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자연에 풍부한 탄화수소로 신약 원료 '감마-락탐' 합성

IBS 연구진, 이론과 실험 연구그룹 협업···효율 높은 이리듐 촉매 개발
연구진이 개발한 새로운 이리듐 촉매로 만든 질소화 반응 메커니즘.<사진=IBS>연구진이 개발한 새로운 이리듐 촉매로 만든 질소화 반응 메커니즘.<사진=IBS>

국내연구진이 석유, 천연가스 등 자연에 풍부한 탄화수소로부터 의약품이나 화학소재의 원료가 되는 락탐을 합성하는데 성공했다.

IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 분사활성 촉매반응 연구단(KAIST 캠퍼스)의 장석복 단장과 백무현 부연구단장 공동연구팀이 반응 효율이 높은 이리듐 촉매를 개발해 상온에서 감마-락탐을 합성하는데 성공했다고 4일 밝혔다.

감마-락탐은 뇌전증 치료제 레비티라세탐이나 혈관형성 억제제 아지스파이렌 같이 복잡한 유기분자의 핵심 구성성분으로 의약품, 합성화학, 소재 등에 폭넓게 활용된다.

그동안 자연에 풍부한 탄화수소로부터 감마-락탐을 만들기 위해 많은 연구가 있었지만 상온에서 반응성이 낮아 합성하는데 어려움이 있었다.

탄화수소에서 감마-락탐을 합성하기 위해 탄소-수소 결합을 탄소-질소 결합으로 변환하는 질소화 반응이 필요한데 이 과정에서 중간체인 카보닐나이트렌(carbonylnitrene)이 상온에서 너무 쉽게 부산물로 분해돼 합성이 불가능했기 때문이다.

연구팀은 연구단 내 이론연구그룹과 실험그룹의 협동 연구로 최적화된 촉매를 계산화학으로 분석해 예측하고 실험에 돌입하는 방식으로 중간체 분해 문제를 해결했다.

이론 연구팀은 밀도범 함수를 활용한 계산화학으로 어떤 촉매가 탄화수소에 효율적인 반응을 일으킬지 분석하고 시뮬레이션을 통해 완성도 높은 촉매를 제안했다. 실험 연구팀인 중간체 분해와 부산물 형성을 억제하는 이리듐 촉매를 개발하고 탄화수소에 적용, 감마-락탐 합성에 성공했다.

연구팀이 개발한 이리듐 촉매는 상온에서 높은 활성을 갖고 질소화 반응을 일으킬 수 있다. 반응기 질이 매우 넓으면서 반응 조건이 간단해 향후 산업에 상용화 될 가능성도 크다.

장석복 단장은 "이번 연구는 질소화 반응의 중간체 분해 문제를 해결함으로써 탄화수소로 감마-락탐을 합성하는 계기를 만들 수 있었다"며 "이번에 개발한 촉매 반응의 확장 연구를 통해 학문적인 진보는 물론 합성된 물질의 생리활성과 임상 연구를 통한 의약품과 신소재 개발 등 산업적인 면에서도 큰 기여를 할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편, 이번 성과는 사이언스(Science, IF 37.205)에 2일 새벽 4시(한국시간) 온라인판에 게재됐다.
 
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