화학과 류도현 교수 연구팀이 카이랄 유기 촉매를 활용해 복잡한 분자의 구조를 정밀하게 제어하는 두 가지 비대칭 합성 기술을 연이어 개발했다. 연구팀은 하나의 촉매로 서로 다른 탄소–탄소 결합 형성 반응을 높은 선택성으로 구현하는 한편, 단순한 출발물질로부터 여러 입체 중심을 갖는 복잡한 고리 구조를 선택적으로 합성하는 데 성공했다.

의약품과 천연물처럼 복잡한 분자를 합성하려면 원하는 구조의 물질만 선택적으로 만들어내는 기술이 중요하다. 특히 분자의 반응 위치와 입체구조를 정밀하게 조절하는 것은 물질의 특성과 기능을 결정하는 데 중요한 역할을 하지만, 여러 반응 부위와 입체 중심을 동시에 제어하는 것은 유기합성 분야의 핵심 과제로 남아 있다.

첫 번째 연구에서는 한국과학기술원 (KAIST) 김현우 교수 연구팀과 함께, 카이랄 유기 촉매를 이용해 서로 다른 비대칭 탄소-탄소 결합 형성 반응을 높은 선택성으로 구현하는 통합 촉매 플랫폼을 개발했다. 기존에 비대칭 제어가 어려웠던 알릴화 반응을 높은 선택성으로 구현하고, 동일한 촉매를 또 다른 탄소–탄소 결합 형성 반응인 알돌 반응에도 적용하는 데 성공했다.

이 연구의 핵심은 하나의 촉매로 서로 다른 두 반응을 정밀하게 제어했다는 점이다. 연구팀이 개발한 촉매는 분자의 여러 반응 부위 가운데 원하는 위치를 선택적으로 활성화하고, 생성되는 분자의 입체구조까지 정밀하게 조절함으로써 다양한 카이랄 화합물을 높은 선택성으로 합성할 수 있게 했다. 합성된 화합물은 다양한 유용 물질로 전환할 수 있었으며, (+)-dimethyl citramalate 등의 실제 생리활성을 갖는 천연물 합성에도 적용해 활용 가능성을 입증했다. 또한 밀도범함수이론 (DFT) 계산을 통해 촉매가 원하는 반응 위치와 입체구조를 선택적으로 만들어내는 원리도 규명했다.

두 번째 연구에서는 단순한 출발물질을 이용해 천연물과 의약품에서 자주 발견되는 테트라하이드로퓨란 고리 구조를 높은 입체선택성으로 합성하는 새로운 촉매반응을 개발했다. 테트라하이드로퓨란은 산소 원자 하나를 포함하는 5각형 고리 구조로, 다양한 생리활성 천연물과 의약품에서 중요한 분자 골격으로 발견된다.

기존에는 이러한 복잡한 입체구조를 합성하기 위해 특정 입체구조를 미리 갖춘 출발물질을 사용해야 하는 한계가 있었다. 연구팀은 카이랄 유기 촉매를 이용해 입체 중심이 없는 단순한 출발물질로부터 여러 입체 중심을 한 번에 정밀하게 구축함으로써 이러한 한계를 극복했다. 합성된 물질은 후속 반응을 통해 더욱 복잡한 구조로 전환할 수 있었으며, 항암 활성을 갖는 천연물인 (+)-altholactone의 합성 중간체 제조에도 적용해 천연물과 의약품 후보물질 합성에 활용할 수 있음을 입증했다.

이번 두 연구는 서로 다른 화학 반응을 다루면서도 카이랄 촉매를 이용해 분자의 반응 위치와 입체구조를 정밀하게 제어한다는 공통된 연구 방향을 제시함으로써, 효율적인 비대칭 합성 기술의 활용 범위를 넓혔다. 류도현 교수는 “이번 연구들은 복잡한 분자의 구조를 보다 정밀하고 효율적으로 구축할 수 있는 새로운 가능성을 보여줬다는 데 의미가 있다”며, “향후 다양한 비대칭 반응으로 확장돼 의약품과 천연물 등 유용한 화합물을 효율적으로 합성하는 새로운 전략으로 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

첫 번째 연구는 성균관대 류도현 교수와 KAIST 김현우 교수가 공동 교신저자로 참여했으며, 성균관대 서태림, Rameshwar Prasad Pandit, 김동규 연구원과 KAIST 김동훈 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 두 번째 연구는 성균관대 류도현 교수가 교신저자로 참여했으며, 성균관대 이호성, 김동규 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 두 연구 모두 화학 분야의 세계적 권위 학술지 『Angewandte Chemie International Edition』에 게재됐다.

해당 연구들은 과학기술정보통신부 한국연구재단 선도연구센터사업(SRC)와 중견연구자지원사업, 교육부 한국기초과학지원연구원(KBSI) 기초과학연구역량강화사업에 지원을 받아 수행되었다.

▲ 하나의 유기 촉매 플랫폼으로 구현한 비대칭 알릴화와 알돌 반응

▲ 비대칭 루이스 산 촉매를 이용한 의약품 핵심 구조 합성