대구경북과학기술원(DGIST) 화학물리학과 서상원 교수 연구팀이 생리활성 물질의 '뼈대' 역할을 하는 핵심 구조를 쉽고 정교하게 조립할 수 있는 촉매 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.
연구팀은 자연에 풍부하고 저렴한 니켈(Ni) 촉매를 활용, 의약품의 핵심 골격인 '베타-메틸렌 카보닐' 유도체를 단일 '거울상 이성질체' 형태로 선택적으로 합성하는 데 성공했다. 이 기술은 제약을 비롯한 정밀 화학 산업 전반에서 활용될 것으로 기대된다.
거울상 이성질체는 동일한 원자로 구성돼 있지만, 거울에 비친 모습처럼 서로 겹쳐지지 않는 입체 구조를 가진 분자를 말한다. 인체 단백질 역시 특정 방향의 거울상 구조를 가진 아미노산으로 이뤄져 있으며, 이처럼 분자의 입체 구조는 생체 반응에서 매우 중요한 역할을 한다.
약물의 경우, 특정 거울상 구조는 치료 효과를 나타내는 반면 반대 구조는 효과가 없거나 부작용을 유발할 수 있다. 따라서 여러 형태 중 유효한 하나의 구조만을 정밀하게 선택해 합성하는 기술은 신약 개발의 핵심 요소로 꼽힌다. 니켈 촉매 설계를 통한 입체 선택적 합성법 개발 및 컴퓨터 계산을 통한 메커니즘 규명/사진=DGIST 이번 연구 대상인 '베타-메틸렌 카보닐'은 다양한 신약 후보 물질과 천연물에 널리 존재하는 중요한 분자 골격이다. 그러나 기존에는 특정 입체성을 부여하는 방법이 제한적이었고, 강한 염기 사용이나 복잡한 보조 물질 도입 등 공정상의 제약이 컸다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 귀금속 대신 풍부한 전이금속인 니켈을 활용한 새로운 촉매 시스템을 설계했다. 이를 통해 쉽게 구할 수 있는 알카인과 카보닐 화합물을 직접 반응시켜, 원하는 위치에서 결합이 일어나는 '위치 선택성'과 특정 거울상만 생성되는 '거울상 선택성'을 동시에 구현했다.
또 이 반응은 복잡한 분자 구조나 다양한 작용기 환경에서도 안정적으로 작동해, 실제 의약품 구조 변형과 천연물 합성에 적용 가능함을 확인했다. 연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 기반 계산을 통해 니켈 촉매가 분자의 결합과 입체 구조를 제어하는 작동 원리도 규명했다.
서상원 교수는 "이번 연구는 까다로웠던 베타-메틸렌 카보닐 합성을 저렴한 니켈 촉매로 효율적으로 구현했다는 점에서 의미가 크다"며 "향후 입체 선택적 반응 연구를 확장하고, 신약 개발과 정밀 화학 산업에 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.
