빛과 전기만으로 새로운 합성법→의약품·신소재 개발 응용

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포항공대 연구팀, 광자-유도 전기화학 새로운 합성 패러다임 개발

[아이뉴스24 정종오 기자] 빛과 전기를 이용한 새로운 합성법이 개발됐다. 의약품은 물론 신소재 분야에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 포항공대 김현우 교수 연구팀이 광자-유도 전기화학이라는 새로운 합성 패러다임을 이용하여 여러 헤테로고리(heterocycle, 2가지 이상의 이종 원소를 포함하는 고리형 화합물의 통칭)를 합성하는 것에 성공했다고 18일 발표했다.

헤테로고리 화합물은 구조적 다양성과 안정성으로 신약물질의 주요한 골격구조로 사용되고 있다. 다양한 치환과 기능화가 가능해 의약품은 물론 농약, 신소재 분야에서 폭넓게 활용되고 있다. 헤테로고리 화합물을 이용한 합성법의 수요도 높아지는 추세다.

기존의 전통적 합성 방법만으로는 복잡하게 치환된 고리 화합물을 효율적으로 합성할 수 있는 전략이 제한적이었다. 이를 극복할 수 있는 합성법의 개발이 필요한 상황이다.

현재 빛과 전기와 같은 물리적 에너지를 개별적으로, 또는 동시에 활용하는 합성 경로 개발이 활발히 진행되고 있는데 기존 연구들은 전이금속 촉매의 사용을 필수적으로 요구한다는 한계를 지니고 있다. 전이금속 촉매란 주기율표 d-구역 원소(Sc ~ Zn, Y ~ Cd, Lanthanide, Actinide 포함하는 경우도 있음)를 중심 금속으로 해 반응 경로를 낮은 활성화 에너지로 바꿔 주는 촉매이다.

연구팀은 전이금속 촉매를 사용하지 않고 빛과 전기라는 친숙한 물리적 에너지를 활용해 기존과 차별화된 합성 패러다임을 구현, 이를 광자-유도 전기화학(photon-primed electrosynthesis)이라 명명하고 다양한 헤테로고리 화합물 합성에 성공했다.

이번 시스템의 핵심은 선행되는 광 반응을 통해 중간체를 형성한 뒤, 이를 전기화학적 산화 과정을 통해 높은 반응성을 지닌 종으로 전환시켜 반응성이 낮은 물질과 상호작용이 가능하도록 하는 데 있다.

기존 연구와 달리 전이금속 촉매의 사용이 필요하지 않다. 광반응과 전기화학의 시너지 효과를 통해 이례적으로 높은 전자 효율을 달성할 수 있다는 점에서 주목받고 있다.

연구팀은 이번 연구 성과에 대해 “한 가지 합성 기술만을 활용하는 것을 넘어 기술들의 융합으로 화학 반응의 새로운 길을 열 수 있음을 보여주는 중요한 성과”라며 “새로운 합성 시스템은 환경친화적 기술을 활용해 여러 화학산업의 원천기술로도 큰 잠재력을 가지고 있다”고 설명했다.

이번 연구를 하나의 고정된 시스템으로 남겨두는 데 그치지 않고, 다른 기술과 융합을 통해 확장·발전시키는 후속 연구에 대한 가능성과 필요성 또한 시사했다.

이번 연구의 성과(논문명: Photon-Primed Organic Electrosynthesis Enabled by Oxidation of Photon-Induced Intermediates)는 화학부문 국제 저널인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 8월 13일자로 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)

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