락탐

1. 개요

락탐은 고리 내에 아미드 결합을 가진 고리형 아미드 화합물을 의미한다. 락탐은 고리 크기에 따라 명명법이 다르며, α-락탐, β-락탐, γ-락탐 등이 있다. 락탐은 벡만 전위, 슈미트 반응, 아미노산의 고리화, 요오드락탐화 반응, 키누가사 반응, 딜스-알더 반응 등 다양한 유기 합성 방법을 통해 얻을 수 있다. 락탐은 락팀과의 호변이성질체 관계를 가지며, ε-카프로락탐은 나일론-6 합성에 사용되고, β-락탐계 항생제는 항균 작용을 나타내는 등 다양한 분야에서 활용된다. 또한, 락탐은 폴리아미드로 중합될 수 있다.

2. 명명법

그리스어 접두사는 고리 크기를 알파벳 순서로 나타낸다. α-락탐이 가수 분해되면 α-아미노산이 생성되고, β-락탐이 가수 분해되면 β-아미노산이 생성되는 것에서 이러한 명명법이 유래했다.

2.1. 고리 크기에 따른 명명법

그리스어 접두사는 알파벳 순서로 고리 크기를 나타낸다.

이러한 명명법은 α-락탐의 가수 분해로 α-아미노산이 생성되고, β-락탐의 가수 분해로 β-아미노산이 생성되는 것에서 유래하였다.

3. 합성

락탐은 다양한 유기 합성 방법을 통해 만들어진다. 일반적인 합성 방법에는 다음과 같은 것들이 있다.

* 베크만 전위
* 슈미트 반응
* 아미노산의 고리화
* 요오드락탐화 반응
* 키누가사 반응
* 딜스-알더 반응

3.1. 벡만 전위

산 촉매 하에서 옥심의 전위 반응인 벡만 전위 반응을 통해 락탐이 형성된다.

3.2. 슈미트 반응

환형 케톤과 아지도산이 슈미트 반응을 통해 락탐을 생성한다. 사이클로헥사논은 아지도산과 반응하여 ε-카프로락탐을 형성하며, 과량의 산으로 처리하면 심장 자극제인 카르디아졸을 형성한다.

3.3. 아미노산의 고리화

락탐은 동일 분자 내의 아민과 카르복실산 사이의 결합을 통해 아미노산의 고리화로부터 형성될 수 있다.

락탐화는 생성물이 γ-락탐일 때 이 방식으로 가장 효율적이다. 예를 들어, Fmoc-Dab(Mtt)-OH는 측쇄 아민이 매우 부피가 큰 4-메틸트리틸(Mtt) 기에 의해 입체적으로 보호됨에도 불구하고, 아민은 여전히 결합하여 γ-락탐을 형성할 수 있다. 이 반응은 HATU 및 PyAOP와 같은 많은 커플링 시약을 사용하여 5분 안에 거의 완료된다.

3.4. 분자 내 친핵성 치환 반응

친핵성 공격 반응을 통해 선형 아실 유도체의 분자 내 반응에 의한 고리화로 락탐이 형성된다.

3.5. 요오드락탐화 반응

아이오딘과 알켄의 반응으로 이민 이온과 할로늄 이온이 형성된다. 이민 이온은 이렇게 형성된 할로늄 이온과 반응한다.

3.6. 키누가사 반응

알킨과 니트론의 1,3-쌍극자 고리 첨가 반응으로 락탐이 생성되는 반응을 키누가사 반응이라고 한다.

3.7. 딜스-알더 반응

딜스-알더 반응과 사이클로펜타다이엔 및 클로로설포닐 아이소사이아네이트(CSI)의 반응을 통해 β-락탐과 γ-락탐을 모두 얻을 수 있다. 낮은 온도(-78°C)에서는 β-락탐이 선호되는 생성물이다. 최적의 온도에서 빈스 락탐으로 알려진 매우 유용한 γ-락탐이 얻어진다.

4. 락탐-락팀 호변이성질체

락탐의 -CO-NH-기가 호변이성으로 -C(OH)=N- 구조가 된 것을 락팀(lactim)이라고 부른다. 예를 들어 이사틴은 락탐형 구조와 락팀형 구조를 모두 가질 수 있다.
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5. 주요 화합물

* ε-카프로락탐은 나일론-6 합성에 사용되는 중요한 락탐이다.
* 페니실린과 같은 β-락탐계 항생물질은 세균의 세포벽 합성을 억제하여 항균 작용을 나타내는 락탐 화합물이다.
* 빈스 락탐은 다양한 의약품 합성에 사용되는 중간체이다.

6. 반응

락탐은 다음과 같은 반응을 할 수 있다.

* 가수분해: 락탐은 고리열림 가수분해를 통해 아미노산을 생성할 수 있다.
* 환원: 락탐은 수소화 알루미늄 리튬과 같은 강한 환원제를 사용하여 환원될 수 있다. 이 반응은 고리형 아민을 생성한다.
* 친핵성 아실 치환 반응: 락탐은 친핵체와 반응하여 고리가 열린 생성물을 만들 수 있다.

6.1. 중합 반응

락탐은 폴리아마이드로 중합될 수 있다.