^*가시광선: 빛(태양광)은 고유의 파장을 갖는데, 가시광선은 이 중 인간이 감지할 수 있는 영역의 파장을 말한다. 자외선 영역보다 파장이 길다. 참고로 파장과 에너지는 반비례한다.

^*작용기: 유기 화합물의 화학 반응적 특성이나 화합물의 성질을 결정하는데 중요한 역할을 하는 특정 원자단이나 구조들을 일컬어 작용기라고 한다

^*이중결합: 유기화합물의 골격이 되는 탄소 원자의 경우, 원자의 최외각 전자가 4개 있다. 탄소 원자는 최외각 전자를 서로 ‘공유’하는 형태의 결합을 하는데, 최외각 전자 중 2개를 서로 공유 하는 결합을 이중 결합(총 4개의 전자가 참여)이라 한다. 이중결합은 파이결합 하나와 시그마 결합 하나로 이뤄진다. 알켄은 적어도 하나 이상의 탄소-탄소 이중결합(C=C)을 가지는 유기 화합물 전체를 이르는 말이다.

^*삼중결합: 최외각 전자 4개 중 3개의 전자가 참여하는 결합. 하나의 시그마 결합과 두 개의 파이결합으로 이뤄진다. 알카인은 하나 이상의 탄소-탄소 이중결합(C≡C)을 가지는 유기 화합물 전체를 이르는 말이다.

^*1,3 다이엔 (1-3 diene): 분자 안에 탄소-탄소 이중결합을 2개 가진 화합물을 다이엔이라 한다. 탄소 원자를 직렬이중 결합이 시작되는 첫번째 탄소로부터 세 번째에 위치한 탄소에 다른 한 개의 이중결합이 있는 물질을 1,3 다이엔이라 한다.

^*이성질체: 분자식은 같지만 입체 구조가 다른 물질

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

인슐린과 같은 단백질 제제를 제외하면, 대부분의 약물은 저분자 화합물(small molecule)로 구성돼 있다. 체내에서 쉽게 분해되는 단백질과 달리 저분자 화합물은 잘 흡수되기 때문이다. 이러한 저분자 화합물은 주로 체내 속 존재하는 단백질, 핵산 등의 분자와 결합하여 그 분자의 기능을 활성화하거나 억제함으로서 치료효과를 발휘한다. 약물이 작용하는 기질까지 도달하려면 복잡한 생물학적 메커니즘을 통과해야 하는데, 저분자 화합물은 매우 정교하고 특정한 구조를 지녀야만 작용하고자 하는 특정 타겟과 높은 효율로 결합할 수 있다. 좀 더 정교한 구조의 저분자 화합물을 합성하기 위해 온화한 조건(저온, 저압, 저에너지 등)의 합성법을 개발하고자 하는 노력은 오래전부터 계속돼 왔지만, 불안정하고 반응성이 매우 높은 구조를 합성하는 연구는 많지 않다.

의약품(소염진통제)과 천연물(항암효과물질, 살균효과물질)의 핵심구조 중 하나인 ‘사이클로뷰텐’ 도 불안정한 고리무리 (ring strain)1)로 인한 높은 내부 에너지 때문에 그 합성이 까다롭다. 주로 자외선을 이용하는 합성법이 알려져있고, 자외선 대신 전이금속과 루이스산(Lewis acid)을 이용하는 방법들이 개발되었지만 다양한 작용기2)를 도입하기 위해선 더 많은 연구가 필요하다.

2. 연구내용  

본 연구팀은 가시광선(청색광) 하에서 이리듐 광촉매를 이용하여 알카인(Alkane)3)과 알켄(Alkene)4)의 [2+2] 고리첨가반응5)(고리모양이 만들어지는 반응)을 통한 사이클로뷰텐 합성법을 새롭게 개발했다. 다양한 작용기를 도입한 사이클로뷰텐 화합물을 높은 수득률(42-99%, 반응에 참여한 반응물이 원하는 생성물로 바뀐 비율) 로 얻었고, 특히 실제 상용되고 있는 알카인 구조를 가진 약물들과 시도한 고리첨가 반응도 성공했다.

같은 반응 조건으로 인아인6) 화합물(알카인과 알켄 구조를 동시에 갖는 물질)의 사이클로뷰텐 형성과 연쇄적인 고리열림반응(고리모양이 열리는 반응)을 통한 1,3-다이엔(1-3 diene)7) 합성법도 제시하였다. 쿠마린(coumarin)8), 2-퀴놀론(2-quinolone)9) 등의 생리활성을 가진 헤테로 고리 화합물(heterocycle)10)을 포함하고 있는 1,3-다이엔을 높은 수득률(43-99%)로 합성했다. 또 인아인 기질인 벤조사이오펜(benzothiophene)과 벤조퓨란(benzofuran)의 자발적인 자리옮김반응(rearrangement)11)및 가열반응을 통해 확장된 파이 시스템(π–system)12) 화합물 합성이 가능했다. 본 연구팀은 이의 연장선으로 본 실험을 통해 생성된 1,3-다이엔의 산화적 고리화반응, 벤자인(benzyne)과의 고리첨가 반응도 추가적으로 성공하였다.

메커니즘 규명 실험들과 밀도범함수이론 (Density Functional Theory)13) 계산 결과를 통해 합성 과정을 설명하는 모델을 제시했다. 가시광선 에너지를 받아 들뜬 상태(excited state)의 광촉매가 삼중항 에너지 전달(triplet energy transfer)14) 과정으로 알켄을 먼저 활성화시킨 후, 알카인과의 [2+2] 전자 고리첨가반응이 일어나고, 전자 상태가 다시 안정화 되면서 사이클로뷰텐을 형성하는 원리이다. 인아인 기질을 이용한 분자 내 고리첨가 반응에서는 같은 방식으로 형성된 사이클로뷰텐이 들뜬 광촉매에 의해 한 번 더 삼중항 상태가 되면서 에너지 전달 과정으로 고리열림 반응이 일어나 1,3-다이엔이 형성된다고 설명하였다.

3. 기대효과

본 연구는 다양한 작용기가 도입된 화합물을 온화한 조건으로 합성하여 생물학적 효능을 갖는 화합물과 신약 개발에 기여하고, 응용 연구를 통해 높은 파이 시스템 화합물로 변형시키는 방법을 제공함으로써 형광 센서를 포함한 재료 산업 발달에 유용한 방법을 제공한다.

[붙임] 용어설명

1. 고리무리 (ring strain)

고리 모양의 화합물에 있어서 원자가각이 정상값에서 변화해 내부 에너지가 증가하는 것.

2. 작용기(functional group)

유기 화합물의 화학 반응적 특성이나 화합물의 성질을 결정하는데 중요한 역할을 하는 특정 원자단이나 구조들을 일컬어 작용기라고 한다. 

3. 알카인(Alkane)

탄소-탄소 간에 삼중 결합을 하고 있는 작용기를 일컬으며, 이러한 작용기를 포함하는 화합물을 알카인이라고 한다. 유기화합물의 골격이 되는 탄소 원자의 경우, 원자의 최외각 전자가 4개 있다. 탄소 원자는 최외각 전자를 서로 ‘공유’하는 형태로 결합을 하는데, 최외각 전자 중 3개를 서로 공유 하는 결합을 삼중 결합(총 6개의 전자가 참여)이라 한다. 삼중결합은 파이결합 두 개와 시그마 결합 하나로 이뤄진다. 알카인은 하나 이상의 탄소-탄소 이중결합(C≡C)을 가지는 유기 화합물 전체를 이르는 말이다.

4. 알켄(Alkene)

알켄(alkene) 은 탄소-탄소 이중결합(C=C)을 하는 작용기를 일컬으며, 알켄은 적어도 하나 이상의 탄소-탄소 이중결합(C=C)을 가지는 유기 화합물 전체를 이르는 말이다. 탄소 원자 두 개가 결합할 때 각각 원자가 갖는 4개의 최외각전자 중 2개의 외각전자가 반응에 참여해, 하나의 파이(결합과 하나의 시그마 결합을 형성한다.  

5. [2+2] 고리첨가반응 ([2+2] cycloaddition)

π 전자를 가진 두 화합물이 접근해 고리형 전이 상태를 만든 상황에서 π 결합을 하고 있는 양쪽 끝 원자의 π 전자가 서로 협동하여 두 개의 새로운 σ 결합을 형성해 고리 모형 화합물을 만드는 반응. 이 실험해서 알켄과 알카인이 고리첨가 반응을 통해 고리모양 화합물인 사이클로뷰텐 골격체가 만들어졌다.

6. 인아인(Enyne)

이중결합과 삼중결합을 동시에 갖는 유기화합물

7. 1,3 다이엔 (1-3 diene)

분자 안에 탄소-탄소 이중결합을 2개 가진 화합물을 다이엔이라 하는데, 1,3 다이엔은 탄소 원자를 직렬로 세웠을 때 첫 번째와 세 번째 물질에 작용기 등이 첨가된 물질이다.  

8. 쿠마린(coumarin)

식물의 2차 대사산물(광합성)로서, 식물 방어 반응에 관여하는 항미생물, 항산화 물질의 총칭인 피토알렉신의 한 종류이다. 혈액응고를 방지한다. 혈전성 정맥염, 폐장색전증 등의 질환치료에 혈액응고 방지제로 사용한다. 

9. 2- 퀴롤론(2-quinolone)

질소고리화합물 중 하나. 2-퀴롤론의 이성질체인 4-퀴롤론은 ‘퀴롤론계’ 항생제의 원료이다.

10. 헤테로 고리 화합물(heterocycle)

탄소 원자와 하나이상의 비탄소 원자의 고리 구조를 가지는 유기물질

11. 자리옮김반응 (rearrangement)

한 분자 안에서 원자나 원자단의 결합 위치가 바뀌는 반응

12. 파이 시스템 (π–system)

여러개의 π 결합으로 이루어져 있는 화합물

13. 밀도범함수이론 (Density Functional Theory)

물질, 분자 내부에 전자가 들어있는 모양과 그 에너지를 양자역학으로 계산하기 위한 이론 중 하나

14. 삼중항 에너지 전달 (triplet energy transfer)

분자 또는 분자단이 서로 전자 스핀(spin) 과 에너지를 교환하는 과정. 주로 분자가 들뜬 상태가 되면 나타난다. 계(系)의 전자가 짝수개이고, 홀전자(짝 안 지은전자)를 2개 갖는 경우에 생긴다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 사이클로뷰텐과 1,3-다이엔의 합성. 청색광선(blue LED) 하에서 이리듐 (Ir)광촉매를 이용해 사이클로뷰텐과 1,3-다이엔의 합성법을 개발했다. 그림(a)의 알켄(오렌지구조)와 알카인(막대 3개)가 반응해 사각형 고리모양인 사이클로뷰텐이 합성되는 과정을 도식화했다. 이 때 알켄의 전자가 들뜬상태가 돼 반응이 시작된다. 그림(b)는 고리첨가 반응을 통해 합성된 사이클로뷰텐을 다시 광촉매와 가시광선을 이용한 고리열림 반응으로 1-3 다이엔이 합성되는 과정이다.

그림 2. 사이클로뷰텐과 1,3-다이엔 화합물의 응용 실험. 광촉매반응으로 합성된 사이클로뷰텐과 1,3-다이엔으로 확장된 파이 시스템을 구축하고, 다양한 화합물로 변환시키는 실험이다.