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- 좁은 의미의 촉매 연구로 1909년 이래로 총 10개의 노벨 화학상
- 촉매에 대한 10개의 노벨상 중 6개는 2000년 이후에야 수여, '핫'하다는 의미
- List와 MacMillan의 작업에서 새로운 것은 유기 촉매를 사용한 비대칭 합성
- 2021년 노벨 화학상 수상자, 프롤린과 같은 작은 유기 분자도 이에 적합하다는 것 발견

이미지와 미러 이미지: 비대칭 유기 촉매란 무엇인가?
스톡홀름을 보면 화학에서 촉매 작용이 얼마나 중요한지 알 수 있다. 좁은 의미의 촉매 연구로 1909년 이래로 총 10개의 노벨 화학상이 있었다. 프리츠 하버(Fritz Haber)와 칼 보쉬(Carl Bosch)와 같은 잘 알려진 화학자들이 수상자들이었다. 촉매에 대한 10개의 노벨상 중 6개는 2000년 이후에야 수여됐다. 이는 이 연구 분야가 여전히 "핫"하다는 것을 보여준다.

2021년 노벨상 수상자 시리즈의 마지막은 뮐하임에 있는 막스 플랑크 석탄 연구소의 벤자민 리스트와 버클리의 캘리포니아 대학의 데이비드 맥밀런이었다. 그들은 "비대칭 유기촉매의 개발"로 권위 있는 상을 받았다. 밀레니엄이 시작될 무렵 두 연구원은 서로 독립적으로 이 새로운 특별한 촉매 분야의 문을 열었다. 

▲ 화학 노벨상 수상자 벤자민 리스트와 막스 플랑크 석탄 연구 연구소의 직원들. © David Ausserhofer/MPG

비대칭 유기 촉매

화학자들은 촉매가 유기 분자일 때 유기 촉매 작용을 말한다. 이러한 화학 반응이 가속화될 수 있다는 것은 오랫동안 알려져 왔다. Justus von Liebig은 이미 약 200년 전에 방향족 α-하이드록시케톤 형성을 위한 촉매로 시안화물을 사용하거나 나중에 다른 합성에서 아세트알데하이드의 촉매 효과를 발견했을 때 이미 이를 사용했다.

List와 MacMillan의 작업에서 새로운 것은 유기 촉매를 사용한 비대칭 합성이었다. "비대칭"이란 두 가지 가능한 거울상 이성질체 중 하나만 선택적으로 유도하는 반응을 의미한다. 이러한 거울상 이성질체 쌍은 예를 들어 분자가 입체중심을 포함할 때 존재한다. 특히 하나의 거울상 이성질체를 선택적으로 유도하는 합성은 약물, 살충제 또는 방향제 및 향료와 같은 생물학적 시스템에 사용되는 물질에 종종 필요하다.

그 이유는 종종 두 거울상 이성질체 중 하나만 약학적 효과 또는 특정 냄새 및 맛과 같은 원하는 효과를 갖는다. 2017년의 추정에 따르면, 의학에 사용되는 거의 모든 물질에는 입체 중심이 있다. 그러나 제조업체가 모든 경우에 거울상 선택성 합성을 달성할 수 있는 것은 아니다.

공간 제어가 중요하다.

비대칭 촉매에 대한 요구 사항은 높다. 활성화 에너지를 낮추는 것만으로는 충분하지 않다.
반응 과정에서 거울상 선택적 효과를 갖기 위해서는 반응에 관여하는 분자에 대해 매우 특정한 공간적 환경을 조성해야 한다. 예를 들어, 한 반응 파트너는 다른 쪽이 차폐되어 있기 때문에 한 쪽에서 다른 쪽에만 부착할 수 있다는 사실로 이어진다.

▲ 많은 분자는 거울상 이성질체라고 하는 두 가지 거울상 변이체로 제공된다. ©NASA

효소의 경우 단백질 분자의 복잡한 구조가 이러한 "입체 조절"을 제공한다. 전이 금속 기반 촉매의 경우 먼저 금속 원자를 리간드라고도 하는 적절한 분자 구조로 둘러싸면 효과가 나타난다. 두 경우 모두 결정적인 반응은 공간(입체)상의 이유로 하나의 거울상 이성질체만 우선적으로 유도하는 반면 미러 이미지 분자의 형성은 훨씬 더 어렵다.

작은 유기 분자와도 작동한다.

얼마 전까지만 해도 전이 금속 착물과 효소만이 비대칭 촉매 작용에 적합하다고 가정했다. 2021년 노벨 화학상 수상자만이 프롤린과 같은 작은 유기 분자도 이에 적합하다는 것을 발견하고 증명했다. Max Planck 연구소의 화학자 Benjamin List는 처음에 항체 기반 단백질 촉매를 연구했다. 결정 구조 분석은 항체의 아미노산 그룹과 산 그룹이 촉매 작용에 관여하는 것으로 나타났다.

리스트는 스스로에게 "단순한 유기 분자가 아미노기와 산기를 가지고 있다면 같은 효과를 낼 수 있을까?"라고 물었다. 예를 들어, 아미노산은? 그의 첫 번째 시도에서 그는 천연 아미노산 L-프롤린이 아세톤과 알데히드의 알돌 반응을 거울상 선택적으로 촉매할 수 있는지 여부를 테스트했다. 케톤과 프롤린에 의해 형성된 엔아민 상태는 실제로 알데히드와 공간적으로 제어된 반응을 거쳤다.
이 작업 이후 20년이 조금 넘었다. 이 기간 유기 촉매 분야는 빠르게 발전했다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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