우리 연구진이 어렵고 까다로운 화학 반응의 길을 열었다. '라디칼' 생성, 촉매 재생의 균형을 맞추는데 성공했다. 의약품 등에 필요한 복잡한 분자를 만드는 새로운 합성법 개발에 새로운 가능성을 제시했다.
한국과학기술원(KAIST·총장 배충식)은 이윤미 화학과 교수팀이 금속 촉매에 붙어 촉매 성질을 조절하는 '리간드'를 이용해, 구리 촉매가 라디칼을 만들고 다시 원래 상태로 돌아오는 과정을 효과적으로 조절하는 방법을 개발했다고 20일 밝혔다.
의약품처럼 복잡한 물질을 만들 때는 다른 물질과 쉽게 반응해 새로운 결합을 만드는 라디칼이 유용하게 쓰이지만 라디칼을 잘 만들어도 촉매가 다시 제자리로 돌아오지 못하면 반응을 이어갈 수 없다. 이번 연구로 이를 해소한 것이다.
연구팀은 '사이클로프로펜이민(CPI)'이라는 유기분자를 리간드로 사용했다. CPI 리간드는 구리 촉매에 붙어 전자를 주고받는 성질인 '산화·환원'을 조절해, 라디칼을 만드는 과정과 반응 후 변한 촉매를 다시 원래 상태로 되돌리는 과정이 원활하게 이어지도록 한다.
이번 연구에서는 탄소에 브로민이나 염소 등이 붙어 있는 '3차 알킬 할라이드'를 출발물질로 사용했다. 구리 촉매가 이 결합을 끊으면 반응성이 높은 라디칼이 만들어지고, 이 라디칼이 같은 분자 안의 다른 부분과 새롭게 연결되면서 고리 모양의 구조가 만들어진다. 마치 풀려 있던 끈의 양 끝을 연결해 고리를 만드는 것과 비슷하다. 이를 '라디칼 고리화 반응'이라고 한다.
연구팀이 여러 종류의 리간드를 비교한 결과, 라디칼을 많이 만든다고 해서 반드시 원하는 물질이 많이 만들어지는 것은 아니었다. 일부 리간드는 라디칼은 매우 잘 만들었지만 최종 생성물은 거의 만들어내지 못했다.
반면 CPI 리간드는 라디칼 생성과 촉매 재생이 균형 있게 이어지도록 했다. 촉매를 반복해서 일하는 '작업자'라고 한다면, CPI 리간드는 작업자가 한 번 일하고 멈추지 않고 다시 다음 일을 할 수 있도록 돕는 '조력자' 역할을 한 셈이다.
그 결과 연구팀은 의약품과 생리활성 물질에서 활용되는 중요한 고리형 분자 구조인 '3,3-이치환 옥신돌'을 높은 수율로 합성하는 데 성공했다.
특히 브로민이 붙은 물질은 상온에서도 효율적으로 반응했다. 더 나아가 쉽게 끊어지지 않는 강한 탄소-염소 결합을 가진 물질까지 반응시키는 데 성공했다. 기존에는 다루기 까다로웠던 '3차 알킬 클로라이드'까지 활용해 만들기 어려웠던 다양한 옥신돌 화합물을 합성할 수 있음을 보여준 것이다.
이번 연구 핵심은 라디칼을 잘 만드는 것만으로는 충분하지 않다는 점이다. 특정 단계의 반응성만 높이는 데서 나아가, 라디칼 생성과 촉매 재생을 포함한 전체 촉매 사이클의 균형을 조절함으로써 보다 효율적인 촉매를 설계하고 새로운 반응으로 확장할 수 있는 가능성을 보여줬다.
이러한 원리를 활용하면 앞으로 지금까지 쉽게 반응하지 않아 활용하기 어려웠던 물질도 새로운 합성 재료로 사용할 가능성이 커진다. 이를 통해 의약품과 생리활성 물질처럼 구조가 복잡한 분자를 보다 온화하고 효율적인 조건에서 만드는 새로운 합성법 개발에 활용될 것으로 기대된다.
이윤미 교수는 “이번 연구에서는 라디칼을 잘 만드는 것만으로는 충분하지 않고, 하나의 촉매 반응을 이루는 여러 과정이 균형 있게 이어지는 것이 중요하다는 점을 구체적으로 확인했다”며 “앞으로 반응시키기 어려운 다양한 물질을 활용하는 새로운 라디칼 촉매 반응 개발에 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 '미국화학회지(JACS)'에 8월 3일 온라인 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
