Part I. Design and Synthesis of New Flavin-based Organic Electron-Transfer Mediators for Glucose Monitoring Biosensor Part II. Synthesis of 4,5-Diaminophthalonitrile using Direct Amine Substitution Reaction and Protecting Groups
Part I. 혈당 측정 바이오 센서용 플라빈 계열 유기 전자 전달 매개체의 설계 및 합성 Part II. 직접적 아민 치환과 아민 보호기를 활용한 4,5-다이아미노프탈로나이트릴의 합성
- 주제(키워드) 유기 전자 전달 매개체 , 순환전압전류법 , 플라빈 유도체 , 혈당측정시스템 , 친핵성 방향족 치환반응(SNAr) , 고리 열림 반응 , 친핵성 방향족 치환반응(SNAr) , 보호기 , 파라-메톡시벤질(PMB) , 다이메톡시벤질(DMB) , 아민화 반응 , 오쏘-다이아미노벤젠
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 문봉진
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학과
- UCI I804:11029-000000065611
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
Part I. 혈당 측정 바이오 센서용 플라빈 계열 유기 전자 전달 매개체의 설계 및 합성 혈당 측정 시스템의 원리는 글루코스 산화 효소(glucose oxidase)에 의한 글루코스 산화 과정에서 발생하는 전기 화학적 신호를 변환하여 혈중 글루코스 농도를 해석하는 것이다. 전자의 흐름은 글루코스-효소-전극을 따라 이동하며 전자 전달 매개체는 효소와 전극 사이에서 전자를 전달하는 중요한 역할을 한다. 전자 전달 매개체는 반복적인 산화 환원을 효율적으로 구동하기 위하여 특정 범위 내의 저 전위 값을 가져야 한다. 본 연구에서는 적절한 산화 환원 전위를 가진 7,8-다이사이아노아이소알록사진을 기반으로 새로운 유기 전자 전달 매개체를 설계하고 합성했다. 플라빈 구조의 두 개의 메틸(-CH3)기를 두 개의 사이안기(-CN)로 대체함으로써 혈당 측정 시스템에 적합한 산화 환원 전위 값을 가지는 신규 플라빈 유도체를 합성했다. 4-아미노-5-플루오로프탈로나이트릴과 1차 아민의 친핵성 방향족 치환 반응을 사용하여 링커가 있는 다양한 7,8-다이사이아노아이소알록사진 유도체를 합성했다. 또한, 1,3-프로판설톤과 4,5-다이아미노프탈로나이트릴의 고리 열림 반응을 사용하여 우수한 수용성을 가지는 아이소알록사진 유도체를 합성했다. 해당 유도체들은 고분자 매트릭스와의 접합을 위한 적절한 링커를 가지며 향상된 수용성을 나타낸다. Part II. 직접적 아민 치환과 아민 보호기를 활용한 4,5-다이아미노프탈로나이트릴의 합성 4,5-다이아미노프탈로나이트릴(4,5-diaminophthalonitrile)은 전자 주개와 전자 받개가 나란히 위치하여 상당히 편재화된 전자 분포를 갖는다. 이러한 특징으로 인한 전기적, 광학적 특성 때문에 전기 발광 물질과 플라빈 계열의 전자 달 개체를 비롯한 여러 분야에서 중요한 중간체로서 활용되고 있다. 그러나 이 물질을 합성하기 위해서는 합성 과정이 지나치게 길거나 정제 조건이 까다롭다는 문제점이 있었다. 본 연구에서는 용매 조건에 따른 플루오로벤젠의 아민화 반응과 전이금속을 사용하지 않고 제거가 가능한 아민 보호기를 도입함으로써 부가 가치가 높은 4,5-다이아미노프탈로나이트릴 합성 경로를 개발할 수 있었다. 두 가지 경로 모두1,2-다이브로모-4,5-다이플루오로벤젠을 시작물질로 하여 직접적 아민화 반응을 이용하여 총 2단계만에, 보호기를 활용하여 최대 4단계, 최소 3 단계로 비교적 높은 수율로 원하는 물질을 합성할 수 있었다. 특히 그 동안의 합성법의 가장 큰 한계였던 탈 보호 반응에서의 전이금속 촉매에 대한 의존성 문제를 해결했다. 플루오로벤젠 유도체와 파라 메톡시 벤질 아민 사이의 반응을 통해 아미노 구조와 보호기를 동시에 도입할 수 있었다. 또한, 보호기가 산 조건하에서 쉽게 제거됨으로써 정제 과정이 간단하며, 높은 수율로 결과물을 얻었다.
more초록/요약
Part I. Design and Synthesis of New Flavin-based Organic Electron-Transfer Mediators for Glucose Monitoring Biosensor The principle of the glucose monitoring system is to measure the electrochemical signals from the process of glucose oxidation by glucose oxidase. The process involves electron transfer along glucose-enzyme-electrode. The electron-transfer mediator plays a vital role during this process. The electron-transfer mediator requires to have a specific redox potential range to drive the redox cycle efficiently. In this study, I have designed and synthesized new organic electron-transfer mediators based on 7,8-dicyanoisoalloxazine with appropriate redox potentials. Replacing the two methyl (-CH3) groups in flavin structure with two cyano (-CN) groups provided the new flavin derivative with desirable redox potential for glucose monitoring system. Besides, I have prepared various 7,8-dicyanoisoalloxazine derivatives with linkers using nucleophilic aromatic substitution reactions between 4-amino-5-fluorophthalonitrile and various aliphatic amines. I have also synthesized a water soluble isoalloxazine derivative using ring-opening reaction of 1,3-propanesultone with 1,2-diaminophthalonitrile. These derivatives have appropriate linkers for conjugation with polymer matrix and exhibited enhanced water solubility. Part II. Synthesis of 4,5-Diaminophthalonitrile using Direct Amine Substitution Reaction and Protecting Groups The juxtaposed structures of the electron donor and the electron acceptors are of continuing interest as this structural motif can be applicable to devise materials due to unique electronic and optical properties. 4,5-diaminophthalodinitrile is a prototypical representative of juxtaposition compounds. However, the reported methods for synthesizing 4,5-diaminophthalonitrile generally require the use of expensive reactants and the synthetic processes are lengthy. In addition, most reaction conditions include difficult work-up procedures resulting in unsatisfactory low yields. I have developed high value-added synthetic paths for 4,5-diaminopthalonitrile by introducing amine protecting groups that can be removed without using transition metal and the direct amination of fluorobenzene in dimethyl sulfoxide. Both routes allowed us to synthesize the desired material in a relatively high yield in 2 to 4 steps starting from 1,2-dibromo-4,5-difluorobenzene. It solved the problem of dependence on transition metal catalysts in deprotecting reactions, which had been the biggest problem in the previous synthetic methods. The reaction between the fluorobenzene derivatives and paramethoxybenzyl amine allowed the introduction of amino groups with protecting groups. In addition, the refining process is simple as the protecting groups are easily removed under acid conditions in high yields.
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