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[2625호] 2020.09.14
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[과학 연구의 최전선]카이랄 촉매 연구하는 박진균 부산대 화학과 교수

photo 한준호 영상미디어 기자
미국 플로리다주립대학(탤러해시 소재)에서 1년 연수가 끝나가던 2009년, 박진균 박사는 고민했다. 한국에서 다니던 LG화학으로 돌아갈 것인가, 아니면 학자의 길을 게속 걸어갈 것인가? 플로리다에서의 예정된 연구는 잘됐다. 그런데 서울대 박사과정 때 아쉬움이 남은 개인적인 주제를 더 파고들고 싶었다.
   
   지난 8월 13일 부산대에서 만난 박진균 교수는 “그때 37살이었다. 새로운 선택을 하기에는 애매한 나이였다”라고 말했다. 2003년 서울대에서 박사학위(지도교수 김병문)를 받은 그는 박사후연구원(KIST·지도교수 송충의)으로 잠시 일하다가 기업 연구원으로 이미 5년 넘게 일한 상태였다. 갈등하는 그를 교사인 부인이 응원해줬다. 결국 그는 기업에 사표를 냈고 연수비 수천만원을 반납했다.
   
   
   대기업 사표 후 박사과정 숙제 천착
   
   박사과정 때 이루지 못한 꿈은 ‘뛰어난 선택성과 반응성을 가지는 새로운 카이랄(Chiral) 촉매를 만들고 싶다’는 거였다. LG화학에 들어가서는 전자재료 물질인 올레드(OLED) 생산을 위한 공정 팀원으로 일하며 새로운 구조의 재료를 개발했다. 그러던 중 이미다조퀴나졸린(Imidazoquinazoline) 골격의 물질을 보았다. 순간 박사과정 때 막혔던 길을 다시 뚫어볼 수 있겠다는 생각을 했다.
   
   2008년 어느 날, 해외 파견 연구자 모집 공지가 떴다. 평소 하고 싶었던 게 있어 플로리다주립대학의 맥퀘이드 교수의 랩(Lab)으로 갔다. 그런데 뜻밖에도 이 실험실은 카이랄 물질을 분리할 수 있는 장비(HPLC·GC)들을 구비하고 있었다. 당초 그가 연구하러 갔던 주제(‘연속 흐름’) 외에 ‘비대칭 합성’ 연구도 시작하고 있었던 것이다.
   
   사표를 낸 뒤 랩에서의 그의 신분은 ‘방문연구원’에서 ‘박사후연구원’으로 바뀌었다. 그는 몇 년 전 LG에서 일할 때 떠올렸던 이미다조퀴나졸린 아이디어를 물질로 만들어 보기로 했다. 막상 만들어 보니 잘 안됐다. 3개월간 갖은 방법으로 노력했으나 실패를 거듭하고 12월 말쯤 되었을 때 포기하려고 했다. 가족과 미국 서부로 크리스마스 여행을 떠났다. 라스베이거스에 들렀다가 애리조나 투산에 있는 여동생 집에 갔다. 그런데 여행 중 아이디어가 떠올랐다. 합성을 위한 반응의 마지막 전 단계 반응(아민화 반응·Amination)에 그동안은 전이금속 촉매를 썼었다. 하지만 전이금속을 쓰지 않아도 될 것 같았다. 탤러해시로 돌아오자마자 시도했고 원하던 중간 화합물을 합성할 수 있었다.
   
   박진균 박사는 최종 화합물 합성을 마친 뒤 구조 확인을 위해 NMR(핵자기공명) 촬영을 했다. 그가 보여주는 당시 NMR 데이터를 보니 스펙트럼에서 주변보다 그래프가 높게 치솟은 ‘피크’가 있다. 피크는 물질 내 수소의 위치를 예측할 수 있게 한다. 예상대로 성공이었다. 100% 구조 확인을 위해 X선으로 촬영하는 ‘X선 구조결정’도 했다.
   
   박 교수는 “내가 만들려고 했던 6-NHC는 카이랄 금속촉매를 합성하기 위한 ‘새로운 카이랄 리간드’이다. 이 리간드를 다양한 금속과 반응시키면 비대칭 합성을 위한 카이랄 촉매가 될 수 있다. 수많은 약이 카이랄 촉매로부터 탄생한다”라고 말했다. 그가 집요하게 추구하던 비대칭 합성이 과연 뭘까?
   
   그는 2012년 9월 부산대 화학과 교수가 되었다. 신임 교수는 학계의 연구자들에게 자신이 뭘 연구해 왔는지 설명하는 시간을 갖는 경우가 있다. 학회나 다른 대학 화학과 교수의 초청을 받는다. 박 교수가 당시 만든 슬라이드 자료 한 개를 노트북 컴퓨터에 띄워 보여줬다. 슬라이드 자료의 제목은 ‘새로운 카이랄 6-NHC 리간드 디자인 및 합성’이다. 모두 낯선 단어들. 오늘 취재는 이걸 이해하고 독자에게 설명할 수 있으면 되겠다 싶다.
   
   
   ‘새로운 카이랄 리간드’
   
   우선 ‘카이랄’. 비대칭 합성은 ‘탈리도마이드 비극’으로 알려져 있다고 했다. 그런 얘기를 들었던 기억이 났다. 탈리도마이드(Thalidomide)라는 물질은 1950년대 유럽에서 임신부의 입덧 방지약으로 팔렸다. 이 약을 먹은 임신부 일부가 손과 다리가 없는 기형아를 낳았다. 충격적인 사고였다. 조사 결과, 탈리도마이드는 두 가지 종류가 있었다. R형과 S형이었다. 오른손물질과 왼손물질이라 표현할 수도 있다. 사람의 왼손과 오른손은 비슷하게 생겼으면서도 다르다. 서로 갖다 대면 비슷하게 생긴 손가락끼리 서로 맞닿는다. 그러나 두 개는 생긴 게 다르다. 이렇게 R형과 S형으로 구분되는 두 가지 물질이 나오는 걸 ‘카이랄 물질’이라고 한다. 탈리도마이드의 경우, R형은 입덧 방지에 효과가 있으나, S형은 신생아에 치명적이다.
   
   이때부터 특정 물질이 카이랄성을 갖고 있는지를 파악하고, R형과 S형이 각기 어떤 물성을 갖는지 알아내야 하는 게 화학자의 일이 되었다. 그리고 이걸 구분해서 정확히 물질을 만들어내는 게 과제가 되었다. 구분해서 정확히 물질을 만들어내는 일, 이게 비대칭으로 물질을 합성하는 것이다. 대칭합성은 오른손물질과 왼손물질이 똑같이 생성되게 하나, 비대칭 합성은 둘 중의 하나로만 반응이 일어나도록 한다. 그래서 ‘비대칭’이라는 표현이 들어가 있다.
   
   “사람 몸은 카이랄성 물질을 알아본다. 몸속 반응은 100% 카이랄성이다. 효소는 왼손물질과 오른손물질을 구별해서 반응한다. 자신이 원하는 카이랄성 물질만 만든다. 설탕도, 아미노산도 한쪽밖에 없다.”
   
   모든 물질이 카이랄성을 가질까? 박 교수는 “그건 아니다. 탄소 원자는 결합 부위가 4곳이다. 결합 부위 4곳에 A, B, C, D라는 서로 다른 물질이 각각 결합하면 카이랄성을 갖는다. 이 중 A와 B는 같은 평면에 있고, C와 D는 하나는 앞으로 튀어나와 있고, 다른 하나는 뒤로 들어가 있다. 그렇게만 말하겠다”라고 설명했다.
   
   다음은 ‘리간드’ 이야기. 박 교수가 만든 슬라이드 자료 제목은 ‘새로운 카이랄 6-NHC 리간드 디자인 및 합성’으로 돼 있어 ‘리간드’가 중요한 위치를 점한다. 제목의 뜻을 보면, 6-NHC를 갖고 카이랄성을 갖는 새로운 리간드를 디자인하고 합성했다는 것이다. 그는 “내가 플로리다에서 맨 먼저 한 일은 카이랄 리간드 디자인이다. 크리스마스 여행에서 떠올려 만든 것이 바로 그 물질이다”라고 말했다.
   
   ‘리간드’는 금속 주변을 에워싸고 있는 화합물이다. 리간드는 양이온 상태인 금속과 결합하여 금속에 새로운 성질을 갖게 한다. 그는 “리간드를 개발한다는 건 새로운 촉매를 개발하는 것과 동일하다. 리간드는 금속에 엄청난 기능을 부여할 수 있다. 유기화학자는 이걸 통해 새로운 반응을 개발한다”라고 말했다. 박 교수가 선택한 금속은 로듐(Rh·원자번호 45번)이었다. 그리고 구리를 갖고 구리의 독특한 특성 반응을 끌어내기 시작했다.
   
   알아야 할 게 한 가지 더 있다. ‘6-NHC’는 또 무엇인가. ‘6-NHC’는 모양이 6각형이고 질소(N)가 들어가 있는 헤테로고리 카빈(HC·Heterocyclic carbene)이다. 헤테로고리는 육각형이나 오각형을 이루는 고리가 있고, 그 고리를 이루는 원소의 종류가 두 개 이상인 경우를 말한다. 박 교수가 연구한 6-NHC는 고리에 탄소 외에 질소(N)가 들어 있기에 헤테로고리가 된다. 그리고 카빈은 전자쌍 1개를 가지는 탄소를 말한다. 즉 탄소가 금속 주위에 둘러싸고 리간드로 작용한다.
   
   촉매는 만들었고, 그러면 다음 단계는 이 촉매가 어떤 반응 특성을 갖고 있는가를 알아내는 거다. 당시 많은 다양한 구조의 카이랄 리간드가 잘 알려져 있었다. 일본 화학자 노요리 료지(2001년 노벨화학상)가 만든 BINAP(바이냅) 리간드와, 다른 학자가 만든 카이랄 5-NHC라는 오각형 리간드가 특히 유명했다. BINAP은 인을 사용한 리간드이고, 카이랄 5-NHC는 박 교수의 촉매와 비슷하나 5각형이냐 6각형이냐 하는 점이 다르다. 그가 만든 카이랄 육각형 리간드(6-NHC) 구조도 2005년 학계에 소개되기는 했다. 그러나 그건 ‘비대칭 합성’ 능력이 크게 떨어졌다. 다시 말하면 오른손물질과 왼손물질을 구분해서 만들어내는 능력이 떨어졌다. 그래서 주목을 덜 받고 있었다.
   
   박 교수가 모니터에서 보여주는데 ‘13% ee’라는 글자가 보인다. ‘13% ee’라는 말은 물질을 합성했을 때 원하는 카이랄 대칭물질이, 원하지 않는 카이랄 대칭물질보다 13% 더 많이 나온다는 뜻이다. 예컨대 왼손물질과 오른손물질이 50 대 50이면 ‘0% ee’이고, 두 물질의 합성 비가 51 대 49이면 ‘2% ee’이며, 98 대 2이면 ‘96% ee’가 된다.
   
   
▲ 카이랄 물질은 왼손형과 오른손형을 갖는다. 인체는 카이랄성에 민감하다. 왼손형인지, 오른손형인지를 구분한다. 이걸 구분하지 않으면 인체에 치명적인 물질을 만들 수 있다. photo 위키피디아

   기존 카이랄 리간드보다 뛰어난 촉매 개발
   
   박 교수는 이미 나와 있는 두 개의 카이랄 리간드와 자신이 만든 새로운 촉매의 특징을 비교했다. 5-NHC의 경우 생성물의 선택성이 ‘55~73% ee’이다. 그가 만든 6-NHC 구조는 확인 결과, 최고 ‘99% ee’라는 높은 선택성을 보였다. 오른손물질이든 왼손물질이든 원하는 쪽으로 만들어낼 수 있다는 뜻이다. 놀라운 촉매 입체선택성이었다.
   
   2009년 연구 성과를 최고의 화학학술지인 JACS에 보냈다. 하지만 거부당했다. 박진균 박사는 충격을 받았다. JACS에 논문이 나와야 그걸 기반으로 교수가 되어 한국에 돌아갈 수 있었다. JACS 에디터는 ‘오가닉 레터스(Organic Letters)’라는 학술지에 논문을 내라고 권했다. 도리 없었다. 2010년에 논문이 게재됐다.
   
   그는 오기가 생겨 연구에 더 몰입했다. 남들이 하지 않은 합성법을 찾아보겠다고 했고, 그 결과 알게 된 게 있었다. ‘화학선택성(Chemoselectvity)과 입체수렴(Stereoconvergence)’이라는 개념이다. 그는 자신이 만든 6-NHC 구리촉매가 전자가 풍부한 이중결합을 선호한다는 것을 알았다(화학선택성). 무엇으로 만들기 시작했는지(출발물질)에 상관없이 원하는 카이랄성 물질을 만들 수 있는 방법을 찾았다(입체수렴). 그는 “새로운 위치에 결합하면 새로운 반응이 된다. 그건 특별한 발견이다”라고 말했다. 이 연구는 2011년 JACS에 나왔다. 그리고 다음 해에 또 다른 성과를 일궈냈다. JACS와 함께 화학자들이 사랑하는 학술지 앙게반테 케미(독일 화학회지)에 관련 논문을 발표했다.
   
   “앙게반테 논문은 응용까지 어떻게 할 수 있는지를 보인 것이다. 이로써 카이랄성 촉매를 디자인해서 개발했고, 어느 반응에 쓸 것인지를 탐색해서 높은 선택성을 가진다는 걸 확인했으며, 궁극적으로 천연물 합성까지 응용할 수 있다는 걸 패키지로 다 보여줬다. 이 프로젝트는 마무리된 거다. 그런 기분이 들 때 나는 부산대로 왔다. 눈물 없이는 당시를 얘기할 수 없다.”
   
   2012년 가을학기 부산에 왔다. 교수가 됐으니 새 분야를 개척해야 한다. 플로리다에서 만난 맥퀘이드 교수는 한국으로 돌아가는 그에게 “앞으로는 6-NHC 구리촉매를 이용하는 연구를 하지 말라”고 얘기한 바 있다. 자신의 연구실 연구비와 실험장비로 연구한 것이니, 연구의 제1 권리는 자신에게 있다는 걸 강조한 것이다. 박 교수는 교수가 된 뒤 여러 가지를 해왔으나 “이온성 액체 연구를 강조하고 싶다”라며 설명하기 시작했다.
   
   
   부산대 부임 후 시작한 이온성 액체 연구
   
   이온성 액체는 윤활유, 자동차 배터리 안의 전해질, 그리고 유기화학자가 사용하는 반응 용매로 사용된다. 전위금속의 리간드로, 즉 촉매가 될 수도 있다. 상온에서 액체로 존재하는 염(鹽)이 이온성 액체의 정의다. ‘이온성’이라는 말이 들어가 있는 이유는 양이온 물질과 음이온 물질이 결합한 구조이기 때문이다. 이온성 액체는 주로 오각형 헤테로고리 구조인데, 이때 헤테로고리가 양이온이고 그와 결합하는 무기물(예, BF4, PF6)이 음이온이다. 이온성 액체는 ‘기능성 헤테로고리 합성법 개발’이라는 큰 테두리 안에 속하는 연구다. 그는 “연구를 성공적으로 했고 연속흐름 합성이라는 방법으로 대량 합성할 수 있다”라고 말했다.
   
   시중에 팔리고 있는 이온성 액체 중 하나는 BMIM 염(salt)이다. BMIM (Butylmethyl Imidazole)은 양이온이다. BMIM에 어떤 음이온이 결합하느냐에 따라, 염은 고유한 특성을 갖는다. 음이온은 종류가 매우 많다. 그리고 합성이 2단계로 진행된다. 1단계는 염화이온(Cl)을 붙이는 작업이고, 2단계는 그 염화이온을 배위성이 떨어지는 다른 음이온(예, BF₄)으로 바꾸는 일이다. 기존 합성법은 염화이온을 먼저 붙이고 그 다음에 음이온을 바꾸는 반응을 일으킨다. 2단계니 좀 더 복잡하다. Cl(할라이드)을 떼내고 BF₄를 붙이기 위해서 KBF₄를 다량 집어넣어야 하는 문제도 있다. KBF₄가 다량 들어가면 나중에 남은 걸 제거해야 하는 데 이게 쉽지 않다. 그리고 반응을 일으킬 때 쓰는 용매인 물을 제거해야 한다. 또 합성과정에서 만들어지는 KCl을 제거해야 한다. KBF4, 물, KCl 해서 세 가지가 문제인데, 특히 고효율전자재료용으로 이온성 액체를 쓸 경우 초고순도급(Ultra High Grade)으로 만들어야 한다.
   
   앞서 말한 2단계 합성법 말고 1단계 합성법도 있다. 이 경우는 BMIM에 붙이려는 음이온에 따라 다른 시약을 사용한다. 가령 NO₃ 음이온을 붙일 경우에는 MeNO₃ 시약을 사용한다. 맞춤형 시약이 있는 것이다. 박 교수에 따르면 이 방법은 한 번에 합성하는 장점이 있지만, 시약이 비싸고, 독성이 있으며, 반응이 안정적이지 않다.
   
   박 교수는 “나는 완전히 새로운 개념을 만들었다. 맞춤형 시약이 아니라 동일한 시약을 써서 만들고, 1단계로 합성할 수 있게 했다”라고 말했다. 시약으로 산(acid)과 메틸화시약(Trimethyl Orthoformate)을 사용한다. 산은 H(수소)로 시작하는 물질이고, 너무나 흔하고 가격도 싸다. 그리고 메틸화시약은 메틸을 넣어주고, 용매도 되고, 물을 제거하는 흡습제 역할도 한다. 연구 결과는 2014년에 ‘그린 켐’이라는 학술지에 나왔다. 교수가 된 뒤의 첫 번째 논문이었다. 그리고 2018년에 미국 특허로 등록되었다.
   
   박 교수는 또 기업에서 일한 경험 때문에 생산공정에 관심이 많다. 그의 연구실에 한때 가정용 전자레인지가 있었던 것도 그 때문이다. 전자레인지는 빛을 이용하는데, 빛 중에서도 마이크로파라는 파장이 긴 걸 써서 음식을 데운다. 빛을 쪼여 에너지를 가함으로써 찬 음식을 덥히는 것이다. 이걸 이용해서 그는 ‘연속흐름반응 기술’을 만들었다. 물질을 넣고 섞어 반응을 일으키는 ‘반응기’라는 게 있다. 잘 섞어야 하고, 온도 통제를 잘 해야 한다. 이걸 잘못해서 반응기 폭발사고가 가끔 일어난다. 한꺼번에 많은 용량의 반응을 일으키려다 보니 발생하는 일이다. 연속흐름반응은 반응기 안에서처럼 반응을 한꺼번에 일으키지 않고, 플라스틱 파이프 안으로 반응물이 흐르고 있는 가운데 특정 지점에서 반응이 일어나게 한다. 그 특정 지점의 여러 가지 반응 조건을 맞춰주면 되고, 그때 필요한 조건 중의 하나가 전자레인지에서 나오는 마이크로파이다.
   
   박 교수에게는 작년에 좋은 일이 많았다. 한국연구재단의 중견과제 사업 5년 과제를 따냈고, 삼성미래기술육성재단의 5년 과제도 수주했다. 삼성이 지원하는 연구비는 중견과제보다 2배나 더 된다. 연구주제도 매우 도전적이다. 게다가 부산대 화학과 교수 4명이 그룹을 만들어 신청한 기초과학연구실(BRL) 사업도 9월에 시작되었다. 다음에는 또 다른 새로운 결과를 들을 수 있기를 바라고 신나는 일이 계속되길 응원한다.

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