연구
< 화학과 장석복 특훈교수 >
자연에 풍부한 탄화수소를 원료로 페니실린 등 항생제를 합성할 수 있는 새로운 촉매가 나왔다. 우리 대학 화학과 장석복 특훈교수(기초과학연구원 (IBS) 분자활성 촉매반응 연구단장) 연구팀은 서상원 전(前) 기초과학연구원 차세대 연구 리더(現 DGIST 화학물리학과 교수)와의 협업으로 경제적인 니켈 기반 촉매를 이용해 탄화수소로부터 항생제 원료물질인 ‘카이랄 베타-락탐’을 합성하는 화학반응을 개발했다.
1928년 영국의 생물학자인 알렉산더 플레밍은 푸른곰팡이에서 인류 최초의 항생제인 페니실린을 발견했다. 이후 1945년 영국 화학자 도로시 호지킨이 베타-락탐으로 불리는 고리 화합물이 페니실린을 구성하는 주요 구조임을 밝혀냈다. 베타-락탐은 탄소 원자 3개와 질소 원자 1개로 이루어진 고리 구조(4원환 구조)로 페니실린 외에도 카바페넴, 세팔렉신과 같은 주요 항생제의 골격이기도 하다.
페니실린 구조 규명 덕분에 인류는 베타-락탐 계열의 항생제를 화학적으로 합성할 수 있게 됐다. 하지만 80여 년이 지난 지금도 베타-락탐 합성에는 해결해야 할 과제가 있다. 베타-락탐은 카이랄성(거울상 이성질성)을 지닐 수 있는데, 구성하는 원소의 종류나 개수가 같아도 완전히 다른 성질을 내는 두 유형의 거울상 이성질체가 존재한다는 것이다.
대부분의 시판 베타-락탐 의약품은 유용성을 가진 유형만 선택적으로 제조하기 위해 합성과정에서 카이랄 보조제를 추가로 장착시킨다. 합성 단계가 복잡해지고, 제조 단가가 높아질 뿐만 아니라 보조제 제거를 위해 추가로 화학물질을 투입해야 해서 폐기물이 발생한다는 단점이 있다.
장석복 교수 연구팀은 2019년 탄화수소로부터 합성 가능한 다이옥사졸론과 새로 개발한 촉매를 이용해 카이랄 감마-락탐을 합성하는 데 최초로 성공했다(Nature Catalysis). 당시 5원환 구조인 감마-락탐은 카이랄 선택적으로 합성했지만, 4원환 구조의 베타-락탐을 합성하지는 못했다. 또, 이 반응을 위해서는 값비싼 이리듐 촉매를 써야 한다는 한계도 있었다.
< 그림 1. 니켈 촉매를 활용한 항생제 원료물질 카이랄 베타-락탐 합성. 장석복 특훈교수 연구팀은 값싼 니켈 촉매와 탄화수소 원료물질을 활용하여 항생제의 원료물질인 베타-락탐을 높은 거울상 이성질체 비율로 합성하는 신개념 촉매반응을 개발하였다. >
베타-락탐은 감마-락탐보다 더 쓰임이 많지만, 합성에 많은 에너지가 필요해 더 제조가 까다롭다. 이번 연구에서는 상대적으로 저렴하고, 풍부하게 존재하는 니켈 촉매를 이용하여 제조가 까다로운 베타-락탐을 카이랄 선택적으로 합성하는 데 성공했다. 시판 공정에서는 항생제 합성에 필요한 베타-락탐 원료를 8단계에 거쳐 합성했지만, 연구진이 제시한 촉매반응은 보조제 장착 및 제거 과정이 필요 없어 약 3단계 정도로 절차를 대폭 단축할 수 있다. 게다가, 원료물질에 비해 합성된 물질은 시장 가치가 700배가량 높아 고부가가치를 창출할 수 있다.
< 그림 2. 카이랄 베타-락탐 합성법의 응용. 연구진은 이번 연구를 통해 카이랄 베타-락탐을 포함한 의약품 및 천연물질의 합성 절차를 단축할 수 있음을 증명하였다. 또한, 복잡한 화합물의 후기-단계 기능화로 약물 후보물질을 간단하게 얻을 수 있음을 보여줌으로써 산업계에서의 실용화 가능성을 확인하였다. >
서상원 교수는 “니켈과 다이옥사졸론의 반응 과정에서 생기는 니켈-아미도 중간체가 베타 위치의 탄소와 선택적으로 반응하여 원하는 베타-락탐 골격을 얻을 수 있다”이라며 “두 유형의 카이랄 베타-락탐 중 한쪽만을 95% 이상의 정확도로 골라 선택적으로 합성할 수 있음을 보여줬다”고 말했다.
한편, 연구진은 천연물 등 복잡한 화학 구조의 물질에 베타-락탐 골격을 높은 정확도로 도입하는 데도 성공했다. 기존 의약품 합성 전략보다 간단하게 후보 약물이 될 새로운 물질을 합성할 수 있다는 의미다.
연구를 이끈 장석복 교수는 “페니실린, 카바페넴과 같은 주요 항생제의 골격인 카이랄 베타-락탐을 손쉽게 합성해냈다”며 “유용 물질의 합성과정을 간소화해 산업에 이바지하는 동시에 신약 개발을 위한 다양한 후보물질 발굴도 견인할 것”이라고 말했다.
연구결과는 8월 25일(한국시간) 화학 분야 권위지인 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis, IF 37.8)’ 온라인판에 실렸다.
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연구 햇빛·공기로 약 만든다...화학합성 난제 해결
의약품을 만드는 화학 공정에서 ‘촉매’는 생산 속도와 비용을 좌우하는 핵심 기술이다. 하지만 지금까지는 ‘정밀하지만 버려야 하는 촉매’와 ‘재사용 가능한 촉매’ 사이의 한계를 안고 있었다. 우리 대학 연구진이 이 두 촉매를 결합해 빛과 공기만으로 작동하는 친환경 촉매 기술을 개발했다. 의약품 원료를 더 저렴하고 깨끗하게 생산할 수 있는 길이 열리며, 탄소 배출과 환경 오염 저감 효과도 기대된다. 우리 대학은 화학과 한상우 교수 연구팀이 서로 다른 두 종류의 촉매를 하나로 결합하는 데 성공했다고 30일 밝혔다. 하나는 고체 상태에서 작동하는 은(Ag) 기반 촉매이고, 다른 하나는 용액 속에서 작용하는 유기 광촉매 DDQ(빛을 받아 화학 반응을 일으키는 물질)다. 연구팀은 이 두 촉매가 함께 작동하도록 구현해, 기존에는 어려웠던 반응을 더 효율적으로 수행할 수 있게 했다. 연구팀은 이 기술을 활용해 햇빛과 공기로
2026-03-30 -
연구 ‘코엔자임 Q10’모방...망가지지 않는 촉매로 재탄생
건강기능식품으로 널리 알려진 ‘코엔자임 Q10(Coenzyme Q10)’과 같은 우리 몸 속 분자를 활용해, 에너지를 만들어내는 방식을 모방한 신개념 촉매 기술이 개발됐다. 국내 연구진은 생체 에너지 생성에 핵심적인 분자를 이용해 스스로 반복 작동하는 분자 촉매 시스템을 구현하는 데 성공했다. 우리 대학은 화학과 백윤정 교수 연구팀이 기초과학연구원(IBS, 원장 직무대행 김영덕) 권성연 박사와의 공동연구를 통해, 코엔자임 Q10으로 알려진 ‘퀴논(Quinone)’이 금속‘티타늄(Ti)’과 결합해 작동하는 새로운 분자 촉매 시스템을 개발했다고 26일 밝혔다. 퀴논은 체내에서 전자와 수소를 전달하며 에너지 생성에 관여하는 핵심 분자다. 이는 세포의 ‘에너지 발전소’로 불리는 미토콘드리아에서 전자와 수소를 함께 이동시키며 에너지를 생성하는 메커니즘에서 착안한 것이다. 그러나 이러한 중요한 기능에
2026-03-26 -
연구 스스로 회복하는‘자가 재생’ 촉매 개발...이산화탄소 전환 기술 돌파구
공장과 발전소에서 배출되는 이산화탄소(CO₂)를 유용한 화학 원료로 바꾸는 기술은 탄소 중립의 핵심으로 꼽힌다. 하지만 촉매 성능이 빠르게 떨어지는 문제가 상용화를 가로막아 왔다. 우리 대학 연구진이 작동하는 동안 스스로 성능을 회복하는 ‘자가재생’ 촉매를 개발해 해결의 실마리를 제시했다. 우리 대학 생명화학공학과 정동영 교수 연구팀은 이산화탄소(CO₂)를 유용한 물질로 전환하는 전기화학 반응에서 촉매 성능이 저하되는 근본 원인을 규명하고, 촉매가 반응 중 스스로 활성 상태를 유지하도록 하는 새로운 설계 전략을 개발했다고 11일 밝혔다. 특히 연구팀은 이산화탄소 전환 반응에서 널리 사용되는 구리(Cu) 촉매에 주목했다. 구리 촉매는 반응 과정에서 단순히 소모되는 것이 아니라, 표면 구조가 지속적으로 변화하는 ‘재구성(reconstruction)’ 과정을 거치는 것으로 알려져 있다. 연구 결과, 이러한 재구성 방식에 따라 촉매의 성능과
2026-03-11 -
연구 AI로 ‘수소차 심장’ 설계...차세대 ‘슈퍼 촉매’ 개발
기후 위기 시대, 수소차는 친환경 모빌리티의 대안으로 떠오르고 있다. 그러나 ‘수소차의 심장’인 연료전지는 여전히 높은 가격과 짧은 수명이라는 한계를 안고 있다. 핵심 원인은 백금 촉매다. 전기를 만드는 결정적 물질이지만 반응은 느리고, 시간이 지날수록 성능이 떨어지며, 제조 비용도 높다. 한국 연구진이 이 난제를 풀 실마리를 제시했다. 우리 대학은 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 서울대학교(총장 유홍림) 화학생물공학부 이원보 교수팀과 함께 인공지능(AI)으로 촉매의 ‘원자 배열’경향을 예측하는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다. 이 기술은 마치 퍼즐을 맞추기 전 어떤 조합이 퍼즐 완성에 유리한지 미리 계산해 보는 것과 같다. AI가 금속 원자들의 배열 속도를 먼저 계산해 줌으로써, 더 성능이 좋은 촉매를 효율적으로 설계할 수 있게 된 것이다. 이번 연구의 핵심은 ‘AI가 아연이 백금-코발트 원자 배열에 결정적 역할을 한다
2026-02-26 -
연구 알갱이 촉매를 종이처럼 펼쳤더니...수소에너지 판 바꾸다
촉매는 수소를 만들고 전기를 생산하는 과정을 좌우하는 수소 에너지의 ‘보이지 않는 엔진’이다. 기존 촉매는 만들기 쉬운 알갱이 형태였지만 귀금속을 비효율적으로 쓰고 수명이 짧다는 한계가 있었다. 우리 대학 연구진은 알갱이 대신 종이처럼 얇은 시트 구조를 도입해, 촉매 재료가 아닌 ‘형태의 혁신’으로 귀금속 사용량을 줄이면서 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 향상시켰다. 우리 대학은 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 값비싼 귀금속 촉매 사용량을 대폭 줄이면서도 수소 생산과 연료전지 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 촉매 구조를 개발했다고 21일 밝혔다. 이번 연구의 핵심은 머리카락 두께의 수만 분의 1 수준인 초박막 나노시트 구조를 적용해, 기존 촉매의 효율과 내구성 한계를 함께 극복한 데 있다. 수전해 장치와 연료전지는 수소 에너지의 생산과 활용을 담당하는 핵심 기술이지만, 촉매로 사용되는 이리듐(Ir)과 백금(Pt)이 희귀
2026-01-21