촉매작용이 세상을 뒤흔들 준비가 되어 있는 방법

원문 링크 : https://www.theearthandi.org/post/how-catalysis-is-poised-to-rock-our-world

노벨상 수상자, 효율적이고 환경 친화적인 촉매 개발이 이미 진행 중이라고 밝혔습니다.

다음 글은 2022년 제28차 과학통일국제회의(ICUS XXVIII)에서 데이비드 맥밀란 교수가 “지속 가능한 미래를 위한 새로운 촉매 전략”이라는 제목으로 기조연설한 내용의 전반부입니다.

“당신이 볼 수 있는 모든 것, 심지어 볼 수 없는 거의 모든 것이 화학 반응으로 만들어집니다. ... 그런데 화학반응은 어떻게 일어나는 걸까요? 일반적으로 화학 반응은 자발적으로 발생하지 않는 것으로 나타났습니다. 출발 물질을 원하는 제품으로 전환하려면 상당한 양의 에너지를 투입해야 하는 경우가 많습니다. 촉매 작용 과정은 화학 반응에 필요한 에너지 양을 극적으로 낮출 수 있습니다.”

©David MacMillan/HJIFUS

촉매작용은 현대 세계의 거의 모든 측면에 영향을 미칩니다. 오늘날 산업 규모의 화학 반응 중 최소 90%가 촉매를 사용하고 있으며 세계 국내총생산(GDP)의 35%가 촉매 공정을 기반으로 합니다.

산업 규모의 촉매 공정은 식품, 의약품, 태양 전지, 진단 도구, 심지어 폴리머 및 재료를 포함하여 현대 사회의 많은 필수품을 제공합니다.

다음 세기에 걸쳐 촉매작용은 대체 에너지, 환경 개선, 저렴한 의약품, 지속 가능한 농업 및 재생 가능한 연성 소재와 같은 여러 긴급한 사회적 과제에 대한 솔루션을 제공할 것입니다. 효율적이고 환경 친화적인 촉매의 개발은 보다 지속 가능한 미래를 창조한다는 우리의 공통 목표의 핵심이 될 것입니다. 이것이 바로 지난 20년 동안 우리 연구 그룹이 강력하고 환경 친화적인 촉매 공정을 개발하는 데 전념해 온 이유입니다.

Catalysis Is Used to Control Vehicle Emissions. ©wpclipart Public domain

비대칭 유기촉매 개발로 2021년 노벨 화학상을 공유하게 된 것은 큰 영광이었습니다. 상을 받은 이후 많은 사람들이 나에게 단 하나의 기본적인 질문을 했습니다. 비대칭 유기촉매란 정확히 무엇입니까? 이는 다소 기술적인 용어이므로 비대칭, 촉매, 더 구체적으로는 유기촉매의 개념을 설명하는 것부터 시작하는 것이 좋습니다.

Professor David MacMillan. ©HJIFUS

촉매작용이란 무엇입니까?

당신이 볼 수 있는 모든 것, 심지어 볼 수 없는 거의 모든 것이 화학 반응으로 만들어집니다. 우리가 먹는 음식, 약, 의복, 전자제품, 심지어 우리 몸의 세포까지 화학반응을 통해 생성됩니다. 우리는 화학 반응이 우리 존재에 절대적으로 필요하다는 것을 인식할 수 있습니다. 그런데 화학반응은 어떻게 일어나는 걸까요?

일반적으로 화학 반응은 자발적으로 발생하지 않는 것으로 나타났습니다. 출발 물질을 원하는 제품으로 전환하려면 상당한 양의 에너지를 투입해야 하는 경우가 많습니다. 촉매 작용 과정은 화학 반응에 전력을 공급하는 데 필요한 에너지 양을 극적으로 낮출 수 있습니다.

다음은 제가 학생들에게 제공하는 촉매 작용의 힘을 설명하는 비유입니다.

매일 저녁 수업을 마치고 기숙사로 돌아가기 위해 큰 언덕을 올라야 한다고 상상해 보세요. 이 언덕을 매일 오르내리는 트레킹에는 분명히 많은 에너지가 필요합니다.

©David MacMillan/HJIFUS

이제 어느 날 언덕을 직접 통과하는 터널을 발견했다고 상상해 보십시오. 당신은 거의 노력하지 않고 터널을 통과하여 곧장 집으로 걸어갑니다. 이 비유에서 촉매작용은 최소한의 에너지 투입으로 화학 반응이 일어날 수 있는 새로운 경로를 제공하므로 터널을 나타냅니다.

촉매 작용은 화학 반응을 신속하고 효율적으로 진행하며 상대적으로 적은 비용으로 진행되도록 합니다.

촉매의 중요한 특징은 화학 반응에서 촉매가 소모되지 않는다는 것입니다. 실제로, 매우 적은 양의 강력한 촉매를 사용하여 대량의 출발 물질을 생성물로 전환할 수 있습니다. 따라서 촉매작용을 통해 화학 반응이 신속하고 효율적으로 진행되며 상대적으로 적은 비용으로 진행되는 경우가 많습니다.

이러한 독특한 특성은 현대 사회의 많은 부분이 촉매 작용에 의존하는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 우리 시대의 가장 혁명적인 촉매 과정인 질소 고정이 실제 세계에 미치는 영향을 고려해 볼 수 있습니다(그림 3). 20세기 초 독일 화학자 프리츠 하버(Fritz Haber)가 발명한 촉매 질소 고정은 질소(N2)를 암모니아(NH3)로 변환하는 산업 규모의 공정입니다.

암모니아는 농업의 필수 구성 요소이며, 현대 농업은 풍부한 식량 작물을 재배하기 위해 촉매적 질소 고정을 통해 생산된 암모니아에 의존합니다. 이러한 증가된 작물 생산성은 결과적으로 지난 세기 동안 지구 인구의 기하급수적인 증가를 촉진했습니다. 이 하나의 촉매 과정 없이는 지구의 80억 인구를 유지하는 데 필요한 식량을 생산하는 것이 불가능하지는 않더라도 매우 어려울 것입니다. 이 과정이 당신에게 어떤 영향을 미치는지 시각화하려면 신체에 있는 질소 원자의 약 절반이 산업 규모의 질소 고정에서 파생되었을 가능성이 높다는 점을 고려하십시오.

비대칭이란 무엇입니까?

비대칭 속성은 시각화하기 쉽습니다. 우리 대부분은 손이 두 개 있고, 손은 서로 거울상입니다. 이러한 거울 이미지는 거의 동일하지만 완전히 동일하지는 않습니다. 즉, 오른 손잡이 장갑이 왼손에 맞지 않습니다. 손과 발처럼 거의 동일하지만 겹쳐질 수 없는 두 개의 거울상 개체를 비대칭이라고 합니다.

©David MacMillan/HJIFUS

흥미롭게도 분자는 이러한 비대칭 특성을 나타낼 수도 있습니다. 즉, 유기 분자는 겹쳐질 수 없는 두 개의 거울상 형태 중 하나로 존재할 수 있으며, 각각을 거울상 이성질체라고 합니다. 예상할 수 있듯이 유기 분자의 두 거울상은 거의 동일한 물리적 특성과 거동을 가지며 실험실에서는 서로 구별하기 어려울 수 있습니다. 실제로 두 거울상 이성질체는 다른 비대칭 분자와 상호 작용할 때를 제외하고는 서로 매우 유사한 방식으로 거동합니다. 두 개의 거울상 손이 두 개의 거울상 장갑을 구별할 수 있는 것처럼 유기 분자의 각 거울상 이성질체는 다른 비대칭 분자와 다르게 상호 작용합니다.

다음은 대학에서 유기화학을 전공한 분들에게 친숙할 수 있는 예입니다. (R)-카르본과 (S)-카르본은 서로의 거울상 이성질체입니다. 카르본 거울 이미지는 거의 동일하기 때문에 상당히 전문적이고 값비싼 장비를 사용하지 않는 한 실험실에서 (R)-카르본과 (S)-카르본을 구별하는 것은 매우 어렵습니다. 그러나 각 카르본 거울상 이성질체의 샘플을 아주 어린 어린이에게 건네주면 어린이는 즉시 두 개의 거울 이미지를 구별할 수 있습니다. 왜 그럴까요? 그 이유는 우리에게 (R)-카르본은 스피어민트 냄새가 나고, (S)-카르본은 캐러웨이 냄새가 나기 때문입니다.

To humans, (R)-carvone smells like spearmint and (S)-carvone smells of caraway. ©David MacMillan/HJIFUS

우리의 후각 수용체가 가장 정교한 실험실 장비로는 그토록 어려운 작업을 그토록 쉽게 수행할 수 있는 이유는 무엇일까요?

우리의 후각 수용체가 가장 정교한 실험실 장비로는 그토록 어려운 작업을 그토록 쉽게 수행할 수 있는 이유는 무엇일까요? 대답은 인체가 비대칭 분자로 존재하는 구성 요소(단백질, DNA, 탄수화물, 호르몬)로 구성되어 있다는 것입니다. 따라서 왼손 장갑이 왼손과 오른손과 다르게 상호 작용하는 것처럼 비대칭 후각 수용체도 각 카르본 거울상 이성질체와 다르게 상호 작용하여 서로 다르고 쉽게 구별할 수 있는 향기를 인식합니다.

신체에 영향을 미치는 이러한 비대칭 특성은 후각 수용체의 작용을 넘어서 중요한 의미를 갖습니다. 아마도 가장 큰 영향을 미치는 것은 의약품이 체내에서 작용하는 방식을 결정하는 데 있어 비대칭성의 역할일 것입니다(그림 6).

©David MacMillan/HJIFUS

많은 의약품은 두 개의 거울상으로 존재할 수 있는 작은 유기 분자입니다. 당연히 신체는 이러한 거울 이미지 각각에 다르게 반응합니다. 이러한 거울 이미지 중 하나는 아마도 문제가 있는 과잉 활성 효소의 활동을 차단함으로써 원하는 방식으로 신체와 상호 작용할 것입니다. 그러나 다른 거울 이미지는 생산적인 역할을 하지 않을 가능성이 높으며 위험한 방식으로 신체와 상호 작용할 수도 있습니다.

유기화학의 오랜 우선순위는 단일 거울 이미지 형태로 분자를 구성하기 위해 촉매작용을 사용하는 새로운 전략을 고안하는 것입니다.

원하는 의약 화합물의 거울상만을 선택적으로 제조할 수 있는 기술이 왜 필요한지 쉽게 알 수 있습니다. 유기화학의 오랜 우선순위는 단일 거울 이미지 형태로 분자를 구성하기 위해 촉매작용을 사용하는 새로운 전략을 고안하는 것입니다. 이 연구 분야는 비대칭 촉매작용으로 알려져 있습니다.

유기촉매란 무엇입니까?

오늘날 유기촉매는 비대칭 촉매의 주요 분야를 대표하며, 저는 이 흥미롭고 지속 가능한 신기술을 개척하는 데 역할을 한 것을 자랑스럽게 생각합니다. 유기촉매를 역사적 맥락에 두기 위해서는 20여 년 전 나의 경력 초기에 비대칭 촉매 분야의 상태를 고려해야 합니다.

1996년에는 비대칭 촉매작용의 두 가지 주요 방식, 즉 생체촉매작용과 금속촉매작용이 있었습니다. 생촉매는 자연적으로 발생하는 효소를 사용하여 유기 분자의 단일 거울상 이성질체를 구성합니다. 이 전략은 효소 자체가 거대한 비대칭 분자라는 사실을 활용합니다. 반면, 금속 기반 비대칭 촉매작용은 단일 거울상 이성질체 유기 분자와 쌍을 이루는 금속으로 구성된 촉매를 사용하는 인공 분야입니다.

이 이야기에서 나의 역할

이 이야기에서 나의 역할이 시작되는 곳은 바로 여기이다. 캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스에서 위대한 Larry Overman 교수 밑에서 박사 과정을 마친 후, 하버드 대학교에서 David Evans 교수와 함께 박사후 연구를 수행할 수 있는 특권을 누렸습니다. Dave는 세계에서 가장 영향력 있는 화학자 중 한 명이며 비대칭 금속 촉매 작용의 절대적인 대가입니다. 그룹에 있는 시간은 나에게 이 연구 분야에 대한 귀중한 노출을 제공했습니다.

Evans 그룹에 있는 동안 저는 비대칭 금속 촉매작용의 장점과 단점을 모두 이해하게 되었습니다. 현실은 내 하루의 대부분을 글러브박스라고 불리는 다소 불편하고 부피가 큰 장치에서 일하는 데 보냈다는 것입니다.

©David MacMillan/HJIFUS

글로브박스는 화학 반응에서 수분, 산소 및 공기를 엄격하게 제거하도록 설계된 특수 장비입니다. Evans 그룹에서는 비대칭 금속 촉매의 금속 성분을 다루기가 어려울 수 있으므로 글로브박스에서 작업해야 했습니다. 종종 금속은 대기에 노출될 수 없습니다. 더욱이 독성이 있고 지속 불가능하며 비용이 많이 들 수 있습니다. 반면에 유기 분자는 일반적으로 취급이 매우 쉽고 일반적으로 안전하고 지속 가능하며 재활용이 가능하고 저렴합니다.

만약에? 유기 분자를 이용한 촉매작용

그룹에 있으면서 단일 거울상 이성질체 유기 성분만을 사용하고 금속을 모두 제거하는 새로운 종류의 비대칭 촉매를 개발하는 것이 가능하지 않을까 하는 의문이 들기 시작했습니다. 나는 유기 분자에만 기반한 비대칭 촉매가 여러 가지 이유로 혁명적인 잠재력을 가질 수 있다고 믿었습니다. 유기 촉매는 자연의 구성 요소로 쉽고 저렴하게 구성되어야 합니다. 유기 촉매는 습기나 공기에 민감하지 않으며 특별한 장비 없이도 취급할 수 있습니다. 또한 유기 분자는 지속 가능하고 재활용이 가능하며 독성이 없습니다. 마지막으로 가장 흥미로웠던 점은 하나가 아닌 수백 가지의 다양한 반응을 촉진하는 데 사용할 수 있는 유기 촉매에 대한 단일 일반 플랫폼을 개발할 가능성이 있다는 점이었습니다. 나는 이 목표를 달성할 수 있다면 언젠가는 유기 분자 촉매 작용이 궁극적으로 비대칭 촉매 작용의 세 번째 주요 기둥으로 성장할 수 있을 것이라고 상상했습니다.

Organocatalysis. ©David MacMillan/HJIFUS

제가 이 원대한 비전을 공식화하는 동안 불행히도 단순한 유기 분자를 비대칭 촉매로 어떻게 활용할 수 있는지 정확히 알지 못했습니다. 버클리 캘리포니아 대학교에서 독립적인 경력을 시작한 지 2년 이내에 금속 성분을 완전히 제거하는 비대칭 촉매 작용을 위한 일반적인 플랫폼을 발명하게 될 것이라는 사실을 당시에는 알 수 없었습니다. 우리의 2000년 출판물에서 우리는 이 새로운 비대칭 촉매 분야에 유기촉매라는 이름을 붙였습니다.

The Earth & I 12월/1월호에서 David MacMillan의 프레젠테이션 후반부를 꼭 즐겨보세요. 교수는 노벨 화학상 수상 경로를 회상하고 지속 가능한 미래에서 유기촉매의 흥미로운 역할에 대해 숙고합니다.

Prof. MacMillan is the James S. McDonnell Distinguished University Professor of Chemistry at Princeton University. He shares the 2021 Nobel Prize in Chemistry with Dr. Benjamin List for the “development of asymmetric organocatalysis.”