감마-락탐은 뇌전증 치료제(레비티라세탐), 혈관형성 억제제(아자스파이렌)와 같은 복잡한 유기분자의 핵심 구성 성분이다. 의약품, 합성화학, 소재 등에 폭넓게 활용된다. 그동안 자연에 풍부한 탄화수소로부터 감마-락탐을 만들기 위한 노력이 꾸준히 이어져 왔지만 별다른 소득이 없었다. 탄화수소는 상온에서 반응성이 낮아 합성이 어려웠다. 이런 가운데 국내 연구팀이 석유, 천연가스 등의 탄화수소로부터 락탐을 합성할 수 있는 기술을 선보여 돌파구를 열었다. 

6일 카이스트(KAIST)에 따르면, 이 대학 화학과 장석복·백무현 교수 공동 연구팀은 반응 효율이 높은 이리듐 촉매를 개발해 상온에서 감마-락탐을 합성하는데 성공했다.

탄화수소에서 감마-락탐을 합성하기 위해서는 탄소-수소 결합을 탄소-질소 결합으로 변환하는 질소화반응이 필요하다. 그런데 이 과정에서 중간체인 카보닐나이트렌(carbonylnitrene)이 상온에서 너무 쉽게 부산물로 분해돼 합성이 불가능했다.

연구팀은 최적화된 촉매를 계산화학으로 분석해 예측하고 실험에 돌입하는 방식으로 중간체 분해 문제를 해결했다. 이 과정에서 이론 연구팀과 실험 연구팀의 협업이 빛을 발했다. 

이론 연구팀은 '밀도범 함수(Density Functional Theory)'를 활용한 계산화학으로 어떤 촉매가 탄화수소에 효율적인 반응을 일으킬지 분석하고 시뮬레이션을 통해 완성도 높은 촉매를 개발했다. 실험 연구팀은 이를 바탕으로 중간체 분해 및 부산물 형성을 억제하는 이리듐 촉매를 개발한 뒤 탄화수소에 적용해 감마-락탐 합성에 성공했다. 밀도범 함수란 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 에너지를 양자역학적으로 계산하는 이론이다. 

장석복 교수는 이번 연구 성과에 대해 "질소화 반응의 중간체 분해 문제를 해결함으로써 탄화수소로 감마-락탐을 합성할 수 있었다"며 "합성된 물질의 생리활성 및 임상 연구를 통한 의약품, 신소재 개발 등 산업적 측면에서도 큰 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구성과는 세계 최고 권위의 학술지 '사이언스(Science)' 3월 2일자 온라인판에 실렸다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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