KR100592798B1 - 아제티딘 유도체를 함유하는 유해조류 및 개구리밥 방제조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 하기 화학식 1의 아제티딘 유도체를 유효성분으로 함유하는 유해조류 및 개구리밥 방제 조성물, 및 이를 이용한 방제 방법에 관한 것으로, 본 발명의 아제티딘 유도체는 유익한 조류나 수생생물에는 무해하면서 남조류 및 적조류 등의 유해조류에만 선택적으로 우수한 방제효능을 나타내므로, 이를 함유하는 방제 조성물은 환경친화적이면서 효능이 우수한 유해조류 방제제로서 유용하게 활용될 수 있다.
상기 식에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 COOR이고, 이때 R은 수소, 알칼리금속, 암모늄, 알킬암모늄 또는 C1-8 알킬이다.
Description
도 1은 실시예 1에서 분리된 아제티딘 2-카복실산의 수소핵자기공명 스펙트럼이고,
도 2는 실시예 1에서 분리된 아제티딘 2-카복실산의 탄소핵자기공명 스펙트럼이다.
본 발명은 아제티딘 유도체를 유효성분으로 함유하는 유해조류 및 개구리밥 방제 조성물, 및 이를 이용한 방제방법에 관한 것이다.
조류(algae)는 바닷물 또는 민물에 서식하면서 생태계에 많은 영향을 주는데, 특히 환경 및 경제활동에 악영향을 미치는 조류를 유해조류(harmful algae)라고 하며, 이러한 유해조류의 대량 증식은 그 발생 양상에 따라 크게 적조현상 및 녹조현상으로 나뉘며 여러 수중환경에 많은 피해를 야기시킨다. 특히, 우리나라의 경우, 기후 변화 및 산업화 이후 배출오염원의 증가로 인한 바다, 호수, 연못, 하천 및 양어장 등에서의 조류 대량 발생이 많아져 사회적, 경제적으로 큰 문제가 되고 있다. 또한, 최근에는 호수나 하천에서도 유해조류 기원의 마이크로시스틴(microcystin) 독소가 자주 검출되고 있다(Park 등., The Korean J. of Phycol., 11(1), 149-154, 1996).
따라서, 이러한 유해 조류를 방제하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 기존의 보고된 관련 기술들은 크게 물리적 방제, 생물학적 방제 및 화학적 방제로 구분된다. 화학적 방제는 무기 또는 유기화합물을 수중에 처리하여 조류 발생을 억제 또는 제거하는 방법을 가리키며, 이러한 화학적 방제는 사용되는 화합물의 특성에 따라 다시 세 가지로 나눌 수 있다.
첫째는 황산동, 염소, 알칼리토금속 과산화물 및 과산화수소 등을 처리하는 방법으로, 속효성이고 처리효과가 뚜렷하지만, 비선택적이며 무기물의 경우 염 축적의 문제점이 있다.
둘째는 씨마진(simazine) 및 디우론(diuron)과 같은 유기합성 제초제를 처리하는 방법이며(Aquaculture 163:85-99, 2004; Aquaculture 233:197-203, 2004), 역시 비선택적이고 인축독성을 나타낼 수 있으므로 비표적 생물에 대한 안전성이 문제된다.
셋째는 최근에 대두되고 있는 자연친화적 기술로서 천연물 또는 그의 유도체를 처리하는 방법으로, 지금까지 연구된 천연물로는 칼륨이온(potassium ion, Parker 등, Appl. Envirn. Microbiol. 63:2324-2329, 1997), 라이신 및 그 유도체 (Hehmann 등., J. Appl. Phycol. 14:85-89, 2002), 페루릭산(ferulic acid), 계피산(trans-cinnamic acid), 퀴논 화합물(Schrader 등, Bull Environ. Contam. Toxicol. 60:651-658, 1998), 바실아마이드(bacillamide, Jeong 등, Tetrahedron Lett. 44:8005-8007, 2003), 피세렐린 A 및 B(fischerellin A and B, Hagmann 등, Tetrahedron Lett. 37:6539-6542, 1996; Papke 등, Tetrahedron Lett. 38:379-382, 1997), 산화된 지방산(oxygenated fatty acids) 및 리시놀산칼륨(potassium ricinoleate, Duke 등, Weed Sci. 50:138-151, 2002) 등이 있으며, 식물로는 부숙 보리짚 및 호밀풀(Lolium perenne)이 있다(Duke 등, Weed Sci. 50:138-151, 2002; Schrader, Agric. Res. 51:21, 2003).
그러나, 기존의 천연물을 이용한 유해조류 방제 기술들은 방제효율이 낮고, 비선택적이거나 또는 극히 제한된 종의 조류에서만 효과를 나타내며, 대량생산의 어려움이 있다. 따라서 이러한 단점을 보완할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.
아제티딘 유도체는 아제티딘 카복실산이 식물로부터 처음 발견된 이래(Fowden L., Biochem J. 64:323-332, 1956), 지금까지 20여종 이상의 식물에서 확인되었다. 아제티딘-2-카복실산의 경우 사람의 피부 섬유아세포(skin fibroblast)의 생장 억제(Tan 등, J. Investigative Dermatology, 80, 261-267, 1983) 및 콜라겐(collagen) 생산에 대한 억제활성을 가짐이 알려져 왔으며(Klohs 등, J. Nat'l Cancer Inst., 75, 353-359, 1985; Alvarez 등, Plast Reconstr Surg., 69, 284-289, 1982), 또한, 병아리에서의 망각 효과(amnestic potency) 및 뇌와 관련한 항 -확산성 억제효능(anti-spreading depression potency)(Cherkin 등, Brain Res., 156, 265-273, 1978), 쥐에서의 비만세포 관련 신생혈관형성(mast-cell-mediated angiogenesis) 억제능 및 스테로이드 성분인 덱사메타존(dexamethasone)과의 혼용처리로 인한 신생혈관형성 촉진작용(Norrby 등, Int. J. Microcirc Clin. Exp., 13, 113-124, 1993), 사카로마이세스 세레비시에(Saccharomyces cerevisiae) 유래 아미노산 투과효소(amino acid permease)의 활성 억제작용(Iglesias 등, Arch. Microbiol., 155, 320-324, 1991), 및 살모넬라 타이피무리움(Salmonella typhimurium)의 일시적 돌연변이에 대한 항돌연변이 효과(Minakata 등, Experientia, 41, 1622-1623, 1985) 등이 알려져 있다. 또한, 식물 담배 세포의 생장 억제(Bernstein 등, FEBS Lett., 141, 283-286, 1982), 순무 유묘의 생장 억제(Ikeda 등, Nippon Nogei Kagaku Kaishi, 51, 519-522, 1977), 및 화분관 신장 억제 활성(Singh 등, Indian J. Exp. Biol., 18, 915-916, 1980) 등의 식물 생장 억제능이 확인되었으며, 대사향성 글루타메이트 수용체(metabotropic glutamate receptor)의 항진제(agonist) 활성 또한 확인되었다(Manahan-Vaughan 등, Neuroscience, 72, 999-1008, 1996). 따라서, 아제티딘 유도체들은 항종양제, 항돌연변이제, 또는 의약품 전구물질의 개발 등에 이용되거나(Federsel H. J., Chyrality, 15, S128-S142, 2003; 국제출원번호 WO 2003/014081), 식물 꽃가루 임성 억제제로서 제안되기도 하였다(영국출원번호 GB 2140003). 그러나, 아직까지 아제티딘 유도체를 유해조류 방제제(algicide)로 사용한 보고는 없었다.
본 발명자들은 유해조류에만 선택적으로 작용하는 자연친화적 천연물 방제제 에 대해 예의 연구한 결과, 아제티딘 유도체를 함유하는 방제 조성물이 유익한 조류 및 수생생물은 보호하면서 담수 및 해수의 유해조류만을 효과적으로 방제함을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 유해조류에만 선택적으로 작용하는 자연친화적 천연물을 활성 성분으로 함유하는 방제 조성물 및 이를 이용한 방제 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적에 따라, 본 발명에서는 하기 화학식 1의 아제티딘 유도체를 활성성분으로 함유하는 유해조류 및 개구리밥 방제 조성물을 제공한다:
화학식 1
상기 식에서,
R1 및 R2는 각각 독립적으로 수소 또는 COOR이며, 이때 R은 수소, 알칼리금속, 암모늄, 알킬암모늄 또는 C1-8 알킬이다.
상기 다른 목적에 따라 본 발명은 상기 조성물을 이용한 방제방법을 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 아제티딘 유도체들은 유기합성하거나 생물로부터 분리하여 사용할 수 있다. 특히, 바람직한 아제티딘 유도체에는 아제티딘(azetidine), 아제티딘 2-카복실산, 아제티딘 3-카복실산, 아제티딘 2,3-다이카복실산, 및 아제티딘 카복실 에스터 메틸, 아제티딘 카복실 암모늄, 소듐 아제티딘 카복실산 및 아제티딘 카복실 에틸 등의 아제티딘 카복실 유도체(azetidine carboxylic derivatives) 등이 포함되며, 아제티딘 2-카복실산이 가장 바람직하다.
본 발명의 방제 조성물은 상기 아제티딘 유도체를 물이나 유기용매와 혼합하여 사용할 수 있으며, 효과의 안정성 및 약물의 표적 생물과의 부착 증진을 위해 트윈 20과 같은 비 이온성 또는 이온성 계면활성제를 함께 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 방제 조성물은 농약분야에서 제제화를 위해 통상적으로 사용되는 담체 및 첨가제 등을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 방제 조성물은 유해조류 및 개구리밥에 방제효과를 나타내며, 이때 유해조류에는 마이크로시스티스(Microcystis), 아나베나(Anabaena), 오실라토리아(Oscillatoria), 아파니조메논(Aphanizomenon), 노듈라리아(Nodularia) 및 코클로디늄(Cochlodinium)속의 조류 등이 포함된다.
따라서, 본 발명에서는 아제티딘 및 그 유도체를 유해조류 및 개구리밥이 발 생한 지역 또는 발생예상 지역에 처리하는 것을 포함하는 유해조류 및 개구리밥의 방제방법을 제공한다. 본 발명의 아제티딘 유도체를 방제지역에 처리할 경우 처리 지역의 최종 농도를 기준으로 0.4 내지 20 μM, 바람직하게는 3 내지 15 μM 범위로 사용할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 아제티딘 2-카복실산의 분리 및 확인
둥굴레(Polygonatum odoratum var. pluriflorum Owhi) 뿌리 생조직 100 g에 메탄올 400 ㎖을 가하여 마쇄한 후 상온에서 5시간 동안 방치하였다. 이를 여과지로 여과한 후 감압농축하였으며, 다시 증류수 1 ℓ를 가한 후 동량의 부탄올로 2회 추출하고 물 층을 감압농축하였다. 이렇게 얻어진 추출물 14.8 g을 실리카겔 컬럼(5.5 ㎝×60 ㎝; 70-230 메쉬, 400 g)에 가하고, 클로로폼:메탄올:물:아세트산(55:36:8:1, v/v/v/v) 혼합용매로 용출한 후 TLC 분석을 실시하여, 분석 양상에 따라 얻어진 분획들을 크게 F1 내지 F10으로 나누었다. 각 분획 별 좀개구리밥(Lemna paucicostata 381, 일본 이화학연구소 분양)에 대한 방제 활성 분석 결과, 가장 큰 활성을 나타낸 F6(1.70 g)의 시료를 다시 실리카겔 컬럼(3.2 ㎝×45 ㎝; 230-400 메쉬, 100 g)에 가한 후 이를 클로로폼:메탄올:폼산(6:3:1, v/v/v) 혼합용매로 용출하여 다시 TLC 분석을 실시하였다. 얻어진 분획들을 다시 TLC에서의 양상에 따라 F61부터 F63으로 나누어 각 분획별 방제활성을 조사하였으며, 가장 큰 활성을 나타낸 F62(377 ㎎) 시료를 다시 실리카겔 컬럼(2.8 cm × 45 cm; 230-400 메쉬, 50 g)에 가한 후 클로로폼:메탄올:폼산(6:3:1, v/v/v)으로 용출하여 활성을 나타내는 299 ㎎의 아제티딘 2-카복실산을 분리하였다.
상기에서 얻은 아제티딘 2-카복실산의 구조는 질량분석기(JEOL JMS-DX303; JEOL Ltd., 동경, 일본)를 이용한 고속 원자 충돌법(fast atom bombardment(FAB) mode) 및 전기분무 이온화법(electrospray ionization mode)으로 질량분석을 수행하고, D2O를 용매로 사용하여 1H- 및 13C- 자기공명분석을 수행하여 확인하였으며(도 1 및 도 2), 광학적 성질(optical rotation)을 측정하여 (S)-광학이성질체(stereoisomer)임을 확인하였다. 따라서, 상기에서 분리된 활성물질이 (S)-2-아제티딘카복실산(azetidinecarboxylic acid)임을 알 수 있다.
시험예 1: 좀개구리밥 방제 효과
아제티딘 유도체의 좀개구리밥 방제 효과를 확인하기 위해, 상기 실시예 1에서 분리 동정한 아제티딘 2-카복실산을 0.01중량% 트윈 20에 녹인 후 좀개구리밥 생장배지(허트너의 배지; W.E. Loomis, Growth and Differentiation in Plants, The Iowa State College Press, p417, 1958)에 하기 표 1에 기재된 농도(3.9 내지 500 μM)로 희석하여 2 ㎖씩 분주하였으며, 각 농도 당 3회 반복하였다. 이때, 대조군으로 화합물을 넣지 않은 생장배지를 같은 방법으로 분주하였으며, 상기 각 시험용기에 4 개의 엽상체를 가진 좀개구리밥을 1 개체씩 치상하여 이를 26℃, 14시간 광주기(50 μmolm-2s-1) 하에 7일 동안 배양하였다. 달관조사 결과를 토대로 완전히 고사한 경우의 활성을 100, 대조군에서의 활성을 0으로 하여 각 시험 화합물의 상대적 방제 활성을 결정하였으며, 각 용기의 식물재료를 취하여 엽록소 함량을 정량하여(참고: Hiscox 등, Can. J. Bot., 57, 1332-1334, 1979) 각 처리구의 좀개구리밥 방제정도를 대조구 대비 억제율로 확인하였다.
처리농도(μM) | 방제율 (%) | 엽록소함량 억제율(%) |
3.9 7.8 15.6 31.3 62.5 | 20 30 95 100 100 | 20.2±3.9 45.5±2.9 96.0±3.4 100±0.0 100±0.0 |
그 결과, 상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 아제티딘 2-카복실산은 20 μM 이상의 농도에서 좀개구리밥을 완전히 방제하였으며, 엽록소 함량을 기준으로 할 때 50% 억제농도가 8 내지 10 μM 수준이었다.
시험예 2: 담수 유해조류에 대한 방제 효과
아제티딘 유도체의 담수조류에 대한 방제효과를 알아보기 위해, 상기 실시예 1에서 분리 동정된 아제티딘 2-카복실산을 사용하여 한국생명공학연구원 생물자원센터에서 분양받은 유해한 남조류 2종[마이크로시스티스 아에루기노사(Microcystis aeruginosa, UTEX 2388) 및 아나베나 아피니스(Anabaena
affinis)]과 유익한 녹조류 2종[클로렐라 불가리스(Chlorella
vulgaris) 및 세네데스무스속(Scenedesmus spp.)]에 대한 방제 및 살조효과를 조사하였다.
예비실험을 통해 용액 1 ㎖ 당 각 조류의 건조 중량이 동일하게 0.1 mg이 되도록 초기농도를 조정한 후, 50 ㎖ 삼각플라스크에 10 ㎖씩 분주하였으며, 아제티딘-2-카복실산을 생장배지(알렌배지, Allen's medium)에 녹여 0.20 ㎛ 필터(Satorius 제품)를 이용하여 여과시킨 후 이를 상기 플라스크에 각각 하기 표 2에 제시된 농도(0.2 내지 400 μM)로 투여하였다. 이를 25℃, 광주기 14시간 (광도 60 μmolm-2s-1) 및 140 rpm 조건에서, 생육속도가 비교적 빠른 클로렐라, 세네데스무스 및 아나베나는 4일 동안, 생육이 약간 느린 마이크로시스티스는 7일 동안 배양한 후, 각 실험군 별로 0.2 ㎖ 씩을 취하여 미세평판 검출기(microplate reader, 352 type, Labsystems, Finland)로 흡광도(파장 670 nm)를 측정하였다. 예비실험을 통해 얻어진 흡광도와 건조 중량 간의 관계식(마이크로시스티스 아에루기노사는 Y=-0.00837X2 + 0.2524X + 0.00383; 클로렐라 불가리스는 Y=0.4304X + 0.0384; 세네데스무스속은 Y=0.4212X + 0.0649; 그리고 아나베나 아피니스는 Y=0.1734X + 0.0306. 상기 식에서 Y는 흡광도, X는 건물중을 의미한다.)에 상기 측정 결과를 도 입하여 농도별 시험 화합물의 대조군(약제 무처리군) 대비 조류생장 억제율을 계산하였다(표 2).
농도 (μM) | 조류 생장의 억제율 (%) | |||
세네데스무스 | 클로렐라 | 마이크로시스티스 | 아나베나 | |
0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50 100 200 400 | - - - - - - 9.5±5.5 16.9±4.1 26.2±1.4 41.7±1.4 49.9±2.3 75.3±1.4 | - - - - - - 15.0±2.5 20.4±3.0 44.1±1.7 45.3±1.3 50.0±1.3 72.3±0.8 | 0.0±1.9 17.4±1.9 35.4±0.6 93.1±0.6 93.8±0.6 95.0±1.3 100±0.0 100±0.0 100±0.0 100±0.0 - - | - - 8.2±2.5 0.9±1.8 46.5±2.5 93.2±1.1 94.5±0.7 95.0±0.4 94.9±0.0 95.2±0.4 - - |
그 결과, 상기 표 2에서 나타낸 바와 같이, 아제티딘 2-카복실산의 경우 유해 남조류인 아나베나 아피니스 및 마이크로시스티스 아에루기노사에 대해서는 각각 1.6 및 0.2 μM 이상에서부터 저해활성을 나타냈으며 92% 방제활성을 가지는 농도가 각각 6.3 및 1.6 μM인 반면에, 유익한 녹조류인 클로렐라 불가리스 및 세네데스무스 속에 대해서는 12.5 μM 농도가 되어서야 저해활성을 나타내었다.
따라서, 본 발명에 따른 아제티딘 2-카복실산은 유익한 녹조류에 대한 독성은 적으면서 유해 조류에 선택적으로 우수한 방제활성을 나타냄을 알 수 있다.
시험예 3: 해수 유해조류에 대한 방제효과
우리나라에서 가장 문제를 일으키는 것으로 알려진 해수 유해조류인 코클로디늄 폴리크리코이데스(Cochlodinium polykrikoides)에 대한 아제티딘 유도체의 방제효과를 상기 시험예 2와 동일한 방법으로 확인하였다.
국립수산과학원으로부터 분양받은 코클로디늄 폴리크리코이데스를 해수로 조제된 F/2 배지(Guillard와 Ryther, 1962)에서 20℃, 광주기 24시간, 광도 65 μmolm-2s-1의 조건 하에 계대배양시켰다. 배양된 코클로디늄 폴리크리코이데스를 5.44×103 세포수/㎖ 배지가 되도록 삼각플라스크에 50 ㎖씩 분주하고, 상기 실시예 1에서 분리 동정된 아제티딘 2-카복실산 및 시그마-알드리히(일본) 시약회사로부터 구입한 아제티딘을 상기 F/2 배지에 녹여 0.20 ㎛ 필터를 이용하여 여과한 후 하기 표 3에 제시된 농도로 각 플라스크에 투여하였다. 이를 20℃, 연속 광조건(광도: 65 μmolm-2s-1)에서 4일 동안 배양하면서 매일 5 ㎕씩 취해 광학현미경(150배)으로 개체수 및 운동성을 조사하였다. 이때, 조사는 각 처리당 5 회 반복하고, 운동성 저해효과의 경우 0 내지 100 등급표에 준하여 달관조사를 실시한 후 정상적으로 움직이는 것을 0, 전혀 움직이지 않는 것을 100으로 하여 결과를 분석하였다.
화합물 | 농도 μM | 세포생장의 억제율(%) | 세포운동성 억제율(%) | ||||
처리후 1일 | 처리후 2일 | 처리후 4일 | 처리후 1일 | 처리후 2일 | 처리후 4일 | ||
아제티딘 2-카복실산 | 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50 100 | 0.0±0.0 0.0±6.1 0.0±5.3 0.0±8.7 0.0±8.7 0.0±9.3 7.6±5.0 | 0±9.1 9.0±9.3 13.9±5.0 32.0±8.0 47.5±5.3 71.3±7.7 75.4±0.0 | 22.1±5.8 23.8±7.8 86.9±1.8 100±0.0 100±0.0 100±0.0 100±0.0 | 0 0 20 60 95 95 98 | 0 30 70 100 100 100 100 | 0 30 100 100 100 100 100 |
아제티딘 | 3.2 6.3 12.5 25 50 100 | 0.0±0.0 0.0±0.0 0.0±0.0 0.0±0.0 9.9±5.8 9.9±3.4 | 0.0±0.0 7.4±8.0 7.4±7.4 0.8±12.1 23.8±8.0 13.1±12.1 | 0.0±0.0 3.3±8.5 13.9±9.6 32.0±8.5 42.6±5.8 32.8±7.4 | 0 0 0 0 0 0 | 0 0 10 30 50 50 | 0 0 30 50 50 60 |
그 결과, 상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 아제티딘 2-카복실산은 6.3 및 12.5 μM 농도에서 각각 86.9 및 100%의 방제활성을 나타내었으며, 아제티딘은 25 및 50 μM에서 각각 32 및 42.6%의 방제활성을 나타내었다. 한편, 운동성 억제정도에서의 효력을 보이는 농도 역시 개체수 증식 억제실험에서와 비슷한 경향을 나타냄을 확인할 수 있었다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 아제티딘 유도체는 유익한 조류나 수생생물에는 독성이 적으면서 남조류 및 적조류 등의 유해조류만을 선택적으로 유효하게 방제하므로, 이를 함유하는 방제 조성물은 자연친화적이면서 효능이 우수한 유해조류 방제제로서 유용하게 활용될 수 있다.
Claims (6)
- 제 1 항에 있어서,아제티딘 유도체가 아제티딘, 아제티딘 2-카복실산, 아제티딘 3-카복실산, 아제티딘 2,3-다이카복실산, 아제티딘 카복실 에스터 메틸, 아제티딘 카복실 암모늄, 소듐 아제티딘 카복실산 및 아제티딘 카복실 에틸을 포함하는 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 조성물.
- 제 2 항에 있어서,아제티딘 유도체가 아제티딘 2-카복실산임을 특징으로 하는 조성물.
- 제 1 항에 있어서,유해조류가 마이크로시스티스(Microcystis), 아나베나(Anabaena), 오실라토리아(Oscillatoria), 아파니조메논(Aphanizomenon), 노듈라리아(Nodularia) 및 코클로디늄(Cochlodinium) 속의 조류로 이루어진 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는 조성물.
- 제 1 항의 아제티딘 유도체를 유해조류 및 개구리밥이 발생한 지역 또는 발생예상 지역에 처리하는 것을 포함하는, 유해조류 및 개구리밥의 방제방법.
- 제 5 항에 있어서,제 1 항의 아제티딘 유도체를 최종농도가 0.4 μM 내지 20 μM이 되도록 처리함을 특징으로 하는 방제방법.
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JPS5798257A (en) * | 1980-12-10 | 1982-06-18 | Sankyo Co Ltd | 3,4-disubstituted azetidine-2-one compound and its preparation |
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