플루오르퀴놀론 항생물질의 형광 분광학적 특성

오추하 전남대학교 대학원 2003 국내박사

메탄올-암모니아수용액의 광화학 반응메카니즘에 대한 연구

오추하 전남대학교 대학원 1998 국내석사

암모니아-메탄올수용액에서 산소를 제거 한 후 25℃에서 184.9 nm의 자외선을 이용하여 진행되는 광화학반응을 연구하였다. 메탄올과 암모니아의 몰분율이 각각 0.10, 5×10^-4인 수용액의 빛조사에서 불균등분해반응, 이합체화반응, 그리고 아민-이민화반응에 의한 아미노화반응이 진행되어 메톡시아민, 핵사민, 1,1,-디메틸히드라진, 디메틸아민, 포름아미드 그리고 소량의 에칠렌 및 글리옥살 등의 카르보닐화합물들과 히드라진도 함께 생성되었다. 각 생성물들에 대한 초기양자수득율을 결정하였으며, 이들 값으로부터 광반응에 대한 가능한 반응메카니즘을 규명하였다. The Photochemical reaction of ammonia in deoxygenerated aqueous metanol has been investigated at 25℃ using 184.9 nm UV light. Amination was carried out by irradiating the solution of reaction mixture, and the formation of methoxyamine, hexamlne, 1,1-dimethylhydrazine, dimethylamine, formamide, and a small amount of ethylenediamine was observed. In addition to these, carbonyl compounds such as formaldehye, ethyleneglycol, glyoxal, and hydrazine were also produced. The initial quantum yields of the products were determined and probable mechanisms for the photochemical reation were presented on the basis of product analysis.

Fluorescence Spectroscopic Properties of Fluoroquinolone Antibiotics : 플루오르퀴놀론 항생물질의 형광 분광학적 특성

오추하 Graduate School Chonnam National University 2003 국내박사

Ofloxacin(OFL), norfloxacin(NOR), 그리고 flumequine(FLU) 같은 플루오르퀴놀론 항생물질들은 광범위한 영역의 박테리아에 매우 효과적인 것으로 알려져 있다. 그러나 이들은 사람의 피부에서 햇빛에 의한 광민감적인 반응을 일으킬 수도 있다. 이러한 광민감성은 감광제를 가진 어떤 물질이 특정한 파장에 노출되었을 때 발생되어질 수 있다. 그러므로 플루오르퀴놀론의 광화학적 특성을 연구하는 것은 이러한 항생제들의 거동뿐만 아니라, 치명적인 광민감성 반응에 대한 메카니즘을 이해하는데 매우 유용하다. 첫 번째 장에서는, 이성분 혼합용액인 H_(2)O-CH_(3)OH와 H_(2)O-CH_(3)CN에서 플루오르퀴놀론 항생물질의 형광특성에 대해 연구하였다. 혼합용액 계는 우리 인체와 생물학적으로 매우 유사한 시스템을 가지며 물-유기 혼합물이 낮은 극성도와 부분적인 물 함량을 보여주기 때문에 특별히 안정하다고 알려져 있다. 물에서의 OFL과 NOR의 형광방출 스펙트럼들은 매우 강하고 넓은 영역의 띠를 가진 커다란 Stokes' shift를 나타내었다. 그리고 혼합용매에서 물의 함량이 12% 이하가 되었을 때, OFL과 NOR의 양자수율은 갑자기 매우 적은 값으로 감소하였다. 이러한 결과는 OFL과 NOR의 S_(0)와 S_(1) 상태에서 분자의 기하학적인 구조가 매우 비슷하여 S_(0) 상태에서 S_(1) 상태로의 내부전환속도가 매우 빠르기 때문이다. 그리고 이러한 현상은 유기용매 상에서 특히 두드러지게 나타났다. 이와 달리, FLU는 매우 다른 형광특성을 나타냈다. FLU의 경우에는 두 종류의 이 성분 혼합용액에서 물의 함량이 100%에서 55%로 변해 가는 동안 형광 양자수율의 특별한 변화를 관찰할 수 없었다. Lippert-Mataga 분석에서 정류상태 OFL과 NOR의 형광 데이타는 두종류의 혼합용액 모두에서 분명한 reverse solvatochromism를 나타내었다. 이러한 과정은 들뜬 상태에서 뒤틀림이 발생하는 분자간 전하 이동에 의한 것이며, 이것은 물분자에 의해서 가속화된다. OFL과 NOR의 형광수명도 혼합용액 상에서 유기용매의 함량이 증가함에 따라 증가하였다. 그러나 FLU에서는 그다지 괄목할만한 변화를 볼 수 없었다. OFL과 NOR이 이러한 독특한 특성을 보이는 이유는 7번 탄소에 피페라진기를 가지고 있기 때문인 것으로 보인다. 이에 반해, FLU는 모든 데이터가 단일 직선형으로 나타내어지므로 수소결합 같은 특별한 용매-용질간의 상호작용이 상대적으로 작은 것을 알 수 있었다. 그리고 이들 플루오르퀴놀론 항생물질들이 들뜬 상태의 물리적 그리고 화학적 과정 동안 용매 조성함수로서 어떻게 행동하는지 보기 위해 혼합 용액에서의 용매 복사 이완효과를 연구하였다. 그리고 복사 또는 비 복사 속도상수는 용매의 쌍극성 / 편극성 함수 (π^(*))와 수소결합 주게 산도 (α)에 의해서 분석되었다. OFL과 NOR이 용매-용질간의 상호작용인 바탕유전 효과와 특별한 수소결합 상호작용에 의존한다는 제안은 들뜬 상태의 화학과정 메카니즘과 매우 잘 연결된다. 그러나 이 두 가지 효과 중에서 유전 효과가 더 큰 영향을 미친다. 이러한 환경에서 FLU의 형광방출 스펙트럼은 특이할만한 성질이 없었다. 요약해 보면, 피페라진기를 가지고 있는 OFL과 NOR은 이성분 혼합용액 계에서 Stokes' shift, 형광 양자수율, 복사 붕괴속도 등의 분광학적인 성질이 매우 민감하게 변화하였지만, 피페라진기가 없는 FLU는 용액 조성변화가 발생하더라도 그다지 큰 변화를 관찰할 수 없었다. 두 번째 장에서는 정류상태와 시간분해형광 분광기를 이용해서, 2가 전이금속에 의한 플루오르퀴놀론의 형광 소광에 대한 영향을 결정하였다. 특정 세포성분들과 상호작용을 할 수 있는 플루오르퀴놀론 항생물질들은 2가 금속양이온과 더불어 착물을 형성함으로써 조정되어진다. 게다가, 플루오르퀴놀론 항생물질들이 2가 전이금속이온과 착물을 형성하는 것은 매우 흥미롭다. 왜냐하면 많은 효소들이 마그네슘이 아닌 2가 양이온을 포함하는 기질 또는 주형으로서 헥산을 포함하고 있기 때문이다. 이러한 착물은 항생물질과 2가 전이금속이온과의 이온-쌍극자 상호작용에 의해서 형성되어진다. 정류상태에서 OFL과 NOR그리고 FLU의 형광 소광은 Cu^(2+), Co^(2+), Ni^(2+) 그리고 Mn^(2+) 등의 전이금속 2가 양이온 의해 분석하였다. 소광의 결과는 Stern-Volmer plot으로 분석하였으며, 2가 전이 금속이온에 의한 OFL, NOR 그리고 FLU의 형광소광 과정은 우선적으로 동적 소광보다는 정적 소광에 의해 현저하게 수행되었다. 왜냐하면 그들의 F_(0)/F 값들이 소광제의 주어진 농도에서 온도가 증가함에 따라 감소하였기 때문이다. 하지만Stern-Volmer plot의 τ_(0)/τ 값들이 대부분 1보다 컸기 때문에 동적과정 또한 형광소광 과정에 상당한 기여함을 알 수 있었다. 소광제의 농도가 증가할 때 τ_(0)/τ 값들의 증가는 전자적으로 들뜬 퀴놀론 항생제들과 2가 전이금속 이온사이의 충돌빈도를 의미한다. 특별히, OFL의 경우에 동적소광 과정이 소광과정에 가장 괄목할만한 기여를 하였다. Cu^(2+) 경우에는 OFL의 τ_(0)/τ 값에 대한 기울기가 가장 컸기 때문에 소광제들 중에서 가장 효과적인 소광제인 것을 알 수 있었다. 이렇게 기울기가 크다는 것은 동적소광의 기여가 그만큼 증가하였음을 나타낸다. 이에 반해, Mn^(2+) 이온을 포함하는 경우에는 τ_(0)/τ 값에 대한 기울기가 가장 작은 값을 나타내었다. 이러한 OFL의 경향성은 NOR과 매우 유사하였다. FLU에 경우에는 τ_(0)/τ 값에 대한 기울기들이 OFL과 NOR의 기울기에 비해서 상대적으로 작은 값을 가졌으며, 이러한 것은 FLU가 피페라진기가 없어서 이온종 형성이 덜 되기 때문이다. 사용된 소광제 중에서, Cu^(2+)가 가장 효과적이었다. 왜냐하면 F_(0)/F 값의 차이가 0 ℃와 60 ℃사이의 온도 변화에 따라서 가장 컸기 때문이다. 반면에 Mn^(2+)는 소광제로의 역할을 가장 하지 못하였다. The fluoroquinolone antibiotics such as ofloxacin (OFL), norfloxacin (NOR) and flumequine (FLU) were known as very effective agents against various bacterial infection. However, they can induce photosensitivity reaction to human skin by sunlight. This phototoxicity will be generated by any subject with sufficient cutaneous photosensitizer exposed to enough irradiation of appropriate wavelength. So, it is very important to study the photochemical properties of the fluoroquinolone antibiotics because this investigation can provide useful information to understand the mechanism of antibacterial activities and cutaneous photosensitization of these antibiotics. In the first chapter, the fluorescence properties of these fluoroquinolone antibiotics were studied in H_(2)O-CH_(3)OH and H_(2)O-CH_(3)CN solvent mixtures because these cosolvent systems were thought to behave as a biological mimetic system and aqueous-organic solvent mixtures have been found to be especially suitable because they simultaneously show low polarity and a partially aqueous content, always present in biological systems. The emission spectra of OFL and NOR in water are strong and broad structureless bands with a large Stokes' shift. As the ratio of water in the mixtures becomes less than 12% (wt/wt), the fluorescence quantum yields of OFL and NOR decrease to very small values suddenly. In contrast,the fluorescence properties of FLU are very different from those of OFL and NOR. The change of fluorescence quantum yields of FLU were not observed from 100% water to more than 55% (wt/wt) water in both H_(2)O-CH_(3)OH and H_(2)O-CH_(3)CN solvent mixtures. In the Lippert-Mataga analysis of the steady-state fluorescence data of OFL and NOR, clear reverse solvatochromism was exhibited in both mixtures. This observation can be explained by the twisted excited-state intramolecular charge transfer, which is accelerated by water. As the amount of organic solvents in mixed solution increased, the lifetimes of OFL and NOR also increased. However, FLU did not show remarkable change. Such characteristic properties of OFL and NOR are due to the presence of piperazinyl group in C-7. There is relatively a little specific solvent-solute interaction such as hydrogen bonding in FLU because all data in Lippert-Mataga plot fall on nearly a single straight line with a small slope. To understand the excited-state physical and chemical process as a function of solvent composition, the effect of solvent radiative decay was studied in mixtures. The radiative and nonradiative rate constants were analyzed as a function of solvent dipolarity-polarizability(π^(*)) and hydrogen-bond donor acidity (α). These results were well consistent with the suggested mechanism of excited-state chemical process of OFL and NOR, which depended upon the solvent-solute interaction such as bulk dielectric effects and specific hydrogen-bonding interactions. However, the influence of dielectric effects was more significant. The solvent structures of H_(2)O-CH_(3)CN and the preferential solvation by water were also examined. The emission spectra of FLU do not exhibit any characteristic responses to the properties of the environment. Briefly, for OFL and NOR with piperazinyl group, spectroscopic properties such as Stokes' shift, quantum yield, radiative decay rates were very sensitive to the physical properties of solvents. However, for FLU without piperazinyl group, these properties were less sensitive to change of solvent compositions in mixtures. In the second chapter, the influence of the divalent transitional metal ions on the fluorescence quenching of the fluoroquinolone antibiotics has been examined by steady-state and time-resolved fluorescence spectroscopy. Fluoroquinolone antibiotics can form complexes with several divalent 3d-transition metal cations. The complex formation with divalent cations of transition metals is important because it has been reported that many enzymes have nucleic acids as substrates or template contain an nonmagnesium divalent cation. The complexes are primarily formed through ion-dipole interaction. The steady-state fluorescence quenching of OFL, NOR and FLU was investigated using 3d-transition metal cations such as Cu^(2+), Co^(2+), Ni^(2+) and Mn^(2+) as a quencher. The results have been analyzed by the Stern-Volmer plot. The fluorescence quenching of OFL, NOR and FLU by divalent 3d-transition metal ions carried out predominantly by static quenching rather than dynamic quenching, because their F_(0)/F values decreased as the temperature increased in a given concentration of a quencher. However, dynamic quenching also contributed to the quenching process because most of the τ_(0)/τ values in the Stern-Volmer plots were greater than 1. The increment of the values as the concentration of quencher increased indicates the collision frequency between electronically excited quinolone antibiotics and divalent transition metal ions. Especially, dynamic quenching was the most significant quenching process in OFL, even though the quenching process occurred primarily by static quenching. Cu^(2+) ion was the most effective quencher among the quenchers examined above because the slopes in the plot of τ_(0)/τ values of OFL containing Cu^(2+) ion had the largest values. The steep slope reveals that the contribution of dynamic quenching is gradually increased. However, these containing Mn^(2+) ion had the smallest value. This tendency of OFL in the Stern-Volmer plot was so similar to NOR. For FLU, the slopes in the plot of the τ_(0)/τ values of FLU as the temperature changed were small compared with OFL and NOR. This reason could be explained by less formation of ionic species because FLU has no piperazinyl group. Among the used quenchers, Cu^(2+) was the most effective quencher for fluorinated quinolone antibiotics in aqueous solution because the difference of F_(0)/F values between at 0 ℃ and 60 ℃ in a given concentration was the largest among the quenchers. On the other hand, Mn^(2+) ion was found to be the worst quencher.