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저렴한 촉매로 간단하게 항생제 만드는 전략 개발
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.
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.
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.
2023.08.25 조회수 1672 -
신기루처럼 사라지는 중간체의 모습 최초 공개
아이는 청소년기를 거쳐 성인이 된다. 화학반응도 반응물에서 생성물이 생겨나는 일종의 성장 과정에서 중간 단계인 ‘중간체’가 만들어진다. 사진과 영상으로 기록할 수 있는 사람의 청소년기와 달리, 화학반응 도중 빠르게 생성되었다가 사라지는 중간체의 모습을 기록하는 것은 매우 어렵다.
우리 대학 화학과 장석복 특훈교수 (IBS 분자활성 촉매반응 연구단장) 연구팀은 기초과학연구원 김동욱 연구위원, 우리 대학 화학과 임미희 교수 연구팀과의 협업으로 자연에 풍부한 탄화수소를 고부가가치의 물질인 질소화합물로 변환시키는 화학반응에서 생겼다가 사라지는 ‘전이금속-나이트렌’ 촉매 중간체의 구조와 반응성을 세계 최초로 규명했다.
질소화합물은 의약품의 약 90%에 포함될 정도로 생리 활성에 중요한 분자다. 제약뿐만 아니라 소재, 재료 분야에서도 중요한 골격이 된다. 현대 화학자들이 석유․천연가스 등 자연에 풍부한 탄화수소를 질소화합물로 바꾸는 아민화 반응(질소화 반응)을 효율적으로 진행할 수 있는 촉매 개발에 집중하는 이유다.
장석복 교수 연구팀은 2018년 다이옥사졸론 시약과 전이금속(이리듐) 촉매를 활용하여 탄화수소로부터 의약품의 원료가 되는 락탐을 합성하는 촉매반응을 개발한 바 있다(Science). 당시 아민화 반응을 유발하는 핵심 중간체가 바로 전이금속-나이트렌이라는 분석을 내놓았고, 이후 세계 120여 개 연구팀이 다이옥사졸론 시약을 활용한 아민화 반응 연구를 이어갔다. 하지만 계산화학적으로 구조를 파악할 뿐, 전이금속-나이트렌 중간체의 모습을 직접 관찰한 적은 없었다.
제1저자인 정회민 연구원은 “촉매 화학반응이 진행되며 어떤 촉매 중간체를 거쳐 가는지를 규명하는 것은 반응의 진행 경로를 면밀히 이해하는 동시에 더욱 효율이 높은 차세대 촉매를 개발하는데 중요한 단서가 된다”고 설명했다.
대부분의 촉매반응은 용액 상태에서 이뤄진다. 용액 내 분자들은 끊임없이 다른 분자와 상호작용하기 때문에 전이금속-나이트렌과 같이 빠르게 반응하고 사라지는 중간체를 규명하는 일은 매우 어려웠다. 이 한계를 극복하기 위해 연구팀은 고체상태의 시료에 빛을 쬐며 분자 수준에서 일어나는 구조 변화를 단결정 엑스선(X-ray) 회절 분석을 통해 관찰하는 광 결정학 분석을 활용하자는 아이디어를 냈다.
우선, 연구팀은 빛에 반응하는 로듐(Rh) 기반 촉매를 새롭게 제작했다. 이 촉매와 다이옥사졸론 시약이 결합한 복합체는 빛을 받으면 탄화수소에 아민기를 도입하는 과정에서 전이금속-나이트렌을 형성할 것으로 예상했다. 이 과정을 포항 가속기연구소의 방사광을 활용한 광 결정학 방법으로 분석한 결과, 기존 관찰된 적 없는 ‘로듐-아실나이트렌’ 중간체의 구조와 성질을 세계 최초로 확인할 수 있었다.
더 나아가, 로듐-아실나이트렌 중간체가 다른 분자와 반응하는 과정도 광 결정학으로 분석했다. 즉, 고체 시료에서 화학 결합이 끊어지며 중간체가 생성되고, 중간체가 다시 다른 물질과 반응해 새로운 화학 결합을 형성하는 전 과정을 마치 카메라가 사진을 찍듯이 포착했다는 의미다.
연구를 이끈 장석복 단장은 “그간 그 존재가 제안되었을 뿐, 입증된 적 없는 아민화 반응의 핵심 중간체의 모습을 최초로 공개했다”며 “현재 밝혀낸 로듐-아실나이트렌 중간체의 구조와 친전자성 반응성을 바탕으로, 여러 산업에서 쓰이는 차세대 촉매 반응을 개발할 수 있을 것”이라고 말했다.
연구결과는 7월 21일(한국시간) 최고 권위의 국제학술지 ‘사이언스(Science, IF 56.9)’온라인판에 실렸다. (논문명: Mechanistic snapshots of rhodium-catalyzed acylnitrene transfer reactions.)
2023.07.21 조회수 1590 -
장석복 특훈교수, 2022 삼성호암상 과학상 화학·생명과학부문 수상
우리 대학 화학과 장석복 특훈교수가 '2022 삼성호암상 과학상 화학∙생명과학부문'에 6일(수) 선정됐다. 삼성호암상은 1990년 故 이건희 삼성 회장이 호암 이병철 선생의 인재제일과 사회공익 정신을 바탕으로 제정했다. 올해 제32회 시상까지 학술·예술 및 사회발전에 인류복지 증진에 탁월한 업적을 이룬 총 164명의 수상자들에게 307억 원의 상금을 수여했다.
금년도 6명의 수상자는 국내외 학자 및 전문가로 구성된 46명의 심사위원과 47명의 해외 석학 자문위원이 참여하여 4개월에 걸친 심사 과정을 통해 선정됐다.
수상자 장석복 특훈교수는 반응성이 낮은 탄소·수소 결합(C-H) 분자를 고부가가치 물질로 변환시키는 전이금속 촉매 반응을 개발하는 등 유기화학 분야에서 국제적으로 인정받고 있다. 장석복 특훈교수가 개발한 고효율 촉매 합성법은 전 세계 많은 연구자들이 활용하고 있으며, 향후 신약 개발 등 다양한 분야로의 응용 가능성을 제시하여 유기화학 합성 분야의 발전에 기여한 공로를 인정받았다.
삼성호암상 심사위원들은 "올해 수상자는 특히 글로벌 영향력을 인정받고 있는 전문가들과 단체이다. 학술부문 수상자는 기초과학, 산업, 바이오 의학 분야에서 전 인류에 혜택을 주는 과학적 업적들이 돋보인다" 라고 평가했다.
호암재단 김황식 이사장은 "호암재단은 삼성호암상을 통하여 글로벌 영향력이 탁월한 수상자들을 앞으로도 지속 발굴하여 인류 문명의 발전에 앞장서겠다" 라고 전했다.
한편, 부문별 수상자에게는 상장과 메달, 각 상금 3억 원이 수여되며 시상식은 5월 31일(화)에 개최 예정이다.
(※ 호암재단 수상자 발표 영상 : https://www.youtube.com/watch?v=hMKBDx5HffU)
2022.04.06 조회수 3733 -
장석복 특훈교수, 대한민국 최고과학기술인상 수상금 1억 원 기부
우리 대학 화학과 장석복 특훈교수가 대한민국 최고과학기술인상 상금 1억 원을 KAIST 발전기금으로 기부했다.
유기화학 분야의 세계적 권위자인 장석복 교수는 탄화수소 활성화 과정의 메커니즘 규명 및 이를 이용한 전이금속 촉매반응 개발에서 새로운 영역을 개척하고 발전시킨 공로를 인정받아 지난 7월 4일 대한민국 최고과학기술인상을 수상했다.
기초과학 분야에서 좋은 평가를 받게 되어 큰 영광으로 생각한다고 소감을 밝힌 장 교수는 “저의 대표 연구 업적을 포함한 모든 성과는 졸업생 및 재학생들이 만들어내 결과물로 저는 그저 우수한 구성원을 만난 행운이 있었을 뿐이다. 그런 면에서 좋은 연구 여건을 마련해준 제가 속한 이 곳에 대한 조그마한 감사를 드리고 싶었다”고 전했다.
장 교수는 2013년 경암상과 2018년 도레이 과학기술상 및 각종 과학상으로 받은 상금의 일부를 학과에 꾸준히 기부해왔다.
이번에 약정한 발전기금은 화학과 미래장학기금 및 류근철 스포츠컴플렉스 기금으로 각각 5000만 원씩 사용될 예정이다.
신성철 총장은 “의미 있는 수상금을 발전기금으로 흔쾌히 쾌척해 주셔서 감사드린다”며 “장 교수의 기부금은 세계적인 수준의 근접한 화학과의 발전에 기여함을 물론이고, 학생 및 교직원의 건강 증진에 도움을 주고 있는 류근철 스포츠컴플렉스의 운영에도 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.
장 교수는 현재 KAIST 화학과 특훈교수와 더불어 기초과학연구원(IBS) 분자활성 촉매반응 연구단장으로 재직 중이다.
2019.08.20 조회수 6440 -
화학과 박윤수 박사, 화학 분야 신진연구자 상 연달아 수상
〈 박윤수 박사, 장석복 교수 〉
우리 대학 화학과 박윤수 박사가 화학 분야 우수 신진연구자로 연달아 선정되는 성과를 달성했다. 화학 분야 세계 최대 학술단체인 미국화학회(ACS)와 세계 최대 과학출판사인 엘스비어(Elsevier)는 젊은 연구자 상 최종 수상자로 박윤수 박사를 선정했다고 각각 밝혔다.
박 박사는 미국화학회가 지난 5월 15일 발표한 ‘2019 카스 퓨처 리더스(CAS Future Leaders) 최종 명단에 이름을 올렸다. 올해로 10회를 맞이한 카스 퓨처 리더스는 화학 및 관련 연구 분야에서 두각을 드러내고 있는 박사와 박사후연구원에게 주어지는 상이다. 차세대 리더로써 잠재력을 갖춘 연구자를 선정해 네트워킹 등을 지원한다. 올해는 35개국 171명의 지원자 중 29명의 연구자가 최종 선발됐으며 한국인은 박 박사가 유일하다.
엘스비어는 ‘2019 리액시스 PhD 프라이즈(2019 Reaxys PhD Prize)’ 수상자로 박 박사가 선정됐다고 7월 30일 밝혔다. 2010년 출범한 리액시스 프라이즈는 최고 수준(best of the best)의 연구 역량을 갖춘 화학 분야 연구자에게만 수여되는 상으로, 올해는 360여 명의 후보자의 연구성과 및 성장 가능성을 종합적으로 평가해 45명의 수상자를 뽑았다.
최종 수상자들은 ‘리액시스 프라이즈 클럽(Reaxys Prize Club)’의 평생 회원이 돼 화학 분야의 국제적인 석학들과 함께 연구를 공유하며, 공동연구의 기회가 주어진다.
박윤수 박사는 화학과 재학시절부터 장석복 교수 지도하에 새로운 유기화학 반응개발을 중점적으로 연구 해왔다. 또하느 백무현 교수 공동 지도하에 양자 화학적 계산을 이용한 새로운 촉매 설계에 성공하기도 했다.
대표적인 성과로 2018년 국제학술지 ‘사이언스(Science)’와 ‘네이처 카탈리시스(Nature Catalysis)’에 연달아 보고한 연구가 있다. 이 연구를 통해 석유, 천연가스 등 자연에 풍부한 탄화수소로부터 유용한 의약품 및 화학소재 원료 물질인 락탐을 합성하는 데 성공했다. 이 외에도 박사과정으로 재학한 5년 동안 ‘미국화학회지(JACS)’를 포함해 저명한 국제학술지에 11편의 논문을 주저자로 게재했다.
박 박사는 “장석복, 백무현 교수님의 훌륭한 지도와 더불어 중장기적인 관점에서 연구를 지원하는 KAIST, IBS의 정책 덕분에 연구에만 온전히 집중할 수 있었던 것 같다”라며 “향후 유용성에도 불구하고 비싼 가격으로 인해 사용이 어려웠던 촉매의 가격을 낮추는 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.
2019.08.02 조회수 10599 -
장석복 교수, 2019 대한민국최고과학기술인상 수상자 선정
〈 장석복 교수 〉
우리 대학 화학과 장석복 특훈교수가 과학기술정보통신부와 한국과학기술단체총연합회의 2019년 ‘대한민국최고과학기술인상’ 수상자로 선정됐다.
장석복 특훈교수는 기초과학 분야인 ‘탄소-수소 결합 활성화 촉매 반응개발’ 분야에서 선도적인 업적을 달성하고 그 연구결과를 사이언스(Science), 네이처 케미스트리(Nature Chemistry), 네이처 카탈리시스(Nature Catalysis) 등에 발표해 전 세계적 연구 방향을 주도하는 등 우리나라 자연과학의 위상을 세계적으로 드높이는데 크게 기여했다.
장 교수는 탄소-수소 결합으로부터 탄소-탄소 결합을 형성하는 전이금속 촉매반응 개발을 선도했으며, 탄소-수소 결합의 활성화를 통해 탄소-질소 결합을 형성하는 독창적인 로듐 촉매반응 개발, 이를 바탕으로 거울상 선택적으로 락탐 구조를 합성하는 획기적인 비대칭화 이리듐 촉매 반응을 개발해 학계의 오랜 난제를 해결했다.
장 교수의 탄소-질소 결합 형성 촉매 반응개발에 관한 일련의 선도적인 연구는 전 세계 대학과 기업의 합성․의약․재료 연구실에서 벤치마킹하고 있으며, 후속연구를 통해 국가 산업발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 장 교수는 2015～18년 동안 4년 연속 세계 1% 최상위 피인용 연구자로 선정되기도 했다.
대한민국 최고과학기술인상은 우리나라를 대표할 수 있는 업적이 뛰어난 과학기술인을 발굴해 명예와 자긍심을 높이고 연구개발에 전념할 수 있는 환경을 조성하기 위해 2003년부터 시상해 온 명실상부한 우리나라 최고의 과학기술인을 위한 상이다.
그동안 수상한 과학기술인은 총 42명(‘19년 수상자 포함)으로 자연(이학) 15명(36%), 생명(의약학, 농수산) 14명(33%), 공학 13명(31%)이며, 수상을 통해 연구개발에 매진해 국가발전 및 국민 복지 향상에 크게 기여한 바 있다.
과학기술정보통신부는 오는 7월 4일(목) 한국과학기술단체총연합회가 주최하는 2019년 대한민국과학기술연차대회 개회식에서 수상자들에게 대통령 상장과 상금 3억 원을 수여할 계획이다.
2019.07.02 조회수 8429 -
장석복 교수, 한 종류의 분자만 선택적으로 합성할 수 있는 새 촉매 개발
〈 박윤수 연구원, 장석복 교수 〉
자연계의 많은 분자들은 자신과 똑 닮은 ‘쌍둥이 분자’를 갖고 있다. 이들은 구성하는 원소의 종류와 개수가 같아도 서로 완전히 다른 성질을 나타낸다. 특히 쌍둥이 분자가 서로를 거울에 비친 모습과 같은 형상을 띈 경우를 ‘거울상 이성질체’라고 한다.
우리 대학 화학과 장석복 교수(IBS 분자활성 촉매반응 연구단장)와 IBS 박윤수 연구원은 두 개의 거울상 이성질체 중 한 종류의 분자만을 선택적으로 합성할 수 있는 새로운 촉매를 개발했다. 또 이 촉매를 이용해 자연에 풍부한 탄화수소화합물을 의약품의 필수재료인 카이랄 락탐으로 제조하는 데도 성공했다.
거울상 이성질체는 왼손과 오른손처럼 서로를 거울에 비춰보면 같은 모양이지만, 아무리 회전시켜도 겹칠 수 없는 이성질체를 말한다. 거울상 이성질성 또는 카이랄성(Chirality)이라고 불리는 이 특성은 의약품 개발에도 매우 중요하다. DNA, 단백질 등 생체물질 역시 카이랄성을 지녀 개발된 약물의 유형에 따라 각각 다른 생리활성을 나타내기 때문이다. 또 한 쪽 유형이 유용할지라도, 다른 유형의 이성질체는 독약이 될 수도 있다. 하지만 유용한 이성질체만을 선택적으로 합성하는 비대칭반응(asymmetric synthesis)은 아직까지 현대 화학의 난제로 꼽히고 있다.
연구진은 새로운 촉매 개발로 이 난제를 해결했다. 연구팀은 2018년 3월 국제학술지 ‘사이언스(Science)’에 자연계에 풍부한 탄화수소를 고부가가치의 감마-락탐 화합물로 전환시키는 이리듐 촉매 개발 성과를 발표한 바 있다. 하지만 당시 개발된 촉매 역시 두 가지 형태의 거울상 이성질체가 선택성 없이 모두 얻어진다는 단점이 있었다.
이번 연구에서 연구진은 수십여 개의 후보 촉매 중 카이랄 다이아민(Chiral Diamine) 골격을 포함한 이리듐 촉매가 99% 이상의 정확도로 거울상을 선택할 수 있음을 발견했다. 개발된 촉매는 필요에 따라 카이랄성 감마-락탐을 골라서 합성할 수 있다. 왼손잡이성 이리듐 촉매를 사용할 경우엔 왼손잡이성 감마-락탐이, 오른잡이성 이리듐 촉매를 사용하면 오른손잡이성 감마-락탐을 제조할 수 있다.
이후 연구진은 계산화학 시뮬레이션 연구를 통해 높은 선택성의 원인을 분석했다. 가령, 왼손잡이성 촉매를 사용한 경우에는 락탐의 합성과정에서 카이랄 다이아민 촉매와 탄화수소화합물 사이에는 일시적인 수소 결합이 발생하고, 이로 인해 왼손잡이성 락탐 형성이 촉진된다는 사실을 확인했다.
연구진은 개발한 촉매를 통해 다양한 구조를 갖는 카이랄 락탐 화합물을 합성하는 데도 성공했다. 이렇게 합성된 카이랄 락탐은 독특한 입체적 특성 때문에 생체 단백질과의 상호작용이 유용하다. 특히 우리 신체를 구성하는 아미노산 유도체나, 천연물도 모두 카이랄성 분자인 만큼, 신체 내 생리활성을 효과적으로 높인 약물 개발이 가능할 것으로 기대된다.
이번 연구를 이끈 장석복 단장은 “약효를 갖는 의약품의 핵심 단위만 선택적으로 제조할 수 있는 기술로 향후 유기합성 및 의약분야 연구로 이어져 부작용을 덜고 효과는 높인 신약개발까지 이어지리라 기대한다”며 “자연계에 풍부한 탄화수소화합물을 재료로 고부가가치 원료를 제조할 수 있다는 경제적 효과도 있다”고 말했다.
연구성과는 화학분야 권위지인 네이처 카탈리시스(Nature Catalysis) 2월 19일자(한국시간) 온라인 판에 실렸다.
□ 그림 설명
그림1. 비대칭반응을 통한 카이랄성 감마-락탐 합성
그림2. 연구 성과 개요
2019.02.19 조회수 9077 -
화학과 장석복 교수 ´제1회 한국도레이 과학기술상´ 수상
〈장 석 복 교수〉
우리대학 화학과 장석복 교수가 지난 19일 한국도레이과학진흥재단(이사장 이영관)이 선정한 '제1회 한국도레이 과학기술상' 기초연구부문 수상자로 선정됐다.
한국도레이과학진흥재단은 올해 1월 출범했으며, 화학과 재료분야의 기초와 응용연구에서 탁월한 업적으로 과학발전에 크게 공헌한 기여한 연구자에게 과학기술상을 시상한다. 잠재성 높은 연구과제에 연구비도 함께 지원한다.
장석복 교수는 유기촉매반응 분야에서 장기간 연구했다. 락탐 골격을 효율적으로 합성할 수 있는 촉매반응 연구는 30여 년간 난제를 해소한 것으로 평가 받았다.
재단은 올 4~6월까지 과학기술상과 과학기술연구기금에 대한 공모를 받았으며 전문가 서면심사, 패널토론 심사, 발표 심사를 거쳐 최종 대상자를 선정했다. 시상식은 10월 31일 서울 여의도 전경련회관 컨퍼런스 센터에서 열릴 예정이다.
시상식에는 학계 주요 인사를 비롯해 재단 이사진과 심사위원, 닛카쿠 아키히로 도레이 사장 등이 참석한다. 노벨화학상 수상자 노요리 료지 박사를 초청, 화학 역할과 연구자로서 창의 도전에 관한 강연을 듣는다.
2018.09.21 조회수 5804 -
장석복, 백무현 교수, 상온 감마-락탐 합성 성공해 사이언스 紙 게재
석유, 천연가스 등 자연에 풍부한 탄화수소로부터 의약품이나 화학소재의 원료가 되는 락탐을 합성할 수 있는 방법이 나왔다.
우리 대학 화학과 장석복 교수, 백무현 교수 공동 연구팀이 반응 효율이 높은 이리듐 촉매를 개발해 상온에서 감마-락탐을 합성하는데 성공했다.
이번 연구성과는 세계적 권위의 학술지 사이언스(Science) 3월 2일자 온라인 판에 게재됐다.
감마-락탐은 뇌전증 치료제(레비티라세탐)나 혈관형성 억제제(아자스파이렌)와 같이 복잡한 유기분자의 핵심 구성성분으로 의약품, 합성화학, 소재 등에 폭넓게 활용된다.
자연에 풍부한 탄화수소로부터 감마-락탐을 만들기 위해 많은 연구가 있었지만 탄화수소는 상온에서 반응성이 낮아 합성하는데 큰 어려움이 있었다.
탄화수소에서 감마-락탐을 합성하기 위해서는 탄소-수소 결합을 탄소-질소 결합으로 변환하는 질소화반응이 필요한데 이 과정에서 중간체인 카보닐나이트렌(carbonylnitrene)이 상온에서 너무 쉽게 부산물로 분해돼 합성이 불가능했기 때문이다.
연구팀은 최적화된 촉매를 계산화학으로 분석해 예측하고 실험에 돌입하는 방식으로 중간체 분해 문제를 해결할 수 있었다.
이론 연구팀은 밀도범 함수를 활용한 계산화학으로 어떤 촉매가 탄화수소에 효율적인 반응을 일으킬지 분석하고 시뮬레이션을 통해 완성도 높은 촉매를 개발했다.
이를 바탕으로 실험 연구팀이 중간체 분해 및 부산물 형성을 억제하는 이리듐 촉매를 개발하고 탄화수소에 적용해 감마-락탐 합성에 성공했다.
장석복 교수는 “이번 연구는 질소화 반응의 중간체 분해 문제를 해결함으로써 탄화수소로 감마-락탐을 합성하는 계기를 만들 수 있었다”며 “새로운 금속 촉매를 설계하고 합성해 성공적으로 적용시키는 모든 과정에 열정적으로 임해준 참여 학생들에게 깊이 감사한다”고 말했다.
또한 “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 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 연구진이 개발한 새로운 이리듐 촉매로 만든 질소화 반응 메커니즘
그림2. 밀도범함수를 활용한 계산화학으로 예측한 반응 경로와 에너지 장벽
그림3. 본 연구에서 개발한 질소화 촉매반응의 메커니즘과 합성한 다양한 질소고리 화합물
2018.03.02 조회수 9827 -
장석복, 백무현 교수, 상온에서 아릴기의 선택적 도입 반응 개발
우리 대학 화학과 장석복 교수와 백무현 교수 공동연구팀이 이리듐 촉매를 활용해 상온에서도 분자 내 원하는 위치에 아릴기를 선택적으로 도입하는 반응을 개발하는 데 성공했다. 또한 계산화학으로 반응 원리를 밝혀내 기존의 반응과 다른 경로로 이루어진다는 사실을 증명했다.
탄화수소는 자연상태에 많이 존재하지만 일반적 조건에서는 반응성이 낮아 합성의 원료로 사용되기 어렵다. 반응을 촉진시키기 위해 금속촉매를 활용하는 등 다양한 연구가 이루어지고 있다.
특히 의, 약학이나 재료화학 분야에서 중요하게 활용되는 대다수의 화합물들이 분자 내에 아릴기를 포함하고 있기 때문에 효율적이고 위치선택적으로 아릴기를 도입할 수 있는 반응의 개발은 유기화학 분야의 지속적인 연구주제이다.
안정적인 탄소-수소 결합에 아릴기 도입 반응을 유도하기 위해서는 탄소-수소 결합에 할로젠 원자나 유기금속을 붙여 사전활성화하거나 이 과정 없이 탄소-수소 결합을 직접 활성화(C-H functionalization)하는 과정을 거친다.
직접 활성화하는 방법이 효율성과 경제성이 뛰어나지만 개발된 반응 대부분이 고온의 반응온도, 과량의 첨가물이 필요한 격렬한 반응 조건을 필요로 하고 탄소-수소 결합이 분자 내에 많이 존재하므로 선택성 확보 역시 어려웠다.
연구진은 이리듐 촉매 하에서 아릴실레인(arylsilanes)을 반응제로 사용하여 탄소-수소 결합 활성화를 통한 아릴화 반응을 상온에서 구현하는 데 성공했다.
여태껏 전이금속 촉매를 사용하는 탄소-수소 결합 활성화를 통한 아릴화 반응이 대부분 높은 온도에서 이루어진 것과 달리 상온에서도 이 반응이 가능할 뿐 아니라, 분자 내에서 위치선택적으로 아릴기를 도입할 수 있다.
상온에서 아릴기 도입 반응에 성공할 수 있었던 것은 실험과 이론연구가 동시에 이루어졌기 때문이다. 기존에 알려진 아릴화 반응경로는 과정중 생성되는 금속교환반응 중간체(transmetallation intermediate)의 안정성 때문에 반응과정에서 높은 에너지가 요구됐다.
원리 연구를 통해 전이금속을 촉매로 하는 탄소-수소 결합 활성화를 통한 아릴화 반응에서 최초로 금속교환반응 중간체를 분리, 분석했다.
이를 바탕으로 금속교환반응 중간체만을 선택적으로 산화시키는 새로운 경로를 개발하여 에너지 장벽을 효과적으로 낮췄다. 또한 밀도범함수를 활용한 계산화학으로 실험 결과를 토대로 제안된 반응경로의 타당성을 검증했다.
장 교수는 “상온에서 위치 선택적 아릴화 반응을 이끌어 낸 것과 더불어 반응 메커니즘 연구를 통해 기존에 통상적으로 제안되어져 왔던 진행경과와는 다른 새로운 반응경로로 반응이 이루어짐을 규명했다”며 “이 반응경로를 알아내고 이를 바탕으로 고온이나 과량의 첨가물 없이도 선택적인 반응방법을 개발하였다는 점에서 그 의의가 크다”고 말했다.
연구결과는 국제학술지 네이처 케미스트리 12월 11일자 온라인 판에 게재됐다.
□ 그림 설명
그림1. 금속교환반응 중간체(transmetallation intermediate)의 X-ray 결정구조
그림2. 밀도범함수를 활용한 계산화학으로 본 중간체의 산화상태와 중간체에서 일어나는 환원성 제거반응(reductive elimination)에 필요한 에너지장벽(energy barrier)간의 상관관계
그림3. 연구진이 제안한 이리듐 촉매를 활용한 아릴화 반응 메커니즘
2018.01.02 조회수 11682 -
2016 KAIST EEWS 워크숍 개최
EEWS대학원에서는 10월 20일(목) KI빌딩 퓨전홀에서 에너지 과학 분야 전문가 400여 명이 참석한 가운데 ‘2016 KAIST EEWS 워크숍’을 개최한다.
에너지 과학 및 공학의 세계적 석학 8명은 이번 워크숍에서 나노물질 ․ 이론 ․ 촉매 ․ 광촉매를 망라하는 다양한 분야의 최신 연구경향을 소개하고, EEWS(에너지, 환경, 물, 지속가능성)의 현재와 미래 예측에 대한 열띤 토론의 장도 연다.
나노소재의 세계적 전문가 추이이(Yi Cui) 스탠포드 교수와 윌리엄 고다드(William A. Goddard) 캘리포니아 공대 교수는 각각 에너지 및 환경 주제를 위한 소재 디자인에 대한 실험과 이론방향의 최근 연구결과를 발표한다. 로렌스버클리 국립연구소의 전 재료과학분과 소장 미쿠엘 살메룬(Miquel Salmeron) 박사와 동경대학의 유이치 이쿠하라(Yuichi Ikuhara) 교수는 촉매 및 에너지 물질에 대한 원자수준의 분석을 소개한다.
국내 전문가로는 미국화학회 촉매지(ACS Catalysis)의 부편집장이자 기초과학연구원 분자활성촉매반응연구단의 단장을 맡고 있는 KAIST 화학과 장석복 교수와 미국화학회 에너지 레터스(ACS Energy Letters)의 부편집장인 선양국 한양대 에너지공학과 교수가 각각 새로운 촉매반응 개발 및 에너지 저장에 대한 최신 연구결과를 보여준다.
워크숍은 △ 에너지 및 환경 물질 디자인 △ 에너지 및 촉매 소재 분석 △ 에너지 전환 및 촉매 등 3개 세션으로 진행된다.
EEWS대학원은 2008년 12월 세계수준연구중심대학(WCU) 사업의 일환으로 설립되었으며, 올해 노벨화학상을 수상한 노스웨스턴 대학의 프레이저 스토다트(J. Fraser Stoddart) 교수가 2011년 가을부터 2년간 WCU 초빙교수로 재직하였고 해당 연구실 출신의 알리 코스쿤(Ali Coskun) 교수는 EEWS대학원 전임교원으로 재직하고 있다.
정유성 EEWS대학원 학과장은“이번 워크숍은 에너지 과학과 기술분야에서 세계적으로 주목받는 연구를 수행하는 석학들과 한자리에서 교류할 수 있는 의미 있는 시간”이라며 “수준 높은 연구 성과를 쌓아온 KAIST EEWS대학원의 위상과 인지도를 국제적으로 한층 더 높일 수 있는 소중한 기회가 될 것”이라고 말했다.
2016.10.19 조회수 7876 -
최장욱, 장석복 교수, 제 7회 지식창조대상 수상
우리 대학 화학과 장석복 교수와 EEWS 대학원 최장욱 교수가 미래창조과학부의 ‘제 7회 지식창조대상’ 수상자로 선정됐다.
2009년부터 시작한 지식창조대상은 세계 과학기술계에서 많이 인용되는 논문을 발표해 국제적 학술 공헌도가 높은 국내 과학자에게 주어지는 상이다.
대표적인 세계 과학기술 분야 인용 데이터베이스인 'SCIE'와 'SCOPUS' 수록 논문을 활용해 지난 10년간 피인용 횟수가 상위 1% 안에 드는 고피인용 논문(HCP·Highly Cited Papers)을 추출해 이 중 학술적 공헌도가 매우 높은 10명을 추려 선정하는 방식이다.
장석복 교수는 탄소-수소 간 결합반응 활성화 분야에서 세계적 권위자로 평가받고 있다. '팔라듐 촉매를 이용한 피리딘 유도체의 탄소-수소 활성화 반응' 논문은 톰슨 로이터의 이달의 주목할 만한 논문에 선정됐다. 또 2011년 미국화학회로부터 최근 3년간 가장 많이 인용된 논문 20편에 선정된 바 있다.
최장욱 교수는 이차전지 분야 국내 최고 권위자 중 한 명이다. 기존 이차전지의 사용시간 연장을 위한 고용량 전극소재를 개발한 것은 물론, 리튬이차전지보다 경쟁력이 클 것으로 예상되는 차세대 나트륨이차전지와 마그네슘이차전지에서도 새로운 전극소재를 개발했다.
2015.10.20 조회수 8281