리 리간드들은 [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -)와 반응하여 염소(Cl) 리간드와 교환 반응을 거쳐 [Os(TPMA)(L)1~2]+(PF6 -)계열 착물들을 합성할 수 있었다.　 이러한 합성 반응 scheme을 도 4에 나타내었다.
합성한 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n 계열 착물들은 [Os(TPMA)Cl2]+ (PF6 -) 착물들과 마찬가지로 모두 상자기성(paramagnetic) 특징을 가지기 때문에 1H-NMR을 통해서 관찰할 수 없었으며, ESI-MS를 통해서 합성 결과와 물질의 산화상태를 결정했다. [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n 계열 착물들 중에서 카테콜, 아세틸아세톤, 피콜린산 등과 같은 산소가 배위하는 화합물(27 ~ 33)의 경우에는 반응 시 트리에틸아민(triethylamine, TEA) 또는 소듐하이드록사이드(NaOH)와 같은 염기를 첨가하여 반응을 진행했다.
합성한 TPMA 기반의 착물들 중에서 21, 31, 32 과 같이 TPMA 리간드에 하이드록시메틸(-CH2OH)기가 있는 착물들의 경우에는 ESI-MS에서 특징적으로 하이드록시(-OH)기가 제거된 질량 신호를 확인하였다. 이는 반응성이 높은 피리딜메틸(-PyCH2)기가 쉽게 이온화되어 안정성을 가지기 때문에 하이드록시기가 사라진 질량 신호가 관측되는 것으로 판단된다.(도 5)
한 자리 리간드인 1-메틸이미다졸을 [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -)와 반응시킨 26, 34, 35 착물의 경우에는 2 ~ 10 당량의 1-메틸이미다졸과 에틸렌글리콜 용매하에서 130 ~ 180 oC, 3 ~ 12 h조건에서 반응시키면 높은 수율로 얻을 수 있었다. 하지만 1-메틸이미다졸이 하나만 배위된 [Os(TPMA)(imi)Cl]n+(PF6 -)n 착물의 경우에는 1 당량의 1-메틸이미다졸만 반응시키면 반응이 전혀 진행되지 않았고, 2 당량을 첨가하면 2개의 이미다졸 리간드가 배위되는 등 이를 선택적으로 얻을 수 없었다.
합성한 모든 TPMA 기반의 오스뮴 착물들은 초기에 모두 PF6 - 짝이온 형태로 얻었으며, Cl- 이온교환 수지를 이용해 [Os(TPMA)Cl2]+(Cl-) 또는 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(Cl-)n 형태의 착물을 얻을 수 있었다. 대부분의 TPMA 기반의 오스뮴 착물들은 짝이온의 형태에 따라 큰 용해도 차이를 보였다. PF6 - 가 짝이온 형태일 때는 아세토나이트릴과 아세톤 용매에서 좋은 용해도를 보여주는 반면, 물과 메탄올에서는 안 좋은 용해도를 보여주었다. 반대로, Cl- 짝이온 형태일 때는 물과 메탄올에서 좋은 용해도를 보였으며, 아세토나이트릴과 아세톤과 같은 유기용매에서는 거의 용해되지 않았다.
2-1. [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) Complex (18)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000054
유리 배양 튜브에 암모늄 헥사클로로오스메이트(30 mg, 0.068 mmol)와 시작 물질(10)(20 mg, 0.068 mmol)을 넣고 에틸렌글리콜(2 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 140 oC에서 6시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 녹색 고체 생성물 18을 얻었다. (35 mg, 73%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (Low resolution): Calcd for cation[M]+ C18H18Cl2N4Os: 552.05 Found: 552.16[M]+
2-2. [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) Complex (19)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000055
유리 배양 튜브에 암모늄 헥사클로로오스메이트(129 mg, 0.293 mmol)와 시작 물질(11)(120 mg, 0.293 mmol)을 넣고 에틸렌글리콜(3 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 140 oC에서 6시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색 고체 생성물 19을 얻었다. (220 mg, 95%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (Low resolution): Calcd for cation[M]+ C24H26Cl2N4O4Os : 696.09 Found: 696.25[M]+
2-3. [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) Complex (20)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000056
유리 배양 튜브에 암모늄 헥사클로로오스메이트(327 mg, 0.744 mmol)와 시작 물질(12) (270 mg, 0.744 mmol)을 넣고 에틸렌글리콜(3 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 140 oC에서 6시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색 고체 생성물 20을 얻었다. (521 mg, 91%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (Low resolution): Calcd for cation[M]+ C21H22Cl2N4O2Os: 624.07 Found: 624.25[M]+
2-4. [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) Complex (21)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000057
유리 배양 튜브에 암모늄 헥사클로로오스메이트(62 mg, 0.141 mmol)와 시작 물질(13)(45 mg, 0.141 mmol)을 넣고 에틸렌글리콜(3 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 140 oC에서 6시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색 고체 생성물 21을 얻었다.(51 mg, 50%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (Low resolution): Calcd for cation[M]+ C19H20Cl2N4OOs: 582.06 Found: 566.2500[M-OH]+
2-5. [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) Complex (22)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000058
유리 배양 튜브에 암모늄 헥사클로로오스메이트(326 mg, 0.742 mmol)와 시작 물질(14)(280 mg, 0.742 mmol)을 넣고 에틸렌글리콜(3 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 140 oC에서 16시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색~검은색 고체 생성물 22을 얻었다.(355 mg, 61%)　 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (High resolution): Calcd for cation[M]+ C21H24Cl2N6OOs: 638.10 Found: 638.0998[M]+, 319.5538[M]2+
2-6. [Os(TPMA)Cl2]+(PF6 -) Complex (23)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000059
유리 배양 튜브에 암모늄 헥사클로로오스메이트(129 mg, 0.293 mmol)와 시작 물질(15)(120 mg, 0.293 mmol)을 넣고 에틸렌글리콜(3 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 140 oC에서 6시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색 고체 생성물 23을 얻었다. (220 mg, 95%)　 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (Low resolution): Calcd for cation[M]+ C20H22Cl2N4O2Os: 612.07 Found: 612.16[M]+
2-7. [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (24)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000060
유리 배양 튜브에 시작 물질(18)(60 mg, 0.086 mmol)과 4-메톡시-2-피리딘카보아마이드(65 mg, 0.430 mmol)을 넣고 에틸렌글리콜(3 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 130 oC에서 12시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색 고체 생성물 24을 얻었다.(32 mg, 40%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (Low resolution): Calcd for cation[M]+ C25H26N6O2Os: 634.17 Found: 634.2500[M]+, 317.1667[M]2+
2-8. [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (25)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000061
유리 배양 튜브에 시작 물질(18)(30 mg, 0.043 mmol)과 N-메틸이미다졸(35 mg, 0.430 mmol)을 넣고 에틸렌글라이콜(1.5mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 130 oC에서 3시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색 고체 생성물 25을 얻었다. (34 mg, 85%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (Low resolution): Calcd for cation[M]+ C26H30N8Os: 646.22 Found: 323.08[M]2+
2-9. [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (26)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000062
유리 배양 튜브에 시작 물질(18)(100 mg, 0.143 mmol)과 피리딘(11 mg, 0.143 mmol)을 넣고 에틸렌글라이콜(4 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 180 oC에서 15시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색 고체 생성물 26을 얻었다. (31 mg, 29%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (Low resolution): Calcd for cation[M]+ C23H23ClN5Os: 596.13 Found: 596.3333[M]+
2-10. [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (27)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000063
유리 배양 튜브에 시작 물질(18) (100 mg, 0.143 mmol)과 4-브로모피콜리닉에시드(173 mg, 0.861 mmol), 트리에틸아민(145mg, 1.430mmol)을 넣고 증류수(3 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 100 oC에서 3시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색 고체 생성물 27을 얻었다. (89 mg, 75%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (Low resolution): Calcd for cation[M]+ C24H21BrN5O2Os: 682.05 Found: 682.1667[M]+
2-11. [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (28)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000064
유리 배양 튜브에 시작 물질(18) (30 mg, 0.043 mmol)과 카테콜(47 mg, 0.430 mmol), K2CO3(59mg, 0.430mmol)을 넣고 증류수(1.5 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 100 oC에서 12시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 검은색 고체 생성물 28을 얻었다. (19.6 mg, 62%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (Low resolution): Calcd for cation[M]+ C24H22N4O2Os: 590.14 Found: 590.2500[M]+
2-12. [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (29)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000065
유리 배양 튜브에 시작 물질(18) (200 mg, 0.287 mmol)과 4-브로모피콜리닉에시드(70 mg, 0.569 mmol), 트리에틸아민(29mg, 0.287mmol)을 넣고 에틸렌글리콜(3 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 140 oC에서 3시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색 고체 생성물 29을 얻었다. (113 mg, 53%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (High resolution): Calcd for cation[M]+ C24H22N5O2Os: 604.14 Found: 604.13824[M]+
2-13. [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (30)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000066
유리 배양 튜브에 시작 물질(18)(30 mg, 0.043 mmol)과 아세틸아세톤(43 mg, 0.430 mmol), NaOH(8mg, 0.215mmol)을 넣고 증류수(1.5mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 100 oC에서 4시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 검은색 고체 생성물 30을 얻었다. (16 mg, 50%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (Low resolution): Calcd for cation[M]+ C23H25N4O2Os: 581.16 Found: 581.3333[M]+, 290.6666[M]2+
2-14. [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (31)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000067
유리 배양 튜브에 시작 물질(21)(100 mg, 0.137 mmol)과 피콜리닉에시드(67 mg, 0.548 mmol), 트리에틸아민(56mg, 0.548mmol)을 넣고 에틸렌글리콜(3 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 140 oC에서 4시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색 고체 생성물 31을 얻었다. (54 mg, 51%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (Low resolution): Calcd for cation[M]+ C25H24N5O3Os: 634.15 Found: 618.3333[M-OH]+
2-15. [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (32)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000068
유리 배양 튜브에 시작 물질(21)(100 mg, 0.137 mmol)과 4-메틸피콜리닉에시드(76 mg, 0.550 mmol), 트리에틸아민(56mg, 0.550mmol)을 넣고 에틸렌글리콜(3 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 140 oC에서 4시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색 고체 생성물 32을 얻었다. (58 mg, 53%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (Low resolution): Calcd for cation[M]+ C26H26N5O3Os: 648.17 Found: 632.4167[M-OH]+
2-16. [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (33)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000069
유리 배양 튜브에 시작 물질(22)(40 mg, 0.051 mmol)과 4-메틸피콜리닉에시드(28 mg, 0.204 mmol), 트리에틸아민(15 mg, 153mmol)을 넣고 에틸렌글리콜(3 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 120 oC에서 5시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색 고체 생성물 33을 얻었다. (12 mg, 28%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (High resolution): Calcd for cation[M]+ C28H30N7O3Os: 704.20 Found: 704.2019[M]+, 352.6044[M]2+
2-17. [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (34)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000070
유리 배양 튜브에 시작 물질(22)(40 mg, 0.051 mmol)과 N-메틸이미다졸(42 mg, 0.510 mmol)을 넣고 에틸렌글라이콜(2 mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 130 oC에서 3시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색 고체 생성물 34을 얻었다. (50 mg, 96%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (High resolution): Calcd for cation[M]+ C29H36N10OOs: 732.27 Found: 367.1182[M+2]2+
2-18. [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n Complex (35)
Figure PCTKR2021020070-appb-img-000071
유리 배양 튜브에 시작 물질(23) (30 mg, 0.040 mmol)과 N-메틸이미다졸(32 mg, 0.400 mmol)을 넣고 에틸렌글라이콜(1.5mL)을 넣어 혼합용액을 만든다. 이 후 아르곤 기체를 10분 동안 불어넣어 유리 배양 튜브 안을 아르곤 분위기로 만들어 준 뒤 130 oC에서 3시간 환류한다. 증류수에 과량의 암모늄 헥사플루오르포스페이트을 넣어 포화된 용액에 반응이 끝난 용액을 천천히 떨어뜨린다. 용액에 생기는 침전물을 걸러주고 증류수와 과량의 다이에틸 에테르를 이용하여 씻어주어 짝이온이 PF6 -인 갈색 고체 생성물 35을 얻었다. (31 mg, 80%) 짝이온을 Cl-로 바꿔주기 위해서는 PF6 - 생성물을 소량(~1 mL)의 아세토나이트릴에 녹인 뒤 Cl- 이온 교환수지와 함께 과량의 증류수(25 mL) 혼합물을 만들고 밤새 교반한다. 남은 Cl- 레진을 필터하고 여액을 모아 감압증류를 이용해 용매를 제거하여 짝이온이 Cl-인 생성물을 얻는다. ESI-MS (Low resolution): Calcd for cation[M]+ C28H34N8O2Os: 706.24 Found: 353.2500[M]2+
　
실시예 3. 본 발명에 따른 TPMA 기반의 오스뮴 착물의 전기화학적 특성 분석
합성한 TPMA 기반의 오스뮴 착물들의 전기화학적 특성을 분석하기 위해 순환전압전류법(Cyclic voltammetry, CV)을 이용하였다. 잘 세척된 지름 3mm 탄소 유리전극을 작업전극으로 사용하고 Ag/AgCl 전극을 기준전극으로, Pt 전극을 상대전극으로 하여 10 mV/s의 주사속도로 측정하였다. PF6 - 짝이온 형태의 착물은 0.1M의 TBAP의 아세토나이트릴 용액에서 3 mg/mL의 농도에서 측정하였다. Cl- 짝이온 형태의 착물은 산화환원 피크의 위치만을 알아내기 위하여 Cl-의 물질은 음이온 교환을 과정 중의 용액상태에서 측정하여 물질별로 농도는 일정하지 않은 상태에서 측정하였다. 합성한 모든 TPMA 기반의 오스뮴 착물들의 산화/환원 전위를 도 7a 내지 c에 명시했다. [Os(TPMA)Cl2]+(Cl-)(18)은 어떠한 치환기도 없는 가장 기본적인 TPMA 오스뮴 착물로써 E1/2 = -0.339 V의 산화/환원 전위를 나타내었으며 이 결과를 도 6에 나타내었다.　 본 착물을 중심으로 치환기 및 배위된 리간드 종류에 따른 산화/환원 전위의 변화를 분석해보았다.　
18번 착물과 유사한 배위 구조를 가지면서 각각 다른 치환기를 포함하는 19 ~ 23 번 착물과 서로 산화/환원 전위를 비교해보았다. 에틸에스터(-COOEt)기를 2개 포함하는 19번 착물과 1개 포함하는 20번 착물 그리고 아마이드(-COONH)기를 포함하는 22번 착물과 같이 전자 끄는기(electron withdrawing group, EWG)을 포함한 착물은 18번 착물의 산화/환원 전위보다 더 양의 값에서 나타났다. 반면에 메틸(-CH2-)기를 포함하는 21번과 메톡시(-OMe)기를 2개 포함하는 23번과 같이 전자 주는기(electron donating group, EDG)를 포함하는 착물은 18번 착물보다 더 음의 값에서 관찰됬다. 이러한 결과는 EWG가 중심금속의 전자밀도를 감소시켜 환원이 잘 되려는 경향에 의해 전위가 양의 방향으로 이동한 것이고, EDG는 전자밀도를 증가시켜 산화가 잘 되려는 경향에 의해 전위가 더 음의 방향에서 나타나는 것으로 볼 수 있다. 20, 22번 착물은 18번 착물의 산화/환원 전위보다 약 0.102 ~ 0.103 V 정도 양의 방향으로 이동하였고, 두 착물은 모두 유사한 산화/환원 전위를 나타내는 것으로 보아 카보닐기를 포함한 에스터기와 아마이드기가 유사한 전기화학적 영향을 미치는 것으로 판단했다. 19번 착물은 18번 착물의 산화/환원 전위보다 약 0.176 V가 양의 방향으로 이동했으며, 에스터기와 같이 EWG가 많으면 많을수록 더 큰 전기화학적 영향을 주는 것을 확인했다. 하이드록시메틸기를 포함한 21번 착물은 0.031 V만큼 음의 방향으로 근소하게 이동했고, 더 좋은 EDG인 메톡시기가 2개 포함된 23번 착물은 0.125 V만큼 음의 방향으로 이동해 EDG의 종류와 개수에 따라 더 큰 영향을 주는 것으로 판단했다. 이 결과를 통해 TPMA기반의 오스뮴 착물이 치환기에 따라 경향성 있는 전위의 변형이 가능하고 이를 통해 이상적인 산화/환원 전위를 가지는 전자전달매개체로써 적용 및 개선의 가능성을 확인했다.
다양한 리간드들이 배위된 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(PF6 -)n 계열 착물(24 ~ 30)들은 모두 18번 착물보다 양의 방향으로 증가한 산화/환원 전위를 나타냈다. 아세틸아세톤, 1개의 피리딘, 4-브로모피콜린산, 피콜린산, 2개의 1-메틸이미다졸, 4-메톡시-2-피리딜카복시아마이드, 카테콜 순으로 산화/환원 전위가 양의 방향으로 점점 큰 증가량을 보였다. 각각 4-메톡시-2-피리딜카복시아마이드와 카테콜이 배위된 25, 28번 착물은 2개 이상의 가역적인 산화/환원 피크가 나타났으며, 안정적인 하나의 산화환원 전위를 나타내지 않는다는 점에서 전자전달매개체로써 부적합하다고 판단했다. 하지만 피콜린산이 배위된 TPMA 오스뮴 화합물은 적당히 양의 방향으로 전위값이 이동하여 Ag/AgCl 전극 기준으로 0 V에 가까운 이상적인 산화/환원 전위를 나타내므로 전자전달매개체에 적용될 잠재력이 있는 적절한 TPMA 기반의 오스뮴 착물로 판단되었다. 또한, 특징적으로 [Os(TPMA)Cl2]+(X-)계열의 18 ~ 23 착물은 짝이온 형태에 따른 서로 다른 용매 조건하에서 거의 유사한 산화환원 전위를 나타냈지만, 이것들을 제외한 [Os(TPMA)(L)1~2]n+(X-)n 계열 착물들은 모두 PF6 - 짝이온 형태일 때보다 Cl- 짝이온 형태일 때, 작게는 36 mV에서 크게는 210 mV까지 더욱 음의 영역에서 산화/환원 전위가 나타났다.

Claims (16)

  1. 전자전달매개체로서 유용한, 하기 화학식 1 또는 2로 나타내어지는 테트라덴테이트 질소 공여체 리간드를 포함하는 전이금속 착체:
    [화학식 1]
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000072
    [화학식 2]
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000073
    상기 화학식 1 또는 화학식 2에서,
    M은 Fe, Co, Ru, Os, Rh 및 Ir로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나이고;
    Ca, Cb, Cc는 질소원자를 하나 이상 포함한 헤테로 고리 화합물로, 바람직하게는 상기 고리 화합물의 2번 위치에서 아민기와 메틸렌기로과 연결되어 있고;
    Lm1 및 Lm2는 각각 독립적으로 배위된 모노덴테이트 리간드이며;
    Lb는 질소 또는 산소를 포함하는 바이덴테이트 리간드이고;
    m은 -1 ~ -5 또는 1 ~ 5 를 나타내는 음전하 혹은 양전하이고;
    R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 고분자에 연결할 수 있는 반응기가 도입된 링커로 구성된 구조이고;
    X는 반대이온 (counter ion)이며;
    n은 반대이온의 수를 의미하며, 1 ~ 5이다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전이금속 착체는 하기 화학식 3으로 나타내어지는 테트라덴데이트 리간드를 포함하는 것인, 전이금속 착체:
    [화학식 3]
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000074
    상기 식에서 Ca, Cb 및 Cc는 각각 독립적으로 질소원자를 하나 이상 포함한 헤테로 고리 화합물이고;
    R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 고분자에 연결할 수 있는 반응기가 도입된 링커이다.
  3. 제2항에 있어서, 상기 화학식 3의 테트라덴테이트 리간드는 아래 구조를 갖는 리간드 중 하나인 것인, 전이금속 착체:
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000075
    ,
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000076
    ,
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000077
    ,
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000078
    ,
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000079
    ,
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000080
    ,
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000081
    , 및
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000082
    .
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 화학식 1 내지 3의 R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 -H; -F; -Cl; -Br; -I; -NO2; -CN; -CO2H; -SO3H; -NHNH2; -SH; -OH; -NH2; -CH2OH; -CONHCH2CH2NH2; 또는 치환되거나 치환되어 있지 않은 알콕시카보닐, 알킬아미노카보닐, 다이알킬아미노카보닐, 알콕시, 알킬아미노, 다이알킬아미노, 알카닐아미노, 아릴카복시아미도, 하이드라지노, 알킬하이드라지노, 하이드록시아미노, 알콕시아미노, 알킬싸이오, 알케닐, 아릴 또는 알킬인 것인, 전이금속 착체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 Lm1 및 Lm2는 각각 독립적으로 -H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO2, -NCCH3, -CO, -OH2, -NH3 또는 질소원자를 하나 이상 포함한 헤테로 고리 화합물인 것인, 전이금속 착체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 Lb- Lb 는 카테콜, 아세틸아세톤, 2-피콜린산, 2-피리딘카복사마이드, 2,2-바이피리딘 또는 2,2-바이싸이아졸인 것인, 전이금속 착체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 헤테로 고리 화합물은 이미다졸, 피리딘, 피리미딘, 피라졸, 아이소옥사졸, 옥사졸, 싸이아졸, 벤조싸이아졸, 벤즈이미다졸, 벤조옥사졸 및 디아자플루오레논으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것인, 전이금속 착체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 화학식 1 또는 2의 전이금속 착체는 아래 전이금속 착체중 하나인 것인, 전이금속 착체:
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000083
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000084
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000085
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000086
    .
  9. a) 화학식 3으로 나타내어지는 테트라덴테이트 트리스-피리딘메틸아민계 리간드를 화학식 5의 할로겐화 오스뮴의 암모늄염에 도입하여 화학식 6의 오스뮴 착체를 합성하는 단계; 및
    b) 화학식 6의 오스뮴 착체에 N-N 리간드, N-리간드, N-O 리간드 및 O-O 리간드로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종의 모노덴테이트리간드 또는 바이덴테이트리간드를 도입하는 단계,
    를 포함하는 제1항에 따른 화학식 1 또는 2의 전이금속 착체의 제조방법:
    [화학식 3]
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000087
    　[화학식 5]
    [(NH4)2OsCl6]
    　[화학식 6]
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000088
    상기 식에서 Ca, Cb 및 Cc는 각각 독립적으로 질소원자를 하나 이상 포함한 헤테로 고리 화합물이고;
    R1, R2 및 R3은 각각 독립적으로 고분자에 연결할 수 있는 반응기가 도입된 링커이다.
  10. 제9항에 있어서, 상기 단계 b)에서, 화학식 6의 오스뮴 착물에 1개의 N-N 리간드, 2개의 N 리간드, 1개의 N 리간드, 1개의 N-O 리간드 또는 1개의 O-O 리간드가 도입되어 하기 화학식 7 또는 10의 전이금속 착체를 제조하는 것인, 방법:
    [화학식 7]
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000089
    [화학식 8]
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000090
    [화학식 9]
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000091
    [화학식 10]
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000092
    [화학식 11]
    Figure PCTKR2021020070-appb-img-000093
  11. 제10항에 있어서,
    상기 N 리간드는 -NO2, -NCCH3, -NH3 또는 질소원자를 하나이상 포함한 헤테로 고리 화합물이고,
    상기 N-N 리간드는 2-피리딘카복사마이드, 2,2’-바이피리딘 또는 2,2’-바이싸이아졸이고,
    상기 N-O 리간드는 2-피콜린산이고,
    상기 O-O 리간드는 카테콜 또는 아세틸아세톤인 것인, 방법.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 전이금속 착체를 전자전달매개체로서 포함하는 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 장치는 전기화학적 바이오센서인 것인, 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 장치는 삽입가능한 것인 장치.
  15. 액체성 생체시료를 산화환원시킬 수 있는 효소; 및
    제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 전이금속 착체를 전자전달매개체로 포함하는 전기화학적 바이오센서용 센싱 막.
  16. 제15항에 있어서, 상기 효소는　
    탈수소효소 (dehydrogenase), 산화효소 (oxidase), 및 에스테르화효소 (esterase)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 산화환원효소; 또는
    탈수소효소, 산화효소, 및 에스테르화효소로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 산화환원효소와 플라빈 아데닌 디뉴클레오타티드 (flavin adenine dinucleotide, FAD), 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 (nicotinamide adenine dinucleotide, NAD), 및 피롤로퀴놀린 퀴논 (Pyrroloquinoline quinone, PQQ)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 보조인자를 포함하는 것인, 전기화학적 바이오센서용 센싱 막.
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