포항공대 연구팀 "빛과 전기만으로 '헤테로고리' 합성 성공"

빛과 전기를 이용한 새로운 합성법이 국내에서 개발됐다.

한국연구재단은 포항공과대 김현우 교수 연구팀이 '광자-유도 전기화학'이라는 새로운 합성 패러다임으로 여러 헤테로고리(heterocycle)를 합성하는 데 성공했다고 18일 밝혔다.

김현우 교수. 한국연구재단 제공

헤테로고리는 2가지 이상의 이종 원소를 포함한 고리형 화합물의 통칭이다.

헤테로고리 화합물은 구조적 다양성과 안정성을 장점으로 신약 물질의 주요한 골격구조로 이용된다. 다양한 방식의 치환과 기능화가 가능해 의약품은 물론 신소재 분야에서도 폭넓게 활용되면서 헤테로고리 화합물을 이용한 합성법 수요도 높아지는 추세다.

하지만 전통적 합성 방법으로는 복잡하게 치환된 고리 화합물을 효율적으로 합성하기 어려워 이를 극복할 새로운 개념의 합성법 개발이 요구돼 왔다.

최근에는 빛과 전기 등 물리적 에너지를 개별적 또는 동시 활용하는 합성 경로 개발이 활발하게 이뤄졌다. 다만 대부분 연구는 전이금속 촉매를 필수적으로 사용해야 하는 한계를 가졌다. 전이금속 촉매는 주기율표 d-구역 원소를 반응 경로가 낮은 활성화 에너지로 바꿔주는 역할을 한다.

연구팀은 기존 연구와는 다르게 전이금속 촉매를 사용하지 않고 빛과 전기를 물리적 에너지로 활용해 기존과 차별화된 합성 패러다임(광자-유도 전기화학(photon-primed electrosynthesis)을 구현, 다양한 헤테로고리 화합물을 합성하는 데 성공했다.

광자-유도 전기화학의 핵심은 선행되는 빛(光) 반응으로 중간체를 형성한 후 이를 전기화학적 산화 과정을 통해 높은 반응성을 지닌 종으로 전환시켜 반응성이 낮은 물질과도 상호 작용할 수 있게 하는 것이다.

이 과정에서는 전이금속 촉매의 사용이 필요하지 않으며, 빛 반응과 전기화학의 시너지효과만으로도 높은 전자 효율을 달성할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

김 교수는 "이번 연구 결과가 하나의 고정된 시스템으로 머무르지 않고, 다른 기술과의 융합을 통해 지속해서 확장·발전할 수 있도록 후속 연구를 이어가겠다"고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우수 신진연구 및 삼성 미래기술육성사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구의 성과는 지난달 13일 화학 부문 저널 '미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)'에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr