합성 화학은 제약이나 소재와 같은 기반산업의 근간으로 매우 중요하다. 특히나 요즘은 복잡한 분자를 정밀하게 제어하는 기술을 요구하여 고난이도 기술 산업의 성격이 강해졌다. 이에 따라 세계적으로 효율적인 화학반응을 찾고 이를 효율적으로 설계하는 노력이 활발하다.
지난 반 세기 동안 화학산업을 진일보시키는 데 가장 크게 기여한 연구 중 하나가 바로 유기 반응의 촉매로 전이 금속을 이용한 것이다. 다양한 전이금속 촉매를 개발하는 한편, 이들의 반응 메커니즘을 상세하게 규명하여 이전에는 불가능하다고 여겨졌던 화학 변환들이 실제로 가능해졌다.
IBS의 분자활성 촉매반응 연구단은 전이금속 촉매 연구의 선두그룹 중 하나다. 연구단은 최근 수년간 전이금속 복합체를 이용해 탄화수소 화합물에 질소원자를 도입하는 반응을 심도 있게 연구해왔다. 다양한 질소를 함유하는 질소화합물은 제약, 전자재료, 광학 소재 등 산업 전반에 사용된다. 하지만, 자연계에 널리 퍼진 탄화수소를 직접 질소 화합물로 전환하는 공법은 매우 한정적이다. 그리하여 탄화수소 화합물에 활성화 공정을 거치고 이에 질소를 도입하는 복잡한 방식이 주로 사용됐다. 이 과정의 단순화를 위한 수많은 연구 개발이 이루어지고 있으며, 최근 질소 작용기를 붙이는 경제적인 방법들이 개발되어 질소화합물 제조 효율성을 획기적으로 끌어올릴 수 있는 길이 열리고 있다. 연구단에서도 최근 로듐 촉매 메커니즘에 대한 연구를 바탕으로 매우 효율이 높으며, 안정성과 상업화 가능성이 높은 질소화법을 개발하는 데 성공했다.
연구단은 지난 2012년 전이금속인 로듐 촉매와 3개의 질소원자로 구성된 N3 기를 포함하는 아지드 화합물을 이용하여 탄화수소를 활성화하고, 탄소-질소 화합물을 만드는 데 성공했다. 이 로듐-아지드 반응으로 생성된 탄소-질소 화합물은 다양한 분자를 합성하는 데 널리 활용될 수 있다. 또한 반응 산물로 질소만 발생하여 친환경적이기도 하다. 그러나 다량의 값비싼 로듐 촉매와 섭씨 80도가 넘는 고온이 필요하다는 단점이 있었다.
최근 연구단은 로듐아지드 반응을 상세하게 밝히는 메커니즘 연구를 통해, 왜 많은 양의 촉매와 고온이 필요한지 알아냈다. 로듐아지드 반응에서 탄화수소가 활성화된 뒤 질소가 결합하려면 아지드 화합물이 로듐에 전자쌍을 일방적으로 제공하여 결합하는 ‘배위결합’을 해야 한다. 그런데 아지드화합물은 전자쌍을 내놓는 능력이 크지 않아 효율이 매우 떨어진다. 이런 한계 속에서 탄소-질소 화합물을 만들어내려다 보니 많은 양의 촉매와 고온이 필요했던 것이다. 따라서 로듐아지드 반응의 단점을 극복하려면 아지드 화합물을 대체할 수 있는 물질이 필요하다. 즉 로듐 촉매에 대해서 배위 능력이 뛰어난 새로운 질소화합물을 원료로 사용해야 한다.
연구단은 디옥사졸론이라고 불리는 화합물 그룹에 주목했다. 이 화합물의 질소 원자는 sp2 특성을 갖는 비공유 전자쌍이 있어 전이금속 촉매와 강한 결합을 형성한다. 이뿐만 아니라 산소와 결합해 쉽게 활성화될 수도 있다.
연구단은 반응에 이용하는 질소화합물을 아지드 화합물에서 디옥사졸론으로 대체했다. 이를 통해 기존보다 60% 이상이나 적은 로듐 촉매를 이용해 상온에서 탄소-수소 결합을 탄소-질소 결합으로 바꿔주는 탄소-질소화 방법을 개발해냈다. 이 방법은 반응의 중심이 되는 부분인 작용기가 없더라도 다양한 화합물에 적용할 수 있어 새로운 의약품이나 생물학적 활성을 갖는 화합물을 합성하는 데에도 매우 유용하다. 게다가 외부 충격으로 폭발할 가능성이 있는 아지드 화합물을 사용하지 않아도 되고, 친환경 에스테르계 용매를 사용해 상업화 가능성도 높아졌다.
연구단은 이와 함께 화학반응 과정에서 나타나는 중간체 구조를 자세히 밝히고, 양자 계산화학을 활용해 깊이 있는 반응 메커니즘 연구를 추가로 수행했다. 이를 통해 기존보다 반응성이 뛰어난 원인도 알아냈다. 이번 연구는 2015년 3월 메커니즘 연구를 토대로 새로운 화학반응을 개발한 선구적인 사례로 인정받아 <미국화학회지>에 게재됐다. 또 산업계에서 이 방법을 이용한 활용 연구 요청이 잇따라 친환경적이면서도 대용량으로 제조할 수 있도록 하는 방법도 찾아냈다.
이와 함께 고가의 로듐 촉매를 저가의 전이금속 촉매로 대체하는 탄소-질소화 반응 연구도 활발하게 진행하고 있다. IBS 분자활성 촉매반응 연구단은 지속적인 연구를 통해 탄소-질소화 화합물 합성 경로를 단축해 안정성과 경제성, 친환경성을 모두 만족시키는 이상적인 탄화수소 활성화 방법을 찾아낼 계획이다.

발표논문
Yoonsu Park, Kyung Tae Park, Jeung Gon Kim, and Sukbok Chang, “Mechanistic Studies on the Rh(III)-Mediated Amido Transfer Process Leading to Robust C−H Amination with a New Type of Amidating Reagent”, Journal of the American Chemical Society, Vol. 137, no. 13, pp. 4534–4542 (2015)

참고자료
Ji Young Kim et al., “Rhodium-Catalyzed Intermolecular Amidation of Arenes with Sulfonyl Azides via Chelation-Assisted C–H Bond Activation”, Journal of the American Chemical Society, Vol. 134, no. 22, pp. 9110-9113 (2012)
Kwangmin Shin, Hyunwoo Kim, and Sukbok Chang, “Transition-Metal-Catalyzed C–N Bond Forming Reactions Using Organic Azides as the Nitrogen Source: A Journey for the Mild and Versatile C–H Amination”, Accounts of Chemical Research, Vol. 48, no. 4, pp. 1040-1052 (2015)