[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

나이트릴 화합물은 화학적으로 다양하게 활용될 수 있어 합성 화학에서 전구물질로써 유용하게 쓰이고 있다. 하지만 탄소와 질소의 삼중 결합을 활성화시키기 어려워 강한 산 혹은 염기 조건이나 높은 온도가 필요하다. 따라서 온화한 조건에서 나이트릴을 활성화 시키는 것은 매우 중요하다.

이를 위해, 생체 내 다양한 산화반응을 수행하는 효소에서 착안해, 금속-(하이드로)퍼옥소 종의 나이트릴 활성화 반응에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 특히, 금속-하이드로퍼옥소 종은 로듐과 같은 중금속이나 염기도가 높은 배위자를 가지는 경우, 나이트릴과 반응해 퍼옥시이미데이토 코발트(III) 화합물을 생성 시킨다는 것이 확인 됐지만, 자세한 반응기작은 여전히 이해되고 있지 않다.

최근 본 연구팀은 산화환원 비활성 금속을 활용해 코발트-퍼옥소 종이 나이트릴과 반응하는 경로를 조절한 바 있다. 하지만 이 연구에서 코발트-하이드로퍼옥소 종은 나이트릴과 반응하지 않음을 보고 하면서, 금속-하이드로퍼옥소 종과 나이트릴 사이의 반응성을 결정짓는 인자를 연구하는 것에 대한 필요성을 강조했다.

이에 연구팀은 저온에서도 나이트릴 활성화 반응을 보이는 새로운 코발트-하이드로퍼옥소 종을 합성하고자 하였고, 나이트릴과 반응시켜 생성된 퍼옥시이미데이토 코발트(III) 화합물의 다양한 분광학적 특성을 분석하고 단결정 분석을 통해 구조를 밝히고자 하였다. 나아가 반응속도론연구를 통해 반응기작을 규명하는 연구를 진행하며 반응성을 결정하는 인자를 분석하고자 하였다.

2. 연구내용

기존에 나이트릴과 반응 하는 금속-하이드로퍼옥소 종을 분석함으로써 높은 염기도가 필요하다는 가설을 세웠다. 이를 검증하기 위해 반응성이 없다고 보고된 코발트-하이드로퍼옥소 종의 배위자를 조절하여 염기도를 향상된 새로운 코발트-하이드로퍼옥소 종을 합성하였다. 그리고 나이트릴과의 반응을 통해 퍼옥시이미데이토 코발트(III) 화합물을 합성하는데 성공했다. 퍼옥시이미데이토 코발트(III) 화합물은 항암전구체로 활용되는 하이드록시메이토 코발트(III) 합성 반응의 중간단계 물질이다. 이들의 물리화학적, 구조적 특성을 분석하기 위해 다양한 분광학 및 결정학적 기법이 사용되었다.

그리고 반응속도론연구를 통해 코발트-하이드로퍼옥소 종의 하이드로퍼옥소 리간드가 배위된 나이트릴의 탄소원자를 분자 내 친핵성 공격함으로써 반응이 진행되는 것을 밝혀냈다. 이러한 기작은 지금까지 제안만 되어왔을 뿐, 실험적으로 밝혀진 것은 처음이다.

특히, 친핵성 공격에 영향을 미치는 염기도는 산 해리 상수와 산화-환원 전위를 통해 확인되었으며, 변화된 배위자의 도입으로 염기도가 증가됨을 확인할 수 있었다. 그리고 계산화학시뮬레이션을 통해 크기가 더 작은 메틸 그룹을 도입한 것이 염기도의 향상의 주된 원인이라 밝혔으며, 이로 인해 축 방향의 코발트-질소의 길이는 더 짧아지고 적도 방향의 코발트-질소의 길이는 더 길어진 것을 확인했다.

이러한 연구를 통해 퍼옥시이미데이토 코발트(III) 화합물이 생성되는 반응기작을 밝힘과 동시에 금속-하이드로퍼옥소 종과 나이트릴과의 반응에 있어 염기도가 반응성을 결정짓는 중요한 요소라는 것을 제안 하였다. 추가적으로 퍼옥시이미데이토 코발트(III) 화합물에 염기를 추가하는 실험을 통해 하이드록시메이토 코발트(III)로 전환됨을 확인하였다.

3. 기대효과

이번 연구는 금속-하이드로퍼옥소 종의 나이트릴 반응성의 반응기작을 규명한 첫 연구다. 특히 화합물의 염기도를 조절하여 반응성을 향상 시켰다는 점에서 학술적 의미가 크고, 합성고무나 윤활유 첨가제, 합성수지의 원료로서 널리 사용되는 나이트릴의 활성화를 향상 시킬 방법을 제안했다는 점에서 산업적 가치도 있다. 이는 향후 생무기화학 연구분야나 합성 화학 분야의 유용한 금속 촉매 개발에 기여할 것으로 기대된다. 또한 본 연구에서 얻어진 최종 산물은 항암제로 사용될 가능성이 높은 물질이어서 신약 개발에도 기여할 것으로 여겨진다.

[붙임] 용어설명

1. 나이트릴 (Nitrile)

탄소(C)와 질소(N)의 삼중결합으로 이루어진 유기화합물을 뜻한다. 산업 문헌에서는 시안화물(cyanide)이라고도 불린다. 연료 및 오일에 내성이 있는 고무나 윤활유 첨가제, 합성수지의 원료로서 널리 사용된다. 단단한 삼중 결합을 가지고 있어 나이트릴을 반응시키기 위해서는 강한 산이나 염기, 높은 온도가 필요하다.

2. 하이드로퍼옥소 (-Hydroperoxo)

화학적으로 반응성이 뛰어난 산소 원자를 포함하는 분자를 활성 산소라고 하는데, 하이드로퍼옥소는 산소분자에 전자 2개가 추가된 과산화기(O22-)에 양성자 하나가 결합된 형태이다. 생무기화학(생체내 무기물에 관한 연구) 연구 분야에서는 생체 내 산화반응의 핵심 중간체 중 하나로 잘 알려져있다.

3. 하이드록시메이트 & 퍼옥시이미데이트 그룹

하이드록시메이트 그룹은 하이드록삼산(RCO-NR-OH)에서 탈양성자화(수소가 떨어지는 반응)가 이루어진 후 만들어지는 음이온을 말하며 일반식으로 RC(=NO)O 으로 표현된다. 퍼옥시이미데이트 그룹은 퍼옥시이미드산(RC(=NH)O2H)에서 탈양성자화가 이루어진 후 만들어지는 음이온을 말하며 일반식으로 RC(=NH)O2 으로 표현된다. 두 그룹 모두 음이온의 형태여서 코발트와 같은 양이온 전이금속에 결합할 수 있는 킬레이트 특성을 갖게 된다.

4. 친핵성 공격 (Nucleophilic attack)

친핵체는 전자가 많은 화학종을 의미하며, 이것이 전자가 부족한 화학종인 친전자체를 공격하여 결합하는 현상을 나타낸다. 일반적으로 친핵체의 전자쌍이 친전자체를 공격하며, 친핵체의 전자밀도가 높을수록 반응이 더 쉽게 일어난다.

5. 염기도 (Basicity)

Bronsted-Lowry의 산-염기 이론에 따르면 염기도는 양성자를 수용할 수 있는 능력을 뜻하고, Lewis의 산-염기 이론에 따르면, 전자를 공여하는 능력을 뜻한다. 이러한 염기도는 짝산과 짝염기에 대한 평형 상수로 측정되는 열역학적 성질이며, 다양한 반응에서 반응성을 결정짓는 중요한 요소로 작용하기도 한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 코발트-하이드로퍼옥소 화합물의 나이트릴 활성화 반응 도식

코발트-하이드로퍼옥소 종의 염기도를 조절하여 나이트릴 활성화 반응의 반응성을 향상 시켰다. 반응속도론연구를 통해 코발트-하이드로퍼옥소 종의 하이드로퍼옥소 리간드가 배위된 나이트릴의 탄소를 분자 내 친핵성 공격을 통해 퍼옥시이미데이토 코발트(III) 화합물이 생성됨을 확인하였다. 퍼옥시이미데이토 코발트(III)는 항암전구물질인 하이드록시메이토 코발트(III) 합성 반응에서 생성되는 중간 단계 물질이다.