KR101035236B1 - Ｂｏｄｉｐｙ가 결합된 크라운 에테르 유도체, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용하여 금속 이온을 선택적으로 검출하는 방법 - Google Patents

Abstract

BODIPY가 결합된 크라운 에테르 유도체, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용하여 금속 이온을 선택적으로 검출하는 방법을 제공한다. 본 발명은 하기 화학식 (1) 또는 화학식 (2)로 표시되는 BODIPY가 결합된 크라운 에테르 유도체를 제공함으로써 자연계 및 인체 내 존재하는 높은 독성을 가지는 중금속 중의 하나인 수은 이온포함한 금속 이온을 검출을 하는데 있어 유용하게 사용될 수 있다.

(1) (2)

상기 화학식 (2)에서 n은 1 또는 2이다.

Description

ＢＯＤＩＰＹ가 결합된 크라운 에테르 유도체, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용하여 금속 이온을 선택적으로 검출하는 방법 {BODIPY appended crown ether derivatives, methods for preparing the same, and methods for selective metal ion detection}

본 발명은 BODIPY가 결합된 크라운 에테르 유도체, 이를 제조하는 방법 및 이를 이용하여 금속 이온을 선택적으로 검출하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 환경, 의약 및 정밀화학 분야에서 사용되는 BODIPY가 결합된 크라운 에테르 유도체, 두 단계의 반응으로 단시간에 고수율로 상기 크라운 에테를 유도체를 제조하는 방법 및 이를 이용하여 손쉽게 수은 이온을 검출하는 방법에 관한 것이다.

최근 들어서, 금속이온을 검출하는 능력이 있는, 형광을 내는 화학적 수용체(chemosensor)에 대한 연구가 유기화학 및 초분자 화학(supramolecular chemistry)의 분야에서 가장 도전적인 것 중에 하나가 되고 있다.

거대 고리 화합물이 도입된 형광발산체(fluorophore) 단위에 금속이온과 복합체를 이루게 할 경우 다양한 파장의 변화와 양자효율의 증감효과 등이 보고된 바 있다. 형광발산체를 포함하는 거대고리 화합물은 유기합성과 용매 추출, 막투과 과 정, 이온 선택적 전극 및 이와 유사한 분석화학적 응용성을 가지고 있다. 또한 최근에는 광학적 분석에 대한 거대고리화합물의 색원체 기능화에도 응용이 되고 있다. 광학적 응답 메카니즘은 일반적으로 알칼리 및 알칼리토 금속 등의 양이온의 경우 대부분 exited singlet state 상태의 에너지를 triplet state로의 변화를 유도한다. 이로 인해 양이온 존재 하에서는 거대고리 화합물의 인광의 존속시간이 증가하며 형광의 존속시간이 감소하는 현상이 나타난다. 그러나 양이온, 스페이서(spacer) 및 형광발산체(fluorophore)의 종류에 따라 인광의 존속시간이 감소될 경우, 오히려 복합체 형성에 의해 강화된 형광이 관찰되는 것으로 알려져 있다.

가장 효과적인 형광방출 화학적 수용체는 높은 감도를 주기 위해서는, 이온운반자(ionopore)에 의해 금속이온을 인지한 후 형광발산체(fluorophore)의 빛 신호로 변환시킬 수 있어야 한다. 특히 이러한 화학적 센서를 디자인하는데 있어, 형광발산체에 연결되는 이온운반자는 미리 고려되어야 하는데, 이는 전체 화학적 수용체의 선택능과 결합효율에 영향을 미치기 때문이다. 현재 이온선택적이고, 이온감지력이 있는 물질을 개발하기 위해서, 양이온, 음이온 및 중성분자복합체에서의 변화를 잡을 수 있는 형광방출 물질이 결합된 거대 분자 화합물(macromolecule)의 합성에 대한 관심이 높아지고 있다. 거대분자 고리화합물(macrocycles)에 포함된 하드(hard) 에테르산소는 하드 알칼리 또는 알칼리토금속에 대하여 우선적인 결합력을 보인다. 그러나 소프트 설파이드 (soft sulfide) 또는 아민 연결의 편입은 소프트 중금속 양이온에 대하여 우선성을 가지도록 변화시킨다. 여기에 덧붙여 질소-황 주게 원자를 포함하는 거대분자 고리화합물의 리간드는 전이금속 양이온에 대하 여 높은 선택적 복합체 형성제로 행동한다는 것이 알려져 있다. 또한 질소-황 주게 원자들을 포함하는 거대분자 고리화합물이 전이금속 양이온과 매우 높은 선택성을 가지는 복합체 형성제로 역할을 한다는 것이 밝혀졌고, 이러한 관점에서 황-크라운 에테르 (thiocrown ether)와 같은 황을 포함하는 거대분자 고리화합물들이 제조되어 왔고, 그들과 형성된 콤플렉스의 특성이 다양한 금속 양이온과 함께 연구되어 왔다.

최근에는, Pb^{2 +}, Cd^{2 +}, Hg^{2 +} 이온들과.같이 독성이 있는 중금속 이온들을 선택적으로 빠르게 검출하기 위하여 형광방출 화학적 수용체에 대하여 관심이 집중되고 있다. 특히 Hg^{2 +} 이온은 박테리아에 의해 메틸수은으로 변환되며, 먹이사슬을 통하여 생물학적으로 연속적 축적된 후 인간의 건강에 영향을 미칠 수 있는데, 메틸수은은 수은중독을 유발할 수 있고, 미나마타 질병과 같이 중추신경계에 이상을 초래할 수 있다.

따라서 상기와 같은 금속이온을 선택적으로 좋은 감도를 가지고 검출하는 방법이 요구되어 왔으며 이를 위해 특정 금속이온에 선택적으로 결합하여, 검출할 수 있는 발색성 화학적 수용체 및 그 제조방법에 관하여 연구 개발되어 왔다. 이러한 예로 N-페닐 칼릭스 [4] 크라운 아자크라운 유도체를 이용하여 세슘 이온을 선택적으로 검출하는 방법이 제시되기도 하였다(대한민국 등록특허, 제10-0411495호). 그러나 여러 금속 이온 중에서 인간에게 치명적인 질병을 유발할 수 있는 수은 이온에 선택적 결합력을 가지면서 동시에 우수한 감도를 주는 형광방출 화학적 수용체 에 대하여는 개발이 미흡한 실정이다.

본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 수은 등의 금속 이온에 선택적 결합력을 가지면서 동시에 우수한 감도를 주는 형광방출 화학적 수용체를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 형광방출 화학적 수용체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 형광방출 화학적 수용체를 이용하여 수은 등의 금속 이온을 선택적으로 검출하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 해결하기 위하여 하기 화학식 (1) 또는 화학식 (2)로 표시되는 BODIPY가 결합된 크라운 에테르 유도체를 제공한다.

상기 화학식 (2)에서 n은 1 또는 2이다.

상기 두 번째 과제를 해결하기 위하여, 하기 반응식 1 또는 2에 따라 2,4-디메틸피롤 및 p-클로라닐(p-chloranil)을 사용하여 상기 화학식 (1) 또는 (2)의 BODIPY가 결합된 크라운 에테르 유도체를 제조하는 방법을 제공한다.

(3) (1)

(4) (2)

상기 반응식 (2)에서 n은 1 또는 2이다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 화학식 (3)의 화합물은 하기 반응식 3에 따라 하기 화학식 (5)의 화합물과 하기 화학식 (7)의 화합물의 반응에 의해 제조될 수 있다.

(7) (3)

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 화학식 (4)의 화합물은 하기 반응식 4에 따라 하기 화학식 (6)의 화합물과 하기 화학식 (7)의 화합물의 반응에 의해 제조될 수 있다.

(7) (4)

상기 반응식 (4)에서 n은 1 또는 2이다.

본 발명의 세 번째 과제를 해결하기 위하여, (a) 상기 화학식 (1) 또는 (2)로 표시되는 화합물을 수용액에 용해시키는 단계; (b) 상기 (a)에서 얻어진 용액에 금속이온이 포함된 시료를 가하는 단계; (c) 상기 (b)에서 얻어진 용액 속에 포함된 상기 화학식 (1) 또는 (2)의 화합물을 여기시키기 위해 빛을 가하는 단계; 및 (d) 상기 (c)에서 얻어진 용액에서 방출하는 형광을 측정하는 단계를 포함하는 금속 이온을 선택적으로 검출하는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 화학식 (1)의 화합물의 농도는 상기 수용액에 0.1μM 내지 1mM인 것일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 금속 이온은 수은 이온일 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 빛은 490nm 내지 500nm 파장인 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 수용액은 H₂O과 CH₃CN로 이루어지는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 의하면, 상기 H₂O과 CH₃CN의 부피의 비는 4:6 내지 6:4인 것일 수 있다.

본 발명에 의해 수은 등의 금속 이온과 선택적으로 결합하는 크라운 에테르 유도체를 간단한 두 단계의 반응으로 높은 수율로 제조할 수 있으며, 본 발명에 의하여 제조된 BODIPY가 결합된 크라운 에테르는 높은 독성을 가지는 중금속 중의 하나인 수은 이온과 선택적으로 결합하여 형광을 강화시켜 수은을 검출할 수 있게 하므로 자연계 및 인체 내에서 수은 검출을 하는데 있어 유용하게 사용될 수 있다.

이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 BODIPY가 결합된 크라운 에테르 유도체는 상기 화학식 (1) 또는 화학식 (2)로 표시되며, 상기 화학식 (2)에서 n은 1 또는 2이다.

본 발명인 화학식 (1)로 표시되는 BODIPY가 결합된 크라운 에테르 유도체는 상기 반응식 1에 의해 제조될 수 있으며, 상기 화학식 (3)의 화합물은 상기 반응식 2에 의해 제조될 수 있다.

화학식 (2)로 표시되는 BODIPY가 결합된 크라운 에테르 유도체는 상기 반응식 3에 의해 제조될 수 있으며, 상기 화학식 (4)의 화합물은 하기 반응식 4에 의해 제조될 수 있다.

상기 화학식 (3) 또는 (4)의 화합물은 각각 TFA(trifluoroacetic acid)하에서 2,4-디메틸피롤로 처리된 후, 순차적으로 p-클로라닐로 산화되고, Et₃N에 의해 중화된 후, 최종적으로 Et₃N/BF₃·OEt₂로 처리되어 각각 화학식 (1) 또는 (2)의 화합물이 얻어진다.

본 발명은 (a) 상기 화학식 (1) 또는 (2)로 표시되는 화합물을 수용액에 용해시키는 단계; (b) 상기 (a)에서 얻어진 용액에 금속이온이 포함된 시료를 가하는 단계; (c) 상기 (b)에서 얻어진 용액 속에 포함된 상기 화학식 (1) 또는 (2)의 화합물을 여기시키기 위해 빛을 가하는 단계; 및 (d) 상기 (c)에서 얻어진 용액에서 방출하는 형광을 측정하는 단계를 포함하는 금속 이온을 선택적으로 검출하는 방법을 제공한다.

도 1은 Hg^{2 +} 이온과 화학식 (1) 화합물이 결합하여 복합체를 형성하고 형광을 방출하는 모습을 보이는 모식도이다. 도 1을 참조하면 수은과 상기 화학식 (1)화합물이 결합하게 되면 BODIPY 그룹에 의해 형광이 방출되므로 이 형광을 측정하여 수은 이온을 선택적으로 검출할 수 있게 된다.

상기 빛은 490nm 내지 500nm 파장인 것일 수 있는데, 이는 상기 파장의 빛이 화학식 (1) 또는 (2) 화합물의 흡수 파장대이기 때문이다.

상기 수용액은 H₂O과 CH₃CN로 이루어지며, 바람직하게는 상기 H₂O과 CH₃CN의 부피의 비는 4:6 내지 6:4이다. CH₃CN을 포함하는 수용액에 화학식 (1)의 화합물이 잘 용해되며, 바람직하게는 H₂O과 CH₃CN의 부피의 비가 4:6 내지 6:4인 경우에 화학식 (1)의 화합물과 수은 이온이 결합하였을 때 형광이 강하게 나타내기 때문이다.

상기 화학식 (1)의 화합물은 상기 수용액에 0.1μM 내지 1mM의 농도로 가해주는 것이 바람직한데, 상기 화학식 (1)의 화합물의 농도가 0.1μM 미만의 경우에는 결합하는 수은 이온의 양도 감소하여 형광의 증가가 현저하지 않게 되고, 1mM을 초과하게 되면, 이는 더 적은 양의 화학식 (1)의 화합물에 의해 분석에 필요한 충분한 형광을 검출할 수 있음에도 필요 이상의 화학식 (1)의 화합물을 가하는 경우로 화학식 (1)의 화합물을 불필요하게 소모하는 것이기 때문이다.

이하, 바람직한 실시예와 실험예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다. 하기 실시예를 통하여 얻어진 화합물의 구조는 NMR 및 질량분석 스펙트럼으로써 확인하였다.

실시예 1-1 : 화학식 (5)의 화합물 합성

질소하에서, 1,2-에탄디티올 0.5 g(5.3 mmol)과 수산화나트륨 0.44 g(10.6 mmol)을 100mL의 에탄올에 넣고 실온에서 저어주었다. 여기에 2-(2-클로로에톡시) 에탄올 1.38 g(10.6 mmol)을 저어주면서 가하고, 질소분위기 하에서 2시간 동안 환류시켰다. 24시간 동안 더 저어준 후, 용매를 진공상태에서 증발시켰다. 이로써 생성되는 갈색을 띤 오일은 바로 다음 반응에 사용되었는데, THF (100 mL)에 용해된 토실클로라이드 (1.47 g, 7.4 mmol)와 수산화나트륨 (0.3 g, 7.7 mmol)으로 처리하였다. 이후 24시간 동안 실온에서 저어준 후, 용매를 진공상태로 증발시켰고, 이로써 얻어진 혼합물을 100mL의 디클로로메탄에 용해시켰다. 이렇게 얻어진 유기층을 300mL의 물로 씻어내고 무수 Na₂SO₄ 상에서 건조시킨 후 여과시켰다. 이후 ethyl acetate/hexane(1:4)을 이동상 용액으로 하여 실리카젤 컬럼 크로마토그래피 실행하여 정제함으로써 1.5 g (50 %)의 노란색을 띤 상기 화학식 (5)의 화합물을 얻었다.

¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 7.74 (d, 4H, ArH), 7.30 (d, 4H, ArH), 4.06 (m, 4H, -OCH ₂CH₂O-), 3.59 (m, 4H, -OCH₂CH ₂O-), 3.51 (m, 4H, -OCH ₂CH₂O-), 2.66 (s, 4H, -SCH ₂CH ₂S-), 2.58 (m, 4H, -SCH ₂CH₂O-), 2.37 (s, 6H, -OCH ₂CH₂O-).

¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃): δ 145.1, 133.0, 130.1, 128.1, 71.3, 69.4, 68.5, 38.7, 37.7, 32.8, 32.1, 31.6, 21.8 ppm. FAB MS m/z (M⁺): calcd, 578.11 Found, 578.0

실시예 1-2 : 화학식 (3)의 화합물 합성

상기 화학식 (7)의 화합물인 3.4-디히드록시벤즈알데히드 (1 g, 7.24 mmol)와 K₂CO₃ (1 g, 7.24 mmol)의 혼합물을 아세토나이트릴(CH₃CN) 50 ml에 가하였다. 여기에 상기 화학식 (5)의 화합물 1.43 g(7.23 mmol)을 가하고 질소분위기 하에서 18시간 동안 환류시켰다. 이렇게 하여 얻어진, 차가워진 혼합물에서 용매를 증발시켜 말린 후 클로로포름으로 3 또는 4회 추출하였다. 상기 추출물은 점도성 오일이 얻어질 때까지 증발 건조시키고, ethyl acetate/hexane(1:2)을 이동상 용액으로 하여 실리카젤 컬럼 크로마토그래피를 실행하여 정제하여 최종적으로 2.1 g (77%)인 상기 화학식 (3) 화합물을 얻었다.

¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 9.83 (s, 1H, CHO), 7.46 (d, 2H, ArH), 6.9 (d, 1H, ArH), 4.36 (m, 4H, -OCH ₂CH₂O-), 3.93 (m, 8H, -OCH₂CH ₂O-), 3.86 (m, 4H, -OCH ₂CH₂S-), 2.95 (s, 4H, -SCH ₂CH ₂S-), 1.22 (s, 4H, -OCH ₂CH₂O-).

¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃): δ 190.9, 155.1, 150.2, 131.1, 127.4, 447.9, 72.8, 72.2, 71.9, 68.9, 32.9, 32.0, 29.9 ppm.

FAB MS m/z (M⁺): calcd, 372.11 Found, 372.0

실시예 1-3 : 화학식 (1)의 화합물 합성

2,4-디메틸피롤 0.18g(1.89mmol)과 건조된 디클로로메탄에 있는 상기 화학식 (3) 화합물 300mg(1.1mmol)에 TFA를 2 방울 가하였다. 이렇게 하여 생성된 노란색 용액을 N₂하에서 3시간 동안 실온에서 저어주었다. 여기에 디클로로메탄 100ml에 용해된 p-클로라닐(p-chloranil) (0.47 g(1.89 mmol)) 용액을 가하였다. 이후 30 분간 저어준 후 Et₃N 와 BF₃·OEt₂ 를 밝은 녹색 형광이 관찰될 때까지 연속적으로 가하여 주었다. 이렇게 얻어진 용액을 물로 씻어 내고, 무수 MgSO₄ 에서 유기층을 건조시켰다. 진공에서 상기 유기 용매를 제거하여 붉은 빛을 띤 고체를 얻었다. 이후 이동상 용액을 에틸아세테이트로 하여 플래쉬 실리카젤 컬럼 크로마토그래피를 실행하였고, 차가운 상태에서 흐린 노란색의 점도성 오일 용매를 증발시켜 250mg (53%)의 화학식 (1)의 화합물을 얻었다.

¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 6.94 (d, 2H, ArH), 6.77 (d, 1H, ArH), 5.97 (s, 2H, ArH), 4.20 (m, 4H, -OCH ₂CH₂O-), 3.92 (m, 4H, -OCH₂CH ₂O-), 3.80 (m, 4H, -OCH ₂CH₂O-), 2.88 (s, 4H, -SCH ₂CH ₂S-), 2.80 (q, 4H, -SCH ₂CH₂O-), 2.54 (s, 6H, - ArH), 1.46 (s, 6H, - ArH).

¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃): δ 146.9, 143.5, 143.2, 138.2, 129.0, 126.1, 125.6, 121.3, 119.4, 119.2, 72.6, 69.7, 46.4, 32.8, 29.9, 14.7, 8.8 ppm.

FAB MS m/z (M⁺): calcd, 590.23 Found, 590.0

실시예 2 : 화학식 (2)의 화합물 합성 (n이 1인 경우)

상기 화학식 (3) 화합물 대신에 n이 1인 화학식 (4) 화합물 300mg(1mmol)을 가하는 것을 제외하고는 실시예 1에 기재된 방법과 동일하게 진행하여 300mg (57%)의 상기 화학식 (2) 화합물을 얻었다.

¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 6.95 (d, 2H, ArH), 6.79 (d, 1H, ArH), 5.97 (s, 2H, ArH), 4.20 (m, 4H, -OCH ₂CH₂O-), 3.96 (m, 4H, -OCH₂CH ₂O-), 3.79 (m, 4H, -OCH ₂CH₂O-, 4H, -OCH₂CH ₂O-), 2.54 (s, 6H, - ArH), 1.46 (s, 6H, - ArH).

¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃): δ 155.7, 143.4, 130.0, 128.2, 121.3, 113.6, 70.9, 70.7, 70.0, 69.5, 68.9, 14.7 ppm.

FAB MS m/z (M⁺): calcd, 514.25 Found, 514.0

실시예 3 : 화학식 (2)의 화합물 합성 (n이 2인 경우)

상기 화학식 (3) 화합물 대신에 n이 2인 화학식 (4) 화합물 250mg (0.73mmol)을 가하는 것과 이후 이동상 용액을 에틸아세테이트로 하여 플래쉬 실리카젤 컬럼 크로마토그래피 대신에 이동상 용액이 EtOAc-hexane (2:1)인 실리카젤 컬럼 크로마토그래피를 실행하는 것을 제외하고는 실시예 1에 기재된 방법과 동일하게 진행하여 0.29 g (70%)의 상기 화학식 (2) 화합물을 얻었다.

¹H NMR (400 MHz, CDCl₃): δ 6.95 (d, 2H, ArH), 6.76 (d, 1H, ArH), 5.97 (s, 2H, ArH), 4.20 (m, 4H, -OCH ₂CH₂O-), 3.98 (m, 4H, -OCH₂CH ₂O-), 3.80 (m, 4H, -OCH ₂CH₂O-), 3.73 (m, 4H, -OCH₂CH ₂O-, 4H, -OCH ₂CH ₂O-), 2.54 (s, 6H, - ArH), 1.46 (s, 6H, - ArH).

¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃): δ 155.6, 143.4, 131.9, 131.8, 121.4, 121.3, 121.0, 70.4, 70.3, 70.2, 14.8, 14.7 ppm.

FAB MS m/z (M⁺): calcd, 558.27 Found, 558.0

실험예 1 : 화학식 (1)의 화합물의 UV / vis 변화 측정

금속이온이 화학식 (1)의 화합물과 결합하는 특성은 Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, Ag⁺, Cd^{2 +}, Mg^{2 +}, Ca^{2 +}, Sr^{2 +}, Ba^{2 +}, Zn^{2 +}, Hg^{2 +}, Pb^{2 +}, Co^{2 +}, Cu^{2 +} 및 Al^{3 +} 이온을 H₂O/CH₃CN (6:4, v/v)에 가한 후 형광과 UV/vis 변화를 통하여 관찰할 수 있었다. H₂O/CH₃CN (6:4, v/v)의 수용성 용액을 사용한 이유는 형광성 화합물이 광발산 화학적 수용체로서 생물학적 시스템에 적용될 때의 수용액이 요구되기 때문이다. 도 2는 여러 금속 이온 또는 수은 이온이 결합된 화학식 (1)의 화합물의 UV/vis 스펙트럼을 나타내는 것이다. 도 2에서 사용된 금속이온의 종류는 Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, Ag⁺, Cd^{2 +}, Mg^{2 +}, Ca^{2 +}, Sr^{2 +}, Ba^{2 +}, Zn^{2 +}, Hg^{2 +}, Pb^{2 +}, Co^{2 +}, Cu^{2 +} 및 Al^{3 +} 이온이었고, ClO₄ ^- 과의 염의 형태로 가하였다. 이때, 사용한 수용액은 H₂O/CH₃CN (6:4, v/v)이었고, 상기 화학식 (1)의 화합물은 15.0μM로 가하였으며, 금속이온은 각각 50 당량씩 가하였다. 도 2를 참조하면, 금속과 결합 되지 않은 자유로운 상기 화학식 (1)의 화합물은 498.0 nm에서 날카롭고, 강한 흡수 밴드를 보이는 것을 볼 수 있는 반면에 Hg^{2 +} 가 화학식 (1) 화합물과 결합된 경우에는 화학식 (1) 화합물의 흡수 밴드가 498nm(△λ = 1.5 nm)에서 약간 적색 편이하여 499.5nm로 이동한 것을 확인할 수 있다. 그러나 화학식 (1) 화합물이 Hg^{2 +} 가 아닌 상기 다른 금속이온들과 결합된 경우에는 화학식 (1) 화합물에서 어떠한 검출 가능한 변화가 없음을 확인할 수 있었다.

상기 화학식 (1) 화합물에서 두 개의 황 원자들이 통상의 산소로 된 크라운 에테르인 상기 화학식 (2) 화합물과 (1) 화합물을 비교함으로써, 화학식 (1) 화합물에서 황원자와 Hg^{2 +}과 결합하는 모드를 보다 자세히 살펴볼 수 있었다. 상기 (2) 화합물의 크라운-5와 크라운-6의 고리는 Na⁺ 과 K⁺ 이온을 수용하는 것으로 잘 알려져 있는데, UV/vis 밴드 이동을 시키지 않는다. 이는 BODIPY가 벤조크라운 유닛에 수직으로 위치하여 ICT(Intramolecular Charge Transfer) 변화가 더 이상 금속이온의 결합에 영향을 미치기 않기 때문이다.

실험예 2 : 화학식 (1)의 화합물의 형광 변화 측정 (Ⅰ)

도 3에는 형광 변화에 대한 결과가 나타나 있다. 본 실험은 498 nm에서 여기시킨 상기 화학식 (1) 또는 (2) 화합물의 형광방출 변화 (I-I ₀ )를 측정한 결과로 H₂O/CH₃CN (6:4, v/v)에 0.50 μM 의 상기 화학식 (1) 또는 (2)의 용액과 50 당량의 다양한 금속이온을 가한 후 형광 변화를 측정한 것이다. I ₀ 는 어떠한 금속이온과 결합되지 않은 상태의 (1) 또는 (2) 의 형광 방출 강도를 나타내고 I는 금속이온과 결합된 상태의 (1) 또는 (2)의 형광 방출 강도를 나타내며, (+)는 형광방출이 증가된 것을 (-)는 형광방출이 감소된 것을 나타낸다. 도 3를 참조하면, 화학식 (2) 화합물의 경우 대부분의 금속 양이온에 대하여 낮은 선택성을 보이는지 반면에 화학식 (1)은 확실하게 Hg^{2 +} 에 대하여 높은 선택성과 감도를 보이는 것을 알 수 있다. 상기 화학식 (1) 화합물과 Ag⁺ 가 결합한 경우에 형광방출이 증가하는 유사한 형광 변화는 은이 황과 결합한다는 것을 시사하기는 하나, Hg^{2 +}과의 결합에서 나타나는 감도에 비하여는 매우 낮다. 이러한 Hg^{2 +}과 결합에 의한 형광 강화 현상은 CHEF(Chelation-induced Enhanced Fluorescence) 메카니즘에 기인한다. Hg^{2 +}이 티아-크라운 부분의 황 원자들과 상호작용을 할 때, 황 원자로부터 형광을 방출하는 BODIPY로의 PET (photo-induced electron transfer)가 저해된다. 그러나 Cu^{2 +} 이온 들은 오히려 눈에 띄는 quenching 효과를 나타내는데, 이는 d⁹-전자적 배열을 가지는 Cu (II) 이 화학식 (1)의 화합물과 결합하면서, PET를 유발하여 상당한 형광 quenching을 주기 쉽기 때문이다.

실험예 3 : 화학식 (1)의 화합물의 형광 변화 측정 (Ⅱ)

도 4는 Hg^{2 +} 이온 적정에 따른 화학식 (1) 화합물의 형광방출의 변화를 나타내는 스펙트럼이다. 화학식 (1) 화합물은 H₂O/CH₃CN (6:4, v/v).수용액에 0.50 μM로 가하였다(λ_ex = 498 nm). 금속이온과 결합 되지 않은 화학식 (1) 화합물은 H₂O/CH₃CN (6:4, v/v) 용액에서 507nm의 강한 녹색의 형광을 나타낸다. 498 nm에서 여기된 화학식 (1) 화합물은 Hg^{2 +} 농도 증가와 함께 눈에 띄게 형광 강도가 증가하였다. 형광 방출 변화에 따르면, Hg^{2 +} 에 대한 화학식 (1) 화합물의 결합 상수는 K _a=1.59x10⁵ M^{- 1} 로 얻어졌다.

실험예 4 : 화학식 (1)의 화합물의 Job 플롯

도 5는 화학식 (1)의 화합물과 Hg^{2 +} 의 농도를 변화시키면서 Job 플롯을 얻은 결과이다. 도 5를 참조하면, 0.5 몰 비에서 최대 포인트를 보임으로써, 리간드 와 금속이 1:1로 복합체를 형성한다는 것을 알 수 있다.

실험예 5 : 화학식 (1)의 화합물의 형광 변화 측정 (Ⅲ)

중요한 화학적 수용체가 가져야 하는 특성으로는 경쟁 물질들 사이에서 분석하고자 하는 분석물에 대한 높은 선택성을 들 수 있다. 도 6과 도 7은 다양한 금속이온들과 분석대상인 Hg^{2 +} 이온이 함께 존재하는 경우에, 화학식 (1) 화합물의 Hg^{2 +} 이온 선택성을 나타내는 형광 스펙트럼을 나타내는 것이다. H₂O/CH₃CN (6:4, v/v)에 화학식 (1) 화합물을 10 mM로 가하였고, Hg^{2 +} 이온과 Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺, Ag⁺, Cd²⁺, Mg^{2 +}, Ca^{2 +}, Sr^{2 +}, Ba^{2 +}, Zn^{2 +}, Pb^{2 +}, Co^{2 +}, Cu^{2 +} 및 Al^{3 +} 의 잡다한 양이온을 함께 각각 10 당량으로 가하였으며, 498 nm에서 여기 시켰고 모든 스펙트럼 자료는 Hg^{2 +}가 첨가된 후 10분 후에 측정하였다. 도 6과 7을 참조하면, 잡다한 경쟁 양이온들의 존재하에서 어떠한 의미 있는 형광 변화가 생기지 않았으며, 더욱이 잡다한 경쟁 양이온들의 존재하에서도 Hg^{2 +}이온은 여전히 유사한 형광 증가를 주는 결과를 나타내었다. 게다가, Hg^{2 +} 이온 첨가에 의한 형광 강도의 증가는 다른 경쟁 양이온들을 함께 가하여도 영향을 받지 않았다.

도 1은 Hg^{2 +} 이온과 화학식 (1) 화합물이 결합하여 복합체를 형성하고 형광을 방출하는 모습을 보이는 모식도이다.

도 2는 여러 금속 이온 또는 수은 이온이 결합된 화학식 (1)의 화합물의 UV/vis 스펙트럼을 나타내는 것이다.

도 3은 498 nm에서 여기시킨 상기 화학식 (1) 또는 (2) 화합물의 형광방출 변화 (I-I ₀ )를 측정한 결과이다.

도 4는 Hg^{2 +} 이온 적정에 따른 화학식 (1) 화합물의 형광방출의 변화를 나타내는 스펙트럼이다.

도 5는 (1)과 Hg^{2 +} 의 농도를 변화시키면서 Job 플롯을 얻은 결과이다.

도 6과 도 7은 다양한 금속이온들과 분석대상인 Hg^{2 +} 이온이 함께 존재하는 경우에, 화학식 (1) 화합물의 Hg^{2 +} 이온 선택성을 나타내는 형광 스펙트럼을 나타내는 것이다.

Claims (11)

1. 하기 화학식 (1) 또는 화학식 (2)로 표시되는 BODIPY가 결합된 크라운 에테르 유도체.

   

   

   (1) (2)

   상기 화학식 (2)에서 n은 1 또는 2이다.
2. 하기 반응식 1에 따라 2,4-디메틸피롤 및 p-클로라닐(p-chloranil)을 하기 화학식 (3)의 화합물과 반응시켜 하기 화학식 (1)의 BODIPY가 결합된 크라운 에테르 유도체를 제조하는 방법.

   반응식 1

   

   (3) (1)
3. 제 2항에 있어서, 상기 화학식 (3)의 화합물이 하기 반응식 2에 따라 하기 화학식 (5)의 화합물과 하기 화학식 (7)의 화합물의 반응에 의해 제조되는 것을 특징으로 BODIPY가 결합된 크라운 에테르 유도체를 제조하는 방법.

   반응식 2

   

   (7) (3)
4. 하기 반응식 3에 따라 하기 화학식 (4)의 화합물로부터 하기 화학식 (2)의 BODIPY가 결합된 크라운 에테르 유도체를 제조하는 방법.

   반응식 3

   

   (4) (2)

   상기 반응식 3에서 n은 1 또는 2이다.
5. 제 4항에 있어서, 상기 화학식 (4)의 화합물이 하기 반응식 4에 따라 하기 화학식 (6)의 화합물과 하기 화학식 (7)의 화합물의 반응에 의해 제조되는 것을 특징으로 BODIPY가 결합된 크라운 에테르 유도체를 제조하는 방법.

   반응식 4

   

   (7) (4)

   상기 반응식 4에서 n은 1 또는 2이다.
6. (a) 하기 화학식 (1)로 표시되는 화합물을 수용액에 용해시키는 단계; (b) 상기 (a)에서 얻어진 용액에 수은 이온이 포함된 시료를 가하는 단계; (c) 상기 (b)에서 얻어진 용액 속에 포함된 상기 화학식 (1)의 화합물을 여기시키기 위해 빛을 가하는 단계; 및 (d) 상기 (c)에서 얻어진 용액에서 방출하는 형광을 측정하는 단계를 포함하는 수은 이온을 선택적으로 검출하는 방법.

   

   (1)
7. 제6항에 있어서, 상기 화학식 (1)의 화합물은 상기 수용액에 0.1μM 내지 1mM의 농도로 가해주는 것을 특징으로 하는 수은 이온을 선택적으로 검출하는 방법.
8. 삭제
9. 제6항에 있어서, 상기 빛은 490nm 내지 500nm 파장인 것을 특징으로 하는 수은 이온을 선택적으로 검출하는 방법.
10. 제6항에 있어서, 상기 수용액은 H₂O과 CH₃CN로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수은 이온을 선택적으로 검출하는 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 H₂O과 CH₃CN의 부피의 비는 4:6 내지 6:4인 것을 특징으로 하는 수은 이온을 선택적으로 검출하는 방법.

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