Fluoride ions exist in abundance throughout nature, and human exposure to fluoride is inevitable. High levels of fluoride intake (over 2 ppm) induces acute and chronic illnesses such as gastric disorders, dental and skeletal fluorosis, and urolithiasis. To minimize the potentially harmful exposure, fluoride selective detectors must be developed that gives colorimetric response for easy detection. In this thesis, we developed a one-pot synthesis of 4 different sensors that are based on diaminomaleonitrile units tethered on aldehydes. The structures provide bright color change visible even to the naked eye at $F^-$ ion concentrations as low as 2 ppm. Furthermore, when tested along with similar anions such as $CN^-$, $I^-$, $Br^-$, $Cl^-$, $NO_3^-$, $PO_4^{3-}$, $OAc^-$, and $HSO_4^-$, the sensors only displayed visible color change in the presence of fluoride, indicating high selectivity. $HF_2^-$ ion generation is clearly observed in $^{19}F$ NMR, which is a direct evidence for the participation of nitrogens in the donor moiety providing its unique difference in the selectivity. This thesis sets forth an unprecedented selectivity of $F^-$ ions over $CN^-$ ions, previously not achieved by others. Additionally, the detection limit of 2 ppm complies with World Health Organization (WHO) standards.
불소 이온은 지구상에 많이 존재하는 이온이며, 따라서 불소 이온에 대한 인간의 노출은 불가피하다. 또한 과량의 불소 이온 노출은 인체에 해가 되며, 위장병, 치아와 뼈의 불소증, 요로결석과 같은 급성 및 만성 질환을 야기한다. 이처럼 인간에게 유해한 노출을 최소화하고 의도하지 않은 불소 이온의 섭취를 예방하기 위해 육안 감지가 가능한 불소 이온 센서의 개발은 필수적이다. 본 연구에서는 diaminomaleonitrile을 이용한 one-pot 합성을 통해 4가지 센서가 개발되었다. 한편 본 센서의 불소 농도 감지 한계 수치가 조사되었는데, 조사 결과 2 ppm의 낮은 농도에서 색 변화를 통해 육안으로 불소 이온의 존재를 감지할 수 있었다. 선택적 이온 반응도를 확인하기 위해 $CN^-$, $I^-$, $Br^-$, $Cl^-$, $NO_3^-$, $PO_4^{3-}$, $OAc^-$과 $HSO_4^-$ 이온들의 반응도 또한 자외선-가시광선 분광기를 이용해 분석되었으며, 조사 결과 불소 이온에서만 선택적으로 가시적인 색 변화를 보였다. 그뿐만 아니라 $^{19}F$ NMR을 통해 $HF_2^-$ 이온의 존재가 관찰되었는데, 이는 diaminomaleonitrile의 $NH_2$ 기능기에 있는 수소원자가 불소 이온으로 이동하면서 나타난 현상으로 본 센서의 불소 이온 감지 과정이 불소 이온과 아민 간의 산도-염기도의 영향에 의한 메커니즘이라는 것을 말해준다. 본 연구는 다른 연구들과 달리 $CN^-$, $OAc^-$에서 반응하지 않고 불소 이온에서만 반응을 했다는 점에서 전례없는 연구 결과를 보였으며, 세계보건기구(WHO)의 기준(2 ppm)을 만족하는 결과를 보였다.
