2021 노벨화학상에 대한 리뷰와 그 중요성

2021년 노벨 화학상은 벤야민 리스트와 데이비드 맥밀런에게 주어졌다. 비대칭 유기촉매를 개발한 공로였다.

촉매의 두 갈래

화학 반응의 속도를 높이면서 자신은 소모되지 않는 물질을 촉매라 한다. 2000년까지 촉매는 대체로 두 종류였다.

하나는 금속이다. 백금, 팔라듐 같은 금속이나 그 화합물이 널리 쓰였다. 성능이 좋지만 값이 비싸고, 물과 산소에 민감해 다루기 까다롭다. 독성이 있는 경우도 많아 의약품 제조에서는 미량이라도 남으면 문제가 된다.

다른 하나는 효소다. 생물이 쓰는 단백질 촉매로, 정밀하고 조건이 온화하다. 대신 크고 불안정하며, 원하는 반응에 맞는 효소를 찾기 어렵다.

세 번째 길

리스트는 효소에서 실제로 일하는 부분이 얼마나 되는지 물었다. 효소는 수백 개의 아미노산으로 이루어져 있지만, 반응이 일어나는 자리는 그중 일부다. 나머지 없이 그 부분만으로도 촉매가 될 수 있지 않을까 하는 물음이었다.

그는 아미노산의 하나인 프롤린으로 실험했다. 프롤린은 분자 하나로 된 단순한 물질이다. 결과는 반응이 진행됐고, 더구나 한쪽 방향의 생성물이 우세하게 나왔다.

맥밀런은 다른 경로로 접근했다. 금속 촉매의 불안정성을 피하려고, 전자를 잠시 주고받을 수 있는 유기 분자를 설계했다. 이 분자들도 촉매로 작동했고 선택성이 높았다.

두 사람은 2000년 각각 논문을 발표했다.

거울상이 문제다

유기 분자 가운데는 왼손과 오른손처럼 서로 겹쳐지지 않는 두 형태를 갖는 것이 있다. 구성 원자와 결합 방식은 같지만 배치가 거울에 비친 관계다.

생물에게 이 차이는 결정적이다. 몸속 수용체가 한쪽 형태에만 맞기 때문이다. 같은 물질의 두 형태가 전혀 다른 작용을 하는 사례가 알려져 있고, 한쪽은 약으로 작용하는데 다른 쪽은 해를 끼친 경우도 있었다.

일반적인 합성 반응은 두 형태를 반반씩 만든다. 원하는 쪽만 얻으려면 나중에 분리해야 하고, 절반을 버리게 된다.

비대칭 촉매는 처음부터 한쪽만 만들어지도록 이끈다. 유기촉매의 의미는 이 일을 값싸고 다루기 쉬운 분자로 할 수 있게 됐다는 데 있다.

실용적인 이점

유기촉매는 대체로 공기와 물에 안정하다. 특수한 설비 없이 다룰 수 있다는 뜻이다.

금속 오염 문제도 없다. 의약품 합성에서 중금속 잔류는 엄격히 관리되는 항목인데, 애초에 쓰지 않으면 그 관리가 필요 없다.

여러 단계를 한 용기에서 이어 진행할 수 있다는 점도 장점으로 꼽힌다. 중간 생성물을 분리하지 않고 다음 반응으로 넘기면 공정이 짧아지고 폐기물이 줄어든다.

남은 과제

유기촉매가 금속 촉매를 대체한 것은 아니다. 금속만 할 수 있는 반응이 여전히 많다.

유기촉매는 반응 속도가 느린 경우가 있고, 촉매를 상대적으로 많이 넣어야 하는 경우도 있다. 더 적은 양으로 더 빠르게 작동하는 구조를 찾는 연구가 이어지고 있다.