UNIST, 분자 원하는 위치에 붕소 붙이는 합성법 개발[과학을읽다]

니켈 촉매 활용해 말단 알카인 선택적 수소붕소화 성공
반응 중간체 직접 포착…의약품·전자소재 합성 활용 기대

국내 연구진이 분자의 특정 위치에 붕소(B)를 선택적으로 붙일 수 있는 새로운 화학 합성법을 개발했다. 의약품과 기능성 소재 합성에 활용되는 핵심 중간체를 보다 자유롭게 설계할 수 있게 된 데다, 반응 과정의 핵심 중간체까지 직접 확인해 반응 원리도 규명했다.

울산과학기술원(UNIST)은 홍성유 화학과 교수와 얀우브 로드(Jan-Uwe Rohde) 교수 연구팀은 니켈 촉매를 이용해 말단 알카인에 붕소를 선택적으로 도입하는 수소붕소화 반응법을 개발했다고 14일 밝혔다.

니켈 촉매 수소붕소화 반응 경로. 니켈 촉매를 이용해 알카인에 붕소를 선택적으로 결합시키는 반응 과정 모식도. 니켈이 반응 중간체를 형성한 뒤 붕소가 이를 대체해 목표 유기붕소 화합물이 생성된다. 연구팀은 전자상자성공명분광법(EPR)과 고분해능 질량분석법으로 니켈 중간체를 직접 확인해 반응 경로를 규명했다. 연구팀 제공

알카인은 두 개의 탄소가 삼중결합으로 연결된 분자다. 여기에 붕소가 결합하면 이후 다양한 분자 조각을 연결할 수 있어 의약품과 전자재료 합성에 활용되는 중요한 중간체가 된다.

연구팀이 개발한 합성법은 알카인의 삼중결합을 열어 두 탄소에 각각 수소와 붕소를 붙이는 방식이다. 기존 합성법은 붕소가 주로 분자 말단 탄소에 결합했지만, 이번 기술은 붕소를 분자 안쪽 탄소에 선택적으로 결합시킬 수 있다는 점이 특징이다.

반응 원인 밝힌 니켈 중간체 포착

연구팀은 이번 합성법으로 얻은 중간체를 항암제 벡사로텐의 합성 경로에 적용하고, 알카인 구조를 가진 약물인 파르길린 유도체를 합성해 활용 가능성도 확인했다.

특히 연구진은 반응 과정에서 생성되는 니켈 중간체를 직접 포착하는 데 성공했다. 니켈은 반응 과정에서 붕소가 들어갈 자리를 임시로 차지한 뒤 붕소가 들어오면 빠져나가는 역할을 하는 것으로 분석됐다.

연구팀은 전자상자성공명분광법(EPR)과 초고해상도 질량분석법을 이용해 이 중간체를 검출했으며, 계산화학 분석을 통해 붕소가 분자 안쪽 탄소에 선택적으로 결합하는 이유도 규명했다.

연구팀 사진. (좌측부터) 홍성유 교수, 얀우브 로드 교수, 이정우 연구원, 김건하 연구원, 정서영 연구원. UNIST 제공

로드 교수는 "촉매 반응은 최종 생성물만으로는 반응 과정을 파악하기 어렵다"며 "이번 연구는 짧은 순간 존재하는 니켈 중간체를 직접 확인해 붕소가 특정 위치에 결합하는 이유를 실험적으로 입증한 데 의미가 있다"고 설명했다.

홍성유 교수는 "비싼 귀금속 촉매 대신 저렴한 니켈을 이용해 원하는 위치에 붕소를 도입할 수 있음을 보여줬다"며 "의약품 후보물질과 기능성 유기분자의 합성 경로를 넓히는 데 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 촉매화학 분야 국제학술지 '에이씨에스 카탈리시스(ACS Catalysis)'에 지난 4월 17일 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr