- 라디칼 생성·촉매 재생 균형 맞춰, 반응 어려웠던 물질도 활용

- 상온서 복잡한 고리형 분자 합성, 에너지·촉매 사용량 절감 기대

이번 연구성과 모식도(AI 생성 이미지).[KAIST 제공]
이번 연구성과 모식도(AI 생성 이미지).[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 기존에는 반응시키기 어려웠던 화학물질을 상온에서도 효율적으로 합성할 수 있는 새로운 촉매 기술이 개발됐다. 의약품과 생리활성 물질 등 복잡한 분자를 만드는 화학 공정의 효율을 높일 것으로 기대된다.

KAIST는 화학과 이윤미 교수 연구팀이 구리 촉매의 반응성을 조절해 라디칼 생성과 촉매 재생을 동시에 원활하게 만드는 새로운 촉매 설계 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

라디칼은 다른 물질과 쉽게 반응해 새로운 화학결합을 만드는 반응성이 높은 화학종이다. 의약품처럼 구조가 복잡한 물질을 합성하는 데 유용하지만, 라디칼을 생성한 촉매가 원래 상태로 돌아오지 못하면 반응이 지속되지 않는 한계가 있다.

연구팀은 구리 촉매에 결합해 성질을 조절하는 ‘리간드’에 주목했다. 사이클로프로펜이민(CPI)이라는 유기분자를 리간드로 활용해 구리 촉매의 산화·환원 특성을 조절했다.

핵심은 라디칼을 많이 만드는 데 그치지 않고 반응 후 변한 촉매를 원래 상태로 되돌리는 과정까지 균형 있게 제어하는 것이다.

실제 여러 리간드를 비교한 결과, 라디칼 생성 능력이 뛰어난 일부 리간드는 최종 생성물을 거의 만들어내지 못했다. 반면 CPI 리간드는 라디칼 생성과 촉매 재생이 원활하게 이어지도록 해 전체 반응 효율을 높였다.

이를 통해 연구팀은 의약품과 생리활성 물질 합성에 활용되는 고리형 분자인 ‘3,3-이치환 옥신돌’을 높은 수율로 합성하는 데 성공했다.

특히 브로민이 결합한 물질은 상온에서도 효율적으로 반응했다. 기존에는 끊기 어려웠던 강한 탄소·염소 결합을 가진 물질까지 반응시키는 데 성공하면서 활용 가능한 합성 재료의 범위도 넓혔다.

이윤미(왼쪽부터) KAIST 교수, 장세라 KAIST 석박사통합과정, 정성렬 연세대학교 석사, 김수민 KAIST 석박사통합과정.[KAIST 제공]
이윤미(왼쪽부터) KAIST 교수, 장세라 KAIST 석박사통합과정, 정성렬 연세대학교 석사, 김수민 KAIST 석박사통합과정.[KAIST 제공]

연구팀은 반응 규모를 그램 단위로 확대하고 촉매 사용량을 줄인 조건에서도 합성이 원활하게 진행되는 것을 확인했다. 향후 공정 최적화를 거치면 의약품 제조 등에 필요한 에너지와 촉매 사용량을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 라디칼 생성 능력만 높이는 기존 접근에서 벗어나 전체 촉매 반응의 균형을 조절하는 새로운 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

이윤미 교수는 “라디칼을 잘 만드는 것만으로는 충분하지 않고 하나의 촉매 반응을 이루는 여러 과정이 균형 있게 이어지는 것이 중요하다는 점을 확인했다”며 “생산 비용과 에너지 소비를 낮추면서도 효율적으로 복잡한 유기분자를 제조하는 합성 공정으로 발전할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘미국화학회지(JACS)’에 지난 8월 3일 온라인 게재됐다.


nbgkoo@heraldcorp.com