Glyoxylic acid (2-oxoacetic acid, 1)는 가장 간단한 α-oxocarboxylic acid (OHC-COOH)이며, 취급 및 보관이 쉬우며 높은 안전성과 이용성을 가지고 있다.¹⁾ 특히 glyoxylic acid monohydrate는 무색의 고체로 자연에서 생성되며 산업적으로 유용하다. Glyoxylic acid는 1856년 Debus에 의해 최초로 보고된 물질로서 질산에 의한 에탄올의 산화로부터 발견되었으며, 이후 1886년 Brunner와 Chuard은 익지 않은 포도, 사과, 자두, 구스베리, 루바브 등으로 만든 주스의 구성성분임을 확인하였다.²⁾ Glyoxylic acid는 박테리아, 곰팡이, 식물과 같은 유기체가 지방산을 탄수화물로 전환할 수 있도록 하는 glyoxylate cycle의 중간체로 작용하며, 인체 내에서도 생성된다고 보고되었다.³⁾

반응성이 좋은 알데히드기를 관능기로 갖고 있는 glyoxylic acid는 수용액상에서 빠르게 수화되어 dihydroxyacetic acid (2)를 형성한다. 이에 따라 glyoxylic acid 수용액은 화합물 1과 2가 평형상태로 존재하며(K_h=300),⁴⁾ linear dimer (3)와 hemiacetal dimer form (4)도 일부 존재한다고 알려져 있다(Fig. 1).⁵⁾

Fig. 1. Structures of glyoxylic acid (1), dihydroxyacetic acid (2), linear dimer (3), and hemiacetal dimer forms (4)

Glyoxylic acid의 알데히드기는 산 촉매 조건에서 알코올에 의해 아세탈화되어 acetal 또는 hemiacetal을 형성하기도 한다. 우선적으로 카복시기의 반응을 통해 ester 화합물 (5)이 형성된 후, 알데히드기의 알코올 첨가 반응을 통해 alkyl glyoxylate hemiacetal form (6) 또는 acetal form (7)을 생성할 수 있다고 알려져 있다(Scheme 1).⁶⁾

Scheme 1. Esterification of glyoxylic acid and acetalization of alkyl glyoxylate

호주의 보건부는 glyoxylic acid의 경구 급성 독성 LD₅₀ (lethal dose 50)은 2,528 mg/kg (rat)로⁷⁾ 매우 낮은 독성을 가지고 있다고 보고하였으나, 피부에 노출되었을 경우 가려움을 유발할 수 있다는 연구결과도 있다.⁸⁾ Glyoxylic acid의 생물학적 기작 및 효능에 대한 연구는 아직 미비한 상황이지만, glyoxylic acid 구조적 유사체의 항균 활성이 보고되고 있는 상황이므로^9-11) glyoxylic acid 또한 항균 활성을 나타낼 수 있을 것으로 기대되고 있다.

Glyoxylic acid는 glycolic acid, glyoxal, maleic acid나 oxalic acid 등 다양한 출발물질로부터 합성될 수 있으며, glyoxal의 질산 산화를 통해 glyoxylic acid를 합성하는 방법이 상업적으로 큰 관심을 받고 있다.¹²⁾ Glyoxylic acid는 구조 내에 알데히드와 카복실산을 갖는 이작용성(bifunctional) 화합물로 친핵체와 쉽게 반응한다. 이러한 특징으로 인해 glyoxylic acid는 β-락탐계 항생제, 항염증제(allantoin) 또는 고혈압치료제(atenolol) 등의 의약품 합성에 이용되기도 하며,¹³⁾ 상당량은 vanillin의 합성에도 이용된다.¹⁴⁾ Alkyl glyoxylate hemiacetal form (6)과 acetal form (7)의 산업적 활용에 대해서는 연구가 거의 진행되지 않았지만, 많은 화합물을 합성하는 building block으로 널리 이용된다고 알려져 있다.¹⁵⁾

본 논문은 glyoxylic acid와 alkyl glyoxylate acetal form에 대한 고찰 논문으로서 생물학적 활성 및 인체에 미치는 영향, 그리고 화학적 합성 및 유도체화에 관한 내용을 포함하고 있다.

Glyoxylic acid의 생물학적 효능 및 기작

Glyoxylic acid는 박테리아, 곰팡이, 식물과 같은 유기체가 지방산을 탄수화물로 전환할 수 있도록 하는 glyoxylate cycle의 중간체다. Fig. 2에서 나타난 것처럼 glyoxylate (8)는 glyoxylic acid의 짝염기 형태이며, glyoxylate cycle은 곰팡이에 대한 식물 방어 메커니즘의 유도에 중요한 역할을 한다. Glyoxylate cycle은 isocitrate를 glyoxylate와 succinate로 전환하는 isocitrate lyase의 활성을 통해 시작된다. Succinate 생합성과 같은 다양한 용도로 이 경로를 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다.¹⁶⁾

Fig. 2. Glyoxylic acid and glyoxylate

인체에서 glyoxylate는 크게 두 가지 경로를 통해 생성되는데, 이는 퍼옥시좀(peroxisome)에서 발생하는 glycolic acid의 산화와 미토콘드리아(mitochondria)에서 발생하는 hydroxyproline의 이화대사이다.³⁾ 퍼옥시좀에서 glyoxylate는 알라닌-글리옥실산 트렌스아미나제 1 (alanine-glyoxylate transaminase 1, AGT1)에 의해 glycine (9)으로 전환되거나 글리콜산산화효소(glycolate oxidase, GO)에 의해 oxalate로 전환된다(Scheme 2). 소량의 glyoxylic acid는 세포질의 젖산 탈수소효소(lactate dehydrogenase, LDH)에 의해 oxalate (10)로 전환되기도 한다.¹⁷⁾

Scheme 2. Examples of glyoxylate transformation in human body

2형 당뇨병의 표지 대사산물로 주목받는 알라닌, 글루타메이트 및 팔미트산¹⁸⁾ 등에 이어 glyoxylate는 대사 과정에 있어 2형 당뇨에 대한 초기 마커로써 잠재력이 큰 물질로 밝혀졌다.¹⁹⁾ 동물실험에서 혈장 glyoxylate 수치의 증가는 제2형 당뇨모델인 db/db^-/- mice에서도 관찰되었는데 이는 glyoxylate가 당뇨병 표현형과 관련이 있음을 뒷받침한다. 또한 임상에서도 신규 당뇨환자군에서 glyoxylate는 당뇨의 진행과 관련성이 있으며, 당뇨병 전단계(prediabetes)에서 혈장 glyoxylate 수준의 변화가 나타나는 것으로 보고되었다.

Glyoxylic acid는 매우 낮은 독성을 가지고 있는데 경구 급성 독성 LD₅₀은 2,528 mg/kg (rat)라고 보고되었다.⁷⁾ 다만 glyoxylic acid는 피부에 노출되었을 경우 가려움을 유발할 수 있다는 연구결과가 있다. 이와 관련하여 Anderson 그룹은 glyoxylic acid를 피부에 노출시킨 후 자극성 시험과 국소 림프절 시험법(local lymph node assay, LLNA)을 이용한 분석을 진행하였다.⁸⁾ 특히 10% 이상 농도의 glyoxylic acid는 배수 림프절 내 림프구 집단을 상당히 증가시키는 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 바탕으로 glyoxylic acid가 T-cell 매개성 접촉감작물질로 작용할 가능성이 제기되고 있어 추가적인 연구의 필요성이 있다.

Glyoxylic acid의 생물학적 기작 및 효능에 관한 연구는 많이 이루어지지 않은 상황이다. 그러나 glycolic acid, glyoxal 또는 oxalic acid와 같이 glyoxylic acid와 구조적으로 유사한 화합물의 항균 활성이 다수 보고되는 상황에서,^9-11) glyoxylic acid 또한 유사하게 항균 활성을 나타낼 것으로 기대되며 이에 대한 추가적인 연구가 요구된다.

Glyoxylic acid과 alkyl glyoxylate acetal form의 합성 및 관련 유도체화

Glyoxylic acid의 합성에 관해서는 다양한 출발물질을 이용한 합성법이 제시되었다(Scheme 3). 예를 들어 glycolic acid (11)로부터 glycolic acid nitrate를 합성한 후, NaOH를 처리하면 빠르게 glyoxylic acid로 분해된다고 보고된 바가 있다.²⁰⁾ 구체적으로는 glycolic acid에 질산과 황산을 처리하여 반응을 진행하여 glyoxylic acid nitrate를 81%의 수율로 합성하고, 다음 NaOH 수용액 처리를 통해 glyoxylic acid를 염 형태로 수득할 수 있었다.

Scheme 3. Synthesis of glyoxylic acid

Glyoxal (12)은 prebiotic 분자인 hydantoin의 전구체이고, glyoxylic acid는 관심이 높아지고 있는 prebiotic 전구체다.²¹⁾ 이러한 glyoxal로부터 NaOH 및 enzyme을 이용하여 glyoxylic acid를 만들 수 있다.²²⁾ 구체적인 방법으로는 glyoxal에 NaOH를 처리한 혼합물을 glycolate oxidase와 catalase를 사용하는 두 단계의 과정을 거치면 20%의 수율로 glyoxylic acid로 전환할 수 있다고 보고되었다.

Maleic acid (13)를 출발물질로 이용하여 약간 과량의 오존 존재 하에서 glyoxylic acid를 합성할 수 있다.²³⁾ 구체적으로 증류 수에 용해시킨 maleic acid에 오존을 포함한 산소를 bubbling하여 ozonolysis을 진행하면 97%의 높은 수율로 glyoxylic acid를 얻을 수 있다. 이 생성물은 실온에서 무색의 점성이 큰 액체로 존재하지만, 24시간 내에 녹는점이 53-55°C인 monohydrate인 결정성 물질로 변화한다.

그 외에도 oxalic acid (14)를 황산에 녹인 후 전해질 내에서 Pb cathode와 전기 분해하거나,²⁴⁾ 또는 tartaric acid (15)를 황산철(II)과 과산화수소 존재하에 산화하여 glyoxylic acid를 합성하는 방법도 보고되었다.²⁵⁾

Glyoxylic acid는 유도체화를 통해 의약학적 및 산업적으로 가치가 높은 화합물 합성에 널리 이용될 수 있다. Glyoxylic acid는 페니실린과 같은 lactam 계열 항생제 등의 생산에 사용되며,¹³⁾ 전세계 glyoxylic acid 생산량의 4 5 %는 guaiacol (16)과의 반응을 통한 vanillin (17)의 합성에 사용된다.¹⁴⁾ Vanillin은 식품, 향수, 제약 산업 및 기타 응용 분야에서 광범위하게 활용되는 물질이며, 대부분이 guaiacol과 glyoxylic acid의 반응을 통해 생산된다.²⁶⁾ Guaiacol과 glyoxylic acid는 축합, 산화 및 탈카복실화로 이루어진 세 단계 반응을 통해 전체 수율 86%로 vanillin을 합성할 수 있다(Scheme 4).²⁷⁾

Scheme 4. Synthesis of vanillin with guaiacol and glyoxylic acid

또한 glyoxylic acid는 urea (18)와 산 촉매 하에서 allantoin (19)을 생성한다. Allantoin은 일부 식물에서 발견되기도 하는 퓨린 및 단백질의 대사산물로, 일부 유도체는 암 예방 및 치료에 이용되는 물질이다.²⁸⁾ Scheme 5에서 나타낸 것과 같이 glyoxylic acid 수용액에 urea와 phosphotungstic acid,²⁹⁾ 질산 등과 같은 산촉매를 첨가하면 68-78%의 수율로 화합물 19를 합성할 수 있다.

Scheme 5. Synthesis of allantoin with glyoxylic acid and urea in the presence of acid

Glyoxylic acid는 NH3, phenol (20)의 Mannich reaction을 통해 p-hydroxyphenyl glycine (21)를 합성하기도 한다.³⁰⁾ Phenol, 암모늄 염과 glyoxylic acid를 직접적으로 반응시키면 간단한 공정을 통해 화합물 21를 60%의 수율로 얻을 수 있다(Scheme 6). 비단백질성 아미노산인 p-hydroxyphenyl glycine은 반코마이신 계열의 항생제의 구조와 기능에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다.³¹⁾

Scheme 6. Mannich condensation to form p-hydroxyphenyl glycine

Alkyl glyoxylate hemiacetal form과 acetal form의 산업적 활용에 대해서는 연구가 많이 진행되지 않았지만, 다양한 화합물을 합성하는 building block으로 널리 이용된다고 알려져 있다.⁷⁾ 따라서 alkyl glyoxylate hemiacetal form 혹은 acetal form을 이용한 중요 반응들에 대해 설명하고자 한다. 먼저 Scheme 7과 같이 2-hydroxy-2-methoxyacetic acid methyl ester (22)를 사용하여 α-아미노산 유도체를 one-pot 반응으로 합성할 수 있다.³²⁾ 화합물 22는 benzyloxyamine과 축합 반응을 일으키고 이후 다양한 alkyl iodide 시약을 이용한 알킬 라디칼 반응을 통해 α-아미노산 유도체(23)를 합성할 수 있다.

Scheme 7. One-Pot synthesis of α-amino acid derivatives with 2-hydroxy-2-methoxyacetic acid methyl ester (hemiacetal)

α-Oxocarboxylic acid는 C-C결합이나 C-X (X=N, P, S) 결합을 형성하기 위한 카보닐기의 전구체로 널리 사용된다. 그중 탈탄산 교차-커플링(decarboxylative cross-coupling) 반응은 부산물이 CO2로 독성이 없고 쉽게 제거할 수 있어 큰 장점을 가지고 있다. Alkyl glyoxylate acetal form은 아세탈기가 쉽게 가수분해 되어 포밀기로 전환될 수 있기 때문에 포밀 라디칼 등가물(formyl radical equivalents)로써 이용된다.¹⁵⁾ 다양한 방향족 할라이드, 트리플레이트, 혹은 비닐할라이드 화합물 (24)에 alkyl glyoxylate acetal form인 2,2-diethoxyacetic acid을 formyl 전구체로 사용하여 포밀화를 할 수 있다(Scheme 8).³³⁾ 화합물 24를 출발물질로 하고 Ni, 4CzIPN을 사용하여 photoredox 반응을 유도하는데, 이 반응은 diethoxyacetic acid의 photoredox 매개 single-electrontransfer (SET) 산화 과정을 거치게 되며 화합물 25를 합성한다. 앞서 기술된 바와 같이 glyoxylic acid와 alkyl glyoxylate acetal form은 다양한 building block이나 합성의 중간체로 이용되고 있어 유기화학적 가치가 크다고 할 수 있다. 더불어 이에 대한 보다 체계적인 활성 및 합성에 대한 연구가 이루어진다면 산업적으로도 더욱 유용하게 사용될 수 있을 것으로 예상된다.

Scheme 8. Organophotoredox/nickel synergistic catalyzed formylation of aryl halides, triflates and vinyl bromides

Glyoxylic acid는 알데히드기와 카복시기를 갖고 있는 가장 간단한 구조의 C2 화합물이며 화학적 특이성, 우수한 안전성, 그리고 생물학적 활성 가능성을 가지고 있다. 특히 glyoxylic acid monohydrate는 자연에서 발생하는 무색의 고체로 산업적으로 유용하다고 알려져 있다. Glyoxylic acid는 분자 내 존재하고 있는 반응성이 높은 알데히드기로부터 dihydroxyacetic acid, linear dimer, hemiacetal dimer form, alkyl glyoxylate hemiacetal form과 acetal form 등으로 변화할 수 있다.

다음으로 glyoxylic acid의 생물학적 효능 및 기작을 폭넓게 살펴보았다. Glyoxylic acid는 박테리아, 곰팡이, 식물과 같은 유기체가 지방산을 탄수화물로 전환할 수 있도록 하는 glyoxylate cycle의 중간체로 작용하며 인체 내에서도 생성될 수 있다. Glyoxylic acid는 독성이 낮은 물질로 알려져 있으나, 피부에 노출되었을 경우 가려움을 유발할 수 있다고 보고된 바 있어 이에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

다음으로 glyoxylic acid와 alkyl glyoxylate acetal form의 합성과 유도체화에 대해 알아보았다. Glyoxylic acid는 glycolic acid, glyoxal, oxalic acid, maleic acid 및 tartaric acid 등으로부터 다양하게 합성할 수 있다. 그중에서도 glyoxal의 질산 산화를 통해 glyoxylic acid를 합성하는 방법이 상업적으로 주목받고 있다. Glyoxylic acid는 유도체화를 통해 β-락탐계 항생제, allantoin, atenolol 및 vanillin을 포함한 의약학적 및 산업적으로 가치가 높은 화합물 합성에 널리 이용되고 있다. Alkyl glyoxylate hemiacetal form과 alkyl glyoxylate acetal form의 산업적 활용에 대해서는 많은 연구가 이루어지지는 않았지만 다양한 합성의 중간체로 이용되고 있어 유기화학적 가치를 가진다고 판단할 수 있다. 더불어 이에 대한 보다 기초적인 활성 및 합성에 대한 연구가 이루어진다면 산업적으로도 더욱 유용하게 사용될 수 있는 물질이 되리라 예상한다.

본 연구는 덕성여자대학교 2023년도 교내연구비 지원에 의해 수행되었음.

모든 저자는 이해 상충을 가지고 있지 않음을 선언한다.

Hye Min Son : Graduate student

Ye Eun Kim : Graduate student

Sang Hyup Lee : Professor