퀴논

퀴논은 벤젠이나 나프탈렌 같은 화합물에서 짝수 개 (보통은 2개)의 수소원자가 산소원자로 치환되면서 공액환형디온(conjugated cyclic dione) 구조를 가지는 화합물을 통칭한다. 1,4-벤조퀴논(p-벤조퀴논, 싸이클로헥사디에논), 1,2-벤조퀴논(o-벤조퀴논), 1,4-나프토퀴논, 9,10-안쓰라퀴논 등이 주요 퀴논 화합물이다.<그림 1.>

그림 1. 대표적인 퀴논 (그림: 장혜정/차의과학대)

퀴논 화합물은 자연계에 널리 분포하고 있는데, 동식물, 또는 미생물의 색소나 전자운반체로 활용된다. 혈액응고촉진 등의 생리작용이 있는 비타민 K군(K₁~K₃) 등도 퀴논 화합물로 분류된다.

목차

일반적으로 하이드로퀴논(1,4-벤젠다이올)의 산화반응을 통해 생성하는데, 이 반응은 가역반응이어서 퀴논은 원래의 하이드로퀴논으로 되돌아간다. 유기 화학자들은 주로 하이드로퀴논이나 파이로카테콜(1,2-벤젠다이올)을 산화은 또는 크로뮴산과 같은 산화제와 반응시켜 퀴논을 만든다.<그림 2>

그림 2. 하이드로퀴논(1,4-벤젠다이올)의 산화를 통한 퀴논 생성 (그림: 장혜정/차의과학대)

다른 알코올에 비해 쉽게 산화되는 페놀의 경우, 적절한 유기 산화제를 사용하면, 직접 퀴논을 생성할 수 있다. <그림 3>

그림 3. 페놀의 산화를 통한 퀴논 생성 (그림: 장혜정/차의과학대)

퀴논 화합물은 방향족 화합물이 전자가 풍부한 산소로 치환되는 만큼 고리 전체의 친핵성(nucleophilicity)은 증가하는데, 동시에 공액환형디온 구조는 Michael 반응의 친전자체(electrophile)로도 작용할 수 있다. 퀴논의 6탄소 골격은 벤젠고리와는 달리 방향족성이 약하므로, 방향족에서 일어나는 치환반응은 일어나지 않는다.

퀴논 화합물은 일반적으로 색깔을 띠는데, p-퀴논은 황색, o-퀴논은 분홍색이나 적색을 나타내는 것이 많다. 특히 안쓰라퀴논 계열 화합물은 자색, 청색 계통의 염료로 많이 사용된다. 

퀴논의 산화-환원 반응은 세포의 기능에 있어서 중요한 역할을 하는데, 하이드로퀴논과 벤조퀴논을 연결하는 산화-환원 반응에 두 번의 전자 전달이 관여하게 되고 이 반응은 빠르고 가역적으로 일어난다. 또한, 유기체가 산소를 이용하여 기질인 탄수화물을 이산화탄소와 물, 에너지로 전환하는 과정인 세포 내 호흡에도 퀴논이 관여하는데, 이 반응 또한 신속하고 가역적으로 일어난다. 이 반응에 이용되는 전자는 기질 분자로부터 산소로 직접 전달되는 것이 아니라 연속적인 산화-환원 반응을 하는 전자전달계(electron transport chain)를 통해 전달되며, 전자전달계의 주요 전자운반체가 바로 유비퀴논(ubiquinine)이다.¹⁾ <그림 4>

그림 4. 벤조퀴논 화합물의 구조 (그림: 장혜정/차의과학대)

어디에나 존재하는 퀴논(ubiquitous quinone)로 이름 지어진 유비퀴논은 조효소 Q(coenzyme Q)라고도 불리는데, 가장 간단한 세균으로부터 인간까지 모든 호기성 유기체의 세포 성분이다. 이 물질은 작은 소수성 분자로 전자전달계에서 단백질이 아닌 유일한 화합물이다. 특정한 복합체에 속해 있지 않아 막 안에서 이동성을 가지며, 생화학 산화제로 작용하여 에너지 생성에 관련된 전자전달의 전자운반체로 작용한다. ^{1) 2)} 전자전달계에서 전자는 생물학적 환원제인 NADH로부터 최종전자수용체까지 전달되는데 이때 관여하는 전자전달복합체 사이에서 전자를 전달하는 역할을 한다. ³⁾ 유비퀴논의 곁가지의 길이는 유기체의 종류에 따라 다른데, 가장 일반적인 형태로 척추동물에서는 n=10, 효모와 식물에서는 n=6~9이다. 

조류나 고등식물 등 광합성 생물의 엽록체에 존재하는 물질로, 명반응 과정의 전자전달계에서 전자운반체로 작용한다. 구조에 따라 플라스토퀴논 A, 이소프레노이드 곁사슬에 수산기가 붙은 플라스토퀴논 C, 그 수산기가 에스테르화된 플라스토퀴논 B 로 나뉜다.

밀배아와 밀가루에 붙어있는 균이나 효모에 의한 발효생성물로, 2-메톡시벤조퀴논(2-methoxy-benzoquinone)과 함께 존재한다. 살균 및 세균 성장저해 효과를 지니며, 악성종양 세포에 대해 세포독성을 나타낸다. ⁴⁾

두 개의 벤젠 고리가 결합한 고리 화합물에 카르보닐기가 두 개의 탄소 원자 자리에 형성된 유기 화합물로, 1,4-나프토퀴논은 안트라퀴논의 전구체로 사용된다. 휘발성 황색 3가 결정을 형성하고 유기용매에 잘 녹으며, 벤조퀴논과 유사한 냄새가 난다. ⁵⁾ <그림 5>

그림 5. 나프토퀴논 화합물의 구조 (그림: 장혜정/차의과학대)

생리적으로 중요한 퀴논으로, 혈액응고에 관여한다. 사슬이 어떤 형태냐에 따라 고등식물에는 필로퀴논 (phylloquinone, 비타민 K₁), 미생물에는 메나퀴논 (mesaquinone, 비타민 K₂)이 존재한다. 식물에서는 필로퀴논이 합성되고 박테리아에서는 메나퀴논이 합성된다. 일부 비타민 K는 정상적으로 음식에서 섭취가 되지만, 사람이 필요로 하는 양의 상당부분은 장내균총에 의해 생산된다. ¹⁾

시코닌는 약용 식물인 지치(Lithospermum erythrorhizon)의 뿌리, 알카닌은 Alkanna tinctoria의 뿌리에서 추출되는 천연 자색 염료이며, 나프토퀴논의 유도체이다. 항균, 항염 작용이 있어서 일찍부터 염료나 생약으로 사용되어져 왔으며, 최근에는 다양한 암세포 증식을 억제하는 항암작용도 있다고 보고되었다. 암세포의 에너지 생산과 증식, 생존에 중요한 역할을 하는 종양 특이적인 피루브산 키나아제 M2에 대해 억제작용을 나타내는 것으로 보고되었다. ⁶⁾

섬게류의 적색 색소로 섬게 표면에 붙는 조류를 퇴치하는 데 작용하는 색소이다. 붉은섬게(Pseudocentrotus depressus)에서는 스피노크롬 레드, Heterocentrotus mammilatus에서는 스피노크롬 F, 보라섬게(Anthocidaris crassispina)에서는 스피노크롬 M₁이라고 한다. 

안트라센에서 유도되는 퀴논으로, 황색이나 엷은 잿빛을 띠는 방향족 유기화합물이다. IUPAC명은 안트라센-9,10-디온이지만 보통 9,10-다이옥소안트라센(9,10-dioxoanthracene)이라고도 한다.

가열한 벤젠•나이트로벤젠•아닐린 등에는 잘 녹지만, 물과 알코올, 에테르에는 잘 녹지 않는 화학적으로 매우 안정된 화합물이다. 안트라센을 다이크로뮴산염과 황산으로 산화하여 제조하며, 아연과 함께 가열하면 안트라센으로 환원되나 잘 산화되지 않는다. 알리자린 염료의 중요한 중간체이며 이외에 1,2-안트라퀴논, 1,4-안트라퀴논 등이 있다.

많은 천연색소는 안트라퀴논 골격을 가졌기 때문에, 알리자린 등 색소의 원료로 사용되기도 하며, 제지업에서 펄프 제조의 용매로, 다른 용도로는 새퇴치용 모이로 사용되고 있다. 천연 안트라퀴논 유도체는 설사약으로 많이 사용된다. <그림 6> 

그림 6. 안트라퀴논 화합물의 구조 (그림: 장혜정/차의과학대)

센나(senna) 또는 센나글리코사이드(senna glycoside)라고도 알려진 센노사이드(sennoside)는 센나열매에서 추출한 생약성분이다.  2개의 안트라퀴논 배당체로 센노사이드 A 및 B의 혼합물은 대장의 수축운동을 돕고, 변의 부피를 증가시켜 부드러운 배변활동을 도와주는 설사제로 사용되며, 변비를 치료하고 수술 전 대장을 비우기 위해 사용되는 약물로 경구 또는 직장을 통해 투여한다. ⁶⁾

주로 Penicillium 속의 진균이 생산하는 유독성의 암등색 색소로, 쌀을 황변화 시킨다. P. islandicum의 경우, 차페크 배지에서 얻은 균체를 건조한 후, 에테르 또는 벤젠으로 추출하여 중질 탄산마그네슘 이나 인산수소이칼슘을 흡착제로 한 크로마로그래피로 분리한다.

등적색 색소로서 홍화와 함께 적색 천연염색성분으로 사용된다. 꼭두서니(madder) 식물의 뿌리에서 추출하며, 1868년 콜타르 유도체인 안트라센(anthracene)으로부터 알리자린을 제조한 것은 합성 염료산업의 발전에 중요한 계기가 되었다. 이 하이드로퀴논은 필름 표면의 Ag+를 금속성 은으로 환원시키기 때문에 사진 현상약으로 쓰인다. ²⁾

효모(Yeast), 페놀, 유기화합물, 대장(large intestine), 페니실린계(Penicillins), 진균(fungi), 친핵성(nucleophilicity), 전자전달계(electron transport chain), 유비퀴논(ubiquinone), 플라스토퀴논(Plastoquinone), 전자수용체(electron acceptor), 크로마로그래피

조유희/차의과학대학교

김재욱/국제백신연구소

1. Atkins, R.C. and Carey, F.A. Organic Chemistry, third edition, chapter 10.17, oxidation of phenol: Quinone.
2. Campbell, R. Biology, seventh edition, chapter 9.4, electron transport pathway.
3. Mcmurry, J.E. and Simanek, E.E. Fundamentals of Organic Chemistry, chapter 8.6, synthesis and reaction of phenol.
4. 이우주 의학사전. 2012. 1. 20., 군자출판사.
5. Grolig, J. and Wagner, R. 2000. Naphthoquinones. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. 
6. Chen, J., Xie, J., Jiang, Z., Wang, B., Wang, Y., and Hu, X. 2011. Shikonin and its analogs inhibit cancer cell glycolysis by targeting tumor pyruvate kinase-M2. Oncogene 30, 4297–4306.