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Chirality conversion and Enantioselective separation of amino acids by reactive extraction with ARCA derivatives

Title
Chirality conversion and Enantioselective separation of amino acids by reactive extraction with ARCA derivatives
Authors
가혜림
Issue Date
2010
Department/Major
대학원 화학·나노과학과
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Advisors
김관묵
Abstract
Part І 박테리아 세포벽의 alanine racemase를 기초로 하여 고안된 ARCA (alanine racemase chiral analogue)는 L-amino acid를 D-amino acid로 변환시킨다. 기존의 ARCA의 stereoselectivity를 높이기 위해 (S)-[1,1’-Binaphthalene]-2-hydroxy-2’-hydroxy-(3-(4,5-digydro-N-phenyl-1H-imidazol-2-amine))-3-carboxaldehyde(1) 과 (S)-[1,1’-Binaphthalene]-2-hydroxy-2’-hydroxy-(3-(1,4,5,6-tetrahyro-N-phenylpyrimidin-2-amine))-3-carboxaldehyde(2)가 디자인되었다. 기존의 ARCA들과 비교했을 때 구조의 특성상 형성되는 charge로 인하여 receptor의 selectivity가 향상될 것이라고 기대되었다. Amino acid와 amino alcohol은 대표적인 chiral 물질이다. 하지만 D-amino acid는 자연적으로 얻어지지 않는다. D-amino acid는 의약품, 식품 혹은 생리활성 물질의 중간체 및 원제로 사용되기 때문에 이들의 합성은 중요하다. Receptor 1과 2는 L-amino acids와 DMSO-d6에서 반응하여 imine을 형성하고, 여기에 TEA을 첨가하면 시간의 변함에 따라 1H-NMR spectrum이 변함을 관찰할 수 있다. L-form의 peak가 시간이 지나면서 점점 줄어들고, D-form의 peak가 늘어나는 것으로 5-20배 정도의 선택성을 갖는다. 더 나아가 receptor 1과 2는 입체 선택성을 가지고 racemic amino alcohol과 결합한다. (S)-form으로 존재하는 receptor1과 2는 (S)-amino alcohol보다 (R)-amino alcohol과 3-10배 정도 더 잘 결합한다. 뿐만 아니라 receptor1과 2는 Chloroform와 Dichloromethane과 같은 끓는점이 낮아 회수가 쉬운 용매에 잘 녹는 특징을 사용하여 시간과 비용의 절약의 좋은 이점을 가지고 있는 Reaction extraction을 시행하였다. 2equiv의 amino acid와 receptor를 각각 물 층과 유기 층에 용해시키면 각 층사이에서는 가역적인 반응이 일어나게 된다. receptor와 amino acid는 imine결합을 이루게 되며 receptor는 구조적으로 안정한 형태를 선호하게 된다. 구조적으로 안정한 D-amino acid과 receptor의 imine결합은 다량 receptor가 잘 녹는 유기 층에 존재하게 되며 물 층에는 receptor와 선택성이 떨어지는 L-amino acid가 존재하게 된다. 이들 과정들은 thermodynamic control로 설명 할 수 있으며, 평형에 도달하면 선택성은 변하지 않는다. 반응 후 유기 층만을 분리하고 0.1N HCl을 가하여 hydrolysis를 하게 되면 amino acid기 protonation되면서 더 이상 가역적인 반응은 일어나지 않게 된다. 유기 층에 activation energy가 낮은 L-amino acid와 receptor의 imine결합이 먼저 깨지게 되며 반응이 진행됨에 따라 D-amino acid의 enantiomeric excess(e.e.)값이 >95%까지 올라가는 것을 NMR로 확인하였다. pH에 따라 이들은 thermodynamic 과 kinetic으로 control될 수 있으며 이로써 amino acid에 대한 손쉬운 광학 이성질체 분리 방법의 가능성을 보았다. Part Ⅱ 기존의 ARCA의 유도체인 (S)-[1,1’-Binaphthalene]-2-hydroxy-2’-hydroxy-(2-methyl(phenyl)guanidine)-3-carboxaldehyde(3)과 (S)-[1,1’-Binaphthalene]-2-hydroxy-2’-hydroxy-(ethylphenyluryl)-3-carboxaldehyde(4)를 합성하였다. (S)-[1,1’-Binaphthalene]-2-hydroxy-2’-hydroxy-(2-methyl(phenyl)guanidine)-3-carboxaldehyde(3)은 (S)-[1,1’-Binaphthalene]-2-hydroxy-2’-hydroxy-(3-guanidinobenzyl)-3-carboxaldehyde의 guanidinium ligand에 methyl기를 치환한 화합물로써, Part 1의 합성 과정의 중간 단계인 14를 이용하여 합성하였다. 또한, (S)-[1,1’-Binaphthalene]-2-hydroxy-2’-hydroxy-(ethylphenyluryl)-3-carboxaldehyde(4)은 연구실에서 이미 밝혀진 (S)-[1,1’-Binaphthalene]-2-hydroxy-2’-phenylurylbenzyl-3-carboxaldehyde 화합물의 benzyl기를 linear alkyl기로 치환하여 합성하였다. (S)-[1,1’-Binaphthalene]-2-hydroxy-2’-hydroxy-(ethylphenyluryl)-3-carboxalde hyde(4)의 합성 과정은
로 나누어 두 가지의 합성 과정을 개발하였다.
에서는 Part 1에서 합성 과정의 하나인 (S)-[1,1’-Binaphthalene]-2-methyl methyl ether-2’-hydroxy-3-carboxaldehyde(11)을 이용하여 합성한 것이고,
에서는 (S)-[1,1’-Binaphthalene]-2-hydroxy-2’-hydroxy-3-carboxylic acid(28)을 사용함으로써 합성 과정을 훨씬 줄일 수 있었고, (S)-[1,1’-Binaphthalene]-2-hydroxy-2’-hydroxy-(ethylphenyluryl)-3-carboxaldehyde(4)은 4단계를 거쳐 합성하였다.;Amino acid and amino alcohol are most representative chiral material. But D-amino acid is not able to get by natural consequences. Optically pure D-amino acids are of increasing industrial importance as chiral building blocks for the synthesis of pharmaceuticals, food ingredients, and drug intermediates. Preparation of most D-amino acids requires high cost due to the lack of natural sources. Thus, it is very important that synthesize D-amino acid. The ARCA(alanine racemase chiral analogue), based on alanine racemase of bacterial cell wall, can convert L-amino acid to D-amino acid. Receptor 1and 2 are designed for enhance the stereoselectivity of existing ARCA. In this context, I have develoted a new imidazolium-based receptor 1 which provides the charge-reinforced hydrogen bond (CRHB) and high enantioselective recognition toward amino acids and amino alcohols. Extractive resolution of enantiomers is a chirotechnology of current industrial interest for large-scale production due to time-saving and cost-effective process. I tested the stereoselective extraction of amino acids with compound 1. Excess racemic leucine in 1.0ml water at pH 8 was stirrid with 1 in 1.0ml CDCl3. 1H NMR of the chloroform layer at 1h confirmed the imine formation between 3 and leucine, which 1-D-Leu is more than 1-L-Leu by a factor of 4.5. The stereoselectivities for the extraction of alanine and valine under the same conditions were observed to be 3.3. An advantage of 1 as a chiral extractor is that the amino acid and 1 are easily separated form the imine by convenient pH control. Treatment of the CDCl3 layer containing the imine of 1-Leu with 0.1N HCl dissociated the imine immediately to 1 in the organic layer and amino acid in the aqueous layer.
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