연구성과

화학 이인수 교수팀, 단일촉매로 정밀의약품 제조 공정 줄인다

2020-02-10 377

[금속-유기-골격체 기반 통합형 나노촉매 플랫폼 개발]


세계보건기구(WHO)가 지난달 30일(현지시간) 신종 코로나바이러스 감염증에 대한 ‘국제공중보건 비상사태’를 선포하는 등 신종 코로나바이러스 감염증의 확산으로 전 세계가 공포에 떨고 있다. 항바이러스제를 비롯한 의약품의 빠른 배포가 요구되는 시점이지만, 복잡한 생산공정으로 인해 이들을 단기간에 대량생산하는 것 또한 매우 쉽지 않은 일이다. 이런 가운데 POSTECH 연구팀이 의약품과 같은 정밀화학제품의 생산공정을 매우 단순화할 수 있는 통합형 나노촉매 플랫폼 개발에 성공했다.

화학과 이인수 교수와 슈만 듀타(Soumen Dutta) 박사 연구팀은 단일 MOF 나노플랫폼에 서로 다른 3개의 촉매 기능을 효과적으로 통합하는 데에 성공했다. 또 나노(nano) 거리 내에 가깝게 배치된 촉매물질 간의 시너지효과를 통해 우수한 수율과 높은 광학활성을 지니는 생성물을 생산하는 단일공정 다단계 연속화학반응을 실현했다.

화학·제약품의 제조는 연속적인 합성-분리 단계를 거치는 다단계 공정을 통해서 이루어지며, 이 때문에 많은 시간과 비용을 필요로 한다. 특히, 각 합성단계에 사용되는 촉매 물질들은 서로의 활성 및 선택성을 저해하는 경우가 많아서, 촉매들의 반응성과 안정성이 유지되는 복합-촉매 물질을 개발하고 이를 이용하여 공정을 단일화하는 것은 매우 어려우면서 중요한 과제이다.

연구팀은 금속이온과 유기물의 자기조립을 통해서, 나노크기(20~40nm)의 동공을 지니는 다공성 금속-유기-골격체 (MOF)를 합성한 후에 금속나노입자촉매와 효소촉매를 나노동공에 단계적으로 도입하는 방법을 통해서, 여러 촉매기능이 통합된 나노촉매 (MCNR)를 제조했다. 연구팀은 이렇게 제조된 MCNR의 가까이 위치하는 나노동공에 분리되어 포획된, 금속이온, 나노입자, 효소가 서로의 촉매 기능을 저해하지 않으면서 다단계의 연속화학반응을 효과적으로 수행하는 것을 확인하였다.

제1저자인 슈만 듀타 박사는 “다단계의 공정을 통해서 이루어지는 화합물 생산과정을 단일 촉매를 이용한 단일 공정을 통해서 실현할 수 있게 됐다”며 “높은 광학선택성을 필요로 하는 의약품과 같은 정밀화학제품의 생산공정을 매우 단순화할 수 있다”라고 말했다.

이인수 교수는 “중간체를 분리하는 데에서 사용되는 용매·에너지 등의 사용을 줄일 수 있는 화학공정을 친환경적으로 바꿀 수 있다”며 “특히, 화학반응의 단계를 줄임으로써 바이러스에 대응할 수 있는 의약품 생산비용과 가격을 낮추게 될 것을 기대한다”라고 밝혔다.

이 연구결과는 화학 및 응용화학 분야 최정상 학술지인 안게반테 케미(Angew. Chem. Int. Ed.)에 온라인 판에 속보로 게재됐다. 이 사업은 한국연구재단 리더연구자지원사업(창의연구)의 지원으로 수행됐다.