용매화 및 이량체화 효과를 모델링하여 진동 원편광 이색성(VCD)을 이용한 절대 배위 결정의 정확도 향상

서론

입체 이성질체 약학적으로 중요한 분자들은 생물체에 서로 다른 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 합성된 약물의 절대 입체 배열에 대한 지식은 매우 중요합니다. 유럽의약품청( FDA ) 지침에 명시된 바와 같이, 승인된 거울상 이성질체가 없는 치료제의 경우 입체화학, 즉 절대 배열(AC)에 대한 지식이 필수적입니다.¹

VCD 분광법은 실험적으로 측정된 VCD 스펙트럼과 이론적으로 예측된 VCD 스펙트럼을 비교하여 용액 내의 절대 배열을 규명할 수 있는 기법이다^.2일부 분자의 VCD 스펙트럼은 용매에 따라 상당한 변동을 보일 수 있다(주로 구조적 효과와 수소 결합 효과 때문). VCD 측정을 위한 용매 선택은 분자의 용해도 에 따라 결정될 수 있으므로, 이론적 VCD 계산이 용매 효과를 충분한 정확도로 반영할 수 있는지 확인하는 것이 중요하다.

R-2-하이드록시-4-페닐 부티르산((R)-2H4PBA)은 클로로포름(_CHCl3)과 디메틸설폭사이드(DMSO)에서 측정된 실험적 VCD 스펙트럼이 현저한 차이를 보이는 카르복실산이다. 이러한 차이는 두 용액에서 일어나는 분자간 상호작용에서 기인한 것으로 보인다. VCD 계산을 통해 실험 스펙트럼을 정확하게 재현하기 위해서는, 계산 설정을 할 때 이러한 상호작용을 고려해야 한다.

이 백서는 BioTools의 실험적 VCD 측정 결과와 Schrödinger의 계산적 VCD 예측 결과를 결합하여, 두 가지 표준 용매인_CHCl₃와DMSO에서 2H4PBA의 절대 배열을 규명할 뿐만 아니라, 실험적 VCD 스펙트럼과 이론적 VCD 스펙트럼 간의 스펙트럼 중첩도를 높일 수 있는 가능한 방법론을 제시합니다.

또한 Schrödinger소프트웨어에 포함된 피어슨^계수³(PC)와 BioTools의 CompareVOA 알고리즘에 포함된 에난티오머 유사도 지수(ESI)/신뢰도^수준⁴등, 이용 가능한 비교 및 정렬 알고리즘의 사용법을 추가로 설명합니다.^{간단히 말해}, 피어슨 계수는 측정된 VCD 스펙트럼과 계산된 VCD 스펙트럼 간의 스펙트럼 중첩 정도를 나타내는 척도입니다. CompareVOA는 백분율로 표시된 시그마 근방 유사도(SNS)를 계산하며, 거울상 이성질체 유사도 지수(ESI 또는 델타)는 선호되는 거울상 이성질체의 SNS와 반대쪽(유사도가 낮은) 거울상 이성질체의 SNS 간의 차이를 나타냅니다. ESI 값이 클수록 AC의 시각적 판정에 대한 신뢰 수준이 높아집니다. PC와 ESI는 모두 함께 사용하여 신뢰도를 더욱 높일 수 있습니다.

클로로포름 및 DMSO 용매에서의 실험 스펙트럼 및 이론 스펙트럼 모델링

먼저, 암시적 용매 환경에서 (R)-2H4PBA의 스펙트럼을 모델링해 보았다. 아래 그림 1은 (R)-2H4PBA의 이론적 및 실험적 적외선(IR) 및 VCD 스펙트럼을 보여준다. 왼쪽 패널은_CDCl₃를, 오른쪽 패널은 DMSO-d₆를 나타낸다. 실험 스펙트럼에는 용매의 적외선 흡수 대역이 시료의 흡수 대역과 겹치는 것을 방지하기 위해 중수소화 용매를 사용하였다.

(R)-2H4PBA에 암시적 용매화 모델을 적용하여 수행한 이론적 VCD 계산 결과는 두 용매 모두에서 실험 데이터와 합리적으로 일치하여, 절대 배열을 할당할 수 있다. 실험 및 이론적 VCD 스펙트럼 간의 스펙트럼 중첩에 대한 피어슨 계수(PC)는 스펙트럼 아래에 표시되어 있다. 절대값이 0.2 이상인 PC는 일반적으로 입체화학 할당에 대한 신뢰도를 확보하기에^{충분하므로³,}0.776 및 0.618이라는 계수는 입체 중심을R로시각적으로 할당한 것이 정확함을 확인해 준다.^ESI⁴역시 절대 배열을R로할당하는 것을 지지한다. PC의 경우와 마찬가지로, ESI 값은_CDCl₃에 비해 용매 DMSO-d6에서 더 낮은 값을 보인다. DMSO-d6의 이러한 낮은 값은 이론과 실험 간의 중첩 수준이 더 낮음을 나타낸다.

이론과 실험 사이에서 뚜렷하게 드러나는 질적 차이 중 하나는 두 용매 모두에서 약 1700^cm⁻¹부근에 나타나는 카르복실 밴드입니다. 이 영역에서는 분자 내 또는 분자 간 수소 결합이 고려되지 않았기 때문에 이론적 주파수가 거의 항상 이동하는 경향이 있습니다. 여기서와 같이 산의 경우, 이는_{CDCl₃에서는}COOH 기가 관여하는 분자 이량체화, DMSO에서는 용매-용질 간 수소 결합 때문일 가능성이 가장 높습니다.

DMSO는 일부 용질과 수소 결합을 형성하여 그 구조적 양상을 변화시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.⁵하이드록실기를 포함하는 2H4PBA와 DMSO 사이에는^이러한수소 결합이 형성되어야 한다. 이것이 아마도 클로로포름과 DMSO에서 측정된 실험적 VCD 스펙트럼이 서로 다른 주된 이유일 것이다. 암시적 클로로포름/DMSO 용매에서 계산된 2H4PBA의 이론적 스펙트럼은 수소 결합 형성을 고려하지 못하기 때문에, 예상대로 매우 유사한 양상을 보인다.

**그림 1:** 실험 스펙트럼(파란색)과 암시적 용매에서 시뮬레이션된 스펙트럼(녹색) 간의 FTIR(하단 패널) 및 VCD(상단 패널) 비교. 특히 1700^cm⁻¹ 부근에서 일부 정성적 차이가 관찰된다.

클로로포름에서 더 나은 스펙트럼 중첩을 얻는 방법

클로로포름에서 (R)-2H4PBA가 이량체화될 가능성이 높다는 점을 고려하여, 동일한 암시적 용매를 사용하여 (R)-2H4PBA이량체에대해 유사한 VCD 계산을 수행하였다(그림 2 참조). 그 결과, 예측된 스펙트럼은 실험 스펙트럼과 시각적으로 훨씬 더 잘 일치하는 것으로 나타났다(그림 3). 이량체에 대한 VCD 계산은 단량체에 대한 계산(8개의 CPU에서 2시간 소요)보다 계산 비용이 훨씬 더 많이 든다(구조 탐색을 포함한 이러한 계산은 8개의 CPU에서 2일이 소요됨). 계산 시간을 최소화하는 한 가지 방법은 그림 4에 표시된 바와 같이, (R)-2H4PBA 이량체를 훨씬 더 작은 포름산과 수소 결합을 형성한 복합체로 ‘모방’하여 모델링하는 것입니다. 그림 5는 이러한 계산 결과가 실험 결과와 잘 일치함을 보여줍니다. 결과 스펙트럼은 전체 (R)-2H4PBA 이량체의 스펙트럼과 모양이 유사하며, 1700-1850^cm-1 영역에서 피크의 부호가 정확합니다. (R)-2H4PBA + 포름산에 대한 계산은 8개의 CPU에서 약 6시간이 소요되었습니다.

이량체와 포름산에 대한 계산 모두 시각적 일치도를 개선하여 절대 입체 구조의 할당에 대한 신뢰도를 높였으나, 흥미롭게도 PC와 ESI 값이 모두 감소했다는 점은 매우 중요한 사실을 시사합니다. 즉, PC와 ESI 값은 절대 입체 구조(AC)에 대한 시각적 할당을 확인하는 용도로만 사용되어야 한다는 것입니다. 결과적으로, 이 값들은 절대 배열 결정 및 VCD 스펙트럼 일치 정도에 대한 정량적 척도를 제공한다. PC 및 ESI 값은 VCD 밴드 위치, 스펙트럼 폭, 그리고 부호가 반대인 인접 VCD 밴드 간의 강도 상쇄에 모두 의존한다. 계산상의 변화가 PC 또는 ESI 값의 향상으로 이어지는지, 아니면 감소로 이어지는지 항상 파악할 수 있는 것은 아니다.

**그림 2:** 암시적 용매화 모델에 따른 클로로포름 용액 내 (R)-2H4PBA 이량체의 최저 에너지 구조. 이러한 이량체를 모델링하면 클로로포름 용액 내 카르복실산의 VCD 스펙트럼을 더 정확하게 설명할 수 있을 것이다.

**그림 3:**_CDCl₃ 용액에서의 실험 스펙트럼(파란색)과 이량체에 대한 이론적 계산 스펙트럼(녹색) 간의 FTIR(하단 패널) 및 VCD(상단 패널) 비교. 이량체화 효과를 모델링함으로써 실험 스펙트럼과 이론적 스펙트럼 간의 정성적 일치도가 크게 향상되었다(그림 1의 왼쪽 패널과 비교).

**그림 4:** 암시적 용매화 모델에 따른 클로로포름 용액 내 포름산과 복합체를 형성한 (R)-2H4PBA의 최저 에너지 구조. 작은 분자인 포름산을 사용하여 이량체화 효과를 모델링함으로써 계산 시간을 단축할 수 있다.

DMSO에서 더 나은 스펙트럼 중첩을 얻는 방법

(R)-2H4PBA와 용매 DMSO 간의 수소 결합을 고려하기 위해, (R)-2H4PBA와 DMSO 1분자로 구성된 복합체를 설정하였다. 우리는 이 복합체에 대해 기체 phase 와 완전한 용매 PCM 쉘을 모두 적용하여 VCD 계산을 수행했다. 암시적 DMSO 용매를 포함한 (R)-2H4PBA+DMSO 복합체에 대한 계산 결과는_{암시적 CHCl3에서}(R)-2H4PBA 이량체에 적용된 프로토콜과 일치한다. 본 연구의 모든 계산과 마찬가지로, VCD 계산에는 복합체에 대한 구조 탐색이 포함되었다.

암시적 DMSO 계산을 통해 1700^cm⁻¹ 부근의 시뮬레이션된 카르복실 밴드를 성공적으로 개선할 수 있었다. 그 결과 얻어진 스펙트럼은 아래 그림 6~7에 제시되어 있다.

**그림 5:** CDCl₃ 용액에서의 실험 스펙트럼(파란색)과 포름산과 형성된 복합체의 이론적 계산 스펙트럼(녹색) 간의 FTIR(하단 패널) 및 VCD(상단 패널) 비교. 포름산과 형성된 더 작은 복합체를 모델링함으로써, 전체 이량체의 스펙트럼에 나타나는 대부분의 스펙트럼 특징을 재현할 수 있다(그림 3과 비교).

**그림 6:** DMSO-d6 용매(파란색)에서 측정된 실험 스펙트럼과 복합체의 이론적으로 계산된 스펙트럼(녹색) 간의 FTIR(하단 패널) 및 VCD(상단 패널) 비교. 명시적인 DMSO 분자와의 복합체 형성은 1700 cm⁻¹ 부근에서 이론적 VCD 스펙트럼을 개선한다(그림 1의 오른쪽 패널과 비교).

**그림 7:** DMSO-d6 용매에서 측정된 실험 스펙트럼(파란색)과 암시적 용매화를 적용하여 이론적으로 계산된 복합체의 스펙트럼(녹색) 간의 FTIR(하단 패널) 및 VCD(상단 패널) 비교. 암시적 용매 내에서 명시적 DMSO 분자와의 복합체 형성은 1100-1500 cm⁻¹ 영역에서 VCD 스펙트럼을 더욱 개선시킨다(그림 6 및 그림 1의 오른쪽 패널과 비교).

결론

절대 입체 배열의 결정은 실험적 VCD 측정(BioTools, Inc.)과 이론적 VCD 계산(Schrödinger, Inc.)을 결합하여 일상적으로 수행할 수 있습니다. VCD 스펙트럼에 미치는 용매의 영향이 상당할 수 있으므로, 암시적 용매 모델을 사용하여 이러한 영향을 모형화하는 것이 바람직합니다. 일부 화합물의 실험적 및 이론적 VCD 스펙트럼 간의 일치도를 높이기 위해서는, 표준 암시적 용매 계산에 그치지 않고 다음과 같은 방법을 적용하는 것이 유용할 수 있습니다:

(i) 비극성 용매에서 분자간 수소 결합을 형성하기 쉬운 화합물의 이량체 모델링;

(ii) 수소 결합에 의해 일어나는 용질-용매 상호작용을 더 잘 표현하기 위해, 암시적 용매 분자를 포함하는 복합체를 사용한다.

실험적 VCD 스펙트럼 측정

약 8~10 mg의 2H4PBA를 ~125~250 μL의 용매에 용해시킨 후, 이 용액을 광경로 길이 100 μm인 BaF2 적외선(IR) 셀로 옮겼다. 스펙트럼은 BioTools(플로리다주 주피터)의ChiralIR2X DualPEMFT-VCD 분광기를 사용하여 측정하였으며, 분해능은 4^cm⁻¹,PEM 최대 주파수는 1400^cm⁻¹로 설정하였다. 시료는 수증기를 제거하기 위해 건조 공기로 퍼지하면서 각각 1시간씩 8블록에 걸쳐 측정하였다. IR 스펙트럼은 용매 차감법을 적용하여 처리하고^{2000 cm⁻¹에서} 0으로 오프셋을 조정하였다. VCD 블록의 측정값을 평균화한 후, 반차법 [(E1 – E2) / 2]을 적용하여 처리하였다.

이론적 VCD 스펙트럼 계산

이론적 VCD 스펙트럼은 Schrödinger, Inc.의 표준 VCD 계산 워크플로우를 사용하여 모델링되었습니다. MacroModel/OPLS4 구조 탐색을 통해 5 kcal/mol 에너지 범위 내에서 최대 100개의 구조를 선별합니다. 이후의 모든 DFT 계산은 Jaguar 을 사용하여 B3LYP-D3/LACVP** 이론 수준에서 수행됩니다. 암시적 용매 모델이 요청될 경우, 컨포메이션의 기하 구조는 PCM(분극성 연속체 모델)을 사용하여 최적화되며, 볼츠만 가중치를 결정하기 위한 최종 단일 점 에너지 평가는 PBF(푸아송-볼츠만 유한 요소법)를 통해 수행됩니다. 암시적 용매가 요청되지 않은 경우, 컨포메이션의 기하 구조는 기체 phase 에서 최적화됩니다. 5 kcal/mol 에너지 창 내에 들어오는 컨포메이션의 VCD 스펙트럼은 요청에 따라 암시적 PCM 용매를 포함하거나 포함하지 않고 계산됩니다. 개별 컨포메이션의 스펙트럼은 볼츠만 평균화되고, 이후 정규화되어 최종 VCD 스펙트럼이 생성됩니다. 이론적 스펙트럼과 실험적 스펙트럼의 정렬은 참고문헌 3에 설명된 알고리즘에 따라 수행됩니다.