Reactions of 2-mercaptobenzimidazole with bromotrifluoroethylene and 2-bromo-1,1-difluoroethylene

작은, 보이지 않는 레고 브릭인 분자들이 끊임없이 새로운 모양을 만들기 위해 서로 결합하려고 시도하는 세상을 상상해 보세요. 유기 화학이라는 과학 분야에서 연구자들은 서로 다른 종류의 브릭들을 섞어 어떤 구조를 만들어낼 수 있는지 확인하는 숙련된 건축가 역할을 합니다. 어떤 브릭들은 "친핵체(nucleophiles)"인데, 이는 다른 것들을 붙잡고 싶어 하는 데 매우 열성적이라는 뜻이며, 반대로 어떤 브로키들은 "친전자체(electrophiles)"로서 누군가 자신을 붙잡아 주기를 기다립니다. 보통 손이 하나뿐인 브릭을 가지고 있다면 과정은 단순합니다. 하지만 만약 두 개의 손을 동시에 사용하여 무언가를 붙잡을 준비가 된 브릭을 가지고 있다면 어떻게 될까요? 그것이 바로 이 논문이 다루는 퍼즐입니다. 구체적으로, 과학자들은 황(sulfur) "손"과 질소(nitrogen) "손"을 모두 가진 2-머캅토벤즈이미다졸(2-mercaptobenzimidazole)이라는 분자를 살펴보고 있습니다. 그들은 이 두 손을 가진 분자가 특정 유형의 반응성 파트너, 즉 불소 원자가 붙어 있는 브롬(bromine) 함유 가스와 만났을 때 어떻게 반응하는지 알고 싶어 합니다. 이것이 왜 중요할까요? 왜냐하면 이 분자들이 서로 맞물려 원을 형성할 때, 헤테로사이클(heterocycle)이라고 불리는 새로운 고리 모양의 구조를 만들기 때문입니다. 이러한 고리들은 많은 의약품과 재료의 근간이 되므로, 이들이 정확히 어떻게 형성되는지 이해하는 것은 과학자들이 미래에 더 나은 약물과 화학 물질을 설계하는 데 도움이 됩니다.

이 연구에서 우크라이나 유기 화학 연구소의 연구원들은 2-머캅토벤즈이미다졸과 두 가지 서로 다른 브롬-불소 가스인 브로모트리플루오로에틸렌(bromotrifluoroethylene) 및 2-브로모-1,1-디플루오로에틸렌(2-bromo-1,1-difluoroethylene)을 가지고 분자 태그 놀이를 하기로 했습니다. 그들은 반응을 촉진하기 위해 칼륨(potash)이라는 염기를 포함한 DMF라는 액체에 이 재료들을 섞었으며, 혼합물이 약 60–70 °C까지 가열되는 것을 지켜보았습니다. 목표는 황과 질소의 손이 가스를 붙잡아 새로운 고리를 형성하며 루프를 닫을 것인지, 아니면 그냥 옆에 붙어만 있을 것인지를 확인하는 것이었습니다.

브로모트리플루오로에틸렌을 사용했을 때, 반응은 성공적이었으며 80% 이상의 높은 수율로 새로운 고리 모양의 생성물을 만들어냈습니다. 연구팀은 두 가지 주요 "승자"를 분리해 냈는데, 하나는 2-브로모-2,3,3-트리플루오로-2,3-디하이드로-벤즈이미다조[4,5b]티아졸-1,3 (이들을 화합물 5라고 부릅니다)이라는 분자이고, 다른 하나는 2,2,3-트리플루오로-2,3-디하이드로-벤즈이미다조[4,5b]티아졸-1,3 (화합물 6)입니다. 그들은 원자들의 3D 사진과 같은 강력한 이미징 기술인 X선 회절법(X-ray diffraction)을 사용하여 이 새로운 고리들의 정확한 모양을 확인했습니다. 흥가롭게도, 브롬이 남아 있지 않은 화합물 6은 브롬 원자가 너무 "이동성"이 높아서(쉽게 떨어져 나가서) 고리가 닫힌 후 현장을 완전히 떠나버렸기 때문에 형성되었다는 것을 발견했습니다. 이는 과거에 유사한 염소 기반 가스로 실험했을 때는 염소가 제 자리에 머물렀던 것과 대조되는 놀라운 결과였습니다. 브롬은 훨씬 더 기꺼이 떠나려는 성질이 있었습니다. 또한 그들은 분자가 하나의 가스 단위 대신 두 개의 가스 단위를 붙잡아 생긴 지저ck한 기름 형태의 생성물(화합물 7)이 아주 적은 양(약 5%) 존재한다는 것도 발견했지만, 그 정확한 모양을 연구할 만큼 깨끗한 결정을 얻지는 못했습니다. 또 다른 가능한 생성물(화합물 8)의 흔적도 있었지만, 너무 적어서 분리할 수 없었습니다.

실험의 두 번째 부분은 가스를 2-브로모-1,1-디플루오로에틸렌으로 교체하는 것이었습니다. 이번에는 반응이 다소 지저분하여 많은 끈적끈한 미지의 폴리머 찌꺼기를 만들어냈습니다. 그러나 혼합물을 정제한 후, 그들은 3,3-디플루오로-2,3-디하이드로-벤즈이미다조[4,5b]티아졸-1,3 (화합물 9)과 2,2-디플루오로-2,3-디하이드로-벤즈이미다조[4,5b]티아졸-1,3 (화합물 10)이라는 두 개의 새로운 고리 결정을 뽑아냈습니다. 저자들은 이 두 가지 서로 다른 고리가 형성된 이유가 시작 가스가 두 가지 방식으로 공격받을 수 있기 때문이라고 제안합니다. 즉, 브롬이 먼저 떨어져 나가거나, 혹은 가스가 황에 먼저 붙는 방식입니다. 두 경로 모두 결국 고리 닫힘으로 이어졌지만, 최종적인 불소 원자의 배열은 달랐습니다.

이 논문의 핵심 요점은 브롬을 포함하는 가스가 그들의 염소 사촌들과는 다르게 행동한다는 것입니다. 브롬 원자는 훨씬 더 기꺼이 떠나려는 성질이 있어, 이전에는 보이지 않았던 다른 유형의 고리 폐쇄를 가능하게 합니다. 연구진은 X선 분석을 통해 이 새로운 불소화 고리들의 존재와 구조를 성공적으로 입증했으며, 사용하는 가스를 조절함으로써 특정한 새로운 분자 모양을 구축할 수 있음을 보여주었습니다. 비록 이 특정 실험에서 질병의 치료제를 찾아낸 것은 아니지만, 그들은 복잡한 고리가 어떻게 만들어지는지에 대한 새로운 화학적 규칙들을 지도화하여 분자 건설이라는 퍼즐에 몇 조각을 더 추가했습니다.