[미리보는 '금요일에 과학터치'] 화학자의 꿈-내 이름이 붙은 화학반응

알킬 아자이드가 형광등 빛 아래서 루테늄 촉매에 의해 질소에 치환기가 없는 이민으로 변환되는 것을 표현한 도식. 포스텍 화학과 제공

새로운 유기화학 반응은 어떻게 발견되고 어떠한 의미가 있을까? 새로운 촉매 반응을 개발하는 것은 기존에 있던 유용한 물질을 보다 효율적으로 제조할 수 있도록 할 뿐 아니라 신물질을 창출하는 데 견인차 역할을 한다. 특히 2001년, 2005년, 2010년에 노벨 화학상이 주어진 업적을 보면 새로운 촉매 반응의 개발이 갖는 의미와 유용성이 매우 크다는 것을 알 수 있다.

포스텍 화학과 유기금속화학 연구실의 중심 연구 주제도 새로운 촉매 반응 개발인데 기존 연구에서 만들었던 유기 루테늄 착물 A가 새롭고 흥미로운 촉매 활성을 보인다는 사실을 최근 우연히 발견했다. 착물 A는 형광등 빛에 의해 활성화되고 탄소-수소 결합에 작용, 알코올의 입체 구조를 바꾸는 촉매로 작용한다. 그뿐 아니라 규소-수소 결합에 작용, 알데히드를 변환시키는 촉매로도 작용한다. 더욱 흥미로운 촉매 활성은 알킬 아자이드를 질소에 치환기가 없는 이민(imine)으로 변환시키는 것이다.

포스텍 화학과 박재욱 교수 연구팀은 1989년 유기금속화학 연구실을 설립한 이래, 환경친화적 화학반응의 개발을 목표로 ▷인공 촉매와 자연 촉매인 효소를 같이 사용하는 융합 촉매 반응 ▷나노 금속 촉매 반응 ▷가시광선을 이용한 촉매 반응 등 세 가지 주제를 연구하고 있다.

첫 번째 주제의 대표적인 예로 유기 루테늄 촉매와 리파아제를 같이 사용하는 알코올에 대한 동적 광학분할(DKR:dynamic kinetic resolution) 반응을 들 수 있다. 이 촉매 반응은 두 가지 광학이성질체 알코올의 혼합물에 대해 인공 촉매인 유기 루테늄 촉매가 라세미화 반응을 진행시키는 과정에서 자연 촉매인 리파아제의 아실화 반응이 동시에 진행돼 라세미 혼합물을 한 가지 광학이성질체로 변환시키는 융합 촉매 반응이다. 두 번째 주제는 나노 크기의 금속을 핵심으로 하는 다양한 촉매를 개발하고, 이를 이용한 환경친화적 유기 반응의 개발로 연결하는 것이다.

세 번째 주제는 올해부터 과학재단의 지원으로 수행하고 있는 '질소에 치환기가 없는 이민의 촉매적 합성과 반응 연구'를 창출한 배경이 되는 것으로 이번 강연의 핵심이기도 하다. 이 연구는 현재까지 일반적인 합성이 불가능한 것으로 알려진, 질소에 치환기가 없는 이민을 환경친화적인 조건에서 합성하는 촉매적 방법을 개발하는 한편 합성된 이민을 이용한 새로운 유기 반응을 발굴하는 것이다.

이번 강연 초반부에는 청중이 일반인임을 고려해 원자, 주기율표, 분자, 분자 구조, 유기 반응 등 고등학교 졸업자의 교양 수준에 필요한 기초 과학 지식을 안내한다. 또 화학자의 이름이 붙은 반응(Named Reaction)과 노벨상 수상 내용을 예로 들어 새로운 유기 반응의 개발이 갖는 의의와 가치를 설명한다.

최근 박 교수 연구실에서는 유기 금속 촉매를 사용해 알킬 아자이드(alkyl azide)를 질소에 치환기가 없는 이민으로 변환시키는 반응을 발견했다. 이 발견은 질소에 치환기가 없는 이민의 경우 매우 불안정해 일반적인 합성이 불가능하다는 화학계의 상식을 깼을 뿐 아니라 유기 반응의 유용한 중간체로 이용할 수 있음을 보이는 연구로 이어지고 있다.