IBS, 탄소양이온 합성·반응경로 조절 가능한 새 촉매 개발

항생제 원료물질 합성하는 만능촉매

국제 학술지에 연구결과 발표, 부작용 줄인 신약 개발 기대

[대전=뉴시스] IBS 분자활성 촉매반응 연구단의 연구결과 개요도. IBS가 개발한 촉매는 친전자체인 나이트렌을 일시적으로 형성해 탄소양이온을 효과적으로 만들어낸다. 촉매가 제거반응에 직접 관여토록 유도해 유용한 락탐만을 높은 정확성으로 합성할 수 있다.

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 기초과학연구원(IBS)은 장석복 분자활성 촉매반응 연구단장팀이 탄소양이온을 효과적으로 생성하고 원하는 구조의 유기화합물로 변환시키는 새로운 촉매를 개발했다고 22일 밝혔다.

또 연구팀은 이 촉매를 활용해 자연에 풍부한 탄화수소 물질로부터 의약품의 주요 원료인 감마 및 베타 락탐(질소화합물의 일종)을 제조하는 데도 성공했다.

부작용이 적은 신약 개발에 힘을 보탤 수 있는 이번 연구성과는 22일 오전 1시(한국시간) 화학분야 권위지 '네이처 카탈리시스(Nature Catalysis, IF 30.471)' 온라인 판에 실렸다. 논문명:Catalytic Access to Carbocation Intermediates via Nitrenoid Transfer Leading to Allylic Lactams.

탄소와 결합을 견인하는 탄소양이온은 유기화학 반응에서 중요한 중간체 중 하나다. 매우 불안정해 여러 분자와 쉽게 반응을 일으키지만 수명이 10억 분의 1초 짧아 실험적 관찰은 물론 반응성 조절이 어려웠다.

탄소양이온은 탄소에 붙은 수소 이온을 제거해 탄소-탄소 이중결합을 형성한다. 하지만 한 분자 내 여러 개의 수소가 존재하면 특정 수소이온만을 선택적으로 제거하기가 어렵다.

IBS 분자활성 촉매반응 연구단은 새로운 촉매를 개발, 특정 수소이온을 선택해 제거하고 원하는 특정 유형 화합물만을 골라 합성할 수 있도록 했다.

연구진은 친전자성이 도입됐을 때 탄소양이온이 쉽게 형성된다는 기존 연구를 토대로 유기화학반응 중간체인 '나이트렌(R-N:)'이라는 강한 친전자체를 탄소-탄소 이중결합에 삽입시켜 탄소양이온을 효과적으로 만들수 있는 촉매를 설계했다.

나이트렌 중간체가 강한 친전자성 물질로 행동할 수 있도록 해 탄소양이온을 효과적으로 만들 수 있는 촉매를 개발한 뒤 해당 촉매가 분자 내 염기로 작용, 탄소양이온을 원하는 유기화합물로 변환시키는 단계에도 영향을 미친다는 것을 확인하고 이를 극대화시켜 높은 위치 선택성을 주는 촉매를 완성했다고 연구진은 설명했다.

또 기존 방법으로는 만들기 어려웠던 고부가가치의 '알릴릭 락탐(allylic lactam)'을 높은 선택성과 수율로 생성시키는데 성공했고, 이미 개발된 항생제 및 의약품의 핵심 골격 구조인 베타-락탐과 카이랄-락탐의 합성에도 적용될 수 있음을 증명했다.

홍승윤 박사후연구원은 "계산화학 시뮬레이션을 통해 촉매의 특정 부분이 정확히 원하는 위치에서 수소이온을 흡수하는 스펀지 역할을 한다는 사실을 확인했다"며 "이 스펀지 역할을 극대화한 촉매 설계를 통해 반응경로를 조절해 부산물없이 원하는 화합물만을 선택적으로 합성할 수 있었다"고 말했다.

이어 연구진은 두 유형의 거울상 이성질체 중 한쪽 분자만을 95% 이상의 정확도로 골라 합성하는 데도 성공했다. 부작용을 유발할 수 있는 카이랄성(거울상 이성질성) 약물의 형성을 막아 부작용 위험을 줄인 신약 개발을 견인할 것으로 기대된다.

이에 앞서 연구팀이 지난 2018년 개발한 촉매는 5각형 고리 구조 질소화합물인 감마-락탐(제약품의 기본 골격)만을 합성할 수 있었으나 이번 촉매는 4각형 고리 구조인 베타-락탐까지 합성이 가능하다. 베타-락탐은 페니실린 등 항생제 계열 약물에서 가장 큰 비중을 차지하는 원료물질이다. 

장석복 단장은 "유기화학 반응의 핵심 중간체인 탄소양이온을 효율적으로 생성하고 반응경로를 조절했다는 학문적 진보와 함께 다양한 응용 가능성을 열었다는 산업적 의의가 있다"며 "감마-락탐, 베타-락탐은 물론 카이랄 화합물까지 합성 가능한 만능 촉매를 이용하면 자연에 풍부한 물질로부터 다양한 구조의 의약품을 개발할 수 있을 것"이라고 기대했다.


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