KAIST가 촉매의 라디칼 생성과 재생 과정의 균형을 조절해 고난도 화학 반응을 가능케 하는 신기술을 개발했다.
KAIST는 화학과 이선윤미 교수 연구팀이 구리 촉매의 산화·환원 과정을 효과적으로 제어하는 전략을 개발했다고 20일 밝혔다. 연구팀은 '사이클로프로펜이민(CPI)' 기반 리간드를 활용해 촉매의 활성을 조절했다.
이 기술은 구리 촉매가 반응성이 높은 라디칼을 생성한 뒤 다시 원래 상태로 돌아가는 재생 과정을 균형 있게 만든다. 이를 통해 기존에 활성화하기 어려웠던 3차 알킬 할라이드 화합물을 출발 물질로 사용할 수 있다.
연구팀은 여러 리간드를 비교한 결과, 라디칼을 많이 생성하는 것이 반드시 최종 생성물의 양으로 이어지지는 않는다는 사실을 확인했다. 가장 성능이 좋은 CPI 기반 리간드는 라디칼 생성과 촉매 재생이 균형을 이룰 때 높은 효율을 보였다.
그 결과 연구팀은 의약품과 생리활성물질에 사용되는 '3,3-이치환 옥신돌' 화합물을 높은 수율로 합성하는 데 성공했다. 특히 브롬을 포함한 화합물은 상온에서도 효율적으로 반응했으며, 끊기 힘든 탄소-염소 결합을 가진 화합물 반응도 성공시켰다.
이번 연구는 단순히 반응성을 높이는 것보다 촉매 순환 과정 전반의 균형을 맞추는 것이 더 효율적인 촉매 설계로 이어진다는 점을 보였다. 이를 통해 향후 신약 등 복잡한 분자를 더 온화한 조건에서 효율적으로 합성하는 방법 개발에 기여할 것으로 기대된다.
이선윤미 교수는 "효율적인 라디칼 생성이 전부는 아니며 촉매 순환 과정 내 여러 단계가 균형을 이뤄야 한다는 것을 보여준 연구"라고 말했다. 이 교수는 "기존에 활성화하기 어려웠던 기질을 활용하는 새로운 라디칼 촉매 반응 개발에 적용될 수 있을 것"이라고 덧붙였다.
이번 연구는 KAIST 화학과 장사라 통합과정 학생과 연세대에서 석사 학위를 받은 정성렬 연구원이 공동 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 미국화학회(ACS)가 발간하는 국제학술지 '미국화학회지(JACS)'에 지난 8월 3일 온라인 게재됐으며, 삼성미래기술육성재단의 지원을 받아 수행됐다.