The enantioselective solvolyses of optically active esters by L-histidine dipeptides in the presence of amphiphile-aggregates composed of cholesteryl derivatives and other surfactants were carried out in 0.02 M Trisbuffer solution. The optically active catalysts employed were N-(benzyloxycarbonyl)-L-phenylalanyl-L-histidine methyl ester (la), N-(benzyloxycarbonyl)-L-phenylalanyl-L-histidine(lb), and N-(benzyloxycarbonyl)-L-leucyl-L-histidine methyl ester(lc), and the substrates solvolyzed were N-carboethoxy-D- and -L-phenylalanine p-nitrophenyl esters (D-NEP AND L-NEP), N-carbobenzoxy-D- and -L-phenylalanine p-nitrophenyl esters (D-NBP and L-NBP), N-dodecanoyl-D- and -L-phenylalanine p-nitrophenyl esters (D-NDP and L-NDP), D- and L-α-methoxy phenylacetic acid p-nitrophenyl esters (D-Man-PNP and L-Man-PNP). The characteristic chiral surfactants used in the present system were cationic cholesterol-containing amphiphiles, cholesteryl-oxycarbonyl-methyl-2-(isobutyloyloxy) ethyl dimethyl ammonium bromide (CHODABA) and cholesteryl-oxycarbonyl-decanyl-2-(isobutyloyloxy) ethyl dimethyl ammonium bromide (CHODABU). Also were used 1-methyl-nor- 1,3,5,6-cholestatetraene-3-yl-oxycarbonyl-methyl-2-(isobutyloyloxy) ethyl dimethyl ammonium chloride (ACHODABA) to observe any possible effect of the presence of an aromatic function on the surfactant.
In the solvolyses of D-NDP and L-NDP by catalyst la in coaggregate systems composed of steroid surfactants and cationic micelle (CDEAB), the lengthening of the acyl chain of the cholesterol-based surfactant from spacer n=1 (CHODABA) to n=10 (CHODABU) brought about an increase in the deacylation rate of the solvolysis, but the enantioselectivity was low. Particularly noteworthy was the case of the coaggregate system consisted of 58 mole % HODABA and 42 mole % CDEAB. In this system the best enantioselective solvolysis was observed, viz, $k_{cat}(L)/k_{cat}(D) = 98.2$). It is also notable that as pH values of the above coaggregate solution were raised, the blank rates increased significantly, probably due to the increased local concentration of hydroxide ion at the periphery of surfactant coaggregates. The catalytic activity for the L-NDP remained about same with a slight increase in pH values from 8.0 to 9.0. The most interesting to observe, however, was that inhibition effect was exhibited by catalyst la in the case of the solvolysis of D-NDP at pH 8.0 and 9.0. Another surfactant ACHODABA which has aromatized A ring in the chemical structure failed to contribute to any significant degree in the enhancment of enantioselectivity.
The coaggregate morphology of coaggregate systems consisted of CHODABA and CDEAB and CDEAB were investigated by electron micrographs. The solvolytic system employed lost vesicular structure, when the coaggregate contained more than 35 mole % CDEAB. It was conceivable that the kind of morphology of the coaggregate in which high enantioselectivity was observed should be such that the substrate as well as the catalyst can be absorbed into the coaggregate at a proper rate and while the hydrophobic environment is maintained by a certain array formation by the surfactants. From these results concluded is that to achieve high enantioselective catalysis it is important for the chiral cholesteryl group to be positioned near the polar groups of the surfactant where catalytic solvolysis is supposed to take place.
In order to see the solvolysis of hydrophobically hidden p-nitrophenyl ester in mixed micelles, a hydrophobic substrate was prepared, N,N-dimethylhexadecylp-nitrophenyloxycarbonyldecyl ammonium bromide (DHNAB). In the coaggregate system containing 94 M % SDS and 6 M % DHNAB, the solvolysis of hydrophobic substrate was too slow to measure below pH 9.0. However, at pH $10^5$ rate retardation by the order of $10^5$ was observed when compared with the rate observed in the system composed of cationic vesicle alone. These results indicate that the solvolysis is influenced significantly by the counterions at the periphery (Stern layer) of the surfactant coaggregates.
계면활성제 집합체 내에서 히스티딘을 갖는 촉매에 의한 광학활성 에스테르의 입체선택적 가수분해 현상을 연구하기 위하여, 히스티딘을 갖는 촉매로서 N-(벤질옥시카르보닐)-L-페닐알라닐-L-히스티딘 메틸에스테르 (1a), N-(벤질옥시카르보닐)-L-페닐알라닐-L-히스티딘(1b) 과 N-(벤질옥시카르보닐)-L-로이실-L=-히스티딘 메틸에스테르(1c)를 합성하고, 스테로이드를 갖는 계면활성제 (CHODABA, CH ODABU, ACHODABA)를 합성하였다.
스테로이드를 갖는 계면활성제와 미셀 계면활성제(CDEAB, SDS 또는 Triton X-100)로 구성된 공집합체(coaggregate)내에서 히스티딘을 갖는 촉매(1a, 1b 또는 1c)에 의한 N-카르보 에톡시-D- 와 L-페닐알라닌 p-니트로페닐 에스테르(D-NEP와 L-NEP), N-카르보 벤족시-D- 와 L-페닐알라닌 p-니트로 페닐에스테르(D-NBP 와 L-NBP), N-도데카닐-D-와 L-페닐알라닌 p-니트로 페닐에스테르(N-NDP와 L-NDP), D-와 L- α -메톡시 페닐아세트산 p-니트로 페닐에스테르(D-Man-PNP 와 L-Man-PNP)와 같은 기질의 가수분해 반응을 0.02 몰트리스 완충 용액속에서 시켰다.
스테로이드 계면활성제와 양이온 미셀(CDEAB)로 구성된 공집합체 내에서 촉매 1a에 의한 D-NDP 와 L-NDP의 가수분해 반응에서 CHODABU 로 이루어진 공집합체가 CHODABA 보다는 가수분해 속도를 증가 시켰지만, 입체선택성은 상당히 낮아졌다. 특히 58 몰% CHOD ABA 와 42 몰% CDEAB 로 구성된 공집합체 내에서 가장 높은 입체 선택성($k_{cat}(L)/k_{cat}(D)=98.2$)를 보였다. 위와 같은 조건하에서 가수분해용액의 바탕값 속도(blank rate) 는 pH가 증가함에 따라 현저하게 증가하였다. 아마도 계면활성제 공집합체의 Stern layer에 국부적으로 증가한 수산화 이온의 농도에 기인된 것 같다. L-NDP에 대한 촉매활성도는 pH증가와 더불어 약간 증가 하였지만, D-NDP의 경우에서는 pH 8.0 이상에서 억제효과(inhibition effect) 가 보였다.
촉매 1a 대신 1b 를 이용하여 광학 활성에스테르의 가수분해반응을 시킨 경우 D- 와 L-Man-PNP를 기질로 사용하였을 때는 두 광학 이성질체 사이의 가수분해 속도 차이는 보이지 않았다. 더 소수성인 D- 와 L-NBP 및 D-와 L-NEP의 경우에는 촉매활성도가 증가하였으며 뚜렷한 입체선택성이 나타났다. 하지만 D- 및 L-NDP를 기질로 이용한 경우에는 반응속도가 너무 빨라 측정하기가 곤란했다.
히스티딘을 갖는 촉매 1a 에 대한 미셀 계면활성제의 영향은 사용한 종류에 따라서 달랐다. 양이온 미셀 대신 음이온 미셀(SDS) 이나 중성 미셀(Triton X-100) 를 이용한 경우 촉매활성도와 입체선택성이 CHODABA 또는 CHODABA 와 양이온 미셀 계면활성제(CDEAB) 로 구성된 어느 집합체보다도 낮아졌다. 또한 촉매로서 L-페닐알라닌을 갖는 1a 보다 L-로이신을 갖는 1c를 이용한 경우, 입체선택성은 현저하게 떨어졌다. 가수분해 반응용액에서의 CHODABA 와 CDEAB 로 구성된 공집합체의 구조를 전자현미경 사진을 통해 관찰하였다. CDEAB 의 양이 35몰% 이상 존재할 때 베시클 구조가 파괴되는것을 알 수가 있었다. 이상의 결과로 볼 때 키랄 콜레스테롤기가 가수분해반응이 일어나는 자리라고 예상되는 극성 머리(polar head) 부분과 가까운 위치에 존재 할 때 높은 입체선택성을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
우리는 또한 혼합 미셀의 소수성 부분에서 일어나는 가수분해현상을 알아 보기 위해서 N,N-디메틸헥사데실-p-니트로페닐카르보닐데실암모늄 브로마이드(DHNAB)를 합성하였다. DHNAB 의 혼합미셀용액에서 SDS 를 포함한 혼합미셀에서는 pH 9.0 이하에서 가수분해가 너무 느리게 일어나 반응 속도 측정이 곤란하였다. pH 10.5에서 조차 SDS 가 존재하지 않는 경우와 비교해 볼 때 십만배 정도의 억제효과가 관찰 되었다. 이 결과는 바로 혼합 미셀의 소수성 부분에서 일어나는 p-니트로페닐에스테르의 가수분해 정도는 계면활성제 공집합체의 Stern layer에 존재하는 반대이온(counter ion) 에 따라 상당히 바뀐다는 것을 의미한다.
