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빛을 이용해 간단하게 유용한 화합물 만든다
환경 오염을 유발하는 부산물이나, 높은 에너지가 필요한 고온 공정 없이 빛을 이용해 친환경적으로 의약품의 주요 원료를 만들 수 있는 새로운 합성 공정이 개발됐다.
우리 대학 화학과 홍승우 교수(IBS 분자활성 촉매반응 연구단 부연구단장) 연구팀은 광(光)촉매를 이용해 질소 고리화합물을 합성하는 새로운 화학반응을 제시하고, 의약품의 주요 골격인 ‘락탐’과 ‘피리딘’을 하나의 분자에 도입하는 데 성공했다.
‘질소 고리화합물’은 약용 화합물의 주요 구성요소다. 고리(원) 형태로 결합한 탄소 원자 사이에 질소 원자가 끼어 있는 구조로, 여기에 작용기를 결합해 약품을 합성한다. 미국 식품의약국(FDA)이 승인한 약물의 60% 이상이 질소 고리화합물 구조를 포함하고 있다. 신약 후보 물질 발굴만큼이나 질소 고리화합물을 쉽게 합성할 수 있는 전략 개발이 중요한 이유다.
연구팀은 안정적인 유기 분자를 불안정한 삼중항 상태(triplet state)로 만들어 유용 물질을 합성하는 전략을 새롭게 제시했다. 우선 연구팀은 피리딘에 아미드 그룹을 부착한 피리디늄 염이 삼중항 에너지를 가질 수 있음을 계산화학적으로 예측했다. 삼중항은 분자에서 스핀이 한 방향으로 존재하는 상태로, 매우 불안정하여 자연에서는 잘 발견되지 않는다. 삼중항 상태를 상온에서 구현한다면, 기존에 없었던 새로운 화학반응에 적용할 수 있다.
이후 실제 실험을 통해 피리디늄 염을 삼중항 상태로 만들었다. 피리디늄 염이 빛 에너지를 받아 삼중항 상태가 될 수 있도록 광촉매를 활용했다.
제1저자인 이우석 연구원은 “계산화학적 예측과 실험적 확인을 통해 ‘삼중항 에너지 전달’이라는 새로운 화학반응을 보고했다”며 “환경 오염을 유발하는 시약을 첨가해야 던 기존 합성법과 달리 가시광선을 활용하기 때문에 친환경적이다”라고 설명했다.
더 나아가 연구진은 하나의 분자에 피리딘과 락탐을 동시에 선택적으로 생성할 수 있음을 처음으로 보여줬다. 기존에는 피리딘과 락탐을 동시에 도입하기 위해서는 별도의 재료와 여러 단계의 화학반응을 거쳐야 했지만, 이제는 한 번의 반응으로 두 작용기가 선택적으로 결합된 화합물을 합성할 수 있다. 주요한 생리활성을 지닌 골격을 한 분자에 결합시킬 수 있어 더 경제적인 합성이 가능할 뿐만 아니라 약효도 증가시킬 수 있다. 또한, 연구진은 삼중항 에너지 전달 메커니즘을 피리딘뿐만 아니라 여러 고리 구조 합성 반응에 적용할 수 있다는 것도 확인했다.
연구를 이끈 홍승우 부연구단장은 “삼중항 에너지 전달을 이용하면 의약품 합성에 필요한 단계를 줄일 수 있다”며 “과정이 간단할 뿐만 아니라 친환경적인 방법으로 향후 신약 및 각종 화학제품 개발 등 산업계 전반에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다”고 말했다.
2023.07.11 조회수 10174 -
화학과 백무현 교수, 2021 포스코청암상 수상
우리 대학 백무현 화학과 교수(IBS 부연구단장)가 2021년 포스코청암상 수상자로 선정됐다.
백 교수는 전이금속 촉매를 매개로 일어나는 화학반응의 반응 원리를 밝히고, 더 나은 촉매개발을 가능하게 하는 원리를 정립한 화학자다. 특히 컴퓨터와 이론·계산화학 연구 방법을 이용하여 화학반응을 예측하고 설계할 수 있음을 실증한 변혁적 연구의 선구자다.
2016년에 계산화학으로 메탄가스를 활성화시킬 수 있는 촉매 후보 물질을 예측했고, 2020년에는 유기화합물의 전기적 성질을 결정짓는 원자단을 전압의 미세한 차이를 이용해 자유자재로 조절할 수 있는 ‘만능 작용기’의 가능성을 제시했다. 특히 만능 작용기 연구는 기존의 패러다임을 대체할 수 있는 혁신적 성과라는 높은 평가를 받고 있으며, 향후 연구성과가 화학산업에 적용될 경우 파급효과가 클 것으로 기대되고 있다.
포스코청암상은 과학, 교육, 봉사, 기술 4개 부문을 시상하며 부문별로 상금 2억 원을 각각 수여한다. 과학상은 국내에 활동기반을 두면서 자연과학과 공학분야에서 창의적인 업적을 이룩해 국가 위상을 드높이고 과학기술 발전에 기여한 한국인 과학자에게 시상한다. 2021 포스코청암상 시상식은 오는 4월 6일 서울 포스코센터 서관4층 아트홀에서 개최 예정이다. 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19) 여파로 시상식 규모를 대폭 축소해 운영하며, 시상식 전 과정은 포스코청암재단 유튜브 채널을 통해 실시간으로 생중계 될 예정이다.
2021.03.02 조회수 94201 -
정유성 교수, 아태이론및계산화학회 포플 메달 수상
〈 정 유 성 교수 〉
우리 대학 EEWS대학원 정유성 교수가 아태이론 및 계산화학회(APATCC)가 수여하는 2018년도 ‘포플 메달(Pople Medal)’을 수상했다.
포플 메달은 양자역학 이론을 분자화학에 적용하기 위한 계산방법론을 개발한 공으로 1998년 노벨화학상을 수상한 존 포플 교수(John A. Pople)를 기념해 2007년 처음 제정됐다.
이 상은 매년 아시아-태평양 지역에서 연구업적이 우수한 만 45세 이하의 젊은 이론계산화학자 1인에게 주어진다.
정 교수는 기존의 양자화학 계산 정확도와 속도를 향상시키는 알고리즘들을 개발하고 이를 에너지 소재 개발에 응용해 관련 분야 발전에 기여한 공을 인정받았다. 지금까지 120편 이상의 논문을 전문 학술지에 발표했고 8천 회 이상의 피인용 횟수와 44의 H-지수를 기록 중이다.
정 교수는 “계산화학 분야의 권위 있는 포플 메달을 수상해 큰 영광이다”며 “앞으로는 양자화학과 인공지능 기술을 융합한 계산 방법론의 개발과 이를 에너지 소재 개발에 활용하는 연구로 분야에 기여하고 싶다” 고 말했다.
2018.01.10 조회수 13902 -
백무현 교수, 타이타늄 촉매반응으로 화학소재 올레핀 합성 성공
〈 백 무 현 교수 〉
우리 대학 화학과 백무현 교수 연구팀이 우리 주변에 흔한 타이타늄(Titanium) 촉매를 활용해 플라스틱, 의약품 원료로 사용하는 올레핀(olefins) 합성에 성공했다.
석유화학산업 분야 주요 소재인 올레핀은 보통 800℃ 고온으로 석유를 증기 분해(steam cracking)해 제조한다. 매우 높은 열과 에너지가 투입되고 이산화탄소 등 온실가스가 발생하는 것이 단점이다.
연구결과는 27일 국제학술지 네이처 케미스트리에 게재됐다.
기초과학연구원 분자활성 촉매반응 연구단의 부연구단장으로 재직 중인 백무현 교수는 계산화학을 통해 타이타늄을 최적의 촉매로 선택했고 탄화수소(hydrocarbon)의 수소를 선택적으로 없애는 탈수소반응을 구현했다. 이로써 기존 공정에 비해 10분의 1정도 낮은 온도(75℃)에서 올레핀을 합성했다.
올레핀은 플라스틱, 고분자 화합물, 의약품 등에 활용하는 기초 원료이다. 활용도가 커 올레핀 합성 과정은 많은 연구자들이 연구주제로 삼고 있다.
올레핀은 탄화수소가 수소를 잃으면서 탄소(C) 두 개가 이중결합(C=C)해 생성되는데 증기 분해 방식은 반응 중 탄소-탄소 결합이 끊어져 올레핀 혼합물이나 다른 탄화수소들이 합성되는 단점이 있다. 또 석유 대신 천연가스에서 올레핀을 합성하려면 온실가스가 발생해 오염과 공해 문제가 뒤따랐다.
화학자들은 석유와 천연가스 등 탄화수소 화합물을 가공하거나 분해할 때 열과 에너지를 적게 사용하고, 환경오염이 덜한 화학반응을 구현하기 위해 다양한 촉매반응을 연구했다.
탄소와 수소만으로 결합된 탄화수소는 두 분자 간 결합이 매우 강하기 때문에 결합을 끊고 반응을 유도하는 촉매 개발이 주요 과제였다. 이리듐(Iridium), 로듐(rhodium), 루테늄(ruthenium) 등 전이금속을 촉매로 적용했으나 비용이 너무 비싸 실제 산업에 활용하기는 어려웠다.
백 부단장은 비싼 전이금속 보다 수십 배 저렴한 타이타늄을 촉매로 적용했다. 백 부단장은 밀도범함수를 활용한 계산 화학을 통해 최적의 촉매 후보물질로 타이타늄을 제안했고 미국 펜실베니아대학 연구진은 약 75℃에서 탈수소반응이 성공적으로 이뤄졌음을 실험으로 확인했다.
지난해 이리듐 촉매로 메탄가스의 강력한 탄소-수소 결합을 분해한 데 이어 이번 연구에서도 계산화학으로 정확한 촉매를 예측했다. 또 탈수소반응에 이리듐 촉매를 활용할 때 탄화수소가 이성질화(isomerization) 되는 문제도 타이타늄 촉매로 해결됨을 관찰했다.
백 교수는 “이리듐은 반응성이 매우 크지만 값이 비싸고 구하기 어렵다. 반면 타이타늄은 값이 매우 저렴하고 구하기 쉽다”며 “향후 타이타늄 촉매의 반응성과 효율성을 높인다면 기존 올레핀 합성공정의 비용이 줄어들 것”이라고 말했다.
이번 연구는 미국 펜실베니아 대학의 대니얼 민디올라(Daniel J. Mindiola) 교수 그룹과 공동으로 진행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 연구진이 제안한 타이타늄 촉매를 활용한 탈수소반응 메커니즘
그림2. 밀도범함수를 활용한 계산화학으로 본 탈수소반응 메커니즘
2017.06.28 조회수 24759