빛과 전기로 합성의 새 길 열다

신약 개발과 신소재 연구에서 핵심 골격으로 쓰이는 헤테로고리 화합물을 기존 방식과 다른 원리로 합성하는 데 국내 연구진이 성공했다. 빛과 전기를 활용하되 전이금속 촉매를 배제해, 환경 친화적이면서도 높은 전자 효율을 확보한 점이 국제적으로 주목받고 있다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 포항공과대학교 김현우 교수 연구팀이 ‘광자-유도 전기합성(photon-primed electrosynthesis)’이라 명명한 새로운 합성 패러다임을 제시했다고 밝혔다. 연구 결과는 8월 13일 화학 분야 세계 최상위 저널인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 게재됐다.

헤테로고리 화합물은 2종 이상의 이종 원소를 포함하는 고리형 구조로, 구조적 다양성과 안정성 덕분에 의약품·농약·신소재 개발에 널리 쓰인다. 그러나 기존 합성법은 복잡하게 치환된 고리 구조를 효율적으로 제조하는 데 한계가 있었다. 특히 최근에는 빛과 전기를 활용한 합성 전략이 활발히 연구되고 있지만, 대부분 전이금속 촉매 사용을 전제로 해 지속가능성과 효율성 측면에서 제약이 있었다.

연구팀은 광 반응으로 중간체를 먼저 형성한 뒤 전기화학적 산화를 통해 반응성이 낮은 물질과도 결합 가능한 고활성 종으로 전환시키는 방식을 고안했다. 이 과정에서 전이금속 촉매는 필요하지 않으며, 광반응과 전기화학의 시너지를 통해 이례적으로 높은 전자 효율을 달성했다.

김현우 교수는 “단일 기술에 의존하지 않고 빛과 전기를 융합해 새로운 반응 경로를 열 수 있음을 증명한 사례”라며 “환경 친화적 합성 전략을 기반으로 다양한 화학산업 원천기술로 발전할 잠재력을 지녔다”고 설명했다.

이번 성과는 연세대학교 김우재 교수, 한양대학교 김형준 교수 연구팀과의 협업으로 메커니즘을 분광학 및 계산화학적으로 입증하며 학문적 완성도를 높였다. 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 우수신진연구 사업과 삼성미래기술육성사업의 지원을 받았다.

새로운 합성 패러다임은 기존 방법으로는 접근이 어려웠던 복잡한 화합물 합성을 가능케 해, 신약 개발·농약 설계·첨단 소재 창출 등 분야에서 혁신을 이끌 원천 기술로 자리매김할 것으로 기대된다.