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• 1. 서 론
• 2. 실 험
• 2.1. 시약 및 기기
• 2.2 합성
• 2.2.1. RHD
• 2.2.2. RED
• 2.2.3. RHDC
• 2.2.4. REDC
• 3. 결과 및 토론
• 3.1. 새로운 형태의 로다민 화합물 합성
• 3.1.1. 아미노알킬체인을 포함하는 중간체 화합물 합성
• 3.1.2. 크라운 에테르를 포함하는 로다민 화합물의 합성
• 3.2. RHDC와 REDC의 금속 양이온 인식특성
• 4. 결 론
• Acknowledgement

1. 서 론

로다민은 형광 현미경, 유동세포계측법, 형광 상관 분광학과 생명 공학 애플리케이션에서 광범위하게 사용되며, 환경과 생물학적으로 중요한 양이온의 인식에 대한 형광센서로의 개발은 특별한 관심의 연구 영역으로 되었다.^[1] 또한 새로운 형태의 형광 센서를 합성하여 금속과의 관계를 연구하는데 여기에 크라운 에테르가 사용되며 이런 거대고리 화합물의 선택적인 착물 형성 현상을 “호스트-게스트"라는 용어로 설명하여 분자 인식이라는 개념이 정착되었다.^[2] 호스트-게스트 화학에서는 그 작용이 분자 인식을 근간으로 하여 이루어지게 되는데 일반적으로 분자 인식이란 한 분자 호스트가 구조적으로 유사한 여러 물질들 중에서 특정 게스트를 식별하고 결합하는 현상을 의미한다. 호스트-게스트 화합물은 이온-쌍극자간의 힘에 의하여 결합이 형성된 화합물로서 호스트는 주로 게스트보다 큰 분자량을 가지며 게스트의 종류에 따라 인식을 달리하는 선택성을 갖는다.^[3,4]

로다민 센서는 특정 금속이온과의 콤플렉스로 인해 형광이 증가하고, 산소나 질소처럼 음전하를 띠는 경우는 금속양이온과의 콤플렉스에 참여함으로써 그 형태를 달리 할 경우 금속을 잡을 수 있는 종류도 다양해진다. 또한 분자내에 음전하를 강하게 띄는 크라운 에테르 분자는 알칼리 금속과 알칼리 토금속류 양이온들을 선택적으로 인식하는 감광 시약으로서 이용될 수 있다.^[5] 발색체를 갖는 크라운에테르 중에는 양이온에 대한 선택적 추출에 이용되거나, Li⁺, Na⁺, K⁺ 등의 양이온 농도를 ppm단위까지 결정할 수 있는 유용한 것들도 있으며,^[6,7] 알칼리토금속 양이온들을 추출할 수 있는 발색단 크라운 에테르가 합성되어 의학, 공업 및 생화학적 연구에 많이 이용되고 있다.^[8] 

크라운 에테르 분자내에 형광기를 결합시키면 자외선으로는 확인이 불가능한 정도의 게스트의 미세한 양에 대해서도 전자 여기상태 및 금속과의 착물 형성에 관한 많은 정보를 얻을 수 있다. 최근에는 특정 금속 이온에 대하여 큰 선택성을 가진 형광센서를 합성하여 금속이온과 착물을 형성하였을 때, 형광을 발현 증가시킬 수 있는 새로운 형광 센서도 알려졌다.^{[9, 10]} 예를 들어 형광물질인 로다민과 금속이온을 잘 잡을 수 있는 형태의 물질을 합성하고, 금속 이온이 착물을 형성하였을 때 로다민의 형광 스펙트럼 강도가 강하게 증가한다는 사실들이 보고되었다.^[11] 형광 스펙트럼의 변화를 보이는 화합물은 형광센서로서 신호를 나타내는 부분과 게스트(유기물, 금속)를 인식하는 부분으로 이루어져 있다. 분자센서는 다양한 유기물이나 금속을 선택적이고 빠르게 검출할 수 있는 수단이며, 중금속의 검출은 환경 문제 뿐만 아니라 의학, 약학에서도 중요한 연구분야이다.^[12,13]

본 연구에서는 형광성이 큰 로다민을 이용하여 2가지 종류의 RHD, RED 중간체를 합성하고, 이 중간체를 4‘-formylbenzo-15-crown-5과 반응하여 최종 chemosensor화합물 RHDC, REDC를 합성하였다(Figure 1). 이들 합성된 화합물에 금속양이온을 첨가하여 분자인식에 대한 변화를 형광스펙트럼을 통하여 측정하였고, 이 화합물들의 형광센서로서의 가능성을 알아보았다. 

Figure 1. Various structures of rhodamines and their derivatives.

2. 실 험

2.1. 시약 및 기기

로다민 6G, hydrazine monohydrate, ethylen ediamine, 4'-formylbenzo-15-crown-5, Iron(Ⅲ) nitrare, Iron(Ⅱ) chloride 는 Aldrich사와 TCI사의 특급제품을 사용하였다. ¹H NMR, ¹³C NMR 스펙트럼은 Varian Mercury사의 300MHz NMR Spectrometer로 측정하였으며, TMS를 내부기준물질로 한 CDCl₃를 용매로 사용하고 화학적 이동은 ppm 단위로 기록하였다(multiplicity: s=singlet, d=doublet, t=triplet, m=multiplet). 질량 스펙트럼은 Shimadzu사의 QP5050 GC Mass Spectrometer와 Joel사의 JMS 700 High Resolution Mass Spectrometer를 이용하여 측정하였다. 흡수 스펙트럼은 Hewlett Packard사의 diode array spectrophotometer(HP8523)를 사용하였으며 얻어진 형광스펙트럼은 Jasco사의 FP-6300 형광분광기를 사용하여 측정하였다.

2.2 합성

2.2.1. RHD

아르곤 기류하에서 로다민 6G 0.2g (0.4 mmol)을 MeOH 15ml에 녹여 100ml 플라스크에 넣고 여기에 hydrazine monohydrate 0.15g (4.9 mmol)을 첨가하여 46시간동안 환류시켰다. 반응의 진행을 TLC(ethanol:chloroform=1:1)로 확인하였다. 반응물을 상온으로 냉각시킨 후 감압회전증발기로 용매를 제거하고 CH₂Cl₂ 100ml와 H₂O 200ml를 사용하여 과잉하게 반응시킨 hydrazine을 분리시킨 후 유기물에 남아 있는 H₂O의 제거를 위하여 MgSO₄를 사용하여 필터 한 후 재결정하여 보라색 고체를 얻었다. 

Yield 86% ; m.p. 260~262℃; ¹H NMR (300MHz, CDCl₃) δ 7.96 (m, 1H), 7.47 (m, 2H), 7.08 (m, 1H), 6.38 (s, 2H), 6.26 (s, 2H), 3.56 (s, 2H), 3.22 (t, 4H), 1.92 (s, 6H), 1.32 (t, 6H). 

2.2.2. RED

아르곤 기류하에서 로다민 6G 1g (2.09 mmol)을 MeOH 25ml에 녹여 플라스크에 넣고 여기에 ethylenediamine 0.67ml (10.05 mmol)을 첨가하여 46시간동안 환류시켰다. 반응의 진행을 TLC(ethanol:chloroform=1:1)로 확인하였다. 반응물을 상온으로 냉각시킨 후 감압회전 증발기로 용매를 제거하고 CH₂Cl₂ 100ml와 H₂O 200ml를 사용하여 과잉하게 반응 시킨 ethylenediamine을 분리시킨 후 유기물에 남아있는 H₂O의 제거를 위하여 MgSO₄를 사용하여 필터 한 후 재결정하여 핑크색 고체를 얻었다.

Yield 85% ; m.p. 255~260℃; ¹H NMR (300MHz, CDCl₃) δ 7.94 (m, 1H), 7.47 (m, 2H), 7.10 (m, 1H), 6.36 (s, 2H), 6.21 (s, 2H), 3.19 (m, 6H), 2.38 (t, 2H), 1.81 (s, 6H), 1.30 (t, 6H).  

2.2.3. RHDC

아르곤 기류하에서 RHD 42.8mg (0.1 mmol)을 MeOH 10ml에 녹여 플라스크에 넣고 여기에 4'-formylbenzo-15-crown-5 29.6mg (0.1 mmol)을 첨가하여 24시간동안 환류시켰다. 반응물을 냉각시킨 후 여과하여 감압회전증발기로 용매를 제거하고 CH₂Cl₂으로 재결정하여 노란색 고체를 얻었다. 

Yield 63% ; m.p. 235~238°C; ¹H NMR (300MHz, CDCl₃) δ 8.22 (s, 1H), 8.01 (m, 1H), 7.49 (m, 2H), 7.07 (m, 1H), 6.83 (m, 1H), 6.69 (m, 2H), 6.38 (s, 2H), 6.32 (s, 2H), 4.18 (t, 4H), 3.89 (t, 4H), 3.74 (m, 8H), 3.21 (m, 4H), 1.86 (s, 6H), 1.31 (t, 6H). GC-MS (EI) m/e 706 

2.2.4. REDC

아르곤 기류하에서 RED 45.6mg (0.1 mmol)을 MeOH 10ml에 녹여 플라스크에 넣고 여기에 4'-formylbenzo-15-crown-5 29.6mg (0.1 mmol)을 첨가하여 24시간동안 환류시켰다. 반응물을 냉각시킨 후 여과하여 감압회전증발기로 용매를 제거하고 CH₂Cl₂으로 재결정하여 노란색 고체를 얻었다. 

Yield 57% ; m.p. 110~112°C; ¹H NMR (300MHz, CDCl₃) δ 8.14 (s, 1H), 7.94 (m, 1H), 7.47 (m, 2H), 7.07 (m, 1H), 6.84 (m, 1H), 6.77 (m, 2H), 6.34 (s, 2H), 6.23 (s, 2H), 4.17 (t, 4H), 3.90 (t, 4H), 3.78 (m, 8H), 3.34 (m, 4H), 3.16 (t, 4H), 1.86 (s, 6H), 1.32 (t, 6H). GC-MS (EI) m/e 734

3. 결과 및 토론

3.1. 새로운 형태의 로다민 화합물 합성

3.1.1. 아미노알킬체인을 포함하는 중간체 화합물 합성

열린 구조의 형광성이 큰 로다민을 형광성을 낮추기 위해 고리닫힌 형태로 합성하였다. RHD와 RED는 알킬체인의 길이가 다른 아미노알킬과 로다민으로부터 합성하였다. RHD는 로다민과 hydrazine을 1:10 비율로 합성하였다. 또한 RED는 로다민과 ethylenediamine을 1:5의 비율로 합성하였다(Schem 1). 

Scheme 1. Synthetic route to RHD and RED.

RHD와 RED는 80∼85%의 수율을 보였으며, 240∼260℃사이의 녹는점을 나타내었다. ¹H NMR 스펙트럼에서는 두가지 화합물 모두 반응물이 가지고 있는 carboxyl ester 피크가 δ 1.09 ppm과 δ 4.02 ppm 부근에서 사라지고 생성물은 공명안정화로 인하여 전체 피크 모두 up field로 이동하여 나타났다. 로다민이 가지고 있는 양성자의 피크는 δ 6~9 ppm 사이에서 주위환경에 따라 singlet, doublet, multiplet으로 나타났다.

3.1.2. 크라운 에테르를 포함하는 로다민 화합물의 합성

RHDC와 REDC는 중간체 화합물 RHD와 RED에 각각 4‘-formylbenzo-15-crown-5를 1:1의 비율로 반응시켜 합성하였다(Scheme 2). 

Scheme 2. Synthetic route to RHDC and REDC.

RHDC의 수율은 63%, 녹는점은 235∼238℃이고, REDC의 수율은 57%, 녹는점은 110∼112℃이었다. ¹H NMR 스펙트럼에서는 두가지 화합물 모두 반응물이 가지고 있는 aldehyde 피크가 δ 9 ppm 부근에서 사라지고 δ 8 ppm 부근에서 imine결합의 양성자 피크가 singlet으로 나타났으며, 결합에 참여한 amine 옆 탄소의 양성자는 δ 2.38 ppm에서 사라지고 δ 3.34 ppm부근에서 multiplet으로 나타났다. 로다민이 가지고 있는 양성자 피크는 δ 6∼8 ppm과 δ 1∼2ppm 사이에서 주위환경에 따라 singlet, doublet, multiplet으로 나타났으며, 크라운 에테르에 붙어있는 벤젠의 양성자 피크는 δ 6.8 ppm부근에서 multiplet으로 나타났고. 크라운 에테르가 가지는 양성자는 δ 3.7∼4.3ppm사이에서 주위환경에 따라 singlet, multiplet으로 나타났다. GC-MS 스펙트럼에서는 분자량(M⁺)에 해당하는 피크가 RHDC는 706, REDC는 734에서 각각 나타난 것을 확인하였다. 

3.2. RHDC와 REDC의 금속 양이온 인식특성

RHDC와 REDC를 일정한 농도의 아세토나이트릴 용매에서 흡수 및 방출 스펙트럼을 측정한 결과 최대흡수파장을 비교하였을 때는 528 nm로 같은 흡수띠를 나타냈고 방출띠에서도 큰 차이를 나타내지 않았다(Table 1). 

Table 1. Absorption and Emission spectral data of RHDC and REDC(5.0×10-6M)(ex slit:5nm, em slit:5nm).

흥미로운 결과는 형광스펙트럼에서 볼 수 있었다. RHDC의 형광 스펙트럼을 측정한 결과 형광이 거의 나타나지 않았으나, 다양한 금속 이온을 첨가시켰을 경우에는 형광이 Fe³⁺에 대해서 강하게 나타났다(Figure 2). 

Figure 2. The emission spectral of RHDC complexed with the addition of various metal in CH₃CN. (ex slit:5nm, em slit:5nm).

RHDC의 Fe³⁺을 정량적으로 첨가한 결과 Figure 3과 같은 결과를 얻었다. RHDC는 Fe³⁺에 대하여 6당량까지 큰 형광변화를 나타내었다. 

Figure 3. Fluorescent intensity of RHDC complexed with the Fe³⁺ in H3CN. (ex slit:5nm, em slit:5nm).

REDC에 다양한 금속 이온을 첨가한 결과 Fe³⁺에 대한 선택성이 가장 좋게 나타났다(Figure 4). 

Figure 4. The emission spectral of REDC complexed with the addition of various metal in CH₃CN. (ex slit:5nm, em slit:5nm).

REDC에 선택성이 가장 좋은 Fe³⁺을 정량적으로 첨가한 결과 Figure 5와 같은 결과를 얻었다. REDC는 RHDC에 비해 4배 이상의 더 많은 당량에 대해서 형광변화를 나타내었다. 

Figure 5. Fluorescent intensity of REDC complexed with the Fe³⁺ in CH₃CN. (ex slit:5nm, em slit:5nm).

합성된 화합물에 동일 농도의 Fe³⁺를 정량적으로 첨가하자 각각 다른 형광증가폭을 보였다(Figure 6). RHDC의 경우 50배 이상의 형광 증가로 Fe³⁺에 대한 인식이 좋았으며, REDC의 경우 

Figure 6. Fluorescent intensity of compound RHDC and REDC complexed with the Fe³⁺ in CH₃CN.

10배 이상 형광증가를 보였다. 이것은 로다민과 크라운이 금속과 결합 할 경우 중간체에서 알킨체인의 길이가 짧은 화합물의 경우 로다민의 구조를 오픈시킬 수 있는 힘이 크게 작용하여 형광이 강하게 나타난 것으로 생각된다. 

4. 결 론

형광성이 큰 로다민과 알킨체인의 길이가 서로 다른 두가지의 RHD, RED 중간체를 합성하였다. 이들 중간체와 4'-formylbenzo-15-crown-5를 이민 반응을 통하여 새로운 형태의 형광 센서 RHDC, REDC를 각각 63%, 57%의 수율로 합성하였다. 크라운 에테르 화합물의 금속 양이온에 대한 분자인식은 형광스펙트럼을 통하여 확인하였다. 형광스펙트럼에서는 합성된 크라운 화합물은 거의 형광이 나타나지 않았으나 특정 금속 이온을 첨가 시켰을 때는 형광이 강하게 나타났다. 형광의 증가폭으로 보아 RHDC, REDC의 경우 15-크라운-5 크기에 맞는 Na⁺에 대한 선택성이 보이지 않고 Fe³⁺에 대한 선택성을 나타냈으며, Fe²⁺와 Hg²⁺에도 약간의 선택성을 나타내었다. 로다민의 카보닐 산소와 크라운 에테르가 결합에 참여 할 때 구조가 오픈되면서 강한 형광이 나타나게 되는데 두가지 화합물 중에서 중간체 길이가 짧은 RHDC가 결합되는데 가깝게 위치를 해서 형광이 더 강하게 나타났으며 chemosensor로 적절한 것으로 사료된다. 

Acknowledgement

이 논문은 대구대학교 연구년 학술연구비에 의하여 연구되었음.