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송희 심
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COMPOUND OF THE MONTH 시스테인산소화효소의화학적모델로서크로뮴 (III)- 수퍼옥소화합물의산소원자전달반응 신봉기, 조재흥 * DGIST 신물질과학 jaeheung@dgist.ac.kr 서론생물학적, 촉매적산소활성화반응에있어서, 전이금속중심에서의산소활성화가최근에관심을받고있다.

1 COMPOUND OF THE MONTH 시스테인산소화효소의화학적모델로서크로뮴 (III)- 수퍼옥소화합물의산소원자전달반응 신봉기, 조재흥 * DGIST 신물질과학 jaeheung@dgist.ac.kr 서론생물학적, 촉매적산소활성화반응에있어서, 전이금속중심에서의산소활성화가최근에관심을받고있다. 금속에결합한수퍼옥소, 퍼옥소, 하이드로퍼옥소, 그리고옥소종과같은활성산소배위금속중간체는유기기질물질의산화반응에산화제로서자주언급된다. 금속-활성산소생성물중에서금속- 수퍼옥소종은철 ( 예 isopenicillin N synthase, myo-inositol oxygenase) 과구리 ( 예 dopamine β-monooxygenase, peptidylglycine-α-amidating monooxygenase) 를함유한효소에의한기질의 C-H 결합활성화과정에서반응활성중간체임을보여준이래로, 최근에더욱많은주목을받고있다. 생명현상에서발생하는메커니즘을이해하여실생활에적용하려는생체모방연구에있어서도철 (III)- 수퍼옥소종은단핵철 (II) 화합물에의한 C-H 결합활성화의강력한산화제로서제안이되었고, 구리 (II)- 수퍼옥소종의경우합성된몇몇구리 (II)- 수퍼옥소화합물이리간드산화와유기화합물의약한 C-H, O-H, 그리고 N-H 결합의산화에대한반응성을보였다. 단핵철효소인시스테인산소화효소는세개의히스티딘기에의해결합된철 (II) 중심을포함하고, 산소에의해시스테인이산화되어시스테인술핀산이얻어지는촉매작용을한다. 이러한작용이생체내에서원활하게일어나지못 도식 화학세계 19

2 하면시스테인이체내에축적되고이는알츠하이머와같은질병을유발하는것으로알려져있다. 시스테인산소화효소의활성중심의철은산소와결합하여철 (III)- 수퍼옥소종을형성하고시스테인의황을공격하는것으로제안되어져왔다. 또한철 (III)- 수퍼옥소종의말단에위치한산소원자가황으로전달되어지고, 그결과철 (IV)- 옥소종이형성되는것으로추정되어지고있다 [ 도식 1]. 시스테인산소화효소의생체모방모델로서, 림버그 (Limberg), 골드버그 (Goldberg), 드비셔 (de Visser), 그리고그들의동료들은산소에의해매개된철 (II) 설폭시화를실험적으로, 그리고이론계산을사용한연구를통해보고했고, 이반응에서철 (III)- 수퍼옥소종은설폭시화반응에효과가있는활성산화제로제안되었다. 그러나, 철 (III)- 수퍼옥소종의중간체로서의관찰과설폭시화반응에서철 (IV)- 옥소생성물의형성은촉매적반응과생체모방적반응둘다직접적으로관찰된적이없었다. 한편단핵크로뮴 (III)- 수퍼옥소화합물은바카치 (Bakac) 와그의동료들의산소활성금속효소의화학적모델과기질의산화에서활성산화제로서화학적모델로보고되었다. 최근에또한크로뮴 (III)- 수퍼옥소화합물, [Cr III (O 2) (TMC)(Cl)] + (1, TMC = 1,4,8,11- 테트라메틸 -1,4,8,11- 테트라아자사이클로테트라데카인 ) 의합성법과물리화학적특성이보고되었고, 이것의 C-H 결합활성화에서수소원자추출반응에대한결과를보여주었다. 이연구는금속- 수퍼옥소종이수소원자를외부기질로부터추출하는것이가능하다는것에대해서처음으로직접적인실험적증명을제공했다. 그러나우리가아는한, 금속- 수퍼옥소화합물이산소원자를직접적으로전달하는반응이관찰된적은없었다. 본연구를통해서화합물 1이유기분자에산소원자를전달할수있다는것을보여줄것이고결과산화된유기분 자와크로뮴 (IV)- 옥소종이형성됨을보고할것이다 [ 도식 2]. 또한 1의친전자적인특성은파라위치의치환체를가진여러종류의싸이오아니졸 (thioanisoles) 의산화로증명하였다. 따라서, 본연구의결과는시스테인산소화효소의화학적모델과금속- 수퍼옥소종의시스테인산화반응에서의역할에대한구체적인정보를제공한다. 본론크로뮴 (III)- 수퍼옥소화합물 1은이전에보고된방법으로합성하였다. 크로뮴 (II) 의출발물질을질소하에서만들어낸후아세토나이트릴용매에녹여, -10 에서산소가스를불어넣어만들어낸다. 중간체 1은저온에서어느정도안정하기때문에화학량론적상태하에서의반응성연구에이용될수있다 ( 예 -10 에서 1시간동안 5 % 감소 ). 이중간체는 PPh 3 와정량적으로반응하여 OPPh 3 를생성한다. 도식 2 그림 아세토나이트릴에서 PPh3 를첨가하여 90 초간격으로얻은중간체 1 의자외선 - 가시광선흡수분광스펙트럼변화. -10 환경에서이차반응속도상수로결정되는 PPh3 농도의도표. 중간체 1 과 PPh3 의반응에대한활성화변수를결정하기위한 1/T 과이차반응속도상수의도표. 20 화학세계

3 시스테인산소화효소의화학적모델로서크로뮴 (III)- 수퍼옥소화합물의산소원자전달반응 반응속도론적연구에서는 -10 아세토나이트릴용매하에서과량의 PPh 3 와의반응은 1차반응상수를나타내고 [ 그림 1a, inset], 1차반응상수는반응하는 PPh 3 의농도에비례하여증가하여 2차반응상수에대한정보를제공한다 (k 2 = M -1 s -1 ) [ 그림 1b]. 반응속도는반응온도에의존하고, 243 K과 273 K 사이에서 ΔH = 44 kj mol -1 와 ΔS = -74 J mol -1 K -1 인활성화변수가선형의순회도표 (Eyring plot) 을통해서얻어진다 [ 그림 1c]. 생성물이포함하고있는산소의근원은 18 O 동위원소실험을통하여얻어진수퍼옥소그룹에의해결정된다 ; 18 OPPh 3 는 18 O 2 를사용하여만들어진, 라벨링된화합물 1 (1-18 O) 의반응에의해생성된다 [ 도식 2, 그림 2]. 싸이오아니졸의산화포텐셜에비교하였을때도좋은선형관계를관찰할수있었다 [ 그림 3c]. 중간체 1에의한반응용액에서싸이오아니졸의산화반응은메틸페닐설폭사이드 (methyl phenyl sulfoxide) 가높은수율로생성되고 ( 화합물 1을기초로 ~70 % 의양 ), 설폭사이드생성물에있는산소의근원은 18 O-라벨링된 1-18 O 화합물실험을기초 그림 2. OPPh3 의 LC-ESI-MS 스펙트럼. 일반적인 16 OPPh O와 PPh3 를반응시켜서얻은 16 OPPh O와 PPh3 를반응시켜서얻은 18 OPPh3. 위의연구결과로부터중간체 1은산소원자전달반응을할수있는것으로판단하여같은조건에서시스테인산소화효소의모방연구인황의산화에대한반응을관찰했다. 중간체 1의특정흡수띠는싸이오아니졸 (thioanisole) 이추가되면서 1차감소경향을보이며줄어들었다 [ 그림 4]. 여기서얻어진유사 1차반응상수는싸이오아니졸의농도에비례하여증가했다 (k 2 = M -1 s -1 ) [ 그림 3a]. 중간체 1에의한파라위치에여러치환체를가진싸이오아니졸의산화의효과를조사하기위해 para-x-ph-sch 3 (X = OH, CH 3, H, Cl) 를가지고추가실험을진행하였고해밋도표 (Hammett plot) 로부터기울기값이 -3.3 이라는정보를얻을수있었다 [ 그림 3b]. 이러한음의기울기값은금속-옥소화합물에의한싸이오아니졸의설폭시화에서자주관찰되었고, 중간체 1이산소이동반응에서친전자적인특성을나타낸다는것을보여준다. 또한얻어진반응속도를 그림 아세토나이트릴에서파라위치에여러치환체를가진싸이오아니졸인 para-x-ph-sch3 (X = OH, CH3, H, Cl) 과중간체 1 의반응. para-x-ph-sch3 (X = OH ( 붉은색 ), CH3 ( 녹색 ), H ( 검은색 ), Cl ( 파란색 )) 의농도에대한 kobs 의도표. 파라위치에여러치환체를가진싸이오아니졸의 σ p + vs log krel 의해밋도표. krel 값은싸이오아니졸의 k2 값에파라위치에여러치환체를가진싸이오아니졸의 k2 값을나누어계산되었다. 파라위치에여러치환체를가진싸이오아니졸산화의 Eox 에대한 log k2 의도표. 그림 , 0.2-cm 두께의 UV 셀, 아세토나이트릴조건에서, 싸이오아니졸 ( 중간체 1 에대해서 500 당량, 500 mm) 을추가한중간체 1 의 UV-vis 스펙트럼변화. 위의삽입된그림은 331 nm 에서중간체 1 의시간에따른감소를보여준다. 아래의삽입된그림은 nm 영역을 10 배확대한것이다 화학세계 21

로중간체 1의수퍼옥소로부터기인하는것을밝혀낼수있었다. 흥미롭게도우리는중간체 1에의한산소전달반응의생성물로서크로뮴 (IV)- 옥소화합물 ([Cr IV (O)(TMC)(Cl)] + (2)) 의생성을관찰할수있었다 [ 도식 2]. 이중간체는 -10 아세토나이트릴에서비교적안정하고, 이환경에서 PPh 3 와황화물은반응하지않는다.

4 로중간체 1의수퍼옥소로부터기인하는것을밝혀낼수있었다. 흥미롭게도우리는중간체 1에의한산소전달반응의생성물로서크로뮴 (IV)- 옥소화합물 ([Cr IV (O)(TMC)(Cl)] + (2)) 의생성을관찰할수있었다 [ 도식 2]. 이중간체는 -10 아세토나이트릴에서비교적안정하고, 이환경에서 PPh 3 와황화물은반응하지않는다. 그러므로우리는자외선 -가시광선분광기, 저온스프레이이온화질량분석기, EPR 그리고공명라만 (rraman) 분광기와같은다양한분광학적인방법으로중간체 2를관찰할수있었고, 중간체 2의구조는단결정 X-ray 회절방법에의해저온상태에서결정되었다. 중간체 2의자외선 -가시광선스펙트럼은 501 (ε= 60 M -1 cm -1 ), 603 (ε= 90 M -1 cm -1 ), 그리고 960 nm (ε= 30 M -1 cm -1 ) 에서특정한흡수띠를보여준다 [ 그림 5a]. 저온스프레이이온화질량분석기에서중간체 2는 m/z 에서이온피크를보이고 [ 그림 5b], 질량과동위원소분포패턴은 [Cr(O)(TMC)(Cl)] + 와일치한다 ( 이론계산치 m/z = 359.2). 반응이 1-18 O로부터발생될때, 질량피크는 m/z 로나타나 [Cr( 18 O)(TMC)(Cl)] + (2-18 O) 와일치한다 ( 이론계산치 m/z = 361.2) [ 그림 5b, inset]. 16 O에서부터 18 O 가치환되어이동된두개의질량단위는, 중간체 2가하나의산소원자를포함하고있다는것을나타낸다. 중간체 2 는 4.3 K 온도환경의 EPR 에서피크가나타나지않고, 중간체 2의유효자기모멘트 (-20 에서 μeff = 3.3μ B) 는스핀상태가 S=1 인 Cr(IV) 의산화상태를나타낸다 O (32 mm) 의 rraman 스펙트럼은 407 nm 레이저여기를통해서 -20, CH 3CN/ CH 2Cl 2 에서측정했고, 이측정을통해동위원소에민감한 874 cm -1 밴드가나타났으며, 2-18 O의밴드는 837 cm -1 로이동하였다 [ 그림 5a, inset]. 관찰된 18 O-치환화합물의 -37 cm -1 동위원소밴드의이동은 Cr- O 이원자조화진동자로계산된수치 (Δνcalc = -38) 와잘일치한다. 873 cm -1 로관찰된 Cr-O 진동수는이미알려진 [Cr IV (O)(Tp tbu,me ) (pz H)] + (905 cm -1 ) 와 [Cr IV (O)(TPP)] (1025 cm -1 ) 보다조금낮은값을보여준다. 단결정 2-Cl CH 3CN H 2O는 -40 에서 CH 3CN/ 아세톤 / 디에틸에테르 (acetone/diethyl ether) 혼합용매에서얻었다. [ 그림 6] 에서유사팔면체구조인크로뮴 -옥소화합물을보여준다. 특히, 2의 Cr1-O1 결합길이 (1.698(3) A ) 는 [Cr IV (O) (Tp tbu,me )(pz H)] + (1.602 A ), [Cr IV (O)(TPP)] (1.572 A ), [Cr V (O)(salen)] + (1.545 A ), 그리고 [Cr V (O) (TMC)(OCH 3)] 2+ (1.604 A ) 와같은다른 Cr(IV) 또는 Cr(V) 그림 아세토나이트릴에서중간체 2( 붉은색 ) 와 1( 검정색 ) 의 UV-vis 스펙트럼. 삽입된그림은 2-16 O( 붉은색 ) 와 2-18 O( 파란색 ) 의 rraman 스펙트럼을보여준다 ; 용매밴드는 s 로표기했다. 중간체 2 의저온스프레이이온화질량분석데이터. 삽입된그림은 2-16 O ( 아래 ) 와 2-18 O ( 위 ) 의동위원소분포패턴을보여준다. 그림 6. 결정학적으로독립적인분자인 [Cr(O)(TMC)(Cl)] + (2) 의분자구조. ORTEP 으로나타낸 30 % 확률의열타원체를가지는중간체 2. 결정된단결정구조로부터얻어진공간충전모형으로나타낸중간체 화학세계

결론최근에크로뮴 (III)- 수퍼옥소화합물이철그리고구리함유효소에의한 C-H 결합활성반응에서반응중간체로추정되는금속-수퍼옥소종의생체모방산화제로서제안된것을보여주었다. 이번연구를통해서는크로뮴 (III)- 수퍼 옥소화합물 (1) 이친전자적특성을가진산소전달반응을수행할수있다는것을증명하였다.

5 시스테인산소화효소의화학적모델로서크로뮴 (III)- 수퍼옥소화합물의산소원자전달반응 화합물보다길다. 상대적으로화합물 2의긴 Cr-O 결합거리는 rraman 측정으로얻어진낮은주파수의 Cr-O 신축진동과일치함을보여준다. 중간체 2의 TMC 리간드에있는 4개의질소에결합된메틸기는 [Cr V (O)(TMC)(OCH 3)] 2+ 와 [Fe IV (O)(TMC)(CH3CN)] 2+ 의결정구조에서보여진것처럼금속에결합된옥소종과반대의방향을향하고있는것으로관찰된다. 결론최근에크로뮴 (III)- 수퍼옥소화합물이철그리고구리함유효소에의한 C-H 결합활성반응에서반응중간체로추정되는금속-수퍼옥소종의생체모방산화제로서제안된것을보여주었다. 이번연구를통해서는크로뮴 (III)- 수퍼 옥소화합물 (1) 이친전자적특성을가진산소전달반응을수행할수있다는것을증명하였다. 또한중간체 1에의한산소전달반응결과크로뮴 (IV)- 옥소화합물 (2) 의형성을보였다. 따라서, 이번연구는금속 (III)- 수퍼옥소화합물은친전자적인특성과산소전달반응이일어날수있음을처음으로증명하는생체모방적연구의예를제공한다. 추가적으로, 금속 (IV)- 옥소화합물은금속 (III)- 수퍼옥소화합물의말단산소원자를산소전달반응에서유기기질로이동된생성물로서형성된다. 본연구는지금까지시스테인산소화효소의반응기작으로추정되고있는금속-수퍼옥소종의산소전달반응에이은금속- 옥소종의생성을생체모방연구를통해정확하게그반응메커니즘에대한정보를제공하였다. 참고문헌 1. Cho, J.; Woo, J.; Nam, W. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, Cho, J.; Sarangi, R.; Nam, W. Acc. Chem. Res. 2012, 45, Cho, J.; Woo, J.; Han, J. E.; Kubo, M.; Ogura, T.; Nam, W. Chem. Sci. 2011, 2, Cho, J.; Jeon, S.; Wilson, S. A.; Liu, L. V.; Kang, E. A.; Braymer, J. J.; Lim, M. H.; Hedman, B.; Hodgson, K. O.; Valentine, J. S.; Solomon, E. I.; Nam, W. Nature 2011, 478, Cho, J.; Woo, J.; Nam, W. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 신봉기 Shin, Bongki 울산대학교, 화학공학전공, 학사 ( ) 에히메대학 (Ehime University), 응용화학과, 교환학생 ( ) DGIST, 신물질과학, 석사과정 (2013- 현재 ) 조재흥 Cho, Jaeheung 부경대학교, 화학과, 학사 ( ) 부경대학교, 화학과, 석사 ( ) 가나자와대학 (Kanazawa University), 화학과, 박사 ( ) 델라웨어대학교 (University of Delaware), 연구원 ( ) 이화여자대학교, 전임강사 / 특임교수 ( ) DGIST, 신물질과학, 조교수 (2012- 현재 ) 연구분야 : 무기화학, 생체모방화학 화학세계 23

36 Chap 20 : Conjugated Systems 20.1 Stability of Conjugated Dienes Diene : 2 개의 C=C 이중결합을가진화합물 C 1,4-Pentadiene 1,3-Pentadiene 1,2-Pentadiene (unconj

36 Chap 20 : Conjugated Systems 20.1 Stability of Conjugated Dienes Diene : 2 개의 C=C 이중결합을가진화합물 C 1,4-Pentadiene 1,3-Pentadiene 1,2-Pentadiene (unconjugated diene) (conjugated diene) (cumulated diene)