강원대 화학과 이필호 교수 방에 들어가니 입이 쩍 벌어진다. 과학자 연구실을 적지 않게 가봤지만 논문들을 담은 상자가 이렇게 가득한 방은 없었다. 축하 화환이나 난에 걸렸을 색색의 리본 10여개가 한쪽에 붙어 있는 게 보인다. 이필호 교수는 지난해 9월 대한민국학술원상을 받았다. 학술원상은 한국의 학자가 기대할 수 있는 가장 권위 있는 상 중의 하나.

지난 6월 19일 강원대학교 자연과학대학 1호관 내 연구실에서 만난 이필호 교수는 “좋은 분들과 만난 게 나의 삶을 바꿨고 여기까지 올 수 있었다”라고 만남의 중요성을 말했다. 그는 춘천고를 졸업하고 1980년 강원대학교에 입학하던 시절로 돌아가 자신의 이야기를 들려줬다.

그는 당초 생물학과에 들어가려 했다. 1학년 생물학 실험 시간에 해부를 하는데 잘 맞지 않았다. 화학과에 진학하면 나중에 취업이 잘된다고 외삼촌이 얘기해줘 2학년에 올라가며 학과를 선택해야 할 때 화학과를 골랐다. 이게 삶에 큰 변곡점이 되었다. 화학과에 진학하니 조교 두 사람이 있었다. KAIST에서 석사를 마치고, 유학 가기 전 병역특례 근무차 강원대에 와 있던 이들이다. 이필호 학생은 당시 서울 홍릉에 KAIST라는 게 있는 줄도 몰랐다. 나이가 몇 살 많은 조교이자 형님 같은 이들의 말에 자극돼 KAIST를 목표로 공부하기 시작했다. 이들이 영남대학교 화학과 나춘섭 교수와, 이화여자대학교 생명과학과 정준모 교수다. 강원대 화학과 은사인 이창규 교수도 잊을 수 없다. 미국 미네소타대학에서 박사학위를 한 이창규 교수는 그가 화학과 3학년 때 신임 교원으로 왔다. “이 교수님은 참스승이었다. 너무나 좋은 얘기를 많이 해주셨다. 아침 8시에 연구실에 나와서 부족한 유기화학뿐만 아니라 영어도 가르쳐줬다.” 1984년 이필호 학생은 강원대를 수석졸업하고 강원대 출신으로는 처음으로 KAIST 대학원에 합격했다.

강원대 수석졸업 후 스탠퍼드대로

박사 때는 김성각 교수에게서 배웠다. 그리고 1989년 박사후연구원으로 미국 스탠퍼드대학의 배리 트러스트 교수 실험실에 갔다. 이 실험실에 한국인으로 간 건 이필호 박사가 처음이었다. 전이금속을 이용한 유기합성법 개발을 하는 트러스트 교수가 세계적으로 이름을 날리던 때였다. 이필호 박사는 트러스트의 실험실에서 팔라듐(Pd·원자번호 46번)이라는 전이금속 촉매를 이용한 유기반응 개발을 연구했다. 그리고 한국으로 돌아와 1991년 3월 강원대 교수가 되었다. 만 29살, 정말 젊을 때였다.

그러나 젊은 교수의 열정과 달리 연구 환경이 열악했다. 1990년대 초 강원대는 더 그랬다. 이 교수는 “5년간 시행착오를 했다. 마음고생이 많았다”라고 말했다. 교수로 임용되고 5년 후 방문교수로 나갈 수 있게 되자 1996년 미국 몬태나주립대학(보즈맨 소재)으로 갔다. 대학원생처럼 연구하겠다는 각오로 태평양을 건넜다. 부인과 아이들을 떼어놓고 연구에 집중하겠다고 혼자 나갔다. 그곳에서 토머스 리빙하우스 교수가 준 테마는 사마륨(Sm·원자번호 62번)이었는데 1년간 열심히 하고 돌아왔다.

“유기화학에는 이름 반응(Named Reaction)이 있다. 무수히 많은 반응이 보고되는데, 이 중 실용성과 범용성이 있는 반응은 시간이 지나면 반응에 개발자 이름이 붙는다. 그걸 이름 반응이라고 하며, 유기화학 분야에서 노벨화학상을 받은 사람들은 대개 이름 반응을 갖고 있다. 한국인 이름이 붙은 ‘이름 반응’은 아직 없다. 교수가 된 뒤에 이름 반응을 개발하고 싶었다. 그걸 목표로 했다.”

‘이름 반응’ 연구로 노벨상 목표

이 교수가 분석해 보니, 이름 반응이 가장 많이 나온 분야가 ‘짝지음(coupling) 반응’이었다. 10여개나 되었다. 금속을 이용해 그 반응을 찾은 사람의 이름이 붙어 있었다. 주석(Sn)의 스틸 반응(존 케네스 스틸·콜로라도주립대학), 붕소(B)의 스즈키 반응(스즈키 아키라·홋카이도대학), 마그네슘(Mg)의 구마다 반응(구마다 마코토·교토대학), 아연(Zn)의 네기시 반응(네기시 에이이치·퍼듀대학), 팔라듐(Pd)의 헤크(Heck) 반응(리처드 헤크·델라웨어대학)이 그중 일부다. 이들 중 헤크, 네기시, 스즈키 세 사람은 2010년 노벨화학상을 받았다. 모두 전이금속 촉매를 이용한 짝지음 반응 연구가 인정받았다. 패기만만했던 이필호 교수도 주기율표를 펼쳐놓고 자신의 이름을 딴 ‘이름 반응’을 만들 수 있는 원소를 찾았다. 잘하면 노벨상을 그에게 안길 수도 있는 행운의 금속원소는 무엇일까. 그리고 49번 원소인 인듐(In)을 찍었다.

인듐이 어떤 금속일까. 인듐은 1차 이온화 에너지가 작다. 1차 이온화 에너지가 작다는 건 해당 원자의 최외각 전자를 궤도에서 떼어내기가 그만큼 쉽다는 얘기다. 달리 말하면 남에게 최외각 전자를 쉽게 줄 수 있으며 반응성이 좋다는 거다. 이 교수에 따르면, 학생이 실험실에 들어오면 조심시키는 게 있다. 실험실 화재 사고는 주기율표의 1족 금속이 물에 닿았을 때 일어나는 경우가 많다. 물과 반응해서 수소 기체가 발생하면서 불이 난다. 가령 1족 원소인 소듐(Na)과 포타슘(K)은 절대로 물에 닿지 못하게 한다. 실험실에서 소듐은 기름 속에 넣어 보관한다. 1차 이온화 에너지 크기를 보면 소듐이 5.13eV(전자볼트)이다. 인듐은 주기율표상에서 1족 원소가 아니다. 1족에서 멀리 떨어져 있는 13족인데도 인듐의 1차 이온화 에너지가 5.79eV로 낮다. 이 교수는 “물에 넣으면 인듐은 반응성이 커야 하는데 그렇지 않다. 물에 안정적이다. 인듐은 이율배반적이다. 성격이 독특하다. 그렇기에 이를 잘 활용하면 기존에 없던 새로운 유기반응을 만들 수 있지 않을까 생각했다”라고 말했다.

인듐 연구는 다행히 잘 진행됐다. 결과가 좋았다. 이 교수는 “사람을 잘 만났다. 지금은 강원대 생명건강공학과 교수가 된 이구연 학생이 실험을 잘했다. 화학과에서 박사학위까지 받으며 나와 10년을 같이했다”라고 말했다. “좋은 논문을 내다 보니 학계로부터 평가도 잘 받았다. 그때는 젊었고, 연구 환경도 좋지 않았는데. 동료와 선배 유기화학자들의 격려와 지원이 큰 도움이 되었다. 주변에 도움을 주는 분이 많았다.”

KAIST 지도교수였던 김성각 교수는 당시 선도연구센터(SRC·Science Research Center)를 운영하고 있었다. SRC는 한국연구재단이 선정하는 집단 연구사업이다. 안정적으로 9년간 연구비를 지원받을 수 있기 때문에 SRC를 수주하려는 경쟁이 치열하다. 김성각 교수는 ‘분자 설계 및 합성 연구센터(CMDS)’를 연구진 10여명으로 꾸렸고, 출범 2년이 지난 2001년 이필호 교수는 센터에 연구진으로 합류할 수 있었다. 이 교수는 “당시 국내에서 유기합성 잘하는 분들이 다 센터 연구진이었다. 학술교류나 정보교환을 하는 데 도움이 되었다. 연구비를 안정적으로 지원받을 수 있어 인듐 연구를 본격적으로 할 수 있었다”라고 말했다.

이 교수의 인듐 화학 연구는 유명한 학술지에 발표됐다. 2003년, 2006년 미국 화학회지(JACS)에 인듐을 이용한 불포화 카보닐 화합물 작용기화 반응과 짝지음 반응 결과가 실렸다. 탄소-탄소 공유결합을 포함해서, 탄소-황 공유결합도 인듐을 이용해 만들 수 있다는 걸 보여주었다. 인듐을 이용하여 이 같은 공유결합을 만든 건 처음이고 이 방법은 효율에서 경쟁력이 있었다.

인듐 논문 중에서 가장 가치가 있다고 이필호 교수가 생각하는 건, 2002년에 발표한 앙게반테 케미에 실린 논문이다. 인듐을 프로파질 브라마이드와 반응시키면 알렌일 인듐이 만들어진다. 이걸 이용해 짝지음 반응을 했다. 촉매는 팔라듐을 썼다. 그랬더니 알렌(allene) 화합물이 나왔다. 알렌 화합물은 이중결합이 연달아 두 개 붙어 있는 구조다. 거기에 치환체를 3개까지 붙일 수 있었다. 이 연구는 알렌 화합물을 만드는 가장 효율적인 반응 중 하나라는 평가를 받았다. 이 교수는 “이 연구를 이구연, 서문동 박사가 했다”라고 말했다.

2006년 연구실이 ‘국가지정연구실’로 선정

이런 연구 실적이 있었기에 2006년 그의 연구실은 ‘국가지정연구실(NRL)’로 선정되었다. 그는 “학자에게는 큰 영예”라고 말했다. 이 사업 계획서를 제출하면서 인듐 금속을 이용해서 유기반응을 개발하겠다고 했다. 5년 사업이고, 매년 3억원씩 총 15억원을 지원받았다. 이 교수는 “지금도 3억원은 큰 액수이지만 당시는 엄청나게 컸다. 이때부터 실험실이 커졌고 많은 학생이 실험실에 몰려들었다. 학생 5명이던 규모에서 10명이 넘고 15명이 됐다”라고 말했다.

이 교수는 “이제 내 연구를 좀 객관화해 볼 수 있는 연배가 되었다. 인듐 연구를 15년 정도 했다. 지금 와서 보면 인듐을 이용한 짝지음 반응이 범용성을 가지기는 쉽지 않겠구나 하는 생각이 든다”라고 말했다. 이 교수 얘기를 들어본다.

“이름이 붙은 반응이 되려면 반응 자체가 새로워야 하고 실용성과 범용성이 있을 뿐만 아니라 남이 이 반응을 많이 사용해야 한다. 일본인이 짝지음 반응을 개발해서 노벨상을 많이 받은 데는 이유가 있다. 일본은 전이금속 촉매를 이용한 유기반응 개발 분야에서 매우 강하다. 일본에는 소위 원소별로 학회가 있다고 농담할 정도이다. 즉 저변이 넓다. 게다가 대를 이어서 같은 분야의 연구를 지속해서 수행한 결과, 해당 분야가 발전을 한다. 그러다 노벨상을 받는다. 인듐은 그럴 수가 없었다. 한국의 화학 저변은 일본에 비해 10분의 1 규모라고 할 정도로 좁다. 혼자서는 경쟁이 쉽지 않았다.”

일본과 중국의 센카쿠열도 분쟁으로 희귀금속인 인듐 가격이 폭등한 것도 부정적으로 작용했다. 중국이 수출량을 줄였기 때문이다. 연구자들이 인듐을 사서 쓰기가 부담스러워졌다. 이 교수는 “스즈키 짝지음 반응은 1979년에 보고되었다. 나의 인듐 연구 착수 시기가 좀 늦었다. 꽃을 피우지 못했다”고 말했다. 반응을 개발하려면 남들보다 빨리해야 한다. 요즘은 중국 화학자들이 특정 연구 분야에 진입하면 다 훑고 지나간다. 메뚜기 떼 같다. 이 교수는 “1990년대만 해도 한국 화학이 중국보다 앞섰다. 요즘은 중국 화학 수준이 높다. 한국이 못 따라간다. 유기화학 분야에서는 분명 그렇다. 더구나 중국은 좋은 논문을 내는 많은 연구자가 40대이고 그 수도 무수히 많다. 또한 놀랄 정도로 수준이 높다”라고 말했다.

9년간 탄소-수소 결합 활성화 반응 연구

이필호 교수는 2011년에는 ‘창의연구자사업(CRI)’에 선정됐다. 한국연구재단의 9년 사업으로, 연 5억원씩 지원받았다. 그는 “지방대학 화학과에서는 처음이었다”고 말했다. 실험실 이름은 ‘촉매유기반응연구단’이고, 탄소-수소 결합 활성화 반응을 주로 연구했다. 그의 두 번째 연구 분야였는데 이때부터 9년간 계속하게 된다.

탄소-수소 결합 활성화 반응 연구는 2000년을 전후해서 유기화학자의 관심을 받았다. 전이금속 촉매를 이용한 유기반응 개발자들이 연구에 대거 뛰어들었다. 그는 “전이금속 촉매를 이용한 탄소-수소 결합 활성화 분야에서 노벨상이 곧 나올 것이다”라고 했다.

유기화학은 곧 탄소에 관한 화학이기도 하다. 유기화합물에 있는 무수히 많은 탄소-수소 결합을 선택적으로 활성화하여 수소가 붙은 자리에 대신 다른 작용기를 결합시키는 연구가 관심을 받았다. 이와 같이 다른 작용기를 붙이려면 탄소-수소 결합을 잘라내야 하며, 그러기 위해서는 탄소-수소 결합을 먼저 ‘활성화’하는 작업이 필요했다. 그전까지는 이 작업을 하는 게 대단히 복잡하고 어려웠다. 실내암벽 등반가가 많은 발 받침대를 밟고 정상까지 올라가는 것과 같이 많은 수순을 밟아야 했다. 그래야만 의도하는 화합물을 얻을 수 있었다. 그런데 ‘지향성기(directing group)’를 이용하면 합성이 어려운 화합물도 몇 단계만으로 쉽게 합성할 수 있게 됐다. 아주 효율적인 반응이 된다.

탄소-수소 결합 활성화 분야 연구는 지향성기 개발, 촉매와 리간드 개발, 산화제 개발이라는 크게 세 분야로 나뉠 수 있다. 이 교수팀은 지향성기 개발에 매달렸다. 그는 카복실산 작용기가 지향성기로 작용한다는 다른 사람의 연구에 착안, 유기인산을 지향성기로 사용해서 탄소-수소 결합 활성화 반응을 개발했다. 즉 새로운 화합물을 만들어 내는 데 성공했다. 다양한 고리 화합물 골격에 인(phosphorus)이 들어가게 하는 데 성공했다. 이 교수는 “지금까지 고리에 인이 들어간 화합물을 합성하는 것은 매우 힘들다. 2013년에 성공했다. 그리고 이후 15편의 논문을 썼다”라고 말했다.

인 화합물은 그가 박사과정 때 시약으로 사용해 익숙한 것이었고, 1990년대 후반부터 연구한 인듐 짝지음 반응 연구 때의 전이금속 촉매 사용 경험이 크게 도움이 되었다. 이러한 연구 업적으로 2013년 대한민국 과학기술 석학 단체인 한국과학기술한림원(KAST) 정회원으로 선정되었다. 물론 강원대 졸업생으로는 처음이었다.

“학문의 즐거움보다 후학 기르는 보람”

이 교수는 지난해부터 새로운 연구목표를 찾아 나섰다. 그는 “정년이 6년 남았다. 은퇴까지 새로운 연구 분야를 하나 더 개척하고 싶었다. 탄소-수소 결합 활성화 반응 연구를 9년 했으니, 이걸 다른 데 써먹을 수 있을까 궁리했다. 그 결과 카보레인 화합물을 해보자고 생각했다”라고 말했다. 주기율표의 많은 원소 중에서 자신과 다양한 결합(catenation)을 하는 원소는 딱 두 개다. 탄소(C)와 붕소(B)다. 탄소는 탄소와 무한대로 결합할 수 있다. C-C-C-C-C… 이런 게 가능하다. 탄소가 두 개 붙은 것(CH3CH3)이 에탄이고, 탄소가 세 개 붙은 CH3CH2CH3는 프로판이고, 탄소가 네 개 붙은 CH3CH2CH2CH3는 부탄이다. 프로판과 부탄은 연료로 사용하는 탄화수소화합물이기에 우리에게 익숙하다. 붕소도 마찬가지다. 자신과 다양한 결합을 한다. 붕소 화합물 중에서 가장 대표적인 게 20면체 화합물이다. 20면체의 꼭짓점 수는 12개이다. 카보레인 화합물은 꼭짓점 12개 중에서 2개는 탄소, 나머지는 붕소인 일종의 뭉치 화합물이다.

이 교수가 카보레인 화합물 모형을 꺼내 보여준다. 4층 구조의 3차원 모형이다. 이 교수가 연구하는 건 이제 붕소-수소 결합 활성화 반응이다. 붕소 뭉치 화합물에 대해 연구를 시작한 지 1년 만에 연구 결과가 나오기 시작했고 지난 5월 12일 미국 화학회지(JACS)에 논문을 발표할 수 있었다. 이 교수는 탄소로 된 벤젠보다 카보레인 연구가 훨씬 어려워 도전했다고 한다. 반응할 수 있는 꼭짓점 개수도 12개로 벤젠의 3개보다 다양하고 4층인 입체 구조여서 복잡하다. 최근 새롭게 떠오르는 연구 분야인 붕소-수소 결합 활성화 분야에서 새로운 붕소 뭉치 화합물(Boron cluster compound)의 합성법을 개발하고 새로운 학문 영역을 구축하는 게 목표다.

이필호 교수는 대한화학회 유기화학분과회 2020년 회장이다. 그는 “다시 태어나도 유기화학을 할 것 같다”라고 말했다. 그리고 “나이가 드니 좋은 논문을 발표하여 얻는 학문적 즐거움보다 후학을 길러내는 것에 더 보람과 즐거움을 느낀다. 특히 졸업생에게 ‘대학원에 진학하여 연구자가 되었고 덕분에 좋은 직장에 취업할 수 있었다’는 말을 들을 때 더 보람을 느낀다. 동기유발이 잘 안 되는 학생을 격려해서 대학원 진학을 유도하여 화학자로 키워내는 게 즐겁다”라고 말했다. 이 교수는 박사후연구원 7명, 박사 15명, 석사 104명을 배출했다.