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IBS 연구진, 효율 높은 이리듐 촉매 개발

탄화수소로 신약 원료 감마-락탐 합성 성공, 신약개발 활용 기대

IBS 연구진, 효율 높은 이리듐 촉매 개발
IBS 연구진으로, 제1저자인 홍승윤 연구원, 박윤수 연구원(앞줄 왼쪽, 오른쪽), 교신저자인 장석복 단장(뒷줄 오른쪽), 제2저자인 황연규 연구원(뒷줄 왼쪽), 제3저자인 김영범 연구원(뒷줄 가운데)

[산업일보]
탄소와 수소가 결합된 형태인 탄화수소(C-H) 화합물은 종류가 다양하고 자연계에 대량으로 존재한다. 하지만 반응성이 낮고, 필요한 특정 원자나 작용기만을 반응시키기는 어려워 합성 원료로 활용하기 어렵다. 최근 금속촉매가 이를 해결할 수 있는 방안으로 떠오르며 탄화수소로부터 의학, 합성, 신소재 및 재료화학 분야에 유용하게 사용되는 유기분자를 합성하는 촉매 반응 개발이 연구주제로 제안되고 있다.

탄소-수소 삽입 과정은 탄화수소를 원료로 사용할 수 있고, 특정 작용기가 필요하지 않아 효율적이나 반응 중간체의 불안정성 때문에 복잡한 분자를 정밀하게 제어하는 기술이 필수적이다. 이로 인해 많은 유기화학자들은 촉매를 효율적으로 설계하려 노력하고 있지만 아직까지 핵심 중간체인 카보닐나이트렌(탄소와 질소를 원자로 하는 화합물)을 안정화시키지 못해 탄소-수소 결합을 탄소-질소 결합으로 바꾸는데 적용하기 어려웠다.

석유, 천연가스 등 자연에 풍부한 탄화수소로부터 의약품이나 화학소재의 원료가 되는 락탐을 합성할 수 있는 방법이 나왔다.

기초과학연구원(이하 ‘IBS’) 분자활성 촉매반응 연구단(KAIST 캠퍼스) 장석복 단장과 백무현 부연구단장 공동 연구팀은 반응 효율이 높은 이리듐 촉매를 개발하여 상온에서 감마-락탐을 합성하는데 성공했다.

감마-락탐은 뇌전증 치료제(레비티라세탐)나 혈관형성 억제제(아자스파이렌)와 같이 복잡한 유기분자의 핵심 구성성분으로 의약품, 합성화학, 소재 등에 폭넓게 활용된다. 이번 연구성과가 세계 최고 권위의 학술지 사이언스(Science, IF 37.205)에 3월 2일 새벽 4시(한국시간) 온라인판에 게재되었다고 IBS와 과학기술정보통신부는 밝혔다.

자연에 풍부한 탄화수소로부터 감마-락탐을 만들기 위해 많은 연구가 있었지만 탄화수소는 상온에서 반응성이 낮아 합성하는데 큰 어려움이 있었다.
IBS 연구진, 효율 높은 이리듐 촉매 개발
연구진이 개발한 새로운 이리듐 촉매로 만든 질소화 반응 메커니즘/밀도범함수를 활용한 계산화학으로 예측한 중간체의 가능한 반응경로와 에너지장벽(energy barrier)

탄화수소에서 감마-락탐을 합성하기 위해서는 탄소-수소 결합을 탄소-질소 결합으로 변환하는 질소화반응이 필요한데 이 과정에서 중간체인 카보닐나이트렌(carbonylnitrene)이 상온에서 너무 쉽게 부산물로 분해되어 합성이 불가능했기 때문이다.

IBS 연구진은 연구단 내 이론연구그룹과 실험그룹의 협동 연구로 이러한 어려움을 극복했다. 먼저, 최적화된 촉매를 계산화학으로 분석하여 예측하고, 실험에 돌입하는 방식으로 중간체 분해 문제를 해결할 수 있었다.

이론 연구팀은 밀도범 함수를 활용한 계산화학으로 어떤 촉매가 탄화수소에 효율적인 반응을 일으킬지 분석하고 시뮬레이션으로 완성도 높은 촉매를 제안했다.

이를 바탕으로 실험 연구팀이 중간체 분해 및 부산물 형성을 억제하는 이리듐 촉매를 개발하고 탄화수소에 적용해 감마-락탐 합성에 성공했다.

장석복 단장은 “이번 연구는 질소화 반응의 중간체 분해 문제를 해결함으로써 탄화수소로 감마-락탐을 합성하는 계기를 만들 수 있었다”며, “새로운 금속 촉매를 설계하고 합성하여 성공적으로 적용시키는 모든 과정에 열정적으로 임해준 참여 학생들에게 깊이 감사한다”고 말했다. 장 단장은 이어 “이번에 개발한 촉매반응의 확장연구를 통해 학문적인 진보는 물론 합성된 물질의 생리활성 및 임상 연구를 통한 의약품과 신소재 개발 등 산업적인 면에서도 큰 기여할 수 있게 되기를 바란다”고 덧붙였다.
김혜란 기자 hyeran6329@kidd.co.kr

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