의약품·화학 소재 원료 구하기 쉬워진다

자연에 풍부한 탄화수소에서 감마-락탐 합성 성공

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

장석복 기초과학연구원(IBS) 분자활성 촉매반응 연구단장과 백무현 부연구단장 공동 연구팀은 반응 효율이 높은 이리듐 촉매를 개발해 상온에서 감마-락탐을 합성하는데 성공했다.

감마-락탐은 뇌전증 치료제(레비티라세탐)나 혈관 형성 억제제(아자스파이렌) 등 복잡한 유기분자의 핵심 구성 성분으로 의약품, 합성화학, 소재 등에 폭넓게 활용된다.

이번 연구성과가 과학 학술지 사이언스에 3월 2일 새벽 4시 온라인판에 게재됐다고 IBS와 과학기술정보통신부는 밝혔다.

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 질소화 반응이 필요한데 이 과정에서 중간체 카보닐나이트렌이 상온에서 너무 쉽게 부산물로 분해돼 합성이 불가능했기 때문이다.

IBS 연구진은 이러한 어려움을 극복했다. 먼저 최적화된 촉매를 계산화학으로 분석해 예측하고, 실험에 돌입하는 방식으로 중간체 분해 문제를 해결했다. 실험 연구팀은 중간체 분해 이후 부산물 형성을 억제하는 이리듐 촉매를 개발하고 탄화수소에 적용해 감마-락탐 합성에 성공했다.

연구진이 개발한 새로운 이리듐 촉매로 만든 질소화 반응 매커니즘.

연구진이 예측한 반응 경로와 에너지 장벽.

장석복 단장은 “새로운 금속 촉매를 설계하고 합성하여 성공적으로 적용하는 모든 과정에 열정적으로 임해준 참여 학생들에게 깊이 감사한다”며 “이번에 개발한 촉매반응의 확장연구를 통해 학문적인 진보는 물론 합성된 물질의 생리 활성과 임상 연구를 통한 의약품과 신소재 개발 등 산업적인 면에서도 큰 기여할 수 있게 되기를 바란다”고 말했다.

본 연구에서 개발한 질소화 촉매반응의 매커니즘과 합성한 다양한 질소고리화합물