약학과 김인수 교수, 코발트 촉매의 반응성을 활용한 의약품 합성공정 청사진 제시

- 촉매화학 분야 세계적 학술지 'ACS Catalysis' 온라인판 12월호 게재

▲ 왼쪽부터 김인수 교수, Prithwish Ghosh 박사, 권나연 박사과정생

약학과 김인수 교수 연구팀(제1저자: Prithwish Ghosh 박사, 공동제1저자: 권나연 박사과정)이 코발트 촉매가 의약품의 핵심 골격인 헤테로 고리의 구조변환에 중요하게 활용될 수 있음을 세계 최초로 규명하였다. 또한 코발트 촉매의 신규한 반응성이 항바이러스제, 폐섬유증치료제, 기관지확장제와 같은 고비용 의약품의 합성공정에 효과적으로 적용될 수 있음을 밝혔다. 이번 연구결과는 촉매화학 분야 세계적 학술지 'ACS Catalysis(IF = 13.70)' 12월 호에 게재되었다.

코발트는 지구상에 풍부하게 존재하는 전이금속 원소로서, 가격이 저렴하고 인체 및 환경 유해성이 적은 특성을 가지고 있다. 인간의 DNA 생합성을 위해 반드시 섭취해야 하는 비타민 B12의 중심 금속으로 알려져 있으며, 전기차 리튬이온 배터리의 양극자 부식 및 폭발 위험을 제어를 위해 필요한 핵심 소재로 활용되고 있다.

최근 코발트 촉매가 탄소 라디칼의 생성에 관여할 수 있다는 초기 연구결과가 보고된 바 있다. 기존에 보고된 탄소 라디칼 생성 방법은 강산 및 광촉매 조건 하에서 가능하였으나, 폭발성, 제한된 기질로의 적용 및 위치선택성의 부재 등으로 인해 실제 의약품 합성으로의 적용은 한계점으로 인식되어 왔다. 김인수 교수 연구팀은 이번 연구를 통해, 자연계에 널리 존재하는 '코발트 2'가 촉매 및 브로민산 칼륨의 신규 조합이 탄소 라디칼 생성에 필수적이며, 의약품의 핵심 단위 구조인 헤테로고리와 탄소 라디칼의 위치선택적인 결합에 효과적으로 작용함을 규명하였다. 또한 항바이러스 치료제 뉴클레오시드(nucleoside), 폐섬유증치료제 피르페니돈(pirfenidone) 및 기관지확장제 이토파일린(etofylline) 등의 의약품에도 선택적으로 탄소 라디칼이 도입될 수 있음을 제시하였다.

김인수 교수는 "이번 연구결과는 탄소 라디칼 형성을 위해 코발트 촉매 및 브로민산 칼륨의 사용이 매우 중요하며, 특히 탄소 라디칼의 안정적인 활용에 관한 새로운 발견"이라며 "본 연구는 국내외 제약회사의 신규 의약품 설계 및 기존 의약품의 제조공정 단축을 위해 효과적으로 적용될 수 있는 최적의 합성법이다"라고 연구 의의를 설명했다.

이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실지원사업(BRL) 및 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었다.

▲ '코발트 2'가 촉매와 브로민산 칼륨의 조합을 통해 항바이러스제 뉴클레오시드 핵염기 내 탄소-수소 결합이 알킬기로 변환되는 반응식

▲ 알킬화 및 아실화 기질로 활용이 가능한 Hantzsch 기질이 코발트 촉매 및 브로민산 칼륨에 의해 분해되어 탄소 라디칼이 형성되는 과정(그림 a)
생성된 탄소 라디칼은 코발트 3가 촉매의 도움을 받아 아자유라실(azauracil) 내 5번 탄소와 선택적으로 결합하고 이후 코발트 3가 촉매의 산화적 탈수소화 반응을 통해 목적하는 생성물이 형성되는 과정(그림 b)

- 뉴클로오시드 유사체(nucleoside analogues): DNA와 RNA의 근간이 되는 인산, 당, 염기를 변형시켜 DNA 또는 RNA와 구조적으로 유사하게 만든 의약품

- 헤테로고리(heterocycles): 의약품의 핵심 단위 구조로서 질소 또는 산소 원자 등을 고리 안에 포함하고 있는 유기화학물

- 알킬화(alkylation): 유기화합물에 치환반응 또는 첨가반응을 통해 알킬기를 도입하는 반응

- 아실화(acylation): 유기화합물에 치환반응 또는 첨가반응을 통해 아실 또는 카보닐기를 도입하는 반응