대다수 FDA(미국식품의약국) 등록 의약품의 공통 구성 성분인 질소 고리화합물을 저렴하고 친환경적으로 합성해내는 새로운 촉매기술이 개발됐다.

UNIST(총장 이용훈) 화학과의 박철민 교수팀은 질소 고리화합물을 저렴한 유기 광촉매와 저에너지 가시광선만으로 합성하는 기술을 개발했다. 기존 금속 촉매 기반 기술의 단점인 잔류 금속 촉매로 인한 독성 위험과 높은 가격 약점을 극복해 친환경 상용화 가능성에서 기대를 모은다.

연구팀은 이 기술로 다고리 질소 화합물인 피롤라이지딘(pyrrolizidine) 유도체와 옥사진(oxazine) 유도체 등을 합성하는 데 성공했다. 질소 고리화합물은 고리 모양으로 결합된 탄화물 사이에 질소가 첨가된 형태의 물질이다. 질소 성분의 생체 분자 친화성 때문에 FDA 등록 약물의 75% 이상이 질소 고리 화합물로 이루어져 있다.

연구팀이 개발한 방식은 기존 방식과 달리 금속 촉매 대신 저에너지 가시광선인 청색광에 의해 활성화되는 유기 광촉매를 사용했다. 산화환원 중립적인 반응이라 별도 산화환원제가 불필요하며, 상온에서 합성 가능한 환경 친화적인 방법이다.

이 합성법을 이용해 알카인과 이민을 반응시켜 오각 질소고리 두 개가 접합된 피롤라이지딘 구조, 오각 질소고리와 육각 질소고리가 접합된 인돌리지딘(Indolizidine) 구조를 얻었다. 피롤라이진딘과 인돌리지딘은 각각 항 부정맥제, 항암 후보물질의 기본 구조다. 또 알카인 대신 알켄을 사용하면 옥사진 유도체를 얻을 수도 있다.

연구팀은 추가적 실험과 범밀도함수이론(DFT, Density Functional Theory)으로 합성 원리를 규명해냈다. 이를 통해 합성반응 중간체로 사각 고리 구조를 갖는 아제틴(azeitne)이 형성됨을 밝혀냈다. 광촉매에 의해 산화된 알케인이 이민과 반응을 해 아제틴이 합성되는 원리다.

제1저자인 오현지 화학과 박사과정 연구원은 “아제틴의 사각 고리는 고리자체가 풀리려는 성질(ring stain)이 강해 고리 열림 반응이 일어나며, 이는 다시 고리화 반응을 거쳐 최종적으로 피롤라이지딘 유도체가 합성된다”고 설명했다.

박철민 교수는 “이번 연구로 금속 촉매 대신 유기 촉매를 사용한 저렴하고 환경친화적인 방식의 질소 다고리 구조 합성 기술을 개발했다”며 “다양한 작용기를 질소 고리구조에 결합할 수 있을 뿐만 아니라 질소 고리 외에도 다양한 고리 구조 합성에도 응용할 수 있을 것”이라고 기대했다.

한편, 박 교수는 백혈병 치료제인 베네토클락스(Venetoclax)를 개발한 공로로, 미국화학학회가 수여하는 올해의 영웅상(Heroes of Chemistry)을 지난달 10월에 수상한 바 있다. 박 교수는 UNIST 부임전 세계적인 제약회사인 애브비(Abbvie)의 전신인 애보트(Abbott)에서 백혈병 치료제 개발 연구를 주도했다.

이번 연구는 한국연구재단과 2021년 과학기술원 공동연구프로젝트 사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 10월 26일(현지시각) 세계적인 학술지인 ‘ACS 카탈리시스 (ACS catalysis)’ 에 발표됐다.