화학 촉매의 혁신은 미래를 혁신할 것입니다

새로운 비금속 화학 공정이 산업을 변화시키고 독성 폐기물을 줄이는 방법

Organocatalytic processes are particularly appealing, as they are sustainable and remove the need to employ costly, toxic, and nonrenewable metals. ©David MacMillan/HJIFUS

다음 기사는 2022년 제28차 과학 통합 국제 컨퍼런스(ICUS XXVIII)에서 David MacMillan 교수가 “지속 가능한 미래를 위한 새로운 촉매 전략”이라는 제목으로 기조 연설을 한 두 번째 부분입니다.

유기촉매의 발견

1998년 여름, 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스에 조교수로 부임했을 때, 나는 유기촉매(유기, 비금속, 무독성 촉매를 사용하여 유기촉매를 생성하는 과정)의 일반적인 방법을 개발하려는 내 목표를 어떻게 달성할 수 있을지 몰랐습니다. 화학 반응을 촉진합니다]. 그러나 나는 첫해에 내 연구실에 합류한 훌륭하고 헌신적이며 믿을 수 없을 정도로 열심히 일하는 젊은 대학원생 그룹을 믿었습니다. 다행스럽게도 우리 팀에 대한 신뢰는 잘 유지되었습니다.

1999년 봄, 우리 그룹의 1년차 대학원생인 Kateri Ahrendt는 작은 유기 분자가 Diels-Alder 고리첨가 반응이라고 불리는 잘 알려진 반응을 촉매할 수 있다는 것을 발견했습니다. 가장 흥미로운 점은 Kateri가 노트에 쓴 것처럼 유기촉매가 제품의 원하는 거울상을 우선적으로 형성할 수 있었다는 것입니다.

©David MacMillan/HJIFUS

이 촉매가 없으면 반응은 생성물의 두 거울상을 동일한 양으로 생성합니다. 비록 이 예비 결과가 출판될 준비가 되어 있지는 않았지만 실제로 유용한 수준의 선택성을 달성하려면 궁극적으로 촉매의 구조를 수정하고 반응 조건을 최적화해야 했습니다. 1999년 4월 3일에 있었던 Kateri의 중추적인 실험은 나의 비대칭 유기촉매 반응 연구실입니다.

수많은 실험 끝에 우리는 궁극적으로 매우 효과적이고 일반화 가능한 유기촉매 비계인 이미다졸리디논을 발견했습니다.

이 촉매가 없으면 반응은 생성물의 두 거울상을 동일한 양으로 생성합니다. 비록 이 예비 결과가 출판될 준비가 되어 있지는 않았지만 실제로 유용한 수준의 선택성을 달성하려면 궁극적으로 촉매의 구조를 수정하고 반응 조건을 최적화해야 했습니다. 1999년 4월 3일에 있었던 Kateri의 중추적인 실험은 나의 비대칭 유기촉매 반응 연구실입니다.

수많은 실험 끝에 우리는 궁극적으로 매우 효과적이고 일반화 가능한 유기촉매 비계인 이미다졸리디논을 발견했습니다.

©David MacMillan/HJIFUS

지속 가능성의 관점에서 볼 때, 이미다졸리디논은 아미노산인 페닐알라닌과 일반적으로 페인트 제거제로 사용되는 벌크 화학 물질인 아세톤을 결합하여 쉽고 저렴하게 만들 수 있기 때문에 정말 바람직한 촉매입니다.

이미다졸리디논은 또한 조정 가능성이 높다는 중요한 이점을 가지고 있습니다. 즉, 다양한 유형의 화학 반응의 특정 요구 사항을 충족하도록 구조를 쉽게 수정할 수 있습니다. 이러한 조정 가능성을 통해 우리는 수백 가지의 다양한 화학 반응에 적용할 수 있는 단일 유기촉매 비계인 일반 활성화 모드를 개발한다는 원대한 비전을 궁극적으로 실현할 수 있습니다. 실제로, 비대칭 촉매작용의 주요 모드로서 유기촉매작용의 출현은 이 핵심 촉매 설계 특징에서 추적될 수 있습니다.

최초의 비대칭 유기촉매 Diels-Alder 고리화 첨가를 보고한 획기적인 2000년 출판물에 이어 우리는 이미다졸리디논 지지체를 사용하여 일련의 비대칭 유기촉매 반응을 개발했습니다.

대학원생인 Joel Austin과 Chris Borths가 훌륭하게 설계한 2세대 이미다졸리디논 촉매는 원래의 지지체보다 훨씬 더 다재다능한 것으로 입증되어 수십 가지의 강력한 새 비대칭 유기촉매 반응을 신속하게 개발할 수 있었습니다.

유기촉매의 확장

이 무렵 다른 학술 연구자, 특히 Karl Anker Jørgensen과 Yujiro Hayashi가 이 새로운 분야의 성장에 중요한 기여를 하기 시작했습니다(아래 이미지 참조). 한편, 벤 리스트(Ben List)와 카를로스 바르바스(Carlos Barbas)는 에나민 기반 유기촉매 관련 분야에서 명쾌한 연구를 수행하고 있었습니다.

우리 그룹과 전 세계의 다른 사람들이 비대칭 유기촉매 프레임워크를 활용하는 강력하고 새로운 반응을 광범위하게 발명하도록 영감을 받았기 때문에 이는 믿을 수 없을 만큼 흥미로운 시간이었습니다.

우리 그룹과 전 세계의 다른 사람들이 비대칭 유기촉매 프레임워크를 활용하는 강력하고 새로운 반응을 광범위하게 발명하도록 영감을 받았기 때문에 이는 믿을 수 없을 만큼 흥미로운 시간이었습니다. 물론, 모든 변혁적인 과학적 발전은 선조들의 토대 위에 세워졌으며, 비대칭 유기촉매 분야는 인접한 촉매 분야에서 근본적인 공헌을 한 많은 뛰어난 화학자들에게 큰 빚을 지고 있습니다. 이들 선구자들의 발견이 없었다면 비대칭 유기촉매 분야는 존재할 수 없었을 것입니다.

©David MacMillan/HJIFUS

비대칭 유기촉매 분야가 계속 성장함에 따라 우리는 흥미롭고 새로운 방향으로 사업을 확장하기 시작했습니다. 지속 가능성의 관점에서 볼 때 우리 그룹의 특별한 관심은 단일 반응 용기 내에서 여러 유기촉매 반응을 병합하여 최소한의 낭비로 간단한 출발 물질에서 높은 수준의 화학적 복잡성을 신속하게 구축할 수 있는 가능성이었습니다.

우리가 계단식 촉매작용이라고 부르는 이 일반적인 전략은 실제로 자연이 복잡한 분자를 만드는 방식을 모방할 것입니다. 자연에서는 간단한 빌딩 블록이 생화학적 조립 라인을 통해 전환되며, 여기서 각 효소는 제어된 순서로 뚜렷한 반응을 촉매하여 복잡한 최종 산물을 빠르게 생성합니다.

지속 가능성의 관점에서 우리 그룹의 특별한 관심은 단일 반응 용기 내에서 여러 유기촉매 반응을 병합할 수 있는 가능성이었습니다...이 일반적인 전략...우리는 계단식 촉매작용이라고 불렀습니다.

자연의 효소 대신 단순한 유기촉매를 사용한 유사한 계단식 촉매작용 전략은 매우 효과적인 것으로 입증되었습니다. 주요 시연에서 우리는 쥐약으로도 일반적으로 사용되는 자연 발생 분자인 스트리크닌의 신속한 전체 합성을 달성했습니다.

이러한 중심적인 복잡성 형성 변환은 단일 반응 용기에서 이루어졌습니다. 매우 간단한 출발 물질이 3개의 연속적인 유기촉매 사이클을 통해 공급되었으며, 각 사이클은 분자에 복잡성 요소를 추가하여 고도로 정교한 최종 생성물을 생성했습니다.

이 제품은 쉽게 스트리크닌으로 전환되어 시중에서 판매되는 출발 물질로부터 단 12단계만 거치면 이 까다로운 천연 제품을 신속하게 합성할 수 있습니다. 캐스케이드 유기촉매는 복잡한 분자 구조를 구축하기 위한 지속 가능하고 폐기물 효율적이며 매우 경제적인 전략으로 더욱 검증되었습니다.

©David MacMillan/HJIFUS

광촉매

2007년에 우리 연구실의 뛰어난 3학년 대학원생인 Teresa Beeson은 SOMO 촉매라고 불리는 비대칭 유기촉매의 새로운 모드를 개발했습니다. 이는 궁극적으로 우리 연구 그룹을 매우 흥미로운 새로운 방향으로 나아가게 하여 유기촉매와 가시광선 촉매를 결합하는 새로운 유형의 지속 가능한 촉매 플랫폼을 개발하게 될 것입니다. 광환원 촉매작용이라고 불리는 이 새로운 영역은 우리 그룹의 뛰어난 박사후 연구원인 Dave Nicewicz에 의해 처음으로 입증되었습니다.

©David MacMillan/HJIFUS

가시광선 촉매와 유기촉매를 병합하는 능력은 매우 중요한 발전을 의미하며, 지난 14년 동안 광환원 촉매는 그 자체로 중요한 연구 분야로 성숙해졌습니다. 사실, 오늘날 광환원 촉매 분야는 유기 촉매 분야만큼 영향력이 크며, 이 두 중요한 분야의 개념화 및 발전에 깊이 관여할 수 있었던 것을 매우 행운으로 생각합니다.

유기촉매와 사회

나는 지난 20년 동안 비대칭 유기촉매가 합성 유기화학 분야에 영향을 미친 방식을 자랑스럽게 생각합니다. 유기촉매의 영향은 학술 연구 커뮤니티의 범위를 넘어서도 느껴질 수 있습니다. 환경적으로 책임 있는 관행이 기업의 주요 우선순위로 떠오르고 있는 산업 환경에서 유기촉매 공정은 지속 가능하고 값비싸고 독성이 있으며 재생 불가능한 금속을 사용할 필요가 없기 때문에 특히 매력적입니다. 따라서 유기촉매 솔루션은 현대의 대규모 산업 공정에 점점 더 많이 적용되고 있습니다.

환경적으로 책임 있는 관행이 기업의 주요 우선순위로 떠오르고 있는 산업 환경에서 유기촉매 공정은 지속 가능하고 값비싸고 독성이 있으며 재생 불가능한 금속을 사용할 필요가 없기 때문에 특히 매력적입니다.

오늘날, 대량 규모의 유기촉매는 특히 스위스 회사인 Firmenich에서 제조한 향기로운 향기의 환경 친화적인 합성에 사용됩니다.

유기촉매는 재활용 가능한 플라스틱 경제에도 응용될 수 있습니다. 예를 들어, 스탠포드 대학교의 Bob Waymouth 교수와 IBM의 James Hedrick 박사는 폴리머를 구성 요소인 모노머 빌딩 블록으로 분해하는 유기촉매 공정을 개발했습니다. 이러한 단량체는 다시 중합체로 변환될 수 있기 때문에 이러한 유기촉매 공정은 플라스틱을 완전히 재활용 가능하고 지속 가능하게 만들 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 말할 필요도 없이, 그러한 기술의 광범위한 채택은 바다와 기타 위협받는 생태계에 막대한 영향을 미칠 것입니다.

©David MacMillan/HJIFUS

놀랍지도 않게도 비대칭 유기촉매는 의약 분자의 단일 거울 이미지 버전에 접근해야 하는 필요성이 가장 중요한 제약 산업 전반에 걸쳐 많이 채택되었습니다. 예를 들어 머크의 만성 편두통 약물인 Telcagepant는 머크 실험실에서 개발된 비대칭 유기촉매 기술을 사용하여 제조됩니다.

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산업적 응용을 넘어서, 유기촉매는 다소 놀라운 방식으로 우리 사회에 더 넓은 영향을 미쳤습니다. 유기촉매는 화학 분야를 민주화하는 데 중요한 역할을 했다는 사실이 밝혀졌습니다. 유기촉매는 가격이 저렴하고 특별한 장비 없이 대기압 하에서 유기촉매 반응을 수행할 수 있다. 이러한 이유로 유기촉매는 전 세계의 과학자와 교육자가 접근할 수 있는 고유한 방법입니다.

©David MacMillan/HJIFUS

전 세계의 학생과 연구자는 최첨단 비대칭 유기촉매 기술에 대한 실무 경험을 쌓을 수 있는 특별한 기회를 가지며, 아마도 더 중요한 것은 이용 가능한 재정 및 도구 자원에 관계없이 이 연구 분야에 혁신적인 기여를 할 수 있는 독특한 기회를 갖습니다. 그들에게.

유기촉매의 접근성과 사용 용이성은 다른 많은 현대 합성 방법과 극명한 대조를 이루며, 이러한 민주화 효과의 의미는 흥미진진합니다. 나는 유기촉매의 다음 혁명적 발전은 가장 풍부한 자원을 갖춘 실험실이 아니라 가장 우수하고 가장 창의적인 아이디어를 가진 연구자로부터 나올 것이라고 주장하고 싶습니다.

촉매작용의 미래

나는 유기촉매의 미래가 어떻게 될지에 대한 질문을 자주 받습니다. 저는 그 질문에 대한 답을 갖고 있지 않습니다. 하지만 저는 우리가 환경적으로 책임 있는 방식으로 늘어나는 세계 인구를 부양해야 한다는 것을 알고 있습니다. 저는 우리의 가장 시급한 과제에 대한 해결책이 강력하고 지속 가능한 촉매 시스템을 개발하는 과학자들의 능력에 달려 있다고 믿습니다. 이러한 솔루션에는 유기촉매 및 생체촉매가 포함되지만, 광촉매 및 전기촉매와 같은 지속 가능한 최신 기술도 포함됩니다.

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.”