성균관대학교는 화학과 류도현 교수 연구팀이 한국과학기술원(KAIST) 김현우 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 단 하나의 카이랄 유기 촉매만을 활용하여 서로 다른 두 가지 비대칭 합성 반응을 높은 정밀도로 제어하는 '통합 촉매 플랫폼'을 개발했다.
신약이나 천연물과 같은 정밀 화학물질은 우리 오른손과 왼손처럼 모양은 같지만 서로 겹치지 않는 거울상 구조(카이랄성)를 갖는 경우가 많다. 이 중 한쪽 입체구조만 약효를 내고 다른 쪽은 부작용을 일으킬 수 있어, 원하는 구조의 분자만을 100% 골라 만들어내는 비대칭 합성 기술은 정밀 화학의 핵심 분야로 꼽힌다.
기존의 케톤 화합물은 반응성이 낮아 원하는 3차원 입체구조를 조절하기 까다로웠으며, 반응할 수 있는 자리가 여러 개인 물질은 원하는 위치만 콕 집어 반응시키는 위치 선택성까지 동시에 통제해야 하는 오랜 난제가 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 유기 촉매 시스템을 설계했다. 개발된 촉매는 분자의 여러 결합 부위 중 목표한 위치만을 정확하게 활성화할 뿐만 아니라, 생성되는 분자의 3차원 입체구조까지 완벽히 조절했다.
이를 통해 기존에 비대칭 제어가 극히 까다로웠던 '알릴화 반응'을 높은 선택성으로 성공시켰으며, 동일한 촉매를 또 다른 주요 탄소-탄소 결합 반응인 '알돌 반응'에도 그대로 적용해 다양한 유용 화합물을 정밀하게 합성해냈다.
연구팀은 이번 플랫폼을 통해 합성한 분자들을 실제 치료 효과를 지닌 복잡한 천연물 합성에 성공적으로 적용함으로써 산업적 활용 가치를 입증했다. 컴퓨터 시뮬레이션 기법인 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 해당 유기 촉매가 어떤 원리로 분자의 특정 위치와 입체구조를 정밀하게 유도하는지 분자 수준의 메커니즘까지 명확하게 규명했다.
류도현 교수는 “이번 연구는 반응마다 각기 다른 촉매를 일일이 개발해야 했던 기존 방식에서 벗어나, 하나의 촉매 시스템으로 다채로운 비대칭 반응을 폭넓게 제어할 수 있음을 증명한 데 큰 의의가 있다”며 “향후 복잡한 구조를 지닌 차세대 의약품과 기능성 천연물 소재를 훨씬 더 빠르고 효율적으로 합성하는 핵심 전략이 될 것”이라고 연구 의의를 설명했다.
이번 연구는 성균관대 류도현 교수와 KAIST 김현우 교수가 공동 교신저자로, 성균관대 서태림 연구원, Rameshwar Prasad Pandit 연구원, 김동규 연구원 및 KAIST 김동훈 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 화학 분야 최고 권위 학술지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition, IF: 17.6)'에 게재됐다.
이번 성과는 과학기술정보통신부 한국연구재단 선도연구센터사업(SRC)과 중견연구자지원사업, 교육부 한국기초과학지원연구원(KBSI) 기초과학연구역량강화사업의 지원을 받아 수행됐다.
조호현 기자 hohyun@etnews.com
