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표준화된 반응이 단순한 출발 물질로부터 거의 모든 유기 분자를 생성할 수 있는 모듈식 합성인 소위 "클릭 화학"을 발명하고 발전시킨 세 명의 연구원에게

"클릭-화학"으로 노벨 화학상
복잡한 분자의 빠르고 쉬운 생산을 허용하는 모듈식 방법

2022년 노벨 화학상은 표준화된 반응이 단순한 출발 물질로부터 거의 모든 유기 분자를 생성할 수 있는 모듈식 합성인 소위 "클릭 화학"을 발명하고 발전시킨 세 명의 연구원에게 돌아갔다. 미국 화학자 배리 샤플리스(Barry Sharpless)는 클릭 화학을 최초로 도입했고 덴마크 화학자 모르텐 멜달(Morten Meldal)은 이에 대한 핵반응 중 하나를 개발했으며 미국 화학자 캐롤린 버토찌)Carolyn Bertozzi는 살아있는 세포에서 사용하는 방법을 추가로 개발했다. 

▲ 두 명의 남성과 한 명의 여성 화학자가 "클릭 화학"을 사용해 유기 분자의 모듈식 합성을 가능하게 했다. © nobelprize.org

주기율표의 화학 원소는 반응과 화학 결합을 통해 다양한 분자로 결합될 수 있다. 그러나 특히 복잡한 분자 및 활성 물질의 경우 화학 합성은 종종 특정 조건에서 발생해야 하는 수많은 반응 단계를 차례로 완료해야 한다. 오랫동안 이것은 많은 물질의 생산을 극도로 복잡하고 비효율적으로 만들었다. 2022년 노벨 화학상은 화학 합성을 단순화하는 데 크게 기여한 세 명의 유기 화학자에게 돌아간다.

Barry Sharpless: 분자는 이케아 원칙에 따라 만들어진다.

노벨 화학상을 수상한 미국 화학자 Barry Sharpless가 2001년에 첫 단추를 꿰었다. 당시 그는 종종 복잡한 합성을 단순화하는 방법을 찾고 있었다. 그의 아이디어는 간단하고 널리 적용할 수 있는 반응 세트를 도구로 사용하면 간단한 시작 재료에서 모듈식 합성을 통해 다양한 제품을 만드는 데 사용할 수 있다는 것이다.

이 접근 방식은 가구 제조업체 Ikea에서 사용하는 원리와 비교할 수 있다. 아직 조립되지 않은 일련의 표준화된 구성 요소는 간단한 도구와 함께 제공되며 다른 선반이나 찬장에 조립할 수 있다. 2001년에 발표된 전문 기사에서 Sharpless와 그의 동료들은 원리를 단순히 "함께 클릭"하는 모듈로 설명했다. 이를 통해 Sharpless는 "클릭 케미스트리"의 기반을 마련했다.

▲ "클릭 반응"에서 작용성 아진 및 알킨 그룹은 서로 반응하여 출발 분자를 서로 연결한다. © nobelprize.org

Sharpless와 그의 팀은 또한 모듈식 합성 방법의 반응 및 출발 물질이 충족해야 하는 기준을 설정했다. 가능한 한 보편적으로 적용할 수 있다. 또한 출발 물질을 쉽게 구할 수 있어야 하고 부산물을 쉽게 분리할 수 있어야 한다. 화학자들은 이미 Click 화학의 도구로 사용할 수 있는 첫 번째 반응을 제안했지만 처음에는 이론적으로만 가능했다.

Morten Meldal: "클릭"에 대한 가장 중요한 대응 도구

Sharpless와 그의 동료들이 제안한 반응 중에는 같은 해 덴마크 화학자 Morten Meldal이 심포지엄에서 발표한 것이 있다. 그는 유기 화학의 특정 합성 반응, 이른바 azide-alkyne cycloaddition이 구리 촉매를 추가함으로써 수익률을 훨씬 더 효율적으로 만들어질 수 있다는 것을 발견했다.

이 구리 촉매 azide-alkyne cycloaddition에서 아진 및 알킨 그룹은 두 개의 대응물과 마찬가지로 클릭 캡에서 작동하고 서로 결합한다. 그것들을 유기 분자에 부착함으로써 점점 더 복잡한 구조를 "함께 클릭"할 수 있다. 오늘날 이 반응은 기술, 의학 및 화학 분야에서 약물, 플라스틱 및 기타 무수한 재료의 제조에 사용되는 화학 합성의 기초를 형성한다.

Carolyn Bertozzi: 살아있는 세포를 위한 클릭 화학

세 번 째 수상자인 미국 화학자 Carolyn Bertozzi는 이 기본 클릭 화학 반응을 확장해 살아있는 세포에서도 사용할 수 있도록 했다. 예를 들어 형광 마커 단백질을 세포 특이적 물질에 부착하는 데 사용할 수 있다. 그러나 구리는 세포에 유독하기 때문에 그녀는 이 촉매 없이 작동하지만 여전히 에너지 입력이 필요하지 않고 효율적으로 작동하는 아지드-알킨 고리화 첨가 버전을 개발해야 했다. 이 화학자는 알킨의 고리 모양 변형을 사용하여 이것을 하는 데 성공했다.

▲ 변형된 아지드-알킨 반응을 사용하여 이 세포의 세포 표면에 위치한 글리칸 당을 녹색 형광 마커에 연결했다. © Bertozzi et al. / PNAS 2007

또한 Bertozzi는 이전에 알려진 합성 반응인 Staudinger 반응을 추가로 개발해 세포 환경에서 분자를 "함께 클릭"하는 데 사용할 수도 있다. 화학자는 세포에서 사용할 수 있는 이 클릭 화학에 대해 생물 직교 반응이라는 용어를 만들었다. 그들은 매우 역동적이고 복잡한 생물학적 환경에서도 분자를 함께 연결할 수 있도록 서로에 대해 선택적인 작용기의 반응으로 정의된다.

노벨상 재단은 "캐롤린 베르토치, 모튼 멜달, K. 배리 샤플리스의 업적과 발견이 함께 우리 사회에 엄청난 영향을 미쳤다"고 밝혔다. "새로운 개념과 매우 효율적인 방법을 통해 수상자는 인류의 이익을 위해 세상과 삶을 개선할 수 있는 가능성을 확장했다."
출처: 노벨상 재단

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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